CN102355207B - 一种Ka频段固态功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka频段固态功率放大器，它涉及卫星通信领域中的传输上行信道设备。它由电平控制单元、驱动放大器、固态功放模块、输出耦合器、检波器、监控单元、温度传感器、模块电源等组成。本发明涉及了一种波导内空间12路功率合成技术，设计了三路波导功率分配器和波导分支线三路功率合成器。四个功率单片装配在由波导分支线、波导T型结、波导-微带探针过渡组成的四路功率合成网络内。三个经专门测试的四路功率合成模块再由三路功率分配器和三路功率合成器构成一种12路功率合成模块。该功率放大器具有结构紧凑、集成化程度高、性能稳定可靠、重量轻、功耗低、工作温度范围宽的特点。特别适用于卫星通信微波信道的功率放大业务。

Description

一种Ka频段固态功率放大器

技术领域

本发明涉及卫星通信领域中的一种Ka频段固态功率放大器，特别适用于卫星通信微波信道的功率放大。

背景技术

随着卫星通信业务量的增加，原有的C、Ku频段频率资源已经接近饱和，无法满足日益增长的通信要求，Ka频段卫星通信具有通信容量大、安全保密性好、传输质量高等特点，便于实现卫星地面站小型化，功率放大器作为卫星上行链路的组成部分之一，其作用是对上行已调信号进行功率放大，满足信道传输要求。

C、Ku频段固态功率放大器多采用电路合成的方式实现，然而在Ka频段由于工作频率的提高，原有的合成方式带来的损耗达到了无法承受的地步，它降低了合成效率，减小了输出功率，增大了设备自身的功耗，不利于在该频段的实际使用。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种能够满足卫星通信地面站的功率放大设备，本发明采用空间功率合成技术，具有合成效率高的特点，能够在恶劣的环境(-40℃～55℃)条件下正常工作，还具有重量轻、体积小、性能稳定可靠等特点。

本发明的目的是这样实现的：该Ka频段固态功率放大器，包括电平控制单元、驱动放大器、固态功放模块、输出耦合器、检波器、监控单元、温度传感器和模块电源，电平控制单元入端1脚与外部Ka频段入端口A连接，电平控制单元出端2脚与驱动放大器入端1脚连接，电平控制单元入端3脚与监控单元出端5脚连接，电平控制单元入端4脚与监控单元出端4脚连接，电平控制单元出端2脚与驱动放大器入端1脚连接；驱动放大器出端2脚与固态功放模块入端1脚连接；固态功放模块出端2脚与输出耦合器入端1脚连接；输出耦合器出端3脚与检波器入端1脚连接，输出耦合器出端4脚与检波器入端2脚连接，输出耦合器出端2脚与功放输出端口B连接；监控单元入端2脚与检波器出端3脚连接，监控单元入端3脚与检波器出端4脚连接，监控单元入端1脚与温度传感器出端1脚连接，监控单元出端7脚与模块电源入端3脚连接，监控单元出入端6脚与功放控制端口C连接；模块电源入端4脚与外部220V交流电源端口连接，模块电源出端1脚+V、出端2脚-V电压端与各部件相应电源端并接。

Ka频段信号通过外部Ka频段入端口A进入电平控制单元入端1脚，电平控制单元内数控衰减器和压控衰减器在监控单元的控制下以实现对Ka频段信号经过电平控制单元时增益的调整，经过增益调整以后的信号进入驱动放大器，驱动放大器对信号进行放大，经过驱动放大器放大的信号进入固态功放模块，固态功放模块用以实现功率放大，经过功率放大的信号通过耦合器输出；输出耦合器反向耦合输出信号进入检波器入端1脚，输出耦合器正向耦合输出信号进入检波器入端2脚，经过检波器检测出的直流信号经监控单元的处理变为整机的输出功率与反射功率状态信息；温度传感器将采集到的机箱内温度信息输出至监控单元；监控单元同时对输出功率的状态信息和机箱内的温度信息进行监控，实现整机的自动增益控制、自动电平控制，监控单元同时对反射功率的状态信息、机箱内的温度信息和对模块电源的控制进行处理，最终实现整机功放的过反射保护和过温保护，监控单元出入端6脚与外部端口C通过串口总线连接实现外部对功放的控制，模块电源入端4脚与外部220V交流电源端口连接实现整机的供电，模块电源出端1脚+V、出端2脚-V电压端给各部件供电。

该Ka频段固态功率放大器设备，其特征在于：固态功放模块由功率三分路器、功率放大器A、功率放大器B、功率放大器C、功率三合路器组成，功率放大器A、功率放大器B、功率放大器C相同均由四路功率单片经波导T型结和波导分支线耦合器组成的四路功率合成网络进行功率合成。电平控制单元出端2脚与驱动放大器入端1脚连接，驱动放大器出端2脚与功率三分路器入端1脚连接，功率三分路器出端2脚、3脚、4脚分别与功率放大器A入端1脚、功率放大器B入端1脚、功率放大器C入端1脚连接，放大器A出端2脚与功率三合路器入端1脚连接，功率放大器B出端2脚与功率三合路器入端2脚连接，功率放大器C出端2脚与功率三合路器入端3脚连接，功率三合路器出端4脚与输出耦合器入端1脚连接。

功率放大器A、功率放大器B、功率放大器C由四路功率分配器、四路功率合成器、第一至第四固态功率单片、第一至第八电阻、电容C1、电容C2组成；四路功率分配器入端1与三路功率分配器的出端连接，四路功率合成器出端与三路功率合成器入端连接，四路功率分配器出端2、3、4、5通过波导-微带过渡结构分别与第一至第四固态功率单片的各入端1一一对应连接，第一至第四固态功率单片的各出端2通过微带-波导过渡分别与四路功率合成器入端1、2、3、4一一对应连接，第一至第四固态功率单片入端3脚分别与电阻R1、电阻R2，电阻R3、电阻R4，电阻R5、电阻R6，电阻R7、电阻R8中间点连接，电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8另一端与电压-V端连接，电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8另一端接地端，第一至第四固态功率单片入端4脚与电压+V连接；

Ka频段信号经四路功率分配器后，信号等幅度地分为四份，四路功率分配器输出的各路Ka频段信号分别进入第一至第四固态功率单片，四路经过功率放大的Ka频段信号通过四路功率合成器进行功率合成输出至三路功率合成器的输入端，第一至第八电阻用于实现对第一至第四固态功率单片栅极的偏置，电容C1，电容C2是栅极偏置电压的旁路滤波电容，电压+V分别对第一至第四固态功率单片供电。

该Ka频段固态功率放大器设备特征还在于：监控单元由模数变换器A、模数变换器B、接口电路、数模变换器、微处理器组成；其中模数变换器A入端1脚与检波器出端4脚连接，模数变换器A出端2脚与微处理器入端6脚连接；模数变换器B入端1脚与检波器出端3脚连接，模数变换器B出端2脚与微处理器入端1脚连接；微处理器入端2脚与温度传感器出端1脚连接，微处理器出端3脚与数模变换器入端1脚连接，微处理器出端4脚与电平控制单元内数控衰减器入端3脚连接，微处理器出入端5脚与接口电路出入端1脚连接，接口电路出入端2脚与外部端口C连接，数模变换器出端2脚与电平控制单元内压控衰减器入端4脚连接；

模数变换器A、模数变换器B将检波器输出的模拟电压经过A/D采样转变为数字信号提供给微处理器识别，数模变换器将微处理器输出的数字信号转变为模拟信号以控制电平控制单元内压控衰减器的衰减量；接口电路与外部建立串口通信并与微处理器连接，用于接收外部监控设备的检测和控制；微处理器对输入的信号进行检测并及时按照优先级顺序进行处理，实现功率监测、输出驻波及电平监测、温度监测、增益控制和远程通信。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1.本发明固态功放模块(103)通过空间功率合成技术实现了十二路Ka频段信号的功率合成，该项合成技术具有损耗低的优点，可以最大限度地利用功放管的输出功率；功率三分路器(301)、功率三合路器(305)分别采用了T型波导三分路结构和分支线形式的三合路器，这两种结构的优化组合既能够满足各个功率合成支路的相位一致性又能提高功率合成的可靠性和输出端口的驻波。各个四路功率合成模块采用了波导T型结功率分配/合成器和3dB分支线波导功率分配/合成器级联的方式，3dB分支线技术增加了各路信号之间的隔离度，当一路器件损毁时不会影响其它分支路的正常工作，其结果只是降低了固态功放模块的输出功率，但却不会对通信传输造成中断，提高了系统的工作可靠性。

2.本发明监控单元(106)采用微处理器芯片提高了设备的集成化程度，通过电平控制单元(101)可以方便地对链路增益进行调整，同时该单元还通过模数变换器A(318)、模数变换器B(319)以及温度传感器(107)实时采集设备各部分的工作参数进行及时处理，实现了控制和保护功能，可有效避免因使用不当或设备自身部分器件损毁而对设备造成的进一步伤害。

3.本发明结构简单、紧凑，整机调试工作量小，性能稳定可靠，能够在恶劣环境(-40℃～55℃)条件下正常工作，性价比高，具有推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的电原理方框图。

图2是本发明Ka频段功率放大器的模型图，其中，(1)为波导同轴转换，(2)为驱动放大器，(3)为波导隔离器，(4)为高通滤波器，(5)为三分路功率分配器，(6)(7)(8)为四路功率合成模块，(9)为三路功率合成器，(10)为输出耦合器。

图3是本发明固态功放模块的模型图。

图4是本发明固态功放模块的电原理方框图。

图5是本发明功率放大器B的电原理方框图。

图6是本发明监控单元(106)的电原理方框图。

具体实施方式

参照图1至图6，本发明由电平控制单元101、驱动放大器102、固态功放模块103、输出耦合器104、检波器105、监控单元106、温度传感器107、模块电源108组成。图1是本发明的原理方框图，实施例按图1连接线路，本发明电平控制单元101入端1脚通过低损耗同轴电缆与外部端口A连接，实现Ka频段信号输入，入端3脚通过数据线与监控单元106出端5脚连接，可根据系统要求实现设备自身增益的调整，电平控制单元101内数控衰减器采用市售TGATT2931-30衰减器制作。入端4脚与监控单元106出端4脚连接，其作用一是根据温度变化通过监控单元106的控制实现传输信道的增益稳定性，二是在ALC状态下根据输出功率变化情况通过监控单元106的控制实现输出功率的自动校准，电平控制单元101内压控衰减器采用市售AMMC6650衰减器制作，出端2脚通过低损耗同轴电缆与驱动放大器102入端1脚连接，驱动放大器102出端2脚通过高通滤波器与固态功放模块103入端1脚连接。固态功放模块103出端2脚与输出耦合器104入端1脚连接，输出耦合器104出端2脚通过WR34波导与外部端口B连接，实现功率放大信号的输出，检波器105出端3脚与监控单元106入端2脚连接，其作用是实现前向功率传输信号的定向耦合检波，出端4脚与监控单元106入端3脚连接，其作用是实现反向功率传输信号的定向耦合检波，正、反向检波直流输出经过监控单元106处理后可以得到正确的前向输出功率和反射功率，可以实现输出功率、驻波的检测，输出耦合器104采用市售HD-260W+3C4030S制作，检波器105采用市售DT206-1制作。温度传感器107安装在固态功放模块103的侧壁，其作用是实时探测固态功放模块103的工作温度并传送到监控单元106入端1脚，实施例采用市售DALLAS公司的18B20制作。模块电源108提供各级部件直流工作电压，实施例采用市售开关电源GYZ765-220M6.7N1制作，其输出+V电压为+6.7伏、输出-V电压为-5伏，模块电源108入端3脚可接受监控单元106的控制，在非正常情况下关断输出电压，实现自我保护功能。

本发明驱动放大器102由小信号放大器、驱动放大器组成，实施例采用AMMC5040和TGA4905制作。固态功放模块103由功率三分路器301、功率放大器A302、功率放大器B303、功率放大器C304、功率三合路器305、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、电容C1、C2组成，功率三分路器(301)出端2脚、3脚、4脚分别与功率放大器A302入端1脚、功率放大器B303入端1脚、功率放大器C304入端1脚连接，功率放大器A302、功率放大器B303、功率放大器C304结构形式完全相同均由四个功率单片组成，功率放大器A302出端2脚与功率三合路器305入端1脚连接，功率放大器B303出端2脚与功率三合路器305入端2脚连接，功率放大器C304出端2脚与功率三合路器305入端3脚连接，功率三合路器305出端5脚与输出耦合器104入端1脚连接。

四路功率合成模块的四路功率分配器306由波导T型结和波导分支线耦合器级联组成，四路功率合成器307同样由波导T型结和波导分支线耦合器级联组成，四路功率分配器306、四路功率合成器307、功率单片311、功率单片312、功率单片313、功率单片314、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8电容C1、C2组成四路功率合成模块。输入分支线波导耦合器、输出分支线波导耦合器采用相同的设计方案，结构对称，其作用是分别实现信号的低插损分路与合路以提高合成效率，实施例和功放盒体一起用铝合金进行加工，表面镀镍金。功率单片311、功率单片312、功率单片313、功率单片314采用相同的电路结构形式，各路放大器的入端3脚分别通过相同的分压电阻获得负压输入，入端4脚均与模块电源107输出+6.7V电压连接，各路放大器的作用均是提供功率增益，获得单管电路的最大输出功率，实施例每个功率单片各采用一只市售TGA4915制作。

本发明监控单元106由模数变换器A 318、模数变换器B 319、接口电路320、数模变换器321、微处理器317组成。模数变换器A 318、模数变换器B 319的作用是将输入的模拟电压经过A/D采用转变为数字信号提供给微处理器317识别，实施例均采用市售AD7908BRUZ制作。数模变换器321的作用是将微处理器317输出的数字信号转变为模拟信号以控制电平控制单元102内压控衰减器的衰减量，达到控制输出功率或本设备增益稳定性的要求，实施例采用市售AD5304ARM制作。接口电路320的作用是与外部建立串口通信，使得Ka频段固态功率放大器设备可以接收外部监控设备的检测和控制，实施例采用市售MAX1487制作。微处理器317的作用是对多种信号进行检测并及时按照优先级顺序进行处理，实现功率监测、输出驻波及电平监测、温度监测、增益控制、远程通信，实施例采用市售C8051023制作。

本发明简要工作原理如下：Ka频段固态功率放大器设备主要由电平控制单元101、驱动放大器102、固态功放模块103、输出耦合器104、检波器105、监控单元106、温度传感器107、电源模块108组成。输入信号首先经过电平控制单元101，通过监控单元106的控制实现整机的增益分配和对Ka频段信号进行动态调整以满足系统使用要求，其输出信号随后进入驱动放大器102，经驱动放大器放大输出的Ka频段信号进入固态功放模块103实现信号的功率放大以获得额定的输出功率，其输出再次进入输出耦合器104并输出到外部接口B端，检波器105实现传输信号的正、反向功率检测，在监控单元106的控制下，实现设备自身的控制和保护功能。

本发明的安装结构如下：把图1中电平控制单元101、驱动放大器102、固态功放模块103、输出耦合器104、检波器105、监控单元106、温度传感器107、电源模块108、共同安装在一个长×宽×高为400毫米×296毫米×183毫米密闭壳体内，Ka频段信号在不同部件之间的传输通过低损耗同轴电缆连接，控制信号通过软导线与监控单元连接，各微波部件都是屏蔽结构，可实现电磁信号的空间隔离，组装成本发明。

Claims (5)

1.一种Ka频段固态功率放大器，包括电平控制单元(101)、驱动放大器(102)、固态功放模块(103)、输出耦合(104)、检波器(105)、监控单元(106)、温度传感器(107)和模块电源(108)，其特征在于：电平控制单元(101)入端1脚与外部Ka频段入端口A连接，电平控制单元(101)出端2脚与驱动放大器(102)入端1脚连接，电平控制单元(101)控制入端3脚与监控单元(106)出端5脚连接，电平控制单元(101)入端4脚与监控单元(106)出端4脚连接；驱动放大器(102)出端2脚与固态功放模块(103)入端1脚连接；固态功放模块(103)出端2脚与输出耦合器(104)入端1脚连接；输出耦合器(104)出端3脚与检波器(105)入端1脚连接，输出耦合器(104)出端4脚与检波器(105)入端2脚连接，输出耦合器(104)出端2脚与功放输出端口B连接；监控单元(106)入端2脚与检波器(105)出端3脚连接，监控单元(106)入端3脚与检波器(105)出端4脚连接，监控单元(106)入端1脚与温度传感器(107)出端1脚连接，监控单元(106)出端7脚与模块电源(108)入端3脚连接，监控单元(106)出入端6脚与功放控制端口C连接；模块电源(108)入端4脚与外部220V交流电源端口连接，模块电源(107)出端1脚+V、出端2脚-V电压端与各部件相应电源端并接；

Ka频段信号通过外部Ka频段入端口A进入电平控制单元(101)入端1脚，电平控制单元(101)内数控衰减器和压控衰减器在监控单元(106)的控制下以实现对Ka频段信号经过电平控制单元(101)时增益的调整，经过增益调整以后的信号进入驱动放大器(102)，驱动放大器(102)对信号进行放大，经过驱动放大器放大的信号进入固态功放模块(103)，固态功放模块(103)用以实现功率放大，经过功率放大的信号通过输出耦合器(104)输出；输出耦合器(104)反向耦合输出信号进入检波器(105)入端1脚，输出耦合器(104)正向耦合输出信号进入检波器(105)入端2脚，经过检波器(105)检测出的直流信号经监控单元(106)的处理变为整机的输出功率与反射功率状态信息；温度传感器(107)将采集到的机箱内温度信息输出至监控单元(106)；监控单元(106)同时对输出功率的状态信息和机箱内的温度信息进行监控，实现整机的自动增益控制、自动电平控制，监控单元(106)同时对反射功率的状态信息、机箱内的温度信息和对模块电源(108)的控制进行处理，最终实现整机功放的过反射保护和过温保护，监控单元(106)出入端6脚与外部端口C通过串口总线连接实现外部对功放的控制，模块电源(108)入端4脚与外部220V交流电源端口连接实现整机的供电，模块电源(108)出端1脚+V、出端2脚-V电压端给各部件供电。

2.根据权利要求1所述的一种Ka频段固态功率放大器，其特征在于：所述的固态功放模块(103)由功率三分路器(301)、功率放大器A(302)、功率放大器B(303)、功率放大器C(304)和功率三合路器(305)组成；驱动放大器(102)出端2脚与功率三分路器(301)入端1脚连接，功率三分路器(301)出端2脚、3脚、4脚分别与功率放大器A(302)入端1脚、功率放大器B(303)入端1脚、功率放大器C(304)入端1脚一一对应连接；放大器A(302)出端2脚与功率三合路器(305)入端1脚连接，功率放大器B(303)出端2脚与功率三合路器(305)入端2脚连接，功率放大器C(304)出端2脚与功率三合路器(305)入端3脚连接；功率三合路器(305)出端4脚与输出耦合器(104)入端1脚连接；

驱动放大器(102)将放大后的Ka频段信号输出至功率三分路器(301)，功率三分路器(301)实现信号的三等功率分配分别进入功率放大器A(302)、功率放大器B(303)、功率放大器C(304)，经过三个功率放大器A(302)、功率放大器B(303)、功率放大器C(304)放大以后的Ka频段信号通过功率三合路器(305)进行合路并输出至输出耦合器(104)。

3.根据权利要求2所述的一种Ka频段固态功率放大器，其特征在于：所述的功率放大器B(303)由四路功率分配器(306)、四路功率合成器(307)、第一至第四固态功率单片(311至314)、第一至第八电阻(R1至R8)、电容C1、电容C2组成；四路功率分配器(306)入端1与三路功率分配器(301)的出端连接，四路功率合成器(307)出端与三路功率合成器(305)入端连接，四路功率分配器(306)出端2、3、4、5通过波导-微带过渡结构分别与第一至第四固态功率单片(311至314)的各入端1一一对应连接，第一至第四固态功率单片(311至314)的各出端2通过微带-波导过渡分别与四路功率合成器(307)入端1、2、3、4一一对应连接，第一至第四固态功率单片(311至314)入端3脚分别与电阻R1、电阻R2，电阻R3、电阻R4，电阻R5、电阻R6，电阻R7、电阻R8中间点连接，电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8另一端与电压-V端连接，电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8另一端接地端，第一至第四固态功率单片(311至314)入端4脚与电压+V连接；

Ka频段信号经四路功率分配器(306)后，信号等幅度地分为四份，四路功率分配器(306)输出的各路Ka频段信号分别进入第一至第四固态功率单片(311至314)，四路经过功率放大的Ka频段信号通过四路功率合成器(307)进行功率合成输出至三路功率合成器(305)的输入端，第一至第八电阻(R1至R8)用于实现对第一至第四固态功率单片(311至314)栅极的偏置，电容C1，电容C2是栅极偏置电压的旁路滤波电容，电压+V分别对第一至第四固态功率单片(311至314)供电。

4.根据权利要求2或3所述的一种Ka频段固态功率放大器，其特征在于：所述的功率放大器A(302)、功率放大器B(303)和功率放大器C(304)的结构相同。

5.根据权利要求1或2所述的一种Ka频段固态功率放大器，其特征在于：监控单元(106)由模数变换器A(318)、模数变换器B(319)、接口电路(320)、数模变换器(321)、微处理器(317)组成；其中模数变换器A(318)入端1脚与检波器(105)出端4脚连接，模数变换器A(318)出端2脚与微处理器(317)入端6脚连接；模数变换器B(319)入端1脚与检波器(105)出端3脚连接，模数变换器B(319)出端2脚与微处理器(317)入端1脚连接；微处理器(317)入端2脚与温度传感器(107)出端1脚连接，微处理器(317)出端3脚与数模变换器(321)入端1脚连接，微处理器(317)出端4脚与电平控制单元(101)内数控衰减器入端3脚连接，微处理器(317)出入端5脚与接口电路(320)出入端1脚连接，接口电路(320)出入端2脚与外部端口C连接，数模变换器(321)出端2脚与电平控制单元(101)内压控衰减器入端4脚连接；

模数变换器A(318)、模数变换器B(319)将检波器(105)输出的模拟电压经过A／D采样转变为数字信号提供给微处理器(317)识别，数模变换器(321)将微处理器(317)输出的数字信号转变为模拟信号以控制电平控制单元(101)内压控衰减器的衰减量；接口电路(320)与外部建立串口通信并与微处理器(317)连接，用于接收外部监控设备的检测和控制；微处理器(317)对输入的信号进行检测并及时按照优先级顺序进行处理，实现功率监测、输出驻波及电平监测、温度监测、增益控制和远程通信。

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