一種短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

邱　蘊(yùn)，羅良金，魏　燊

(中國(guó)電波傳播研究所，青島 266107)

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一種短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

邱蘊(yùn)，羅良金，魏燊

(中國(guó)電波傳播研究所，青島 266107)

摘要：設(shè)計(jì)了一種短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器，利用直流信號(hào)和高頻信號(hào)的頻率差異，通過一條傳輸線路完成射頻信號(hào)的傳輸和天線放大器的直流供電，根據(jù)射頻器件的高頻特性實(shí)現(xiàn)2路信號(hào)的隔離和復(fù)用，采用ADS射頻仿真軟件建立仿真模型。仿真結(jié)果顯示在工作帶寬內(nèi)射頻阻抗特性和直流電壓平穩(wěn)。制作了一臺(tái)四通道短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器，在1.5～30 MHz的工作頻率范圍內(nèi)實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果相吻合，可與寬帶接收機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。同時(shí)，供電轉(zhuǎn)換器各通道之間幅度和相位一致性很好，還可滿足一些有源陣列天線的需求。

關(guān)鍵詞：有源天線；供電轉(zhuǎn)換；信號(hào)與電源合成；ADS 仿真

0引言

短波有源天線由于體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活、便于收放等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信場(chǎng)地有限的條件下(如艦船，裝甲車上等)得到了廣泛應(yīng)用，短波有源天線增益的提高主要靠放大器來完成，為有源天線放大器供電的電源是整個(gè)天線系統(tǒng)中非常重要的組成部分[1]。

傳統(tǒng)的短波有源天線供電電源單獨(dú)為有源天線放大器供電，有源天線接收到的射頻信號(hào)通過另外一路單獨(dú)的同軸電纜接入接收機(jī)，每個(gè)天線單元需要2根電纜(供電電纜和射頻信號(hào)傳輸電纜)分別完成供電與射頻信號(hào)傳輸?shù)墓δ?。這樣，在天線單元數(shù)量較多的情況下，不但電纜的使用量會(huì)很大，而且在使用過程中，系統(tǒng)的收放時(shí)間也會(huì)增加，體現(xiàn)不出來有源天線機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)。

本文的設(shè)計(jì)通過一個(gè)短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器，將天線接收到的射頻信號(hào)的傳輸與天線放大器的供電電源的傳輸合成為一路。在實(shí)際使用中，二者的傳輸可以用同一根同軸電纜來完成。這減少了有源天線系統(tǒng)工作時(shí)電纜的使用量，節(jié)省了成本，對(duì)于機(jī)動(dòng)天線來說，可以減少天線系統(tǒng)的收放時(shí)間，提高工作效率，提高系統(tǒng)的可靠性，便于系統(tǒng)維護(hù)。

1供電轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)分析

本文中的短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器工作頻率為1.5～30 MHz，為適應(yīng)有源接收天線組陣的需要，各路輸出的供電轉(zhuǎn)換器應(yīng)考慮各通道之間信號(hào)通過時(shí)的幅度衰減量和相位偏移量的一致性，各路之間幅度衰減量一致性小于0.2 dB，相位偏移量一致性小于1°[2]，各個(gè)通道的插入損耗應(yīng)小于0.5 dB，各通道之間隔離度大于50 dB，以防止各路信號(hào)之間的串?dāng)_。本文以四通道供電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)來舉例說明，其中供電的直流電源以12 V電壓為例。

2供電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)施

短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器根據(jù)功能需要，包括了電源濾波器、電源模塊、射頻信號(hào)與供電電源合成模塊、電壓表、同軸移相電纜等，如圖1所示。

圖1　短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器框圖

天線接收到的射頻信號(hào)由射頻輸入端口輸入，經(jīng)過射頻輸出端口接入接收機(jī)，220 V交流電經(jīng)AC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換為放大器正常工作所需要的直流電壓Vcc，射頻信號(hào)與直流電源Vcc經(jīng)過射頻信號(hào)與直流電源合成模塊完成對(duì)放大器的供電與射頻信號(hào)的傳輸。

2.1射頻信號(hào)和供電電源合成模塊設(shè)計(jì)

射頻信號(hào)與供電電源合成模塊為整個(gè)供電轉(zhuǎn)換器的核心部分，該模塊一方面將天線端接收到的射頻信號(hào)無失真地傳輸給接收機(jī)，另一方面又將放大器正常工作所需要的直流電壓傳送給放大器。

射頻信號(hào)與供電電源合成模塊的輸入端包含射頻信號(hào)輸入和直流12 V電壓供電2路，射頻信號(hào)傳輸一路，不但要保證射頻信號(hào)以最小的損耗傳輸?shù)侥K輸出端，還要防止直流電源對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響信號(hào)的傳輸，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)引入噪聲；同樣對(duì)于供電電源傳輸一路，不但要保證直流電源以最小的損失傳輸?shù)侥K輸出端，還要防止射頻信號(hào)傳輸一路的射頻信號(hào)串?dāng)_到電源傳輸一路，增大放大器的噪聲，從而增大整個(gè)系統(tǒng)的噪聲。所以射頻信號(hào)傳輸和直流電源傳輸?shù)倪@2路在合成之前應(yīng)相互隔離，避免干擾。

經(jīng)過分析，射頻信號(hào)和供電電源傳輸模塊可以用基本的電容電感等元器件組成LC網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。電容器以其自身的特性，可以起到“通交流隔直流”的作用，電感器的特性可以在電路中起到“通直流，隔離交流信號(hào)”的作用，故而射頻信號(hào)傳輸一路可以通過選擇合適的電容器來實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的無失真?zhèn)鬏?，而在電源傳輸一路，可以通過選擇一個(gè)合適的電感器將直流供電電源傳輸?shù)侥K的輸出端，以此來實(shí)現(xiàn)二者在輸出端口的合成[3-6]。為避免信號(hào)在輸入端口對(duì)直流電源部分產(chǎn)生干擾，可以在直流供電電源與電感器前端之間加入幾個(gè)不同數(shù)量級(jí)的電容器對(duì)地進(jìn)行濾波。

射頻信號(hào)和供電電源合成模塊原理圖如圖2所示。

圖2　射頻信號(hào)和供電電源合成模塊原理圖

圖2中，RF表示射頻信號(hào)，Vcc表示有源天線放大器供電電源。

信號(hào)電源合成模塊射頻信號(hào)通路的插入損耗決定了信號(hào)通過該模塊時(shí)的損失大小，應(yīng)選擇合適的電容器元件值，使該通路插入損耗最小。取C1=1 000 pF，L1=300 μH，利用ADS射頻電路設(shè)計(jì)與仿真軟件建模[7-8]，并仿真計(jì)算。

根據(jù)圖3模型中端口的定義，對(duì)射頻信號(hào)傳輸通路(S12)仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3　射頻信號(hào)與供電電源合成模塊ADS模型

圖4　信號(hào)通路插入損耗計(jì)算結(jié)果

從圖4可看出，射頻信號(hào)傳輸通路插入損耗最大值在1.5 MHz，最大插入損耗值為0.046，射頻信號(hào)通過該通路時(shí)損失極小，基本可保證射頻信號(hào)無失真?zhèn)鬏敗ｋ娫赐穼?duì)于射頻信號(hào)的隔離能力通過計(jì)算1,3端口間的隔離度來分析，如圖5所示。

圖5　電源和射頻信號(hào)通路之間插入損耗計(jì)算結(jié)果

由圖5計(jì)算結(jié)果可知，射頻信號(hào)輸入端口對(duì)供電電源輸入端口信號(hào)的隔離度最小為78.677 dB，信號(hào)串?dāng)_到電源端的幅度可以忽略不計(jì)。

根據(jù)此模型設(shè)計(jì)的射頻信號(hào)和供電電源合成模塊，可以幾乎無失真地進(jìn)行射頻信號(hào)的傳輸，也可以提供給天線放大器一路幾乎沒有信號(hào)串?dāng)_的直流電源。

2.2AC/DC電源模塊選擇

為提高供電轉(zhuǎn)換器的可靠性，采用模塊化AC/DC線性電源，電源模塊輸入為220 V交流電，輸出為4路12 V直流電，輸出直流紋波噪聲小于2 mV，以減小對(duì)有源天線放大器的直流干擾。

2.3電源電壓顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊選用4塊HB5740Z-V系列智能電壓表，工作電源AC/DC85-260V,3 W，顯示范圍直流-1 999 V～9 999 V，具有多級(jí)數(shù)字濾波，可有效濾除干擾，確保數(shù)字顯示直觀正確。

2.4移相電纜設(shè)計(jì)

為保證傳輸信號(hào)相位一致性，所選的四路移相電纜保證插入損耗≤0.1 dB，相位一致性≤0.5°。

3實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)將各個(gè)模塊裝入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該供電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了各通路插入損耗、各通路幅度、相位一致性的測(cè)試，表1～表5為實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1　四路供電轉(zhuǎn)換器通道間隔離度

表2　四路供電轉(zhuǎn)換器插入損耗

表3、表4中頻率單位為MHz，1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)為通道1、通道2、通道3、通道4。

表3　4路供電轉(zhuǎn)換器通道幅度

表4　4路供電轉(zhuǎn)換器通道相位

表5　4路供電轉(zhuǎn)換器幅度、相位不一致性

本文設(shè)計(jì)的4路供電轉(zhuǎn)換器通過實(shí)際測(cè)試，其工作頻帶1.5～30 MHz范圍內(nèi)，隔離度大于50 dB，插入損耗小于0.5 dB，幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°。

4結(jié)束語(yǔ)

本文采用ADS仿真計(jì)算的方式設(shè)計(jì)了一種短波有源天線供電轉(zhuǎn)換器，以4路供電轉(zhuǎn)換器為例，說明了設(shè)計(jì)方法和測(cè)試結(jié)果。該電源轉(zhuǎn)換器在整個(gè)短波波段內(nèi)具有較低插入損耗、較高的隔離度以及較好的幅相一致性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短波有源接收天線供電電壓的傳輸和高頻信號(hào)的傳輸合為一路的目的，可廣泛應(yīng)用于短波有源接收天線系統(tǒng)中。此方法對(duì)更寬頻段及更多路數(shù)的設(shè)計(jì)具有參考意義及價(jià)值。

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Design of A Power Supply Converter for Short Wave Active Antenna

QIU Yun，LUO Liang-jin，WEI Shen

(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

Abstract:This paper designs a power converter for short wave active antenna,uses the frequency difference of radio frequency (RF) signal and direct current (DC) signal,completes the RF signal transmission and DC power supply of antenna amplifier through a transmission line,according to the high frequency characteristics of RF devices,realizes isolation and multiplexing of two signals,builds simulation model with ADS RF software.The simulation results show that the RF impedance characteristics and DC voltage are stable in the working frequency range. A power converter for four channels short wave active antenna is made,the the actual measurement result of power converter is consistent with the simulative calculation result in the working frequency range of 1.5～30 MHz,and can achieve good matching with broadband receiver.The amplitude and phase of each channnel of power supply converter has good congruency,which can meet the needs of active array antenna.

Key words:active antenna;power supply conversion;signal and power supply integration；ADS simulation

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.022

中圖分類號(hào)：TN822.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)01-0099-04

收稿日期:2015-11-09