CN113872535A - 一种带有自检系统的线性高功率放大器及供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有自检系统的线性高功率放大器，包括功率放大模块、电源模块、功放自检系统和功率输出模块，所述功率放大模块的输出端与功放自检系统的输入端、功率输出模块的输入端电连接，所述电源模块的输出端与功率放大模块的输入端、功放自检系统的输入端电连接，所述功率放大模块包括依次串联的前级放大单元、中级放大单元和末级放大单元，所述功率输出模块包括隔离器和滤波器，所述功放自检系统包括单片机模块、信号采集模块、PTT控制电路和上位机。本发明具有输出效率高的效果，同时具有自检保护功能，能够有效降低功放设备的故障率并降低成本。
Description
技术领域
本发明属于微波功率放大器技术领域，具体涉及一种带有自检系统的线性高功率放大器及供电方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，雷达、基站等无线通信发射机得到了广泛应用，在无线通信发射机中，为了克服传输损耗以及扩大信号辐射范围，射频信号需要通过功率放大器放大到指定的功率并通过天线向外界辐射，功率放大器作为无线通信系统的核心部件，它的性能优劣将直接影响到发射机系统的输出功率、线性度和工作带宽等指标，近些年来，半导体材料发展迅速，研究表明，GaN材料具有大的禁带宽度、优越的电子迁移率、高的饱和电子漂移速度等优点，GaN射频功率放大管广泛应用于高频带宽的应用场景，但是现有的GaN射频功率管单体的输出功率较低，且功率放大器的工作环境较为恶劣，容易出现故障进而造成较高的成本。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种带有自检系统的线性高功率放大器及供电方法，具有输出效率高的效果，同时具有自检保护功能，能够有效降低功放设备的故障率并降低成本。
本发明采用的技术方案为：一种带有自检系统的线性高功率放大器，包括功率放大模块、电源模块、功放自检系统和功率输出模块，所述功率放大模块的输出端与功放自检系统的输入端、功率输出模块的输入端电连接，所述电源模块的输出端与功率放大模块的输入端、功放自检系统的输入端电连接；
所述功率放大模块包括依次串联的前级放大单元、中级放大单元和末级放大单元，所述前级放大单元包括低噪声射频功率管，所述中级放大单元包括LDMOS射频功率管，所述末级放大单元包括GaN射频功率管，所述末级放大单元还包括有输入耦合器、第一巴伦电路、第二巴伦电路和输出耦合器，所述输入耦合器的输入端与中级放大单元的输出端电连接，所述输入耦合器的输出端与第一巴伦电路的输入端电连接，所述第一巴伦电路的输出端与GaN射频功率管的输入端电连接，所述GaN射频功率管的输出端与第二巴伦电路的输入端电连接，所述第二巴伦电路的输出端与所述输出耦合器的输入端电连接；
所述功率输出模块包括隔离器和滤波器，所述隔离器的输入端与输出耦合器的输出端电连接，所述隔离器的输出端与滤波器的输入端电连接；
所述功放自检系统包括单片机模块、信号采集模块、PTT控制电路和上位机，所述单片机模块的输出端与PTT控制电路的输入端连接，所述单片机模块与上位机连接，所述信号采集模块包括温度检测模块、电压检测模块、驻波检测模块和激励检测模块，所述温度检测模块包括温度开关和温度传感器，所述温度传感器的输出端与单片机模块的输入端电连接，所述温度开关的输出端与PTT控制电路的输入端电连接，所述电压检测模块包括分压电路模块，所述分压电路模块的输出端与单片机模块的输入端电连接，所述驻波检测模块包括运放比较器，所述运放比较器的输出端与单片机模块的输入端电连接，所述激励检测模块包括检波电路模块，所述检波电路模块的输出端与单片机模块的输入端电连接；
所述电源模块包括高压限流器、限流电阻、场效应开关管、正压电源模块和负压电源模块，所述限流电阻的输出端与高压限流器的输入端电连接，所述高压限流器的输出端与场效应开关管的输入端电连接，所述场效应开关管的输出端与功率放大模块的输入端电连接，所述正压电源模块的输出端与功率放大模块、功放自检系统的输入端电连接，所述负压电源模块的输出端与功率放大模块的输入端电连接。
进一步地，所述低噪声射频功率管为GaAs射频功率管，所述低噪声射频功率管设置有三个，三个所述低噪声射频功率管依次串联连接并逐级放大，前两个所述低噪声射频功率管的增益为15dB，另一个所述低噪声射频功率管的增益为17.8dB。
进一步地，所述LDMOS射频功率管设置有两个，两个所述LDMOS射频功率管串联连接并逐级放大，前一个所述LDMOS射频功率管的功率为10w，增益为16dB，后一个所述LDMOS射频功率管的功率为20w，增益为17.5dB。
进一步地，所述GaN射频功率管设置有四个，四个所述GaN射频功率管并联连接，四个所述GaN射频功率管的功率均为150w，增益均为13dB。
进一步地，所述第一巴伦电路和第二巴伦电路均设置有两个，每个所述第一巴伦电路对应两路GaN射频功率管，每个所述第二巴伦电路对应两路GaN射频功率管。
进一步地，所述第一巴伦电路和第二巴伦电路均采用同轴线巴伦，所述同轴线巴伦由铁氧体磁芯上套接同轴电缆或同轴电缆绕在磁芯上构成。
进一步地，所述输入耦合器和输出耦合器均采用90°电桥耦合器。
进一步地，所述单片机模块采用STM32单片机，所述单片机模块通过RS232接口与上位机的RS232进行通信，所述单片机模块通过RS485接口与上位机的RS485进行通信。
所述的带有自检系统的线性高功率放大器的供电方法，所述场效应开关管和正压电源模块的输入端电连接有二级稳压电源，所述场效应开关管的输出端与LDMOS射频功率管的漏极和GaN射频功率管的漏极电连接，所述正压电源模块的输出端与LDMOS射频功率管的栅极、低噪声射频功率管和功放自检系统的输入端电连接，所述负压电源模块的输出端与GaN射频功率管的栅极电连接，所述LDMOS射频功率管和GaN射频功率管的源级均接地。
优选的，所述二级稳压电源提供的电压为+50V，所述正压电源模块提供的电压为+5V，所述负压电源模块提供电压为-5V。
本发明的有益效果：本发明通过前级、中级和末级放大单元对输入功率进行逐级放大，并通过第二巴伦电路和输出耦合器逐步合成后输出，能够有效提高输出功率，同时本发明设置有功放自检系统，能够通过单片机模块及时获知信号采集模块所采集的信息是否异常，并在异常时操控PTT控制电路中的模拟开关使能脚的关闭，起到电路保护的效果，有效降低功放设备的故障率，从而降低维护成本。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明所述功率放大模块的原理图；
图3为本发明所述末级放大单元及功率输出模块的拓扑图；
图4为本发明所述功放自检系统的流程图；
图5为本发明所述电源模块的流程图。
图中：1、低噪声射频功率管 2、LDMOS射频功率管 3、GaN射频功率管。
具体实施方式
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。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，以下结合实施例具体说明。
实施例1
如图1所示，本发明包括一种带有自检系统的线性高功率放大器，包括功率放大模块、电源模块、功放自检系统和功率输出模块，所述功率放大模块的输出端与功放自检系统的输入端、功率输出模块的输入端电连接，所述电源模块的输出端与功率放大模块的输入端、功放自检系统的输入端电连接。
如图2和3所示，所述功率放大模块包括依次串联的前级放大单元、中级放大单元和末级放大单元，所述前级放大单元包括低噪声射频功率管1，所述低噪声射频功率管1为GaAs射频功率管，所述低噪声射频功率管1设置有三个，三个所述低噪声射频功率管1依次串联连接并逐级放大，前两个所述低噪声射频功率管1的增益为15dB，另一个所述低噪声射频功率管1的增益为17.8dB，三个所述低噪声射频功率管1进行逐级放大，用于提升增益，同时保证增益平坦度和输入输出驻波，由于输入输出匹配损耗，前级放大单元实际增益约为35dB，所述中级放大单元包括LDMOS射频功率管2，所述LDMOS射频功率管2设置有两个，两个所述LDMOS射频功率管2串联连接并逐级放大，前一个所述LDMOS射频功率管2的功率为10w，增益为16dB，后一个所述LDMOS射频功率管2的功率为20w，增益为17.5dB，两个所述LDMOS射频功率管2进行逐级放大，并主要用于对射频信号进行驱动，保证末级有足够的推动功率，由于输入输出匹配损耗，中级放大单元实际增益约为17dB，所述末级放大单元包括GaN射频功率管3，所述GaN射频功率管3设置有四个，四个所述GaN射频功率管3并联连接，四个所述GaN射频功率管3的功率均为150w，增益均为13dB，由于输入输出匹配损耗，末级放大单元实际增益约为13dB，进行逐级放大，如输入12dBm的射频信号经过功率放大模块放大后，输出端信号约为53dBm，所述末级放大单元还包括有输入耦合器、第一巴伦电路、第二巴伦电路和输出耦合器，所述输入耦合器和输出耦合器均采用90°电桥耦合器，所述输入耦合器的输入端与中级放大单元的输出端电连接，所述输入耦合器的输出端与第一巴伦电路的输入端电连接，所述第一巴伦电路的输出端与GaN射频功率管3的输入端电连接，所述GaN射频功率管3的输出端与第二巴伦电路的输入端电连接，所述第二巴伦电路的输出端与所述输出耦合器的输入端电连接，所述第一巴伦电路和第二巴伦电路均设置有两个，每个所述第一巴伦电路对应两路GaN射频功率管3，每个所述第二巴伦电路对应两路GaN射频功率管3，输入耦合器将中级放大单元的信号分成两路射频信号，分别经过两个第一巴伦电路处理后形成四路射频信号，输入到四个GaN射频功率管3内，射频信号放大后经过第二巴伦电路进行合成，然后送入输出耦合器中进行进一步合成，所述第一巴伦电路和第二巴伦电路均采用同轴线巴伦，所述同轴线巴伦由铁氧体磁芯上套接同轴电缆或同轴电缆绕在磁芯上构成，通过同轴线之间不同的绕组方式达到不同的变换效果，本发明设计的功率放大器工作在高频电路，不需要磁芯，因此也可以在设计阶段直接控制电缆的长度来实现不同的阻抗以扩展功率放大器的工作带宽。
所述功率输出模块包括隔离器和滤波器，所述隔离器的输入端与输出耦合器的输出端电连接，所述隔离器的输出端与滤波器的输入端电连接，当功率放大器发生功率反射时，隔离器会将反射回来的功率吸收以保护GaN射频功率管3的安全，在功率放大器正常工作时，隔离器会接收输出耦合器中的信号并进行最终输出，滤波器会对波形进行过滤，去除多余的谐波分量。
如图4所示，所述功放自检系统包括单片机模块、信号采集模块、PTT控制电路和上位机，所述单片机模块采用STM32单片机，所述单片机模块的输出端与PTT控制电路的输入端连接，STM32单片机对信号采集模块获得的信息进行处理，并操控PTT对整个电路进行保护，所述PTT控制电路包括门电路和模拟开关，所述单片机模块检测到功率放大器的工作状态发生异常会控制门电路关闭模拟开关的使能脚，所述单片机模块与上位机连接，所述上位机可采用C#编写的具有串口读取功能的软件，所述单片机模块通过RS232接口与上位机的RS232进行通信，所述单片机模块通过RS485接口与上位机的RS485进行通信，所述信号采集模块包括温度检测模块、电压检测模块、驻波检测模块和激励检测模块，所述温度检测模块包括温度开关和温度传感器，所述温度传感器的输出端与单片机模块的输入端电连接，温度传感器将温度转化为电压送入单片机模块的温度检测引脚，并使用单片机模块的AD功能进行读取，通过单片机模块写入的C语言代码进行判断，在功率放大器工作温度异常时关闭PTT中模拟开关的使能脚，所述温度开关的输出端与PTT控制电路的输入端电连接，在温度开关检测到温度超过温度其设置的报警温度时，温度开关控制PTT控制电路的门电路将模拟开关的使能脚关闭，所述电压检测模块包括分压电路模块，所述分压电路模块的输出端与单片机模块的输入端电连接，单片机模块通过AD功能读取输入电压的分压，然后还原成输入电压进行判断，当工作电压不正常时关闭PTT控制电路中模拟开关的使能脚，所述驻波检测模块包括运放比较器，所述运放比较器的输出端与单片机模块的输入端电连接，在本实施例中，驻波检测方案采用比较器方案，即通过运放比较器进行计算，驻波不正常时运放比较器的输出脚为高电平，单片机模块读取运放比较器的电平状态，判断驻波是否正常，驻波不正常时关闭PTT控制电路中模拟开关的使能脚，所述激励检测模块包括检波电路模块，所述检波电路模块的输出端与单片机模块的输入端电连接，通过检波管将功率转换为检波电压，当检波电压功率过大时控制运放比较器产生高电平信号，单片机模块读取运放比较器的电平状态，来判断激励是否正常，激励不正常时关闭PTT控制电路中模拟开关的使能脚。
如图5所示，所述电源模块包括高压限流器、限流电阻、场效应开关管、正压电源模块和负压电源模块，正压电源模块由正向电源芯片及其外围电路组成，负压电源模块由反向电源芯片及其外围电路组成，所述限流电阻的输出端与高压限流器的输入端电连接，所述高压限流器的输出端与场效应开关管的输入端电连接，高压限流器通过限流电阻获取功率放大器的电压电流状态，并根据状态控制场效应开关管的工作状态，所述场效应开关管的输出端与功率放大模块的输入端电连接，所述正压电源模块的输出端与功率放大模块、功放自检系统的输入端电连接，所述负压电源模块的输出端与功率放大模块的输入端电连接。
所述的带有自检系统的线性高功率放大器的供电方法，所述场效应开关管和正压电源模块的输入端电连接有二级稳压电源，所述二级稳压电源提供的电压为+50V，通过场效应开关管送入功率放大模块中LDMOS射频功率管2的漏极和GaN射频功率管3的漏极，提供漏极电压，所述场效应开关管的输出端与LDMOS射频功率管2的漏极和GaN射频功率管3的漏极电连接，所述正压电源模块的输出端与LDMOS射频功率管2的栅极、低噪声射频功率管1和功放自检系统的输入端电连接，所述正压电源模块提供的电压为+5V，为低噪声射频功率管1进行供电以及为LDMOS射频功率管2的栅极进行供电，所述负压电源模块的输出端与GaN射频功率管3的栅极电连接，所述负压电源模块提供电压为-5V，为GaN射频功率管3的栅极电压进行供电，所述LDMOS射频功率管2和GaN射频功率管3的源级均接地。
本发明通过前级、中级和末级放大单元对输入功率进行逐级放大，并通过第二巴伦电路和输出耦合器逐步合成后输出，能够有效提高输出功率，通过单片机模块能够及时获知信号采集模块所采集的信息是否异常，并在异常时操控PTT控制电路中的模拟开关使能脚的关闭，起到电路保护的效果，有效降低功放设备的故障率，从而降低维护成本。
实施例2
在实施例1的基础上，驻波检测方案采用计算驻波比方案代替实施例1中的比较器方案，无需再使用运放比较器，简化了流程，减少了设备成本，计算驻波比方案通过单片机模块读取正向电压V+和反射电压V-并计算驻波比，驻波比不正常时关闭PTT控制电路中模拟开关的使能脚。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：包括功率放大模块、电源模块、功放自检系统和功率输出模块，所述功率放大模块的输出端与功放自检系统的输入端、功率输出模块的输入端电连接，所述电源模块的输出端与功率放大模块的输入端、功放自检系统的输入端电连接；
所述功率放大模块包括依次串联的前级放大单元、中级放大单元和末级放大单元，所述前级放大单元包括低噪声射频功率管，所述中级放大单元包括LDMOS射频功率管，所述末级放大单元包括GaN射频功率管，所述末级放大单元还包括有输入耦合器、第一巴伦电路、第二巴伦电路和输出耦合器，所述输入耦合器的输入端与中级放大单元的输出端电连接，所述输入耦合器的输出端与第一巴伦电路的输入端电连接，所述第一巴伦电路的输出端与GaN射频功率管的输入端电连接，所述GaN射频功率管的输出端与第二巴伦电路的输入端电连接，所述第二巴伦电路的输出端与所述输出耦合器的输入端电连接；
所述功率输出模块包括隔离器和滤波器，所述隔离器的输入端与输出耦合器的输出端电连接，所述隔离器的输出端与滤波器的输入端电连接；
所述功放自检系统包括单片机模块、信号采集模块、PTT控制电路和上位机，所述单片机模块的输出端与PTT控制电路的输入端连接，所述单片机模块与上位机连接，所述信号采集模块包括温度检测模块、电压检测模块、驻波检测模块和激励检测模块，所述温度检测模块包括温度开关和温度传感器，所述温度传感器的输出端与单片机模块的输入端电连接，所述温度开关的输出端与PTT控制电路的输入端电连接，所述电压检测模块包括分压电路模块，所述分压电路模块的输出端与单片机模块的输入端电连接，所述驻波检测模块包括运放比较器，所述运放比较器的输出端与单片机模块的输入端电连接，所述激励检测模块包括检波电路模块，所述检波电路模块的输出端与单片机模块的输入端电连接；
所述电源模块包括高压限流器、限流电阻、场效应开关管、正压电源模块和负压电源模块，所述限流电阻的输出端与高压限流器的输入端电连接，所述高压限流器的输出端与场效应开关管的输入端电连接，所述场效应开关管的输出端与功率放大模块的输入端电连接，所述正压电源模块的输出端与功率放大模块、功放自检系统的输入端电连接，所述负压电源模块的输出端与功率放大模块的输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述低噪声射频功率管为GaAs射频功率管，所述低噪声射频功率管设置有三个，三个所述低噪声射频功率管依次串联连接并逐级放大，前两个所述低噪声射频功率管的增益为15dB，另一个所述低噪声射频功率管的增益为17.8dB。
3.根据权利要求1所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述LDMOS射频功率管设置有两个，两个所述LDMOS射频功率管串联连接并逐级放大，前一个所述LDMOS射频功率管的功率为10w，增益为16dB，后一个所述LDMOS射频功率管的功率为20w，增益为17.5dB。
4.根据权利要求1所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述GaN射频功率管设置有四个，四个所述GaN射频功率管并联连接，四个所述GaN射频功率管的功率均为150w，增益均为13dB。
5.根据权利要求4所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述第一巴伦电路和第二巴伦电路均设置有两个，每个所述第一巴伦电路对应两路GaN射频功率管，每个所述第二巴伦电路对应两路GaN射频功率管。
6.根据权利要求1所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述第一巴伦电路和第二巴伦电路均采用同轴线巴伦，所述同轴线巴伦由铁氧体磁芯上套接同轴电缆或同轴电缆绕在磁芯上构成。
7.根据权利要求1所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述输入耦合器和输出耦合器均采用90°电桥耦合器。
8.根据权利要求1所述的带有自检系统的线性高功率放大器，其特征在于：所述单片机模块采用STM32单片机，所述单片机模块通过RS232接口与上位机的RS232进行通信，所述单片机模块通过RS485接口与上位机的RS485进行通信。
9.如权利要求1-8任一项所述的带有自检系统的线性高功率放大器的供电方法，其特征在于：所述场效应开关管和正压电源模块的输入端电连接有二级稳压电源，所述场效应开关管的输出端与LDMOS射频功率管的漏极和GaN射频功率管的漏极电连接，所述正压电源模块的输出端与LDMOS射频功率管的栅极、低噪声射频功率管和功放自检系统的输入端电连接，所述负压电源模块的输出端与GaN射频功率管的栅极电连接，所述LDMOS射频功率管和GaN射频功率管的源级均接地。
10.根据权利要求9所述的带有自检系统的线性高功率放大器的供电方法，其特征在于：所述二级稳压电源提供的电压为+50V，所述正压电源模块提供的电压为+5V，所述负压电源模块提供电压为-5V。
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| CN202110969208.4A CN113872535A (zh) | 2021-08-23 | 2021-08-23 | 一种带有自检系统的线性高功率放大器及供电方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114567269A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-05-31 | 重庆邮电大学 | 一种基于温度补偿的宽带高功率放大器 |
| CN115664551A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-01-31 | 深圳市傲立电子有限公司 | 一种用于射频功率放大器的安全监测预警系统 |
-
2021
- 2021-08-23 CN CN202110969208.4A patent/CN113872535A/zh active Pending
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