CN104917470A - 一种宽带高功率功放模块 - Google Patents

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Abstract

一种宽带高功率功放模块，属于微波技术领域。选用两级放大芯片实现增益放大和功率输出，采用两级电调衰减芯片增加调节动态范围，采用检波芯片实现检波电压输出；芯片全部为宽带器件，可以覆盖7GHz-9GHz频率范围；芯片之间增加固定衰减器芯片改善级间匹配性能；另外，为避开腔体谐振带来的放大器自激效应，须选用内腔尺寸较小的管壳。由于模块内集成的器件较多，低频引针较多，选用微带型管壳满足应用要求。

Description

一种宽带高功率功放模块
技术领域
本发明涉及一种宽带高功率功放模块，属于微波技术领域。主要用于星载X频段固态功率放大器前级驱动放大和增益控制。
背景技术
随着我国卫星有效载荷水平不断提高，有效载荷朝着小型化方向发展，作为星上载荷典型部件的固态放大器具有用量不断增大，需求不断提高，典型的数据传输系统带宽从小于300MHz拓宽到接近1GHz，而且未来还有逐步提高的趋势。
高功率固态放大器由多级放大电路级联而成，在传统的设计方法中，前级放大电路一般由分立放大器件搭配偏置电路、阻抗匹配、调谐电路来实现；该方法由于器件阻抗特性很难做到宽带放大，对于不同工作频带要单独调谐，通用性不强，而且集成度低，占用体积、重量指标也较多。亟需采用新的涉及技术，瞄准轻型化、小型化、集成化的设计目标进行改进。。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽带高功率功放模块。
本发明采用的技术方案为：
一种宽带高功率功放模块，包括：第一衰减器ATT1、第二衰减器ATT2、第三衰减器ATT3、第四衰减器ATT4、第五衰减器ATT5、第一可调衰减器A1、第二可调衰减器A2、第一放大器AMP1、第二放大器AMP2和检波器DET；
外部射频信号进入第一衰减器ATT1中进行2dB衰减，衰减后的信号送入第一可调衰减器A1进行增益调节，使得增益减小，之后再经过第二衰减器ATT2进一步衰减以增加第一放大器AMP1的稳定性；第二衰减器ATT2的输出信号通过第一放大器AMP1进行放大，放大后的信号依次通过第三衰减器ATT3、第二可调衰减器A2和第四衰减器ATT4进行2dB衰减、增益调节和再次衰减后进入第二放大器AMP2进行进一步放大，再经过第五衰减器ATT5进行2dB衰减后，最终经过检波器DET进行功率检波后输出。
所述第一放大器AMP1为低噪声放大器，频率范围6～10GHz，增益20dB，P-1:+8dBm，噪声系数1.3dB，驻波1.3。
所述第二放大器AMP2：频率范围5～12GHz，增益22dB，P-1:+20dBm。
所述宽带高功率功放模块选取内腔尺寸为11.4mmX4.3mm的微波管壳进行封装。
所述第一可调衰减器A1和第二可调衰减器A2：频率范围DC～10GHz，增益调节范围：-2～-18dB
本发明与现有技术相比的优点在于：
1).避免分立器件的使用，能大幅减小微波电路的体积和重量；
2).由于选用芯片均为宽带器件(工作频率覆盖7GHz～9GHz)，本发明实现了宽达2GHz的带宽设计，基本覆盖星用X频段工作频率范围，对现有星载数传系统甚至是下一代高速数传模式应用都具有前瞻性意义；
3).传统的增益调节电路由分立器件结合匹配电路来实现，常用的平衡式衰减器在X频段调节范围约8dB，本发明实现了高度可调节增益范围(20dB)。
附图说明
图1是本发明模块原理框图；
图2是选用的管壳结构示意图；
图3是模块增益曲线仿真结果。
图4是模块实测曲线(增益、驻波)。
具体实施方式
本发明重点针对三个方面进行创新：
1.在不影响原有电路功能的情况下，将电路形式从分立器件电路改为集成设计，减小了体积、重量以及调试工作量；
2.针对日益增加的星上数据传输系统带宽需求，在前级模块集成过程中实现宽达2GHz的带宽范围(工作频率范围7GHz～9GHz)；
3.提高了增益调节动态范围(高达20dB)。
本发明选用两级放大芯片实现增益放大和功率输出，采用两级电调衰减芯片增加调节动态范围，采用检波芯片实现检波电压输出；芯片全部为宽带器件，可以覆盖7GHz～9GHz频率范围；芯片之间增加固定衰减器芯片改善级间匹配性能。功放模块原理图如图1所示，包括：第一衰减器ATT1、第二衰减器ATT2、第三衰减器ATT3、第四衰减器ATT4、第五衰减器ATT5、第一可调衰减器A1、第二可调衰减器A2、第一放大器AMP1、第二放大器AMP2和检波器DET；
外部射频信号进入第一衰减器ATT1中进行2dB衰减，衰减后的信号送入第一可调衰减器A1进行增益调节，使得增益减小，之后再经过第二衰减器ATT2进一步衰减以增加第一放大器AMP1的稳定性；第二衰减器ATT2的输出信号通过第一放大器AMP1进行放大，放大后的信号依次通过第三衰减器ATT3、第二可调衰减器A2和第四衰减器ATT4进行2dB衰减、增益调节和再次衰减后进入第二放大器AMP2进行进一步放大，再经过第五衰减器ATT5进行2dB衰减后，最终经过检波器DET进行功率检波后输出。
第一放大器AMP1为低噪声放大器，频率范围6～10GHz，增益20dB，P-1:+8dBm，噪声系数1.3dB，驻波1.3。第二放大器AMP2：频率范围5～12GHz，增益22dB，P-1:+20dBm。第一可调衰减器A1和第二可调衰减器A2：频率范围DC～10GHz，增益调节范围：-2～-18dB。
为避开腔体谐振带来的放大器自激效应，须选用内腔尺寸较小的管壳。由于模块内集成的器件较多，低频引针较多，选用微带型管壳满足应用要求。方案中选用的微带型管壳如图2所示。本发明宽带高功率功放模块选取内腔尺寸为11.4mmX4.3mm的微波管壳进行封装。另外，为获得更好的宽带特性，选用金丝作为模块内部键合材料。
本发明选用两级放大芯片实现增益放大和功率输出：前级放大器选用低噪声放大芯片，后级放大器选用P-1达20dBm的功率芯片；采用两级电调衰减芯片增加调节动态范围，采用检波芯片实现检波电压输出；芯片之间增加固定衰减器芯片改善级间匹配性能。
考虑到实际应用环境，为提高整机装配简洁度以及便利性，对芯片布局以及供电管脚选择进行了综合考虑。除放大器2(AMP2)供电管脚选择模块上方外，其余输入输出直流接口全部排布在模块下方。
下面为本发明宽带高功率功放模块的主要技术指标。
表1主要技术指标
性能参数 符号 单位 指标要求
频率范围 F GHz 7-9GHz
增益 G dB ≥25
小信号增益平坦度 Ripp dB 0.5dB500MHz
P-1输出功率 P-1 dBm ≥15
输入、输出驻波比 VSWR / ＜1.8
过激励保护能力 dB ＞20dB
工作电压 Vd V ＜8V
工作电流 Id mA 150mA
图3为本发明功放模块增益仿真曲线，图中m1和m2分别为7GHz和9GHz数据，仿真曲线表明，模块增益在7GHz～9GHz之间满足≥25dB的设计要求。
根据以上设计投产模块并装配。实际投产3只，测试数据如下：
宽带高功率功放模块实测数据(频率7-9GHz)
图4为其中一只模块实测数据，其中S11为驻波曲线，S21为增益曲线。从实测结果可以看出，模块实测性能与设计指标相符，且高低温下性能良好，不同样品之间一致性较好，满足工程化星载应用需求。

Claims (5)

1.一种宽带高功率功放模块，其特征在于包括：第一衰减器ATT1、第二衰减器ATT2、第三衰减器ATT3、第四衰减器ATT4、第五衰减器ATT5、第一可调衰减器A1、第二可调衰减器A2、第一放大器AMP1、第二放大器AMP2和检波器DET；
外部射频信号进入第一衰减器ATT1中进行2dB衰减，衰减后的信号送入第一可调衰减器A1进行增益调节，使得增益减小，之后再经过第二衰减器ATT2进一步衰减以增加第一放大器AMP1的稳定性；第二衰减器ATT2的输出信号通过第一放大器AMP1进行放大，放大后的信号依次通过第三衰减器ATT3、第二可调衰减器A2和第四衰减器ATT4进行2dB衰减、增益调节和再次衰减后进入第二放大器AMP2进行进一步放大，再经过第五衰减器ATT5进行2dB衰减后，最终经过检波器DET进行功率检波后输出。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高功率功放模块，其特征在于：所述第一放大器AMP1为低噪声放大器，频率范围6～10GHz，增益20dB，P-1:+8dBm，噪声系数1.3dB，驻波1.3。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高功率功放模块，其特征在于：所述第二放大器AMP2：频率范围5～12GHz，增益22dB，P-1:+20dBm。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高功率功放模块，其特征在于：所述宽带高功率功放模块选取内腔尺寸为11.4mmX4.3mm的微波管壳进行封装。
5.根据权利要求1所述的一种宽带高功率功放模块，其特征在于：所述第一可调衰减器A1和第二可调衰减器A2：频率范围DC～10GHz，增益调节范围：-2～-18dB。
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