CN110299928A - 一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，属于航空航天科技领域，包括第一电桥、第二电桥、第一环形器、第二环形器、第一高功率放大器、第二高功率放大器、第一极化天线、第二极化天线与双平衡LNA接收链路，所述第一电桥与所述第二电桥均为90°电桥，所述第一电桥的第一端口用于输入射频发射信号，所述第一电桥的第二端口与所述第一高功率放大器的输入端相连接。本发明通过将发射支路的90°电桥放置于功率放大器之前，既可以实现天线的双极化发射，同时可降低电路插入损耗，提高系统的发射效率，增强系统可靠性，提升系统的带宽性能；并且在接收支路中，采用了双平衡限幅低噪声放大器，保障了环形器端口的驻波特性。

Description

一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端

技术领域

本发明涉及航空航天科技领域，具体涉及一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端。

背景技术

射频前端主要完成发射和接收两个功能，通常由发射通道和接收通道共同组成。发射通道主要完成射频激励信号的放大与有效发射，接收通道将天线接收的回波信号放大，并保证较低的噪声系数。对星载有源相控阵雷达来说,雷达阵面上的射频前端数量少则几十上百件,多则成千上万件,其研制成本占整个雷达总造价的70％左右。因此,射频前端的性能实为举足轻重，其设计的好坏关乎着整个相控阵雷达的战技优劣。对于造价极高的星载平台环境而言,对射频前端除了要求其具备高可靠性外，还希望其发射效率尽可能高。对于高功率、宽带射频前端，其电路损耗一般会随着带宽的增加而增加，提高射频前端的发射效率也有利于宽带系统的实现。

采用双极化的工作模式具有诸多优势。对于雷达探测而言，可以利用目标对不同极化电磁波的散射特性不同,获取丰富的目标特征信息，从而更好的区分和鉴别探测目标；对于移动通信系统来说，采用双极化天线的基站极化分离系统可以有效地消除信号多径衰落现象,提高基站的信号接收质量；对于卫星通信系统而言,采用双极化天线则可以在同一带宽内发射两种不同极化的信号,节约了频率资源,使频带的利用率提高了一倍。目前，基于双极化天线的射频前端的发展也正方兴未艾，其应用前景广阔，设计性能更为优良的基于双极化天线的射频前端具有重要的意义和价值。

传统的基于正交双极化天线的射频前端的工作机理是：发射时，信号依次先通过高功率放大器放大，隔离器控制单向传输，再通过90°电桥分配相位，最后由两个不同极化的天线发射出去；接收时，信号从双极化天线接收下来后，依次先经过90°电桥合成一路总信号，然后经过限幅器，最后由一路低噪声放大器(LNA)对信号进行低噪放大输出，如附图1所示。其中，接收支路与发射支路共用一个90°电桥。

传统的基于正交双极化天线的射频前端为了使两个极化天线的相位相差90°，是通过在功放末级后接上一个90°电桥来实现双极化发射，如图1所示。这种设计固然可使两路发射信号相位相差90°并实现双极化发射，但由于末级功率大，相应的由宽带电桥带来的插入损耗也大，这不仅会降低天线的发射效率，同时电桥损耗产生的废热还增大了系统的散热压力，进而会降低系统效率。此外，宽带电桥放在末级承受射频高功率，需采用耐受高功率并考虑微放电裕量的宽带电桥设计方案，这将进一步增大插入损耗，降低系统效率和可靠性。鉴于传统射频前端存在的以上问题，有必要研究设计一种更为低耗的，更高效发射的，具备更高可靠性的高功率宽带射频前端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现更低耗、更高效发射、更高可靠性的宽带高功率星载射频前端，提供了一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括第一电桥、第二电桥、第一环形器、第二环形器、第一高功率放大器、第二高功率放大器、第一极化天线、第二极化天线与双平衡LNA接收链路，在输出总功率不变的情况下，将发射功放从一个分解为两个，降低了高功率芯片的热密度，直接降低了芯片的沟道温度，所述第一电桥与所述第二电桥均为90°电桥，所述第一电桥的第一端口用于输入射频发射信号，通过所述第一电桥将射频发射信号分为两路等幅而相位相差90°的信号，分别由所述第一电桥的第二端口和第三端口输出，所述第一电桥的第二端口与所述第一高功率放大器的输入端相连接，所述第一电桥的第三端口与所述第二高功率放大器的输入端相连接，通过将发射通道中的90°电桥放置在高功率放大器之前，发射输出链路总插入损耗降低，进而提升了系统的效率；

所述第一环形器与所述第二环形器均为三端口器件，所述第一环形器的第一端口与所述第一高功率放大器的输出端相连接，所述第二环形器的第一端口与所述第二高功率放大器的输出端相连接，所述第一高功率放大器与所述第二高功率放大器将送进来的发射信号进行功率放大后分别送至所述第一环形器、所述第二环形器的第一端口，保证了信号的单向传输；

所述第一环形器的第二端口与所述第一极化天线相连接，所述第二环形器的第二端口与所述第二极化天线相连接，射频前端的构架变化带来了一定的冗余备份能力，即发射功放单路失效时，系统还能单极化工作，不会丧失发射功能；

所述第一环形器的第三端口与所述第二电桥的第一端口相连接，所述第二环形器的第三端口与所述第二电桥的第四端口相连接，所述第二电桥的第三端口与所述双平衡LNA接收链路相连接，所述第二电桥将从所述第一极化天线与所述第二极化天线接受下来的小信号进行合成，并由所述第二电桥的第三端口输出，同时，对输出环行器的功率容量要求降低了3dB，有效地提升了系统的可靠性。

优选的，所述高功率星载宽带射频前端还包括第一匹配吸收负载与第二匹配吸收负载，所述第一匹配吸收负载与所述第一电桥的第四端口相连接，所述第二匹配吸收负载与所述第二电桥的第二端口相连接。

优选的，当信号输入所述90°电桥后被分为两路等幅度且具有90°相位差的信号输出，所述90°电桥根据不同应用需求作为功率分配器或功率合成器使用，所述90°电桥是一种可互易器件，其输入、输出端口视使用方式不同可以互换。

优选的，当所述90°电桥中的一个输出端口发生反射时，返回到相应输入端口的两路信号幅度相等、相位相反，因此反射信号在输入端口刚好抵消，使所述90°电桥能够保证良好的端口驻波。

优选的，信号进入所述第一环形器与所述第二环形器中时沿某一环行方向传输，使信号具有单向传输特性。

优选的，当所述第一环形器与所述第二环形器的第一端口为输入端口时，则其第二端口为输出端口，其第三端口为隔离端口，用作接收时，第二端口的能量只能传输到第三端口。

优选的，所述双平衡LNA接收链路包括第三电桥、第四电桥、第一限幅器、第二限幅器、第一LNA与第二LNA，所述第三电桥与第四电桥均为90°电桥，所述第三电桥的第一端口与所述第二电桥的第三端口相连接，所述第三电桥的第二端口与所述第一限幅器的输入端相连接，所述第三电桥的第三端口与所述第二限幅器的输入端相连接；

所述第一LNA的输入端与所述第一限幅器的输出端相连接，所述第二LNA的输入端与所述第二限幅器的输出端相连接，所述第一LNA的输出端与所述第四电桥的第一端口相连接，所述第二LNA的输出端与所述第四电桥的第四端口相连接，合成后的信号由所述第四电桥的第三端口输出。

优选的，所述双平衡LNA接收链路还包括第三匹配吸收负载与第四匹配吸收负载，所述第三匹配吸收负载与所述第三电桥的第四端口相连接，所述第三匹配吸收负载用于吸收多余反射功率，所述第四匹配吸收负载与所述第四电桥的第二端口相连接，所述第四匹配吸收负载用于吸收多余反射能量。

优选的，当输入所述第一限幅器与所述第二限幅器的射频信号超过限幅值后，输出将被限制在固定电平，不再随输入增加，从而起到限幅保护作用，在低输入电平时，即输入远小于其限幅值时，信号可以不失真的传输。

本发明相比现有技术具有以下优点：通过将发射通道中的90°电桥放置在高功率放大器之前，发射输出链路总插入损耗降低，进而提升了系统的效率；宽带电桥设计由传统的高功率宽带电桥变更为对无功率容限要求的小信号电桥，使其可小型化集成化设计，降低了高功率器件数量，提升了系统可靠性；在输出总功率不变的情况下，将发射功放从一个分解为两个，降低了高功率芯片的热密度，直接降低了芯片的沟道温度；同时，对输出环行器的功率容量要求降低了3dB，有效地提升了系统的可靠性；射频前端的构架变化带来了一定的冗余备份能力，即发射功放单路失效时，系统还能单极化工作，不会丧失发射功能。

附图说明

图1为传统的基于双极化天线射频前端的结构示意框图；

图2为本发明实施例中射频前端的结构示意框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例提供了一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，包括：90°电桥D1，匹配吸收负载R1,高功率放大器HPA1、HPA2，环形器H1、H2，双极化天线T1、T2，90°电桥D2，匹配吸收负载R2，90°电桥D3，匹配吸收负载R3，限幅器X1、X2，低噪声放大器LNA1、LNA2，90°电桥D4，匹配吸收负载R4。

需要说明的是，在本实施例中，第一电桥为90°电桥D1，第二电桥为90°电桥D2，第一环形器为环形器H1，第二环形器为环形器H2，第一高功率放大器为高功率放大器HPA1、第二高功率放大器为高功率放大器HPA2，第一极化天线为天线T1，第二极化天线为天线T2，第一匹配吸收负载为匹配吸收负载R1，第二匹配吸收负载为匹配吸收负载R2。

90°电桥D1将发射小信号分为等幅且相位相差90°的两路，其端口2与功率放大器HPA1的输入端相连，其端口3与功率放大器HPA2的输入端相连，其端口4接匹配吸收负载R1，通过将发射通道中的90°电桥D1放置在高功率放大器之前，发射输出链路总插入损耗降低，进而提升了系统的效率。

高功率放大器HPA1、HPA2对发射信号进行功率放大，其输出端分别连接至环形器H1、H2的端口1。环形器H1的端口2与天线T1相连，其端口3与90°电桥D2的端口1相连。环形器H2的端口2与天线T2相连，其端口3与90°电桥D2的端口4相连。

90°电桥D2的端口2接匹配吸收负载R2，其端口3与90°电桥D3的端口1相连。

90°电桥D3的端口2与限幅器X1的输入端相连，其端口3与限幅器X2的输入端相连，其端口4接匹配吸收负载R3。

限幅器X1、X2的输出端分别与低噪声放大器LNA1、LNA2的输入端相连，低噪声放大器LNA1的输出端与90°电桥D4的端口1相连，低噪声放大器LNA2的输出端与90°电桥D4的端口4相连。

90°电桥D4的端口2接匹配吸收负载R4，其端口3为低噪放大后接收信号输出。

90°电桥D1、D2、D3、D4，其特征是：能将输入信号分为两路等幅度且具有90°相位差的信号，也可将具有90°相位差的两路接收信号进行合成。

90°电桥D1、D2、D3、D4的输入、输出端口可依据使用要求设定，一进两出、两进一出或者两进两出都可以，多余的端口接上足够功率的匹配吸收负载即可，其输入端口的驻波很低。

双平衡LNA接收链路的实现：由90°电桥D3对接收信号等分为两路，然后分别经过限幅器X1、X2与低噪声放大器LNA1、LNA2对接收小信号进行低噪放大，最后通过90°电桥D4在其3端口实现同相合成输出。

需要说明的是，在本实施例的双平衡LNA接收链路中，第三电桥为90°电桥D3，第四电桥为90°电桥D4，第一限幅器为限幅器X1，第二限幅器为限幅器X2，第一LNA为低噪声放大器LNA1，第二LNA为低噪声放大器LNA2，第三匹配吸收负载为匹配吸收负载R3，第四匹配吸收负载为匹配吸收负载R4。

双平衡LNA接收链路采用两路低噪声放大器LNA对信号进行放大，若从天线有发射信号泄露时，其反射信号将在入射端口刚好反向抵消，无用反射能量在匹配吸收负载R4被全部消耗吸收，从而很好的保证了发射天线的驻波特性。

对于发射支路，发射小信号由90°电桥D1的端口1输入，经90°电桥D1进行等功率分配后分别从其2端口与3端口输出，2端口和3端口信号具有90°相位差，理论上端口4的输出功率为0。设输入到端口1的发射信号功率为P0，则理论上从D1的2端口与3端口的出来的信号功率可分别表示为：

P₂＝P0/2

P₃＝P0*j/2

其中，j表示90°相位差。

90°电桥D1两端口的出射波再通过功率放大器HPA1、HPA2进行功率放大，最后分别通过环形器H1、H2单向传输到双极化天线T1、T2发射出去。

以上是理想情况，未考虑电桥的损耗。实际使用时，电桥是有一定电路损耗的，设其损耗率大小为a，则实际到达90°电桥D1的2端口与3端口的功率大小为：

P₂＝(P0/2)*(1-a)

P₃＝(P0*j/2)*(1-a)

因此，耗散在电桥上的功率大小P0*a。

对于传统的射频前端，设其功率放大器HPA1、HPA2的放大倍数为A0，因为其电桥位于功率放大器之后，故耗散在电桥上的功率大小为P0*a*A0。

对于接收支路，理论上，两天线接收功率大小相等。设从双极化天线T1、T2上接收下来的信号功率分别为：

P_T1＝P_T

P_T2＝P_T*j

这两路信号分别由环形器H1、H2送至90°电桥D2的端口1和端口4进行功率合成。在90°电桥D2的2端口出射波的功率为：

P_D22＝P_T/2+(P_T*j)/2*j＝P_T/2-P_T/2＝0

在90°电桥D2的3端口出射波的功率为：

P_D23＝(P_T/2)*j+(P_T*j)/2＝P_T*j

90°电桥D2的3端口出射波随即通过双平衡限幅低噪放大链路进行低噪放大，设低噪声放大器LNA1、LNA2的放大倍数为A，则到达90°电桥D4的1端口和4端口的信号功率分别为：

P_D41＝P_T*j*A/2

P_D44＝P_T*j*j*A/2＝-P_T*A/2

90°电桥D4再对低噪放大后的接收信号进行合成，最后在其2端口和3端口得到的出射波功率分别为：

P_D42＝P_T*j*A/2+(-P_T*A/2)*j＝0

P_D43＝(P_T*j*A/2)*j+(-P_T*A/2)＝-P_T*A

由上可见：在发射支路中，通过将90°电桥置前(放置于功率放大器之前)，可降低电路功耗，提高发射效率，提升系统可靠性，同时也有利于宽带系统的实现。在接收支路中，通过采用双平衡限幅低噪声放大器，保障了环行器端口的良好驻波特性。

综上所述，本实施例中的高可靠性的高功率星载宽带射频前端，通过将发射通道中的90°电桥放置在高功率放大器之前，发射输出链路总插入损耗降低，进而提升了系统的效率；宽带电桥设计由传统的高功率宽带电桥变更为对无功率容限要求的小信号电桥，使其可小型化集成化设计，降低了高功率器件数量，提升了系统可靠性；在输出总功率不变的情况下，将发射功放从一个分解为两个，降低了高功率芯片的热密度，直接降低了芯片的沟道温度；同时，对输出环行器的功率容量要求降低了3dB，有效地提升了系统的可靠性；射频前端的构架变化带来了一定的冗余备份能力，即发射功放单路失效时，系统还能单极化工作，不会丧失发射功能

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：包括第一电桥、第二电桥、第一环形器、第二环形器、第一高功率放大器、第二高功率放大器、第一极化天线、第二极化天线与双平衡LNA接收链路，所述第一电桥与所述第二电桥均为90°电桥，所述第一电桥的第一端口用于输入射频发射信号，所述第一电桥的第二端口与所述第一高功率放大器的输入端相连接，所述第一电桥的第三端口与所述第二高功率放大器的输入端相连接；

所述第一环形器与所述第二环形器均为三端口器件，所述第一环形器的第一端口与所述第一高功率放大器的输出端相连接，所述第二环形器的第一端口与所述第二高功率放大器的输出端相连接；

所述第一环形器的第二端口与所述第一极化天线相连接，所述第二环形器的第二端口与所述第二极化天线相连接；

所述第一环形器的第三端口与所述第二电桥的第一端口相连接，所述第二环形器的第三端口与所述第二电桥的第四端口相连接，所述第二电桥的第三端口与所述双平衡LNA接收链路相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：所述高功率星载宽带射频前端还包括第一匹配吸收负载与第二匹配吸收负载，所述第一匹配吸收负载与所述第一电桥的第四端口相连接，所述第二匹配吸收负载与所述第二电桥的第二端口相连接。

3.根据权利要求1所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：当信号输入所述90°电桥后被分为两路等幅度且具有90°相位差的信号输出，所述90°电桥根据不同应用需求作为功率分配器或功率合成器使用。

4.根据权利要求3所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：当所述90°电桥中的一个输出端口发生反射时，返回到相应输入端口的两路信号幅度相等、相位相反。

5.根据权利要求1所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：信号进入所述第一环形器与所述第二环形器中时沿某一环行方向传输，使信号具有单向传输特性。

6.根据权利要求1所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：当所述第一环形器与所述第二环形器的第一端口为输入端口时，则其第二端口为输出端口，其第三端口为隔离端口。

7.根据权利要求1所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：所述双平衡LNA接收链路包括第三电桥、第四电桥、第一限幅器、第二限幅器、第一LNA与第二LNA，所述第三电桥与第四电桥均为90°电桥，所述第三电桥的第一端口与所述第二电桥的第三端口相连接，所述第三电桥的第二端口与所述第一限幅器的输入端相连接，所述第三电桥的第三端口与所述第二限幅器的输入端相连接；

所述第一LNA的输入端与所述第一限幅器的输出端相连接，所述第二LNA的输入端与所述第二限幅器的输出端相连接，所述第一LNA的输出端与所述第四电桥的第一端口相连接，所述第二LNA的输出端与所述第四电桥的第四端口相连接，合成后的信号由所述第四电桥的第三端口输出。

8.根据权利要求1所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：所述双平衡LNA接收链路还包括第三匹配吸收负载与第四匹配吸收负载，所述第三匹配吸收负载与所述第三电桥的第四端口相连接，所述第四匹配吸收负载与所述第四电桥的第二端口相连接。

9.根据权利要求8所述的一种高可靠性的高功率星载宽带射频前端，其特征在于：当输入所述第一限幅器与所述第二限幅器的射频信号超过限幅值后，输出将被限制在固定电平。