CN107395140A - 一种c波段高功率放大器 - Google Patents

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朱秀敏
杨作成
李楠
张静
杨贺
张志忠
王路强
张世超
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Abstract

本发明公开了一种C波段高功率放大器，一种C波段高功率放大器,包括数控衰减器(1)、驱动级功放(2)、第一功分器(3)、第一高功放模块(4)、第二高功放模块(5)、合路器(6)、环形器(7)、负载(8)、功率检测器(9)、第二功分器(10)、监控板(11)、显示器/键盘(12)、第一功放电源(13)和第二功放电源(14)。公开的一种C波段高功率放大器，采用模块化的功率放大器及端口相互隔离的分合路器，通过两路固态高功放模块进行并行功率合成，最终实现了500W功率输出。公开的一种C波段高功率放大器，结构紧凑，合成效率高，有力地保证了系统的高可靠性。

Description

一种C波段高功率放大器
技术领域
本发明涉及散射微波通信领域，特别是涉及一种C波段高功率放大器，为超视距微波散射通信系统提供动力保障的放大装置。
背景技术
随着超视距无线散射通信技术的不断发展，功率放大器设备作为整个系统的动力枢纽就越来越成为关注的一个焦点。一种C波段高功率放大器设备作为整个散射通信系统的末级，需要将已调制的射频信号放大到足够支持其在整个信道中传输，这就要求发射功率越大越好，以保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，同时也不干扰相邻信道的通信。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为超视距散射通信系统提供高功率、高可靠性、高效率的一种C波段高功率放大器。一种C波段高功率放大器饱和输出功率大于500W，效率大于30％，为散射通信系统实现更远距离的通信提供了技术可能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种C波段高功率放大器，包括数控衰减器1、驱动级功放2、第一功分器3、合路器6、环形器7、负载8、功率检测器9、第二功分器10、监控板11和显示器/键盘12，还包括第一高功放模块4、第二高功放模块5、第一功放电源13和第二功放电源14；
数控衰减器1用于对输入的射频信号进行功率检测并上报至监控板11，同时根据监控板11输出的衰减控制指令对射频信号进行衰减，将衰减后的射频信号输出至驱动级功放2；驱动级功放2用于对衰减后的射频信号进行功率放大，将放大后的射频信号输出至第一功分器3；第一功分器3用于将放大后的射频信号分成两路等幅同相的射频信号，并分别将两路分路后的射频信号一一对应输出至第一高功放模块4和第二高功放模块5；第一高功放模块4和第二高功放模块5分别用于将输入的分路后的射频信号再次进行放大，将分路放大后的射频信号分别输出至合路器6；合路器6用于将输入的两路分路放大后的射频信号进行功率合成后输出至环形器7，并将耦合信号输出至第二功分器10；第二功分器10用于将耦合信号分为两路，分别输出至功率检测器9和外部；环形器7用于将功率合成后的射频信号输出至外部，并将反射信号输出至负载8；负载8用于吸收反射信号，并将反射信号输出至功率检测器9；功率检测器9用于根据反射信号进行反射功率检测，根据耦合信号进行输出功率检测，将检测值通过总线上报给监控板11；监控板11连接液晶显示器/键盘12，通过液晶显示和键盘操作完成人机交互，还用于输出衰减控制指令至数控衰减器1，并对第一功放电源13和第二功放电源14进行监控；第一功放电源13和第二功放电源14用于提供各个模块所需的电压，并进行电压、电流和温度检测以及功放状态检测，将检测结果输出至监控板11。
其中，驱动级功放2包括第一至第三隔离器201、203、205、第一级放大器202和第二级放大器204；衰减后的射频信号经过第一隔离器201进入第一级放大器202，第一级放大器202将衰减后的射频信号进行放大，将放大后的射频信号经第二隔离器203输出至第二级放大器204，第二级放大器204将放大后的射频信号再次进行放大，将再次进行放大后的射频信号经第三隔离器205输出。
其中，第一高功放模块4和第二高功放模块5结构相同，均包括隔离器401、推动级放大器402、威尔金森功分器403、第一至第四微带90°电桥404-407、第一至第四末级放大器408-411和波导阶梯渐变合路器412；分路后的射频信号首先经过隔离器401改善驻波后，输出至推动级放大器402进行功率放大；放大器402将放大后的射频信号经过威尔金森功分器403分为两路后分别输出至第一微带90°电桥404和第二微带90°电桥405；第一微带90°电桥404将输入的信号分为两路，分别输出至第一末级放大器408和第二末级放大器409；第二微带90°电桥405将输入的信号分为两路，分别输出至第三末级放大器410和第四末级放大器411；第一末级放大器408和第二末级放大器409分别将各自输入的信号进行放大后输出至第三微带90°电桥406；第三末级放大器410和第四末级放大器411分别将各自输入的信号进行放大后输出至第四微带90°电桥407；第三微带90°电桥406和第四微带90°电桥407分别将各自输入的两路信号合为一路后，分别输出至波导阶梯渐变合路器412；波导阶梯渐变合路器412分别将输入的两路信号进行合成后由BJ48波导口输出。
其中，第一功放电源13和第二功放电源14均包括检测控制电路、第一至第五开关控制电路、第一电源转换电路和第二电源转换电路；DC+28V输入电源经过检测控制电路实现电压、电流、电源状态和功放状态检测，并通过预留2P/2.54间距的温度接口，采用即插即用的方式实现相应高功放模块的温度检测，检测控制电路通过RS485总线将电压、电流、温度和功放状态检测结果上报至监控板，并显示电源状态，此外检测控制电路还根据监控板下发的指令要求，产生28V开关控制信号分别输出至第一至第五开关控制电路；第一至第五开关控制电路在检测控制电路的控制下输出28V电压；DC+28V输入电源还分别经过第一电源转换电路和第二电源转换电路进行电压转换，第一电源转换电路输出+10V～+16V电压可调的电源，第二电源转换电路输出-5V的电源。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)高功率输出，一种C波段高功率放大器采用两个输出功率大于320W的末级功放进行功率合成，合成后的输出功率大于500W。
(2)高可靠性，一种C波段高功率放大器采用波导魔T合路器进行功率合成，两个与高功率末级功放模块相连接的输入端口相互隔离，抗干扰性较好，当其中一路末级功放发生故障时，另一路末级功放模块可正常工作，保证系统的基本工作正常，提高了系统的可靠性。同时，采用的两个高功率末级功放模块完全一样，位置可互换，每个模块的状态均可在监控板检测控制，一旦出现异常可及时进行相应保护处理，这种冗余方式有力的保证了系统的稳定性和可靠性。
(3)高效率，一种C波段高功率放大器，功放模块设计采用高效的氮化镓功放管进行功率放大，末级功放中分合路器采用双分支微带线90°混合桥的形式进行功率的一分四和四合一，优化了分合路器的设计，并减少了功放模块的合成数量，设备工作效率高于30％，提高了整机的工作效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的驱动级功放模块的结构框图；
图3是本发明的高功放模块的结构框图；
图4是本发明的功放电源的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图1-4和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种C波段高功率放大器结构示意图，包括一种散射大功率放大器设备，包括射频放大链路、功率检测链路以及软件监控部分。其中根据射频信号流向，射频信号放大链路依次包括数控衰减器1、驱动级功放2、第一功分器3、第一高功放模块4、第二高功放模块5、合路器6、环形器7；检测链路又包括输出功率检测以及反射功率检测，输出功率检测链路根据射频信号流向依次为合路器6的耦合口、第二功分器10、功率检测器9；反射功率检测链路根据射频信号流向依次为环形器7、负载8的反射耦合口、功率检测器9；软件监控部分通过监控板11和数控衰减器1、功率检测器9以及第一功放电源13、第二功放电源14的485串口通信进行连接，通过显示器/键盘12进行液晶显示和键盘操作完成输入信号检测和程控衰减控制、功率检测、风扇转速控制、人机交互界面及操作等功能。
数控衰减器1用于对输入的射频信号进行功率检测并上报至监控板11，同时根据监控板11输出的衰减控制指令对射频信号进行衰减，将衰减后的射频信号输出至驱动级功放2；驱动级功放2用于对衰减后的射频信号进行功率放大，将放大后的射频信号输出至第一功分器3；第一功分器3用于将放大后的射频信号分成两路等幅同相的射频信号，并分别将两路分路后的射频信号一一对应输出至第一高功放模块4和第二高功放模块5；第一高功放模块4和第二高功放模块5分别用于将输入的分路后的射频信号再次进行放大，将分路放大后的射频信号分别输出至合路器6；合路器6用于将输入的两路分路放大后的射频信号进行功率合成后输出至环形器7，并将耦合信号输出至第二功分器10；第二功分器10用于将耦合信号分为两路，分别输出至功率检测器9和外部；环形器7用于将功率合成后的射频信号输出至外部，并将反射信号输出至负载8；负载8用于吸收反射信号，并将反射信号输出至功率检测器9；功率检测器9用于根据反射信号进行反射功率检测，根据耦合信号进行输出功率检测，将检测值通过总线上报给监控板11；监控板11连接液晶显示器/键盘12，通过液晶显示和键盘操作完成人机交互，还用于输出衰减控制指令至数控衰减器1，并对第一功放电源13和第二功放电源14进行监控；第一功放电源13和第二功放电源14用于提供各个模块所需的电压，并进行电压、电流和温度检测以及功放状态检测，将检测结果输出至监控板11。
射频信号放大链路的数控衰减器1采用485串口的通信控制方式，检测输入射频信号的大小以及对输入的射频信号进行相应的衰减控制。功分器，采用微带π型结构；合路器采用魔T功率合成方式；驱动级功放模块2采用两级氮化镓功放管进行功率放大。
图2是驱动级功放模块的结构框图，射频信号放大链路中的驱动级功放2，采用两级氮化镓功放管进行功率放大，输入端、输出端以及两级功放管之间通过隔离器进行连接。驱动级功放模块体积小、效率高、功率增益高达41dB。
驱动级功放2包括第一至第三隔离器201、203、205、第一级放大器202和第二级放大器204；衰减后的射频信号经过第一隔离器201进入第一级放大器202，第一级放大器202将衰减后的射频信号进行放大，将放大后的射频信号经第二隔离器203输出至第二级放大器204，第二级放大器204将放大后的射频信号再次进行放大，将再次进行放大后的射频信号经第三隔离器205输出。
图3为高功放模块结构示意图；第一高功放模块4和第二高功放模块5结构相同，均包括隔离器401、推动级放大器402、威尔金森功分器403、第一至第四微带90°电桥404-407、第一至第四末级放大器408-411和波导阶梯渐变合路器412；分路后的射频信号首先经过隔离器401改善驻波后，输出至推动级放大器402进行功率放大；放大器402将放大后的射频信号经过威尔金森功分器403分为两路后分别输出至第一微带90°电桥404和第二微带90°电桥405；第一微带90°电桥404将输入的信号分为两路，分别输出至第一末级放大器408和第二末级放大器409；第二微带90°电桥405将输入的信号分为两路，分别输出至第三末级放大器410和第四末级放大器411；第一末级放大器408和第二末级放大器409分别将各自输入的信号进行放大后输出至第三微带90°电桥406；第三末级放大器410和第四末级放大器411分别将各自输入的信号进行放大后输出至第四微带90°电桥407；第三微带90°电桥406和第四微带90°电桥407分别将各自输入的两路信号合为一路后，分别输出至波导阶梯渐变合路器412；波导阶梯渐变合路器412分别将输入的两路信号进行合成后由BJ48波导口输出。具有体积小，效率高，功率增益大约18dB，饱和功率大于55dBm。
图4是功放电源的结构框图，第一功放电源13和第二功放电源14均包括检测控制电路、第一至第五开关控制电路、第一电源转换电路和第二电源转换电路；DC+28V输入电源经过检测控制电路实现电压、电流、电源状态和功放状态检测，并通过预留2P/2.54间距的温度接口，采用即插即用的方式实现相应高功放模块的温度检测，检测控制电路通过RS485总线将电压、电流、温度和功放状态检测结果上报至监控板，并显示电源状态；检测控制电路还根据监控板下发的指令要求，产生28V开关控制信号分别输出至第一至第五开关控制电路；第一至第五开关控制电路在检测控制电路的控制下输出28V电压；DC+28V输入电源还分别经过第一电源转换电路和第二电源转换电路进行电压转换，第一电源转换电路输出+10V～+16V电压可调的电源，第二电源转换电路输出-5V的电源。
本发明的C波段高功率放大器外形为高4U(177mm)的标准19英寸机箱，机箱内包括各个电路模块。本发明的C波段高功率放大器具有监控键盘、显示器、指示灯等操作及显示界面，可进行设置、查询及维护操作。设置菜单中可实现发射频率、发射功率等参数的设置功能，查询菜单中可实现故障告警及设备、工作状态查询，维护菜单中可实现风扇转速控制、告警消音、密码修改等操作。一种C波段高功率放大器整机具有ALC功能，且在出现功放过温、过流及反射功率过大告警时自动关闭功放以保护高功率放大器免遭破坏。

Claims (4)

1.一种C波段高功率放大器，包括数控衰减器(1)、驱动级功放(2)、第一功分器(3)、合路器(6)、环形器(7)、负载(8)、功率检测器(9)、第二功分器(10)、监控板(11)和显示器/键盘(12)；其特征在于，还包括第一高功放模块(4)、第二高功放模块(5)、第一功放电源(13)和第二功放电源(14)；
数控衰减器(1)用于对输入的射频信号进行功率检测并上报至监控板(11)，同时根据监控板(11)输出的衰减控制指令对射频信号进行衰减，将衰减后的射频信号输出至驱动级功放(2)；驱动级功放(2)用于对衰减后的射频信号进行功率放大，将放大后的射频信号输出至第一功分器(3)；第一功分器(3)用于将放大后的射频信号分成两路等幅同相的射频信号，并分别将两路分路后的射频信号一一对应输出至第一高功放模块(4)和第二高功放模块(5)；第一高功放模块(4)和第二高功放模块(5)分别用于将输入的分路后的射频信号再次进行放大，将分路放大后的射频信号分别输出至合路器(6)；合路器(6)用于将输入的两路分路放大后的射频信号进行功率合成后输出至环形器(7)，并将耦合信号输出至第二功分器(10)；第二功分器(10)用于将耦合信号分为两路，分别输出至功率检测器(9)和外部；环形器(7)用于将功率合成后的射频信号输出至外部，并将反射信号输出至负载(8)；负载(8)用于吸收反射信号，并将反射信号输出至功率检测器(9)；功率检测器(9)用于根据反射信号进行反射功率检测，根据耦合信号进行输出功率检测，将检测值通过总线上报给监控板(11)；监控板(11)连接液晶显示器/键盘(12)，通过液晶显示和键盘操作完成人机交互，还用于输出衰减控制指令至数控衰减器(1)，并对第一功放电源(13)和第二功放电源(14)进行监控；第一功放电源(13)和第二功放电源(14)用于提供各个模块所需的电压，并进行电压、电流和温度检测以及功放状态检测，将检测结果输出至监控板(11)。
2.根据权利要求1所述的一种C波段高功率放大器，其特征在于，驱动级功放(2)包括第一至第三隔离器(201、203、205)、第一级放大器(202)和第二级放大器(204)；衰减后的射频信号经过第一隔离器(201)进入第一级放大器(202)，第一级放大器(202)将衰减后的射频信号进行放大，将放大后的射频信号经第二隔离器(203)输出至第二级放大器(204)，第二级放大器(204)将放大后的射频信号再次进行放大，将再次进行放大后的射频信号经第三隔离器(205)输出。
3.根据权利要求1所述的一种C波段高功率放大器，其特征在于，第一高功放模块(4)和第二高功放模块(5)结构相同，均包括隔离器(401)、推动级放大器(402)、威尔金森功分器(403)、第一至第四微带90°电桥(404-407)、第一至第四末级放大器(408-411)和波导阶梯渐变合路器(412)；分路后的射频信号首先经过隔离器(401)改善驻波后，输出至推动级放大器(402)进行功率放大；放大器(402)将放大后的射频信号经过威尔金森功分器(403)分为两路后分别输出至第一微带90°电桥(404)和第二微带90°电桥(405)；第一微带90°电桥(404)将输入的信号分为两路，分别输出至第一末级放大器(408)和第二末级放大器(409)；第二微带90°电桥(405)将输入的信号分为两路，分别输出至第三末级放大器(410)和第四末级放大器(411)；第一末级放大器(408)和第二末级放大器(409)分别将各自输入的信号进行放大后输出至第三微带90°电桥(406)；第三末级放大器(410)和第四末级放大器(411)分别将各自输入的信号进行放大后输出至第四微带90°电桥(407)；第三微带90°电桥(406)和第四微带90°电桥(407)分别将各自输入的两路信号合为一路后，分别输出至波导阶梯渐变合路器(412)；波导阶梯渐变合路器(412)分别将输入的两路信号进行合成后由BJ48波导口输出。
4.根据权利要求1所述的一种C波段高功率放大器，其特征在于，第一功放电源(13)和第二功放电源(14)均包括检测控制电路、第一至第五开关控制电路、第一电源转换电路和第二电源转换电路；DC+28V输入电源经过检测控制电路实现电压、电流、电源状态和功放状态检测，并通过预留2P/2.54间距的温度接口，采用即插即用的方式实现相应高功放模块的温度检测，检测控制电路通过RS485总线将电压、电流、温度和功放状态检测结果上报至监控板，并显示电源状态；检测控制电路还根据监控板下发的指令要求，产生28V开关控制信号分别输出至第一至第五开关控制电路；第一至第五开关控制电路在检测控制电路的控制下输出28V电压；DC+28V输入电源还分别经过第一电源转换电路和第二电源转换电路进行电压转换，第一电源转换电路输出+10V～+16V电压可调的电源，第二电源转换电路输出-5V的电源。
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