CN206932204U - 一种l波段功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及功率放大器领域，具体为一种L波段功率放大器，包括功分器、控制单元和功放单元，所述功分器为系统的输入端，功分器的输出端分别连接有功放单元，所述控制单元的输出端也与上述的两个功放单元的输入端连接，两个功放单元的输出端均与单刀双掷开关的两端连接，单刀双掷开关的中间接头与功率负载连接作为输出端。具备1:1备份工作以及单机独立工作的能力。主备设备切换工作模式等工作状态调整可以在本地或通过RS232端口远程计算机控制完成。

Description

一种L波段功率放大器

技术领域

本实用新型涉及功率放大器领域，具体为一种L波段功率放大器。

背景技术

现有的功率放大器无法同时具有以下功能：1.将输入的L波段射频信号放大到指定的功率电平；2.主用设备发生故障时自动切换到备用设备，并具备上报切换信息功能；3.功放切换单元包含大功率负载，具有对天线和对大功率负载切换功能，并要求功放切换单元不占用机柜高度，安装在功放接口后面；4.主备设备切换工作模式等工作状态调整可以在本地或通过RS232端口远程计算机控制完成；5.主要的工作状态可以在设备前面板的液晶屏显示 (默认状态下液晶屏显示参数应包含：发射功率、输入功率、衰减值、电源供电、工作模式)，还可以通过网口回传至计算机显示，设备的各项工作参数可以通过前面板按键和网口远程设置；6.前面板应包含各种必要的状态显示指示灯(包括总射频开关指示灯，在线离线指示灯，报警指示灯，本控远控指示灯，电源指示灯)；7.面板优先具有选择本控、远控功能；8.前面板具有输入、输出信号的监测接口，输入耦合系数-7±2dB，输出耦合系数为 -40±2dB；9.具有两种工作模式：恒增益模式和恒功率模式；10.具备输入信号过大(≥5dBm)报警上报功能；11.具备1:1备份工作以及单机独立工作的能力；12.正常或异常断电重启后，工作参数和工作状态与断电前保持相同。射频开关状态例外，重启后默认为关闭。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种L波段功率放大器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种L波段功率放大器，包括功分器、控制单元和功放单元，所述功分器为系统的输入端，功分器的输出端分别连接有功放单元，所述控制单元的输出端也与上述的两个功放单元的输入端连接，两个功放单元的输出端均与单刀双掷开关的两端连接，单刀双掷开关的中间接头与功率负载连接作为输出端；

所述功放单元包括输入端的定向耦合器一，定向耦合器一的输出端通过放大器一与电控衰减器连接，电控衰减器连接的输出端通过放大器二和放大器三与四合路器连接，四合路器的输出端通过放大器四与另一个四合路器二连接，四合路器二与定向耦合器二的输入端连接，定向耦合器二作为输出端，定向耦合器二的正向输出端和反向输出端均与检波器连接，检波器的输出端与控制显示电路的输入端连接，控制显示电路的输入端还与连接AC/DC电源模块连接，控制显示电路的输出端与电控衰减器的输入端连接。

优选的，所述功放单元设有两组，功放单元的内部电路结构相同，其中一个作为主电路，另一个作为备用电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1)将输入的L波段射频信号放大到指定的功率电平；

2)主用设备发生故障时自动切换到备用设备，并具备上报切换信息功能；

3)功放切换单元包含大功率负载，具有对天线和对大功率负载切换功能，并要求功放切换单元不占用机柜高度，安装在功放接口后面；

4)主备设备切换工作模式等工作状态调整可以在本地或通过RS232端口远程计算机控制完成；

5)主要的工作状态可以在设备前面板的液晶屏显示(默认状态下液晶屏显示参数应包含：发射功率、输入功率、衰减值、电源供电、工作模式)，还可以通过网口回传至计算机显示，设备的各项工作参数可以通过前面板按键和网口远程设置；

6)前面板应包含各种必要的状态显示指示灯(包括总射频开关指示灯，在线离线指示灯，报警指示灯，本控远控指示灯，电源指示灯)；

7)面板优先具有选择本控、远控功能；

8)前面板具有输入、输出信号的监测接口，输入耦合系数-7±2dB，输出耦合系数为-40±2dB；

9)具有两种工作模式：恒增益模式和恒功率模式；

10)具备输入信号过大(≥5dBm)报警上报功能；

11)具备1:1备份工作以及单机独立工作的能力；

12)正常或异常断电重启后，工作参数和工作状态与断电前保持相同。射频开关状态例外，重启后默认为关闭。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为功放单元电路图；

图3为单刀双掷开关的连接电路图；

图4为主程序流程图；

图5为A/D采集和数字滤波程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-5，本实用新型提供一种技术方案：一种L波段功率放大器，包括功分器、控制单元和功放单元，其特征在于：所述功分器为系统的输入端，功分器的输出端分别连接有功放单元，所述控制单元的输出端也与上述的两个功放单元的输入端连接，两个功放单元的输出端均与单刀双掷开关的两端连接，单刀双掷开关的中间接头与功率负载连接作为输出端；

所述功放单元包括输入端的定向耦合器一，定向耦合器一的输出端通过放大器一与电控衰减器连接，电控衰减器连接的输出端通过放大器二和放大器三与四合路器连接，四合路器的输出端通过放大器四与另一个四合路器二连接，四合路器二与定向耦合器二的输入端连接，定向耦合器二作为输出端，定向耦合器二的正向输出端和反向输出端均与检波器连接，检波器的输出端与控制显示电路的输入端连接，控制显示电路的输入端还与连接AC/DC电源模块连接，控制显示电路的输出端与电控衰减器的输入端连接。

功放单元设有两组，功放单元的内部电路结构相同，其中一个作为主电路，另一个作为备用电路。

目前固体放大器设计中选用晶体管的类型有GaAs、LDMOS、SiC、GaN等半导体材料场效应管来实现。以上类型的功率管均具有优良的互调指标，但也各具特点。

a、GaAs场效应管：GaAs场效应管是技术最为成熟的微波功率管，已在众多的领域如雷达、卫星、通信、航天航空等方面得到广泛应用，处于领先地位。GaAs场效应管自身也经历了工艺和结构的不断改进过程，发展了挖槽工艺、空气桥结构、介质桥结构、源通孔电镀热沉工艺、倒装工艺、内匹配技术等，使器件特性不断提高。但GaAs器件的工作电压较低，工作电流大，在大功率应用时容易造成很强的电磁干扰。

b、LDMOS场效应管：具有很好的散热性能、具有优秀的热稳定性、具有较高的增益、具有较低的上升下降沿时间、具有较高的击穿电压、增益可控；但需要指出的是，由于LDMOS器件是电压控制器件，为降低成本，采用了陶瓷封装，抗静电能力及抗干扰能力较差，所以在设计中须仔细考虑腔体效应的影响。在调试过程中可能出现峰值电平非常大的瞬间，这足以损坏LDMOS 器件，这对LDMOS器件的电路设计和调试提出了更高的要求。另外，由于LDMOS 的固有特性，其增益随工作温度的变化而变化，在功率器件级连时，如设计时不采取相应的措施，有可能造成后级功率器件因输入过激励而损坏。

c、宽禁带半导体功率管(SiC、GaN场效应管)：宽禁带半导体与硅半导体材料相比，具有许多优点。与Si场效应管相比，SiC场效应管具有宽禁带(Si 的2～3倍)、高热导率(Si的3.3倍)、高击穿场强(Si的10倍)、高饱和电子漂移速率(Si的2.5倍)、化学性能稳定、高硬度、抗磨损、高键和能量以及抗辐射等优点。所以SiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射的功率器件。应用SiC功率管能显著提高功率放大器的输出功率、功率密度、工作带宽、效率，提高功率放大器的环境温度适应性和抗辐射能力。由于材料特性，SiC功率管的工作频率主要在S波段及以下频段；GaN功率管则更适合高频段工作，在S波段及以上频段比GaAs输出功率更大，效率更高。但宽禁带功率管由于加工成本较高，价格较贵。

综上所述，通过对系统指标的分析，综合考虑生产成本、技术难度、制造工艺、批产一致性等方面。我们选择了Ampleon公司的BLF6G13-250P功放晶体管作为末级合成中选择的晶体管，为了保证电源输出电压的统一，减少二次电源变换，提高整机的效率。推动级使用同样为50V供电的晶体管 MRFE6VS25L和MRFE6VP100H。

功放管工作状态选择：根据选用的晶体管特性和系统的线性和效率的指标要求，固态功放的工作状态是AB类。

匹配电路设计考虑：匹配网络是固态功放实现高效、线性、带外抑制、噪声输出、增益斜率功放设计的关键。根据Bode-Fano准则，在工作频率范围内，带通匹配网络在固态功率放大器中实现高效的指标方面有着更大的自由度。

偏置电路设计考虑：偏置电路的作用主要是提供放大器正常工作时的偏压、电流,为放大器提供稳定的工作状态。而放大器一般工作条件在电磁环境比较恶厉、干扰严重的地方。直流与射频在电路中会相互影响。所以在放大器电路设计中必须考虑到要能够提供稳定的工作点和馈电，使功放管处于最佳的工作状态，以消除干扰和影响，进而获得良好的性能指标。因此性能优良的偏置电路对于放大器来说至关重要。在设计时主要考虑的方面具体如下：

a.频率响应：频段低时采用集中参数偏置电路,频段高则采用分布参数偏置电路；窄带対偏置电路影响较小，宽带应把偏置电路作为匹配电路的一部分进行设计。

b.损耗：合理进择隔直电容的大小，不合适的隔直电容会使得损耗过大，使得功率输出减小，性能指标变坏。

c.稳定性：性能优秀的偏置电路能等保证放大器在工作频段内尽量避免自激、震荡等情况的发生。

d.功率容量：因为在大功率情况下，其工作电流也比较大。过细的偏置引线容易导致烧毁，严重时会损伤功率管。

偏置电路网络的设计直接关系到整个放大器的稳定性和输出功率。在设计偏置电路时，最重要的是保证功放所需要的工作状态稳定，然后再考虑到滤除电路中的脉冲干扰，减小电源对放大器的影响，降低功放管冲击烧毁和震荡的可能性。

在工作时输出偏置电路上会有较大的工作电流的存在，困此当放大器工作在周期性脉冲状态时，对电源就提出了比较严格的要求。因为功放管工作时漏级上的电流突变严重，而较长的供电导线上存在电感。使得电流在快速变化的情况下会在供电导线上产生比较大的电压降，具体变化关系可由公式推导得出。固态功放对于工作电压稳定性有着更加严格的要求。因为在脉冲工作期同，放大器的漏级需要高峰值大电流，而单一电源无法在脉冲时间内提供如此大的电流。在这种情况下容易引起供电电压不稳，进而会导致输出功率信号的上升沿変差，顶降加大，甚至会导致噪声性能等各项指标变差。实际应用中仅通过电源来提供如此高的峰值电流是不现实的，具体的解决方法是通过使用一个电容值较大的储能电容器来配合电源提供一个较大的峰值电流。储能电容能够在脉冲上升期间给器件提供电流，保持电压的稳定。目前旁路储能用的大容量电容器主要是钽电解电容和铝电解电容两种。钽电容的特点是寿命长、耐温高、准确度高、滤高频谐波性能极好，但钽电解电容容量较小、价格也比铝电容贵，而且耐电压及电流能力较弱。因此一般多同陶瓷电容，普通电解电容配合使用或是应用于电圧、电流不大的地方。而铝电解电容来说最大的优势在于其可用于大电流的场所，并且费用小，成本低，但在使用电解电容器时，当频率升高其各项指标(包括电容的容值)均有不同程度的下降，为放大器提供的脉冲能量也随之下降，因此具体选择哪一种电容要根据实际进行考虑。

系统软件设计，系统软件由主程序、ADC中断服务程序、告警值判别和处理程序、数据标度变换程序、LCD/LED显示和键盘控制程序、D/A调节程序、数据通信中断服务程序等组成。

a.主程序：主程序流程如图4所示。首先系统初始化，调用LCD欢迎界面。然后进行6个通道的AID数据采集和数字滤波，判断数据是否异常。正常时，调用处理程序，算出实际数值，根据全局变量DISCOUNT在LCD上显示不同通道数值。按键切换多通道数据显示、调节输出功率增减0.1dBm。异常时，调用LED和蜂鸣告警程序，切断供给功放的供电电源，功放旁路。

b.A/D采集和数字滤波程序：图为数据采集和处理流程。先设置ADCCON1、 ADCCON2控制器，通道数和放置滤波后数据RAM首址、某一通道8次采样数据 RAM首址。开ADC中断后，启动单次转换。然后延时1001as，期间执行ADC 中断采样程序。采完8次后，关ADC中断，调用数字滤波程序，存放最终数据。更改通道号和相关RAM内容，启动下一通道的采集，直至结束，具体流程如图5所示。

c.键盘控制程序：键盘控制包括通道数据显示切换和输出功率增减 0.1dBm程序。显示切换程序中，设置DISCOUNT为全局变量，代表要显示数值的通道号。按键改变该值，然后刷新LC。输出功率增、减0.1dBm步长调节是通过控制D/A输出量改变功放的功率放大器的增益值实现的。以按键增加 0.1dBm为例。程序中，先计算当前输出功率增加0.1dBm后的值，查表知对应 ADC后应得到的目标数字值。接着增加D/A输出量，调用输出功率通道的A/D 采集和滤波程序，得到的数字值与目标数字值比较。若小于，则继续增加D/A 输出量，直到等于或大于目标数字值为止；若大于，则进入微调程序，减少 D/A输出量和步进量。当发现连续3次得到的值在目标数字值周围跳动，则表明该数字值已经非常接近，增加0.1dBm已经实现，记录该值后，程序结束。

d.数据通信程序，本地监控单元的数据通信程序主要完成的任务：

(1)接收上位机命令，将当前功放各个测量参数、或保存在片内RAM、闪存中历史参数报告给上位机；

(2)当本地功放出现故障时，主动将当前各个参数和告警位置报告给上位机；并切换备用机通道，使备用机工作；

(3)接收与上位机约定的其他控制操作。在近距离场合，与上位PC通信采用常规的异步通信规约。

本系统的主要特点：具备1:1备份工作以及单机独立工作的能力。主备设备切换工作模式等工作状态调整可以在本地或通过RS232端口远程计算机控制完成。

系统中的固态功放单元的主要特点：面板功能区能显示设备的状态和设置需要的状态，也可以通过计算机远程设置。设备中的固态功放单元具有两种工作模式：恒增益模式和恒功率模式。功放输出功率大，支持多种信号模式输入。选用元器件，原材料的合格供方名录内的厂家的货架产品，有稳定的进货渠道。采用组件采用模块化设计，应用“六性”等工程技术进行设计开发，模块化安装调试，工作可靠性高，结构设计合理、装配工作简单、维修性好、自带监测接口。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种L波段功率放大器，包括功分器、控制单元和功放单元，其特征在于：所述功分器为系统的输入端，功分器的输出端分别连接有功放单元，所述控制单元的输出端也与上述的两个功放单元的输入端连接，两个功放单元的输出端均与单刀双掷开关的两端连接，单刀双掷开关的中间接头与功率负载连接作为输出端；

所述功放单元包括输入端的定向耦合器一，定向耦合器一的输出端通过放大器一与电控衰减器连接，电控衰减器连接的输出端通过放大器二和放大器三与四合路器连接，四合路器的输出端通过放大器四与另一个四合路器二连接，四合路器二与定向耦合器二的输入端连接，定向耦合器二作为输出端，定向耦合器二的正向输出端和反向输出端均与检波器连接，检波器的输出端与控制显示电路的输入端连接，控制显示电路的输入端还与连接AC/DC电源模块连接，控制显示电路的输出端与电控衰减器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种L波段功率放大器，其特征在于：所述功放单元设有两组，功放单元的内部电路结构相同，其中一个作为主电路，另一个作为备用电路。