CN212845905U - 一种基于目标侦测雷达的isar功率放大模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，包括功率放大单元，功率放大单元中包括数控衰减器、放大器和合成功率放大器，其中，数控衰减器，在外部信号的驱动下将输入信号的功率衰减，形成衰减信号；放大器，设置有若干组，将衰减信号逐级进行功率放大，形成放大信号；合成功率放大器，采用多路功率合成的方式将放大器输出的放大信号再进行放大，并形成合成放大信号；采用回退法，充分考虑各模块的功耗、输出功率以及性能，通过优化对比实现了较高的线性度；在X波段500MHz自带内，通过电路优化、结构优化、期间匹配设计，解决了带内相位起伏要求高的难点，功放在700MHz工作频段内，相位起伏在2.5°。

Description

一种基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块

技术领域

本发明涉及功率放大技术领域，尤其涉及一种基于目标侦测雷达的ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)功率放大模块。

背景技术

三阶互调是衡量功率放大模块线性放大情况的核心指标之一。提高功率放大器线性的做法一般有两种：前馈法和回退法。回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示)向后回退6-10个分贝，工作在远小于 1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况，当基波功率降低1dB时，三阶交调失真改善2dB。相较于回退法，前馈法放大系统效率大大提高，且降低了对功率放大器件的输出能力要求，同时前馈法放大系统通过对三阶互调信号的剥离和对消，实现互调指标的改善。

但是，前馈法放大电路结构复杂，调试困难，目前多应用在较低工作频段上 (C波段以下，如移动通信)。而对于信号波长较短的X波段，由于微波分布参数影响较大，要保证前馈法放大电路幅度相位的平衡性，则增加了调试电路的难度。另外，由于环境的变化，有源器件的幅度特性、相位特性均存在漂移，从而影响前馈法放大电路的对消结果，电路可靠性相对不高。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有侦测雷达的功率放大器线性放大存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其目的在于如何通过回退法优化提高侦测雷达功率放大模块的线性度的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于目标侦测雷达的 ISAR功率放大模块，包括功率放大单元，所述功率放大单元中包括数控衰减器、放大器和合成功率放大器，其中，数控衰减器，在外部信号的驱动下将输入信号的功率衰减，形成衰减信号；放大器，设置有若干组，将所述衰减信号逐级进行功率放大，形成放大信号；合成功率放大器，采用多路功率合成的方式将所述放大器输出的所述放大信号再进行放大，并形成合成放大信号。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述合成功率放大器包括分配网络、放大网络和合成网络，其中，所述分配网络和所述合成网络基于波导空间功率/分配合成器和波导微带探针相结合的方式实现信号的分配和合成；放大网络包括若干放大通道，每一所述放大通道包括相互连接的第一90度电桥、并联放大器和第二90度电桥。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述波导空间功率/分配合成器为威尔金森电桥。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述波导微带探针通过结构、尺寸相同的50Ω微带线延展而成。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：采用回退法计算该功率放大模块的三阶互调系数。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述功率放大单元还包括温补衰减器，所述温补衰减器设置于所述放大器中的前级放大器和驱动放大器之间。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述功率放大单元还包括设置于所述数控衰减器前的均衡器。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述功率放大单元还包括设置于模块线路两端的隔离器。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述功率放大模块中还包括电源控制及监测单元，其包括电源控制电路和检波比较子电路；所述检波比较子电路包括检波告警电路和固定衰减电路；其中所述功率放大单元输出信号耦合出的信号经功分一路至检波告警电路检测出电压信号，另一路至固定衰减电路并经开关传送至自检模块。

作为本发明所述基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的一种优选方案，其中：所述功率放大模块中还包括电源模块，向所述功率放大单元和电源控制及监测单元供电。

本发明的有益效果：

1、采用回退法，充分考虑各模块的功耗、输出功率以及性能，通过优化对比实现了较高的线性度。

2、在X波段500MHz的带内，通过电路优化、结构优化、级间匹配设计，解决了带内相位起伏要求高的难点，功放在700MHz工作频段内，相位起伏在 2.5°。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的整体组成框图。

图2为本发明基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的功率放大单元原理框图。

图3为本发明基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的放大网络原理框图。

图4为本发明基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的检波比较电路信号流向示意图。

图5为本发明基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的电源单元原理框图。

图6为本发明基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块的检波告警电路连接电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1、2和3，为本发明第一个实施例，提供了一种基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，此功率放大模块中包括功率放大单元100，功率放大单元100中包括数控衰减器101、放大器102和合成功率放大器103，其中，数控衰减器101，在外部信号的驱动下将输入信号的功率衰减，形成衰减信号；放大器102，设置有若干组，将衰减信号逐级进行功率放大，形成放大信号；合成功率放大器103，采用多路功率合成的方式将放大器102输出的放大信号再进行放大，并形成合成放大信号。

合成功率放大器103包括分配网络103a、放大网络103b和合成网络103c，其中，分配网络103a和合成网络103c基于波导空间功率/分配合成器和波导微带探针相结合的方式实现信号的分配和合成；放大网络103b包括若干放大通道，每一放大通道包括相互连接的第一90度电桥103b-1、并联放大器103b-2和第二 90度电桥103b-3。

波导空间功率/分配合成器为威尔金森电桥。

波导微带探针通过结构、尺寸相同的50Ω微带线延展而成。

其中，该功率放大模块，用于对雷达发射信号功率的放大，包括功率放大单元100，电路参照图3，采用功率合成的方法将输入信号放大到所需电平后输出；结合附图2，功率放大单元100中至少包括了数控衰减器101、若干组放大器102、合成功率放大器103，其中，数控衰减器101在接收输入的发射信号的功率要求和每一功率之间的功率差值设置总衰减量，此衰减量通过CPLD控制数控衰减器101的衰减量来实现设置衰减总量，并根据可编程逻辑器件CPLD的功率控制指令，实现不同功率的输出，从而将输入信号的功率衰减成不同大小的衰减信号；而放大器102设置三级，按照信号走向由前向后分别设置前级放大器102a、驱动放大器102b和末级放大器203，通过三级放大电路逐渐对衰减信号进行逐级放大，且在驱动放大器102b控制端接外部控制信号，通过其开关控制实现功率放大单元100的工作或关断。

进一步的，合成功率放大器103包括分配网络103a、放大网络103b和合成网络103c。分配网络103a将驱动放大器102b放大后的信号进行功分，放大网络 103b对功分后的信号进行放大，合成网络103c对放大后的几路信号合成，合成功率放大器103的原理如附图3所示。分配网络103a和合成网络103c基于波导空间合成和波导微带探针相结合的方式实现信号的分配和合成。放大网络103b 包括若干支路，本方案中设置四个分配支路和四个合成支路，每一支路获取分配网络103a分配的一路信号，经过90°电桥将该信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号I和Q，信号I和Q分别经过相应的放大器进行放大后，再经过90度电桥合成一路信号；通过90°电桥将信号分为正交的两路信号，可以提高隔离度，提升信号的利用率。

实施例2

参照图1，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于实施例1的是：采用回退法计算该功率放大模块的三阶互调系数。

功率放大单元100还包括温补衰减器104，温补衰减器104设置于放大器102 中的前级放大器102a和驱动放大器102b之间。

功率放大单元100还包括设置于数控衰减器101前的均衡器105。

功率放大单元100还包括设置于模块线路两端的隔离器106。

相较于实施例1，进一步的，为了减小电路中因温度的变化而导致信号输出功率的变化，提高系统的稳定性，在前级放大器102a和驱动放大器102b之间增加温补衰减器104以减小温度对信号功率的影响；且温补衰减器104的衰减量随温度升高而降低。放大器102、衰减器以及传输线，均存在随着工作频率升高增益下降或者损耗增大的情况，功率放大单元设计中用均衡器105来弥补增益随频率下降的问题，改善放大单元的幅频响应。而在功率放大单元前后增加隔离器 106，用于隔离干扰信号和抑制谐波。

加入温补衰减器104、均衡器105、隔离器106后的功率放大单元100的各部件连接关系如附图2所示，第一隔离器106输入端接输入信号，第一隔离器 106输出端接均衡器105输入端，均衡器105输出端接数控衰减器101输入端，数控衰减器101控制端接外部控制信号，数控衰减器101输出端接前级放大器 102a输入端，前级放大器102a输出端接温补衰减器104输入端，温补衰减器104 输出端接驱动放大器102b输入端，驱动放大器102b输出端再接一个驱动放大器102b输入端，驱动放大器102b控制端接外部控制信号，驱动放大器102b输出端接末级放大器203输入端，末级放大器203输出端接合成功率放大器103输入端，合成功率放大器103输出端接第二隔离器106b输入端，第二隔离器106b 输出端将信号发射。

实施例3

结合图4、5和6，相较于实施例2，进一步的，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于实施例2的是：功率放大模块中还包括电源控制及监测单元200，其包括电源控制电路201和检波比较电路202；检波比较电路202包括检波告警电路和固定衰减电路；其中功率放大单元100输出信号耦合出的信号经功分一路至检波告警电路检测出电压信号，另一路至固定衰减电路并经开关传送至自检模块。

功率放大模块中还包括电源模块300，向功率放大单元100和电源控制及监测单元200供电。

其中，电源控制及监测单元200中的电源控制单元201用于产生控制信号，通过控制驱动放大器102b的控制信号进而控制驱动放大器102b的开关。检波比较电路202根据功率放大单元100输出信号耦合出的信号进行功率检测和系统自检。

具体的，结合附图4，检波比较电路202包括功分器、检波告警电路、固定衰减电路和单刀单掷开关(SPST)。检波比较电路202耦合出的部分信号经功分器功分为两路：第一路传输至检波告警电路，检测出电压信号，经运算放大器放大和比较进行检测，当电压值超过阈值时，产生功率监测告警信号，并在面板上以发光二极管方式指示；第二路传输至衰减网络，经单刀单掷开关(SPST)控制耦合输出，发送给模拟接收模块完成系统自检。单刀单掷开关(SPST)设置串联的两个，用于提升关断隔离度。

结合附图5所示，电源模块300将220V的交流电转化并输出为电压为±10V 的直流电，给功率放大单元100中的功放放大器件及电源控制电路201供电，电源控制电路201用于实现稳压、电源转换、保护，以及在外部控制信号的作用下，对功放实现功率控制等功能。

结合附图6，检波告警电路的电子元器件及连接方式如下：输入端分别接第一二极管D1阳极和第一电感L1第一引脚，第一二极管阴极分别接第一电容C1 第一引脚、第三电阻R3第一引脚、第一放大器N1同相输入端，第一电感L1第二引脚、第一电容C1第二引脚和第三电阻R3第二引脚接地，第一放大器反向输入端分别接第一电阻R1第二引脚和第二电阻R2第一引脚，第一电阻R1第一引脚接地，第二电阻R2第二引脚接第一放大器N1输出端，第一放大器N1输出端还分别接第二放大器N2同相输入端和第六电阻R6第一引脚，第二放大器 N2反相输入端分别接第四电阻R4第二引脚和第五电阻R5第一引脚，第四电阻 R4第一引脚接地，第五电阻R5第二引脚和第二放大器电源端连接后与工作电源连接，第二放大器N2输出端接第七电阻R7第一引脚，第七电阻R7第二引脚和第六电阻R6第二引脚连接后接地。

实施例4

相较于实施例3，进一步的，为本发明的第四个实施例，该实施例不同于实施例3的是：数控衰减器101在CPLD的控制下输出功率的大小分为5挡，每档相差4dB，相应输入端增加总衰减量大于16dB的数控衰减器101可以满足功率控制要求。

参考表1，CPLD根据表1衰减控制码对数控衰减器101进行控制，进而第二隔离器106b输出不同功率的信号。

表1衰减控制码

例如，当控制为信号为000时，CPLD产生的功率控制信号要求数控衰减器101的输出功率为6.2dB。以最终输出的信号功率为47dB为例，本实施例中各器件的增益和输出功率如表2所示。

表2

实施例5

相较于实施例4，进一步的，为本发明的第五个实施例，该实施例不同于第 4个实施例的是：功率放大单元100中选用砷化镓内匹配功率管的方式作为每路合成单元的基本放大器件，电路上4路合成，采用波导空间合成和波导微带探针相结合的方式，实现射频信号的合成，并在功放管(并联放大器103b-2)的输入、输出采用隔离器106保证相互匹配。分配网络103a采用和合成网络103c相似的结构，工作原理相反。

本实施例的波导微带探针是通过结构、尺寸相同的50Ω微带线延展而成，且沿着波导的E面中心对称的插入在波导短路面λ/4处，此处电场最强，且插入探针形成的电抗与通过短路面产生的电抗相抵消，其中λ为波长。波导中传输的任一沿探针方向的非零模电场都会在探针上激励其电流，通过探针与模电场的强耦合，波导腔与微带探针发生能量转换，实现了波导到微带的过渡与功率的分配或合成。

本实施例的波导空间为威尔金森电桥，威尔金森电桥为一个无耗三端口的对称结构网络。波导微带探针分别插入三个端口中。在分配网络103a中，合路端口为输入端口，两个分路端口输出幅度、相位相等的两路信号。在合成网络 103c中，两个分路端端口分别接收90°电桥输出信号，合路端口输出增益后的信号。

实施例6

相较于实施例5，进一步的，为本发明的第6个实施例，该实施例不同于第 5个实施例的是：采用回退法计算该功率放大模块的三阶互调系数。

砷化镓功放器件在1dB压缩点输出时，三阶互调IM3一般为18～20dB，设计通常按18dB计算；输出功率在相对P1dB点每回退1dB，三阶互调系数增加 2dB。

本实施例中三阶互调系数满足表3所示的关系：

表3输出功率与三阶互调系数的关系

序号	输出功率	三阶互调系数
			1	47dBm	≤-15dBc
2	43dBm	≤-26dBc
			3	39/35/31dBm	≤-40dBc

根据表3中的各档输出功率对于三阶互调系数的要求，即假设均工作在P-1 点，则输出47dBm时，不用回退，输出43dBm时，需要回退(26-18/)2＝3dB，输出39时，需要回退(40-18)/2＝11dB，因此得出当输出39dBm时要求最高。以此推算三阶互调系数的实际设计参数如表4中所示：

表4三阶互调系数的实际设计参数

序号	输出功率	三阶互调系数
			1	47dBm	≤-24dBc
2	43dBm	≤-32dBc
			3	39/35/31dBm	≤-40dBc

本实施例采用功率回退法来保证功率放大模块的三阶互调系数满足要求。具体的，此模块的设计P1dB输出为50dBm。当输出为47dBm时，三阶互调为- 24dBc(＝-18-2×3),输出43dBm时，三阶互调为-32dBc(＝-18-2×7)，输出39dBm 或更低功率时，三阶互调不大于-40dBc，满足要求。

本实施例中，有四路放大电路，四路放大电路由分配网络103a将信号分为两路，再通过90°电桥将分配后的一路信号分为相位差为90°的两路信号，每一路信号再经过功率管进行放大，再通过90°电桥将相位差为90°的两路信号合成为一路信号，最终合成网络103c将两路信号合成为一路放大信号。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：包括功率放大单元（100），所述功率放大单元（100）包括，

数控衰减器（101），在外部信号的驱动下将输入信号的功率衰减，形成衰减信号；

放大器（102），设置有若干组，将所述衰减信号逐级进行功率放大，形成放大信号；

合成功率放大器（103），采用多路功率合成的方式将所述放大器（102）输出的所述放大信号再进行放大，并形成合成放大信号。

2.如权利要求1所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述合成功率放大器（103）包括分配网络（103a）、放大网络（103b）和合成网络（103c），其中，

所述分配网络（103a）和所述合成网络（103c）基于波导空间功率/分配合成器和波导微带探针相结合的方式实现信号的分配和合成；

放大网络（103b）包括若干放大通道，每一所述放大通道包括相互连接的第一90度电桥（103b-1）、并联放大器（103b-2）和第二90度电桥（103b-3）。

3.如权利要求2所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述波导空间功率/分配合成器为威尔金森电桥。

4.如权利要求3所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述波导微带探针通过结构、尺寸相同的50Ω微带线延展而成。

5.如权利要求1~4任一所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：采用回退法计算该功率放大模块的三阶互调系数。

6.如权利要求5所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述功率放大单元（100）还包括温补衰减器（104），所述温补衰减器（104）设置于所述放大器（102）中的前级放大器（102a）和驱动放大器（102b）之间。

7.如权利要求6所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述功率放大单元（100）还包括设置于所述数控衰减器（101）前的均衡器（105）。

8.如权利要求7所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述功率放大单元（100）还包括设置于模块线路两端的隔离器（106）。

9.如权利要求8所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述功率放大模块中还包括电源控制及监测单元（200），其包括电源控制电路（201）和检波比较电路（202）；

所述检波比较电路（202）包括检波告警电路和固定衰减电路；其中所述功率放大单元（100）输出信号耦合出的信号经功分一路至检波告警电路检测出电压信号，另一路至固定衰减电路并经开关传送至自检模块。

10.如权利要求9所述的基于目标侦测雷达的ISAR功率放大模块，其特征在于：所述功率放大模块中还包括电源模块（300），向所述功率放大单元（100）和电源控制及监测单元（200）供电。

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