一種短波有源天線供電轉換器的設計

邱　蘊，羅良金，魏　燊

(中國電波傳播研究所，青島 266107)

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一種短波有源天線供電轉換器的設計

邱蘊，羅良金，魏燊

(中國電波傳播研究所，青島 266107)

摘要：設計了一種短波有源天線供電轉換器，利用直流信號和高頻信號的頻率差異，通過一條傳輸線路完成射頻信號的傳輸和天線放大器的直流供電，根據射頻器件的高頻特性實現2路信號的隔離和復用，采用ADS射頻仿真軟件建立仿真模型。仿真結果顯示在工作帶寬內射頻阻抗特性和直流電壓平穩。制作了一臺四通道短波有源天線供電轉換器，在1.5～30 MHz的工作頻率范圍內實測結果和仿真計算結果相吻合，可與寬帶接收機實現良好的匹配。同時，供電轉換器各通道之間幅度和相位一致性很好，還可滿足一些有源陣列天線的需求。

關鍵詞：有源天線；供電轉換；信號與電源合成；ADS 仿真

0引言

短波有源天線由于體積小、重量輕、機動靈活、便于收放等優點，在移動通信場地有限的條件下(如艦船，裝甲車上等)得到了廣泛應用，短波有源天線增益的提高主要靠放大器來完成，為有源天線放大器供電的電源是整個天線系統中非常重要的組成部分[1]。

傳統的短波有源天線供電電源單獨為有源天線放大器供電，有源天線接收到的射頻信號通過另外一路單獨的同軸電纜接入接收機，每個天線單元需要2根電纜(供電電纜和射頻信號傳輸電纜)分別完成供電與射頻信號傳輸的功能。這樣，在天線單元數量較多的情況下，不但電纜的使用量會很大，而且在使用過程中，系統的收放時間也會增加，體現不出來有源天線機動靈活的優點。

本文的設計通過一個短波有源天線供電轉換器，將天線接收到的射頻信號的傳輸與天線放大器的供電電源的傳輸合成為一路。在實際使用中，二者的傳輸可以用同一根同軸電纜來完成。這減少了有源天線系統工作時電纜的使用量，節省了成本，對于機動天線來說，可以減少天線系統的收放時間，提高工作效率，提高系統的可靠性，便于系統維護。

1供電轉換器的指標分析

本文中的短波有源天線供電轉換器工作頻率為1.5～30 MHz，為適應有源接收天線組陣的需要，各路輸出的供電轉換器應考慮各通道之間信號通過時的幅度衰減量和相位偏移量的一致性，各路之間幅度衰減量一致性小于0.2 dB，相位偏移量一致性小于1°[2]，各個通道的插入損耗應小于0.5 dB，各通道之間隔離度大于50 dB，以防止各路信號之間的串擾。本文以四通道供電轉換器的設計來舉例說明，其中供電的直流電源以12 V電壓為例。

2供電轉換器的設計與實施

短波有源天線供電轉換器根據功能需要，包括了電源濾波器、電源模塊、射頻信號與供電電源合成模塊、電壓表、同軸移相電纜等，如圖1所示。

圖1　短波有源天線供電轉換器框圖

天線接收到的射頻信號由射頻輸入端口輸入，經過射頻輸出端口接入接收機，220 V交流電經AC/DC電源模塊轉換為放大器正常工作所需要的直流電壓Vcc，射頻信號與直流電源Vcc經過射頻信號與直流電源合成模塊完成對放大器的供電與射頻信號的傳輸。

2.1射頻信號和供電電源合成模塊設計

射頻信號與供電電源合成模塊為整個供電轉換器的核心部分，該模塊一方面將天線端接收到的射頻信號無失真地傳輸給接收機，另一方面又將放大器正常工作所需要的直流電壓傳送給放大器。

射頻信號與供電電源合成模塊的輸入端包含射頻信號輸入和直流12 V電壓供電2路，射頻信號傳輸一路，不但要保證射頻信號以最小的損耗傳輸到模塊輸出端，還要防止直流電源對信號產生干擾，影響信號的傳輸，對整個系統引入噪聲；同樣對于供電電源傳輸一路，不但要保證直流電源以最小的損失傳輸到模塊輸出端，還要防止射頻信號傳輸一路的射頻信號串擾到電源傳輸一路，增大放大器的噪聲，從而增大整個系統的噪聲。所以射頻信號傳輸和直流電源傳輸的這2路在合成之前應相互隔離，避免干擾。

經過分析，射頻信號和供電電源傳輸模塊可以用基本的電容電感等元器件組成LC網絡來實現。電容器以其自身的特性，可以起到“通交流隔直流”的作用，電感器的特性可以在電路中起到“通直流，隔離交流信號”的作用，故而射頻信號傳輸一路可以通過選擇合適的電容器來實現射頻信號的無失真傳輸，而在電源傳輸一路，可以通過選擇一個合適的電感器將直流供電電源傳輸到模塊的輸出端，以此來實現二者在輸出端口的合成[3-6]。為避免信號在輸入端口對直流電源部分產生干擾，可以在直流供電電源與電感器前端之間加入幾個不同數量級的電容器對地進行濾波。

射頻信號和供電電源合成模塊原理圖如圖2所示。

圖2　射頻信號和供電電源合成模塊原理圖

圖2中，RF表示射頻信號，Vcc表示有源天線放大器供電電源。

信號電源合成模塊射頻信號通路的插入損耗決定了信號通過該模塊時的損失大小，應選擇合適的電容器元件值，使該通路插入損耗最小。取C1=1 000 pF，L1=300 μH，利用ADS射頻電路設計與仿真軟件建模[7-8]，并仿真計算。

根據圖3模型中端口的定義，對射頻信號傳輸通路(S12)仿真計算結果如圖4所示。

圖3　射頻信號與供電電源合成模塊ADS模型

圖4　信號通路插入損耗計算結果

從圖4可看出，射頻信號傳輸通路插入損耗最大值在1.5 MHz，最大插入損耗值為0.046，射頻信號通過該通路時損失極小，基本可保證射頻信號無失真傳輸。電源通路對于射頻信號的隔離能力通過計算1,3端口間的隔離度來分析，如圖5所示。

圖5　電源和射頻信號通路之間插入損耗計算結果

由圖5計算結果可知，射頻信號輸入端口對供電電源輸入端口信號的隔離度最小為78.677 dB，信號串擾到電源端的幅度可以忽略不計。

根據此模型設計的射頻信號和供電電源合成模塊，可以幾乎無失真地進行射頻信號的傳輸，也可以提供給天線放大器一路幾乎沒有信號串擾的直流電源。

2.2AC/DC電源模塊選擇

為提高供電轉換器的可靠性，采用模塊化AC/DC線性電源，電源模塊輸入為220 V交流電，輸出為4路12 V直流電，輸出直流紋波噪聲小于2 mV，以減小對有源天線放大器的直流干擾。

2.3電源電壓顯示模塊設計

顯示模塊選用4塊HB5740Z-V系列智能電壓表，工作電源AC/DC85-260V,3 W，顯示范圍直流-1 999 V～9 999 V，具有多級數字濾波，可有效濾除干擾，確保數字顯示直觀正確。

2.4移相電纜設計

為保證傳輸信號相位一致性，所選的四路移相電纜保證插入損耗≤0.1 dB，相位一致性≤0.5°。

3實測結果

根據以上設計將各個模塊裝入標準機箱，用網絡分析儀對該供電轉換器進行了各通路插入損耗、各通路幅度、相位一致性的測試，表1～表5為實際測試數據。

表1　四路供電轉換器通道間隔離度

表2　四路供電轉換器插入損耗

表3、表4中頻率單位為MHz，1、2、3、4分別對應為通道1、通道2、通道3、通道4。

表3　4路供電轉換器通道幅度

表4　4路供電轉換器通道相位

表5　4路供電轉換器幅度、相位不一致性

本文設計的4路供電轉換器通過實際測試，其工作頻帶1.5～30 MHz范圍內，隔離度大于50 dB，插入損耗小于0.5 dB，幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°。

4結束語

本文采用ADS仿真計算的方式設計了一種短波有源天線供電轉換器，以4路供電轉換器為例，說明了設計方法和測試結果。該電源轉換器在整個短波波段內具有較低插入損耗、較高的隔離度以及較好的幅相一致性，實現了對短波有源接收天線供電電壓的傳輸和高頻信號的傳輸合為一路的目的，可廣泛應用于短波有源接收天線系統中。此方法對更寬頻段及更多路數的設計具有參考意義及價值。

參考文獻

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Design of A Power Supply Converter for Short Wave Active Antenna

QIU Yun，LUO Liang-jin，WEI Shen

(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

Abstract:This paper designs a power converter for short wave active antenna,uses the frequency difference of radio frequency (RF) signal and direct current (DC) signal,completes the RF signal transmission and DC power supply of antenna amplifier through a transmission line,according to the high frequency characteristics of RF devices,realizes isolation and multiplexing of two signals,builds simulation model with ADS RF software.The simulation results show that the RF impedance characteristics and DC voltage are stable in the working frequency range. A power converter for four channels short wave active antenna is made,the the actual measurement result of power converter is consistent with the simulative calculation result in the working frequency range of 1.5～30 MHz,and can achieve good matching with broadband receiver.The amplitude and phase of each channnel of power supply converter has good congruency,which can meet the needs of active array antenna.

Key words:active antenna;power supply conversion;signal and power supply integration；ADS simulation

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.022

中圖分類號：TN822.3

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0099-04

收稿日期:2015-11-09