半有源型全检波式限幅电路
阅读说明：本技术 半有源型全检波式限幅电路 (Semi-active full-detection type amplitude limiting circuit ) 是由 周弘 詹鹏 张进成 霍树栋 党魁 刘志宏 郝跃 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半有源型全检波式限幅电路,主要解决现有限幅器功率容量小,信号利用率低的问题。其包括：正、反向限幅模块,正、反向检波模块和耦合器,该正向限幅模块的一端与耦合器的直通端相连接,另一端与正向检波模块的一端相连接,以实现正向限幅功能；该反向限幅模块的一端与耦合器的直通端相连接,另一端与反向检波模块的一端相连接,以实现反向限幅；该正向检波模块的另一端与耦合器的耦合端相连接,实现正向检波；该反向检波模块的另一端与耦合器的耦合端相连接,实现反向检波。本发明采用正、反双向限幅,提高了功率容量和隔离度；同时采用全周期检波,提高了耦合信号的利用率,降低了起限电平和尖峰泄露,可用作射频微波保护电路。(The invention discloses a semi-active full-detection amplitude limiting circuit, which mainly solves the problems of small power capacity and low signal utilization rate of the existing amplitude limiter. It includes: the forward and reverse amplitude limiting module, the forward and reverse detection module and the coupler, wherein one end of the forward amplitude limiting module is connected with the through end of the coupler, and the other end of the forward amplitude limiting module is connected with one end of the forward detection module, so as to realize the forward amplitude limiting function; one end of the reverse amplitude limiting module is connected with the straight-through end of the coupler, and the other end of the reverse amplitude limiting module is connected with one end of the reverse detection module so as to realize reverse amplitude limiting; the other end of the forward detection module is connected with the coupling end of the coupler to realize forward detection; the other end of the reverse detection module is connected with the coupling end of the coupler to realize reverse detection. The invention adopts forward and backward bidirectional amplitude limiting, thereby improving the power capacity and the isolation; meanwhile, the full-period detection is adopted, the utilization rate of the coupled signal is improved, the threshold level and peak leakage are reduced, and the circuit can be used as a radio frequency microwave protection circuit.)
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种限幅电路，可作为射频微波保护电路。
技术背景
科技发展，技术更迭，电子设备亦趋于集成化、小型化以及复杂化，更多更先进的精密元器件大幅增加了设备功能和性能，但与此同时，设备的可靠性也不断被提出更高的要求。通信系统中，接收机的前端一般是高灵敏度的低噪声放大器，而低噪声放大器作为小功率信号线性器件，它需要具备接收小信号的能力，并起到放大信号的作用，因此当大信号通过模块时，会使系统面临承受较大功率的风险。因此，为了保护器件免遭烧毁，通常在噪声放大器前端加入限幅器，而为了保证电路性能，所引入的限幅器需要具备以下特点，小功率信号输入时，限幅器仅仅呈现小损耗，大功率信号输入时，限幅器对其进行大幅度衰减，从而实现对低噪声放大器的保护。
限幅电路分类方式多样，根据其控制方式分为无源自激限幅、半有源限幅与有源限幅，无源限幅电路以其自身稳定性、结构简单为主要优势，有源限幅电路以其对大功率信号限幅响应速度快、泄露功率小等特点作为主要优势，
无源自激电路没有控制信号和外加偏置，完全依靠二极管本身限幅特性进行工作，小信号情况下，二极管表现为结电容，与并联电感产生谐振，插入损耗较小，而大信号时，二极管表现为低阻抗电阻，此时电路失谐，并反射入射功率。无源限幅电路以其自身稳定性、结构简单为主要优势，但在反应速度、尖峰泄露、隔离度以及功率容量等指标上不如有源与半有源电路。
有源限幅电路在小信号状态下其性能指标与无源自激电路类似，在而大信号状态下，同步控制信号通过偏置网络给限幅管提供直流偏置，使限幅二极管快速导通，具有电路速度快，尖峰泄露小等优势，但由于电路需要提供同步控制信号，导致系统电路复杂，使用环境受局限。
半有源限幅电路，结构如图1所示，包括耦合器、单向检波单元和单向限幅单元。该半有源限幅电路，由于耦合检波出的信号很小，自偏置很小，因此其在小信号情况下类似于无源自激限幅电路，而在大信号状态下，输入信号通过第一级的耦合检波电路自检出电流，而后通过偏置网络将自偏置加到第二级限幅电路中，使得二极管射频电阻快速变小，可提高电路反应速度，减小尖峰泄露。同时由于直流电流的存在，可以用结电容小、I层更薄的PIN管作为第二级限幅电路的限幅二极管，以减小了器件的自身损耗，提高产品的耐功率容量，减小插入损耗。但这种传统式的半有源限幅电路由于只进行了耦合信号的半周期检波，因而对耦合出的信号利用率低，同时，由于在第二级限幅电路中难以与功率容量高的对管式限幅电路结合，故在功率容量上并不理想。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种半有源型全检波式限幅电路，以提高功率容量，降低响应时间和泄露电平，提升限幅性能和耦合信号的利用率。
实现本发明目的的技术方案是：对传统的半有源限幅电路进行改进，将原本半有源电路的耦合部分复用，将传统的半检波偏置改进为全检波偏置，并将传统的单向限幅改进为正、反限幅，提高了半有源电路的耦合信号的利用率和功率容量，其结构如下：
一种半有源型全检波式限幅电路包括：耦合器、限幅单元和检波单元，耦合器上设有直通端、耦合端、隔离端和输入端四个端口，其特征在于：
所述限幅单元包括：正向限幅模块、反向限幅模块；
所述检波单元包括：正向检波模块、反向检波模块；
该正向限幅模块的一端与耦合器的直通端相连接，另一端与正向检波模块的一端相连接，以实现正向限幅功能；该反向限幅模块的一端与耦合器的直通端相连接，另一端与反向检波模块的一端相连接，以实现反向限幅功能；
该正向检波模块的另一端与耦合器的耦合端相连接，实现正向检波功能，为正向限幅模块提供正向偏置；该反向检波模块的另一端与耦合器的耦合端相连接，实现反向检波功能，为反向限幅模块提供反向偏置。
进一步，所述正向限幅模块，其主要由正向限幅元件与正向限幅隔直元件连接组成；所述反向限幅模块，其主要由反向限幅元件与反向限幅隔直元件连接组成；所述正向检波模块，其主要由正向检波高通滤波器、正向检波元件和正向检波低通滤波器连接组成；所述反向检波模块，其主要由反向检波高通滤波器、反向检波元件和反向检波低通滤波器连接组成。
进一步，所述正向限幅元件，其一端分别与正向限幅隔直元件的一端和正向检波低通滤波器的一端相连接，其另一端接地，该正向限幅隔直元件的另一端与耦合器的直通端相连接，以实现正向限幅。
进一步，所述反向限幅元件，其一端分别与反向限幅隔直元件的一端和反向检波低通滤波器的一端相连接，其另一端接地，该反向限幅隔直元件的另一端与耦合器的直通端相连接，以实现反向限幅。
进一步，所正向检波元件，其一端通过正向检波高通滤波器与耦合器的耦合端(12)相连接，其另一端与正向检波低通滤波器的另一端相连接，以实现正向检波。
进一步，所述反向检波元件，其一端通过反向检波高通滤波器与耦合器的耦合端相连接，其另一端与反向检波低通滤波器的另一端连接，以实现反向检波。
进一步，所述耦合器采用耦合度为3-50dB的集总参数定向耦合器或分布参数定向耦合器。
进一步，其特征在于，所述正向限幅元件、反向限幅元件、正向检波元件、反向检波元件，均采用整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管、检波肖特基二极管、点接触式二极管、波段开关二极管和PIN二极管中的任意一种。
进一步，所述正向检波高通滤波器、正向检波低通滤波器、反向检波高通滤波器、反向检波低通滤波器，均采用集总参数滤波网络或分布参数滤波网络实现。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于将传统检波单元所用半周期检波改进为全周期检波，实现了耦合信号的全周期检波，提高了耦合信号的利用率，增加了隔离度，降低了起限电平、尖峰泄露；
本发明由于将传统限幅单元的单管限幅改进为对管限幅，提高功率容量，也更一步增加了隔离度。
附图说明
图1是传统的半有源限幅器结构示意图；
图2是本发明半有源型全检波式限幅电路框图；
图3是本发明半有源型全检波式限幅电路结构原理图；
图4是本发明实施例1的电路结构图；
图5是本发明实施例2的电路结构图；
图6是对本发明实例1的输出随输入变化关系进行仿真的结果图；
图7是对本发明实施例1的S参数进行仿真的结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述：
参照图2和图3，本发明的半有源型全检波式限幅电路，包括：耦合器1、限幅单元2和检波单元3，其中：
所述耦合器1采用耦合度为3-50dB的集总参数定向耦合器或分布参数定向耦合器，其上设有直通端11、耦合端12、隔离端13和输入端14四个端口；
所述限幅单元2包括：正向限幅模块21、反向限幅模块22；该正向限幅模块21主要由正向限幅元件211与正向限幅隔直元件212连接组成；该反向限幅模块22主要由反向限幅元件221与反向限幅隔直元件222连接组成；
所述检波单元3包括：正向检波模块31、反向检波模块32；该正向检波模块31，其主要由正向检波高通滤波器311、正向检波元件312和正向检波低通滤波器313连接组成；该反向检波模块32，其主要由反向检波高通滤波器321、反向检波元件322和反向检波低通滤波器323连接组成。
上述正向限幅元件211，其一端分别与正向限幅隔直元件212的一端和正向检波低通滤波器313的一端相连接，其另一端接地，该正向限幅隔直元件212的另一端与耦合器1的直通端1相连接，以实现正向限幅。
上述反向限幅元件221，其一端分别与反向限幅隔直元件222的一端和反向检波低通滤波器323的一端相连接，其另一端接地，该反向限幅隔直元件222的另一端与耦合器1的直通端11相连接，以实现反向限幅。
上述正向检波元件312，其一端通过正向检波高通滤波器311与耦合器1的耦合端12相连接，其另一端与正向检波低通滤波器313的另一端相连接，以实现正向检波。
上述反向检波元件322，其一端通过反向检波高通滤波器321与耦合器1的耦合端12相连接，其另一端与反向检波低通滤波器323的另一端连接，以实现反向检波。
上述正向限幅元件211、反向限幅元件221、正向检波元件312、反向检波元件322，均采用整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管、检波肖特基二极管、点接触式二极管、波段开关二极管和PIN二极管中的任意一种。
上述正向检波高通滤波器311、正向检波低通滤波器313、反向检波高通滤波器321、反向检波低通滤波器323，均采用集总参数滤波网络或分布参数滤波网络实现。
以下给出采用不同类型的滤波网络、检波元件和限幅元件构成的两种实施例电路。
实施例1：设计耦合器为耦合度为13dB理想定向耦合器COUP1，正、反向限幅元件采用PIN二极管D3和D4，正、反向限幅隔直元件分别采用参数相同的电容C1和C2，正、反向检波元件均采用检波肖特基二极管D1和D2，正、反向检波低通滤波器和正、反向检波高通滤波器均采用集总参数滤波网络结构的半有源型全检波式限幅电路。
参照图4，本实例的电路结构及工作原理如下：
一、电路结构
本实例电路中共有8个电容、4个电感、2个电阻和4个二极管。其中：
第四电容C4的一端并接第三电感L3后再与第一电阻R1的一端并接，第四电容C4的另一端与第一电阻R1的另一端连接到地，组成正向检波低通滤波器313；
第七电容C7的一端并接第四电感L4后再与第二电阻R2的一端并接，第七电容C7的另一端与第二电阻R2的另一端连接到地，组成反向检波低通滤波器323；
第三电容C3的一端并接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端接地，组成正向检波高通滤波器311；
第六电容C6的一端并接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端接地，组成反向检波高通滤波器321；
第一电容C1的一端与耦合器的输入端相连接，以为输入端提供直流隔离；第二电容C2与耦合器的输出端相连接，以为输出端提供直流隔离；
第一个二极管D1，其阳极与第三电容C3的另一端相连接，其阴极与第四电容C4的一端相连接；第二个二极管D2，其阴极与第六电容C6的另一端相连接，其阳极与第七电容C7的一端相连接，组成检波单元3；第一个二极管D1和第二个二极管D2模型参数如表1所示。
第三个二极管D3，其阳极与第五电容C5的一端相连接，其阴极接地；第四个二极管D4，其阴极与第八电容C8的一端相连接，其阳极接地，组成限幅单元2；第三个二极管D3和第四个二极管D4模型参数如表2所示。
表1
参数
IS
RS
N
TT
CJ0
M
EG
VJ
BV
IBV
XTI
单位
A
Ω
-
SEC.
PF
-
eV
V
V
A
-
CDF7620
4E-8
4
1.2
1E-11
0.15
0.35
0.69
0.495
10
1E-5
2
表2
参数
Vb
Cj0
Cj-6
Rs
TL
单位
v
pf
pf
Ω
ns
(型号)GC4732-00
15
0.2
0.15
1.
5
二、工作原理
本实例中，输入信号经通过第一电容C1提高直流量的隔离度后，进入耦合器1的输入端14，经耦合器1耦合后，将耦合信号通过耦合端12输出到检波单元3；耦合信号进入正向检波高通滤波器311后，通过第一电感L1和第三电容C3滤除直流分量，再通过第一个二极管D1的非线性，产生出直流分量与谐波，经正向检波低通滤波器313后，由第四电容C4、第三电感L3和第一电阻R1滤出正向直流分量，为限幅单元2中的第三个二极管D3提供正向的直流偏置；耦合信号进入反向检波高通滤波器321，通过第六电容C6和第二电感L2滤除直流分量，再通过第二个二极管D2的非线性，产生出直流分量与谐波，通过反向检波低通滤波器323后，由第七电容C7、第四电感L4和第二电阻R2滤出反向直流分量，为限幅单元2中的第四个二极管D4提供反向直流偏置；第三个二极管D3和第四个二极管D4同时使用，实现了全周期的检波，提高了耦合信号的利用率，同时，第三个二极管D3和第四个二极管D4受到偏置影响，加快了导通速度，提高了电路的响应速度，同时，第三个二极管D3和第四个二极管D4的结合，提高了电路的功率容量和隔离度。
实施例2：设计耦合器为耦合度为10dB的分布参数定向耦合器，正、反向限幅元件采用PIN二极管D3和D4，正、反向限幅隔直元件分别采用参数相同的电容C5和C6，正、反向检波元件均采用点接触式二极管D1和D2，正、反向检波高通滤波器均采用集总参数滤波网络结构，正、反向检波低通滤波器均采用分布参数滤波网络结构的半有源型全检波式限幅电路。
参照图5，本实例的电路结构及工作原理如下：
一、电路结构
本实例电路中共有26个微带线、10个微带T型结、6个电容、2个电感和4个二极管。其中：
第三电容C3的一端并接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端接地，组成正向检波高通滤波器311；
第四电容C4的一端并接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端接地，组成反向检波高通滤波器321；
第一电容C1的一端与耦合器的输入端相连接，为输入端提供直流隔离；第二电容C2与耦合器的输出端相连接，为输出端提供直流隔离；
第一微带线TLI的一端与第一微带T型结的Te1的第一端相连接；第二微带线TL2的一端与第一微带T型结Te1的第二端相连接；第三微带线TL3的一端与第一微带T型结Te1的第三端相连接，其另一端与第二微带T型结Te2的第一端相连接；第四微带线TL4的一端与第二微带T型结Te2的第二端相连接；第五微带线TL5的一端与第二微带T型结Te2的第三端相连接，其另一端与第三微带T型结Te3的第一端相连接；第六微带线TL6的一端与第三微带T型结Te3的第二端相连接；第七微带线TL7的一端与第三微带T型结Te3的第三端相连接，组成正向检波低通滤波器313。
第八微带线TL8的一端与第四微带T型结Te4的第一端相连接；第九微带线TL9的一端与第四微带T型结Te4的第二端相连接；第十微带线TL10的一端与第四微带T型结Te4的第三端相连接，其另一端与第五微带T型结Te5的第一端相连接；第十一微带线TL11的一端与第五微带T型结T5的第二端相连接；，第十二微带线TL12的一端与第五微带T型结Te5的第三端相连接，其另一端与第六微带T型结Te6的第一端相连接；第十三微带线TL13的一端与第六微带T型结Te6的第二端相连接；第十四微带线TL14的一端与第六微带T型结Te6的第三端相连接，组成反向检波低通滤波器323。
第十五微带线TL15的一端与第七微带T型结Te7的第一端相连接；第十六微带线TL16的一端与第八微带T型结Te8的第一端相连接；第十七微带线TL17的一端与第七微带T型结Te7的第二端相连接；第十八微带线TL18的一端与第十七微带线TL17的另一端相连接，其另一端与第八微带T型结Te8的第二端相连接；第十九微带线TL19的一端与第七微带T型结Te7的第三端相连接，其另一端与第九微带T型结Te9的第一端相连接；第二十微带线TL20的一端与第八微带T型结的Te8的第三端相连接，其另一端与第十微带T型结Te10的第一端相连接；第二十一微带线TL21的一端与第九微带T型结的Te9的第二端相连接；第二十二微带线TL22的一端与第二十一微带线TL21的另一端相连接，其另一端与第十微带T型结Te10的第二端相连接；，第二十三微带线TL23的一端与第九微带T型结Te9的第三端相连接，其另一端接地；第二十四微带线TL24的一端与第十微带T型结Te10的第三端相连接，组成耦合器1。
第一个二极管D1，其阳极与第三电容C3的另一端相连接，其阴极与第一微带线TLI的另一端相连接；第二个二极管D2，其阴极与第四电容C4的另一端相连接，其阳极与第八微带线TL8的另一端相连接，组成检波单元3。
第三个二极管D3，其阳极与第二十五微带线TL25的一端相连接，其阴极接地；第五电容C5的一端与第二十五微带线TL25的另一端相连接；第四个二极管D4，其阴极与第二十六微带线TL26的一端相连接，其阳极接地；第六电容C6的一端与第二十六微带线TL26的另一端相连接，其另一端与第五电容C5的另一端相接后，与第二十四微带线TL24的另一端相接，组成限幅单元2。
二、工作原理
本实例中，输入信号经通过第一电容C1提高直流量的隔离度后，进入耦合器1的输入端14，经耦合器1耦合后，将耦合信号通过第十五微带线TL15输出到检波单元3；耦合信号进入正向检波高通滤波器311后，通过第一电感L1和第三电容C3滤除直流分量，再通过第一个二极管D1的非线性，产生出直流分量与谐波，经正向检波低通滤波器313后，由第七微带线TL7输出正向直流分量，为限幅单元2中的第三个二极管D3提供正向的直流偏置；耦合信号进入反向检波高通滤波器321，通过第六电容C4和第二电感L2滤除直流分量，再通过第二个二极管D2的非线性，产生出直流分量与谐波，通过反向检波低通滤波器323后，由第十四微带线TL14输出反向直流分量，为限幅单元2中的第四个二极管D4提供反向直流偏置；第三个二极管D3和第四个二极管D4同时使用，实现了全周期的检波，提高了耦合信号的利用率，此外，第三个二极管D3和第四个二极管D4受到偏置影响，加快了导通速度，提高了电路的响应速度，同时，第三个二极管D3和第四个二极管D4的结合，提高了电路的功率容量和隔离度。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件
仿真频率设置为1.5GHZ，输入功率扫描范围为-50dBm-50dBm,S参数频率扫描范围为0-10GHZ。
2.仿真内容
仿真1，对本发明实例1的输出dBm(HB.pout[::1])随输入Pin变化关系进行仿真，结果如图6所示，从图6可见，在输入Pin从-50dBm到10dBm之间变化时,输出随输入呈现线性变化，当Pin>10dBm时，电路开始起限幅作用,直到输入增加到47dBm时候，输出才超过20dBm。
仿真2，用本发明的实例1对S参数dB(S11)与频率fre进行仿真，结果如图7所示，从图7可见，对于频率fre在0.16GHZ到2.7GHZ，dB(S11)参数都小于-10dB。
以上描述仅是本发明的两个实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，例如正向限幅元件211、反向限幅元件221、正向检波元件312、反向检波元件322除实例中使用的PIN二极管、检波肖特基二极管、点接触式二极管外，还可采用整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管、检波肖特基二极管、点接触式二极管、波段开关二极管和PIN二极管中的任意一种。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
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