一种铁氧体移相器的驱动控制系统及相移量控制方法

摘要

本发明提供了一种铁氧体移相器的驱动控制系统及相移量的控制方法，属于微波器件测控领域。该驱动控制系统包括第一耦合器、第二耦合器、鉴相器、滤波器、保持器、相位解调器、MCU、驱动电路、铁氧体移相器，第一和第二耦合器将功率大小为2～10dBm的微波信号耦合分离，输出至鉴相器，鉴相器对微波信号进行鉴相，输出至滤波器，滤波器选择出所需要的相位差信号，输出至保持器，保持器对保留的信号进行放大或衰减，输出至相位解调器，相位解调器对信号进行相位解调，输出至MCU，MCU对解调出的信号进行判断分析，控制驱动电路。本发明驱动控制系统克服了温度对铁氧体移相器的影响及磁化脉冲信号非理想问题，实现了对相移量的精确控制。

说明书

技术领域

本发明属于微波器件测控领域，具体涉及一种铁氧体移相器的驱动控制系统 和铁氧体移相器的相移量的控制方法。

背景技术

铁氧体移相器主要应用于微波通信领域，其作用主要是改变微波信号的相 位，由于其相移优值高、抗辐射能力强、超宽带等优点被广泛应用于相控阵雷达 中。铁氧体移相器是一种锁式器件，工作于剩磁状态，主要是通过对剩磁状态的 改变，实现微波信号的相位改变，而剩磁状态的改变，需要专用的磁化装置来实 现。早期的旋转场铁氧体移相器，磁化状态的改变主要通过周围的磁极旋转来实 现，而随着微电子技术的发展，脉冲信号和大电流驱动器通过半导体器件得以实 现。因此将通电直导线阵列或螺线管设计在铁氧体移相器特定的位置，并施加脉 冲信号，可以对铁氧体进行磁化。

目前，铁氧体移相器的驱动电路主要是D触发器、反相器、达林顿管等逻 辑门电路组合而成的。申请号为201120424366.3的中国专利“铁氧体移相器数 字化控制电路”中提出了一种基于MCU、复位脉冲信号、置位脉冲发生器以及 驱动电路的控制电路，但是该电路结构需要外部时钟实现脉冲宽度调节，且不能 精确的控制移相器的相移量。申请号为200820222701.X的中国专利“精密数字 控制频率相位移相器”中提出一种包括单片机系统的结构，但是该结构驱动电流 小、应用频率范围低，无法应用于铁氧体移相器中，而且还需要外部参考源来实 现电路的功能。铁氧体器件的性能与环境温度相关性大，在一些特殊应用场合(如 相控阵雷达)，铁氧体移相器采用上述两种结构的驱动控制电路无法实现精确的 相移量控制，会导致雷达的合成波束在空间中存在盲区。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提供了一种基于锁相环结构的铁氧体移相 器驱动控制系统，该驱动控制系统主要针对微带线或带状线铁氧体移相器，该结 构的铁氧体移相器驱动控制系统可以克服温度对铁氧体移相器的影响以及磁化 脉冲信号非理想问题，实现了对相移量的精确控制。

本发明的技术方案如下：

一种铁氧体移相器驱动控制系统，包括第一耦合器1、第二耦合器2、鉴相 器3、滤波器4、保持器5、相位解调器6、MCU7、驱动电路8、铁氧体移相器 9，其中：输入的微波信号RF_in进入第一耦合器1后，将功率大小为2～10dBm 的微波信号RF_in1耦合出来，输出至鉴相器3的A端，经过铁氧体移相器9后的 微波信号RF_out进入第二耦合器2后，将功率大小为2～10dBm的微波信号RF_out1耦合出来，输出至鉴相器3的B端；

鉴相器3用于对输入的两个微波信号进行鉴相，输出n阶谐波和n阶交调信 号，其输出端连接滤波器4；滤波器4用于选择出所需要的相位差信号，滤除n 阶谐波和n阶交调信号的交调分量，保留直流信号，并输出至保持器5；保持器 5用于对保留的直流信号进行放大或衰减，并输出至相位解调器6；相位解调器 6用于对保持器输出的直流正弦信号进行相位解调，并输出至MCU；MCU一方 面用于在微波信号输入前，接收雷达波束方向角的指令，控制驱动电路向铁氧体 移相器产生电流脉冲，使铁氧体移相器工作在新的磁化状态，另一方面，用于对 相位解调器解调出的信号进行判断与分析，根据判断与分析的结果控制驱动电 路，其输出端连接驱动电路。

进一步地，MCU与相位解调器之间还有一次通信，以进一步确定判断与分 析结果。

进一步地，所述MCU根据判断与分析的结果，输出控制信号使驱动电路工 作：若MCU的判断与分析的结果与雷达波束方向角指令的要求一致，则MCU 控制驱动电路保持当前状态；若MCU的判断与分析的结果相对于雷达波束方向 角指令要求偏大，那么MCU控制驱动电路产生与接收雷达波束方向角指令后产 生的电流脉冲方向相反的电流脉冲；如果MCU的判断与分析的结果相对于雷达 波束方向角指令要求偏小，那么MCU控制驱动电路产生与接收雷达波束方向角 指令后产生的电流脉冲方向相同的电流脉冲。

进一步地，上述铁氧体移相器为微带线或带状线铁氧体移相器。

其中，所述滤波器4为低通滤波器；所述第一耦合器1和第二耦合器2根据 实际电路工作频率和耦合度的技术指标进行设计；所述鉴相器3、滤波器4、保 持器5可以是三个独立的电路模块，或者一个整体模块实现三种功能。

进一步地，所述MCU还可以连接显示模块10，实时显示相移量。

一种铁氧体移相器的相移量的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：驱动控制系统开机上电后，MCU使驱动电路产生一个脉宽为1～10 毫秒的负向脉冲信号，使铁氧体移相器9达到反向饱和剩磁状态，MCU记录该 状态为零相移参考点；

步骤2：电路进入待机状态，MCU接收雷达波束方向角的指令，并控制驱 动电路8产生正向电流脉冲，电流脉冲与相移量成正比，此时，铁氧体移相器在 新的磁化状态；

步骤3：输入的微波信号RF_in进入第一耦合器1后，将功率大小为2～10dBm 的微波信号RF_in1耦合出来，输出至鉴相器3的A端；经过铁氧体移相器9后的 微波信号RF_out进入第二耦合器2后，将功率大小为2～10dBm的微波信号RF_out1耦合出来，输出至鉴相器3的B端；

步骤4：鉴相器3对输入的两个微波信号进行鉴相，输出n阶谐波和n阶交 调信号，输出的信号经过滤波器4和保持器5后，n阶谐波和n阶交调分量被滤 除，含有相移信息的直流信号被保留，且该直流信号被保持器5进行信号放大或 衰减，并输出至相位解调器，以满足相位解调器6对输入信号幅度的要求；

步骤5：相位解调器对保持器输出的直流正弦信号进行相位解调后，输出至 MCU，MCU对解调的信号进行判断与分析，并与相位解调器进行一次通信，进 一步确定判断结果；

步骤6：MCU根据判断与分析的结果，输出控制信号控制驱动电路：如果 MCU的分析结果与雷达波束方向角指令的要求一致，则MCU控制驱动电路保 持当前状态；如果MCU的分析结果相对于雷达波束方向角指令要求偏大，那么 MCU控制驱动电路产生一个负电流脉冲(如图5所示)；如果MCU的分析结果 相对于雷达波束方向角指令要求偏小，那么MCU控制驱动电路产生一个正电流 脉冲(如图5所示)；通过不断的反馈与调节，最终相移量与设定值保持在误差 范围以内，达到精确移相目的。

进一步地，上述铁氧体移相器为微带线或带状线铁氧体移相器。

本发明的有益效果为：

1、本发明的驱动控制系统是基于锁相环结构建立的，该结构存在相位锁定 时间，但由于移相器输入输出的频率一样，故该结构不需要频率锁定而直接进行 相位锁定，减少了锁定时间，提高了频率。

2、本发明的驱动控制系统相移精度高，克服了环境温度对铁氧体移相器的 影响，当环境温度升高时，铁氧体移相器的饱和磁化强度降低，相移量减小，本 发明中的反馈回路根据相移量的减少，增加驱动电路输出的脉冲宽度，使相移量 恢复到设定值，故增加了相控阵雷达的可靠性，减少了波束扫描盲区。

3、本发明驱动控制系统的响应速度快、集成度高。

附图说明

图1为本发明提供的铁氧体移相器驱动控制系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中鉴相器3、滤波器4和保持器5的电路原理图。

图3为本发明实施例中相位解调器6与MCU7及增加的显示模块10的原理 图。

图4为本发明实施例中驱动电路8的原理图。

图5为本发明实施例中铁氧体移相器的相移量示意图。

其中，1为第一耦合器，2为第二耦合器，3为鉴相器，4为滤波器，5为保 持器，6为相位解调器，7为MCU，8为驱动电路，9为铁氧体移相器，，10为 显示模块。

具体实施方式

下面详细介绍本发明的一个具体实施例。

实施例是工作于X波段的铁氧体移相器的驱动控制系统，图1为该驱动控 制系统的结构示意图。其中，第一耦合器1采用10dB耦合度的电路结构，第二 耦合器2采用6dB耦合度的电路结构。鉴相器3、低通滤波器4和保持器5的电 路原理图如图2所示。鉴相器3采用模拟取样鉴相器结构，由巴伦T1、快恢复 二极管D3、取样开关电容C1和C2、肖特基二极管D1和D2、隔直电容C5、 匹配电阻R4组成。滤波器4采用RC低通结构和运放反相器串联方式，由低通 RC滤波器V1和V2、电荷泄放电阻R1和R2、电压跟随器OP1和OP2组成。 保持器采用运算放大器结构，由平衡电位器R3、运算放大器OP3组成。相位解 调器6和MCU7采用高速ADC转换器、DSP组成，其原理图如图3所示。驱动 电路8原理图如图4所示，由光耦隔离器和H桥组成。

本实施例中，取样鉴相器采用M-pulse公司的MP7300M芯片，运放采用 ADI的OP284和OP184，低通滤波器采用Mini-Circuit的LFCW-1142滤波器， balun T1采用自行设计的差分结构，DSP采用TI的TMS320F2812，H桥由四个 MOSFET组成，光耦隔离器采用安捷伦的高速光耦系列芯片。

第一耦合器1的RF_in1端口连接至巴伦T1的输入端口，巴伦T1的另一输入 端口接地，巴伦T1的输出端口，中心抽头接地，另外两个端口分别接入到模拟 取样鉴相器的两个输入端，即图2中的D1两个端口。第二耦合器2的RF_out1端 口通过一个隔直电容C5连接至模拟取样鉴相器的另一个输入端口，并且在该端 口接一个匹配电阻R4。本实例中模拟取样鉴相器的输出端口为差分输出，故模 拟取样鉴相器的两个输出端口分别连接至一个结构相同的低通滤波器电路。低通 滤波器由一个集成RC滤波器和电荷泄放并联，然后串联一个电压跟随器而构成。 由于两个低通滤波器是对称的，所以低通滤波器的输出端也具有差分特性，他们 共同接入到保持器的的输入端，保持器由一个运放构成。考虑到鉴相器和低通滤 波器实际应用中并非理想器件，在保持器的一个输入端增加了一个调零电阻R3 来调节它们的失配。本实施例中，相位解调器和MCU由一块芯片DSP芯片 TMS320F2812同时完成两种功能，所以，保持器的输出端直接接入到 TMS320F2812芯片的模数转换器端口。TMS320F2812芯片分配8～10个I/O端口 与显示模块连接，实现动态显示当前相移量的功能，TMS320F2812芯片再分配 两个I/O端口连接至驱动电路模块中光耦隔离器的输入端。光耦隔离器的两个输 出端中，一个输出端口与H桥的两个MOSFET的栅极相连，另一个输出端口同 样连接至剩下两个MOSFET栅极。H桥的输出端口接入到铁氧体移相器的驱动 端口。

RF_in输入功率26dBm的微波信号，根据耦合度关系RF_in1＝RF_in-耦合度，考 虑到耦合器和移相器的插入损耗，第一耦合器1馈入鉴相器的功率约15dBm， 第二耦合器2馈入鉴相器的功率约3dBm。低通滤波器的截止频率10GHz。经过 鉴相器和低通滤波器后，得到峰值约0.5V的相位误差信号，经过运算放大器 OP3，将该峰峰值放大到cmos电平。DSP芯片TMS320F2812内部集成了ADC， 不需要再外加ADC，所以TMS320F2812完成了MCU和相位解调器功能。此外， TMS320F2812的输出IO与驱动电路和显示模块10相连，控制驱动电路产生约 2A峰值电流，控制显示模块实时显示相移量。

微波信号通过第一耦合器1得到RF_in1信号，经过巴伦T1后，RF_in1转化为 差分信号，定义为取样信号u_r(t)，设

u_r(t)＝U_rsinω_rt+θ_r                         <1>

其中，U_r为信号幅值，ω_r信号角频率，θ_r取样信号的初始相位，t为时间。 u_r(t)作用于快恢复二极管D3两端，同时电容C1、C2分别进行充电，每经过一 个周期，由于快恢复二极管D3和电容C1、C2的作用，取样信号转化成两个对 称的镜像脉冲信号，并且产生了n阶谐波分量。设其中一个脉冲信号为

$u_r\left(t\right)=U_r\underset{n=-\infty }{\overset{n=\infty }{\Sigma }}\delta [t-(n{T}_r-t_r)]<2>$

T_r为脉冲周期，t_r为初始时延，U_r为幅值。上式经傅里叶变换后，

$u_r\left(t\right)=U_r\frac{1}{T_r}\underset{n=-\infty }{\overset{n=\infty }{\Sigma }}{e}^{\mathrm{jn}({\omega }_r-{\theta }_r)}---<3>$

其中，${\omega }_r=\frac{2\pi }{T_r},{\theta }_r={\omega }_r{t}_r.$

经过移相器的微波信号，从第二耦合器2得到一部分微波功率RF_out1经C3 进入肖特基二极管D1、D2两端，如图2所示。设RF_out1:

u₀(t)＝U₀sinω₀t+θ₀                       <4>

U₀为被取样信号RF_out1的信号幅值，ω₀信号角频率，θ₀初始相位，t为时间。 取样脉冲对上式信号u₀(t)进行取样，也即混频，最终肖特基二极管输出电压为：

$u\left(t\right)=u_r\left(t\right)·u_0\left(t\right)=U_r\frac{1}{T_r}[u_0\left(t\right)+U_0\underset{n=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}(\frac{e^{\mathrm{jA}}-e^{-\mathrm{jA}}}{2j}+\frac{e^{\mathrm{jB}}-e^{-\mathrm{jB}}}{2j})]---<5>$

其中，A＝(nω_rt+ω₀t+nθ_r+θ₀),B＝(nω_rt-ω₀t+nθ_r-θ₀)。

其次，图2中采用了低通RC滤波器，截止频率为ω_r，并且ω_r＝ω₀。特别 的，电路中设计了两个电压跟随器，其由运算放大器构成，作用是滤除高频分量。 因此，电压跟随器输出的有效信号分量为：

$u_d\left(t\right)=\frac{U_r{U}_0}{T_r}\sin ({\theta }_r-{\theta }_0)=\frac{U_r{U}_0}{T_r}\sin {\theta }_e\left(t\right)---<.6>$

事实上，u_d(t)为一个接近零频的信号，其经过运算放大器OP3后，得到符 合ADC转换的电压值。DSP将相位信息解调出来，然后控制H桥驱动器对移相 器进行对应的磁化状态调节，最终相移量被锁定在设定值内。

如上所述，可实现本发明，得到移相精度高的铁氧体移相器驱动控制系统， 实现对铁氧体移相器相移量的精确控制。