一种基于pin二极管的s波段高功率双平衡矢量调制器及其控制方法
阅读说明：本技术 一种基于pin二极管的s波段高功率双平衡矢量调制器及其控制方法 (S-band high-power double-balanced vector modulator based on PIN diode and control method thereof ) 是由 张宇 陈鹏 李东松 余旭涛 田玲 张雷 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器,包括：输入耦合器,调制模块和功率合成器；输入耦合器为接收输入信号,产生两路正交的信号,通过其具有的两个输出端口输出；调制模块包括两个结构对称的子调制模块,的两个子调制模块分别与输入耦合器的两个输出端口连接并且接收其传输的信号,然后对接收信号的幅度和相位进行调制处理,最后将处理后的信号传输至功率合成器；功率合成器与两个子调制模块相连接,接收并且合成其经过调制处理后的信号；本发明采用双平衡设计结构,有助于消除PIN二极管的寄生参数。(The invention discloses an S-band high-power double-balanced vector modulator based on a PIN diode, which comprises: the device comprises an input coupler, a modulation module and a power combiner; the input coupler receives an input signal, generates two paths of orthogonal signals and outputs the signals through two output ports of the input coupler; the modulation module comprises two sub-modulation modules with symmetrical structures, the two sub-modulation modules are respectively connected with two output ports of the input coupler and receive signals transmitted by the input coupler, then the amplitude and the phase of the received signals are modulated, and finally the processed signals are transmitted to the power synthesizer; the power synthesizer is connected with the two sub-modulation modules and receives and synthesizes signals after modulation processing; the invention adopts a double-balance design structure, which is beneficial to eliminating parasitic parameters of the PIN diode.)
技术领域
本发明涉及射频电路技术领域，特别是涉及一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器及其控制方法。
背景技术
在传统相控阵雷达等系统中，通常采用移相器与衰减器级联的方式对信号的幅度和相位进行调制，但此种调制方式存在两个缺点：
1、移相器与衰减器通常尺寸较大，不利于系统的小型化与集成化；
2、移相器与衰减器级联方式的调制精度无法满足现代相控阵雷达系统的需求。
而矢量调制器可以很好地解决上述两个问题,矢量调制器能同时调制信号的幅度与相位,既能实现较高的幅相调制精度，又具备低成本、易于集成等优点。微带电路是微波领域传统的传输线结构,其具有的平面结构特点使其广泛的应用于微波与毫米波电路。由于电路功能的区分以及方便移植与测试的需要,微带电路会被划分为不同的功能模块并单独设计和测试。当需要进一步组建完整的电路时,微带电路通常需要使用接头进行连接，采用双平衡设计结构有助于消除PIN二极管的寄生参数。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器及其控制方法，用以解决传统相控阵雷达系统采用移相器与衰减器级联的方式对信号的幅度和相位进行调制，该调制系统体积大，不利于系统小型化和集成，同时成本高的问题。本发明中的3dB定向耦合器和功率合成器均采用微带线结构设计。整体采用双平衡设计结构，有助于消除PIN二极管的寄生参数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器，包括：输入耦合器，调制模块和功率合成器；
所述输入耦合器为接收输入信号，产生两路正交的信号，通过其具有的两个输出端口输出；
所述调制模块包括两个结构对称的子调制模块，所述的两个子调制模块分别与所述输入耦合器的两个输出端口连接并且接收其传输的信号，然后对接收信号的幅度和相位进行调制处理，最后将处理后的信号传输至所述功率合成器；
所述功率合成器与所述两个子调制模块相连接，接收并且合成其经过调制处理后的信号；
所述子调制模块包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器，其中，
所述第一耦合器的输入端口与所述输入耦合器的其中之一的输出端口连接，所述第一耦合器的隔离端口接地，并且所述第一耦合器的耦合端口与所述第二耦合器的输入端口连接，所述第一耦合器的直通端口与所述第四耦合器的输入端口连接；
所述第二耦合器的直通端口和耦合端口均连接有PIN二极管，且该PIN二极管的正极施加有第一直流偏置电压，所述第二耦合器的隔离端口与所述第三耦合器的耦合端口连接；
所述第四耦合器的直通端口和耦合端口均连接有PIN二极管，且该PIN二极管的正极施加有第二直流偏置电压，所述第四耦合器的隔离端口与所述第三耦合器的直通端口连接；
所述第三耦合器接收所述第二耦合器和第四耦合器传入的信号，并对其合成，最后输出至所述功率合成器中。
进一步的，所述输入耦合器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器均为3dB定向耦合器。
进一步的，所述3dB定向耦合器和功率合成器均采用微带线结构设计，并且所述功率合成器采用威尔金森功分器的设计方式。
一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器的控制方法，包括如下步骤：
获取当所述PIN二极管的阻值为50欧姆时，其施加的直流偏置电压的电压值V0；
调整所述两个子调制模块中的第一直流偏置电压和第二直流偏置电压之和均为2V0，使得所述两个子调制模块的反射系数的相位为0和180度。
本发明的有益效果是：
本发明提供的基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器，整体采用双平衡设计结构，易于集成，可以实现360度的-50dB到-12dB范围内的衰减。
附图说明
图1是实施例1中提供的双平衡矢量调制器的电路结构框图；
图2是实施例2中提供的双平衡矢量调制器PCB设计的主视图，图中，1为微带线金属贴片及电路元器件层，2为Rogers4350板材，3为金属接地板；
图3是实施例1中提供的双平衡矢量调制器的矢量增益特性示意图；
图4是实施例1中提供的微带3dB定向耦合器的S参数的幅度和相位结果图；
图5是实施例1中提供的微带3dB定向耦合器的S参数的幅度和相位结果图；
图6是实施例1中提供的功率合成器的S参数结果图；
图7是实施例1中提供的功率合成器两个输入端口隔离度结果图；
图8是I路直流偏置电压为V0，Q路直流偏置电压从0到2V0的参数扫描S参数结果；
图9是I路直流偏置电压小于V0，Q路直流偏置电压从0到2V0的参数扫描S参数结果；
图10是I路直流偏置电压大于V0，Q路直流偏置电压从0到2V0的参数扫描S参数结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，图3-图7，本实施提供一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器，包括：输入耦合器，调制模块和功率合成器；
输入耦合器为接收输入信号，产生两路正交的信号，通过其具有的两个输出端口输出；
调制模块包括两个结构对称的子调制模块，的两个子调制模块分别与输入耦合器的两个输出端口连接并且接收其传输的信号，然后对接收信号的幅度和相位进行调制处理，最后将处理后的信号传输至功率合成器；
功率合成器与两个子调制模块相连接，接收并且合成其经过调制处理后的信号；
子调制模块包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器，其中，
第一耦合器的输入端口与输入耦合器的其中之一的输出端口连接，第一耦合器的隔离端口接地，并且第一耦合器的耦合端口与第二耦合器的输入端口连接，第一耦合器的直通端口与第四耦合器的输入端口连接；
第二耦合器的直通端口和耦合端口均连接有PIN二极管，且该PIN二极管的正极施加有第一直流偏置电压，第二耦合器的隔离端口与第三耦合器的耦合端口连接；
第四耦合器的直通端口和耦合端口均连接有PIN二极管，且该PIN二极管的正极施加有第二直流偏置电压，第四耦合器的隔离端口与第三耦合器的直通端口连接；
第三耦合器接收第二耦合器和第四耦合器传入的信号，并对其合成，最后输出至功率合成器中。
具体的说，在本实施例中，输入耦合器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器均为3dB定向耦合器。
实施例2
参加图2，图2中，1为微带线金属贴片及电路元器件层，微带线金属贴片厚度为0.035mm；2为Rogers4350B板材，介电常数为3.66，厚度为0.508mm；3为金属接地板，金属厚度为0.035mm；本实施例在实施例1的基础之上，提供高功率双平衡矢量调制器的制作方法，包括：
步骤1、计算可以工作在1.75GHz～2.10GHz频段的微带3dB定向耦合器的参数，具体包括：
根据工作频段，计算四分之一波长线的长度；根据微带线的特性阻抗，设置微带线的宽度，以及微带线金属贴片的厚度，使得3dB定向耦合器的直通端口和耦合端口的S参数都为-3dB，两个端口之间的相位差保持在90度，幅度基本相同。
步骤2、设计出可以工作在1.75GHz～2.10GHz频段功率合成器的参数，具体包括：
采用威尔金森功分器的设计方法来设计功率合成器，功分器亦可作合成器使用。采用微带线设计，计算四分之一波长线的长度；根据微带线的特性阻抗，设置微带线的宽度，以及微带线金属贴片的厚度。并在两个输入端口之间加电阻以提高隔离度。
实施例3
参见图8-图10，本实施例在实施例1的基础之上，提供一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器的控制方法，在说明具体步骤之前，先具体说明实施例1中的该高功率双平衡矢量调制器的工作原理，具体为：
射频信号，从输入耦合器(3dB定向耦合器)输入，输出两路正交IQ信号，该两路信号分别输入一个子调制模块中，具体的说：
首先，子调制模块中的第一耦合器接收该I信号或者Q信号；
然后，该I信号或者Q信号，经过第一耦合器的处理后，传入至第二耦合器和第四耦合器中，此时共有四路信号，第二耦合器和第四耦合器的直通和耦合端口分别接PIN二极管，PIN二极管外加直流偏置电压，信号在输入到PIN二极管后发生反射，这两路信号经过相应的耦合器合成，再从耦合器的隔离端口输出，分别记为I2、I3、Q2、Q3，更具体的说，I路合成信号只具有两个相差180度的相位，Q路信号与I路信号相位差为90度；
最后，I2和I3、Q2和Q3通过第三耦合器合成输出，两路合成信号分别记为I4、Q4，I4和Q4通过功率合成器合成输出。
I4和Q4之间有90度相位差，当I4相位是90度时，Q4的相位为0或180度；当Q4相位是0度时，I4的相位为90或-90度。I4和Q4的相位和幅度是由PIN二极管处的反射信号决定的，所以通过控制外加直流偏置电压，可以改变最终输出信号的幅度和相位，实现360度全向相位调制。
本实施例中提供的控制方法，包括如下步骤：
获取当所述PIN二极管的阻值为50欧姆时，其施加的直流偏置电压的电压值V0；
调整所述两个子调制模块中的第一直流偏置电压和第二直流偏置电压之和均为2V0，使得所述两个子调制模块的反射系数的相位为0和180度。
具体的说，对于I路或者Q路的子调制模块，直流偏执电压控制信号分别为VI+、VI-、VQ+、VQ-，VI+和VI-、VQ+和VQ-的和均为2V0，两路控制电压互补，使得两个子调制模块处的反射系数的相位为0和180度。
综上所述，本发明提供的一种基于PIN二极管的S波段高功率双平衡矢量调制器，其采用的3dB定向耦合器和功率合成器均采用微带线结构设计，整体采用双平衡设计结构，有助于消除PIN二极管的寄生参数。PIN二极管在不同的外加直流偏置电压下具有不同的阻值，利用这一特点，当输入信号输入到PIN二极管时发生反射，获得不同的幅度和相位。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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