CN103675764A - 一种全固态多路合成微波功率雷达发射机 - Google Patents

一种全固态多路合成微波功率雷达发射机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全固态多路合成微波功率雷达发射机。该发射机包括功分器、至少两个功放模块、合成器和控制母板；所述功分器将发射机的输入信号均分为等幅同相的多路信号，并将该多路信号输入至各功放模块，每个功放模块接收到一个信号；所述功放模块对接收到的信号进行放大，将放大后的信号传输给合成器；所述合成器对多路放大后的信号进行功率合成，合成后的信号为发射机的输出信号；所述控制母板控制各功放模块工作。本发明的发射机能有效提高功放模块有故障的情况下的合成效率，同时具有全固态、双路放大合成、结构紧凑、采用高效率的GaN功率放大器、故障自适应等特征，满足设计要求。

Description

一种全固态多路合成微波功率雷达发射机
技术领域
本发明涉及雷达发射技术，特别是一种全固态多路合成微波功率雷达发射机。
背景技术
某型号雷达发射机要求输出连续波功率达到200W以上，而且要同时满足结构体积紧凑、效率高、频谱纯度高、可靠性高、具备各种自适应保护功能等要求。
目前，某些真空器件单管的输出功率能满足要求，但其体积较大，而且可靠性不高，传统的单管固态功率放大器输出的功率太小，不能满足设计要求。
发明内容
针对上述现有技术方案存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种全固态多路合成微波功率雷达发射机。
为此，本发明提供的全固态多路合成微波功率雷达发射机包括功分器、至少两个功放模块、合成器和控制母板；
所述功分器将发射机的输入信号均分为等幅同相的多路信号，并将该多路信号输入至各功放模块，每个功放模块接收到一个信号；
所述功放模块对接收到的信号进行放大，将放大后的信号传输给合成器；
所述合成器对多路放大后的信号进行功率合成，合成后的信号为发射机的输出信号；
所述控制母板控制各功放模块工作。
所述功放模块还对自身的工作情况进行检测，并依据检测结果向所述合成器发出驱动控制信号；所述合成器根据接收到的驱动控制信号对多路放大后的信号进行功率合成或者对多路放大后的信号中的部分信号进行功率合成，该部分信号是由未发生故障的功放模块输出。
所述功放模块包括信号放大电路和控制电路，所述信号放大电路对信号依次进行三级放大，经放大后的信号输入至合成器；所述控制电路对信号放大电路的功率、驻波、电压和电流进行检测并根据检测结果判断功放模块工作是否发生故障，并根据检测结果向合成器发出驱动控制信号；
所述合成器包括：
多个微波信号输入端：用于输入微波信号；
一个微波信号输出端：用于输出合成后的微波信号；
多个合成支路：多个合成支路并联，每个合成支路连接一微波信号输入端，每个合成支路上连接至少一个第一PIN二极管，所述第一PIN二极管的负极接地，正极与合成支路连接；
一个合成主路：多个合成支路并联后通过该合成主路与微波信号输出端连接，合成主路上连接一阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路包括第二PIN二极管和微带线，该第二PIN二极管的负极接地，正极通过微带线与合成主路连接；
一个多路驱动控制信号输入端：用于接收驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制合成支路的关断与开通，所述第一PIN二极管的正极连接一驱动控制信号；所述第二PIN二极管的正极连接一驱动控制信号。
所述信号放大电路包括依次电连接的带通滤波器、一级放大器、π型衰减网络、第二级放大器、隔离器和GaN功放，其中GaN功放与合成器的输入端连接。
所述控制电路包括第一FPGA芯片、电源检测模块、驻波功率检测模块和温度传感器，所述电源检测模块、驻波功率检测模块和温度传感器均与第一FPGA芯片的输入端连接，第一FPGA芯片的输出端与合成器的多路驱动控制信号输入端连接。
所述第一PIN二极管的正极与多个合成支路并联T型节的信号传输距离为四分之一波长；所述微带线的长度为四分之一波长；所述微带线与多个合成支路并联T型节的信号传输距离为四分之一波长。
所述合成支路上连接一个第一PIN二极管，所述第一PIN二极管与合成支路的连接点两边连接有隔直电容。
所述控制母板还可控制发射机在紧急情况下强制打开。
所述控制母板包括第二FPGA芯片、EMI滤波电路和隔离驱动电路，各功放模块和隔离驱动电路均与第二FPGA芯片连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明的多个功放模块完全相同的可以互换的模块，用来放大由功分器提供的输入信号到一定的功率后输出给合成器，同时和控制母板进行通讯。模块主要由信号放大部分和控制部分组成，信号放大部分采用了GaN功放，提高了效率；控制部分设计了故障检测和故障定位电路，提高了各模块的自适应能力和快速查找故障的能力。
（2）本发明发射机中合成器用来将多个功放模块提供的射频信号进行功率合成，然后输出，该合成器具有故障自适应功能，如果其中一路输入信号发生故障，则该合成器会自动切换内部的微波开关，使正常的输入信号无损耗的全部在合成器的输出端口输出，避免了正常信号传输给损坏端口，造成功率浪费，提高了合成效率。
（3）本发明发射机中的控制母板用来给多个功放模块下达各种控制指令并提供电源，同时把各功放模块上传的信息进行综合判断后上传到系统控制平台，紧急情况时还需要把发射机强制打开命令下达到各功放模块。
综上，本发明的发射机能有效提高功放模块有故障的情况下的合成效率，同时具有全固态、双路放大合成、结构紧凑、采用高效率的GaN功率放大器、故障自适应等特征，满足设计要求。
附图说明
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细解释说明。
图1为本发明发射机的电路原理参考框图，该图中n表示功放模块的个数，其取值为大于等于2的整数；
图2为本发明功放模块的电路原理参考框图；
图3为本发明合成器的工作原理参考框图；
图4为本发明合成器的电路原理参考框图；其中A点为各合成支路的T型结，B、C、D点均为合成支路中的PIN二极管的阳极，AA点为微带线与合成主路的连接点；
图5为本发明控制母板的电路原理参考框图；
图6为本发明功分器的电路原理参考框图。
具体实施方式
参见图1，本发明的全固态多路合成微波功率雷达发射机，由依次连接的功分器、多个功放模块、合成器及控制母板组成，其中，功分器连接有外部激励输入信号，合成器连接有外部射频输出信号。本发明的发射机中的激励信号输入功分器后被均分为多路等幅同相的信号，分别作为各功放模块的激励信号，功分后的激励信号经过相应功放模块内的功放链路放大到一定功率后传输给合成器进行功率合成，然后通过合成器输出口输出。
参见图6，本发明的功分器用来均分输入信号为等幅同相多路信号，然后分别提供给各功放模块作为各自的输入信号。它主要由威尔金森电路和隔离电阻组成。
参见图2，本发明的功放模块用来放大功分器提供的输入的信号，将信号放大到要求的功率后输出给合成器，并同时和控制母板进行通讯。每个功放模块由信号放大电路部分和控制电路部分两部分组成。其中：
信号放大电路部分：采用全固态设计。它由三级放大及无源器件组成，输入信号首先经过带通滤波器，该滤波器用于提高发射机杂散抑制度和发射频谱纯度，然后到达第一级放大器后进入压缩状态，这样，即使输入信号的幅度有所变换，其输出幅度仍保持不变，因为一级放大器没有放大带外噪声，而后面的π型衰减网络对信号和噪声一起衰减，所以经过π型衰减网络后的信号的信噪比得到了提高，有助于提高频谱纯度；第二级放大器属于驱动放大器，根据其稳定的输入信号，即可得到稳定的输出信号；在驱动功放和末级功放之间串联一个隔离器，用于避免微波信号前后串扰，引起自激振荡；末级功放采用新型GaN功放，该类功放效率达到50%-60%，传统的GaAs功放的效率只有30%-40%，并且GaN功放的输出功率比GaAs功放的输出功率要大很多，GaN功放的这两个优点就保证了该发射机的大功率、高效率的特征；被放大后的射频信号经过环形器输出，因为大功率的带线定向耦合器难以实现，故采用环形器代替定向耦合器来实现驻波检测。
控制电路部分：采用多功能自适应设计。它由供电电路、检测电路和控制芯片组成；供电电路中的EMI滤波和电源模块共同为微波部分提供稳定电源；检测电路包括驻波、功率、温度、电压、电流、风机等项目的检测，驻波检测通过串联在输出端的环形器和功率检测芯片完成，功率检测则通过在输出口的微带缝隙耦合一部分功率使之进入功率检测芯片来实现，温度检测是通过在末级功放附近放置一个温度传感器，该传感器实时向第一FPGA芯片传送二进制码温度值；电压、电流检测通过电源检测电路的相关比较器来实现，风机检测和电源检测的原理相同，各个检测项目均设计了故障定位电路，只要其检测值超过了预设值就报警、亮红灯，大大提高了模块的自适应能力和快速查找故障的能力；
本发明功放模块中的控制芯片可选用主要由FPGA芯片（为区分与控制母板中的芯片，功放模块中的控制芯片为表述为第一FPGA芯片）来完成，它负责搜集各检测电路的信息，若出现故障信号，第一FPGA芯片立即向电源模块发出关断电源的指令，并向合成器发出驱动控制信号，如当工作正常时，所述控制电路向合成器发出高电平，当发生故障时，所述控制电路向合成器发出低电平，使合成器内部的合成支路做出相应的动作。
本发明的合成器用来将多个功放模块提供的射频信号进行功率合成，然后输出。
参见图3和图4，本发明的合成器包括多个合成支路、合成主路和阻抗匹配电路；其中，每个合成支路和阻抗匹配电路均连接有功放模块控制的驱动控制信号，各合成支路的输出端连接阻抗匹配电路。
本发明的合成器在功放模块控制的驱动控制信号的作用下，通过改变合成支路的通、断状态，来达到提高合成效率的目的，功放模块控制的驱动控制信号为合成支路和阻抗匹配电路提供所需正、负电压，由微波电路的通、断变化引起的阻抗失配可以通过阻抗匹配电路来补偿。
本发明所述的驱动控制信号可以是由功放模块中的控制电路控制并发出的高、低电平，发射机工作正常时向合成器发出高电平，当发生故障时向合成器发出低电平。其中所述的高电平是指本领域公认的高电平，一般指3-5伏。本发明所述的低电平是本领域公认的低电平，一般指0.8伏以下。
参考图3，本发明的合成支路的功能除了输入微波信号外，还包括微波控制作用，各合成支路上连接的PIN二极管可根根据功放模块控制的驱动控制信号提供的正负电压,来关断和导通从合成器输入端到输出端之间的通道，从而提高合成效率。参考图4，各合成支路上连接有隔直电容和第一PIN二极管组成，其中，第一PIN二极管的负极接地，正极通过跳线与合成支路的传输线相连接，且各PIN二极管的正极连接有驱动控制信号。对于隔离度要求高的情况，每个合成支路连接有多个PIN二极管，且多个第一PIN二极管并联。
本发明的阻抗匹配电路根据驱动控制信号完成微波功率合成，其用来对在功放模块工作正常功率合成与部分功放模块出现故障功率合成时所产生的阻抗不连续性进行补偿，以达到最佳匹配状态。参考图4，它主要由微带线、隔直电容和第二PIN二极管构成。其中，第二PIN二极管的负极接地，正极通过跳线与微带线相连接，阻抗匹配电路中驱动控制信号的接入点为第二PIN二极管的正极。在实际焊接电路时，此处驱动控制信号的接入线位于第二PIN二极管正极与微带线之间，且接入点越靠近二极管的正极，电路工作的准确度越高。
结合图4所示对本发明的合成器工作原理进行解释说明。对于由隔直电容C1-1、C1-2、C2-1、C2-2和PIN二极管D1、D2以及阻抗匹配电路组成的合成器，其中：PIN二极管D1、D2的负极接地，PIN二极管D1的正极通过跳线连接到C1-1和C1-2之间的传输线上；PIN二极管D2的正极通过跳线连接到C2-1和C2-2之间的传输线上，C1-1、C1-2、C2-1、C2-2用来通过射频信号、隔离直流信号，D1、D2通过加正电压和负电压控制微波传输；
阻抗匹配电路由隔直电容C0和PIN二极管D0组成，其中，PIN二极管D0的负极接地，PIN二极管D0的正极通过跳线和微带线连接到C0和A点之间的传输线上；PIN二极管D0用来配合D1、D2做阻抗变换，C0用来通过射频信号、隔离直流信号。
其工作过程分为以下两种情况：
第一种，功放模块1和功放模块2工作正常，当功放模块控制的驱动控制信号在D1、D2的正极均加负电压时，D1和D2分别等效为一个连接到地的容值很小的电容CT串联一个寄生电感Ls，由于B点和C点到A点的传输线长均为四分之一波长，该两控制支路在A点的等效阻抗非常小，近似于短路，不影响支路的微波传输，也即支路1和支路2均处于导通状态，功放模块1和功放模块2的输出信号在合成器的输出端进行功率合成；
第二种，功放模块1出现故障，当功放模块控制的驱动控制信号在D1的正极加正电压，在D2的正极加负电压时，D1等效为一个连接到地的阻值很小的电阻Rs串联一个寄生电感Ls，D2等效为一个连接到地的容值很小的电容CT串联一个寄生电感Ls，根据传输线理论，此时合成支路1在A点的等效阻抗为非常大，近似为射频开路，合成支路2在A点的等效阻抗非常小，近似为射频短路，所以合成支路2的信号会完全到达合成器的输出端口，而不会传输到合成支路1，从而提高了合成效率。
阻抗匹配电路的工作过程分为以下两种情况：
第一种，功放模块1和功放模块2工作正常，当功放模块控制的驱动控制信号为D0提供正电压，D0等效为一个连接到地的阻值很小的电阻Rs串联一个寄生电感Ls，因D0到AA点的长度为四分之一波长，此时，阻抗匹配电路等效到AA点的阻抗非常大，近似为射频开路，也就是说，此时的阻抗匹配电路不起作用；
第二种，功放模块1出现故障，当功放模块控制的驱动控制信号为D0提供负电压时，D0等效为一个连接到地的容值很小的电容CT串联一个寄生电感Ls，D0阻抗匹配电路等效到AA点的阻抗为一个感抗，刚好补偿支路1关断、支路2导通引起的阻抗失配现象，从而使合成器输出端口阻抗达到匹配状态。
参见图1和5，为了实现与外部系统控制平台传输信号，更好的控制多个功放模块工作，本发明的发射机还包括一控制母板，控制母板连接有外部功放模块强制开关和系统电源及控制信号。控制母板用来给各功放模块下达开启、关断各种控制指令并提供电源，同时把各功放模块中控制电路综合判断后通过隔离驱动电路向控制母板上传的信息进行综合判断后上传到系统控制平台，紧急情况时还可以把功放模块强制打开命令下达到各功放模块，使该功放模块在出现轻微故障的同时，仍然输出功率，以满足战时需要。它主要由FPGA、EMI滤波、隔离驱动等电路组成。
实施例：
参考图1至图6，该实施例的雷达发射机由依次连接的功分器、功放模块1、功放模块2、合成器及控制母板组成，其中，功分器连接有外部激励输入信号，控制母板连接有外部功放模块强制开关和系统电源及控制信号，合成器连接有外部射频输出信号。
该实施例的功分器主要由威尔金森电路和隔离电阻组成。参考图6，阻值为100欧姆的隔离电阻焊接在威尔金森的两个桥臂之间，焊接点B和C到A点的长度均为四分之一波长。
功分器、功放模块1、功放模块2、合成器及控制母板之间的连接关系如下：功分器的两个输出端分别连接功放模块1和功放模块2的两个射频输入端，放模块1和功放模块2的两个射频输出端分别连接合成器的两个射频输入端，功放模块1和功放模块2的两个低频输入端连接控制母板输出端，同时功放模块1和功放模块2的故障信号连接到合成器低频输入端，其中，功分器输入端连接有外部激励输入信号，控制母板连接有外部功放模块强制开关信号和系统电源及控制信号。
工作时，外部激励信号输入功分器后被均分为两路等幅同相的信号，分别作为两个功放模块的激励信号，功分后的激励信号经过功放模块内的功放链路放大到一定功率后传输给具有故障自适应功能的合成器进行功率合成输出。合成器具有故障自适应功能，如果功放模块1发生故障，则合成支路1根据功放模块1上传的故障信号进行动作，使合成支路1在A点的等效阻抗为无穷大，近似于开路，则功放模块2的信号在到达A点后就不会往合成支路1处分配功率，而是全部传输到合成器输出口，避免造成功率浪费，提高了合成效率。

Claims (9)

1.一种全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，该雷达发射机包括功分器、至少两个功放模块、合成器和控制母板；
所述功分器将发射机的输入信号均分为等幅同相的多路信号，并将该多路信号输入至各功放模块，每个功放模块接收到一个信号；
所述功放模块对接收到的信号进行放大，将放大后的信号传输给合成器；
所述合成器对多路放大后的信号进行功率合成，合成后的信号为发射机的输出信号；
所述控制母板控制各功放模块工作。
2.如权利要求1所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述功放模块还对自身的工作情况进行检测，并依据检测结果向所述合成器发出驱动控制信号；所述合成器根据接收到的驱动控制信号对多路放大后的信号进行功率合成或者对多路放大后的信号中的部分信号进行功率合成，该部分信号是由未发生故障的功放模块输出。
3.如权利要求2所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述功放模块包括信号放大电路和控制电路，所述信号放大电路对信号依次进行三级放大，经放大后的信号输入至合成器；所述控制电路对信号放大电路的功率、驻波、电压和电流进行检测并根据检测结果判断功放模块工作是否发生故障，并根据检测结果向合成器发出驱动控制信号；
所述合成器包括：
多个微波信号输入端：用于输入微波信号；
一个微波信号输出端：用于输出合成后的微波信号；
多个合成支路：多个合成支路并联，每个合成支路连接一微波信号输入端，每个合成支路上连接至少一个第一PIN二极管，所述第一PIN二极管的负极接地，正极与合成支路连接；
一个合成主路：多个合成支路并联后通过该合成主路与微波信号输出端连接，合成主路上连接一阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路包括第二PIN二极管和微带线，该第二PIN二极管的负极接地，正极通过微带线与合成主路连接；
一个多路驱动控制信号输入端：用于接收驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制合成支路的关断与开通，所述第一PIN二极管的正极连接一驱动控制信号；所述第二PIN二极管的正极连接一驱动控制信号。
4.如权利要求3所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述信号放大电路包括依次电连接的带通滤波器、一级放大器、π型衰减网络、第二级放大器、隔离器和GaN功放，其中GaN功放与合成器的输入端连接。
5.如权利要求3或4所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述控制电路包括第一FPGA芯片、电源检测模块、驻波功率检测模块和温度传感器，所述电源检测模块、驻波功率检测模块和温度传感器均与第一FPGA芯片的输入端连接，第一FPGA芯片的输出端与合成器的多路驱动控制信号输入端连接。
6.如权利要求3所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述第一PIN二极管的正极与多个合成支路并联T型节的信号传输距离为四分之一波长；所述微带线的长度为四分之一波长；所述微带线与多个合成支路并联T型节的信号传输距离为四分之一波长。
7.如权利要求3所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述合成支路上连接一个第一PIN二极管，所述第一PIN二极管与合成支路的连接点两边连接有隔直电容。
8.如权利要求1所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述控制母板还可控制发射机在紧急情况下强制打开。
9.如权利要求1或8所述的全固态多路合成微波功率雷达发射机，其特征在于，所述控制母板包括第二FPGA芯片、EMI滤波电路和隔离驱动电路，各功放模块和隔离驱动电路均与第二FPGA芯片连接。
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