压控衰减器、压控衰减器的实现方法与应用电路

摘要

本发明揭示一种压控衰减器及其实现方法，以及一种应用压控衰减器实现的自动电平控制电路，其中，本发明的压控衰减器包括：传输匹配网络，其具有射频信号输入端、射频信号输出端以及耦合输出端与直通输出端；第一、第二衰减匹配网络，其射频信号输入端分别与所述传输匹配网络的耦合输出端和直通输出端连接，且该第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端和直通输出端均分别连接电阻值可随偏置电压大小而变化的负载，通过改变所述负载的偏置电压，使传输匹配网络的传输衰减特性随负载的电阻值的变化而可控变化。本发明的压控衰减器具有良好的线性指标性能，且结构简单，便于生产制造于元件更换，具有通用性好的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域射频技术，尤其是涉及一种宽带高线性压控衰减器及其实现方法，以及一种应用该压控衰减器实现的自动电平控制电路。

背景技术

随着第三代移动通信系统调制技术的不断发展，移动通信对于射频系统中的自动电平控制电路(Automatic Level Control，ALC)在深度控制的情况下的线性都有了越来越高的指标要求。在现代无线通信系统中，无线环境随着可利用频谱资源的减少变得非常的恶劣，不同系统之间、相同系统的干扰情况变得越来越多，强的干扰信号会导致系统无法正常工作，严重的会导致通信设备的硬件电路损坏等恶劣的后果，所以现代通信系统中广泛采用自动电平控制电路来提高通信系统的可靠性。

请参见图1所示，为业界所广泛使用的一种自动电平控制电路的电路结构示意图。自动电平控制电路在通信设备的输出端耦合部分信号，由功率放大器120作功率放大处理后输出；同时，经通过检测电路130的检测所述功率放大器120输出端的射频功率，并由控制电路140将检测的射频功率与设定的功率门限值相比较，若在大于门限值的情况下，则控制硬件射频通路中压控衰减器110不断衰减，使输入功率在不断增加10dB的情况下，保持输出功率不变。

上述电路的控制方式完全通过硬件电路实现，具有响应速度快、衰减(控制)变化连续、可靠性好等特点，广泛的应用在通信系统硬件设计中。

在传统的设计方案中，大多选用集成可变增益放大管用作自动电平控制电路中的衰减器。但是，在研发及生产过程中发现现有器件具有以下缺点：

1、在大功率输出以及深度衰减条件下，现有器件消耗的线性会导致自动电平控制电路的线性度很差；

2、现有的集成可变增益放大管大多为集成电路(IC)器件，线性及基本应用参数性能都能达到要求，但存在成本较高的缺点，且由于制造工艺复杂，当被损坏后更换器件也相对困难，给开发和生产带来不便；

3、集成电路器件还存在承受功率有限的缺陷，无法满足一些大功率条件下的应用，同时大功率条件下也面临着线性度恶化的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种压控衰减器及其实现方法，以及使用该压控衰减器实现的自动电位控制电路，以解决目前由集成可变增益放大管用作通信射频模块中的压控衰减器时存在的线性度较差、无法应用于大功率的情形等缺陷的技术问题。

为解决上述问题，本发明公开一种压控衰减器，包括：

传输匹配网络，其具有射频信号输入端、射频信号输出端以及耦合输出端与直通输出端；

第一、第二衰减匹配网络，其射频信号输入端分别与所述传输匹配网络的耦合输出端和直通输出端连接，且该第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端和直通输出端均分别连接电阻值可随偏置电压大小而变化的负载，通过改变所述负载的偏置电压，使传输匹配网络的传输衰减特性随负载的电阻值的变化而可控变化。

其中，所述负载为两个串接的PIN型二极管，其中之一的阳极与所述第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端或直通输出端连接，另一二极管的阴极接地。

其中，所述负载为PIN型二极管，其阳极与所述第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端或直通输出端连接，阴极接地。

其中，所述传输匹配网络以及所述第一、第二衰减匹配网络均为3dB正交电桥。

相应的，本发明公开一种压控衰减器的实现方法，包括：

通过传输匹配网络将输入的射频信号分路输出正交射频信号，分别输入连接在该传输匹配网络的耦合输出端和直通输出端的第一、第二衰减匹配网络；

改变连接在第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端和直通输出端上负载的偏置电压来改变负载的电阻值，使传输匹配网络的传输衰减特性随负载的电阻值的变化而可控变化。

其中，所述负载为两个串接的PIN型二极管，其中之一的阳极与所述第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端或直通输出端连接，另一二极管的阴极接地。

其中，所述传输匹配网络以及所述第一、第二衰减匹配网络均为3dB正交电桥。

相应的，本发明还公开一种自动电平控制电路，包括压控衰减器；与之连接的功率放大器；连接于功率放大器的输出端，用于检测输出功率的检测电路；连接在检测电路与压控衰减器的输入端之间的控制电路，用于将检测功率与预设功率门限值作对比，根据对比结果，控制改变压控衰减器的传输衰减特性；其中，所述压控衰减器包括：

传输匹配网络，其具有射频信号输入端、射频信号输出端以及耦合输出端与直通输出端；

第一、第二衰减匹配网络，其射频信号输入端分别与所述传输匹配网络的耦合输出端和直通输出端连接，且该第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端和直通输出端均分别连接电阻值可随偏置电压大小而变化的负载，所述控制电路与所述负载连接，通过所述控制电路控制改变所述负载的偏置电压，使传输匹配网络的传输衰减特性随负载的电阻值的变化而可控变化。

其中，所述负载为两个串接的PIN型二极管，其中之一的阳极与所述第一、第二衰减匹配网络的耦合输出端或直通输出端连接，另一二极管的阴极接地。

其中，所述传输匹配网络以及所述第一、第二衰减匹配网络均为3dB正交电桥。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的压控衰减器是通过控制电压来改变衰减网络的等效阻抗，从而改变传输网络的传输特性，其在很宽频带上均可达到＞20dB的衰减量并具有良好的线性；且本发明应用于很广的频率范围，通过改变匹配网络的频率响应，实现在宽频带上的良好的应用，以及具有高功率容量下很好的OIP3特性；

2、本发明和放大管一起使用可替代现有射频模块中用作衰减器的可变增益放大器，且本发明可用于电路的自动电平控制(ALC)；

3、本发明的压控衰减器结构简单，且方便器件更换及调试，具有成本较低，通用性好的优点。

附图说明

图1是现有的一种自动电平控制电路的电路结构示意图；

图2是本发明压控衰减器一种较佳具体实现例的电路结构示意图；

图3是本发明自动电平控制电路一种较佳具体实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

请参见图2所示，是本发明的压控衰减器一种较佳具体实现例的电路结构示意图。本发明提出的是一种基于四端口网络的压控衰减器，通过电压大小来改变网络内部的阻抗，相应的实现改变衰减器衰减量的大小。

本发明的压控衰减器具体包括：

传输匹配网络210，具有射频信号输入端(port1)、射频信号输出端(port2)以及耦合输出端(port3)与直通输出端(port4)，其耦合输出端与直通输出端分别与第一、第二衰减匹配网络220和230的射频信号输入端连接，且所述第一、第二衰减匹配网络220和230的耦合输出端与直通输出端，均分别连接两个串接PIN型二极管240后接地。

其中，传输匹配网络210以及第一、第二衰减匹配网络220和230均为一3dB正交电桥。

在详细介绍本发明压控衰减器的工作原理之前，先对3dB正交电桥以及PIN型二极管的特性作简单的介绍：

3dB正交电桥又称为3dB正交耦合器，是以3dB定向耦合器为基础，其耦合输出端输出的信号和直通输出端输出的信号幅度相等，为射频信号输入端输入信号的幅度值的一半，即3dB，且两输出端输出信号其相位差为90°，因此其称为3dB正交耦合器。

PIN型二极管是在P区和N区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造的晶体二极管。PIN中的“I”是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。

基于上述，本发明压控衰减器的工作原理详细阐述如下：

对于所述传输匹配网络210，射频信号由射频信号输入端(port1)输入后，经分路至耦合输出端(port3)和直通输出端(port4)；假设为全反射，则反射回到射频信号输入端(port1)和射频信号输出端(port2)，那么，在射频信号输入端(port1)将得到输入视频信号0度和180度的发射信号，经叠加后相互抵消，而在射频信号输出端(port2)得到2个90度叠加的射频信号。

同时，当耦合输出端和直通输出端分别连接50Ω负载时，射频信号在这两个端口将被完全吸收，则到达射频信号输出端的能量最小，此时信号通过该网络的衰减量达到最大。

由于PIN型二极管240的等效电阻可变的特性，通过将两个串接的PIN型二极管用作耦合输出端和直通输出端的可变的负载。根据PIN二极管的输出特性曲线，当PIN二极管导通后，其在射频下的电阻，可由改变偏置电流来加以改变。因此，通过改变PIN型二极管240输入电压，即可改变所述传输匹配网络210的耦合输出端和直通输出端的负载电阻。

当输入至所述传输匹配网络210的射频输入端的射频信号的功率增加时，分路至耦合输出端和直通输出端的信号电压幅度发生改变，成而改变了其负载电阻，通过负载电阻的变化，实现压控衰减器的衰减网络的可变衰减。

另外，请参见图3所示，为将本发明的压控衰减器应用在自动电平控制电路一种较佳具体实施例的电路结构示意图。

该自动电平控制电路(ALC)包括：

压控衰减器310、功率放大器320、检测电路330和控制电路340，输入的射频信号经过所述压控衰减器310后，由所述功率放大器320作功率放大处理，而所述检测电路330检测所述功率放大器320输出端输出信号的功率，并由控制电路340将检测的射频功率与设定的功率门限值相比较，若在大于门限值的情况下，则控制硬件射频通路中压控衰减器310不断衰减，使输入功率在不断增加10dB的情况下，保持输出功率不变。

其中，所述压控衰减器310具体包括：传输匹配网络311，具有射频信号输入端(port1)、射频信号输出端(port2)以及耦合输出端(port3)与直通输出端(port4)，其耦合输出端与直通输出端分别与第一、第二衰减匹配网络312和313的射频信号输入端连接，且所述第一、第二衰减匹配网络312和313的耦合输出端与直通输出端，均分别连接两个串接PIN型二极管314后接地。所述控制电路340同时连接第一、第二衰减匹配网络312和313的耦合输出端与耦合输出端。

其中，传输匹配网络311以及第一、第二衰减匹配网络312和313均为一3dB正交电桥。

所述传输匹配网络311的射频信号输入端与通信线路中放大管(图中未示)连接，，所述传输匹配网络311耦合放大管输出的部分射频信号至压控衰减器310，以控制压控衰减器310其中的PIN型二极管314的输入电压，进而控制衰减量来达到自动电平控制的目的。

综上，本发明是通过控制信号来改变衰减网络内部的PIN型二极管的阻抗特性，从而达到改变整个网络的S参数的目的，使得S21在相应的频段内单调、线性的变化，同时尽量保证S11和S22端口参数满足系统需要，减少对整个系统的不良影响。

另外，本发明采用2个PIN型二极管串联的方式不但改善了压控衰减器的功率容量，而且通过降低单管导通电阻增加控制电流，使得其工作在一个线性的区域，从而来改善网络的输出端三阶交调截至点(Output 3^rd Order InterceptPoint，OIP3)。在实际测试时，压控衰减器达到在衰减10dB的情况下具有46dBmOIP3超高的线性性能。因此，采用本发明的技术方案，可以获得一个具有良好端口参数，20dB以上动态范围的广泛通用的小型化低成本压控衰减器，可以很好的应用在现有的电路设计之中，以获得良好的经济效益。