CN103905004B - 一种用于导航测距的射频功率放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于导航测距的射频功率放大系统，将输入5dBm脉冲信号放大至500W，用于近距导航检测设备测距功能的校准，所述系统包括输入隔离器、大功率射频放大器、环形器、输出隔离器、限幅器、电源和射频开关；本发明的有益效果是功率高、稳定性和可靠性都非常好，可用于塔康模拟器和微波着陆系统。

Description

一种用于导航测距的射频功率放大系统

技术领域：

本发明属于无线电近距导航的技术范畴，具体涉及一种用于导航测距的射频功率放大系统。

背景技术：

塔康模拟器是定量模拟地面台的方位信息，检查、测试、校准塔康机载设备主要技术指标的专用设备，目前厂家的校准方法是采用“通用设备+机载标准塔康+检测仪”的方法进行，通用设备主要校准塔康模拟器的通用指标（频率、功率、电平、频谱等），机载标准塔康是为了校准专用指标（方位、距离），检测仪是用来提供一个脱离机上工作环境，为机载设备供电、控制工作状态、测试技术指标和输出测试结果等功能。这种“综合校准系统”溯源到进口的模拟器上（美国的DTS102）。这种方法存在的问题：整个溯源链基本上是1：1传递，不满足GJB5109的要求；另外，这种用“机载设备校准检测设备”的模式属于计量倒挂，最多只能是验证，不能称为校准。也有部分厂家购买了一整套美国进口装备作为计量标准，包括机载塔康DTS-200、地面设备（塔康模拟器FR-1401/1400、配套检测仪、精密测距模拟器PDME-200），计量时采用直接与进口模拟器进行比对的方法，指标稍优于1：1。

微波着陆系统（MLS）是新一代飞机精密引导着陆系统，为等待着陆的飞机提供方位、仰角和距离信息。它是一种工作在C波段的机上导出引导数据的自助式进场着陆系统，其引导精度是飞机安全着陆的关键因素。然而系统在工作的过程中，由于附近障碍物对电磁波的散射作用，会产生多路径效应，尤其当表面比较光滑时，多路径效应比较严重，使得机上接收到的微波信号发生变形，从而导致解算出的位置信息偏离实际飞机位置，降低了系统引导精度。而且，MLS系统对多路径干扰的影响比对现在正在使用的仪表着陆系统更为敏感，所以地面设备的测试尤为重要。

导航系统对于飞机飞行安全之重要性不言而喻，因此确保其检测设备性能指标始终受控对于飞机飞行安全和使用训练具有非常重要军事意义和经济价值。导航检测设备的参数种类多，范围广，调制复杂，尤其是大功率复杂调制信号的计量技术，更是国内目前一直没有攻克的难题。

发明内容：

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种射频功率放大系统，将输入5dBm脉冲信号放大至500W，用于近距导航检测设备测距功能的校准。

本发明提供一种用于导航测距的射频功率放大系统，将输入5dBm脉冲信号放大至500W，用于近距导航检测设备测距功能的校准，所述系统包括输入隔离器、大功率射频放大器、环形器、输出隔离器、限幅器、电源和射频开关；

进一步地，射频信号经过输入隔离器后，进入所述大功率射频放大电路，射频放大电路将信号放大到500W后经过输出隔离器输入到环形器，信号从环形器的输出端输出至限幅器，之后再进入射频开关后输出射频信号；

进一步地，所述电源为大功率射频放大电路和射频开关提供电压。

本发明的有益效果是：本发明的系统能将输入5dBm脉冲信号放大至500W，用于近距导航检测设备测距功能的校准，所述系统的功率高、稳定性和可靠性都非常好。

附图说明：

图1为本发明的放大系统的结构框图；

图2为本发明的射频放大电路结构框图；

图3为本发明的电源电路结构框图；

图4为本发明放大器系统的外形前面板；

图5为本发明放大器系统的外形后面板；

图6为本发明的塔康测距信号示意图。

具体实施方式：

以下内容将结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

为了实现精密测距功能的计量，需要研制L波段大功率脉冲功率放大器，L波段功率放大器以固态放大和宽带功率合成为技术特点的宽带线性放大器是通信对抗的关键技术。既使接收机的性能再好,能准确地跟踪瞄准敌方电台,但最终干扰效果的实现还须依赖于发射机发出的大功率信号来压制,其重要性不言而喻。

参见图1，本发明的射频功率放大系统由输入隔离器、大功率射频放大器（射频功率放大电路）、环形器、输出隔离器、限幅器、电源和射频开关组成。

参见图2，输入隔离器由功率分配器、功率耦合器和固定衰减器组成，主要是用来隔离干扰信号及匹配阻抗，射频信号经过输入隔离器后，进入功率放大电路，功率放大电路主要是将信号放大到500W，然后信号输入到环形器，环形器的主要功能是完成正反向传输光的分离，信号从环形器的输出端输出，输出隔离器是当功放模块输出端开路或断路时，大功率回波信号会对末级功率管造成破坏性伤害，对负载进行保护，限幅器是为了将塔康回波信号幅度降低至系统处理器平台（PXI）能够接收的范围，防止烧毁处理器。

所述射频功率放大电路包括增益温度补偿网络、放大链路、过温保护电路、调制脉冲检测与保护电路（脉冲宽度和占空比检测和保护电路）、输出功率检测电路；

其中放大链路由推动级、末前级、末级及合成器构成。推动级将5dBm的脉冲射频信号放大到25dBm，末前级功率管将25dBm的射频信号放大到40dBm，末级功率管将40dBm的射频信号放大到57dBm（500W）。末级功率管选用两个500W的LDMOS管合成，设计输出峰值功率1000W。输入输出加上隔离器，以改善驻波和保护功率管不受损坏。

放大链路的增益稳定性：首先通过查器件手册，计算放大链路在整个温区50℃（0℃~+50℃）内的增益变化值A（dB）；然后以常温增益作为基准，拟合出放大链路在整个工作温度内各个温度点的增益变化量，并将此信息（增益温度变化表）送入存储器；最后控制器会实时检测模块的壳温，依据存储器中的增益温度变化表，向衰减器发出衰减信息来实现增益稳定。实际衰减器的最小步进为0.25dB，常温插损值设置为3dB，温度升高可以把衰减值变小，温度降低，可以把衰减值变大，最终实现链路增益在一个小范围（±1dB）内变化。

所述功率放大电路还包括保护电路，整个功率放大电路的保护电路包括两部分，一部分是脉冲宽度和占空比检测和保护电路，负责脉冲宽度检测及占空比保持的电路，避免干扰或杂散信号影响占空比；另一部分是过温保护电路，当温度过高时，迫使放大器停止工作，以保护放大电路的安全。

所述功率放大电路还通过功率检测电路实现功率回读功能，具体实现方法是：输出端通过30dB定向耦合器耦合一部分功率（60dBm-30dB=30dBm），再通过输出功率检测电路进行峰值检波，得到模拟电压V_P，V_P再通过直流放大、A/D转换由显示屏实时显示功率，并可供控制接口读取（0~5V模拟电压）。功率回读的准确性主要取决于定向耦合器和峰值检波电路的频率响应。合理设计定向耦合器，保证耦合功率的平坦度≤0.5dB；合理选用检波器，保证工作频带内检波的平坦响应。这样可保证功率的准确性在0.5dB以内。

参见图3，电源由AC/DC（交直流变换模块）电源模块实现，电源模块将220V交流市电转换为50V直流电压为功率放大器及射频开关提供电源。功率放大器输出500W脉冲功率，按照效率50%计算，将需要20安培的峰值电流，这个电流将由电源模块和大电容充放电来实现。

具体地，电源模块包括以下部分：

a)AC-DC电源——完成220V～市电到50V直流电的转换；

b)储能电容——提供脉冲功放（功率放大器）的峰值电流；

c)电压检测与保护电路——对50V直流电进行检测，电压过高或过低功放都将被切断电源，处于休眠状态，直至恢复正常；

d)电流取样与保护电路——对功放的工作电流进行检测，如果工作电流超过阈值（有短路故障时），功放会被切断电源，处于休眠状态，直至恢复正常；

e)DC—DC降压电路——将50V直流电变换到内部使用的+5V电；

f)加电时序与控制电路——处理内部加电时序及各保护功能的电平；

g)脉冲开关电路（调栅）——为功放内部LDMOS管的栅极进行脉冲调制。

所有保护功能正常时，加电时序与控制电路会得到正常（高电平）指示，给功放正常上电，否则功放会被切断电源。

放大器组件结构外形，19英寸标准上架机箱，高度2~3U，深度≤600毫米。功率放大器前面板如图4所示。后面板如图5所示，后面板输入输出均采用N型接头母头。

本发明的宽频带大功率脉冲功率放大系统的研制有四个突破点：

1. 放大器器件的选择上存在很大困难，由于现有的器件不能覆盖如此宽的带宽，所以在选择器件上有很大的局限性。因此我们采用牺牲功率来拉宽器件带宽的方案，但调试出来非常困难，结合塔康信号的占空比，经过反复试验，最终选用了峰值功率约为2000W大功率管，设计了满足放大器带宽要求的合成方案。

塔康信号的占空比是指塔康信号中脉冲信号工作时间（存在脉冲信号）与总的信号周期的比值，占空比越大，峰值功率就越大，根据塔康信号特征计算，占空比最大为5%，如图6所示，图中为塔康测距信号，横坐标为时间，纵坐标为幅度，在0.001秒范围内，共有13个脉冲，每个脉冲宽度为3.5us，因此，该信号的占空比为3.5*13／1000=4.55%。占空比为4.55%。

2. 合成器的设计上也非常困难，市面上买到的合成器不能满足课题需求，需要定制专用的合成器，且考虑整体课题的重量和尺寸等工艺因素，需要进行反复论证，用专业ADS软件来进行仿真，Agilent公司推出的ADS软件以其强大的功能成为现今国内各大学和研究所使用最多的软件之一。然后靠精密加工工艺来实现仿真模型，在此过程中对合成器进行了模型和电路上进行修正，从而得到合适的合成器，以用于功率放大器末级和末前级功率合成。

合成器的设计过程主要包括：

计算功率合成器的分布参数，确定合成器设计指标；2、启动ADS软件搭建合成器原理图；3、仿真该原理图；4根据仿真结果调整原理图的设计参数，5仿真合格后，根据ADS软件生成的工艺要求进行制版。

该合成器加工工艺要求：H:基板厚度(0.8 mm)，Er:基板相对介电常数(4.3)，Mur:磁导率(1)，Cond:金属电导率(5.88E+7)，Hu:封装高度(1.0e+33 mm)，T:金属层厚度(0.03mm)，TanD:损耗角正切(1e-4)，Roungh:表面粗糙度(0 mm)。

3. 对主机回波保护上也存在很大的难度，因环形器对回波没有任何隔离，所以在回波口进行限幅保护。一方面要保证限幅器的插损足够小，同时要保证功率放大器在输出开路或有泄漏情况下能够将回波功率降低到开关能够承受的功率范围之内，所以限幅器的选择上我们采取了最大估计回波功率来选择限幅器，同时为了保证整个系统正常工作前提下对限幅器也采取了加入衰减器来进行保护限幅器。最大估计回波功率等于输出功率，即由于输出断路，所有输出功率全部反射回来。

4. 电源处理上即由AC转为DC，再由DC转为DC。因功率放大器的有效功率较大，所以在电源选择上也有很大的局限性。因为现有电源电流不能承受如此大的功率，要直接用大电流电源，体积过大，不符合要求，所以本发明采取了用电解电容来充电和放电的方法来解决电流不够的问题。由DC转为DC上也有所突破，因为电源输出+50V电压，所以现有的稳压器件不能满足如此宽的电压范围，所以我们本发明设计了专用DC/DC器件来解决这一问题。

5、所述放大系统实现了多重保护：

1)驻波保护；功放输入端加衰减网络改善驻波；输出端加隔离器改善驻波SWR：输入驻波：≤1.5；输出驻波：≤1.5；

2）过热保护；设计温度检测电路，实时检测功放壳温。当功放壳温大于末级功率管最高容许壳温时，要对功放模块进行断电处理，直至温度降至安全值重新恢复上电工作；

3）过压保护；设计电压检测电路，实时检测功放的电压，在功放异常时（如：内部短路），对功放模块进行断电处理；

4）过流保护；设计电流检测电路，实时检测功放的电流，在功放异常时（如：内部短路），对功放模块进行断电处理。

5）调制没冲脉冲宽度和占空比保护： 将输入到功放的射频调制信号进行取样，把调制脉冲信号取出来进行检测，看脉冲宽度和占空比是否符合要求，如果正常对功放进行上电，否则对功放模块进行断电处理，恢复工作需要重新上电。

其中第2、3、4、5项的工作状态可由显示屏显示，并可供控制接口读取；

本发明的功率放大系统的技术指标如下：

输入信号范围 ： 最大5dBm（脉冲）；输出信号功率： 500W（脉冲）信号类型：脉冲信号，载频为962MHz～1213MHz，带宽1MHz；

脉冲宽度：(3～5)μs，PRF：(200Hz～2KHz)；上升/下降时间：0.4μs/0.7μs；过冲/顶降；10%；

噪声系数：功放的噪声系数一般较高，10dB以内都可以接受；带内平坦度：±1dB；驻波比：优于1.3:1环形器技术指标要求：隔离度：>25dB；插入损耗：<1.5dB；驻波比：优于1.5:1；抗烧毁功率：考虑发射机全功率工作时的抗烧毁要求。

其中抗烧毁功率包括两方面含义：一个是环形器的抗烧毁能力，一个是接收机的抗烧毁能力，除了考虑环形器抗烧毁外（无源期间抗烧毁能力一般较强），更重要的是考虑接收机的抗烧毁（有增益，对大功率更敏感），环形器抗烧毁能力需要满足发射机全功率工作（即输出500W脉冲功率）要求，接收机的抗烧毁能力除需要满足发射机全功率工作时的（即输出500W脉冲功率）要求，还需要考虑对连续波的抗烧毁能力。

工作环境：温度：（0～50） ℃；相对湿度：50%～80% 存储环境：温度：（-45～60）℃；相对湿度：50%～80% 连续工作时间：>8小时；MTBF>1000小时；电源：220V/50Hz。

上述详细说明是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，上述实施方式并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围。

Claims (7)

1.一种用于导航测距的射频功率放大系统，其特征在于，所述系统将输入5dBm脉冲信号放大至500W，用于近距导航检测设备测距功能的校准，所述系统包括输入隔离器、大功率射频放大器、环形器、输出隔离器、限幅器、电源和射频开关；

所述大功率射频放大器包括增益温度补偿网络、放大链路、过温保护电路、调制脉冲检测与保护电路、输出功率检测电路；

射频信号经过输入隔离器后，进入所述大功率射频放大器，大功率射频放大器将信号放大到500W后经过输出隔离器输入到环形器，信号从环形器的输出端输出至限幅器，之后再进入射频开关后输出射频信号；

所述电源为大功率射频放大器和射频开关提供电压；

其中，放大链路由推动级、末前级、末级及合成器构成，所述合成器加工工艺要求是：基板厚度0.8mm，基板相对介电常数4.3，磁导率1，金属电导率5.88E+7，金属层厚度0.03mm，损耗角正切1e-4，表面粗糙度0mm。

2.根据权利要求1所述的放大系统，其特征在于，所述电源具体包括以下部分：

AC-DC电源，用于完成220V～市电到50V直流电转换；

储能电容，用于提供脉冲功放的峰值电流的储能电容；

电压检测与保护电路，用于对50V直流电进行检测，电压过高或过低功放都将被切断电源，处于休眠状态，直至恢复正常；

电流取样与保护电路，用于对功放的工作电流进行检测，如果工作电流超过阈值，功放会被切断电源，处于休眠状态，直至恢复正常；

DC—DC降压电路，用于将50V直流电变换到内部使用的+5V电；

加电时序与控制电路，用于处理内部加电时序及各保护功能的电平；

脉冲开关电路，用于为功放内部LDMOS管的栅极进行脉冲调制。

3.根据权利要求1所述的放大系统，其特征在于，所述输入隔离器由功率分配器、功率耦合器和固定衰减器组成。

4.根据权利要求1所述的放大系统，其特征在于，所述推动级将5dBm的脉冲射频信号放大到25dBm，所述末前级功率管将25dBm的射频信号放大到40dBm，所述末级功率管将40dBm的射频信号放大到57dBm，其中末级功率管选用两个500W的LDMOS管合成。

5.根据权利要求4所述的放大系统，其特征在于，所述放大链路的增益在一±1dB内变化，其中提高增益稳定性的方法是：通过查器件手册，计算放大链路在整个温区50℃内的增益变化值AdB；然后以常温增益作为基准，拟合出放大链路在整个工作温度内各个温度点的增益变化量，并将此增益温度变化表送入存储器；最后控制器会实时检测模块的壳温，依据存储器中的增益温度变化表，向衰减器发出衰减信息来实现增益稳定。

6.根据权利要求1所述的放大系统，其特征在于，所述大功率射频放大器还通过输出功率检测电路实现功率回读功能，具体实现方法是：输出端通过30dB定向耦合器耦合一部分功率，再通过输出功率检测电路进行峰值检波，得到模拟电压V_P，V_P再通过直流放大、A/D转换由显示屏实时显示功率，并可供控制接口读取。

7.根据权利要求1-6之一所述的放大系统，其特征在于，所述放大系统可用于塔康模拟器和微波着陆系统。