CN105356928B - 一种Ku频段卫星通信变频终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ku频段卫星通信变频终端设备，包括：变频处理模块，其用于将接收的L波段中频信号变频成Ku频段射频信号；功率放大模块，其包括依次连接的前级驱动单元、次级驱动单元和末级合成单元，用于对所述变频处理模块输出的Ku频段射频信号进行功率放大，实现Ku频段射频信号的高功率输出；监测控制模块，其用于检测所述功率放大模块的输出功率，通过与预定输出功率的比较结果来控制所述功率放大模块中的前级驱动单元中的可变衰减器，从而锁定所述功率放大模块的输出功率。本发明通过设置多级级联的功率放大单元，解决了大功率合成与高效的散热技术问题，并且实现了幅度、相位的一致性、平衡性的设计。

Description

一种Ku频段卫星通信变频终端设备

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种可在卫星通信上行站中使用的Ku频段卫星通信大功率变频终端设备。

背景技术

Ku频段大功率变频终端(简称BUC)是卫星通信领域的关键设备。在卫星通信上行站中，大功率变频组件固态化是现今发展的必然趋势。现有的卫星大功率BUC产品体积大、效率低、价格与维护成本高昂，并且由于微波固态功率器件以及封装技术等因素的限制，输出功率、效率以及体积等指标都有待进一步提高。总之，国内在Ku波段固态大功率变频终端的研究方面仍然处于较为落后的状态，这也间接影响了我国卫星通信前端的设计开发，造成我国很多卫星通信系统对国外产品的严重依赖。

其中，以民用市场为例，各卫星地球站、Vsat卫星通信系统多采用Advantech公司、Actox公司以及ND Satcom公司生产的BUC产品。因此，亟需开发卫星通信BUC产品以满足例如民用通信市场的需求。目前，虽然现有技术中也有几种方案可以实现Ku波段大功率变频组件的相关功能，但是大多数解决方案的实现是以牺牲信号频谱质量和产品稳定可靠性差为代价，放大器工作不稳定，杂散严重，经常出现放大管子被烧毁的情况。

因此，亟需一种实现稳定、可靠的Ku频段变频终端设备。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种效率高、体积小和可靠度更高的Ku频段卫星通信大功率变频终端设备。

本发明的实施例提供一种Ku频段卫星通信变频终端设备，包括：

变频处理模块，其用于将接收的L波段中频信号变频成Ku频段射频信号；

功率放大模块，其包括依次连接的前级驱动单元、次级驱动单元和末级合成单元，用于对所述变频处理模块输出的Ku频段射频信号进行功率放大，实现Ku频段射频信号的高功率输出；

监测控制模块，其用于检测所述功率放大模块的输出功率，通过与预定输出功率的比较结果来控制所述功率放大模块中的前级驱动单元中的可变衰减器，从而锁定所述功率放大模块的输出功率。

在一个实施例中，所述监测控制模块包括：

耦合器，其用于从末级合成单元的输出端提取正向功率检测信号和反向功率检测信号；

检波器，其用于根据正向功率检测信号和反向功率检测信号生成射频检波信号；

监测控制器，其用于根据射频检波信号计算当前功率放大模块的输出功率，通过与预定输出功率的比较结果生成衰减控制信号；

电平控制电路，其根据衰减控制信号控制前级驱动单元中的可变衰减器，形成对功率放大模块的闭环功率控制。

在一个实施例中，所述变频处理模块包括：

分路器，其用于对输入的信号进行分离提取馈钟信号和L波段中频信号；

锁相环，其对馈钟信号进行锁相处理得到本振信号；

混频器，其对中频信号和本振信号进行混频处理，使得中频信号的频谱搬移到Ku频段；

滤波器，其对Ku频段的信号进行滤波和杂散谐波处理得到Ku频段射频信号。

在一个实施例中，所述前级驱动单元包括：

环形隔离器，其耦合端用于提取输入Ku频段射频信号的检波信号，直通端则直接输出Ku频段射频信号；

可变衰减器，其用于根据所述衰减控制信号对Ku频段射频信号的功率进行衰减处理，进而控制变频终端设备的整体增益；

前级放大器，其对经过衰减处理的直通的Ku频段射频信号进行功率放大得到Ku频段前级放大信号。

在一个实施例中，所述次级驱动单元包括：

级联设置的两个次级放大器；

收阻滤波器，其用于对级联设置的两个次级放大器输出的Ku频段信号进行滤波处理，输出Ku频段次级放大信号；

射频开关，其用于控制所述次级放大器的通断。

在一个实施例中，所述末级合成单元包括：

四路波导功分器，其用于将Ku频段次级放大信号分成四个支路信号；

四个末级放大器，其分别用于将四个支路信号进行功率放大；

四路波导合成器，其用于对四个经过放大后的支路信号进行功率合成输出Ku频段射频信号，被放大的各个支路信号的幅度和相位一致。

在一个实施例中，还包括电源控制模块，其包括：

稳压器，其将直流电源进行稳压处理并转换为负压电源；

负压偏置网络，其将负压电源转换为适合于前级驱动单元、次级驱动单元和末级合成单元的负电压。

在一个实施例中，所述电源控制模块还包括：

控制电路，用于按照先提供负电压再提供正电压的顺序控制电源控制模块为功率放大模块供电。

在一个实施例中，所述电源控制模块还包括：

负压保护电路，其用于检测负压偏置电路输出的负电压是否满足预设负电平条件，在满足预设负电平条件的情况下，负压保护电路输出工作信号来控制负压偏置网络为功率放大模块提供负电源；在不满足预设负电平条件的情况下，负压保护电路输出保护信号，使功率放大模块处于不工作状态。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点。

1)变频处理模块利用小数分频PLL锁相频率合成技术结合倍频、混频、滤波、幅度均衡处理，合理分配各部分频率关系，完成非线性信号处理，将L波段频率信号转换成Ku波段频率信号，并且具有良好的屏蔽措施和通道隔离抑制等作用，解决了宽频带的频谱搬移及信号质量问题。

2)功率放大模块通过设置多级级联的功率放大单元，解决了大功率合成与高效的散热技术问题，并且实现了幅度、相位的一致性、平衡性、低损耗的设计。

3)监测控制模块完成各种检测、控制和报警，利用闭环反馈控制技术解决了对产品的功率、温度、增益控制、激励等参数的监测控制，以及设备的过温过流等保护措施的技术问题。

4)电源转换模块采用具有电源功率因素PFC校正功能的AC-DC、高密度DC-DC电源技术、电源保护电路技术，解决了高可靠、高效率及大功率集成开关电源设备供电问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施例的Ku频段卫星通信变频终端设备的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的变频处理模块的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的电源控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

图1显示了本发明一实施例中提供的Ku频段卫星通信大功率变频终端设备及其工作原理图。从图中可以看出，该设备主要由变频处理模块100、功率放大模块200、监测控制模块300和电源控制模块400四部分组成。

变频处理模块100对输入的L波段中频信号进行混频处理生成Ku波段频率信号，再通过特制滤波器进行杂散、谐波处理，经放大后送入功率放大模块200。功率放大模块200包括前级放大单元210、次级放大单元220和末级合成单元230，用于对变频处理模块100输出的Ku波段频率信号进行功率放大处理。

如图1所示，在前级驱动单元210内，Ku波段频率信号通过高耦合度的环形隔离器耦合出一路送至检波器，其检波电压用于输入功率指示，而另一路则送入可变衰减器进行信号幅度的衰减控制，然后进行小信号放大，送入次级驱动单元220。在次级驱动单元220内，信号经过两级放大处理进一步放大，然后通过一个收阻滤波处理掉不必要的杂散后送入末级合成单元230。在末级合成单元230中，信号通过一个四路波导功率分配器分成四路相同的信号，这四路相同的信号在经过对应的末级功放放大后汇总至一个四路波导功率合成器进行功率合成，于是功率成倍增加，得到大功率信号。大功率信号最后经过耦合器、隔离器处理后输出为所需的Ku频段大功率射频信号。同时，大功率信号还通过耦合器耦合出正反两路小功率信号送入检波器进行检波处理。检波时获得的电压信号可送入监测控制模块300。监测控制模块300由此检测功率放大模块200的输出功率，根据其与预定功率的比较结果来控制功率放大模块200的输出功率，同时还可以控制各单元电路的信号幅度、关断与保护。电源保护模块400主要实现AC-DC、DC-DC电源变换和各种保护，将在下文中详细说明。

当然，该设备中还会包括其他的功能模块，例如负责为整机散热冷却的风冷散热模块(例如风扇)。由于这些不是本发明保护的重点，因此在此不做详述。

下面分别介绍各个功能模块的电路结构，并在此基础上进一步详细地说明整个设备的工作原理。

如图2所示，变频处理模块100(也称L波段/Ku频段上变频处理模块)，主要包括分路器110、锁相环120、混频器130和滤波器140。分路器110用于对接收的L波段信号进行分离生成馈钟信号和中频信号，锁相环120对馈钟信号进行锁相处理得到本振信号，混频器130对中频信号和本振信号进行混频处理，使得中频信号的频谱搬移到Ku频段，滤波器140先对Ku频段的信号进行滤波和杂散谐波处理，得到比较纯净的Ku频段射频信号。

在一个优选的示例中，变频处理模块100主要包括低相噪晶振、PLL频率合成器、倍频器、带通滤波器、混频器、驱动放大器等(图2中未具体示出)。具体地，变频处理模块100于从输入端接收L波段频率信号，然后通过分路器110(主要由功率分配器和两个选择滤波器构成)对其中的馈钟参考信号以及L波段中频信号进行分离。其中，在将中频信号经过放大滤波后利用数字衰减器对信号的功率进行调整，而后送入混频器130，混频后的信号在经过特制的滤波器140进行谐波、杂散处理，经放大后就转换成了比较纯净的Ku波段射频信号。此外，分离出的馈钟信号(例如10MHz)经由锁相器120产生参考源信号，再以此信号作为信道本振的参考得到本振信号，而其输出的电平大小可以通过内置的程控衰减器(图2中未示出)来调节。当然，如前所述，在本实施例中还可以同时对各单元的工作状态进行监控，将监控的状态信息上报给监测控制模块300，此处不做详述。

再次回到图1，功率放大模块200的前级放大单元210的输入端连接变频处理模块100的输出端，接收由变频处理模块100输出的Ku波段频率信号。前级放大单元210主要包括依次连接的环形隔离器211、可变衰减器213和前级放大器215。环形隔离器211用于从Ku频段射频信号中提取输入检波信号，且输出直通信号。可变衰减器213用于根据衰减控制信号对直通信号的功率进行衰减处理，进而控制变频终端设备的整体增益。前级放大器215对经过衰减处理的直通信号进行功率放大得到Ku频段前级放大信号。

具体而言，在前级驱动单元210内主要实现信号放大、高精度功率衰减、自动电平控制ALC和检波等功能。在图1中，环形隔离器211的耦合端用于提取输入Ku频段射频信号的检波信号，直通端则直接输出Ku频段射频信号。Ku波段频率信号经隔离器后，一路馈入耦合检波，产生检波信号，另一路直通进行放大、衰减控制。在此，为了保证输出端口驻波，在输出端前设置了另一个隔离器，并在隔离器前安装了一级耦合检波，用于检测输出信号是否正常。优选的，可变衰减器213选用可调衰减器HMC939，来作为系统增益控制器件，该器件是5bit的数字电调衰减器，最低衰减-3.5dB，1dB步进最高至31dB，满足系统要求的20dB调节范围，1dB调节步进。前级放大器215优选采用低噪声放大器CHA3689-99F，电调衰减后的射频信号通过低噪声放大器CHA3689-99F进行第一级预放放大，得到Ku频段前级放大信号。

次级驱动单元220主要包括级联设置的两个次级放大器223，收阻滤波器227和射频开关229。收阻滤波器227用于对级联设置的两个次级放大器输出的Ku频段信号进行滤波处理，输出Ku频段次级放大信号。射频开关229用于控制次级放大器的通断，具体控制过程请参考下文中对电源控制模块400的描述内容。

两个次级放大器采用开关漏极方式通过射频开关229控制来实现整个功放信号通断功能，收阻滤波器227对不需要的信号进行抑制与选择处理。优选地，两级驱动放大器采用TGA2533，该器件具有P-1dB输出功率高达34dBm的能力，可保证末级放大器被推至P-1dB功率时仍具有较好的线性度，不带来射频部分线性度的进一步恶化。

末级合成单元230主要包括四路波导功分器231、四个末级放大器233和四路波导合成器235。四路波导功分器231用于将Ku频段次级放大信号分成四个支路信号；四个末级放大器233分别用于将四个支路信号进行功率放大；四路波导合成器235用于对四个经过放大后的支路信号进行功率合成输出Ku频段射频信号，但要求被放大的各个支路信号的幅度和相位一致。

其中，四路波导功率分配器/合成器采用常规的二进制合成方式，技术成熟，这里不做赘述。这里主要对四个末级放大器233的工作原理进行说明。末级放大器233为16W功放模块，其工作原理为：射频激励由输入口馈入，通过四路功分器，将四路相同信号分别输入四个放大器芯片，经过放大器芯片放大，四路放大后的相同信号由合成器四个输入口输入进行合成，合成后的大信号由输出口输出，从而实现信号的放大。优选的，末级合成单元230采用高效率波导混合式功率合成技术，将4片WFD130145-P42GaAs功放芯片合成，整个合成效率可高于90％。

监测控制模块300主要包括耦合器310、检波器320、监测控制器330和电平控制电路340。耦合器310用于从末级合成单元的输出端提取正向功率检测信号和反向功率检测信号。检波器320用于根据正向功率检测信号和反向功率检测信号生成射频检波信号。监测控制器330用于根据射频检波信号计算当前功率放大模块的输出功率，通过与预定输出功率的比较结果生成衰减控制信号。电平控制电路340根据衰减控制信号控制前级驱动单元中的可变衰减器，形成对功率放大模块的闭环功率控制。

如图1所示，末级功率合成单元230输出的Ku频段射频信号波导大功率耦合器310后再经由正反向检波器320得到输出功率与反射功率指示信号。

在一个优选的示例中，功率放大模块200输出的Ku频段射频信号经正反向功率耦合后进行检波，输出射频检波信号在监测控制模块330进行AD量化。监测控制模块330对AD采样值进行处理，计算当前功放输出功率，并与系统设置的输出功率值进行比较，然后反向控制前级驱动单元210内的可变衰减器，形成闭环负反馈控制系统对输出功率进行锁定。ALC功率锁定的精度取决于ADC功率采样精度和可变衰减器控制精度。

此外，为了保证变频终端设备的稳定性和可靠性，除了利用上述的监测控制模块300监测一些关键参数以外，在变频终端设备中还设置有电源控制模块400来为功放模块200提供反向偏置电压，并控制加电时序，按照先提供负向偏置电压，再提供正向工作电压的顺序控制为功率放大模块200供电。

图3是本发明实施例中采用的电源控制模块400的电路组成示意图。电源控制模块400主要包括DC/DC电源模块、稳压器、负压偏置网络、控制电路和负压保护电路。

稳压器将直流电源进行稳压处理并转换为负压电源，负压偏置网络，其将负压电源转换为适合于前级驱动单元、次级驱动单元和末级合成单元的负电压。控制电路按照先提供负电压再提供正电压的顺序控制电源控制模块为功率放大模块供电。

电源控制模块400的供电方式有交流供电和直流供电两种方式。其中，交流供电输入电压范围为90VAC～260VAC，直流供电范围为18VDC～36VDC。电源转换及时序控制原理如下。

在图3中，+28V的直流电源信号经过高密度DC/DC电源模块进行稳压与电压转换处理后得到一个中间电压信号+VCC(一般取+12VDC)，然后分成两路，一路送入两个CMOS大功率开关管进行次级功放管和末级功放管的漏极开关控制，另一路进入一个密度DC/DC电源模块进行稳压和电压转换成更小的电压给控制电路、次级功放和末级功放管子的负压供电。在本示例中，射频开关229优选为CMOS大功率开关管。需要说明的是，在图3中为次级功放和末级功放均设置了CMOS开关管。事实上，可以如图1所示仅为次级功放管设置开关管，在次级功放管不工作的情况下，末级功放管也不工作，这样可以节省制造成本。

具体的实施方式如下。

1)高密度DC/DC电源

高密度DC/DC电源模块选用VICOR公司的第二代DC/DC系列，封装形式为微型(MICRO)，输入与输出的隔离电压为3000Vrms，输入电压范围18V～36V，输出功率最大可达400W，转换效率为85％，其输出电压在10％～110％范围内可调节，具有高功率密度，低噪声等优点。

2)DC/DC与精密稳压

用DC/DC将稳压后的电压转换为负压。第二级采用负压线性稳压芯片，线性稳压后的负压电源再经过负压偏置网络完成功放模块的负压转换。

3)控制电路

控制电路用于控制功率放大模块200的加电顺序为先加负压，再加正压。控制电路同时可以提供温度检测、功放开关控制等功能。

在控制电路内还设置有负压保护电路，用于检测、判断功放模块的负压供电是否正常，并提供保护信号输出。用于检测负压偏置电路输出的负电压是否满足预设负电平条件，在满足预设负电平条件的情况下，负压保护电路输出工作信号来控制负压偏置网络为功率放大模块提供负电源；在不满足预设负电平条件的情况下，负压保护电路输出保护信号，使功率放大模块处于不工作状态。

上述设备的相关指标如下。

(1)Ku波段工作频率：14.0GHz～14.5GHz；

(2)L波段中频输入频率：950.0MHz～1450.0MHz；

(3)输出频率：+46.0dBm(40W)；

(4)增益：≥68.0dB；

(5)增益平坦度：±2dB＠36MHz带宽，±2dB＠-40～+50℃；

(6)相位噪声：满足Intelsat IESS308/309；

(7)杂散输出：≤-50dBc；

(8)输入输出驻波：1.5：1，输出驻波：2.0：1；

(9)供电：交流典型220VAC，范围为90VAC～240VAC，

直流典型28VDC，范围为18VDC～36VDC；

(10)工作温度：-40℃～+55℃；

(11)储存温度：-55℃～+85℃。

与国外同类产品技术指标相当，在输出功率、稳定性、可靠性和环境适应性方面比国外产品更能适应国内用户的需求，可替代进口的同类产品，满足民用通信市场的急需。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Ku频段卫星通信变频终端设备，其特征在于，包括：

变频处理模块，其用于将接收的L波段中频信号变频成Ku频段射频信号；

功率放大模块，其包括依次连接的前级驱动单元、次级驱动单元和末级合成单元，用于对所述变频处理模块输出的Ku频段射频信号进行功率放大，实现Ku频段射频信号的高功率输出；

监测控制模块，其用于检测所述功率放大模块的输出功率，通过与预定输出功率的比较结果来控制所述功率放大模块中的前级驱动单元中的可变衰减器，从而锁定所述功率放大模块的输出功率；

其中，所述次级驱动单元包括：

级联设置的两个次级放大器；

收阻滤波器，其用于对级联设置的两个次级放大器输出的Ku频段信号进行滤波处理，输出Ku频段次级放大信号；

射频开关，其用于控制所述次级放大器的通断。

2.根据权利要求1所述的变频终端设备，其特征在于，所述监测控制模块包括：

耦合器，其用于从末级合成单元的输出端提取正向功率检测信号和反向功率检测信号；

检波器，其用于根据正向功率检测信号和反向功率检测信号生成射频检波信号；

监测控制器，其用于根据射频检波信号计算当前功率放大模块的输出功率，通过与预定输出功率的比较结果生成衰减控制信号；

电平控制电路，其根据衰减控制信号控制前级驱动单元中的可变衰减器，形成对功率放大模块的闭环功率控制。

3.根据权利要求1所述的变频终端设备，其特征在于，所述变频处理模块包括：

分路器，其用于对输入的信号进行分离提取馈钟信号和L波段中频信号；

锁相环，其对馈钟信号进行锁相处理得到本振信号；

混频器，其对中频信号和本振信号进行混频处理，使得中频信号的频谱搬移到Ku频段；

滤波器，其对Ku频段的信号进行滤波和杂散谐波处理得到Ku频段射频信号。

4.根据权利要求2所述的变频终端设备，其特征在于，所述前级驱动单元包括：

环形隔离器，其耦合端用于提取输入Ku频段射频信号的检波信号，直通端则直接输出Ku频段射频信号；

可变衰减器，其用于根据所述衰减控制信号对Ku频段射频信号的功率进行衰减处理，进而控制变频终端设备的整体增益；

前级放大器，其对经过衰减处理的直通Ku频段射频信号进行功率放大得到Ku频段前级放大信号。

5.根据权利要求1所述的变频终端设备，其特征在于，所述末级合成单元包括：

四路波导功分器，其用于将Ku频段次级放大信号分成四个支路信号；

四个末级放大器，其分别用于将四个支路信号进行功率放大；

四路波导合成器，其用于对四个经过放大后的支路信号进行功率合成输出Ku频段射频信号，被放大的各个支路信号的幅度和相位一致。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的变频终端设备，其特征在于，还包括电源控制模块，其包括：

稳压器，其将直流电源进行稳压处理并转换为负压电源；

负压偏置网络，其将负压电源转换为适合于前级驱动单元、次级驱动单元和末级合成单元的负电压。

7.根据权利要求6所述的变频终端设备，其特征在于，所述电源控制模块还包括：

控制电路，用于按照先提供负电压再提供正电压的顺序控制电源控制模块为功率放大模块供电。

8.根据权利要求7所述的变频终端设备，其特征在于，所述电源控制模块还包括：

负压保护电路，其用于检测负压偏置电路输出的负电压是否满足预设负电平条件，在满足预设负电平条件的情况下，负压保护电路输出工作信号来控制负压偏置网络为功率放大模块提供负电源；在不满足预设负电平条件的情况下，负压保护电路输出保护信号，使功率放大模块处于不工作状态。