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S波段高精度快速倒相开关设计

白维达 江涛 熊正锋 蒋自力

白维达, 江涛, 熊正锋, 等. S波段高精度快速倒相开关设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 053002. doi: 10.11884/HPLPB202032.190394
引用本文: 白维达, 江涛, 熊正锋, 等. S波段高精度快速倒相开关设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 053002. doi: 10.11884/HPLPB202032.190394
Bai Weida, Jiang Tao, Xiong Zhengfeng, et al. Design of S-band bi-phase modulator with high speed and accuracy[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 053002. doi: 10.11884/HPLPB202032.190394
Citation: Bai Weida, Jiang Tao, Xiong Zhengfeng, et al. Design of S-band bi-phase modulator with high speed and accuracy[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 053002. doi: 10.11884/HPLPB202032.190394

S波段高精度快速倒相开关设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.190394
详细信息
    作者简介:

    白维达(1992—),男,硕士,主要从事高功率微波技术研究;weida_mail@163.com

  • 中图分类号: TN623

Design of S-band bi-phase modulator with high speed and accuracy

  • 摘要: 倒相开关是能量倍增器法(SLED)脉冲压缩系统中的关键器件,它的倒相精度和开关速度对脉冲压缩系统的性能有重要影响。设计了一种工作在S波段的精度可调、响应迅速的微带反射式倒相开关,并对其进行了理论分析,电路结构设计和仿真研究。对倒相开关的反射终端进行了改进设计,利用一个变容二极管来代替传统的并联枝节电路,通过调节变容二极管的偏置电压改变反射终端的反射系数,从而实现对倒相相位的精确调节。仿真结果表明,倒相开关响应时间约4 ns,且通过调节变容二极管偏置电压可以在一定范围内调节倒相精度。
  • 图 1  反射式倒相开关电路结构示意图

    Fig. 1  Diagram of reflection type bi-phase shifter

    图 2  新型反射终端结构

    Fig. 2  Diagram of proposed reflection terminal

    图 3  新型倒相开关版图

    Fig. 3  Layout of proposed bi-phase shifter

    图 4  时域仿真结果

    Fig. 4  Simulation results of time domain

    图 5  9 ns时经过倒相和不经过倒相的信号对比

    Fig. 5  Simulation results of signal at 9 ns with and without phase shift

    图 6  S参数仿真结果

    Fig. 6  Simulation results of S-parameter

    图 7  相移量调节仿真结果

    Fig. 7  Simulation results of adjustable accuracy

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-30
  • 修回日期:  2020-02-05
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-05-01

S波段高精度快速倒相开关设计

    作者简介: 白维达(1992—),男,硕士,主要从事高功率微波技术研究;weida_mail@163.com
  • 西北核技术研究院,高功率微波技术重点实验室, 西安 710024

摘要: 倒相开关是能量倍增器法(SLED)脉冲压缩系统中的关键器件,它的倒相精度和开关速度对脉冲压缩系统的性能有重要影响。设计了一种工作在S波段的精度可调、响应迅速的微带反射式倒相开关,并对其进行了理论分析,电路结构设计和仿真研究。对倒相开关的反射终端进行了改进设计,利用一个变容二极管来代替传统的并联枝节电路,通过调节变容二极管的偏置电压改变反射终端的反射系数,从而实现对倒相相位的精确调节。仿真结果表明,倒相开关响应时间约4 ns,且通过调节变容二极管偏置电压可以在一定范围内调节倒相精度。

English Abstract

  • 脉冲压缩技术是将功率较低的长脉冲压缩为脉冲峰值功率较高的窄脉冲的有效方法[1-5],其中能量倍增器法(SLED)脉冲压缩系统具有结构简单、高效率和高稳定性的优点,而被广泛应用于加速器领域[6-9]。SLED脉冲压缩系统利用倒相开关将输入微波信号的相位反向来提取储能能量,倒相时刻、倒相精度以及倒相开关响应速度都会影响输出峰值功率、脉冲宽度及能量效率[10]。目前国际上生产倒相开关的厂家主要是美国的PMI公司,其生产的S波段产品倒相时间约15 ns,倒相精度180°±25°,且不具备倒相精度调节功能;而国内尚无倒相开关成熟产品。本文设计了一种S波段反射式倒相开关,通过研究影响PIN开关二极管响应时间的因素,实现了快速倒相;同时通过研究倒相开关的工作原理,设计并优化了倒相开关的电路结构,通过改进反射终端,实现了对倒相相位的精确调节。

    • 倒相开关通常采用反射式微带电路结构,如图1所示。在理想状态下,反射终端由一个PIN开关二极管和一段四分之一波长的微带线组成。当控制偏置电压改变二极管开关状态时,反射终端反射系数的相位就会改变180°,输出端信号也就实现了180°相位翻转。对于非理想状态的PIN二极管来说,由于寄生电阻和电抗的存在,相移量会偏离180°,因此需要增加一个并联枝节匹配电路,通过调节并联枝节的长度,可以抵消二极管中寄生电阻和电抗的影响[11-14]

      图  1  反射式倒相开关电路结构示意图

      Figure 1.  Diagram of reflection type bi-phase shifter

      由于加工误差和实际电路中存在的电磁耦合的影响,倒相开关一般无法精确实现180°相位翻转的效果。当倒相开关应用于SLED脉冲压缩系统时,倒相精度的不足将导致峰值功率增益降低,影响脉冲压缩装置输出微波脉冲相位,进而影响后续脉冲功率的合成,导致合成效率降低。针对这个问题,本文对反射终端进行了改进设计,用一个变容二极管来代替并联枝节电路,如图2所示。通过调节变容二极管的偏置电压改变反射终端的反射系数,从而实现对倒相开关倒相相位的精确调节。

      图  2  新型反射终端结构

      Figure 2.  Diagram of proposed reflection terminal

    • 倒相开关的速度对SLED脉冲压缩系统的性能有很大影响,开关时间太长将导致上升沿时间增加、峰值功率增益降低和脉冲压缩效率降低等问题。为了满足脉冲压缩系统的需求,应尽量保证倒相开关响应时间不大于20 ns。

      微带反射式倒相开关的倒相时间主要与PIN二极管的响应时间有关。PIN二极管的正向导通时间比较短,而关断过程速度受限较为显著。关断过程所需的反向恢复时间包括存贮延迟时间ts和渡越时间tr,其中tr容易受测量电路寄生电容的干扰而失真,通常把ts作为影响PIN二极管关断速度的主要因素。

      存贮延迟时间ts主要取决于载流子寿命τp、正向电流IF和反向电流IR。它们之间的关系可以用公式表示如下[15]

      $${t_{\rm{s}}} = {\tau _{\rm{p}}}\ln \left( {1 + \frac{{{I_{\rm{F}}}}}{{{I_{\rm{R}}}}}} \right)$$ (1)

      可以看出,ts随着IF的增加而增加,随着IR的增加而减小,与τp成正比。因此,为了减少开关响应时间,需要选用载流子寿命短的二极管,同时在保证二极管不击穿的前提下,增大反向电流与正向电流的比值。

    • 根据上述理论,设计了如图3所示的电路结构,并利用ADS进行了仿真验证。电路工作的中心频率为2.856 GHz。电路中使用的PIN二极管模型为MA-COM公司的MA4GP907,载流子寿命2 ns,零偏结电容0.03 pF;变容二极管模型为SKYWORKS公司的SMV2019-079LF,其寄生电阻4.8 Ω,结电容变化范围0.30~2.20 pF;采用的介质基板为Rogers 4350a,介电常数3.66。

      图  3  新型倒相开关版图

      Figure 3.  Layout of proposed bi-phase shifter

      为了验证二极管的IF/IR对倒相开关响应速度的影响,图4中对比了反向偏置电压为3 V,正向偏置电压分别为2,3,4,5 V时倒相开关的响应时间。仿真中使用阶跃电源进行时域测试,在第5 ns时二极管偏置电压由正向变为反向,上升沿1 ns,倒相开关的响应时间为从偏置电压改变时刻开始到信号幅度恢复到90%时刻结束。图4(a)中,在第9 ns时,输出信号实现180°翻转,即倒相开关响应时间约4 ns。随着正向偏置电压的升高,倒相开关的响应时间逐渐增加,图4(d)中倒相开关的响应时间增加到了约8 ns,从而有效证明了上一节中的理论分析。

      图  4  时域仿真结果

      Figure 4.  Simulation results of time domain

      图5是在反向偏置电压为3 V,正向偏置电压为2 V情况下,第9 ns时的输出信号。其中,实线是经过倒相开关倒相后的信号,虚线是作为对比的不经过倒相的信号(在第5 ns偏置电压保持+2 V不变),通过对比两条曲线可以直观地看出在第9 ns时完成了倒相。

      图  5  9 ns时经过倒相和不经过倒相的信号对比

      Figure 5.  Simulation results of signal at 9 ns with and without phase shift

      为了获得尽量短的响应时间,使PIN二极管的正向偏置电压为2 V,反向偏置电压为3 V。图6为PIN二极管偏置电压分别为2 V和−3 V时的倒相开关S参数仿真结果。由图6可以看出,在2.83~2.89 GHz频带范围内,调节PIN二极管偏置电压前后,S11始终小于−30 dB,电路匹配状况良好;调节偏压前后S21约−1.3 dB,且插入损耗波动较小,在中心频率2.856 GHz处插入损耗波动接近于0。由图6(c)可以看出,在2.83~2.89 GHz频带范围内,偏置电压改变前后整个电路的相移量改变180°±10°,在中心频率2.856 GHz处相移量约为180°。图7反映了电路的倒相精度调节能力,仿真中以t1t2两条微带线长度的变化来代替加工精度及电磁耦合带来的影响。由图7可知,当t1t2两条微带的长度(对应图1t1t2)分别变化2 mm时,相移量发生偏移,通过调节变容二极管的偏置电压Vt,可以使相移量恢复到180°。

      图  6  S参数仿真结果

      Figure 6.  Simulation results of S-parameter

      图  7  相移量调节仿真结果

      Figure 7.  Simulation results of adjustable accuracy

    • 本文通过研究反射式倒相开关的工作原理,利用变容二极管的变容特性,设计了一款工作于S波段,能够实现快速高精度倒相的倒相开关。仿真结果表明该倒相开关可以在4 ns内实现相位翻转,同时具有一定范围的精度调节能力,可以抵消由于加工误差及电磁耦合等带来的相移量偏移,对提高脉冲压缩的效率和进一步脉冲功率合成有重要意义。

参考文献 (15)

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