CN109639293B - 一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC - Google Patents

一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC,包含一个中频信号和参考信号共用输入端口、两个射频输出端口、一个电源输入端口及一个低频控制信号输入端口，该Ka/Ku双频BUC一体集成有Ka、Ku两个频段的上变频单元和功率放大单元，并通过一控制终端实现切换，同时具有共用的散热单元、电源单元及监控单元；其中，该双频BUC中频输入端接收信号，通过控制终端选择Ka频段或Ku频段，对选中的频段进行功率放大，并发送至天线。本发明的小体积Ka/Ku双频BUC，可双频一体交替工作以能确保商用飞机在全球空域飞行，跨越不同地域不同卫星通信频段，能够实现切换自如实时通信。

Description

一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC
技术领域
本发明涉及通信领域，尤指一种Ka/Ku双频BUC。
背景技术
随着科技发展和互联网时代的到来，民航空中wifi业务正在世界范围内快速普及逐渐成熟。国内民航空中wifi业务还处于起步阶段，正在探索、追赶。
卫星通信系统是实现民航空中wifi业务的关键设备，其主要工作在微波毫米波范围内(即Ku、Ka频段)，以避免干扰。能够工作在Ka、Ku频段的BUC作为卫星通信系统中最重要的组成部分，适用于民用航空通信，是保证民航机舱内旅客空地信息互联的必要设备。
目前在卫星通信BUC(上变频功率放大器)领域，产品内部功率器件大多数采用砷化镓金属半导体接触肖特基势垒晶体管(GaAs MESFET)，单管功率小、效率低，不易实现产品的高效率和小体积，因而不能适应对功耗和重量要求非常高的民航领域。另外，现在的BUC中的功率分配器和功率合成器多采用微带线功率合成，而微带线功率合成虽然技术难度小，工艺简单，但差损较大，受到寄生参量影响大，相位离散大。因而该领域急需一种能满足Ka波段和Ku波段两种波段的民航卫星通信需要的，具备高效率、低成本、小体积、方便携带和安装特点的Ka/Ku双频BUC。
目前，在实际应用中，如图1所示，为单独一个频段的发射机系统结构示意图，现有的发射机，都是单一频段的发射机独立工作。发射机内部包含上变频单元、功率放大单元、散热单元、电源单元及监控单元等，如需要在系统中用到两个频段的发射系统时，就做两个发射机，且两个频段发射机分别是独立结构。
由于卫星大容量通信主要集中在两个频段Ku和Ka频段，大容量通信卫星通常都携带大量不同频段的转发器，而地面固定用户一般只租用一个信道就可以使用卫星进行通信了。但是由于商用飞机在全球空域飞行时会经常飞跨不同卫星转发器覆盖的信号区域，这就涉及到使用Ku和Ka两个不用频段进行卫星通信的问题。通常解决这个办法就是使用两套天线系统(包含发射机、接收机系统)，但是两套不同系统带来的问题就是设备量的增加，造成系统超重、预算增加，而且传统的独立两个频段的发射系统，在运用到卫星通信系统中时控制接口复杂，容易造成控制部分出现问题，维护成本高。并且每一个发射机分别都包含上变频单元、功率放大单元、散热单元、电源单元及监控单元等，功能结构独立，其中散热单元、电源单元及监控单元都是重复利用，造成体积重量、制造成本居高不下，每种发射机重量都在5Kg以上，制造成本高昂。
所以如果能将Ku和Ka两个频段的统一到一起，设计一台发射机、一套天线解决不同频段的通信问题，必将带来使用上的方便，而且用户体验会更加流畅。
另外，基于民航空中wifi体系的特殊性，需要一种特殊密封设计，同时还需要确保良好的散热性，由于密封和小体积会增加高频电子元器件的相互干扰，因此，这些也是本领域技术人员急于解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明主要目的在于提供一种一体化设计的具备高效率、低成本、小体积、方便携带和安装特点的Ka/Ku双频BUC，可实现机载应用环境、可双频一体交替工作以能确保商用飞机在全球空域飞行，跨越不同地域不同卫星通信频段，能够实现切换自如实时通信。
针对商用飞机加装卫星通信系统需要运用到Ka、Ku两个频段的信道，且实现实时切换的实际情况，解决传统的独立频段的发射机会增加整体系统的占用空间，且控制接口复杂等不利条件，本发明的一种双频BUC(上变频功率放大器)意欲通过设计电路将电源、散热、控制、结构单元设计为可以共用一个；其次将上变频单元和功率合成单元采用MCM(多芯片的互联技术)、空间合成技术，及通过大幅度合并同类电路单元如倍频单元等，射频通道以实现体积最小化。
为实现这一目的，本发明的双频段发射机的主要构思在于将Ka、Ku两个频段的上变频单元和功率放大单元集成于一体构成一个标准件，通过控制开关实现切换自如，并且共用一个散热单元、一个电源单元及监控单元等其他辅助单元，该发明主要解决的是避免双通道信号之间出现干扰和噪声超标等指标问题，以及在实现上述目标的情况下实现体积最小化及完成组件的密封以确保安全可靠。
为实现上述目的，本发明提供了一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC,包含一个中频信号和参考信号共用输入端，及两个射频输出端，该Ka/Ku双频BUC一体集成有Ka、Ku两个频段的上变频单元和功率放大单元，并通过一控制终端实现切换，同时具有共用的散热单元、电源单元及监控单元。
其中，该双频BUC输入端接收信号，通过控制终端选择Ka频段或Ku频段，并对选中的频段进行功率放大，并发送至天线。
其中较佳的：
所述控制终端包含对双频控制开关的切换控制、两个频段的上变频单元和功率放大单元的上去电控制、两个频段本振源的输出频率控制；以及两个频段各单元的工作参数采集和故障上报等功能。
所述上变频单元和功率放大单元包含Ka上变频单元、Ku上变频单元、Ka功率放大单元、Ku功率放大单元，且各上变频单元、功率放大单元为相互独立且各自密封的上变频模块、功率放大模块。
所述的上变频单元均包括中频放大电路、本振、混频和射频放大电路四部分。
所述的Ka功率放大单元包括、一分四路功分器、四路功率放大、四合一合成器；Ku功率放大单元包括一分二路功分器、两路功率放大、二合一合成器；且所述功率放大单元均采用波导合成技术设计，以提高合成效率和提高功率放大单元的可靠性。
所述的两个频段的功率放大单元的放大器是均采用了宽禁带三代氮化镓器件(三代器件氮化镓功率管)。氮化镓器件，属于三代半导体器件。GaN宽禁带器件具有高击穿、低截止漏电流的特点，这样可以降低功耗，提高效率。而且高温工作下，可不用或少用散热设施，避免形成局部过热，达到减少体积的目的。GaN宽禁带器件固态功率放大器相对传统的硅或GaAs器件固态功率放大器具有很大的优势。由于GaN的禁带宽度比硅或GaAs宽3倍，可实现高温工作和低噪声。Si或GaAs器件沟道温度一般均低于200℃，而GaN器件禁带宽度宽，少数载流子对温度不大敏感，材料本身有耐受高温的优势，可实现300－600℃的高温工作，从而可不用或少用冷却系统。可快速散热，可不用或少用散热设施，对于本发明来说由于体积小、重量轻，十分合适。
所述上变频模块接口为SMP，且输入端有温敏衰减器，以保证驻波，而输出为波导微带探针转换，以保证密闭性。
所述功率分配器和功率合成器均采用波导形式；Ka功率放大单元的四路功率模块的输出接口均采用WR-28波导口，采用微带－同轴－波导的转换方式，以实现密闭性，且有足够的频带宽度；Ku功率放大单元两路功率模块的输出接口均采用WR-62波导口，同样采用微带－同轴－波导的转换方式。
所述单元各部是采用模块化设计，每个单元为相对独立的部分，上变频单元模块和功率放大单元模块均为独立的腔体结构，实现密闭性，上变频单元是利用MCM工艺实现形成标准密封模块，各模块之间用电缆或波导连接，同时在输出波导口加密封橡胶圈，以进一步提高密封性，并且对整机盒体外表面进行相应的密封处理，以使密封性能满足使用环境的要求。模块化设计首先结构上考虑分腔，使得中频放大单元、本振单元、混频单元、功率放大单元和电源单元等分别有不同的腔体。
Ka上变频单元是中频信号输入和本振信号经过混频器混频后输出射频信号，再通过隔离、射频放大、腔体滤波后输出上边带信号，由于选择低本振，实现了发射频谱不倒置；本振信号经隔离器加到混频器，混频器选用混频芯片HXX329，射频放大器选用MXX4040，末级射频功率放大选用HXX906，放大输出后经过隔离器连接到腔体滤波器，滤除混频所产生的交调分量，以满足BUC的杂散抑制，腔体滤波器输入输出均采用波导连接，实现对交调分量的抑制；
Ku上变频单元是将中频信号输入和本振信号经过混频器混频后输出射频信号，再通过射频放大、隔离器、腔体滤波后输出上边带信号，由于选择低本振，实现了发射频谱不倒置，本振信号经隔离器加到混频器，混频器选用混频器HXX554，射频放大器选用功率单片HXX3653，末级射频功率放大选用TXX8659-FL，放大输出后经过隔离器连接到腔体滤波器，滤除混频所产生的交调分量，以满足BUC的杂散抑制，腔体滤波器输入采用SMA接口，输出采用波导连接，实现对交调分量的抑制。
较佳的，所述电源单元及监控单元亦为各自独立且密封电源模块、监控模块，电源模块中的DC-DC电源变换模块，是采用底部升出凸台的方式进行固定及散热。
所述电源及监控电路括负压快启动电路、DC-DC变换，失锁告警及保护电路、温度检测及温度保护电路、功率检测电路和增益调整电路。
所述的利用MCM工艺实现中频放大单元和上变频单元形成标准密封模块，对于小型化技术主要采用多芯片的互联技术(MCM技术)对于多个裸芯片采用MCM技术予以封装。
该一体化设计的Ka/Ku双频BUC为采用压模工艺制作。
所述功率分配器和功率合成器设计，功率分配器和功率合成器均采用波导形式。由于该BUC的Ku功放单元是采用两只35W基本功率模块进行波导合成的，Ka功放单元是采用四只8W基本功率模块进行波导合成的，
d.波导合成，进行四合一(二合一，再合一)，得到BUC相应的饱和输出功率P＞44dBm。三代功率放大器件的应用末级功放采用四只GaN功率器件，MXX2595芯片。
末级功放采用两个四合一并排方式，处于同一平面，风冷，散热良好。
同时为达到密闭性要求，每个TXX2595放大级都采用密闭盒体，采用波导探针转换的方式，实现密闭性。
采用空间合成技术，主要是为了提高合成效率和提高功率放大单元的可靠性。
Ka/Ku双频BUC采用波导空间合成主要是为了提高合成效率，使两路功放输出能量的传输和叠加过程是发生在波导内部，可以有效的降低传输损耗。
其中，Ka/Ku双频BUC包括本振单元、中频放大单元、上变频单元、功率放大单元和电源及监控单元五部分采用模块化设计，利用MCM工艺实现中频放大单元和上变频单元形成标准密封模块，其它各个单元也为相对独立的模块，完成各自的电性能。而参考信号是通过在中频输出口增加低通滤波器输出得到。本振单元采用集成锁相源方案，将集成锁相源输出的信号进行高通滤波输出。
借助上述技术方案，本发明的主要有益效果在于：
本发明将卫星通信的Ku频段和Ka频段的集于一个发射机上，通过设计合理电路实现双频段一体化设计，解决Ku和Ka宽带信号传输问题，改变了传统发射机的单一频段收发信号的现状，实现了双频一体交替工作。本发明功率放大器采用宽禁带三代半导体氮化镓器件，低功耗，高效率、体积小、重量轻等优点。
且由于本发明的设备采用了模块化构建技术，设备具有故障定位准确、维修更换方便的特点，设备具有良好的散热，具有较好的可靠性与可维护性。
借助独立的腔体结构，以实现密闭性，各模块之间用电缆或波导连接，这样也增强了整机的密封性，同时在输出波导口加密封橡胶圈，进一步提高密封性，并且对整机盒体外表面进行相应的处理，使本发明的Ka/Ku双频BUC密封性能满足使用环境的要求。
附图说明
图1为单独一个频段的发射机系统结构示意图；
图2为本发明Ka/Ku双频BUC发射机组成原理框图；
图3为本发明一具体实施例的二合一仿真模型；
图4为图3仿真结果图；
图5、6本发明一具体实施例的波导与微带探针转换仿真及结果图；
图7本发明以具体实施例的Ka本振单元详细电路框图；
图8本发明以具体实施例的Ku本振单元详细电路框图。
具体实施方式
本发明的Ka/Ku双频BUC是将来自Modem的IF信号，上变频至Ku&Ka波段信号。就“空中wifi”系统而言，本发明的Ka/Ku双频BUC在同一时间，BUC只工作在一个频段。而对于Modem，BUC没有频段的区分，只有一个输入接口。而整个双频BUC作为独立的功能组件，提供的标准接口与其它组件进行电连接，实现系统功能，在卫星通信系统中发挥重要的作用。本发明的Ka/Ku双频BUC工作时是由通信终端将L频段中频信号及10MHz参考信号从该Ka/Ku双频BUC的“IF-In”端口输入，通过控制终端选择Ka频段、Ku频段，并对选中的频段进行功率放大，并发送至天线。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明的一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC,为一独立的发射机，其具有一个中频信号和参考信号共用输入端，及两个射频输出端，并且，该Ka/Ku双频BUC内一体集成有Ka、Ku两个频段的上变频单元和功率放大单元，并可通过一控制终端(本具体实施例是借助一双频控制开关)实现切换，同时具有共用的散热单元、电源单元及监控单元。
在本具体实施例中，双频控制开关设置在Ka上变频的中频链路内。来自Modem的IF信号先进入经过Ka上变频单元，经过中频放大器、数控衰减器输入给双频控制开关，双频控制开关在控制终端的控制下实现切换。如果选择Ka频段工作，则双频控制开关掷到Ka上变频单元内的后续电路进行中频放大和混频等操作；如果选择Ku频段工作，则双频控制开关掷到Ka上变频单元的中频输出接口，通过电缆进入Ku上变频单元内进行Ku频段发射机后续电路的中频放大和混频等操作。该双频控制开关采用单刀三掷设计，一路接Ka上变频，一路接Ku上变频，一路接匹配负载，通过控制终端程序实现在两个频段之间切换过程中先掷到匹配负载端，待各单元工作状态稳定后，在掷到需要工作的频段，以防止产品在切换时出现非正常的工作状态，造成产品损坏，提高产品应用的可靠性。
在本具体实施例中，BUC和散热器总体结构外形为一240mm×220mm×83mm盒体，该盒体分两部分，上部为本发明的BUC电路模块的密封空间，而散热器和风机安设于下部。该散热器具有作为强迫制冷的风道的散热片密集的部分，而散热片稀疏的部分为自然散热，风机装配在结构的内部。其中功率放大单元为空间波导功率合成，每路为一级芯片组成的基本功率模块，因此采用微带－同轴－波导转换的方式，这样既有利于调试，又实现密封性，从而提高可靠性。
在本具体实施例中，本发明的Ka/Ku双频BUC主要包括Ka上变频单元、Ku上变频单元、Ka功率放大单元、Ku功率放大单元和电源及监控单元等模块化设计的六个部分，每个单元为相对独立的部分，上变频单元模块和功率放大单元模块均为独立的腔体结构，以实现密闭性，各模块之间用电缆或波导连接，这样也增强了整机的密封性。整机的各部件(模块)组成及其连接如图2所示。自Modem的IF信号先进入产品后经过射频连接电缆进入Ka上变频单元，经过双频控制开关选择在内部进行Ka频段工作，还是通过射频电缆输出给Ku上变频单元进行Ku频段工作。Ka频段和Ku频段上变频输出分别给两个功率放大单元输出给两个射频输出口。电源单元通过低频电缆插排给各单元供电。控制终端单元通过低频电缆插排给各单元控制信号以实现整机要求的工作状态，并采集各单元的工作参数进行上报。
同时在输出波导口加密封橡胶圈，进一步提高密封性，并且对整机盒体外表面进行相应的处理，使本发明的Ka/Ku双频BUC密封性能满足使用环境的要求。
请同时参见图1及图2，相对于单频BUC，本发明的Ka/Ku双频BUC主要包括集成于一体的Ka、Ku两个频段的上变频单元和功率放大单元，所述的上变频单元和功率放大单元也统称为发射通道单元，该发射通道单元包括Ka上变频单元、Ku上变频单元、Ka功率放大单元、Ku功率放大单元，其余的部分：电源及监控单元等部分是共用的。亦即整个BUC由发设通道单元、电源单元、监控单元以及若干电缆和波导件组成。与现有的BUC另一个不同点在于，本发明的双频BUC新增了一个双频控制开关，具有频带自动选择功能，以便实现Ka、Ku两个频段工作模式以择一的方式切换。
在本具体实施例中，为了简化BUC内部的连接关系，同时便于故障定位，减少维修时间，故此将整个BUC的具有的Ka上变频单元、Ku上变频单元、Ka功放单元、Ku功放单元、电源单元、监控单元采用模块化设计技术，构成具有独立功能的相应模块，并借助若干电缆和波导件组成该Ka/Ku双频BUC整体。本发明的Ka/Ku双频BUC采用一体化设计后，整个双频BUC的壳体内主要设有上变频模块，功率放大模块，监控模块和电源模块以及若干用于各模块连接的电缆和波导件。
进一步的，本发明对各单元采用了分腔处理，避免相互间串扰，增强电磁兼容能力，特别是功率放大单元，由于频率较高，功率较大，需独立成腔，这样使电路工作稳定性大为提高。同时考虑散热问题，尽量加大各热源之间的距离，并在结构设计中增强散热路径，使双频BUC的可靠性进一步提高。以下具体说明各单元技术细节。
1)上变频单元
如图2所示，本发明的上变频单元主要包括包括中频放大电路、本振单元、混频和射频放大电路四部分。
在本具体实施例中，Ka上变频单元是将中频信号输入和本振信号经过混频器混频后输出射频信号，再通过隔离、射频放大、腔体滤波后输出上边带信号，由于选择低本振，实现了发射频谱不倒置；
本振信号经隔离器加到混频器，混频器选用混频芯片HXX329，选用混频器的主要是考虑降低本振的输出频率，使得本振单元实现变得相对容易。射频放大器选用MXX4040。
末级射频功率放大选用HXX906，放大输出后经过隔离器连接到腔体滤波器，滤除混频所产生的交调分量，以满足BUC的杂散抑制。腔体滤波器输入输出均采用波导连接，实现对交调分量的抑制。
在本具体实施例中，Ku上变频单元是将中频信号输入和本振信号经过混频器混频后输出射频信号，再通过射频放大、隔离器、腔体滤波后输出上边带信号，由于选择低本振，实现了发射频谱不倒置；
本振信号经隔离器加到混频器，混频器选用混频器HXX554，选用混频器的主要是考虑降低本振的输出频率，使得本振单元实现变得相对容易。射频放大器选用功率单片HXX3653，末级射频功率放大选用TXX8659-FL；
放大输出后经过隔离器连接到腔体滤波器，滤除混频所产生的交调分量，以满足BUC的杂散抑制。腔体滤波器输入采用SMA接口，输出采用波导连接，实现对交调分量的抑制。
在本发明的该具体实施例中，上变频单元为独立的腔体，接口为SMP。上变频单元的波导隔离器前采用独立的腔体，且输入设计有温敏衰减器，保证驻波，输出为探针波导转换，以保证密闭性。由于本振单元在整个BUC的设计中占有重要的位置，输出信号的相噪、杂波抑制和功率稳定性直接影响着发射通道单元的性能指标，因此较佳的设为一个独立的模块。
本实施例的本振单元采用集成锁相源方案，将集成锁相源输出的信号进行高通滤波输出。
Ka本振单元和Ku本振单元详细电路参见图7、图8所示.
2)功放单元
2.1)Ka功率放大单元包括、一分四路功分器、四路功率放大、四合一合成器。采用空间合成技术，主要是为了提高合成效率和提高功率放大单元的可靠性。
末级功放采用四只TXX2595波导合成，进行四合一，得到BUC相应的饱和输出功率P＞44dBm。末级功率管选功率芯片TXX2595，末级功放采用两个四合一并排方式，处于同一平面，风冷，散热良好。
同时为达到密闭性要求，每个TXX2595放大级都采用密闭盒体，采用波导探针转换的方式，实现密闭性。
2.2)Ku功率放大单元包括一分二路功分器、两路功率放大、二合一合成器。均采用空间合成技术，主要是为了提高合成效率和提高功率放大单元的可靠性。
末级功放采用两只TXX2239波导合成，进行二合一，得到Ku频段BUC相应的饱和输出功率Pout＞46dBm。末级功率管选用功率芯片TXX2239。
其中，末级功放采用一组二合一并排方式，处于同一平面，风冷，散热良好。同时为达到密闭性要求，每个TXX2239放大级都采用密闭盒体，采用波导探针转换的方式，实现密闭性。
针对功放模块，本发明提供了独特的功率合成技术；高效率合成技术是实现本发明目得的技术难点，大功率情况下各单元的幅度和相位的一致性控制是其中的关键。
首先是功率分配器和功率合成器设计，本发明的功率分配器和功率合成器均采用了波导形式。相对于本领域通常采用的合成技术难度小、工艺简单、但差损较大、受到寄生参量影响大、相位离散大的微带线功率合成，本发明采用了设计难度大、但优点居多、差损小、散射小、合成效率高的波导合成。并在在设计、加工、装配过程中严格控制精度，使技术参数达到设计值。
在本发明的具体实施例中，由于该BUC的Ku功放单元是采用两只35W基本功率模块进行波导合成的，Ka功放单元是采用四只8W基本功率模块进行波导合成的，为提高合成效率，基本功率模块的增益和相位一致性提出了很高的要求。在电路设计上主要把握以下几点：
a.选用同批次的功率器件，能有效的保证增益和相位的一致性；
b.对波导合成器提出相位一致性要求，要求相对相位≤5°；
c.产品在测试过程中，要保证增益一致性≤0.5dB，相位一致性≤10°，若不满足该指标要求，则通过调整预设的调试点，可以微调功放单元的增益和相位。
d.波导合成，进行四合一(二合一，再合一)，得到BUC相应的饱和输出功率P＞44dBm。
末级功放采用两个四合一并排方式，处于同一平面，风冷，散热良好。波导合成仿真图见图3、4所示。
而且，本发明的BUC采用了波导微带探针转换的方式，以实现波导输入输出口的密闭性。以实现本发明的BUC水密性要求。Ka/Ku双频BUC采用波导空间合成主要是为了提高合成效率，使两路功放输出能量的传输和叠加过程是发生在波导内部，可以有效的降低传输损耗。Ku频段功率模块输入输出接口为WR-62，所以合成器和功分器的输入接口采用WR-62波导口，由于WR-62矩形波导口尺寸较小，可以有效减小体积。
波导-同轴-微带探针转换仿真如图5、6所示。
其中：
1)Ka功率放大单元的四路功率模块的输出接口均采用WR-28波导口，由于功率单片电路需要使用微带电路，因此就需要在每个放大器的输出端制作一个微带波导过渡，那么该微带波导过渡插入损耗的大小将直接影响到组件的输出功率。我们采用微带－同轴－波导的转换方式，这样可实现密闭性，而且应有足够的频带宽度，装卸容易，调试方便。
2)Ku功率放大单元两路功率模块的输出接口均采用WR-62波导口，由于功率单片电路需要使用微带电路，因此就需要在每个放大器的输出端制作一个微带波导过渡，那么该微带波导过渡插入损耗的大小将直接影响到组件的输出功率。在Ku频段我们同样采用微带－同轴－波导的转换方式，这样可实现密闭性，而且应有足够的频带宽度，装卸容易。
鉴于本发明的BUC工作频率高(达Ku、Ka频段)，发明在BUC的末级放大采用的新型的宽禁带三代氮化镓(GaN)器件，具有以下优点：
1、转换效率高：常规器件(GaAs MESFET)一般转换效率在20％～25％之间，而我们BUC末级氮化镓(GaN)器件的工作效率可达50％以上；
2、GaAs功率器件最高结温175℃，GaN功率器件最高结温可达200℃且热传导率高于前者；
3、相比而言，GaN功率器件的耐高温、抗辐射耐酸碱、耐高温、高硬度，可靠性好。
3.)电源及监控单元
电源单元及监控单元主要包括：负压快启动电路、DC-DC变换，失锁告警及保护电路、温度检测及温度保护电路、功率检测电路和增益调整电路，以及负责选择Ka频段或Ku频段的控制终端。具体监测控制和保护功能如下：
设备加电，Ka/Ku双频BUC开机，断电关机；
温度检测电路和保护电路；
失锁状态告警电路和保护电路；
增益加减控制；
输出功率监测，双频BUC射频输出功率指示；
工作频段(Ka频段或Ku频段)选择。
其中，电源单元中的DC-DC电源变换模块，为电源单元中的主要热源，在结构设计中需加强散热，采用底厚为3mm，升出凸台的方式进行固定及散热。
a.DC-DC变换
DC/DC变换电路，其主要作用是+28V转换为功放单元需要的+20V和-5V电源，模块内部要有过流过压和欠压保护，并且在过流过压的时候关断电源模块输出。为了提高效率要求DC/DC电源转换效率≥90％。同时，由于功率放大单元功耗较大，一个四合一功耗约150W，因此需用致茂公司的350W功耗DC-DC电源模块1个供电。采用型号为ZMM350-28S23MJ，输入电压18-36V，输出电压20V。
b.-5V整流滤波电路设计
☆-5V输出电路
由于GaN场效应管要求负压必须稳定可靠,且纹波电压低，设计中采用12S05通过DC/DC二次变换来实现。为了保护FET能安全工作，需要负压比正压先启动后关断，设计了负压快启动电路，使负压在100μs内上升到-3V，而此时+20V电源输出＜0.5V，保证FET的安全工作，电源稳压后快启动电路停止工作，而关断时由于-5V负载极轻，放电缓慢，保证了负压的后关断。
☆输入滤波电路
BUC工作在大功率状态，供电电路的电磁环境较为复杂，为保证对外电路产生电磁干扰问题，经过保险丝后均配置独立的EMI滤波器，插入EMI滤波器后首先可以有效的防止电源模块之间的信号串扰，同时衰减了开关电源产生的脉动信号，防止在电源母线上产生较强的传导干扰信号。
c.负压快启动电路
由于氮化镓单片加电顺序有严格要求，所以DC-DC内部设有负压快启动电路，保证负压先于正压先加。
d.失锁告警及保护电路
若本振失锁时，本振单元提供一路失锁告警电平，即失锁指示(LD)输出会由正常工作状态的高电平变为低电平，控制DC-DC电源变换模块的控制端，失锁时功放电源关断。
e.温度保护电路
在BUC的适当部位放置一个温度传感器DS18B20，将反映壳体温度的电信号送到监控单元，用来监测本模块是否过热。如果过热，则输出电平输入到DC-DC电源变换模块的控制端口，当温度超过设定温度时，输出低电平，关断电源。
f.功率监测
为了功率监测，需要在BUC的输出端实现功率检波，所以在输出的隔离器上设计有耦合口，Ka频段的耦合度为35dB，Ku频段的耦合度为40dB，耦合出来的输出功率通过检波二极管CHE1270线性检出射频信号，用于功率监测。功率监测电路输出的电压反映BUC的输出功率的大小。BUC输出采用耦合器耦合功率，通过检波二极管CHE1270给出幅度。将检波输出信号经过运放MAX4212放大输出，通过调整放大量使正常状态下输出遥测电压0～3.3V。
另外，本发明小型化时还需要考虑如下问题：
1)杂散抑制，Ka/Ku双频BUC技术要求杂散输出≤-60dBc(饱和输出功率为参考)。杂散的产生通常有边带信号、本振的杂散、以及DC-DC的振荡频率等，这其中有两个传播途径，一是设备自身产生的杂散按照正常传播途径通过调制、混频等方式通过BUC发射出去，而是由于设备内部结构、电路设计不合理通过空间辐射、地线、信号线的串扰寄生在主频谱上发射出去从而对系统产生影响。这两种途径需分别予以控制。
为了实现.杂散抑制，本发明的一具体实施例首先结构上考虑的是分腔，利用中频放大单元、本振单元、混频单元、功率放大单元和电源单元等分别有不同的腔体，加有两层盒盖，可有效防止信号通过空间串扰，其次电源、控制线等考虑到信号传输的复杂性，滤波要充分，对可能寄生的高中低频杂散信号均要加上合适的滤波电路予以滤除。
其次在发射通道上变频单元的输出端加有一个腔体滤波器。
2)大功率输出散热设计，BUC的功率放大单元，热耗较为集中，特别是末级6只功率芯片的散热解决很关键，功率芯片装配在盒体的底面，接触充分，使功率芯片产生的热量及时地散发到盒体，有效地控制了功率管温度的急剧上升，传导的热量主要集中在盒体的底部；在确保产品总重量在规定的范围内情况下，增加功放盒体底部的厚度，即增加了盒体的热容量，有利于控制功率管的温度的上升；发热器件的布局均匀合理，热源分散。
按照BUC的工作温度最高为55℃，采用有限元的方法通过分析软件对BUC的结构进行热分析，并采用风冷方式，分析了稳态时盒体温度场分布。
经过分析软件设计，得到BUC和散热器总体结构外形为240mm×220mm×83mm，上面为BUC的盒体，下面为散热鳍片朝外的散热器和相应的风机。
外部结构中上面的密封部分为BUC，下面的散热片密集的部分为强迫制冷的风道，散热片稀疏的部分为自然散热，风机装配在结构的内部。
经测试，在环境温度为55℃时，装配3个风扇，芯片的最高温度为126℃。
3)大功率输出散热设计；
考虑到散热问题，功率放大单元中的末前级和末级功率管为主要热源，尽量加大各热源之间的距离，并在结构设计中增强散热路径，使BUC的可靠性近一步提高。
电源单元中的DC-DC电源变换模块，在结构设计中需加强散热，腔体采用底厚为3mm，升出凸台的方式进行固定及散热。
综上，本发明的双频BUC(上变频功率放大器)分别工作于是Ku频段和Ka频段。它是民航空中wifi体系重要组成部分，是保证民航机舱内旅客空地信息互联的关键设备中的关键组件，经在民航机舱中进行了机载实验验证，其结果满足空中wifi的需要，完全满足微波毫米波电性需求，测试结果很好。符合RTCO SC-135(民用航空设备欧洲组织)要求。本发明主要是进行了模块化、一体化设计，本发明的双频BUC主要是采用了多芯片的互联技术(MCM技术)对于多个裸芯片采用MCM技术封装，以及对大功率芯片的烧结、装配，实现了电子组装的高密度化、小型化和轻量化，并提高了本发明的BUC产品的可靠性。
本发明主要是在以下方面做了进一步改进：
1、采用了Ku、Ka频段一体化设计，实现了双频一体交替工作，且达到了体积小的目的，且在一具体实施例中结构尺寸达到了240mmX210mmX83mm；在如此小的体积内实现双频复杂的双频电性能并到达了产品设计要求；
2、本BUC采用模块化设计，各个单元设计为独立的模块功能单元，整机出现故障时，可方便更换模块。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC,包含一个中频信号和参考信号共用输入端口、两个射频输出端口、一个电源输入端口及一个低频控制信号输入端口，其特征在于，该Ka/Ku双频BUC一体集成有Ka、Ku两个频段的上变频单元和功率放大单元，并通过一控制终端实现切换，同时具有共用的散热单元、电源单元及监控单元；
其中，该双频BUC中频输入端接收信号，通过控制终端选择Ka频段或Ku频段，对选中的频段进行功率放大，并发送至天线；
所述控制终端包含对双频控制开关的切换控制、两个频段的上变频单元和功率放大单元的上去电控制、两个频段本振源的输出频率控制；以及两个频段各单元的工作参数采集和故障上报功能；
所述上变频单元和功率放大单元包含Ka上变频单元、Ku上变频单元、Ka功率放大单元、Ku功率放大单元，且各上变频单元、功率放大单元为相互独立且各自密封的上变频模块、功率放大模块；
所述Ka上变频单元是中频信号输入和本振信号经过混频器混频后输出射频信号，再通过隔离、射频放大、腔体滤波后输出上边带信号，由于选择低本振，实现了发射频谱不倒置；本振信号经隔离器加到混频器，混频器选用混频芯片HXX329，射频放大器选用MXX4040，末级射频功率放大选用HXX906，放大输出后经过隔离器连接到腔体滤波器，滤除混频所产生的组合分量，以满足BUC的杂散抑制，腔体滤波器采用波导连接，实现对交调分量的抑制；
所述Ku上变频单元是将中频信号输入和本振信号经过混频器混频后输出射频信号，再通过射频放大、隔离器、腔体滤波后输出上边带信号，由于选择低本振，实现了发射频谱不倒置，本振信号经隔离器加到混频器，混频器选用混频器HXX554，射频放大器选用功率单片HXX3653，末级射频功率放大选用TXX8659-FL，放大输出后经过隔离器连接到腔体滤波器，滤除混频所产生的交调分量，以满足BUC的杂散抑制，腔体滤波器输入采用SMA接口，输出采用波导连接，实现对交调分量的抑制；
Ka功率放大单元包括一分四路功分器、四路功率放大、四合一合成器；Ku功率放大单元包括一分二路功分器、两路功率放大、二合一合成器；且所述功率放大单元均采用波导合成技术设计，以提高合成效率和提高功率放大单元的可靠性；
所述上变频模块接口为SMP，且输入端有温敏衰减器，以保证驻波，而输出为波导微带探针转换，以保证密闭性；
所述功分器和合成器均采用波导形式；Ka功率放大单元的四路功率模块的输出接口均采用WR-28波导口，采用微带－同轴－波导的转换方式，以实现密闭性，且有足够的频带宽度；Ku功率放大单元两路功率模块的输出接口均采用WR-62波导口，同样采用微带－同轴－波导的转换方式；
变频单元、功率放大单元、散热单元、电源单元及监控单元是采用模块化设计，每个单元为相对独立的部分，上变频单元模块和功率放大单元模块均为独立的腔体结构，实现密闭性，上变频单元是利用MCM工艺实现形成标准密封模块，各模块之间用电缆或波导连接，同时在输出波导口加密封橡胶圈，以进一步提高密封性，并且对整机盒体外表面进行相应的密封处理，以使产品实现水密，密封性能满足使用环境的要求。
2.根据权利要求1所述的一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC，其特征在于，所述的上变频单元均包括中频放大电路、本振、混频和射频放大电路四部分。
3.根据权利要求1所述的一种一体化设计的Ka/Ku双频BUC,其特征在于，所述功率放大单元放大器均采用了宽禁带三代氮化镓器件。
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