航空VHF通信设备电磁防护模块电路设计

马振洋，李义成，史春蕾，左 晶

(1.中国民航大学 安全科学与工程学院，天津 300300；2.中国民航大学 民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300；3.中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300)

0 引言

航空甚高频(Very High Frequency，VHF)通信可实现近距双向语音联络与数据传输，是飞机起飞与降落时的主要通信方式，随着航空电子技术的快速发展，机载通信设备在提高灵敏度的同时，也对电磁干扰更为敏感[1-2]。无线电台和雷达等无线电发射系统数量与功率的增加使得电磁环境日益复杂，较强的电磁能量会直接导致通信设备接收模块性能降级、失效甚至毁伤，因此提高设备的电磁防护能力对保障飞机通信可靠性与飞行安全发挥着重要的作用[3]。

目前，国内外针对通信设备的电磁防护设计已开展了一系列研究。文献[4]基于延时原理提出了一种紧凑型防护模块设计方法，利用场效应管控制外置偏压以提高浪涌保护器件的导通速度，但19 m延长线导致插入损耗较大。与浪涌保护器件相比，光电二极管(Positive-Intrinsic-Negative，PIN)由于具备更低的限幅电平被更多地应用于接收机的电磁防护领域。文献[5]基于TriQuint VPIN工艺设计了由三级PIN对管并联结构、四分之一波长传输线与并联电感组成的可应用于卫星通信的无源限幅防护模块，插入损耗约为 0.8 dB，但限幅电平过高，约为20 dBm。文献[6]设计了一种由功分器与吸收负载组成的用于频率选择的吸收性限幅模块，但防护模块尺寸较大且响应速度较慢。文献[7-8]通过增加PIN管的级数，提高了功率容量，从而改善无源限幅防护模块的限幅性能，但限幅电平仍不够低。文献[9]采用自主研制的PIN管BWN296，设计了由移相网络与PIN两级对管并联结构相结合的用于保护接收机ADC芯片的高功率容量无源限幅防护模块，将限幅电平降低至 12 dBm。以上研究成果大多为无源限幅防护设计，多级PIN结构虽然提高了功率容量，但仍存在限幅能力不足、起限电平和限幅电平不够低的问题。

本文基于PIN限幅原理，提出了利用直流偏置电压可提高PIN管导通速度与限幅能力的设计思路，针对防护性能的影响因素开展仿真分析，完成了2款应用于航空VHF频段的PIN限幅防护模块的设计：有源与半有源式防护模块。搭建小信号S参数与大信号干扰注入试验平台对其性能进行测试，验证了防护模块的工程实用性。

1 电磁防护模块设计方案

1.1 PIN参数对防护性能的影响分析

PIN管在PN结的P区和N区间加入高电阻率本征层(I层)，该类二极管具备限幅控制的特性源于在交流信号输入时，其内部载流子运动引起的电导调制效应。而在交直流偏置共同作用时，PIN管的I层电阻率主要取决于直流偏置的作用，此时PIN管可以用较小的直流来控制微波射频信号的输出，实现微波射频领域中控制开关、限幅或衰减等应用。

基于PIN管的电磁防护模块的性能参数主要包括小信号输入时的插入损耗、回波损耗以及干扰信号输入时的限幅电平、起限电平、隔离度与功率容量等[10]。防护模块首先要使正常通信小信号几乎无失真地传输到后端电路，即保证较小的插入损耗，同时对干扰大信号产生较强的抑制作用，防止输入功率过大导致后续敏感器件损伤，即保证较低的限幅电平与起限电平。典型PIN限幅防护模块的输入输出功率曲线如图1所示[11]。

图1 典型PIN限幅控制防护模块的输入输出功率

PIN管作为本文限幅控制电磁防护模块的核心器件，其各参数对防护性能影响规律的仿真分析对于PIN管选型与防护模块实用性有着重要的意义，主要参数包括结电容Cj、串联电阻RS、I层厚度W以及载流子寿命τ等。在ADS设置S参数控件对二极管的各参数进行扫描，在PIN对管并联电路结构的两端分别接50 Ω负载，仿真分析当输入射频小信号时电路插入损耗|S21|的变化情况，该参数表示输出端与输入端的电压或功率比值，|S21|越小代表传输效率越高。同时，设置谐波平衡法仿真控制器开展大信号输入时PIN参数对输出功率影响的仿真研究[12]，在输入端连接射频信号源控件来模拟干扰源，输出端连接50 Ω负载，设置干扰大信号的输入功率Pin为20 dBm。仿真结果如图2所示。

(a)S参数

仿真结果表明：具有较小结电容值的PIN管的插入损耗较小，这是因为在小信号注入时，二极管未达到导通状态，近似于零偏，但由于I层掺杂少量P型或N型杂质，在IN边界或PI边界形成空间电荷区，可等效为串联电阻与结电容的并联结构，结电容越小，电抗值越大，二极管更接近于截止状态，对小信号的传输损耗也越小。而I层厚度越薄与载流子寿命越长，输出功率越低，限幅能力越强，这是由于PIN二极管的限幅能力主要取决于I层的等效电阻值，I层厚度越薄表示空间电荷区越窄，同时载流子寿命越长，可进入到I层的载流子数越多，这2种情况均可导致I层的电阻值减小，二极管更容易导通，从而提高限幅性能。

1.2 有源式防护模块设计方案

防护模块采用2级PIN对管并联结构，其中I层较厚的PIN管置于前级以提供较高的功率容量，I层较薄的PIN管置于后级，使限幅电平尽可能降低。基于防护模块设计需求以及方形扁平无引线封装(Quad Flat No-leads Package，QFN)的电热性能优势，本文选用Skyworks公司生产的CLA系列PIN二极管，型号分别为CLA4607-085LF与CLA4606-085LF，性能参数如表1所示[13-15]。

表1 典型PIN二极管的性能参数

在2级PIN对管并联结构间加入π型移相网络，电路结构如图3所示。正常小信号通过时，各PIN管均呈高阻截止状态；而高功率干扰信号通过时，后级I层厚度较薄的二极管先行导通，转变为低阻抗，导致电压降低，传输线上的驻波处于波节位置。此时移相网络使传输信号实现90°的移相，使前级I层较厚的二极管在传输线上处于电压波腹位置，从而快速导通，实现信号的高质量传输与良好的限幅性能。移相网络的电容与电感元件参数值计算如下：

图3 π型移相网络电路结构

L=Z0/2πf0，

(1)

C=1/2πf0Z0，

(2)

式中，f0为信号的中心频率；Z0为特征阻抗值[16]。

有源式防护模块电路原理如图4所示，主要由2级PIN对管并联结构、移相网络与扼流电感构成，通过外接直流偏置电压源实现限幅控制作用，其中扼流电感的作用是防止输入的交流信号耦合进电源导致电路的插入损耗增大或损坏电源，直流偏置为PIN管提供更多载流子，减小了I层的电阻率从而使PIN管快速导通，提高限幅性能。

图4 有源式防护模块电路原理

1.3 半有源式防护模块设计方案

为了进一步提高防护模块的稳定性以及降低功耗，优化设计了一种半有源式防护模块，原理框图如图5所示。在2级PIN对管并联结构与移相网络的基础上，设计了集总参数定向耦合器与整流电路来代替外接电源，提供自给偏压。定向耦合器将耦合的部分干扰信号送入整流电路，整流电路则将交流小信号整流为直流从而提高PIN管的限幅性能。

图5 半有源式防护模块原理框图

由于传统的定向耦合器为单节或多节平行传输线结构形式[17]，用于VHF等较低频段时，传输线长度较长，无法应用于对空间尺寸要求严格的场合，本文设计的集总参数定向耦合器可明显减小耦合器的尺寸，电路结构如图6所示。整流二极管则选用Agilent Technologies公司HSMS2825型号形成2级肖特基二极管并联结构[18]，以提高整体整流电路的击穿电压。半有源式防护模块的电路原理如图7所示。

图6 定向耦合器电路结构

图7 半有源式防护模块电路原理

2 防护模块性能仿真与试验测试

2.1 防护模块性能测试仿真设置

基于ADS完成2种电磁防护模块的限幅性能仿真研究，即小信号S参数与干扰注入时的输入输出功率。由于偏置电压在降低I层电阻率时也可能会对有用小信号造成一定的衰减，为了保证防护模块的低插入损耗，仿真扫描了不同外接直流偏置电压对有源式防护模块防护性能的影响规律，以获得有源式防护模块的直流偏压阈值。

S参数仿真时，防护模块的输入输出端分别接50 Ω负载，分析其插入损耗|S21|以及输入输出端口的回波损耗|S11|和|S22|。限幅性能仿真时，输入端接入正弦连续波，输出端连接50 Ω负载，设置干扰大信号功率为-10～25 dBm，分析防护模块的起限电平、限幅电平与隔离度。

2.2 防护模块性能测试试验平台

有源式与半有源式防护模块实物如图8所示。

(a)有源式防护模块

针对防护模块搭建了S参数与高功率连续波注入试验平台，测试了有源式与半有源式防护模块的插入损耗、限幅电平和功率容量等性能参数，验证了防护模块的实用性。试验平台如图9所示，其中有源式防护模块在测试时需要连接直流稳压电源。测试时，输入信号类型、频率与功率设置均与仿真保持一致。

(a)S参数测试

测试设备主要包括矢量网络分析仪、直流稳压源、信号发生器、隔离器、衰减器、频谱分析仪以及若干同轴线缆，测试设备的型号及主要参数如表2所示，部分测试配置如图10所示。隔离器与衰减器均为保护器件，防止防护模块测试时，从输入端口反射的功率以及从输出端口传输的功率过大而对其他测试设备造成损坏。

表2 测试设备

图10 电磁防护模块性能测试试验配置

2.3 仿真与测试结果分析

(1)直流偏置阈值

直流偏置电压对有源式防护模块S参数与输出功率影响的仿真与测试结果分别如图11和图12所示。

(a)直流偏置电压对S参数的影响

(a)直流偏置电压对S参数的影响

仿真与测试结果表明：在直流偏置为0～0.6 V范围内，S参数的实测值变化较小，插入损耗约为0.7 dB，输入输出端口的回波损耗大于20 dB；当直流偏置大于0.6 V后，随着电压的增大，S参数急剧恶化，即直流偏置阈值约为0.6 V，小于仿真阈值1.5 V。这是由于在实际测试中，二极管的温度会随偏置电压的增大而增加，导致本征层的载流子运动速度加快，二极管更容易导通，从而对小信号输入时的S参数造成影响，因此为保证有源式防护模块的低插入损耗与良好的输入输出端口的阻抗匹配状态，外加直流偏置电压不应大于0.6 V。有源式防护模块输出功率的仿真与实测结果趋势相同，均为随着直流偏置的增大，输出功率逐渐下降，限幅性能增强。

(2)S参数

根据直流偏置阈值结果，设置外接偏置电压小于0.6 V，有源式防护模块的S参数仿真与测试结果如图13(a)所示，半有源式防护模块的S参数仿真与测试结果如图13(b)所示。

(a)有源式防护模块仿真与测试结果

仿真与测试结果表明：在118～136 MHz的航空VHF频段内，有源式防护模块插入损耗的仿真值约为0.03 dB，实测值约为0.7 dB；回波损耗的仿真与实测值均大于25 dB。半有源式限幅器的插入损耗的仿真值约为0.4 dB，测试值约为1.4 dB；输入输出端口的回波损耗仿真与实测值均大于15 dB。相比于仿真时采用的理想元件，组成防护模块的实际元件、贴片焊接及测试过程均会引入一些不可避免的损耗，导致实测值的插入损耗略大以及端口的阻抗匹配状态略差，但实测与仿真结果的差距较小，且曲线趋势一致，证明了仿真的正确性。

(3)限幅性能

有源式及半有源式防护模块输出功率仿真与测试结果如表3所示，Pin为输入功率，P11和P12为有源式防护模块输出功率仿真值和实测值，P21和P22为半有源式防护模块输出功率仿真值和实测值，实测值略小于仿真值。测试结果表明，在输入功率增大到25 dBm时，防护模块能够将输出功率限幅到8 dBm以下。本文针对VHF通信设备设计的防护模块可对连续波干扰信号进行有效抑制，具备较强的防护能力。

表3 有源式及半有源式防护模块输出功率仿真与测试结果

将本文设计的防护模块测试结果与其他文献中同类型防护模块性能参数的实测值进行对比，如表4所示。结果表明，本文设计的有源式限幅器插入损耗值相对较小，起限电平和限幅电平明显降低，同时具备较大的隔离度。半有源式防护模块的性能虽略差于有源式防护模块，但该防护模块无需连接电源，降低了功耗，提高了电路的稳定性。

表4 本文与其他文献设计的限幅器性能参数对比

3 结束语

本文基于PIN二极管的电导调制效应，针对航空VHF通信设备开展了能量控制防护模块的仿真研究与试验测试，设计了一款由π型移相网络、2级PIN对管并联结构、扼流电感与直流偏置构成的有源式防护模块，将起限电平与限幅电平分别降低至3 dBm与8 dBm。为了降低防护模块的功耗，优化设计了一款半有源式防护模块，该模块由定向耦合器、整流电路与PIN并联限幅结构相结合，使部分电磁干扰信号整流为直流以代替电源，为二极管提供偏置电压从而提高防护模块的限幅性能。