一种短波有源天线供电转换器的设计

邱　蕴，罗良金，魏　燊

(中国电波传播研究所，青岛 266107)



一种短波有源天线供电转换器的设计

邱蕴，罗良金，魏燊

(中国电波传播研究所，青岛 266107)

摘要：设计了一种短波有源天线供电转换器，利用直流信号和高频信号的频率差异，通过一条传输线路完成射频信号的传输和天线放大器的直流供电，根据射频器件的高频特性实现2路信号的隔离和复用，采用ADS射频仿真软件建立仿真模型。仿真结果显示在工作带宽内射频阻抗特性和直流电压平稳。制作了一台四通道短波有源天线供电转换器，在1.5～30 MHz的工作频率范围内实测结果和仿真计算结果相吻合，可与宽带接收机实现良好的匹配。同时，供电转换器各通道之间幅度和相位一致性很好，还可满足一些有源阵列天线的需求。

关键词：有源天线；供电转换；信号与电源合成；ADS 仿真

0引言

短波有源天线由于体积小、重量轻、机动灵活、便于收放等优点，在移动通信场地有限的条件下(如舰船，装甲车上等)得到了广泛应用，短波有源天线增益的提高主要靠放大器来完成，为有源天线放大器供电的电源是整个天线系统中非常重要的组成部分[1]。

传统的短波有源天线供电电源单独为有源天线放大器供电，有源天线接收到的射频信号通过另外一路单独的同轴电缆接入接收机，每个天线单元需要2根电缆(供电电缆和射频信号传输电缆)分别完成供电与射频信号传输的功能。这样，在天线单元数量较多的情况下，不但电缆的使用量会很大，而且在使用过程中，系统的收放时间也会增加，体现不出来有源天线机动灵活的优点。

本文的设计通过一个短波有源天线供电转换器，将天线接收到的射频信号的传输与天线放大器的供电电源的传输合成为一路。在实际使用中，二者的传输可以用同一根同轴电缆来完成。这减少了有源天线系统工作时电缆的使用量，节省了成本，对于机动天线来说，可以减少天线系统的收放时间，提高工作效率，提高系统的可靠性，便于系统维护。

1供电转换器的指标分析

本文中的短波有源天线供电转换器工作频率为1.5～30 MHz，为适应有源接收天线组阵的需要，各路输出的供电转换器应考虑各通道之间信号通过时的幅度衰减量和相位偏移量的一致性，各路之间幅度衰减量一致性小于0.2 dB，相位偏移量一致性小于1°[2]，各个通道的插入损耗应小于0.5 dB，各通道之间隔离度大于50 dB，以防止各路信号之间的串扰。本文以四通道供电转换器的设计来举例说明，其中供电的直流电源以12 V电压为例。

2供电转换器的设计与实施

短波有源天线供电转换器根据功能需要，包括了电源滤波器、电源模块、射频信号与供电电源合成模块、电压表、同轴移相电缆等，如图1所示。

图1　短波有源天线供电转换器框图

天线接收到的射频信号由射频输入端口输入，经过射频输出端口接入接收机，220 V交流电经AC/DC电源模块转换为放大器正常工作所需要的直流电压Vcc，射频信号与直流电源Vcc经过射频信号与直流电源合成模块完成对放大器的供电与射频信号的传输。

2.1射频信号和供电电源合成模块设计

射频信号与供电电源合成模块为整个供电转换器的核心部分，该模块一方面将天线端接收到的射频信号无失真地传输给接收机，另一方面又将放大器正常工作所需要的直流电压传送给放大器。

射频信号与供电电源合成模块的输入端包含射频信号输入和直流12 V电压供电2路，射频信号传输一路，不但要保证射频信号以最小的损耗传输到模块输出端，还要防止直流电源对信号产生干扰，影响信号的传输，对整个系统引入噪声；同样对于供电电源传输一路，不但要保证直流电源以最小的损失传输到模块输出端，还要防止射频信号传输一路的射频信号串扰到电源传输一路，增大放大器的噪声，从而增大整个系统的噪声。所以射频信号传输和直流电源传输的这2路在合成之前应相互隔离，避免干扰。

经过分析，射频信号和供电电源传输模块可以用基本的电容电感等元器件组成LC网络来实现。电容器以其自身的特性，可以起到“通交流隔直流”的作用，电感器的特性可以在电路中起到“通直流，隔离交流信号”的作用，故而射频信号传输一路可以通过选择合适的电容器来实现射频信号的无失真传输，而在电源传输一路，可以通过选择一个合适的电感器将直流供电电源传输到模块的输出端，以此来实现二者在输出端口的合成[3-6]。为避免信号在输入端口对直流电源部分产生干扰，可以在直流供电电源与电感器前端之间加入几个不同数量级的电容器对地进行滤波。

射频信号和供电电源合成模块原理图如图2所示。

图2　射频信号和供电电源合成模块原理图

图2中，RF表示射频信号，Vcc表示有源天线放大器供电电源。

信号电源合成模块射频信号通路的插入损耗决定了信号通过该模块时的损失大小，应选择合适的电容器元件值，使该通路插入损耗最小。取C1=1 000 pF，L1=300 μH，利用ADS射频电路设计与仿真软件建模[7-8]，并仿真计算。

根据图3模型中端口的定义，对射频信号传输通路(S12)仿真计算结果如图4所示。

图3　射频信号与供电电源合成模块ADS模型

图4　信号通路插入损耗计算结果

从图4可看出，射频信号传输通路插入损耗最大值在1.5 MHz，最大插入损耗值为0.046，射频信号通过该通路时损失极小，基本可保证射频信号无失真传输。电源通路对于射频信号的隔离能力通过计算1,3端口间的隔离度来分析，如图5所示。

图5　电源和射频信号通路之间插入损耗计算结果

由图5计算结果可知，射频信号输入端口对供电电源输入端口信号的隔离度最小为78.677 dB，信号串扰到电源端的幅度可以忽略不计。

根据此模型设计的射频信号和供电电源合成模块，可以几乎无失真地进行射频信号的传输，也可以提供给天线放大器一路几乎没有信号串扰的直流电源。

2.2AC/DC电源模块选择

为提高供电转换器的可靠性，采用模块化AC/DC线性电源，电源模块输入为220 V交流电，输出为4路12 V直流电，输出直流纹波噪声小于2 mV，以减小对有源天线放大器的直流干扰。

2.3电源电压显示模块设计

显示模块选用4块HB5740Z-V系列智能电压表，工作电源AC/DC85-260V,3 W，显示范围直流-1 999 V～9 999 V，具有多级数字滤波，可有效滤除干扰，确保数字显示直观正确。

2.4移相电缆设计

为保证传输信号相位一致性，所选的四路移相电缆保证插入损耗≤0.1 dB，相位一致性≤0.5°。

3实测结果

根据以上设计将各个模块装入标准机箱，用网络分析仪对该供电转换器进行了各通路插入损耗、各通路幅度、相位一致性的测试，表1～表5为实际测试数据。

表1　四路供电转换器通道间隔离度

表2　四路供电转换器插入损耗

表3、表4中频率单位为MHz，1、2、3、4分别对应为通道1、通道2、通道3、通道4。

表3　4路供电转换器通道幅度

表4　4路供电转换器通道相位

表5　4路供电转换器幅度、相位不一致性

本文设计的4路供电转换器通过实际测试，其工作频带1.5～30 MHz范围内，隔离度大于50 dB，插入损耗小于0.5 dB，幅度不一致性小于0.2 dB，相位不一致性小于1°。

4结束语

本文采用ADS仿真计算的方式设计了一种短波有源天线供电转换器，以4路供电转换器为例，说明了设计方法和测试结果。该电源转换器在整个短波波段内具有较低插入损耗、较高的隔离度以及较好的幅相一致性，实现了对短波有源接收天线供电电压的传输和高频信号的传输合为一路的目的，可广泛应用于短波有源接收天线系统中。此方法对更宽频段及更多路数的设计具有参考意义及价值。

参考文献

[1]王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大社学出版，1995：81-83.

[2]林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社，2002.

[3]王珂.EMC元件高频特性研究[J].机电元件，2012，4(2)：19-21.

[4]黄智伟.射频电路设计[M].北京:电子工业出版社, 2006.

[5]沈伟慈.高频电路[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[6]傅丰林.电子线路基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[7]陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解——射频电路设计与仿真[M].北京:人民邮电出版社,2008:126- 149.

[8]冯新宇，蒋洪波.ADS2012射频电路设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2014:99-126.

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

中图分类号：TN822.3

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0099-04

收稿日期:2015-11-09