VHF频段限幅器及其限幅方法与流程

vhf频段限幅器及其限幅方法
技术领域
1.本发明涉及限幅器技术领域，尤其涉及vhf频段限幅器及其限幅方法。


背景技术：

2.限幅器是用来保护接收机，大信号时能够保护接收机不被烧毁，强信号消失时，接收通路快速恢复正常，同时小信号插损很低，保证接收机灵敏度。然而一般限幅器在体积有限的情况下，承受功率很难做到2000瓦以上，甚高频段的时延与频段不匹配，同时小信号差损等指标也难兼顾。因此，为了解决上述问题，本发明提供一种vhf频段限幅器及其限幅方法，能够承受2000瓦以上脉冲功率，插入损耗低，同时甚高频段的时延与频段匹配。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出了一种vhf频段限幅器及其限幅方法，能够承受2000瓦以上脉冲功率，插入损耗低，同时甚高频段的时延与频段匹配。
4.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了vhf频段限幅器，其包括第一级限幅电路、第二级限幅电路和第三级限幅电路，第一级限幅电路、第二级限幅电路、第三级限幅电路通过延时线顺次电性连接；
5.第一级限幅电路与第二级限幅电路之间的延时线时延相位为90
°
。
6.在以上技术方案的基础上，优选的，延时线总长度满足以下公式：λ为vhf频段波长。
7.在以上技术方案的基础上，优选的，延时线的横截面边长和离腔体间距满足公式：
[0008][0009][0010]
其中，zo为50欧姆阻抗；εr＝1；b为延时线腔体宽度和高度；a为延时线横截面边长；p为功率容量；eb为击穿电场强度，取值30kv/cm。
[0011]
在以上技术方案的基础上，优选的，第一级限幅电路包括若干个结构相同的pin开关管对、电感、功率信号输入端、负载端和功率信号输出端；
[0012]
pin开关管对包括两个反相并联的pin开关管；
[0013]
将若干个所述pin开关管对分成两组，每组内的pin开关管对相互并联；第一组的输入端串联在功率信号输入端与功率信号输出端之间，第一组的输出端与第二组的输入端电性连接，第二组的输出端与负载端电性连接，负载端与外部功率负载电性连接；
[0014]
电感并联在负载端与功率信号输出端之间。
[0015]
在以上技术方案的基础上，优选的，第一级限幅电路中pin开关管对的总数满足以下公式：
[0016][0017]
其中，p为功率容量；r为负载阻抗，为常数50ω；i为单个pin开关管流过的电流有效值，i≤1；n为pin开关管对的总数，且n取2的整数倍。
[0018]
在以上技术方案的基础上，优选的，第二级限幅电路包括若干个结构相同的第一pin限幅管对；
[0019]
第一pin限幅管对包括两个反相并联的pin限幅管；
[0020]
若干个所述第一pin限幅管对相互并联；所述第一pin限幅管对的输入端串联在第一级限幅电路的功率信号输出端与第三级限幅电路的功率信号输入端之间，所述第一pin限幅管对的输出端接地。
[0021]
在以上技术方案的基础上，优选的，第三级限幅电路包括若干个结构相同的第二pin限幅管对；
[0022]
第二pin限幅管对包括两个反相并联的pin限幅管；
[0023]
若干个所述第二pin限幅管对相互并联；所述第二pin限幅管对的输入端与第二级限幅电路的功率信号输出端电性连接，所述第一pin限幅管对的输出端接地。
[0024]
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括匹配电路；
[0025]
匹配电路的输入端与第三级限幅电路的功率信号输出端电性连接，匹配电路的输出端与外部后级电路电性连接。
[0026]
在以上技术方案的基础上，优选的，匹配电路包括电感l2-l4和电容c1-c2；
[0027]
电感l3的一端分别与第三级限幅电路的功率信号输出端、电感l2的一端和电容c1的一端电性连接，电感l2的另一端和电容c1的另一端均接地；电感l3的另一端与电感l4的一端、电容c2的一端以及外部后级电路电性连接，电感l4的另一端和电容c2的另一端均接地。
[0028]
另一方面，本发明提供一种vhf频段限幅器的限幅方法，包括以下步骤：
[0029]
s1、搭建vhf频段限幅器，外部输入信号从功率信号输入端输入至第一级限幅电路；
[0030]
s2、若外部输入信号的功率低于预设值时，第一级限幅电路中pin开关管无法导通，外部输入信号经延时线延迟一定时间，甚高频段的时延与频段匹配后，直接进入匹配电路，经匹配电路减少插损后输入至接收机；
[0031]
反之，第一级限幅电路中pin开关管自动导通，第一级限幅电路的功率信号输入端与负载端连通，大部分功率经pin开关管流向外部功率负载，并被功率负载吸收；与此同时，第二级限幅电路中的pin限幅管导通，对地短路形成反射，小部分泄露功率经第三级限幅电路钳位，进一步限幅，直到泄露到接收机的功率降低到安全范围以内。
[0032]
本发明的vhf频段限幅器及其限幅方法相对于现有技术具有以下有益效果：
[0033]
(1)第一级限幅电路、第二级限幅电路、第三级限幅电路通过延时线顺次电性连接，且第一级限幅电路与第二级限幅电路之间的延时线时延相位为90
°
，可以保证第一级限幅电路的功率信号输入端、负载端之间阻抗匹配，使得大功率输入信号的绝大部分功率全部流入负载端，从而实现限幅功能；
[0034]
(2)对延时线长度进行限定，可以减小延时线对大功率时驻波和功率泄露的影响；
对延时线粗细和离腔体间距进行限定保证限幅器的功率容量，并且减少插损；
[0035]
(3)经过长度、粗细和离腔体间距限定后的延时线，可以使功率信号经延时线延时即可实现甚高频段的时延与频段匹配；
[0036]
(4)通过限定第一级限幅电路中并联的pin开关管对数量，使得限幅器承受功率达到2000瓦以上的同时输入端到负载端电容还小，降低小信号时到负载端隔离度和插损；
[0037]
(5)第一级限幅电路的若干个pin开关管对采用先并联-串联-并联的结构，一方面，在不影响限幅器电路的工作频率和工作带宽的同时，提升限幅器承受功率的能力；另一方面，引入串联结构降低了对地电容，改善限幅器电路的工作频率和工作带宽；
[0038]
(6)通过设置匹配电路可以在满足2000瓦以上功率容量的同时减小插损。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明vhf频段限幅器的结构图；
[0041]
图2为本发明vhf频段限幅器的电路图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
针对vhf频段，目前的限幅器甚高频段的时延与频段不匹配。因此为了解决上述问题，如图1所示，本实施例提供的vhf频段限幅器包括顺次连接的第一级限幅电路、第二级限幅电路和第三级限幅电路。其中，第一级限幅电路、第二级限幅电路、第三级限幅电路通过延时线顺次电性连接。延时线是一种用于将电信号延迟一段时间的元件或器件，通过延时线对电信号的延时，可以实现甚高频段的时延与频段匹配。
[0045]
优选的，为了保证第一级限幅电路的功率信号输入端、负载端之间阻抗匹配，使得大功率输入信号的绝大部分功率全部流入负载端，本实施例要求第一级限幅电路与第二级限幅电路之间的延时线时延相位为90
°
。为了实现90
°
相位延时，延时线总长度需要满足以下公式：l为延时线总长度；λ为vhf频段波长。根据vhf频段波长可知：l≈280mm。本实施例的延时线采用蛇形走线可以确保在有限的体积内实现足够的延时。通过上述公式确定的延时线长度，一方面可以保证第一级限幅电路与第二级限幅电路之间的延时线时延相位为90
°
，另一方面，由于延时线长短对大功率时驻波和功率泄露影响很大，合适的长度是延时线设计的关键，经过上述确定的延时线长度，可以减小延时线对大功率时驻波和功率泄露的影响。
[0046]
优选的，为了保证功率容量，并且减少插损，本实施例对延时线的粗细及离腔体间距进行限定。延时线的横截面边长及离腔体间距满足公式：
[0047][0048][0049]
其中，zo为50欧姆阻抗；εr＝1；b为延时线腔体宽度和高度；a为延时线横截面边长；p为功率容量；eb为击穿电场强度，取值30kv/cm；首先基于公式(2)计算a的取值，再将a的取值代入公式(1)中计算b的取值。经过初步估算：a≈0.5mm，实际设计时，需要留足够余量，结合工程实际，a取3mm完全可以承受3500w(15％占空比)的功率。根据阻抗公式，b≈7mm，在cst软件中仿真，修正b＝9mm时阻抗为50欧姆。本实施例使用3mm的金属导体作为延时线，保证了功率容量，同时对插损的影响也很小。
[0050]
本实施例解决限幅器在甚高频段的时延与频段不匹配问题的原理为：第一级限幅电路、第二级限幅电路、第三级限幅电路通过延时线顺次电性连接，并且第一级限幅电路与第二级限幅电路之间的延时线时延相位为90
°
；延时线的总长度需要满足公式：l为延时线总长度；λ为vhf频段波长；延时线的粗细及离腔体间距满足公式(1)和公式(2)，通过对延时线的长度、粗细和离腔体间距进行限定后，功率信号经延时线延时即可实现甚高频段的时延与频段匹配。
[0051]
本实施例的有益效果为：第一级限幅电路、第二级限幅电路、第三级限幅电路通过延时线顺次电性连接，且第一级限幅电路与第二级限幅电路之间的延时线时延相位为90
°
，可以保证第一级限幅电路的功率信号输入端、负载端之间阻抗匹配，使得大功率输入信号的绝大部分功率全部流入负载端，从而实现限幅功能；
[0052]
对延时线长度进行限定，可以减小延时线对大功率时驻波和功率泄露的影响；对延时线粗细和离腔体间距进行限定保证限幅器的功率容量，并且减少插损；
[0053]
经过长度、粗细和离腔体间距限定后的延时线，可以使功率信号经延时线延时即可实现甚高频段的时延与频段匹配。
[0054]
实施例2
[0055]
采用pin限幅二极管设计的限幅器，通常采用多级pin限幅二极管并联电路方案，微波大功率信号在通过限幅器时是逐级衰减的，因此限幅器的输入承受功率主要是第一级pin限幅二极管的承受功率特性决定的。一般地，pin限幅二极管的承受功率越高，那么pin二极管的结电容越大，而pin二极管的结电容增大，直接限定了限幅器电路的工作频率和工作带宽。目前，第一级pin限幅电路采用多个pin限幅二极管并联的方法来提升限幅器承受功率的能力，并联支路越多，第一级限幅电路的对地电容就越大，从而限定了微波限幅器电路的工作频率和工作带宽。目前vhf限幅器承受功率很难做到2000瓦以上。因此，如何设计第一级pin限幅电路的并联支路数量使得限幅器承受功率达到2000瓦以上的同时对地电容还小成为设计难点。为了解决上述难点，本实施例提供了具体电路结构的vhf频段限幅器，具体如下：
[0056]
如图2所示，第一级限幅电路，包括若干个结构相同的pin开关管对、电感、功率信
号输入端、负载端和功率信号输出端；pin开关管对包括两个反相并联的pin开关管；将若干个所述pin开关管对分成两组，每组内的pin开关管对相互并联；第一组的输入端串联在功率信号输入端与功率信号输出端之间，第一组的输出端与第二组的输入端电性连接，第二组的输出端与负载端电性连接，负载端与外部功率负载电性连接；电感并联在负载端与功率信号输出端之间。其中，第一级限幅电路承受最大功率，若选取的pin开关管型号和数量无法承受大功率信号，则大功率信号会流向后级电路，并烧毁后级电路，因此为了使大功率信号经第一限幅电路流向负载并且承受大功率信号，pin开关管优选为大功率pin开关管。本实施例的第一级限幅电路中若干个pin开关管对分成两组，每组内的pin开关管对相互并联，两组采用串联的形式，即若干个pin开关管对采用先并联-串联-并联的结构，一方面，在不影响限幅器电路的工作频率和工作带宽的同时，提升限幅器承受功率的能力；另一方面，引入串联结构降低了对地电容，改善限幅器电路的工作频率和工作带宽。
[0057]
优选的，由于大功率通过pin管会产生很多热量，尤其是第一级限幅电路，因此，本实施例中pin开关管没有直接接触壳体，热量需要通过高导热陶瓷传导到壳体。
[0058]
优选的，第一级限幅电路中pin开关管对的总数满足以下公式：其中，p为功率容量，p＝i2r，i为通过若干个pin开关管对的总电流有效值，r为负载阻抗，为常数50ω；i为单个pin开关管流过的电流有效值，i≤1；n为pin开关管对的总数，且n取2的整数倍。本实施例中，根据总电流有效值确定并联pin开关管对的总数，要求单个pin开关管电流有效值i在1a以内。本实施例中，p＝3500w，r取50ω，电流有效值即通过开关管总电流有效值8.4a，并联开关管数量且是2的倍数。因此，本实施例采用n＝10个并联。如图2所示，分别用d1-d20表示20个pin开关管。需要注意的是：只有开关管对包含两个开关管，开关管对的数量才能满足以上公式。
[0059]
如图2所示，第二级限幅电路，包括若干个结构相同的第一pin限幅管对；第一pin限幅管对包括两个反相并联的pin限幅管；若干个第一pin限幅管对相互并联；所述第一pin限幅管对的输入端串联在第一级限幅电路的功率信号输出端与第三级限幅电路的功率信号输入端之间，所述第一pin限幅管对的输出端接地。其中，由于第一级限幅电路承受最大功率，第二级限幅电路承受功率比第一级限幅电路低，因此，第二级限幅电路的pin管要求低一些，可以采用大功率pin限幅管。优选的，本实施例中，第二级限幅电路包括三个第一pin限幅管对，分别用d21-d26表示六个第一pin限幅管。
[0060]
如图2所示，第三级限幅电路，包括若干个结构相同的第二pin限幅管对；第二pin限幅管对包括两个反相并联的pin限幅管；若干个所述第二pin限幅管对相互并联；所述第二pin限幅管对的输入端与第二级限幅电路的功率信号输出端电性连接，所述第一pin限幅管对的输出端接地。其中，第三级限幅电路承受功率最小，并且第三级限幅电路的主要功能是对泄露功率进行钳位，将泄漏到接收机的功率降低到安全范围以内，因此，第二pin限幅管对采用低泄露pin限幅管。优选的，本实施例中，第三级限幅电路包括一个第二pin限幅管对，分别用d27和d28表示两个第二pin限幅管。
[0061]
本实施例的工作原理为：外部输入信号从功率信号输入端输入至第一级限幅电路；若外部输入信号的功率低于预设值时，第一级限幅电路中pin开关管无法导通，外部输
入信号直接经延时线进入接收机；
[0062]
反之，第一级限幅电路中pin开关管自动导通，第一级限幅电路的功率信号输入端与负载端连通，大部分功率经pin开关管流向外部功率负载，并被功率负载吸收；与此同时，第二级限幅电路中的pin限幅管导通，对地短路形成反射，小部分泄露功率经第三级限幅电路钳位，进一步限幅，直到泄露到接收机的功率降低到安全范围以内。
[0063]
本实施例的有益效果为：通过限定第一级限幅电路中并联的pin开关管对数量，使得限幅器承受功率达到2000瓦以上的同时输入端到负载端电容还小，降低小信号时到负载端隔离度和插损；
[0064]
第一级限幅电路的若干个pin开关管对采用并联-串联-并联的结构，一方面，不影响限幅器电路的工作频率和工作带宽的同时，提升限幅器承受功率的能力；另一方面，引入串联结构降低了对地电容，改善限幅器电路的工作频率和工作带宽。
[0065]
实施例3
[0066]
实施例1对延时线粗细和离腔体间距进行限定保证限幅器的功率容量，并且减少插损，但是实施例1减少的插损满足小信号插损小于0.5db的指标，无法满足工业需求。因此，为了解决上述问题，在实施例2的基础上，本实施例提供了一种减小小信号插损的方案，具体为在第三级限幅电路的输出端加入匹配电路，匹配电路的输入端与第三级限幅电路的功率信号输出端电性连接，匹配电路的输出端与外部后级电路电性连接。
[0067]
优选的，因为第二级限幅电路和第三级限幅电路中使用pin管限幅管，pin管的结电容导致阻抗不匹配，因此，为了解决上述问题，本实施例中设置了匹配电路。如图2所示，匹配电路包括电感l2-l4和电容c1-c2；电感l3的一端分别与第三级限幅电路的功率信号输出端、电感l2的一端和电容c1的一端电性连接，电感l2的另一端和电容c1的另一端均接地；电感l3的另一端与电感l4的一端、电容c2的一端以及外部后级电路电性连接，电感l4的另一端和电容c2的另一端均接地。其中，电感l2-l4和电容c1-c2组成带通滤波器，一方面，使工作频段内匹配到50欧姆，保证工作频率下插损最小，另一方面对杂波有抑制作用。
[0068]
本实施例的工作原理为：小信号功率输入至第一级限幅电路时，第一级限幅电路、第二级限幅电路、第三级限幅电路中的pin管不导通，小信号功率直接经过匹配电路减小插损后输入至接收机。
[0069]
本实施例的有益效果为：通过设置匹配电路可以在满足2000瓦以上功率容量的同时减小插损。
[0070]
实施例4
[0071]
在实施例1-3任一实施例的基础上，本实施例提供一种vhf频段限幅器的限幅方法，其包括以下步骤：
[0072]
s1、搭建实施例1-3所述的vhf频段限幅器，外部输入信号从功率信号输入端输入至第一级限幅电路；
[0073]
s2、若外部输入信号的功率低于预设值时，第一级限幅电路中pin开关管无法导通，外部输入信号经延时线延迟一定时间，甚高频段的时延与频段匹配后，直接进入匹配电路，经匹配电路减少插损后输入至接收机；
[0074]
反之，第一级限幅电路中pin开关管自动导通，第一级限幅电路的功率信号输入端与负载端连通，大部分功率经pin开关管流向外部功率负载，并被功率负载吸收；与此同时，
第二级限幅电路中的pin限幅管导通，对地短路形成反射，小部分泄露功率经第三级限幅电路钳位，进一步限幅，直到泄露到接收机的功率降低到安全范围以内。
[0075]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限定本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。