CN112019230A - 一种天线大功率反射保护系统及收发组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线大功率反射保护系统及收发组件，属于微波技术领域。本发明的天线大功率反射保护系统，包括接收限幅低噪声放大器模块，用于接收射频输入信号，将其中指定工作频段的反射功率进行耦合和检波后，与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应工作波段的报警信号；控制电路，用于根据收到的报警信号，进行预警。本发明能够对从天线辐射单元反射或接收到的大功率射频信号进行检测，根据发射功率大小进行报警及保护。可以根据探测系统实际需要，调节阈值门限电压，适应不同的反射功率量级。电路整体结构简单，灵活方便，对大功率量级的有源相控阵探测系统起到良好的预警和保护。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种天线大功率反射保护系统及收发组件。
背景技术
随着工艺和技术的进一步提升，未来探测系统越来越趋向于：1)大功率、高效率，2)超宽带、高线性，3)高效率、高集成度，4)高频段大功率等技术特点。面对这些技术需求，具有更大禁带宽度、更高击穿电压、更高功率密度、能承受更大功率、相同特征尺寸下比GaAs器件效率更高的GaN微波功率器件，自然成为了探测发射系统中的主要应用和发展目标。此外，由于使用SiC衬底，GaN器件因而具有极好的热传导性和耐高温性能，可靠性更好。
目前国际上主要的几家GaN器件公司(例如美国的Cree、TriQuint、Nitronex以及日本的Sumitomo、Toshiba等)生产的GaN器件输出功率从几瓦到上千瓦，广泛应用于军事、通讯等领域。高功率量级的GaN功率器件使用，既为探测系统带来探测距离、功率密度、系统效率、孔径数量等方面的优势，也为系统的大功率防护、报警以及电路保护提出了新的要求。
常用探测系统，其天线单元端口的电压驻波水平大约在3.5，而在进行侦察和探测等工作任务时，由扫描角和姿态等工作情况带来的天线端口驻波恶化可高达5以上。面对上千瓦的功率输出和大驻波反射，发射通道输出端口将面临接近一半的反射功率。这种情况下，如果此功率反射到发射端口，会在功放电路输出端叠加产生很高的驻波电压，极易造成功率管损坏，而如果反射到接收端口，则会烧毁接收链路的前级限幅器或者低噪声放大器电路或其他电路元件。
可以看出，高功率GaN器件收发组件的天线大功率反射报警及保护措施显得尤为重要。这种保护措施，不仅能够对天线单元反射回来的功率进行检测和保护，同时也能防止其他大功率注入，如天线耦合、探测干扰等情况带来的异常危险。在高功率量级探测发射系统中，可以对系统起到良好的保护作用。
发明内容
本发明目的是提供一种双波段收发组件使用的门限可调式天线大功率反射保护系统，它能够对天线端口反射或接收回来的大功率信号进行检波并发出报警电平，针对发生大功率反射的通道，收发组件关断射频激励和控制信号，关闭通道进行保护。本发明的系统能够根据实际天线驻波情况，调节天线大功率反射报警的阈值门限电压，使得系统对不同量级的反射功率进行预警和保护。
具体地说，一方面，本发明提供了一种天线大功率反射保护系统，包括接收限幅低噪声放大器模块和控制电路，
所述接收限幅低噪声放大器模块，用于接收射频输入信号，将其中指定工作频段的反射功率进行耦合和检波后，一路经过相应工作波段的接收限幅低噪声放大器模块输出，另一路与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应工作波段的报警信号；
所述控制电路，用于根据收到的报警信号，进行预警。
进一步的，所述接收限幅低噪声放大器模块包括：波段耦合器，平衡式限幅低噪声放大器，检波器，比较器电路；
所述波段耦合器，用于对接收的射频输入信号进行耦合；
所述平衡式限幅低噪声放大器，用于将耦合后的射频输入信号中指定工作频段进行限幅、放后输出；
所述检波器，用于将所述耦合后的射频输入信号进行检波，转换成电平信号；
所述比较器电路，用于将所述电平信号与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应波段的报警信号。
进一步的，上述天线大功率反射保护系统，还包括：所述控制电路根据接收到的所述报警信号，通过波段工作控制信号控制所述平衡式限幅低噪声放大器不工作。
进一步的，所述接收限幅低噪声放大器模块包括：包括两个不同工作波段的单波段接收限幅低噪声放大器模块，和报警信号波段选择开关；
所述报警信号波段选择开关，用于对所述两个单波段接收限幅低噪声放大器模块的输出进行选择后，作为报警信号输出到所述控制电路中。
进一步的，上述天线大功率反射保护系统，还包括：所述控制电路根据接收到的所述报警信号，通过波段工作控制信号选择相应的平衡式收限幅低噪声放大器不工作。
进一步的，所述比较器电路包括比较器芯片和外围电阻：
所述比较器芯片，用于将接收到的电平信号与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应波段的报警信号；
所述外围电阻，包括第一电阻、第二电阻和外部电阻；其中，第一电阻两端分别连接比较器芯片的第一输入端和输出端；第二电阻一端连接比较器的第二输入端，另一端连接地；所述外部电阻一端接比较器芯片的输出端，另一端接所述接收限幅低噪声放大器模块的供电端；
所述外部电阻的阻值可调。
进一步的，所述外部电阻为可更换电阻。
进一步的，所述平衡式限幅低噪声放大器包括限幅器和低噪声放大器：
所述限幅器，用于对接收的信号进行限幅；
所述低噪声放大器，用于对限幅后的信号进行放大后输出。
进一步的，所述平衡式限幅低噪声放大器包括输入端Lange电桥、大功率负载、限幅器、低噪声放大器、输出端Lange电桥和第二负载；
所述输入端的Lange电桥，用于将经耦合器耦合后的信号功分为两个支路，每个支路均依次设置有限幅器和低噪声放大器；
所述大功率负载，设置在输入端Lange电桥的吸收端口；
所述限幅器，用于对所在支路的信号进行限幅；
所述低噪声放大器，用于对所在支路上经限幅器限幅后的信号进行放大后输出给输出端Lange电桥；
所述输出端Lange电桥，用于对两个支路的输出信号合成后输出；
所述第二负载，设置在输出端Lange电桥的吸收端口。
另一方面，本发明还提供一种收发组件，采用上述的天线大功率反射保护系统构成工作通道。
进一步的，所述工作通道为N个，N≥1，且N为正整数。
本发明的双波段收发组件门限可调式天线大功率反射保护系统的有益效果如下：
本发明的双波段收发组件门限可调式天线大功率反射保护系统，能够对从天线辐射单元反射或接收到的大功率射频信号进行检测，根据发射功率大小进行报警及保护。可以根据探测系统实际需要，调节阈值门限电压，适应不同的反射功率量级。电路整体结构简单，灵活方便，对大功率量级的有源相控阵探测系统起到良好的预警和保护：
分别对两个工作波段的反射功率进行耦合和检波后，通过各自的比较器芯片输出，最后通过控制开关将报警电平送至信号处理器进行预警和反馈控制，能够实现双波段的天线大功率反射报警和保护；
报警电路使用比较器芯片，通过调节双波段接收限幅低噪声放大器模块外部的调节电阻，能够改变限幅低噪声放大器模块电路内部的比较器阈值电压，能够实现根据两个波段的发射功率灵活调节双波段反射功率门限；
天线大功率反射保护电路的耦合和检波电路部分，位于双波段接收限幅低噪声放大器模块输入端，在内部平衡式限幅电路的大功率电桥之前，此时如果从天线辐射单元反射或接收到的大功率射频信号引起了限幅低噪声放大器模块电路工作，其反射功率会到大功率电桥的吸收负载端，不会对输入端口造成多少影响，可以保证告警电路对注入信号保有较高的灵敏度，提高了双波段收发组件的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例的收发通道的双波段收发组件门限可调式天线大功率反射保护系统电路示意图。
图2是本发明实施例的比较器电路工作原理示意图。
图3是本发明实施例的双波段接收限幅低噪声放大器的单个工作通道电路原理图。
图4是本发明实施例的通过ADS仿真得到的比较器芯片输入端电压信号。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，为一种双波段收发组件天线大功率反射保护系统，用于对天线端口反射或接收回来的不同量级的大功率信号进行检波并发出报警电平，针对发生大功率信号反射的通道，收发组件关断射频激励和控制信号，关闭通道进行保护。
如图1所示，此双波段收发组件包括双波段接收限幅低噪声放大器模块A、外部调节电路B和控制电路F。
其中，双波段接收限幅低噪声放大器模块A，包括两个单波段(第一波段和第二波段)接收限幅低噪声放大器模块，和报警信号频段选择开关A6。两个接收限幅低噪声放大器模块，分别用于处理不同波段的大功率射频信号，即接收射频输入信号，将其中指定工作频段的反射功率进行耦合和检波后，一路经过相应工作波段的接收限幅低噪声放大器模块输出，另一路与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应工作波段的报警信号。第一个单波段接收限幅低噪声放大器模块包括耦合器A1，平衡式限幅低噪声放大器A2，检波器A3，比较器电路A4。第二个单波段接收限幅低噪声放大器模块包括耦合器A7，平衡式限幅低噪声放大器A8，检波器A9，比较器电路A10。耦合器A1、A7，用于对接收的射频输入信号进行耦合；平衡式限幅低噪声放大器A2、A8，用于将耦合后的射频输入信号中指定工作频段进行限幅、放后输出；检波器A3、A9，用于将耦合后的射频输入信号进行检波，转换成电平信号；比较器电路A4、A10，用于将电平信号与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应波段的报警信号。报警信号频段选择开关A6用于对比较器A4和A10输出进行选择，作为报警信号T3输出到控制电路F中。控制电路，用于根据收到的报警信号，进行预警。
如图1～图2所示，外部调节电路B，包含第一波段门限可调式电阻R1和第二波段门限可调式电路R2，R1一端连接+5V供电电平，一端接第一波段接收限幅低噪声放大器模块的比较器A4；R2一端接+5V供电电平，一端接第二波段接收限幅低噪声放大器模块的比较器A10。比较器电路A4和A10的比较器芯片外部供电端独立，分别为+5V_1和+5V_2。在外部供电端+5V_1和比较器电路A4间串入电阻R1；在外部供电端+5V_2和比较器电路A10间串入电阻R2；R1和R2的阻值单独可调。优选的，R1和R2可以采用可更换的电阻。
两个单波段(第一波段和第二波段)平衡式限幅低噪声放大器A2和A8电路结构相同，工作频段分别为第一波段和第二波段。单个波段的平衡式限幅低噪声放大器内部电路如图3所示。
通过耦合检波器A1或A7，对接收到的输入信号进行耦合后，通过输入端Lange电桥C1功分为两个支路，每个支路均依次设置有限幅器和低噪声放大器。限幅器C2和C3对所在支路的信号进行限幅防止信号过大，然后低噪声放大器C4和C5分别对所在支路上经限幅器限幅后的信号进行放大，通过输出端Lange电桥C6合成后输出。大功率负载Rr在Lange电桥C1的吸收端口作为功率吸收，负载Rf在Lange电桥C6的吸收端口作为功率吸收。
图3所示，本实施例使用的单波段平衡式限幅低噪声放大器A2或A8内部电路代表常用的限幅低噪声放大器结构。也可以去除Lange电桥C1和C6，改为单路限幅低噪声放大器结构，即仅由C2和C4构成。
本实施例的天线大功率反射保护系统中，平衡式限幅低噪声放大器放大器A2、耦合器A1、检波器A3、比较器A4、外部调节电阻R1和控制电路F构成第一波段天线大功率反射保护系统；平衡式限幅低噪声放大器放大器A8、耦合器A7、检波器A9、比较器A10、外部调节电阻R2和控制电路F构成第二波段天线大功率反射保护系统；两个天线大功率反射保护系统的控制电路根据接收到的报警信号，分别通过第一波段工作控制信号T1、第二波段工作控制信号T2相应的平衡式收限幅低噪声放大器不工作。可以理解，可以仅采用单个波段的平衡式限幅低噪声放大器放大器、耦合器、检波器、比较器、相应外部调节电阻和控制电路F，构成单波段天线大功率反射保护系统。
控制电路F，用于接收经报警信号频段选择开关A6输出的报警电平信号T3，根据报警电平信号T3，决定是否关闭发射通道的激励信号和控制信号(即控制相应的平衡式收限幅低噪声放大器不工作)，以保护收发链路中的元器件和电路系统；控制电路F通过第一波段控制信号T1或第二波段工作控制信号T2，实现选择平衡式限幅低噪声放大器A2或者平衡式限幅低噪声放大器A8不工作。
工作原理如下：
由天线单元收发组件接收到的微弱信号、大功率的反射或注入信号，相应频段的射频信号进入双波段天线大功率反射报警及保护系统的供电端+5V_1和+5V_2；经过外部可更换的电阻R1和R2，接双波段接收限幅低噪声放大器模块A的接收输入端口；两个波段的耦合器A1、A7对各自接收输入端口的输入信号进行耦合；然后通过检波器电路A3、A9变为电平信号，经过内部电路的滤波和电阻分压，送到比较器电路A4、A10的输入端比较后输出报警信号T3。比较器A4、A10输出的报警信号，经过报警信号频段选择开关A6进行选择后作为报警信号T3传送至控制电路F。控制电路F根据收到的报警信号T3，决定是否关闭发射通道的激励信号和控制信号，以保护收发链路中的元器件和电路系统。
本实施例的收发组件采用单波段天线大功率反射保护系统或双波段天线大功率反射保护系统构成收发组件的一个工作通道。可以理解，收发组件可以采用N个由单波段天线大功率反射保护系统或双波段天线大功率反射保护系统构成的工作通道，N≥1，且N为正整数。
如图2所示，双波段限幅低噪声放大器A的比较器电路A4、A10，其外部分别经过外部可更换的电阻R1和R2连接至双波段门限可调式天线大功率反射报警及保护系统的供电端+5V_1和+5V_2。R3、R4、R5和R6为比较器电路A4、A10的外围电路电阻，其中，电阻R3、R5的两端分别连接比较器芯片的第一输入端(V参考)和输出端(V比较电平)；电阻R4、R6的一端连接比较器的第二输入端(V反射)，另一端连接地；外部电阻的一端接比较器芯片的输出端，另一端接接收限幅低噪声放大器模块A的供电端+5V_1或+5V_2；可以通过调整外部电阻R1和R2的阻值或者将外部电阻R1和R2更换为不同的阻值，改变在R3、R4和R5、R6上的分压，从而对比较器电路A4、A10的比较端阈值电平V参考进行调整，使得双波段天线大功率反射报警及保护系统能够对不同输入信号功率产生响应。
本实施例中的收发组件为某探测系统的8个工作通道双波段收发组件。
如图3所示，双波段天线大功率反射报警及保护系统接收的射频输入信号经耦合检波后传输到限幅低噪声放大器A2、A8。如果需要当射频输入信号功率量级达到450W～550W时，报警信号T3对外输出为高电平，则可以在比较器电路A4、A10外部供电端+5V_1和+5V_2预置两个贴片电阻焊盘，预置220Ω电阻R1和R2，便于调整输入射频信号功率门限值，0～220Ω范围对应550W～450W的射频功率门限。
比较器电路A4、A10中采用成熟的LMV7239比较器芯片，使用两只RMK1608-220Ω±1％电阻作为两个工作波段的外部调整电阻R1和R2。限幅低噪声放大器内部有电阻R3、R4和R5、R6，将分配到比较器芯片的比较端阈值电平V_参考设计在0.5V左右，对天线单元端口反射或灌入的大功率信号进行检波和反馈报警。
设计双波段天线大功率反射报警及保护系统时，使用ADS对大功率反射报警及保护电路进行仿真，得到的比较器芯片输入端电压信号。如图4所示，通过ADS仿真，注入耦合器大功率射频信号的射频功率为450W，比较器电路得到的检波电平为600mV，即当给定输入信号射频功率为450W时，经耦合器A1、A7、检波器A3、A9输入到比较器芯片的电压V_反射为0.6V，而V_参考设计值为0.5V，因此报警信号T3输出高电平，可见天线大功率反射报警及保护系统工作良好。
设计完成后，对双波段收发组件可以通过以下方法进行实测。在双波段收发组件实际使用过程中，断开射频输出端口，使得输出功率全反射到接收射频输入端口，然后对报警信号T3进行测量，实际显示为高电平，此时无工作电流，组件发射链路的功率放大器不工作。将射频输出再接至匹配的负载，则工作电流恢复，通过功率计测试工作通道的输出功率正常，报警信号T3输出为低电平，说明本发明的双波段天线大功率反射报警及保护系统能够起到良好的保护作用。
采用本实施例的天线大功率反射报警及保护系统的收发组件，天线大功率反射报警的门限可调。如果在双波段收发组件使用过程中，实际天线单元反射功率较大，需要提高比较器A4、A10的比较端阈值电平V_参考，则可以将预置电阻R1、R2降低，例如调整为0Ω，则可以将比较器芯片的比较端阈值电平V_参考提高到0.7V，此时天线大功率反射报警现象比例降低。
本发明的收发组件天线大功率反射保护系统，能够对从天线辐射单元反射或接收到的大功率射频信号进行检测，根据发射功率大小进行报警及保护。可以根据探测系统实际需要，调节阈值门限电压，适应不同的反射功率量级。电路整体结构简单，灵活方便，对大功率量级的有源相控阵探测系统起到良好的预警和保护：
分别对两个工作波段的反射功率进行耦合和检波后，通过各自的比较器芯片输出，最后通过控制开关将报警电平送至信号处理器进行预警和反馈控制，能够实现双波段的天线大功率反射报警和保护；
报警电路使用比较器芯片，通过调节双波段接收限幅低噪声放大器模块外部的调节电阻，能够改变限幅低噪声放大器模块电路内部的比较器阈值电压，能够实现根据两个波段的发射功率灵活调节双波段反射功率门限；
天线大功率反射保护电路的耦合和检波电路部分，位于双波段接收限幅低噪声放大器模块输入端，在内部平衡式限幅电路的大功率电桥之前，此时如果从天线辐射单元反射或接收到的大功率射频信号引起了限幅低噪声放大器模块电路工作，其反射功率会到大功率电桥的吸收负载端，不会对输入端口造成多少影响，可以保证告警电路对注入信号保有较高的灵敏度，提高了双波段收发组件的可靠性。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (11)
1.一种天线大功率反射保护系统，其特征在于，包括接收限幅低噪声放大器模块和控制电路，
所述接收限幅低噪声放大器模块，用于接收射频输入信号，将其中指定工作频段的反射功率进行耦合和检波后，一路经过相应工作波段的接收限幅低噪声放大器模块输出，另一路与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应工作波段的报警信号；
所述控制电路，用于根据收到的报警信号，进行预警。
2.根据权利要求1所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，所述接收限幅低噪声放大器模块包括：波段耦合器，平衡式限幅低噪声放大器，检波器，比较器电路；
所述波段耦合器，用于对接收的射频输入信号进行耦合；
所述平衡式限幅低噪声放大器，用于将耦合后的射频输入信号中指定工作频段进行限幅、放后输出；
所述检波器，用于将所述耦合后的射频输入信号进行检波，转换成电平信号；
所述比较器电路，用于将所述电平信号与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应波段的报警信号。
3.根据权利要求2所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，还包括：所述控制电路根据接收到的所述报警信号，通过波段工作控制信号控制所述平衡式限幅低噪声放大器不工作。
4.根据权利要求2所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，所述接收限幅低噪声放大器模块包括：包括两个不同工作波段的单波段接收限幅低噪声放大器模块，和报警信号波段选择开关；
所述报警信号波段选择开关，用于对所述两个单波段接收限幅低噪声放大器模块的输出进行选择后，作为报警信号输出到所述控制电路中。
5.根据权利要求4所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，还包括：所述控制电路根据接收到的所述报警信号，通过波段工作控制信号选择相应的平衡式收限幅低噪声放大器不工作。
6.根据权利要求2-5任一所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，所述比较器电路包括比较器芯片和外围电阻：
所述比较器芯片，用于将接收到的电平信号与预设的参考电压进行比较，当高于预设的参考电压时，输出相应波段的报警信号；
所述外围电阻，包括第一电阻、第二电阻和外部电阻；其中，第一电阻两端分别连接比较器芯片的第一输入端和输出端；第二电阻一端连接比较器的第二输入端，另一端连接地；所述外部电阻一端接比较器芯片的输出端，另一端接所述接收限幅低噪声放大器模块的供电端；
所述外部电阻的阻值可调。
7.根据权利要求6所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，所述外部电阻为可更换电阻。
8.根据权利要求2所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，所述平衡式限幅低噪声放大器包括限幅器和低噪声放大器：
所述限幅器，用于对接收的信号进行限幅；
所述低噪声放大器，用于对限幅后的信号进行放大后输出。
9.根据权利要求8所述的天线大功率反射保护系统，其特征在于，所述平衡式限幅低噪声放大器，包括输入端Lange电桥、大功率负载、限幅器、低噪声放大器、输出端Lange电桥和第二负载；
所述输入端的Lange电桥，用于将经耦合器耦合后的信号功分为两个支路，每个支路均依次设置有限幅器和低噪声放大器；
所述大功率负载，设置在输入端Lange电桥的吸收端口；
所述限幅器，用于对所在支路的信号进行限幅；
所述低噪声放大器，用于对所在支路上经限幅器限幅后的信号进行放大后输出给输出端Lange电桥；
所述输出端Lange电桥，用于对两个支路的输出信号合成后输出；
所述第二负载，设置在输出端Lange电桥的吸收端口。
10.一种收发组件，其特征在于，采用根据权利要求1-9任一所述的天线大功率反射保护系统构成工作通道。
11.根据权利要求10所述的收发组件，其特征在于，所述工作通道为N个，N≥1，且N为正整数。
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