CN105119576B - 一种s频段连续波固态高功放装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种S频段连续波固态高功放装置，由S频段固态高功放A、S频段固态高功放B、开关切换单元和功率发射单元组成，开关切换单元包括同轴电动开关、波导电动开关及电动开关控制器，S频段固态高功放A和S频段固态高功放B的输入端分别连接同轴电动开关，S频段固态高功放A和S频段固态高功放B的输出端分别连接波导电动开关的一端，波导电动开关的另一端连接功率发射单元，电动开关控制器的输入端连接功率发射单元的输出端，电动开关控制器的输出端分别连接S频段固态高功放A和S频段固态高功放B。本发明具有瞬时带宽宽、免调谐、效率高、可靠性高、操作简单、寿命长、故障率低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域的固态功率放大器，尤其涉及一种S频段连续波固态高功放装置。
背景技术
目前，Ｓ频段高功放在通信系统中的需求迅速增加，现有的S频段高功放多采用进口CPI公司研制的速调管功放，其操作复杂、瞬时带宽窄、效率低、寿命短，整机输出功率P-1均≤1kW，不能满足用户高功率、宽频带的通信要求。此外，现有Ｓ频段高功放的功率合成器大多采用多级同轴（微带线）合成形式，其体积大、承受功率低、损耗高、效率低，谐波滤波器采用1/4、1/2波导波长膜片式滤波器，其结构尺寸大、损耗大、调试复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种S频段高功率连续波固态功率放大装置，克服了现有技术的缺陷，具有瞬时带宽宽、免调谐、效率高、可靠性高、操作简单、寿命长、故障率低等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种S频段连续波固态高功放装置，由S频段固态高功放A、S频段固态高功放B、开关切换单元和功率发射单元组成，所述开关切换单元包括同轴电动开关、波导电动开关及电动开关控制器，S频段固态高功放A和S频段固态高功放B均包括监控单元、功率分解单元、末级功放单元和功率合成单元，监控单元包括第一前置放大器、预放器、第一环形器、高频检波器和监控电路，第一前置放大器的输入端分别连接同轴电动开关，第一前置放大器的输出端通过预放器连接功率分解单元的输入端，功率分解单元的输出端依次连接末级功放单元和功率合成单元，功率合成单元的输出端连接第一环形器的输入端，第一环形器的输出端分别连接波导电动开关的一端，波导电动开关的另一端连接功率发射单元，第一环形器的输出端还经第一耦合器的正向、反向耦合端连接高频检波器的输入端，高频检波器的输出端连接监控电路的输入端，监控电路的输出端连接第一前置放大器，电动开关控制器的输入端连接功率发射单元的输出端，电动开关控制器的输出端分别连接S频段固态高功放A和S频段固态高功放B；
所述末级功放单元包括补偿电路、放大电路、控保电路及输出电路，补偿电路由温补电路和压控衰减器组成，温补电路的输入端通过移相器连接功率分解单元，温补电路的输出端通过压控衰减器连接放大电路，放大电路包括依次相连的第二前置放大器、中功率放大器和大功率放大器，大功率放大器的输出端通过第二环形器连接功率合成单元，第二环形器的输出端还依次通过第二耦合器、控保电路和输出电路连接监控电路，中功率放大器和大功率放大器的输出端还分别连接控保电路的输入端，控保电路由温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路以及保护电路组成，温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路的输出端分别连接保护电路的输入端，保护电路的输出端连接输出电路。
所述功率合成单元采用8路单级同轴功率合成器，功率合成器采用N型输入，IF70Q同轴输出，功率合成器内部由8个输入N型连接器、两个输入阻抗变换节、一个功率合成节、两个输出同轴阻抗变换节组成，每一路功率信号经输入N型连接器、输入阻抗变换节，在功率合成节上进行功率合成，并经输出同轴阻抗变换节输出。
所述功率发射单元包括依次相连的收阻滤波器、谐波滤波器、波导环形器和定向耦合器，波导环形器的输出端还连接电动开关控制器的输入端。
所述谐波滤波器采用两级低通滤波器迭加的形式，通带为S频段，阻带为通带4倍频,输入端、输出端以及两级滤波器之间通过两级1/4波导波长过渡实现输入输出匹配。
第一前置放大器为三级放大，在第一级放大之后设置有输入监视装置。
所述功率分解单元采用八分器。
所述监控电路还通过RS422接口连接外部控制器。
所述S频段固态高功放A和S频段固态高功放B上分别设置有风冷装置，波导电动开关的假负载端还通过第三耦合器连接合成器的第一输入端，功率发射单元中的定向耦合器的输出端连接合成器的第二输入端，合成器的输出端连接有输出监视装置。
本发明具有如下优点：
（1）功放的输出端采用有源线性对数型高频检波器，提高了功放输出功率准确性，末级功放模块采用多级固态放大器级联方式，放大器之间通过良好匹配电路实现输出功率P-1≥150W，具有幅度、相位可调功能，使末级功放模块输出功率具有优良的幅相一致性；
（2）功率合成单元采用8路单级同轴功率合成器，8个末级功放一次合成输出功率P-1≥1kW的连续波，合成器损耗低、功率容量高、合成效率高，提高了整机的可靠性；
（3）采用S频带新型波导滤波器，具有体积小、通带宽、插入损耗低、抑制带宽宽、谐波抑制度高等特点，为满足功放输出频谱纯度及多系统、多频段同时工作电磁兼容要求提供保障。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明所述S频段固态高功放A和/或S频段固态高功放B的原理图；
图3为本发明所述末级功放单元的原理图。
具体实施方式
如图1、图2及图3所示，本发明由S频段固态高功放A、S频段固态高功放B、开关切换单元和功率发射单元组成，开关切换单元包括同轴电动开关K1、波导电动开关K2及电动开关控制器，同轴电动开关K1分别连接S频段固态高功放A和S频段固态高功放B的输入端，S频段固态高功放A和S频段固态高功放B的输出端分别连接波导电动开关K2的一端，波导电动开关K2的另一端连接功率发射单元的输入端，电动开关控制器的输入端连接功率发射单元，电动开关控制器的输出端分别连接S频段固态高功放A和S频段固态高功放B，S频段连续波固态高功放装置可工作在分控或本控条件下，通过电动开关控制器选择S频段固态高功放A或S频段固态高功放B在线工作，S频段固态高功放A和S频段固态高功放B上分别设置有风冷装置，风冷装置采用低噪音直流风机，本发明上还设置有功率报警器，在功放装置输出功率给功率发射单元的状态下且输出功率超过100W时，报警器打开，提醒室外天线工作人员或室内无关人员离开。
射频小信号首先经过开关切换单元中的同轴电动开关K1，经同轴电动开关K1切换后选择送入S频段固态高功放A或S频段固态高功放B进行放大，放大后的信号经过开关切换单元中的波导电动开关K2，波导电动开关K2在实线位置时S频段固态高功放A的信号输入功率发射单元，电动开关K2在虚线位置时S频段固态高功放B的信号输入功率发射单元，然后经过功率发射单元将放大后的信号经天线发射出去。
S频段固态高功放A和S频段固态高功放B均包括监控单元、功率分解单元、末级功放单元和功率合成单元，监控单元包括第一前置放大器、预放器、第一环形器、高频检波器和监控电路，第一前置放大器为三级放大，在第一级放大之后设置有输入监视装置，用于检测是否有信号输入及输入信号的幅度，第一前置放大器的输入端连接同轴电动开关K1，第一前置放大器的输出端通过预放器连接功率分解单元的输入端，功率分解单元采用八分器，八分器的输出端依次连接末级功放单元和功率合成单元，功率合成单元的输出端连接第一环形器的输入端，第一环形器的输出端连接波导电动开关K2，第一环形器的输出端还经第一耦合器的正向、反向耦合端连接高频检波器的输入端，高频检波器采用有源线性对数型高频检波器，将高频信号转化为直流信号，之后将直流信号输入监控电路，作为输出功率以及功率合成后反射功率指示，在监控电路中设置有ALC控制器，ALC控制器在闭环时，监控电路实时检测高频检波器的输出功率随温度的变化特性，监控电路中还设置有模拟电调衰减器，可以对输出功率进行补偿，以保证输出功率的稳定性，监控电路的输出端连接第一前置放大器，监控电路的输出端还通过RS422接口连接外部控制器，实现对外信息交换。监控电路还依次通过电源滤波器和交流接触器连接电源。
功率合成单元采用8路单级同轴功率合成器，功率合成器采用N型输入，IF70Q同轴输出，功率合成器内部由8个输入N型连接器、两个输入阻抗变换节、一个功率合成节、两个输出同轴阻抗变换节组成，每一路功率信号经输入N型连接器、输入阻抗变换节，在功率合成节上进行功率合成，并经输出同轴阻抗变换节输出。8路单级同轴功率合成器具有体积小、损耗低、功率容高量、合成效率高、优良的幅相一致性等特点，同时该种功率合成器具有进一步扩展的优势，即根据需求可设计为8路以上的功率合成器。
射频小信号首先经过第一前置放大器和预放器进行中功率放大，放大后的信号输送至八分器，将信号分成八个相等的功率分量，然后输入末级功放单元，末级功放单元将信号放大到150W以上，然后将幅、相一致的8路150W信号输送至功率合成器，功率合成器将8路信号进行功率合成，然后将合成的信号输入波导电控开关K2，再经功率发射单元发射出去。
末级功放单元包括补偿电路、放大电路、控保电路及输出电路，补偿电路由温补电路及压控衰减器组成，温补电路的输入端通过移相器连接八分器，温补电路的输出端通过压控衰减器连接放大电路，放大电路包括依次相连的第二前置放大器、中功率放大器和大功率放大器，大功率放大器的输出端通过第二环形器连接功率合成器，第二环形器的输出端还设置有第二耦合器，第二耦合器的输出端依次通过控保电路和输出电路连接监控电路，中功率放大器和大功率放大器的输出端还分别连接控保电路，控保电路由温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路以及保护电路组成，温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路的输出端分别连接保护电路的输入端，保护电路的输出端连接输出电路，第二耦合器的输出电流及大功率放大器的输出电流为温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路提供实时直流数据，末级功放采用AC/DC转换模块供电。
八分器的输出信号经移相器、温补电路及压控衰减器进入第二前置放大器、中功率放大器、大功率放大器进行放大，然后经第二环形器输出给合成器。移相器可以保证8路功率信号在合成时的相位一致，温补电路可以保证末级功放的温度恒定，压控衰减器使信号保持稳定；中功率放大器输出功率P-1≥40dBm，增益≥25dB，具有增益高，效率高等优点，大功率放大器采用AB类放大器，输出功率≥150W，增益约15dB，效率大于40%，可靠性高；控保电路采集各传感器送来的直流信号，判断是否超出元器件的使用条件，并控制功率管的栅极电压，控制LDMOS管的栅极电压的通断，可以快速保护大功率管的安全；输出电路放大采集的直流信号，向监控电路提供输出功率，工作电流、温度等模拟量。
功率发射单元包括依次相连的收阻滤波器、谐波滤波器、波导环形器和定向耦合器，收阻滤波器和谐波滤波器用于滤除高功放输出的谐波及接收带内的噪声，反向耦合检测天线的反射，天线反射功率被波导环形器吸收以防止损坏功放，波导环形器的输出端还连接电动开关控制器的输入端。谐波滤波器采用两级低通滤波器迭加的形式，通带为S频段，阻带为通带4倍频,输入端、输出端以及两级滤波器之间通过两级1/4波导波长过渡实现输入输出匹配，具有结构紧凑，体积小，承受功率高，输入、输出端反射损耗小，宽通带、宽抑制带等特点。
波导电动开关K2的假负载端还通过第三耦合器连接合成器的第一输入端，功率发射单元中的定向耦合器的输出端连接合成器的第二输入端，合成器的输出端连接有输出监视装置，在卫星接收机或功率发射单元未接收到上行信号时，输出监视装置可实时监测是功放输出故障还是其他设备出现故障。
表1为本发明的技术指标测试结果。
表1
表1表明，S频段连续波固态高功放装置具有相对带宽宽、效率高、可靠性高、控制方便等特点，对于提高航天与卫星测控的效率及可靠性，降低成本，开拓卫星的应用具有重要意义。
Claims (8)
1.一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：由S频段固态高功放A、S频段固态高功放B、开关切换单元和功率发射单元组成，所述开关切换单元包括同轴电动开关、波导电动开关及电动开关控制器，S频段固态高功放A和S频段固态高功放B均包括监控单元、功率分解单元、末级功放单元和功率合成单元，监控单元包括第一前置放大器、预放器、第一环形器、高频检波器和监控电路，第一前置放大器的输入端分别连接同轴电动开关，第一前置放大器的输出端通过预放器连接功率分解单元的输入端，功率分解单元的输出端依次连接末级功放单元和功率合成单元，功率合成单元的输出端连接第一环形器的输入端，第一环形器的输出端分别连接波导电动开关的一端，波导电动开关的另一端连接功率发射单元，第一环形器的输出端还经第一耦合器的正向、反向耦合端连接高频检波器的输入端，高频检波器的输出端连接监控电路的输入端，监控电路的输出端连接第一前置放大器，电动开关控制器的输入端连接功率发射单元的输出端，电动开关控制器的输出端分别连接S频段固态高功放A和S频段固态高功放B；
所述末级功放单元包括补偿电路、放大电路、控保电路及输出电路，补偿电路由温补电路和压控衰减器组成，温补电路的输入端通过移相器连接功率分解单元，温补电路的输出端通过压控衰减器连接放大电路，放大电路包括依次相连的第二前置放大器、中功率放大器和大功率放大器，大功率放大器的输出端通过第二环形器连接功率合成单元，第二环形器的输出端还依次通过第二耦合器、控保电路和输出电路连接监控电路，中功率放大器和大功率放大器的输出端还分别连接控保电路的输入端，控保电路由温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路以及保护电路组成，温度检测电路、电流检测电路、输出功率检测电路、反射检测电路的输出端分别连接保护电路的输入端，保护电路的输出端连接输出电路。
2.如权利要求1所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：所述功率合成单元采用8路单级同轴功率合成器，功率合成器采用N型输入，IF70Q同轴输出，功率合成器内部由8个输入N型连接器、两个输入阻抗变换节、一个功率合成节、两个输出同轴阻抗变换节组成，每一路功率信号经输入N型连接器、输入阻抗变换节，在功率合成节上进行功率合成，并经输出同轴阻抗变换节输出。
3.如权利要求1所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：所述功率发射单元包括依次相连的收阻滤波器、谐波滤波器、波导环形器和定向耦合器，波导环形器的输出端还连接电动开关控制器的输入端。
4.如权利要求3所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：所述谐波滤波器采用两级低通滤波器迭加的形式，通带为S频段，阻带为通带4倍频，输入端、输出端以及两级滤波器之间通过两级1/4波导波长过渡实现输入输出匹配。
5.如权利要求1所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：第一前置放大器为三级放大，在第一级放大之后设置有输入监视装置。
6.如权利要求1所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：所述功率分解单元采用八分器。
7.如权利要求1所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：所述监控电路还通过RS422接口连接外部控制器。
8.如权利要求1所述的一种S频段连续波固态高功放装置，其特征在于：所述S频段固态高功放A和S频段固态高功放B上分别设置有风冷装置，波导电动开关的假负载端还通过第三耦合器连接合成器的第一输入端，功率发射单元中的定向耦合器的输出端连接合成器的第二输入端，合成器的输出端连接有输出监视装置。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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