CN108092635A - 一种Ku波段固态功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ku波段固态功率放大器，包括散热系统、放大器模块、控测模块、六路功率分配器和电源模块；六路功率分配器输出端连接六组放大器模块，放大器模块由控测模块控制加电和保护，放大器模块、控测模块整体的两侧分别设置散热系统。散热系统、放大器模块、控测模块、六路功率分配器均与电源模块连接。本发明设计使用裸体芯片，结构紧凑美观；链路使用沉入式形式，拆卸维修方便；砷化镓芯片与氮化镓芯片的组合使放大器组件具有良好线性度的同时也拥有较高的效率。设计将在雷达模拟设备、电子对抗等领域发挥作用。
Description
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种Ku波段固态功率放大器。
背景技术
固态功放组件作为有源阵列天线的重要组成部分，自20世纪70年代以来得到了快速发展，随着微波功率晶体管技术指标日益提高，固态功放的输出功率及工作频率也均向高功率、高频段展开。对固态放大器发射机而言，为获得数千瓦甚至几十千瓦的功率输出，通常我们采用功率合成的方法，具体方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，第二种方法是采用有源阵列天线的方法，就是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成，获得大功率输出。第二种相对于第一种技术由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高，是产生大功率电磁波辐射的有效途径，正在被广泛的应用。固态功率放大器组件作为有源阵列天线的重要组成部分，也越来越被重视。长期以来，Ku波段固态放大器由于国内半导体工艺技术相对落后和国外技术封锁，其发展相对比较滞后。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种Ku波段固态功率放大器，该组件设计使用裸体芯片，结构紧凑美观；链路使用沉入式形式，拆卸维修方便。
本发明的一种Ku波段固态功率放大器，包括散热系统、放大器模块、控测模块、六路功率分配器和电源模块；六路功率分配器输出端连接六组放大器模块，所述放大器模块相接，所述放大器模块背面设置控测模块，所述放大器模块控测模块的两侧分别设置散热系统；所述散热系统、放大器模块、控测模块、六路功率分配器均与电源模块连接。
上述放大器模块包含Ku波段90毫瓦放大器、第一隔离器、Ku波段2.8瓦放大器、四路功率分配器、四组Ku波段20瓦放大器、四组第二隔离器；所述Ku波段90毫瓦放大器、第一隔离器、Ku波段2.8瓦放大器、四路功率分配器依次连接，所述四路功率分配器输出端连接四组Ku波段20瓦放大器，四组所述Ku波段20瓦放大器分别连接四组第二隔离器。
上述Ku波段90毫瓦放大器、Ku波段2.8瓦放大器、Ku波段20瓦放大器均采用沉入式衬块形式(沉入式衬块形式是指放大器芯片先烧结在衬块上，然后随衬块沉入安装到壳体内部)。
上述控测模块包括过流保护电路和过温保护电路。
上述过温保护电路具体采用的是基于温度检测芯片LM94022的过温保护电路。
上述散热系统由两只风机、六块均热板和散热器构成。
本发明的有益效果是：
本发明设计使用裸体芯片，结构紧凑美观；链路使用沉入式形式，拆卸维修方便；砷化镓芯片与氮化镓芯片的组合使放大器组件具有良好线性度的同时也拥有较高的效率。设计将在雷达模拟设备(如雷达靶标、雷达模拟吊舱等)、电子对抗等领域发挥作用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的固态放大器组件原理图。
图2是本发明的固态放大器组件正面视图。
图3是本发明的固态放大器组件背面视图。
图4是本发明的固态放大器组件俯视视图。
图5是本发明的固态放大器组件侧面视图。
图6是本发明的放大器模块原理框图。
图7是本发明的时序电路图。
图8是本发明的过流保护电路原理图。
图9是本发明的过温保护电路原理图。
图10是本发明的沉入式衬块图。
具体实施方式
如图1-5所示，一种Ku波段固态功率放大器，包括散热系统1、放大器模块2、控测模块4和电源模块6，所述六路功率分配器3输出端连接六组放大器模块2，所述放大器模块2背面设置控测模块4，所述放大器模块2、六路功率分配器3、控测模块4整体的两侧分别设置散热系统1，所述散热系统1、放大器模块2、六路功率分配器3、控测模块4均与电源模块6连接。
本发明在结构布局方面，采用模块化的设计，在减小重量和体积的同时，有利于成批生产和随机备份。固态放大器组件的原理图见图1，整体的结构布局图见，图2～图5，其中：
a)六路功率分配器模块：将输入的信号等分成六路分别驱动六个功放器模块；
b)放大器模块：如图6所示，末级放大器模块包含Ku波段90毫瓦放大器、第一隔离器、Ku波段2.8瓦放大器、四路功率分配器、Ku波段20瓦放大器、第二隔离器，Ku波段90毫瓦放大器、第一隔离器、Ku波段2.8瓦放大器、四路功率分配器依次连接，四路功率分配器输出端连接四组Ku波段20瓦放大器，四组Ku波段20瓦放大器分别连接四组第二隔离器。
c)控测模块：主要功能是产生工作电压、过压保护、过流保护、过温保护、状态指示和开机控制；
d)散热模块：由两只特种风机和六块冷板散热系统构成，能够及时散发系统中近1200瓦的热量，并保证功率放大器在+55℃高温条件下稳定工作；
2)电路设计
a)控制电路及自检电路：主要功能是控制功率放大器加电压及加电是否正常进行反馈，作为BIT自检。
b)保护电路：主要功能是在功率放大器组件非正常工作状态时，切断电源，防止器件受损。通常有：时序电路、过压保护电路、过流保护电路和过温保护电路。、
以下对保护电路的原理做具体说明。
时序电路：放大器组件中采用了氮化镓(GaN)功放芯片，该芯片有严格的加电时序要求，即栅极(负压)现加，漏压(正压)后加；关电时漏压先关断，栅压后关断。
具体采用负电压控制漏极电压来实现，原理图见图7。链路中电源模块提供的负压经过栅极偏置电路后直接加到氮化镓功放芯片的栅极(VG)，同时给NPN三极管Q2的基极和发射极之间一个正向偏置使其导通。Q2导通后，由分压电阻R2和R3给Q1场效应管栅极和源极之间一个-10V的偏置使其导通，从而漏极馈电电压通过Q1加到功放芯片的漏极(VD)。延时电容C1(1μF～10μF)的作用是利用电容充电的时间来延长Q2导通的时间，来保证VD延后VG的时序，其中VG和VD延时约10毫秒。
过流保护电路：当放大器模块出现电流异常变大情况时，需要一个电路来关断供电，防止器件受损。该电路一般设计在控测模块中，原理图见图8。
其中，电流检测放大器与电流检测电阻构成实时监测电流电路。当电流超过预设的警戒点时，关断场效应管开关，切断供电，做到快速关断且关断时间为微秒量级，不损伤核心元器件。还需注意的是，其中过流保护电路的过流点要根据功放管的最大耗散功率并结合散热条件来设置，并在过流采样处设计延时电路，防止开机瞬间的冲击电流导致误报故障。
过温保护电路：当散热设计不可靠或者设备工作环境温度超过设计范围时，都会导致设备过热，存在烧毁芯片的风险。为应对这种情况，需要设计一种在温度超过芯片最大耐受温度时，关断设备供电的电路。原理图见图9。
其中，温度检测芯片LM94022是电路的核心器件，LM94022输出的电压会随着温度的升高而降低。根据这一特性，设计一个比较电路，比较点的选择要依据放大器芯片的最大工作温度和监测位置与放大器芯片之间的温度差。一旦工作温度超过设定的最大温度，比较电路会给出一个相反的电平来切断供电。
3)沉入式设计：
一般，Ku频段的放大器模块使用的是裸体芯片直接焊接在壳体上的形式，这种设计的好处是可以保证芯片的接地良好。但是，功放模块一般由几级芯片组成，一旦有芯片损坏，为保证其他芯片的焊接效果，加热拆卸损坏芯片时需要将所有芯片拆下，再重新焊接。这个过程不仅繁琐，也大大增加了芯片的装配损坏率。这里，我们改进了设计，链路使用沉入式形式，即裸体芯片先焊接在紫铜衬块上，然后用螺钉将紫铜衬块固定在壳体上，并且在紫铜衬块和壳体之间垫一层与衬块同样大小和形状的铟片。这样，在保证芯片接地效果的前提下，拆卸损坏芯片只需将相应衬块取下，而不影响其余部位。
图10所示，从左到右依次是，90毫瓦功放芯片的沉入式衬块、2.8W功放芯片的沉入式衬和20W功放芯片的沉入式衬块。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种Ku波段固态功率放大器，其特征在于：包括散热系统(1)、放大器模块(2)、控测模块(4)、六路功率分配器(3)和电源模块(6)；所述六路功率分配器(3)输出端连接六组放大器模块(2)，所述放大器模块(2)背面设置控测模块(4)，所述放大器模块(2)、控测模块(4)的两侧分别设置散热系统(1)；所述散热系统(1)、放大器模块(2)、控测模块(4)、六路功率分配器(3)均与电源模块(6)连接。
2.根据权利要求1所述的Ku波段固态功率放大器，其特征在于：所述放大器模块(2)包含Ku波段90毫瓦放大器、第一隔离器、Ku波段2.8瓦放大器、四路功率分配器、四组Ku波段20瓦放大器、四组第二隔离器；所述Ku波段90毫瓦放大器、第一隔离器、Ku波段2.8瓦放大器、四路功率分配器依次连接，所述四路功率分配器输出端连接四组Ku波段20瓦放大器，四组所述Ku波段20瓦放大器分别连接四组第二隔离器。
3.根据权利要求2所述的Ku波段固态功率放大器，其特征在于：所述Ku波段90毫瓦放大器、Ku波段2.8瓦放大器、Ku波段20瓦放大器均采用沉入式衬块形式。
4.根据权利要求1所述的Ku波段固态功率放大器，其特征在于：所述控测模块(4)包括过流保护电路和过温保护电路。
5.根据权利要求4所述的Ku波段固态功率放大器，其特征在于：所述过温保护电路具体采用的是基于温度检测芯片LM94022的过温保护电路。
6.根据权利要求1所述的Ku波段固态功率放大器，其特征在于：所述散热系统(1)由两只风机、六块均热板和散热器构成。
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