CN112187201A - 一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路，包括：电调衰减电路、驱动放大链路、耦合检波电路、温补比较电路。所述电调衰减电路与驱动放大链路连接；所述驱动放大链路分别与氮化镓固态功率放大器、耦合检波电路连接；所述温补比较电路分别与耦合检波电路、电调衰减电路连接。本发明通过对驱动放大链路的增益闭环控制，实现稳定星载氮化镓功率器件的输入功率，保护星载氮化镓固放可靠工作的要求。本发明可广泛应用于各类星载氮化镓固态功率放大器中。

Description

一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路

技术领域

本发明涉及一种带温度补偿功能的增益闭环电路的设计方法，特别涉及一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路。

背景技术

单机采用了第三代半导体材料氮化镓功率器件作为功率放大管器件的设计方案，随着微电子技术的发展，传统Si和GaAs半导体器件性能特别是输出功率容量已接近其材料本身决定的理论极限。而以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料，由于具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，成为制作大功率、高频、高温及抗辐照电子器件的理想替代材料。

应用宽禁带半导体功率器件的固放与目前星上应用的行波管放大器、GaAs固态功率放大器相比的优势在于：

1)输出功率大，可与行波管的输出功率相比拟；

2)与行波管相比体积小、重量轻，更有利于星上应用；

3)与第二代半导体器件(Si、GaAs)相比效率更高，使得在平台功率受限的条件下搭载更多的载荷，提高卫星通信的利用率。

应用氮化镓功率器件研制的固放产品具有功率更大、体积更小、重量更轻、抗辐照能力更强的综合优势，能适应星载环境的使用要求，并能更好的满足卫星对功率部件的高功率、较低热耗、小型化需求，也是今后星载功率部件产品研制的发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路，以达到提高星载氮化镓固态功率放大器工作可靠性的目的。本发明的技术方案如下：

一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，包括电调衰减电路、驱动放大链路、耦合检波电路、温补比较电路；其中：

所述电调衰减电路与驱动放大链路连接；所述驱动放大链路分别与氮化镓固态功率放大器、耦合检波电路连接；所述温补比较电路分别与耦合检波电路、电调衰减电路连接；

所述电调衰减电路，用于将输入的射频信号衰减至所述驱动放大链路所需要的信号大小后发送给驱动放大链路，并同时提供0～-30dB的增益动态变化范围；

所述驱动放大链路，用于接收所述电调衰减电路输出的信号，并进行功率驱动放大后，分别输出微波信号至氮化镓固态功率放大器和耦合检波电路；

所述耦合检波电路，用于接收所述驱动放大链路的输出信号，并将其耦合检波得到0～1V的检波电平信号，并将该检波电平信号发送给所述温补比较电路；

所述温补比较电路，用于接收耦合检波电路输出的检波电平信号，对其进行处理后产生具有温度特性的电平信号，该电平信号输入所述电调衰减电路，用于控制电调衰减电路增益变化量。

可选地，所述温补比较电路包含运算放大器和热敏电阻，所述温补比较电路产生具有温度补偿的阈值电平信号，并通过所述热敏电阻调节所述阈值电平；所述温补比较电路将阈值电平和所述耦合检波电路发送的检波电平进行比较，形成反馈回路控制电调衰减电路。

可选地，所述电调衰减电路包括电调衰减器N1；所述电调衰减器N1设置有第一引脚至第六引脚，其中射频信号输入至第二引脚，所述温补比较电路的输出信号输入至第一引脚，所述电调衰减电路的输出信号自第五引脚输出给驱动放大链路。

可选地，所述驱动放大链路包括：驱动放大器N2、电容C1、电容C2；所述驱动放大器N2设置有第一引脚至第四引脚，所述电容C1的一端与所述电调衰减器N1的第五引脚连接，另一端与所述驱动放大器N2的第二引脚连接；所述电容C2的一端连接所述驱动放大器N2的第四引脚，另一端连接氮化镓固态功率放大器；所述驱动放大器N2的第一引脚连接至电源端Vcc，第三引脚接地。

可选地，所述耦合检波电路包括：检波二极管V1、电阻R7、电阻R8、电容C3；所述检波二极管V1一端与所述驱动放大链路的输出端耦合线连接，另一端与电阻R7的一端以及电容C3的第一端、温补比较电路连接；所述电阻R8一端与所述驱动放大链路的输出端耦合线连接，另一端接地；所述电阻R7的第二端以及电容C3的第二端均接地。

可选地，所述温补比较电路包括：运算放大器N3、热敏电阻R5、电阻R1、电阻R2，电阻R3、电阻R4、电阻R6、电容C4；

所述运算放大器N3设置有第一至第八引脚，其中电阻R6的第一端与第五引脚连接，电阻R2的第一端、电阻R3的第一端、电阻R4的第一端、热敏电阻R5的第一端、电容C4的第一端均与第六引脚连接，电阻R1的第一端、电阻R2的第二端、电容C4的第二端均与第七引脚连接，第八引脚连接至电源端Vcc，第四引脚与地线连接；

电阻R4的第二端、热敏电阻R5的第二端均与电源端Vcc连接；电阻R3的第二端接地；电阻R1的第二端与电调衰减器N1的第一引脚连接；电阻R6的第二端与所述耦合检波电路连接。

与现有技术相比较，本发明具有以下的优点和积极效果：

1、本发明满足了星载固放在输入动态范围大的情况下，输出信号功率稳定的要求。

2、本发明结合了氮化镓功率器件抗过激励能力差的特性，有效的提升了在星载温度环境下氮化镓固放工作的可靠性。

3、本发明具有电路简单，易实现的特点，并具有一定的通用性，可广泛应用于卫星通信、测控、导航等电子系统中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明具体实施例一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路的拓扑框图；

图2为本发明具体实施例一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2，本实施例公开了一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路，包括电调衰减电路1、驱动放大链路2、耦合检波电路3、温补比较电路4；其中：

所述电调衰减电路1与驱动放大链路2连接；所述驱动放大链路2分别与氮化镓固态功率放大器5、耦合检波电路3连接；所述温补比较电路4分别与耦合检波电路3、电调衰减电路1连接；

所述电调衰减电路，用于将输入的射频信号衰减至所述驱动放大链路所需要的信号大小后发送给驱动放大链路，并同时提供0～-30dB的增益动态变化范围，以保证由电调衰减电路、驱动放大链路与温补比较电路构成的反馈环路有(0～-30)dB的增益可调范围；

本实施例中，由于电调衰减电路的输入信号功率具有10dB的动态范围，该信号通过电调衰减电路，使得输入驱动放大链路的信号功率为恒定值，满足驱动放大链路的输入要求。

所述驱动放大链路，用于接收所述电调衰减电路输出的信号，并进行功率驱动放大后，分别输出微波信号至氮化镓固态功率放大器和耦合检波电路；电调衰减电路的输出信号进入驱动放大链路，将信号放大至氮化镓固态功率放大器所需要的输入功率，并具有一定的增益余量供调节。

所述耦合检波电路，用于接收所述驱动放大链路的输出信号，并将其耦合检波得到0～1V的检波电平信号，并将该检波电平信号发送给所述温补比较电路；

所述温补比较电路，用于接收耦合检波电路输出的检波电平信号，对其进行处理后产生具有温度特性的电平信号，该电平信号输入所述电调衰减电路，用于控制电调衰减电路增益变化量。

“具有温度特性的电平信号”是指该电平信号的电平幅度随温度变化而规律变化，且电平幅度和温度具有单一对应关系。

所述温补比较电路包含运算放大器和热敏电阻，所述温补比较电路产生具有温度补偿的阈值电平信号，并通过热敏电阻调节所述阈值电平；所述温补比较电路将阈值电平和所述耦合检波电路发送的检波电平进行比较，形成反馈回路控制电调衰减电路。

“具有温度补偿的阈值电平信号”是指该阈值电平信号随温度变化而变化，在温度变化的情况下用于调节驱动放大链路的输出功率，使其在温度变化情况下保持稳定。

如图2，所述电调衰减电路1包括电调衰减器N1，该器件串联入射频链路，由输入电平信号控制衰减量，从而调整射频链路的增益；所述电调衰减器N1设置有第一引脚至第六引脚，其中射频信号输入至第二引脚，所述温补比较电路的输出信号输入至第一引脚，所述电调衰减电路的输出信号自第五引脚输出给驱动放大链路。

所述驱动放大链路2包括：驱动放大器N2、电容C1、电容C2；所述驱动放大器N2设置有第一引脚至第四引脚，所述电容C1的一端与所述电调衰减器N1的第五引脚连接，另一端与所述驱动放大器N2的第二引脚连接；所述电容C2的一端连接所述驱动放大器N2的第四引脚，另一端连接氮化镓固态功率放大器；所述驱动放大器N2的第一引脚连接至电源端Vcc，第三引脚接地。

所述耦合检波电路3包括：检波二极管V1、电阻R7、电阻R8、电容C3；所述检波二极管V1一端与所述驱动放大链路的输出端耦合线连接，另一端与电阻R7的一端以及电容C3的第一端、温补比较电路连接；所述电阻R8一端与所述驱动放大链路的输出端耦合线连接，另一端接地；所述电阻R7的第二端以及电容C3的第二端均接地。

耦合线的定义如下：当两个无屏蔽的传输线紧靠在一起时，由于各个传输线的电磁场的相互作用，在传输线之间可以有功率耦合。这种传输线叫做耦合传输线(或耦合线)。所述温补比较电路4包括：运算放大器N3、热敏电阻R5、电阻R1、电阻R2，电阻R3、电阻R4、电阻R6、电容C4；

所述运算放大器N3设置有第一至第八引脚，其中电阻R6的第一端与第五引脚连接，电阻R2的第一端、电阻R3的第一端、电阻R4的第一端、热敏电阻R5的第一端、电容C4的第一端均与第六引脚连接，电阻R1的第一端、电阻R2的第二端、电容C4的第二端均与第七引脚连接，第八引脚连接至电源端Vcc，第四引脚与地线连接；

电阻R4的第二端、热敏电阻R5的第二端均与电源端Vcc连接；电阻R3的第二端接地；电阻R1的第二端与电调衰减器N1的第一引脚连接；电阻R6的第二端与所述耦合检波电路连接。

由热敏电阻R5、电阻R1、电阻R2，电阻R3、电阻R4、电阻R6、电容C4共同组成一个随温度变化的阈值电平，通过运算放大器将这个阈值电平与信号检波电平进行比较，得到一个电平来控制电调衰减器的衰减量，使得在不同温度环境下，放大链路的输出信号保持稳定。

本实施例公开的温度补偿增益闭环电路用于推动氮化镓固态功率放大器，对于氮化镓固态功率放大器而言，影响其可靠性的主要是其较差的抗过激励性能，即在其驱动信号超过额定驱动信号3dB的情况下，氮化镓固态功率器件放大器栅极易发生反偏导致栅流变大，从而导致器件烧毁。因此为了提高氮化镓固态功率器件放大器工作的可靠性，需保证其输入信号在不同温度环境以及不同输入情况下，波动范围小于2dB。

所述电调衰减电路一般具有20dB以上的动态范围，可对链路增益起到调节作用，以保证在输入信号波动的情况下输出到氮化镓固态功率器件放大器的驱动信号功率稳定。经过放大链路后的信号，通过检波形成电平输入到温补电路。所述温补电路主要由运算放大器和热敏电阻组成。电路利用热敏电阻阻抗随温度变化的特性，由热敏电阻和普通电阻电容组成一个随温度变化的阈值电平，通过运算放大器将这个阈值电平与信号检波电平进行比较，得到一个电平来控制电调衰减器的衰减量，使得在不同温度环境下，放大链路的输出信号保持稳定。

与现有技术相比，本实施例提供的所述温度补偿增益闭环电路满足了星载固放(氮化镓固态功率放大器)在输入动态范围大的情况下，输出信号功率稳定的要求；并结合了氮化镓功率器件抗过激励能力差的特性，有效的提升了在星载温度环境下氮化镓固放工作的可靠性；且具有电路简单，易实现的特点，并具有一定的通用性，可广泛应用于卫星通信、测控、导航等电子系统中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种星载氮化镓固态功率放大器的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，包括电调衰减电路、驱动放大链路、耦合检波电路、温补比较电路；其中：

所述电调衰减电路与驱动放大链路连接；所述驱动放大链路分别与氮化镓固态功率放大器、耦合检波电路连接；所述温补比较电路分别与耦合检波电路、电调衰减电路连接；

所述电调衰减电路，用于将输入的射频信号衰减至所述驱动放大链路所需要的信号大小后发送给驱动放大链路，并同时提供0～-30dB的增益动态变化范围；

所述驱动放大链路，用于接收所述电调衰减电路输出的信号，并进行功率驱动放大后，分别输出微波信号至氮化镓固态功率放大器和耦合检波电路；

所述耦合检波电路，用于接收所述驱动放大链路的输出信号，并将其耦合检波得到0～1V的检波电平信号，并将该检波电平信号发送给所述温补比较电路；

所述温补比较电路，用于接收耦合检波电路输出的检波电平信号，对其进行处理后产生具有温度特性的电平信号，该电平信号输入所述电调衰减电路，用于控制电调衰减电路增益变化量。

2.如权利要求1所述的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，所述温补比较电路包含运算放大器和热敏电阻，所述温补比较电路产生具有温度补偿的阈值电平信号，并通过所述热敏电阻调节所述阈值电平；所述温补比较电路将阈值电平和所述耦合检波电路发送的检波电平进行比较，形成反馈回路控制电调衰减电路。

3.如权利要求1所述的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，所述电调衰减电路包括电调衰减器N1；所述电调衰减器N1设置有第一引脚至第六引脚，其中射频信号输入至第二引脚，所述温补比较电路的输出信号输入至第一引脚，所述电调衰减电路的输出信号自第五引脚输出给驱动放大链路。

4.如权利要求3所述的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，所述驱动放大链路包括：驱动放大器N2、电容C1、电容C2；所述驱动放大器N2设置有第一引脚至第四引脚，所述电容C1的一端与所述电调衰减器N1的第五引脚连接，另一端与所述驱动放大器N2的第二引脚连接；所述电容C2的一端连接所述驱动放大器N2的第四引脚，另一端连接氮化镓固态功率放大器；所述驱动放大器N2的第一引脚连接至电源端Vcc，第三引脚接地。

5.如权利要求4所述的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，所述耦合检波电路包括：检波二极管V1、电阻R7、电阻R8、电容C3；所述检波二极管V1一端与所述驱动放大链路的输出端耦合线连接，另一端与电阻R7的一端以及电容C3的第一端、温补比较电路连接；所述电阻R8一端与所述驱动放大链路的输出端耦合线连接，另一端接地；所述电阻R7的第二端以及电容C3的第二端均接地。

6.如权利要求5所述的温度补偿增益闭环电路，其特征在于，所述温补比较电路包括：运算放大器N3、热敏电阻R5、电阻R1、电阻R2，电阻R3、电阻R4、电阻R6、电容C4；

所述运算放大器N3设置有第一至第八引脚，其中电阻R6的第一端与第五引脚连接，电阻R2的第一端、电阻R3的第一端、电阻R4的第一端、热敏电阻R5的第一端、电容C4的第一端均与第六引脚连接，电阻R1的第一端、电阻R2的第二端、电容C4的第二端均与第七引脚连接，第八引脚连接至电源端Vcc，第四引脚与地线连接；

电阻R4的第二端、热敏电阻R5的第二端均与电源端Vcc连接；电阻R3的第二端接地；电阻R1的第二端与电调衰减器N1的第一引脚连接；电阻R6的第二端与所述耦合检波电路连接。

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