CN207124610U - 一种s频段高线性高效率固态功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种S频段高线性高效率固态功率放大器，它涉及航天测控、弹载测控领域、气象卫星地面站中的高线性、高效率功率放大技术。本实用新型采用GaN功率管、射频预失真技术和Doherty技术相结合的方法来提高功率放大器的效率和线性度指标。本实用新型可适用于室外或弹载恶劣环境下工作。本实用新型具有能够实现大功率射频信号高线性度的要求、具有高增益、高效率、工作温度范围宽等优点。特别适用于航天测控、弹载测控等领域对发射的射频信号需要高效率和高线性度的情况。

Description

一种S频段高线性高效率固态功率放大器

技术领域

本实用新型专利涉及航天测控、弹载测控领域，尤其涉及一种气象卫星地面站中基于GaN功率管、射频预失真技术和Doherty技术相结合的方法来提高功率放大器的效率和线性度指标来实现大功率输出的S频段固态功率放大器。

背景技术

S频段是我国航天测控、弹载测控、气象卫星地面站的主用测控频段，主要用于常规卫星测控、深空探测系统和导弹测控系统中，随着科学技术的快速发展，宽带跳频，高速数据传输业务、高效率的编码调制技术要求发射链路具有高的效率和线性度，固态功率放大器作为测控系统发射链路的主要器件，消耗了大部分电源功率，其性能的优劣直接影响着整个测控系统的正常运行。在航天测控、弹载测控、气象卫星地面站等应用领域中，除了要求大功率输出外，还要求固态功放有良好的线性度和高效率。而目前GaN型固态功率器件自身的线性度通常不能满足系统要求，尤其是三阶互调指标差距较大，需要采用线性化技术来优化其指标。多采用功率回退的方法来提高功率放大器的线性度，即通过牺牲功率放大器的效率来换取线性度。而功放的效率低下会直接导致电源消耗功率大，对系统配电和散热的要求较高，在一些特定平台的应用受到限制，如位于弹载测控发射信道末端的高线性、高效率大功率固态功率放大器对弹载测控系统性能至关重要，承担着弹载侦查信息的微波功率信号放大的功能，是弹载发射链路的核心部件。高线性、高效率大功率固态功率放大器的性能和可靠性直接影响了弹载测控通信系统的性能，对弹载测控通信系统的通信质量、作用半径、抗干扰能力等方面有决定性影响。

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，采用 GaN功率管、射频预失真技术和Doherty技术相结合的方法以及串馈功率合成技术来提高功率放大器的效率和线性度指标，实现S频段输出功率300W、三阶交调线性度优于-40dBc、整机效率优于45％的固态功率放大器。适用于在室外、弹载等恶劣工作坏境下，实现航天测控、弹载测控等领域对发射的射频信号需要高效率和高线性度的情况。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种S频段高线性高效率固态功率放大器，包括预失真模块1、驱动放大模块2、串馈功分器3、第一至第四功率放大模块4-1～4-4 和串馈合路器5；

预失真模块1的信号输入端口与外部相连，信号输出端口与驱动放大模块2的信号输入端口相连；驱动放大模块2的信号输出端口与串馈功分器3的信号输入端口相连；串馈功分器3的四路信号输出端口分别与第一至第四功率放大模块4-1～4-4的信号输入端口一一对应相连；第一至第四功率放大模块4-1～4-4的信号输出端口分别与串馈合路器5的四路信号输入端口一一对应相连；串馈合路器5的信号输出端口与外部相连。

其中，还包括环形器6、耦合器7、监控模块8、电源模块9和散热器；

串馈合路器5的信号输出端口与环形器6的信号输入端口相连；环形器6的信号输出端口与耦合器7的信号输入端口相连；耦合器7 的信号输出端口与外部相连；监控模块8的控制端口分别与预失真模块1、第一至第四功率放大模块4-1～4-4和电源模块9的控制端口双向连接；电源模块9的电源输出端口分别与预失真模块1、驱动放大模块2、第一至第四功率放大模块4-1～4-4和监控模块8的电源输入端口相连；预失真模块1、驱动放大模块2、串馈功分器3、第一至第四功率放大模块4-1～4-4、串馈合路器5、环形器6、耦合器7和电源模块9分别设置在散热器上。

其中，所述的预失真模块1包括第一放大模块11、数控衰减模块12、温补模块13、射频预失真器14和第二放大模块15；第一放大模块11的信号输入端口与外部相连，信号输出端口与数控衰减模块12的信号输入端口相连；数控衰减模块12的信号输出端口与温补模块13的信号输入端口相连；温补模块13的信号输出端口与射频预失真器14的信号输出端口相连；射频预失真器14的信号输出端口与第二放大模块15的信号输出端口相连；第二放大模块15的信号输出端口与驱动放大模块2的信号输入端口相连。

其中，第一至第四功率放大模块4-1～4-4均包括功分器16、主放大器17、辅助放大器18和功率合成网络19；

串馈功分器3的一路信号输出端口与功分器16的信号输入端口相连；功分器16的两路信号输出端口分别与主放大器17和辅助放大器18的信号输入端口相连；主放大器17和辅助放大器18的信号输出端口分别与功率和成网络19的两个信号输入端口一一对应相连；功率合成网络19的信号输出端口与串馈合路器5的信号输入端口相连。

本实用新型相比背景技术具有如下优点：

1.本实用新型中采用模拟电路来实现射频预失真提高功率放大器的线性度。模拟预失真法与数字预失真相比具有电路原理简单、可调试性强、结构简单、易于实现，在改善三阶交调的效果上，能达到更好的效果。

2.本实用新型采用GaN功率管的Doherty功率放大器提高功率放大器的效率。通过电路仿真优化，实现了一种电路结构简单，工作稳定可靠的Doherty功率放大器。

3.本实用新型采用采用串馈功率合成技术、幅相一致性措施，优化调整放大模块的幅度、相位一致性，提高功率合成效率和利于高密度集成，缩小整机体积。

4、本实用新型具有体积小、合成效率高、性能稳定可靠，适用于恶劣环境下工作等优点。

附图说明

图1是本实用新型系统原理方框图。

图2是本实用新型射频预失真模块原理方框图。

图3是本实用新型末级功率放大模块原理方框图。

具体实施方式

参照原理框图1：本实用新型包括预失真模块1、驱动放大模块2、串馈功分器3、第一至第四功率放大模块4-1～4-4、串馈合路器5、环形器6、耦合器7、监控模块8、电源模块9和散热器10；其中，射频输入信号接入预失真模块1输入口，其作用是对射频小信号进行预失真放大，且可对信号进行0.1dB步进、30dB衰减范围控制，然后接入驱动放大模块2进行功率放大，使功率放大器的线性度得到提升，补偿了由功率放大器非线性产生的幅度失真和相位失真，再接入串馈功分器模块3的输入端口，串馈功分器3对经过电平控制的驱动信号分成四路，四路信号输出端口分别与第一至第四功率放大模块4-1～4-4的信号输入端口一一对应相连；分别经过第一至第四功率放大模块4-1～4-4放大后至口串馈合路器5的四路输入口，串馈合路器 5将四路功率信号合成为一路大功率信号，输出口接环形器6输入口，环形器6输出口接耦合器7输入口，耦合器7输出口接机箱的大功率信号输出接口；串馈合路器5输出口最大功率可达300W。电源模块 9的电源输出端口分别与预失真模块1、驱动放大模块2、第一至第四功率放大模块4-1～4-4和监控模块8的电源输入端口相连；电源模块9输出端可以提供+5V、+8V、-8V、+28V、+24V直流电压，其中，+28V为大功率输出，为四路功率放大模块提供直流电源，+24V 为散热器风扇电源。预失真模块1、驱动放大模块2、串馈功分器3、第一至第四功率放大模块4-1～4-4、串馈合路器5、环形器6、耦合器7和电源模块9分别设置在散热器上。监控模块8完成输出功率、反射功率、工作温度电源电压、电流的检测和上报，具有静默(漏极电压断开)、主备切换、功率设置、ALC控制等控制指令接口。

参照原理框图2，本实用新型的预失真模块1包括第一放大模块 11、数控衰减模块12、温补模块13、射频预失真器14、第二放大模块15，作用是对输入的射频小信号进行功率放大，用于提供高增益和足够的驱动电平；实现链路增益调节，改善带内增益平坦度；采用模拟预失真技术以优化和提高整机放大链路的线性度指标，当输入频率间隔为5MHz、等幅两载波，总功率比1dB压缩点功率低7dB 情况下三阶交调分量≤-47dBc。

其中，第一放大模块11输出端与数控衰减模块12输入端连接，数控衰减模块12输出后接温补模块13输入端，温补模块13输出端与射频预失真器14输入端连接，射频预失真器14输出后接第二放大模块15输入端，第二放大模块15输出口接驱动放大模块2；第一放大模块11对输入的射频小信号进行功率放大，用于提供高增益和足够的驱动电平，使整机链路增益达到要求；数控衰减模块12实现整机链路增益调节；温补模块13利用其温度系数与链路增益呈相反的趋势，可补偿环境温度变化引起的链路增益波动；射频预失真器 14的非线性特性幅度、相位呈现与驱动放大模块2、串馈功分器3、串馈合路器5、四路功率放大模块4-1～4-4组成的放大链相反的趋势，并与之互补，相互抵消，以优化整机放大链路的线性度，达到改善线性度指标三阶互调的目的。

参照原理框图3，本实用新型的功率放大模块4-1～4-4为Doherty功率放大器，每个模块均包括功分器16、主放大器17、辅助放大器18、功率合成网络19，其作用是对中功率信号进行功率放大达到90W以上功率输出。

其中功分器16输出端与主放大器17、辅助放大器18输入端连接，主放大器17、辅助放大器18输出端分别与功率合成网络19输入端连接，功率合成网络19输出端连接串馈合路器5输入端；功分器16模块将输入的中功率信号分成两路分别输入主放大器17、辅助放大器18进行功率放大，放大后的信号经过功率合成网络19进行合成输出至功率合成网络19。主放大器17、辅助放大器18均采用 GaN功率管，主放大器17工作在AB类状态，辅助放大器18工作在C类状态，由此组成的Doherty功率放大器结合了AB类射频功放线性度好和C类射频功放高效率的优点，提高功率放大器的效率。

实施例中，主放大器17、辅助放大器18采用的型号均为Cree 公司的CGH40120F。Doherty功率放大器在输出功率回退6dB，整机100MHz带宽内最低效率可以达到45％。

本实用新型的监控模块可实时完成输出功率、反射功率、工作温度电源电压、电流的检测和上报，具有静默(漏极电压断开)、主备切换、功率设置、ALC电平控制等指令接口。

本实用新型的结构如下：

本实用新型的功放机箱结构采用倒∩型布局，机箱结构尺寸长 630mm、宽354mm、高182mm。机箱共分为两个空间，一个空间为实现电气功能的主功能空间，一个为整机通风散热通道空间。其中主功能空间内又分为三个平面层，分别是顶层、侧面1层和侧面2层。侧面1层和侧面2层安装电源模块9；顶层安装预失真模块1、驱动放大模块2、串馈功分器3、第一至第四功率放大模块4-1～4-4、串馈合路器5、环形器6、耦合器7、监控模块8。通风散热通道包含散热器和风扇，其中散热器与机箱焊接为一整体，风扇分别安装在散热通道进风和出风口。

本实用新型的串馈功分器3、第一至第四功率放大模块4-1～4-4、串馈合路器5的结构形式是铝合金屏蔽盒，实现电磁屏蔽的同时提供良好的散热通路。为提高屏蔽盒的导热能力，在盒底焊接2根热管。电源模块、第一至第N路功率放大模块8-1～8-N、用紧固件固定在散热器的两侧冷板上。

Claims (4)

1.一种S频段高线性高效率固态功率放大器，包括预失真模块(1)、驱动放大模块(2)、串馈功分器(3)和串馈合路器(5)；其特征在于，还包括第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)；

预失真模块(1)的信号输入端口与外部相连，信号输出端口与驱动放大模块(2)的信号输入端口相连；驱动放大模块(2)的信号输出端口与串馈功分器(3)的信号输入端口相连；串馈功分器(3)的四路信号输出端口分别与第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)的信号输入端口一一对应相连；第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)的信号输出端口分别与串馈合路器(5)的四路信号输入端口一一对应相连；串馈合路器(5)的信号输出端口与外部相连。

2.根据权利要求1所述的一种S频段高线性高效率固态功率放大器，其特征在于，所述的预失真模块(1)包括第一放大模块(11)、数控衰减模块(12)、温补模块(13)、射频预失真器(14)和第二放大模块(15)；第一放大模块(11)的信号输入端口与外部相连，信号输出端口与数控衰减模块(12)的信号输入端口相连；数控衰减模块(12)的信号输出端口与温补模块(13)的信号输入端口相连；温补模块(13)的信号输出端口与射频预失真器(14)的信号输出端口相连；射频预失真器(14)的信号输出端口与第二放大模块(15)的信号输出端口相连；第二放大模块(15)的信号输出端口与驱动放大模块(2)的信号输入端口相连。

3.根据权利要求1所述的一种S频段高线性高效率固态功率放大器，其特征在于，第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)均包括功分器(16)、主放大器(17)、辅助放大器(18)和功率合成网络(19)；

串馈功分器(3)的一路信号输出端口与功分器(16)的信号输入端口相连；功分器(16)的两路信号输出端口分别与主放大器(17)和辅助放大器(18)的信号输入端口相连；主放大器(17)和辅助放大器(18)的信号输出端口分别与功率和成网络(19)的两个信号输入端口一一对应相连；功率合成网络(19)的信号输出端口与串馈合路器(5)的信号输入端口相连。

4.根据权利要求1所述的一种S频段高线性高效率固态功率放大器，其特征在于，还包括环形器(6)、耦合器(7)、监控模块(8)、电源模块(9)和散热器；

串馈合路器(5)的信号输出端口与环形器(6)的信号输入端口相连；环形器(6)的信号输出端口与耦合器(7)的信号输入端口相连；耦合器(7)的信号输出端口与外部相连；监控模块(8)的控制端口分别与预失真模块(1)、第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)和电源模块(9)的控制端口双向连接；电源模块(9)的电源输出端口分别与预失真模块(1)、驱动放大模块(2)、第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)和监控模块(8)的电源输入端口相连；预失真模块(1)、驱动放大模块(2)、串馈功分器(3)、第一至第四功率放大模块(4-1～4-4)、串馈合路器(5)、环形器(6)、耦合器(7)和电源模块(9)分别设置在散热器上。