正交電橋的短波雙極性電調衰減器的設計

張嘉毫，李毅，唐健，何方敏等

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正交電橋的短波雙極性電調衰減器的設計

張嘉毫，李毅，唐健，何方敏等

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

設計了一種基于正交電橋的短波雙極性電調衰減器，并在此基礎上提出了基于單個正交電橋實現矢量調制器的方法。首先理論分析了基于正交電橋實現雙極性衰減器的原理。其次設計了該衰減器中的正交電橋、基于PIN二極管的可調射頻電阻以及線性控制電路。最后分析了基于單個正交電橋實現矢量調制器的原理。結果表明，該雙極性電調衰減器在短波頻段內動態范圍可達30 dB，基本實現線性控制。

雙極性衰減器 正交電橋 PIN二極管 矢量調制器

0 引言

艦船上的大功率發射機和寬帶接收機同時工作時，由于空間距離近，會產生干擾問題。特別是大功率發射機、阻塞式干擾機工作時，己方接收機受干擾尤為嚴重。為解決有限空間內同平臺天線間干擾問題，提高頻譜資源利用率，提出了自適應輻射干擾對消技術。自適應輻射干擾對消技術的基本原理就是將提取的參考信號做與干擾信號的等幅反相處理后，再與干擾信號相加，從而對消干擾信號[1-4]。自適應干擾對消系統的功能框圖如圖1。由圖1可知，雙極性電調衰減器是干擾對消系統中的關鍵器件之一。一般要求其能夠承受較大功率、電壓傳輸系數與控制電壓基本呈線性關系、衰減動態范圍大等。

圖1 自適應干擾對消系統功能框圖

1 基于正交電橋的雙極性電調衰減器的原理

雙極性電調衰減器一般利用FET或PIN二極管的射頻電阻隨電壓或電流的變化特性來實現對衰減量的控制。目前，主要存在：1）基于π型結構的電調衰減器，如文獻[5]中討論的衰減器，這種衰減器的前置功分器將導致3 dB的插入損耗，單級很難實現大的動態衰減范圍，控制特性非線性。2）基于橋型結構的電調衰減器，橋型結構的電調衰減器具有插入損耗小，能夠實現線性控制等特點。文獻[6]中的電調衰減器最大衰減35 dB。文獻[7]中的電調衰減器最大衰減能夠達到65 dB，且頻帶內衰減平坦，但是結構復雜。

圖2 電調衰減器結構圖

如圖2所示，正交電橋由一個功分器和差相移移相網絡組成，差相移移相網絡相對相移為90°。1、2端為功分器同相、反相合成端，3、4為功分器分離端，3、4端與移相網絡相接。當信號從1端輸入時，在5、6端成90°分離輸出，當相位差為90°的兩路同頻等幅信號從5、6端輸入時，在2端合成輸出。將差相移正交電橋分離端5、6端分別接上可調射頻電阻Z，通過控制使5、6兩端可調電阻始終相等.若1、2輸入、輸出端特性阻抗為Z，則5、6端反射系數為：

2 基于正交電橋的雙極性電調衰減器設計

2.1 正交電橋設計

圖3 正交電橋設計原理圖

2.2 可調射頻電阻的設計

2.3 線性控制電路的設計

其中，L由公式(3)確定。

得到控制電壓與電流的關系：

上述控制電流與控制電壓的關系用集成電路容易實現。

3 實際研制的衰減器的實驗結果

根據以上分析，研制了短波波段的雙極性電調衰減器。可調射頻電阻用兩個PIN二極管串聯，內部特性阻抗為50 Ω。圖4至圖7給出了衰減器主要性能指標。

圖4是衰減器最小衰減和最大衰減曲線，圖中曲線為衰減器的21曲線。當控制電壓為0 V時，衰減器達到最大衰減；當控制電壓為+5 V或-5 V時，衰減器達到最小衰減。

圖5、圖6是衰減器輸入端1端和輸出端2端電壓駐波比曲線，在6 MHz至30MHz頻率范圍內駐波比小于1.7，表明衰減器匹配良好。

圖5 輸入端駐波比

圖6 輸出端駐波比

圖7是控制電壓與射頻電壓傳輸系數關系曲線，基本呈線性關系。

圖7 控制電壓與傳輸系數關系曲線

4 總結與展望

按照本文設計思路研發的短波雙極性電調衰減器有較大的動態范圍，且控制特性和電路結構簡單。與橋式雙極性電調衰減器相比，本衰減器的可調電阻只需兩路，可以減少PIN的數量，從而降低了成本。

同時以本文設計的基于正交電橋的雙極性電調衰減器為基礎，通過將可調電阻變為可調阻抗，可用一個衰減器實現矢量調制器。圖1虛線框內所示部分為一般的矢量調制器，它由兩個雙極性電調衰減器、一個正交功分器和一個合成器組成，其功能是調節信號的幅度與相位。

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Design of a Bipolar Electronic-controlled Attenuator Based on Quadrature Bridge in Short-wave Band

Zhang Jiahao, Li Yi, Tang Jian, He Fangmin, et al

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM13

A

1003-4862（2014）2-0017-04

2013-07-06

張嘉毫(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電磁兼容。

李毅(1977-)，男，博士，副研究員。研究方向：射頻電路，電磁兼容與計算電磁學。

國家自然科學基金資助項目(61201055)