CN206993063U - 一种Ku频段固态功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种Ku频段200W固态功率合成放大器，它涉及卫星通信领域中的传输上行信道功率放大器部分。它由控制衰减器、驱动放大器、固态功放模块、波导耦合器、检波器、监控单元、温度传感器、模块电源、风机等组成。本实用新型涉及了一种波导内空间64路功率合成技术,首先采用基于双层双对脊鳍线的空间功率合成方式将八个功率芯片进行合成，构成一个功放小模块，再采用八路波导E‑T型结构的二进制功率分配/合成网络将八个功放小模块进行合成达到200W的功率输出。该功率放大器具有体积小、重量轻、集成化程度高、性能稳定可靠、易维护、工作温度范围宽的特点，特别适用于卫星通信微波信道的功率放大业务。

Description

一种Ku频段固态功率合成放大器

技术领域

本实用新型涉及卫星通信领域中的一种Ku频段200W固态功率合成放大器，特别适用于卫星通信微波信道的功率放大设备。

背景技术

近年来,随着卫星通信系统的快速发展,对于高效率、宽频带大功率固态功放的需求与日俱增。然而,单个固态器件在微波毫米波频段输出的功率有限,不能满足系统的需求，为了获得更大的输出功率，常常需要采用功率合成的方法将多个功率器件集中在一个功率合成放大器中；另一方面，出于经济和可靠性等方面的考虑，通常采用较小的功率源进行合成而不直接采用一个大的功率源，除了能够产生较高的功率外，功率合成技术还能在一个或几个源失效的情况下保证系统继续工作而不会完全失效，只是系统性能下降。

目前，应用最多的功率合成技术是电路合成和空间功率合成，在Ku频段电路合成由于传输损耗以及电路结构随器件数量增加成非线性增长，其合成路数受到限制，不能满足Ku频段固态功率放大器的要求，而空间功率合成最大的优点是合成效率基本与固态器件数量无关，更适合多器件的大功率输出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供 一种能够满足卫星通信地面站的功率放大设备，本实用新型采用空间功率合成技术，将64路功率芯片进行合成，具有合成效率高的特点，能够在恶劣的环境-40℃～55℃条件下正常工作，还具有重量轻、体积小、性能稳定可靠等特点。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种Ku频段固态功率合成放大器，包括控制衰减器101、弯波导103、波导耦合器105、检波器106、监控单元107、电源模块108、驱动放大器102和固态功率放大器104；

控制衰减器101的信号输入端口1与外部相连，信号输出端口2与驱动放大器102的信号输入端口1相连，数控衰减控制输入端口3和压控衰减控制输入端口4分别与监控单元107的数控衰减控制输出端口1和压控衰减控制输出端口2一一对应相连；驱动放大器102的信号输出端口2与弯波导103的信号输入端口1相连；弯波导103的信号输出端口2与固态功率放大器104的信号输入端口1相连；固态功率放大器104信号输出端口2与波导耦合器105的信号输入端口1相连，温度输出端口3与监控单元107的温度输入端口3相连，电流输出端口4与监控单元107的电流输入端口4相连；波导耦合器105的信号输出端口2与外部相连，耦合输出端口3与检波器106的耦合输入端口1相连；检波器106的检波输出端口2与监控单元107的检波输入端口5相连；监控单元107的功放控制出入端口与外部相连，电源控制输出端口6与电源模块108的电源控制输入端口3相连；电 源模块108的电源输入端口4与外部相连，电源输出端口1和电源输出端口2分别与各个模块的电源输入端口相连，电源控制输出端口5与风机109的电源控制输入端口1相连。

其中，所述的驱动放大器102包括微带隔离器201、第一级驱动放大器芯片202、第二级驱动放大器芯片203和波导微带过渡204；

所述的微带隔离器201的信号输入端口1与控制衰减器101的信号输出端口2相连，微带隔离器201的信号输出端2与第一级驱动放大器芯片202的信号输入端口1相连；第一级驱动放大器芯片202的信号输出端口2与第二级驱动放大器芯片203的信号输入端口1相连；第二级驱动放大器芯片203的信号输出端口2与波导微带过渡204的信号输入端口1相连，波导微带过渡204的信号输出端口2与弯波导103的信号输入端口1相连。

其中，所述的固态功率放大器104包括八分路器301、第一至第八功放小模块302-309和八合路器310；

所述的八分路器301的信号输入端口1与弯波导103的信号输出端口2相连，八路信号输出端口2-9分别与第一至第八功放小模块302-309的各信号输入端口1一一对应相连；第一至第八功放小模块302-309的各信号输出端口2分别与八合路器310的八路信号输入端口1-8一一对应相连；八合路器310的信号输出端口9与波导耦合器105的信号输入端口1相连；第一至第八功放小模块302-309的各温度输出端口3分别与监控单元107的温度输入端口3相连，各电流输 出端口4分别与监控单元107的电流输入端口4相连。

其中，所述的第一功放小模块302包括八路功率分配器311、八路功率合成器312、第一至第八固态功率单片313-320、第一至第十六电阻R1-R16、电容C1和电容C2；

八路功率分配器311的信号输入端口1与八分路器301的信号输出端口相连，八路信号输出端口2-9分别与第一至第八固态功率单片313-320的各信号输入端口1一一对应相连；第一至第八固态功率单片313-320的各信号输出端口2分别与八路功率合成器312的八路信号输入端口1-8一一对应相连；八路功率合成器312的信号输出端口9与八合路器310的信号输入端口相连；第一至第八固态功率单片313-320的各端口4分别与电压+V连接；第一至第八固态功率单片313-320的各端口3分别与电阻R1和电阻R2、电阻R3和电阻R4、电阻R5和电阻R6、电阻R7和电阻R8、电阻R9和电阻R10、电阻R11和电阻R12、电阻R13和电阻R14、电阻R15和电阻R16的中间点一一对应连接；电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R12、电阻R14和电阻R16另一端接地；电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R13和电阻R15另一端与电压-V端连接；电容C1、电容C2是栅极偏置电压的旁路滤波电容。

其中，所述的第一至第八功放小模块302-309的结构相同，均采用基于波导的双层双对脊鳍线空间功率合成结构。

其中，所述的八分路器301和八合路器310均采用基于波导E-T 结构的二进制功率合成方式。

本实用新型与背景技术相比有以下优点：

1.本实用新型八分路器和八合路器采用基于波导E-T结构的二进制功率合成方式，具有低损耗、相位一致性好的优点，提高了合成效率。

2.本实用新型的功放小模块采用基于波导的双层双对脊鳍线空间功率合成结构，有利于减小功率合成放大器模块的体积和重量。

3.本实用新型固态功率放大器104,将功放小模块A302作为一个基础单元，可以将多个该模块进行统一测试，将测试结果进行排序，挑选相位、幅度一致的功放小模块进行组合，这样可以大大提高合成的功率及效率。

4.本实用新型结构简单、各模块布局清晰明确、可维护性高、性能可靠，能够在恶劣环境-40℃～55℃条件下正常工作，性价比高，具有推广应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的电原理方框图。

图2是本实用新型的模型图。

图3是本实用新型固态功率放大器的电原理方框图。

图4是本实用新型功放小模块的电原理方框图。

图5是本实用新型功放小模块的电原理方框图。

具体实施方式

参照图1至图4，对本实用新型作进一步解释说明；

本实用新型由控制衰减器101、驱动放大器102、弯波导103、固态功率放大器104、波导耦合器105、检波器106、监控单元107、电源模块108和风机109组成。图1是本实用新型的原理方框图，实施例按图1连接线路；

本实用新型控制衰减器101入端1脚通过Ku频段同轴电缆与外部端口A连接，实现Ku频段信号输入，控制衰减器101入端3脚通过数据线与监控单元107出端1脚连接，可根据系统要求实现设备增益的步进调节，控制衰减器101入端4脚通过数据线与监控单元107出端2脚连接，监控单元107根据固态功率放大器104上报的温度信息进行综合处理，使系统在温度变化时增益波动控制在较小范围内，控制衰减器101的出端2脚通过Ku频段同轴电缆输出到驱动放大器102的入端1脚，驱动放大器102对信号进行初步放大，驱动放大器102出端2将初步放大的信号通过WR62波导传输给弯波导103入端口1，弯波导103将输入的信号进行90度旋转输出至固态功率放大器104入端1脚，固态功率放大器104将64路芯片进行功率合成后输出，固态功率放大器104将其温度和电流通过DS18B20及MAX4173TEUT芯片上报给监控单元107，固态功率放大器104将合成后的功率信号传输给波导耦合器105入端1脚，主路功率信号通过波导耦合器105出端2脚传输给外部波导口B，波导耦合器105通过波导内探针耦合的方式通过出端口3脚将耦合的小信号输入检波器106 入端1脚，检波器106的出端2脚将检测到的射频信号转换为直流信号输入给监控单元107入端5脚，监控单元107将检波器106输入的直流信号处理成输出功率显示值，监控单元107同时对固态功放模块104上报的温度、电流、进行处理，从而实现对整机功放的过温保护、电流检测、功率监测等功能，监控单元107与外部端口C通过串口总线连接实现外部对功放的控制，波导耦合器105采用市售CP13.75-14.5GS-0903制作，检波器106采用市售W55-001C14G25A制作。电源模块108提供各级部件直流工作电压，采用市售型号为7V150AHNJ1S122DⅢ的开关电源，其输出+V电压为+7伏、输出-V电压为-5伏，模块电源108入端3脚可接受监控单元106的控制，在非正常情况下关断输出电压，实现自我保护功能,风机109采用市售PSD1204PBB1型结构，电源模块108为其提供+12V供电电压。

如图3，本实用新型驱动放大器102由小信号放大器、驱动放大器组成，包括微带隔离器201、第一级驱动放大器芯片202、第二级驱动放大器芯片203和波导微带过渡204；

所述的微带隔离器201的信号输入端口1与控制衰减器101的信号输出端口2相连，微带隔离器201的信号输出端2与第一级驱动放大器芯片202的信号输入端口1相连；第一级驱动放大器芯片202的信号输出端口2与第二级驱动放大器芯片203的信号输入端口1相连；第二级驱动放大器芯片203的信号输出端口2与波导微带过渡204的信号输入端口1相连，波导微带过渡204的信号输出端口2与 弯波导103的信号输入端口1相连。实施例采用HMC441和TGA2502制作。

如图4，所述的固态功率放大器104包括八分路器301、第一至第八功放小模块302-309、八合路器310,八分路器301和八合路器310结构完全一致，采用基于波导E-T结的二进制空间合成结构；八分路器301出端2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚分别与第一至第八功放小模块302-309各入端1脚一一对应连接；第一至第八功放小模块302-309各出端2脚分别与八合路器310入端1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚一一对应连接,功放小模块302-309八个模块结构功能完全相同。第一至第八功放小模块302-309的各温度出端3脚分别与监控单元107的温度入端3脚相连，各电流出端4脚分别与监控单元107的电流入端4脚相连。

功放小模块由八路功率分配器311、八路功率合成器312、第一至第八固态功率单片313-320、第一至第十六电阻R1-R16、电容C1、电容C2组成；如图5，八路功率分配器311入端与八分路器出端连接，八路功率分配器出端与八合路器入端连接，八路功率分配器出端2、3、4、5、6、7、8通过波导-双层双对脊鳍线过渡分别与第一至第八固态功率单片313-320的各入端1一一对应连接，第一至第八固态功率单片313-320的各输出端2通过波导-双层双对脊鳍线过渡分别与八路功率合成器的入端1、2、3、4、5、6、7、8一一对应；Ku频段信号经过八路功率分配器311后，信号等幅地分为八份，八路功 率分配器311输出的八路Ku频段信号分别进入第一至第八固态功率单片313-320，八路经过放大的功率信号通过八路功率合成器312进行功率合成后输出至八合路器310的输入端，第一至第八固态功率单片313-320入端4脚与电压+V连接；第一至第十六电阻R1至R16、用于实现对第一至第八固态功率单片栅极的偏置调节，电容C1，电容C2是栅极偏置电压的旁路滤波电容，电压+V分别对第一至第八固态功率单片供电。实施例和功放盒体一起用铝合金进行加工，表面镀镍金。第一至第八固态功率单片313-320采用相同的电路结构形式，各路放大器的入端3脚分别通过相同的分压电阻获得负压输入，入端4脚均与模块电源107输出+7V电压连接，各路放大器的作用均是提供功率增益，获得单管电路的最大输出功率，实施例每个功率单片各采用一只市售TGA2502制作。

本实用新型简要工作原理如下：Ku频段200W固态功率合成放大器由控制衰减器101、驱动放大器102、弯波导103、固态功率放大器104、波导耦合器105、检波器106、监控单元107、模块电源108和风机109组成。Ku频段输入小信号首先进入控制衰减器101，通过监控单元106控制实现整机的增益步进调节和对整机增益波动调节。经过增益调整以后的信号进入驱动放大器；驱动放大器对信号进行初步放大，经过驱动放大器放大的信号进入弯波导；弯波导用以实现传输方向的改变；经过弯波导改变传输方向的信号进入固态功率放大器，固态功率放大器实现功率合成放大，达到所需要的功率输出，并 将检测到的温度和电流上报给监控单元；经过功率放大的模块进入波导耦合器，波导耦合器的将主信号传输给外部波导口B，波导耦合器将耦合的小信号输入检波器，检波器将检测到的射频信号转换为直流信号输入给监控单元。

本实用新型的安装结构如下：把图1中控制衰减器101、驱动放大器102、弯波导103、固态功率放大器104、波导耦合器105、检波器106、监控单元107和电源108共同安装在一个长×宽×高为3450毫米×335毫米×145毫米的密闭机箱内，风机109安装在机箱底部散热翅片上，Ku频段信号在不同部件之间的传输通过同轴射频电缆和WR62波导连接，控制信号通过软导线与监控单元连接，机箱加工采用屏蔽结构，可实现电磁信号的空间隔离，组装成本实用新型。图2是本实用新模型图。

本实用新型的功放小模块采用基于波导的双层双对脊鳍线空间功率合成结构，使用宽带行波天线来改进系统在波传播方向的性能，每一个托盘都包含了一些鳍线和鳍线转换器，它采用渐变鳍线作为收发天线，而鳍线过渡经过系统的优化设计后，能够保证良好的宽带性能和良好的系统输入输出端的隔离度，这些鳍线或者鳍线转换器把电磁波从波导内耦合到第一至第八固态功率单片313至320的输入端，经过芯片放大后再把功率通过鳍线和波导输出。该功率放大器的突出优点是通过天线辐射的方式是在完成波导-微带过渡的同时实现了八路功分,使该功率合成放大器在很小的空间内实现了八路放大，且合 成效率与固态器件数量无关；采用砷化镓场效应管，具有较高的放大增益，减少了功率合成放大器之间级联的数目，这些都有利于减小功率合成放大器模块的体积和重量。

Claims (6)

1.一种Ku频段固态功率合成放大器，包括控制衰减器(101)、弯波导(103)、波导耦合器(105)、检波器(106)、监控单元(107)和电源模块(108)，其特征在于：还包括驱动放大器(102)和固态功率放大器(104)；

控制衰减器(101)的信号输入端口1与外部相连，信号输出端口2与驱动放大器(102)的信号输入端口1相连，数控衰减控制输入端口3和压控衰减控制输入端口4分别与监控单元(107)的数控衰减控制输出端口1和压控衰减控制输出端口2一一对应相连；驱动放大器(102)的信号输出端口2与弯波导(103)的信号输入端口1相连；弯波导(103)的信号输出端口2与固态功率放大器(104)的信号输入端口1相连；固态功率放大器(104)信号输出端口2与波导耦合器(105)的信号输入端口1相连，温度输出端口3与监控单元(107)的温度输入端口3相连，电流输出端口4与监控单元(107)的电流输入端口4相连；波导耦合器(105)的信号输出端口2与外部相连，耦合输出端口3与检波器(106)的耦合输入端口1相连；检波器(106)的检波输出端口2与监控单元(107)的检波输入端口5相连；监控单元(107)的功放控制出入端口与外部相连，电源控制输出端口6与电源模块(108)的电源控制输入端口3相连；电源模块(108)的电源输入端口4与外部相连；电源输出端口1和电源输出端口2分别与各个模块的电源输入端口相连，电源控制输出端口5与风机(109)的电源控制输入端口1相连。

2.根据权利要求1所述的一种Ku频段固态功率合成放大器，其特征在于：所述的驱动放大器(102)包括微带隔离器(201)、第一级驱动放大器芯片(202)、第二级驱动放大器芯片(203)、波导微带过渡(204)；

所述的微带隔离器(201)的信号输入端口1与控制衰减器(101)的信号输出端口2相连，微带隔离器(201)的信号输出端2与第一级驱动放大器芯片(202)的信号输入端口1相连；第一级驱动放大器芯片(202)的信号输出端口2与第二级驱动放大器芯片(203)的信号输入端口1相连；第二级驱动放大器芯片(203)的信号输出端口2与波导微带过渡(204)的信号输入端口1相连，波导微带过渡(204)的信号输出端口2与弯波导(103)的信号输入端口1相连。

3.根据权利要求1所述的一种Ku频段固态功率合成放大器，其特征在于：所述的固态功率放大器(104)包括八分路器(301)、第一至第八功放小模块(302-309)和八合路器(310)；

所述的八分路器(301)的信号输入端口1与弯波导(103)的信号输出端口2相连，八路信号输出端口2-9分别与第一至第八功放小模块(302-309)的各信号输入端口1一一对应相连；第一至第八功放小模块(302-309)的各信号输出端口2分别与八合路器(310)的八路信号输入端口1-8一一对应相连；八合路器(310)的信号输出端口9与波导耦合器(105)的信号输入端口1相连；第一至第八功放小模块(302-309)的各温度输出端口3分别与监控单元(107)的温度输入端口3相连，各电流输出端口4分别与监控单元(107)的电流输入端口4相连。

4.根据权利要求3所述的一种Ku频段固态功率合成放大器，其特征在于：所述的第一功放小模块(302)包括八路功率分配器(311)、八路功率合成器(312)、第一至第八固态功率单片(313-320)、第一至第十六电阻R1-R16、电容C1和电容C2；

八路功率分配器(311)的信号输入端口1与八分路器(301)的信号输出端口相连，八路信号输出端口2-9分别与第一至第八固态功率单片(313-320)的各信号输入端口1一一对应相连；第一至第八固态功率单片(313-320)的各信号输出端口2分别与八路功率合成器(312)的八路信号输入端口1-8一一对应相连；八路功率合成器(312)的信号输出端口9与八合路器(310)的信号输入端口相连；第一至第八固态功率单片(313-320)的各端口3分别与电压+V连接；第一至第八固态功率单片(313-320)的各端口3分别与电阻R1和电阻R2、电阻R3和电阻R4、电阻R5和电阻R6、电阻R7和电阻R8、电阻R9和电阻R10、电阻R11和电阻R12、电阻R13和电阻R14、电阻R15和电阻R16的中间点一一对应连接；电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R12、电阻R14和电阻R16另一端接地；电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R13和电阻R15另一端与电压-V端连接；电容C1、电容C2是栅极偏置电压的旁路滤波电容。

5.根据权利要求3或4所述的一种Ku频段固态功率合成放大器，其特征在于：所述的第一至第八功放小模块(302-309)的结构相同，均采用基于波导的双层双对脊鳍线空间功率合成结构。

6.根据权利要求3所述的一种Ku频段固态功率合成放大器，其特征在于：所述的八分路器(301)和八合路器(310)均采用基于波导E-T结构的二进制功率合成方式。