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一种行波管功放的有源小信号均衡器设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-12-27  来源:真钱麻将  作者:[db:作者]  浏览次数:483
核心提示:  1现代雷达的抗干扰及反隐身性能要求其射频系统的瞬时相对带宽越宽越好,但是以下的问题会影响这一目标的实现:末级射频功放

本文地址:http://www.idc-sinae.com/news/1215.html
文章摘要:一种行波管功放的有源小信号均衡器设计,三心岂知波普尔,南边幽禁元帅。

  1现代雷达的抗干扰及反隐身性能要求其射频系统的瞬时相对带宽越宽越好,但是以下的问题会影响这一目标的实现:末级射频功放电路在某些频率点因过激励或欠激励而导致射频信号波形变差,容易破坏高功率环行器、限幅器与收发开关等天馈设备,同时对直流稳压电源、供电系统的容量提出了较高的要求,增加设备的复杂程度与研制费用,所以有必要采取措施来改善雷达发射机的幅频特性。在雷达发射机射频放大链的适当位置插入电控衰减器或幅频均衡网络是解决这一问题的有效途径。

  行波管功放的增益频率特性曲线在带内通常都不是平坦的,各工作频点的饱和输入功率和饱和输出功率通常都不同。输入激励功率相同,带内各频点可能同时存在欠饱和、饱和及过饱和的工作状态。

  若想得到等输出功率,各频点所要求的输入功率也是不相等的。在工程实践中通常要求行波管在等激励输入信号时具有等增益也即等输出特性或使各频点能同时输出饱和功率。因此,为使行波管处于理想的工作状态,充分发挥行波管的效能,引入信号均衡部分,对行波管的增益频率特性进行相应的均衡就显得十分必要。

  2方案分析与选择2. 1有源均衡和无源均衡的比较通常情况下,均衡器都可以分成有源和无源两种电路方式。有源均衡器更具有通用性和互换性,其电路的可调试性和可维护性优于无源均衡器。

  有源均衡器如果选择宽带衰减二极管,则可以使得整个均衡器的频率范围得以扩展,就可以用于电讯技术不同频段的真空管放大器系统内,较无源均衡器有更大的应用空间。

  有源均衡与无源均衡的对比。

  比较项目有源均衡无源均衡通用性好有限可调试性好不好可维护性易难电路复杂程度复杂简单2. 2前置式与后置式均衡方案的比较根据均衡器与行波管的位置关系,可将均衡方案分为前置式均衡方案与后置式均衡方案。

  前置式是指将均衡器置于行波管之前,均衡器的输出端接行波管的输入端。均衡后,使行波管在带内各频点实现等功率输出或饱和功率输出。

  后置式是指将均衡器置于行波管之后,行波管的输出端接均衡器的输入端。均衡后,使均衡器的输出为等功率输出。

  两种均衡方案的特性对比如下:( 1)功率及整体效率的损失比较行波管增益特性的改善是以牺牲某些频率上的输出功率为代价的。后置式均衡是将最大输出功率衰减到与最小输出功率相等,当行波管的饱和输入功率和饱和输出功率都不相同时,为了使行波管在某些频点不会因过激励程度太大而受到损害,通常使输入功率等于带内最小饱和输入功率,这样除该频点外其它频点都处于欠饱和状态。如果该频点的饱和输出功率不是带内最小饱和输出功率,则最后带内的最小输出功率也将小于原有的最小饱和输出功率,这样行波管的功率损失情况就更严重,效率也会更低了。前置式则可以通过精密测量均衡曲线一一对应地均衡来避免这一点,在所有频点上的输入功率都要大于该点的饱和输入功率,给激励源输出功率造成了一定的损失,但是整体效率下降不明显。

  与后置式均衡对行波管输出功率的损失相比,显然前置式要好得多。

  ( 2)阻抗匹配前置式均衡器位于激励源和行波管之间,在进行输入均衡的同时,也为激励输出和行波管输入做了阻抗匹配,对于整个放大链路来讲,有利于链路的稳定工作,行波管输入端的驻波系数也会因良好匹配得到改善。后置式均衡器位于行波管之后,行波管与激励源直接链接,阻抗得不到匹配,放大链路的工作状态不稳定,行波管输入端驻波系数变差,容易引起前端激励源中的放大器自激,只有在它们之间加入隔离器才能改善阻抗的不匹配状态,如此比较,还是前置式均衡较后置式均衡器优越。

  ( 3)应用范围行波管在等激励条件下,在带内各频点同时输出饱和功率,后置式的均衡方案显然已无法适用。

  而此时前置式均衡方案是可以实现的,所以前置式的应用范围要更广泛。

  ( 4)测量均衡目标曲线难易程度显然,后置均衡只需将最大输出功率衰减到与最小输出功率相等即可,因而绘制均衡曲线较简单。

  而前置式均衡方案则需要测量带内所有工作频点的输入输出特性(包括饱和输入输出特性),才能得到目标衰减曲线,因而测量的工作量要大许多。

  ( 5)对均衡器功率容量的要求后置式均衡是接于行波管的输出端,因而对均衡器的功率容量要求很高。行波管输出功率越大,对均衡器的功率容量要求也就越高。而前置式均衡对功率容量的要求显然就小得多,其功率最大值即为行波管最大饱和输入功率与均衡器本身整体插损之和,而这对均衡器本身以及PIN开关都是可以承受的。

  前置式均衡方案与后置式均衡方案的对比归纳比较项目前置式均衡后置式均衡功率及整体效率的损失小大阻抗匹配匹配良好匹配不好应用范围大小测量均衡目标曲线难易程度难易对均衡器功率容量的要求低高通过以上比较可以看出,前置式均衡方案更可行有效,更能发挥行波管的效能或保证其良好的工作状态,因此在实际工程实践中多选择前置式均衡方案。

  2. 3等激励等输出方案与等激励饱和输出方案的比较根据均衡目标的不同,均衡方案分为等激励等电讯技术输出方案和等激励饱和输出方案。

  2. 3. 1等激励等输出方案受无失真传输的条件制约,行波管要求在带内具有平坦增益特性。为使行波管具有等增益特性,可以按照以下方式确定行波管的等输出功率激励曲线。

  测量带内各频点输入输出特性,找出最小饱和输出功率,同时记下该频点对应的输入功率。同理,找出其它各频点上所对应的输入功率。把以上各频点的输入功率连起来,即得到等输出功率激励曲线。

  根据所得到行波管的等输出功率激励曲线即可得到均衡器的衰减曲线。主要是要测量带内所有频点的功率输入输出特性。这时测量等输出功率激励曲线的工作量要小许多,只需测得频带内最小饱和输出功率对应的输入功率即可,因此在引入均衡器后将可以有效减小行波管输出功率曲线的波动。

  这种均衡方式的特点是可以保证行波管的增益比较平均,但是行波管在各频点上并不能都得到饱和输出功率,带内各频点可能同时存在欠饱和、饱和及过饱和的工作状态,行波管乃至发射机的整机效率也将随之下降,会带来一系列诸如雷达有效探测距离不稳定、散热等问题。

  2. 3. 2等激励饱和输出方案当行波管应用在雷达中时,通常希望行波管在各频点都能够输出最大功率,即饱和功率。在引入均衡器后只需根据饱和输入功率曲线,利用均衡器对前级激励源输出功率进行适当衰减,就可以使行波管在每一频点都获得饱和输入功率,饱和输入功率曲线即为最佳激励曲线,此时的饱和输出功率未必是相等的。此时频带内各个频点上都能够得到最大的输出功率,行波管和整机都可以获得最大的效率,使用均衡器后可以有效改善系统信号传输质量,增大雷达有效探测距离,减小地面杂波影响,提高雷达整体效率等,因此具有重要应用价值。

  3均衡方案的选择3. 1单级PIN二极管衰减电路的选择PIN管仅工作于导通和截止两种状态,其自身耗散功率基本上很小,可以忽略不计,电路元器件可应用于较大功率的场合,但导通时电阻上将承受一定的功率,所以电阻必须具有一定的功率容量和良好的散热。

  步进式电控衰减器的位数和步进量可根据需要进行设计。根据具体的衰减量需要,还可以通过增加PIN衰减器的数量来实现更大的信号衰减。

  晶体管导通时可以引起衰减截止时不产生衰减。每个频率点的衰减量预置好以后,在改变工作频率时,衰减量将自动切换。PIN管截止时所加反偏电压根据主路传输的峰值功率大小而定。在雷达捷变频时,不同频率点的衰减量可能不一样, PIN管的工作状态就会转换。由截止转换为导通时,转换可以很快完成。通常由导通转换为截止时,电源通过电阻对电容充电,时间常数较大,转换速度较慢。频率代码的变化应提前于发射脉冲,同时在脉冲休止期间让所有的PIN管都处于截止状态。在下一个发射脉冲到来之前,让需要导通的PIN管的迅速导通,使需要截止的仍然处于截止状态。脉冲结束后,让导通的再转换为截止状态。

  3. 2有源均衡器的实现有源衰减器就是是用电信号来控制微波信号衰减量的一种器件,由上节所述的PIN管级连构成。

  电控衰减器衰减量的变化有步进式和连续可调式两种。连续可调式电控衰减器中, PIN管承受的功率较大,而PIN管的功率容量是有限的,因此这种方法仅适用于控制低功率微波信号。在雷达真空管发射机中,激励部分往往都需要在中功率电平上控制每一个频率点的衰减量,所以常采用步进式电控衰减器进行调整,这种衰减器的衰减量由数字信号来控制。

  减器级联而成,每条支路上PIN管单个导通时引起的衰减量为? dB.由于每路衰减器电路导通时的电压驻波比都比较小,因此各支路之间的相互影响在工程上可以忽略,即V1 Vn的导通可以任意组合。

  电讯技术CPLD电路为数据预处理器,其输出受控于雷达的频率码信号,它实际上是一个包含可编程器件的组合逻辑电路,多输入端口用于预置与n个频率相对应的频率码。每个频率点有多个衰减开关与之对应,在CPLD内部即可以完成频率码衰减量预置码的转换, D /A转换的输出信号经电平转换与驱动后控制PIN二极管的导通与关闭。

  输出功率曲线的对照情况。

  在图3中,曲线A为工程实际中某行波管的典型饱和输入功率曲线,曲线D为其饱和输出功率。

  虽然饱和输出功率波动不是很大,但其饱和输入功率波动却相差较大。因此在等激励的条件下,是无法使行波管在每个频点上都获得饱和输出功率的。曲线B为有源均衡器衰减曲线仿真结果,与实际中的无源均衡器均衡曲线已经比较接近。曲线C为使用均衡器后行波管在等激励条件下的输出功率。由曲线C可看出,配用均衡器后该行波管在等激励的条件下在每一频点上几乎都获得了饱和输出功率。

  最后需要指出的是,均衡器对行波管增益特性的改善都是以引入插损为代价的,均衡器本身插损越小,则系统增益就越不受器影响。

  4结论在大多数的真空管功率放大器设备中,由于管子本身的特性,我们在采用固态激励来推动时往往不能够在最终输出端得到理想的输出,究其原因多由于激励与管子不匹配。因此需要用一种均衡网络方便快捷地对激励信号进行均衡,在真空管末级得到最优的功率曲线。

  

 

 
 
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