航空VHF通信設備電磁防護模塊電路設計

馬振洋，李義成，史春蕾，左 晶

(1.中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300；2.中國民航大學 民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300；3.中國民航大學 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300)

0 引言

航空甚高頻(Very High Frequency，VHF)通信可實現(xiàn)近距雙向語音聯(lián)絡與數(shù)據(jù)傳輸，是飛機起飛與降落時的主要通信方式，隨著航空電子技術的快速發(fā)展，機載通信設備在提高靈敏度的同時，也對電磁干擾更為敏感[1-2]。無線電臺和雷達等無線電發(fā)射系統(tǒng)數(shù)量與功率的增加使得電磁環(huán)境日益復雜，較強的電磁能量會直接導致通信設備接收模塊性能降級、失效甚至毀傷，因此提高設備的電磁防護能力對保障飛機通信可靠性與飛行安全發(fā)揮著重要的作用[3]。

目前，國內(nèi)外針對通信設備的電磁防護設計已開展了一系列研究。文獻[4]基于延時原理提出了一種緊湊型防護模塊設計方法，利用場效應管控制外置偏壓以提高浪涌保護器件的導通速度，但19 m延長線導致插入損耗較大。與浪涌保護器件相比，光電二極管(Positive-Intrinsic-Negative，PIN)由于具備更低的限幅電平被更多地應用于接收機的電磁防護領域。文獻[5]基于TriQuint VPIN工藝設計了由三級PIN對管并聯(lián)結(jié)構、四分之一波長傳輸線與并聯(lián)電感組成的可應用于衛(wèi)星通信的無源限幅防護模塊，插入損耗約為 0.8 dB，但限幅電平過高，約為20 dBm。文獻[6]設計了一種由功分器與吸收負載組成的用于頻率選擇的吸收性限幅模塊，但防護模塊尺寸較大且響應速度較慢。文獻[7-8]通過增加PIN管的級數(shù)，提高了功率容量，從而改善無源限幅防護模塊的限幅性能，但限幅電平仍不夠低。文獻[9]采用自主研制的PIN管BWN296，設計了由移相網(wǎng)絡與PIN兩級對管并聯(lián)結(jié)構相結(jié)合的用于保護接收機ADC芯片的高功率容量無源限幅防護模塊，將限幅電平降低至 12 dBm。以上研究成果大多為無源限幅防護設計，多級PIN結(jié)構雖然提高了功率容量，但仍存在限幅能力不足、起限電平和限幅電平不夠低的問題。

本文基于PIN限幅原理，提出了利用直流偏置電壓可提高PIN管導通速度與限幅能力的設計思路，針對防護性能的影響因素開展仿真分析，完成了2款應用于航空VHF頻段的PIN限幅防護模塊的設計：有源與半有源式防護模塊。搭建小信號S參數(shù)與大信號干擾注入試驗平臺對其性能進行測試，驗證了防護模塊的工程實用性。

1 電磁防護模塊設計方案

1.1 PIN參數(shù)對防護性能的影響分析

PIN管在PN結(jié)的P區(qū)和N區(qū)間加入高電阻率本征層(I層)，該類二極管具備限幅控制的特性源于在交流信號輸入時，其內(nèi)部載流子運動引起的電導調(diào)制效應。而在交直流偏置共同作用時，PIN管的I層電阻率主要取決于直流偏置的作用，此時PIN管可以用較小的直流來控制微波射頻信號的輸出，實現(xiàn)微波射頻領域中控制開關、限幅或衰減等應用。

基于PIN管的電磁防護模塊的性能參數(shù)主要包括小信號輸入時的插入損耗、回波損耗以及干擾信號輸入時的限幅電平、起限電平、隔離度與功率容量等[10]。防護模塊首先要使正常通信小信號幾乎無失真地傳輸?shù)胶蠖穗娐罚幢ＷC較小的插入損耗，同時對干擾大信號產(chǎn)生較強的抑制作用，防止輸入功率過大導致后續(xù)敏感器件損傷，即保證較低的限幅電平與起限電平。典型PIN限幅防護模塊的輸入輸出功率曲線如圖1所示[11]。

圖1 典型PIN限幅控制防護模塊的輸入輸出功率

PIN管作為本文限幅控制電磁防護模塊的核心器件，其各參數(shù)對防護性能影響規(guī)律的仿真分析對于PIN管選型與防護模塊實用性有著重要的意義，主要參數(shù)包括結(jié)電容Cj、串聯(lián)電阻RS、I層厚度W以及載流子壽命τ等。在ADS設置S參數(shù)控件對二極管的各參數(shù)進行掃描，在PIN對管并聯(lián)電路結(jié)構的兩端分別接50 Ω負載，仿真分析當輸入射頻小信號時電路插入損耗|S21|的變化情況，該參數(shù)表示輸出端與輸入端的電壓或功率比值，|S21|越小代表傳輸效率越高。同時，設置諧波平衡法仿真控制器開展大信號輸入時PIN參數(shù)對輸出功率影響的仿真研究[12]，在輸入端連接射頻信號源控件來模擬干擾源，輸出端連接50 Ω負載，設置干擾大信號的輸入功率Pin為20 dBm。仿真結(jié)果如圖2所示。

(a)S參數(shù)

仿真結(jié)果表明：具有較小結(jié)電容值的PIN管的插入損耗較小，這是因為在小信號注入時，二極管未達到導通狀態(tài)，近似于零偏，但由于I層摻雜少量P型或N型雜質(zhì)，在IN邊界或PI邊界形成空間電荷區(qū)，可等效為串聯(lián)電阻與結(jié)電容的并聯(lián)結(jié)構，結(jié)電容越小，電抗值越大，二極管更接近于截止狀態(tài)，對小信號的傳輸損耗也越小。而I層厚度越薄與載流子壽命越長，輸出功率越低，限幅能力越強，這是由于PIN二極管的限幅能力主要取決于I層的等效電阻值，I層厚度越薄表示空間電荷區(qū)越窄，同時載流子壽命越長，可進入到I層的載流子數(shù)越多，這2種情況均可導致I層的電阻值減小，二極管更容易導通，從而提高限幅性能。

1.2 有源式防護模塊設計方案

防護模塊采用2級PIN對管并聯(lián)結(jié)構，其中I層較厚的PIN管置于前級以提供較高的功率容量，I層較薄的PIN管置于后級，使限幅電平盡可能降低。基于防護模塊設計需求以及方形扁平無引線封裝(Quad Flat No-leads Package，QFN)的電熱性能優(yōu)勢，本文選用Skyworks公司生產(chǎn)的CLA系列PIN二極管，型號分別為CLA4607-085LF與CLA4606-085LF，性能參數(shù)如表1所示[13-15]。

表1 典型PIN二極管的性能參數(shù)

在2級PIN對管并聯(lián)結(jié)構間加入π型移相網(wǎng)絡，電路結(jié)構如圖3所示。正常小信號通過時，各PIN管均呈高阻截止狀態(tài)；而高功率干擾信號通過時，后級I層厚度較薄的二極管先行導通，轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩梗瑢е码妷航档停瑐鬏斁€上的駐波處于波節(jié)位置。此時移相網(wǎng)絡使傳輸信號實現(xiàn)90°的移相，使前級I層較厚的二極管在傳輸線上處于電壓波腹位置，從而快速導通，實現(xiàn)信號的高質(zhì)量傳輸與良好的限幅性能。移相網(wǎng)絡的電容與電感元件參數(shù)值計算如下：

圖3 π型移相網(wǎng)絡電路結(jié)構

L=Z0/2πf0，

(1)

C=1/2πf0Z0，

(2)

式中，f0為信號的中心頻率；Z0為特征阻抗值[16]。

有源式防護模塊電路原理如圖4所示，主要由2級PIN對管并聯(lián)結(jié)構、移相網(wǎng)絡與扼流電感構成，通過外接直流偏置電壓源實現(xiàn)限幅控制作用，其中扼流電感的作用是防止輸入的交流信號耦合進電源導致電路的插入損耗增大或損壞電源，直流偏置為PIN管提供更多載流子，減小了I層的電阻率從而使PIN管快速導通，提高限幅性能。

圖4 有源式防護模塊電路原理

1.3 半有源式防護模塊設計方案

為了進一步提高防護模塊的穩(wěn)定性以及降低功耗，優(yōu)化設計了一種半有源式防護模塊，原理框圖如圖5所示。在2級PIN對管并聯(lián)結(jié)構與移相網(wǎng)絡的基礎上，設計了集總參數(shù)定向耦合器與整流電路來代替外接電源，提供自給偏壓。定向耦合器將耦合的部分干擾信號送入整流電路，整流電路則將交流小信號整流為直流從而提高PIN管的限幅性能。

圖5 半有源式防護模塊原理框圖

由于傳統(tǒng)的定向耦合器為單節(jié)或多節(jié)平行傳輸線結(jié)構形式[17]，用于VHF等較低頻段時，傳輸線長度較長，無法應用于對空間尺寸要求嚴格的場合，本文設計的集總參數(shù)定向耦合器可明顯減小耦合器的尺寸，電路結(jié)構如圖6所示。整流二極管則選用Agilent Technologies公司HSMS2825型號形成2級肖特基二極管并聯(lián)結(jié)構[18]，以提高整體整流電路的擊穿電壓。半有源式防護模塊的電路原理如圖7所示。

圖6 定向耦合器電路結(jié)構

圖7 半有源式防護模塊電路原理

2 防護模塊性能仿真與試驗測試

2.1 防護模塊性能測試仿真設置

基于ADS完成2種電磁防護模塊的限幅性能仿真研究，即小信號S參數(shù)與干擾注入時的輸入輸出功率。由于偏置電壓在降低I層電阻率時也可能會對有用小信號造成一定的衰減，為了保證防護模塊的低插入損耗，仿真掃描了不同外接直流偏置電壓對有源式防護模塊防護性能的影響規(guī)律，以獲得有源式防護模塊的直流偏壓閾值。

S參數(shù)仿真時，防護模塊的輸入輸出端分別接50 Ω負載，分析其插入損耗|S21|以及輸入輸出端口的回波損耗|S11|和|S22|。限幅性能仿真時，輸入端接入正弦連續(xù)波，輸出端連接50 Ω負載，設置干擾大信號功率為-10～25 dBm，分析防護模塊的起限電平、限幅電平與隔離度。

2.2 防護模塊性能測試試驗平臺

有源式與半有源式防護模塊實物如圖8所示。

(a)有源式防護模塊

針對防護模塊搭建了S參數(shù)與高功率連續(xù)波注入試驗平臺，測試了有源式與半有源式防護模塊的插入損耗、限幅電平和功率容量等性能參數(shù)，驗證了防護模塊的實用性。試驗平臺如圖9所示，其中有源式防護模塊在測試時需要連接直流穩(wěn)壓電源。測試時，輸入信號類型、頻率與功率設置均與仿真保持一致。

(a)S參數(shù)測試

測試設備主要包括矢量網(wǎng)絡分析儀、直流穩(wěn)壓源、信號發(fā)生器、隔離器、衰減器、頻譜分析儀以及若干同軸線纜，測試設備的型號及主要參數(shù)如表2所示，部分測試配置如圖10所示。隔離器與衰減器均為保護器件，防止防護模塊測試時，從輸入端口反射的功率以及從輸出端口傳輸?shù)墓β蔬^大而對其他測試設備造成損壞。

表2 測試設備

圖10 電磁防護模塊性能測試試驗配置

2.3 仿真與測試結(jié)果分析

(1)直流偏置閾值

直流偏置電壓對有源式防護模塊S參數(shù)與輸出功率影響的仿真與測試結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

(a)直流偏置電壓對S參數(shù)的影響

(a)直流偏置電壓對S參數(shù)的影響

仿真與測試結(jié)果表明：在直流偏置為0～0.6 V范圍內(nèi)，S參數(shù)的實測值變化較小，插入損耗約為0.7 dB，輸入輸出端口的回波損耗大于20 dB；當直流偏置大于0.6 V后，隨著電壓的增大，S參數(shù)急劇惡化，即直流偏置閾值約為0.6 V，小于仿真閾值1.5 V。這是由于在實際測試中，二極管的溫度會隨偏置電壓的增大而增加，導致本征層的載流子運動速度加快，二極管更容易導通，從而對小信號輸入時的S參數(shù)造成影響，因此為保證有源式防護模塊的低插入損耗與良好的輸入輸出端口的阻抗匹配狀態(tài)，外加直流偏置電壓不應大于0.6 V。有源式防護模塊輸出功率的仿真與實測結(jié)果趨勢相同，均為隨著直流偏置的增大，輸出功率逐漸下降，限幅性能增強。

(2)S參數(shù)

根據(jù)直流偏置閾值結(jié)果，設置外接偏置電壓小于0.6 V，有源式防護模塊的S參數(shù)仿真與測試結(jié)果如圖13(a)所示，半有源式防護模塊的S參數(shù)仿真與測試結(jié)果如圖13(b)所示。

(a)有源式防護模塊仿真與測試結(jié)果

仿真與測試結(jié)果表明：在118～136 MHz的航空VHF頻段內(nèi)，有源式防護模塊插入損耗的仿真值約為0.03 dB，實測值約為0.7 dB；回波損耗的仿真與實測值均大于25 dB。半有源式限幅器的插入損耗的仿真值約為0.4 dB，測試值約為1.4 dB；輸入輸出端口的回波損耗仿真與實測值均大于15 dB。相比于仿真時采用的理想元件，組成防護模塊的實際元件、貼片焊接及測試過程均會引入一些不可避免的損耗，導致實測值的插入損耗略大以及端口的阻抗匹配狀態(tài)略差，但實測與仿真結(jié)果的差距較小，且曲線趨勢一致，證明了仿真的正確性。

(3)限幅性能

有源式及半有源式防護模塊輸出功率仿真與測試結(jié)果如表3所示，Pin為輸入功率，P11和P12為有源式防護模塊輸出功率仿真值和實測值，P21和P22為半有源式防護模塊輸出功率仿真值和實測值，實測值略小于仿真值。測試結(jié)果表明，在輸入功率增大到25 dBm時，防護模塊能夠?qū)⑤敵龉β氏薹? dBm以下。本文針對VHF通信設備設計的防護模塊可對連續(xù)波干擾信號進行有效抑制，具備較強的防護能力。

表3 有源式及半有源式防護模塊輸出功率仿真與測試結(jié)果

將本文設計的防護模塊測試結(jié)果與其他文獻中同類型防護模塊性能參數(shù)的實測值進行對比，如表4所示。結(jié)果表明，本文設計的有源式限幅器插入損耗值相對較小，起限電平和限幅電平明顯降低，同時具備較大的隔離度。半有源式防護模塊的性能雖略差于有源式防護模塊，但該防護模塊無需連接電源，降低了功耗，提高了電路的穩(wěn)定性。

表4 本文與其他文獻設計的限幅器性能參數(shù)對比

3 結(jié)束語

本文基于PIN二極管的電導調(diào)制效應，針對航空VHF通信設備開展了能量控制防護模塊的仿真研究與試驗測試，設計了一款由π型移相網(wǎng)絡、2級PIN對管并聯(lián)結(jié)構、扼流電感與直流偏置構成的有源式防護模塊，將起限電平與限幅電平分別降低至3 dBm與8 dBm。為了降低防護模塊的功耗，優(yōu)化設計了一款半有源式防護模塊，該模塊由定向耦合器、整流電路與PIN并聯(lián)限幅結(jié)構相結(jié)合，使部分電磁干擾信號整流為直流以代替電源，為二極管提供偏置電壓從而提高防護模塊的限幅性能。