CN113794452B - 相控阵雷达天线的负压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了相控阵雷达天线的负压保护电路，属于相控阵天线领域。包括漏压电源、栅压电源、负载开关、负压监视器、辅助电源、微控制器、对外接口和功放；栅压电源、漏压电源和辅助电源的输入端均与对外接口连接；负压监视器与栅压电源、辅助电源的输出端连接；负载开关连接在漏压电源的输出端，负载开关的输出端与功放连接，负载开关受微控制器和负压监视器的共同控制开启或断开后续负载的供电；辅助电源的输出端与微控制器、负压监视器和负载开关连接，微控制器又与负压监视器和负载开关信号连接。本发明实现了对功放的软硬件结合的负压保护功能。在实现有效工作的同时，实现精确控制，同时降低产品本身的重量和体积。

Description

相控阵雷达天线的负压保护电路

技术领域

本发明涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及相控阵雷达天线的负压保护电路。

背景技术

相控阵天线是指，通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位，来改变方向图形状的天线。

为了增加天线的探测距离和精度，一个有效的手段是提高单个天线辐射单元的辐射功率，随之而来的问题是在天线末级需要增加大功率的放大器（以下简称功放），而往往大功率的功放一般采用GaAs或GaN工艺制造，这样一来都需要提供一个漏压和一个栅压供电，一般来说漏压是正电压源，栅压是负电压源。

此类功放在工作时，必须同时存在漏压（安培级别大电流）和栅压（微安级别较小的电流），如果工作过程中由于瞬间连接不良或是前接电源故障等因素，没了栅压，会直接导致漏压供电电流非常大，器件容易被瞬间烧毁。而同时，漏压过低也会影响后续负载的正常工作，因此需要一种安全可靠的保护电路来保证功放的正常工作。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提供了一种相控阵雷达天线的负压保护电路，以保护相控阵雷达天线的功放，使其在开机、工作、关机等过程中保持稳定的工作状态。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

相控阵雷达天线的负压保护电路，包括漏压电源、栅压电源、负载开关、负压监视器、辅助电源、微控制器、对外接口和功放；所述对外接口用于提供外接输入的正电高压和负电高压，栅压电源、漏压电源和辅助电源的输入端均与所述对外接口连接；所述漏压电源和栅压电源分别用于向功放提供工作所需的漏压电压和栅压电压；所述负压监视器与栅压电源、辅助电源的输出端连接，用于监测栅压电源和辅助电源的输出电压；所述负载开关连接在漏压电源的输出端，负载开关的输出端与功放连接，负载开关受微控制器和负压监视器的共同控制开启或断开后续负载的供电；所述辅助电源的输出端与所述微控制器、负压监视器和负载开关连接，所述微控制器又与负压监视器和负载开关信号连接。

进一步的，所述漏压电源、栅压电源和辅助电源均使用线性稳压器将经对外接口输入的外部高压电源输入转换为后端负载需求的低压电源输出。

进一步的，在所述漏压电源、栅压电源和辅助电源的输入端分别串联有一个储能电容，用于隔绝天线阵面脉冲工作状态下对前端的供电冲击，防止供电电压的异常跌落。

进一步的，所述对外接口的物理接口形式为外部线缆、连接器或印制板走线。

进一步的，所述线性稳压器为LDO转换器或DC-DC转换器。

进一步的，所述微控制器在接收到辅助电源输入的上电或下电动作信号后，根据在程序软件中预先设置的时间点，使负载开关在上电过程中按指定时间点开启，下电过程中按指定时间点关断。

进一步的，所述负压监视器将监测到的栅压电源转换后的低负电压值通过电信号传递给微控制器，由微控制器判断该低负电压值是否超过预设的上限电压值，如果该低负电压值超过预设的上限电压值，则微控制器使能负载开关关闭，切断后续负载的供电。

进一步的，所述负压监视器将监测到的辅助电源的输出电压值通过电信号传递给微控制器，由微控制器判断该输出电压值是否低于预设的上限电压值，如果该输出电压值低于预设的上限电压值，则微控制器使能负载开关关闭，切断后续负载的供电。

进一步的，所述微控制器采用STC15W4K32型单片机。

进一步的，所述负载开关采用NCP45521型可控负载电源开关。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的负压保护电路，在电源通路存在栅压过高、漏压过低等常见故障时，能通过负压监视器迅速检测并响应故障，避免对前端输入电源的影响，并且在负压监视器监测到正常的栅压后，微控制器可通过使能负载开关实现自动重启，避免更换保险丝等繁琐操作；

2、本发明所述的负压保护电路，针对设定的正、负压门限进行精准控制，加上微控制器设置特定的时序控制时间点，相较于RC延时电路，可以精确控制漏压上电时序时间点，不受温度等外界因素的影响，还能精确控制下电时序；

3、本发明所述的负压保护电路，可使用转换效率较高、纹波噪声较低的电源模块作为直流转换器选型，在具有更小体积的同时，提供更高功率输出；

4、本发明所述的负压保护电路，在辅助电源、漏压电源和栅压电源的输入一端均设置有储能电容，所述储能电容可以隔绝天线阵面脉冲工作状态下对前端的供电冲击，防止供电电压的异常跌落；

5、本发明所述的负压保护电路，通过对栅压电压进行监视，能在对相控阵雷达天线组件供电出现异常时，通过将负载开关及时关闭，切断对外输出，并将对外输出进行快速放电，避免电源轨时序紊乱对后端射频组件造成损坏；

6、本发明所述的负压保护电路，使用逻辑门及集成芯片电路作为功能组件，可以集成于较小体积产品内，降低相控阵雷达天线的体积和重量。

附图说明

为了清楚说明本发明所涉及的负压保护电路与现有技术方案之间的区别，下面对本发明和对现有技术进行描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见，涉及附图仅仅是本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是本发明某一实施例的负压保护系统框图；

图2是本发明辅助电源的一个典型电路结构图；

图3是本发明漏压电源的一个典型电路结构图；

图4是本发明微控制器的一个典型电路结构图；

图5是本发明栅压电源的一个典型电路结构图；

图6是本发明负压监视器的一个典型电路结构图；

图7是本发明负载开关的一个典型电路结构图；

图中：

11、对外接口，12、辅助电源，13、漏压电源，14、微控制器，15、栅压电源，16、负压监视器，17、负载开关，18、功放。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明是如何具体实现的，并不是对本发明的范围进行限定。同样地，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了相控阵雷达天线的负压保护电路，用于相控阵雷达天线的电源保护。相控阵雷达天线组件包含射频CMOS芯片及上述负压保护电路，所述的射频CMOS芯片为阵面的主要功能组件，其输入电源连接于负压保护电路的电源输出，所述的负压保护电路则用于所述射频CMOS芯片供电。

本实施例中，负压保护电路在实现外部高压电源转换为内部低压电源的同时，通过分立元器件和集成电路实现阵面内部功放的栅压监测和微处理器程序软件控制，实现了对功放的软硬件结合的负压保护功能。在实现有效工作的同时，实现精确控制，同时降低产品本身的重量和体积。

参见图1，图1是所示的是本发明某一实施例的负压保护系统框图。该实施例是基于该发明电源管理设计技术所设计的相控阵雷达天线负压保护电路。该电路包括对外接口11、辅助电源12、漏压电源13、微控制器14、栅压电源15、负压监视器16、负载开关17、功放18。

上述对外接口11，为一定电压范围的正电高电压和负电高电压输入，其物理接口形式可以为外部线缆、连接器、印制板走线等结构中的一种或多种组合，用于向相控阵雷达天线电源电路提供电源输入。

上述辅助电源12，使用无源器件（包括但不限于电阻、电容、保险丝、放电管、晶闸管等）、集成电路进行搭建。用于将经输入对外接口11输入的外部高压电源输入转换为后端组件需求的低压电源输出，例如本实施例中，为微控制器14、负压监视器16、负载开关17后续组件提供工作所需的电压。

上述漏压电源13，使用LDO转换器（包含LDO但不限于LDO,亦可以是其他转换电路，如DC-DC转换器等）器件作为主功能组件，另外还使用无源器件（包括但不限于电阻、电容、保险丝、放电管、晶闸管等）搭建直流转换器电路，用于将经输入对外接口11输入的外部高压电源输入转换为后端组件需求的低压电源输出。在设计时，视后端组件的具体需求，具有较大功率需求的组件电源需求使用DC-DC开关电源模块作为功能主体，为阵面功率组件提供电源。针对纹波要求较为严格的电源需求，则通过级联低噪声、高PSRR（噪声抑制比）线性稳压器，提供需求的“干净”电源。上述直流转换器电路视情况不同，可能同时具有多路正电源。各个直流转换器具有使能开关，能根据外部逻辑控制信号进行开启关闭，因此可受时序控制电路和门限电路的控制，在必要时进行直接关闭。

上述微控制器14，使用集成电路作为时序控制组件，在接收到辅助电源12输入的上电或下电动作信号后，会在程序软件里预先设置的时间点，对负载开关17的使能输出逻辑控制信号，使其在上电过程中按指定时间点开启，在下电过程中再按指定时间点关断，保证负载开关17的精确时序控制。

上述栅压电源15，使用LDO转换器（包含LDO但不限于LDO,亦可以是其他转换电路，如DC-DC转换器，或Charge Pump等器件）器件作为主功能组件，另外还使用无源器件（包括但不限于电阻、电容、保险丝、放电管、晶闸管等）搭建直流转换器电路，用于将经输入对外接口11输入的外部高压负电源输入，转换为后端组件需求的低压负电源输出，例如为功放18的栅压供电。

上述负压监视器16，使用集成电路作为地低电负压电源主监视器件，对栅压电源15转换出的低负电压（即功放18工作所需的栅压）进行实时监视，在栅压出现欠压或过压异常时，对外输出硬件复位信号，控制负载开关17即时关闭，不再对后端组件进行供电。

上述负载开关17，受微控制器14和负压监视器16的控制，可及时关闭或打开负载开关17。其包含有关断电路和关闭放电结构组件，在正常工作时，负载开关17受微控制器14和负压监视器16的控制正常开启，使漏压电源13输出低正压电源到功放18的漏压供电端；同时，关闭放电组件则处于失效状态，不起放电作用。而当接收到微控制器14提供的下电信号或负压监视器16检测到异常状态（栅压过高）时，负载开关17会受控关闭，切断漏压电源13电源输出至功放18之间的通道，同时，关闭放电组件会进入快速放电状态，将电源通路余下的电能，通过放电电阻、放电场效应管进行快速泄放，避免功放18在下电时，漏压供电还存在电压同时栅压供电又过高（甚至可能为0V）的情况出现，从而达到避免功放18的失效（损坏）的作用。

其具体实施电路的工作原理如下：

对外接口11给辅助电源12和漏压电源13供电，辅助电源12经过电压转换给微控制器14、负压监视器16、负载开关17供电；微控制器14开始供电后，按实现编写好的程序运行，到设定好的时间点后，打开后级负载开关17的使能管脚。与此同时，负压监视器16开始供电后，按监视点的电压设置值，监视栅压电源15的输出电压，以及监视辅助电源12的输出电压，在栅压过高或漏压过低的情况下给出复位信号为高电平，打开后级负载开关17的使能管脚；漏压电源13经过电压转换给负载开关17，负载开关17受微控制器14和负压监视器16共同控制给功放18提供漏压供电。同时对外接口11给栅压电源15供电，栅压电源15经过电压转换给功放18提供栅压供电。

实施例2

请参见图2，图2是所示的是本发明另一实施例的负压保护实施原理图。该实施例是基于本发明负压保护技术所设计的相控阵雷达天线负压保护电路。该电路仍旧包括了对外接口11、辅助电源12、漏压电源13、微控制器14、栅压电源15、负压监视器16、负载开关17、功放18。

上述对外接口11为一定电压范围的正电高电压和负电高电压输入，其物理接口形式可以为外部线缆、连接器或印制板走线，用于向相控阵雷达天线电源电路提供电源输入。

上述辅助电源12，使用无源器件（包括但不限于电阻、电容、保险丝、放电管、晶闸管等）、集成电路进行搭建。用于将经输入对外接口11输入的外部高压电源输入转换为后端组件需求的低压电源输出，例如本实施例中，为微控制器14、负压监视器16、负载开关17后续组件提供工作所需的电压。如图2所示为辅助电源的一个典型电路结构，其主要包含了第1电容C1、第2电容C2、第3电容C3、第1电阻R1，第2电阻R2、第1集成电路U1。第1电容C1并联在第1集成电路U1的电压输入端，第2电容C2和第3电容C3并联在第1集成电路U1的电压输入端，第1电容C1、第2电容C2和第3电容C3作为储能电容，用于隔绝天线阵面脉冲工作状态下对前端的供电冲击，防止供电电压的异常跌落。本实施例中，第1集成电路U1可采用LTC1963。

上述漏压电源13，使用LDO转换器（包含LDO但不限于LDO,亦可以是其他转换电路，如DC-DC转换器等）器件作为主功能组件，另外还使用无源器件（包括但不限于电阻、电容、保险丝、放电管、晶闸管等）、搭建直流转换器电路，用于将经输入对外接口11输入的外部高压电源输入转换为后端组件需求的低压电源输出。在设计时，视后端组件的具体需求，具有较大功率需求的组件电源需求使用DC-DC开关电源模块作为功能主体，为阵面功率组件提供电源。针对纹波要求较为严格的电源需求，则通过级联低噪声、高PSRR（噪声抑制比）线性稳压器，提供需求的“干净”电源。上述直流转换器电路视情况不同，可能同时具有多路正电源。各个直流转换器具有使能开关，能根据外部逻辑控制信号进行开启关闭，因此可受时序控制电路和门限电路的控制，在必要时进行直接关闭。如图3所示为漏压电源的一个典型电路结构，其主要包含了第4电容C4、第5电容C5、第6电容C6、第3电阻R3、第4电阻R4、第2集成电路U2。第4电容C4、第5电容C5、第6电容C6作为储能电容，分别并联在第2集成电路U2的电压输入端和电压输出端。本实施例中，第2集成电路U2 可采用LTC1963。

上述微控制器14，使用集成电路作为时序控制组件，在接收到辅助电源12输入的上电或下电动作信号后，会在程序软件里预先设置的时间点，对负载开关17的使能输出逻辑控制信号，使其在上电过程中按指定时间点开启，在下电过程中再按指定时间点关断，保证负载开关17的精确时序控制。如图4所示为微控制器14的一个典型电路结构，其主要包含了第3集成电路U3、第7电容C7。第3集成电路U3可采用STC15W4K32。

上述栅压电源15，使用LDO转换器（包含LDO但不限于LDO,亦可以是其他转换电路，如DC-DC转换器，或Charge Pump等器件）器件作为主功能组件，另外还使用无源器件（包括但不限于电阻、电容、保险丝、放电管、晶闸管等）、搭建直流转换器电路，用于将经输入对外接口11输入的外部高压负电源输入，转换为后端组件需求的低压负电源输出，例如为功放18的栅压供电。如图5所示为栅压电源15的一个典型电路结构，其主要包含了第8电容C12、第9电容C16、第10电容C13、第11电容C14、第5电阻R10、第6电阻R12、第7电阻R7、第8电阻R11、第4集成电路U4，第8电容C12并联在第4集成电路U4的电压输入端，第10电容C13、第11电容C14并联在第4集成电路U4的电压输出端，第4集成电路U4的OUT引脚连接功放的VG引脚，为功放提供栅压供电。本实施例中，第4集成电路U4可采用LTC1983。

上述负压监视器16，使用集成电路作为低电负压电源和漏压电源的主监视器件，对栅压电源15转换出的低负电压（即功放18工作所需的栅压）进行实时监视，当栅压电源15的输出电压高于设定的电压时，负压监视器视为栅压欠压异常；同时，该负压监视器也对辅助电源12的输出电压进行监视，当辅助电源12的输入电压（即漏压电源13的输入电压）低于设定值时，辅助电源12会关断输出电压，当辅助电源电压低于一定值时，负压监视器16检测到辅助电源12出现欠压异常（即漏压电源13也异常），无论是漏压还是栅压出现欠压异常时，均对外输出硬件复位信号，控制负载开关17即时关闭，不再对后端组件进行供电。如图6所示为负压监视器16的一个典型电路结构，其主要包含了第12电容C10、第13电容C15、第9电阻R8、第10电阻R9、第5集成电路U5。第5集成电路U5的ADJ1引脚与第4集成电路U4的输出端连接，RST引脚与第3集成电路U3连接IO4引脚的输出端连接，VCC引脚与第1集成电路U1的输出端连接。本实施例中，第5集成电路U5可采用LTC2909。

上述负载开关17，受微控制器14和负压监视器16的控制，可及时关闭或打开负载开关17。其包含有关断电路和关闭放电组件，使用集成电路、继电器、场效应管开关、逻辑门控制芯片、放电电阻、放电场效应管等组件中的一种或几种组合构成。在正常工作时，负载开关17受微控制器14和负压监视器16的控制正常开启，使漏压电源13输出低正压电源到功放18的漏压供电端；同时，关闭放电组件则处于失效状态，不起放电作用。而当接收到微控制器14提供的下电信号或负压监视器16检测到异常状态（栅压过高）时，负载开关17会受控关闭，切断漏压电源13电源输出至功放18之间的通道，同时，关闭放电组件会进入快速放电状态，将电源通路余下的电能，通过放电电阻、放电场效应管进行快速泄放，避免功放18在下电时，漏压供电还存在电压同时栅压供电又过高（甚至可能为0V）的情况出现，从而达到避免功放18的失效（损坏）的作用。如图7所示为负载开关17的一个典型电路结构，其主要包含了第14电容C8、第15电容C9、第16电容C11、第11电阻R6、第12电阻R5、第6集成电路U6、第1二极管D1。第6集成电路U6的VCC引脚与第1集成电路U1的VOUT引脚连接，VIN引脚与第2集成电路U2的VOUT引脚连接，VOUT脚与功放的VD引脚连接，第3集成电路U3的IO4引脚与第6集成电路U6的EN引脚（使能脚）连接，第5集成电路U5的RST引脚端与第6集成电路U6的EN引脚（使能脚）连接。本实施例中，第6集成电路U6可采用NCP45521。

在本发明所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的实施方式仅仅是示意性的，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑上的功能划分，在实现时可以有另外的划分方式，例如多个组件可以结合或者可以集成到另一个系统中。另一点，所显示的相互组件之间的连接可以是通过外部线缆、连接器、印制板走线等多种形式进行连接，并不限定为一种指定的连接形式。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，完全能够以其它的具体形式实现本申请所描述的设计技术。因此无论从哪一点来看，均应将上述实施例看作是示范性的，而非限制性的，本申请的范围应当由所附权利要求而不是上述说明限定，并且不应将任何附图标记视为可以限制所涉及的权利要求。

所以以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，包括漏压电源（13）、栅压电源（15）、负载开关（17）、负压监视器（16）、辅助电源（12）、微控制器（14）和对外接口（11）；所述对外接口（11）用于提供外接输入的正电高压和负电高压，栅压电源（15）、漏压电源（13）和辅助电源（12）的输入端均与所述对外接口（11）连接；所述漏压电源（13）和栅压电源（15）分别用于向功放（18）提供工作所需的漏压电压和栅压电压；所述负压监视器（16）与栅压电源（15）、辅助电源（12）的输出端连接，用于监测栅压电源（15）和辅助电源（12）的输出电压；所述负载开关（17）连接在漏压电源（13）的输出端，负载开关（17）的输出端与功放（18）连接，负载开关（17）受微控制器（14）和负压监视器（16）的共同控制开启或断开后续负载的供电；所述辅助电源（12）的输出端与所述微控制器（14）、负压监视器（16）和负载开关（17）连接，所述微控制器（14）又与负压监视器（16）和负载开关（17）信号连接；负压监视器（16）开始供电后，按监视点的电压设置值，监视栅压电源（15）的输出电压，以及监视辅助电源（12）的输出电压，在栅压过高的情况下给出复位信号为高电平，打开后级负载开关（17）的使能管脚；负载开关（17）包含有关断电路和关闭放电组件，当接收到微控制器（14）提供的下电信号或负压监视器（16）检测到异常状态时，负载开关（17）会受控关闭，切断漏压电源（13）电源输出至功放（18）之间的通道，同时，关闭放电组件会进入快速放电状态，将电源通路余下的电能，通过放电电阻、放电场效应管进行快速泄放。

2.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述漏压电源（13）、栅压电源（15）和辅助电源（12）均使用线性稳压器将经对外接口（11）输入的外部高压电源输入转换为后端负载需求的低压电源输出。

3.根据权利要求2所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述线性稳压器为LDO转换器或DC-DC转换器。

4.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，在所述漏压电源（13）、栅压电源（15）和辅助电源（12）的输入端分别串联有一个储能电容，用于隔绝天线阵面脉冲工作状态下对前端的供电冲击，防止供电电压的异常跌落。

5.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述对外接口（11）的物理接口形式为外部线缆、连接器或印制板走线。

6.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述微控制器（14）在接收到辅助电源（12）输入的上电或下电动作信号后，根据在程序软件中预先设置的时间点，使负载开关（17）在上电过程中按指定时间点开启，下电过程中按指定时间点关断。

7.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述负压监视器（16）将监测到的栅压电源（15）转换后的低负电压值通过电信号传递给微控制器（14），由微控制器（14）判断该低负电压值是否超过预设的上限电压值，如果该低负电压值超过预设的上限电压值，则微控制器（14）使能负载开关（17）关闭，切断后续负载的供电。

8.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述负压监视器（16）将监测到的辅助电源（12）的输出电压值通过电信号传递给微控制器（14），由微控制器（14）判断该输出电压值是否低于预设的上限电压值，如果该输出电压值低于预设的上限电压值，则微控制器（14）使能负载开关（17）关闭，切断后续负载的供电。

9.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述微控制器（14）采用STC15W4K32型单片机。

10.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线的负压保护电路，其特征在于，所述负载开关（17）采用NCP45521型可控负载电源开关。

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