CN213879769U - 多模块x波段固态发射机大功率混合合成电路 - Google Patents

Abstract

一种多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，适用于微波万瓦级、毫米波千瓦级合成，包括：驱动模块，用于对输入信号进行初级功率放大；合成网路模块，包括两个一分N波导功分器以及连接于两个一分N波导功分器之间的N个功放模块；检波模块，用于对通过微带耦合对合成网路模块输出的信号进行检波，监测输出功率。包含芯片级合成和模块级合成两个层次，芯片级合成通过平面电路将多个芯片合成于一个功率模块之内，构成单元功率模块，模块级合成通过波导合成网络对单元功率模块进行再次合成，实现通过1个驱动模块和8个400W功放模块通过波导功分器/合成器进行大功率合成，最终可输出功率大于3000W。

Description

多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路

技术领域

本实用新型属于微波通信领域，尤其与一种多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路结构有关。

背景技术

发射机作为雷达系统中的重要组成部分，主要功能是实现电磁波信号的功率放大。现有发射机大部分仍然为电真空管发射机，存在寿命短、可靠性差、重量重、后期维护成本高等缺点。随着技术的发展，出现了性能更加优越的固态发射机，采用固态半导体器件实现射频信号源功率放大，目前普遍采用GaAs（砷化镓）和GaN（氮化镓）的微波芯片&功放管。

固态发射机具有工作电压低、可靠性高，寿命长，维修方便等特点，但是GaAs（砷化镓）和GaN（氮化镓）的微波芯片&功放管单只器件的输出功率较低，不能直接取代电真空管，只能采用多次功率合成的方式才能替代电真空管发射机。

传统的平面功率合成电路通常由Willkinson电桥或Lange耦合器等3dB电桥构成，这类方案结构简单、易于实现。但在高频段，平面的介质损耗较大，随着合成路数的增加，合成效率急剧下降，不适用于毫米波频段的大功率多路高效合成；而如缝隙波导功率合成、波导鳍线阵列合成器等波导内功率合成可以提高合成效率，但这类结构构造复杂，加工工艺高，且受其工作原理的限制，工作频段不宽。

实用新型内容

为解决上述相关现有技术不足，本实用新型一种多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，适用于微波万瓦级、毫米波千瓦级合成，包含芯片级合成和模块级合成两个层次，芯片级合成通过平面电路将多个芯片合成于一个功率模块之内，构成单元功率模块，模块级合成通过波导合成网络对单元功率模块进行再次合成，实现通过1个驱动模块和8个400W功放模块通过波导功分器/合成器进行大功率合成，最终可输出功率大于3000W。

为了实现本实用新型的目的，拟采用以下方案：

一种多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，包括：依次连接的驱动模块、合成网络模块、检波模块；

驱动模块，用于对输入信号进行初级功率放大；

合成网路模块，包括两个一分N波导功分器以及连接于两个一分N波导功分器之间的N个功放模块，N为≥2的整数，一分N波导功分器的一端具有一个接口，另一端具有N个接口，其中：

一个一分N波导功分器一端的一个接口连接驱动模块的输出端，另一端的N个接口分别连接N个功放模块的输入端，用于将驱动模块输出的初级功率放大后的信号均分为N路分别输入N个功放模块；

功放模块，用于对输入的信号进行波导转微带，并进行一次功率放大后分为两路分别再进行一次功率放大，然后合成一路，并经耦合检波后进行微带转波导并输出；

另一个一分N波导功分器另一端的N个接口分别连接N个功放模块的输出端，用于将N个功放模块的输出信号进行合成一路后通过另一个一分N波导功分器一端的一个接口输出；

检波模块，用于对通过微带耦合对合成网路模块输出的信号进行检波，监测输出功率。

进一步，所述合成电路还包括控制模块；控制模块分别与驱动模块、合成网络模块的各功放模块、检波模块连接，用于对驱动模块、各功放模块的输入输出功率进行检测，并对检波模块检测的功率信号进行判断，快速定位异常部件，并用于检测所述合成电路的电流、电压，并进行过流、过压保护。

进一步，驱动模块包括：依次连接的第一检波电路、GaN功放管I、GaN功放管II、第一隔离器、第二检波电路；

第一检波电路一端为驱动模块输入端，用于对输入的信号进行微带耦合检波，监测驱动模块的输入信号功率；

GaN功放管I，用于对经过第一检波电路的信号进行第一次初级功率放大；

GaN功放管II，用于对经过第一次初级功率放大的信号进行第二次初级功率放大后输入第一隔离器；

第一隔离器，用于将第二次初级功率放大后的信号送入第二检波电路，并用于吸收反向功率；

第二检波电路，用于对经过第一隔离器的信号进行微带耦合检波，监测驱动模块的输出信号功率。

进一步，功放模块包括：波导转微带单元、前级GaN功放管、第二隔离器、第一T型功分器、两个末级GaN功放管、两个第三隔离器、第二T型功分器、第三检波电路、微带转波导单元；

波导转微带单元、前级GaN功放管、第二隔离器、第一T型功分器的合路口依次连接；第一T型功分器的分路口分别连接一个末级GaN功放管，末级GaN功放管分别连接一个第三隔离器，第三隔离器分连接第二T型功分器的分路口；第二T型功分器的合路口连接第三检波电路，第三检波电路连接微带转波导单元。

波导转微带单元，用于通过微带探针将输入功放模块的信号进行由波导空间传输转换为平面微带传输；

前级GaN功放管，用于对波导转微带单元转换的微带信号进行前级功率放大并输入第二隔离器；

第二隔离器，用于将前级功率放大后的信号送入第一T型功分器的合路口，并用于吸收反向功率；

第一T型功分器，用于通过T型微带功分将从其合路器输入的信号均分为两路，分别进入两个末级GaN功放管；

末级GaN功放管，用于对分路信号进行末级功率放大后输入第三隔离器；

第三隔离器，用于将末级功率放大后的信号送入第二T型功分器的分路口，并用于吸收反向功率；

第二T型功分器，用于将从分路口输入的两路信号合成为一路从其合路口输出至第三检波电路；

第三检波电路，用于对第二T型功分器输出的信号进行微带耦合检波，监测功放模块的输出信号功率；

微带转波导单元，用于通过微带探针将经过第三检波电路的信号由平面微带传输转换为波导空间传输后输出。

进一步，合成电路还包括调制电路；调制电路，用于接收外部的TTL控制信号，对驱动模块的GaN功放管II、功放模块的前级GaN功放管、末级GaN功放管漏极电压进行调制。

进一步，合成网路模块还包括：温度检测电路，用于实时检测前级GaN功放管和末级GaN功放管的温度。

进一步，合成电路还包括储能模块，储能模块与各功放模块连接，用于减小脉冲顶降，以保证射频信号放大后幅度和相位的稳定性。

进一步，合成网路模块包括两个一分8波导功分器以及8个400W功放模块。

本实用新型的有益效果在于：

1、提供了一种平面功率合成和波导功率合成的混合大功率合成电路，以400W模块为单元模块进行大功率合成，可实现多个模块进行大功率合成，根据输出功率大小拓展模块数量可实现多种千瓦级甚至万瓦级功率输出；以模块大功率合成电路为组件，用波导功分器可实现万瓦级大功率合成；

2、本方案通过驱动模块采用两只GaN功放管进行功率初级放大获得20W功率即可，然后通过一分八波导功分器分为八路，每一路通过400W功放模块，利用微带T型功分器和2只250W功放管进行功率合成，确保输出功率400W；进一步8个400W功放模块通过一分八波导功分器进行合成，将8个400W功率合成大于3000W输出功率；同时采用对称合成方式，合成器两面各4个400W模块，可减小合成器体积。

附图说明

本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本申请的范围。

图1为本申请实施例的合成电路整体电路结构框图。

图2为本申请实施例的合成电路的驱动模块电路结构框图。

图3为本申请实施例的合成电路的功放模块电路结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细说明，但本实用新型所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路是一种结合了平面功率合成与波导功率合成各自优点的合成方式，它包含芯片级合成和模块级合成两个层次。芯片级合成是通过平面电路将多个芯片合成于一个功率模块之内，构成单元功率模块。模块级合成是通过波导合成网络对单元功率模块进行再次合成。模块功率合成网络绝大部分由金属波导构成，充分利用金属波导所固有的传输损耗小的优势，最大限度地缩短平面电路的长度，以减小其带来的传输损耗。与常用的功率合成方式相比，此种方式具有输出功率大、效率高、频带宽、扩展性好等多种优势。

如图1所示，为本实例提供的一种多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，通过1个驱动模块和8个400W功放模块通过波导功分器/合成器进行大功率合成，最终可输出功率大于3000W，包括：依次连接的驱动模块、合成网络模块、检波模块。还包括分别与驱动模块、合成网络模块的各功放模块、检波模块连接的控制模块。

控制模块对驱动模块、各功放模块的输入输出功率进行检测，并对检波模块检测的功率信号进行判断，快速定位异常部件，并用于检测所述合成电路的电流、电压，并进行过流、过压保护。

驱动模块对输入信号进行初级功率放大。

合成网路模块包括两个一分八波导功分器以及连接于两个一分八波导功分器之间的八个400W功放模块。一分八波导功分器的一端具有一个接口，另一端具有八个接口。

其中，一个一分八波导功分器一端的一个接口连接驱动模块的输出端，另一端的八个接口分别连接八个400W功放模块的输入端，将驱动模块输出的初级功率放大后的信号均分为八路分别输入八个400W功放模块。

八个400W功放模块对输入的信号进行波导转微带，并进行一次功率放大后分为两路分别再进行一次功率放大，然后合成一路，并经耦合检波后进行微带转波导并输出。

其中，另一个一分八波导功分器另一端的八个接口分别连接八个400W功放模块的输出端，用于将八个400W功放模块的输出信号进行合成一路后通过另一个一分八波导功分器一端的一个接口输出，获得大于等于3000W功率。

检波模块对通过微带耦合对合成网路模块输出的信号进行检波，监测输出功率。

作为进一步详细的实施方式，如图2所示，本实例的驱动模块通过采用两只GaN功放管进行功率放大，获得20W功率。

具体的，本实例的驱动模块包括：依次连接的第一检波电路、GaN功放管I、GaN功放管II、第一隔离器、第二检波电路。

第一检波电路一端为驱动模块输入端，对输入的信号进行微带耦合检波，监测驱动模块的输入信号功率；GaN功放管I对经过第一检波电路的信号进行第一次初级功率放大；GaN功放管II对经过第一次初级功率放大的信号进行第二次初级功率放大后输入第一隔离器；第一隔离器将第二次初级功率放大后的信号送入第二检波电路，并用于吸收反向功率；第二检波电路对经过第一隔离器的信号进行微带耦合检波，监测驱动模块的输出信号功率。

同时，GaN功放管II的漏极电压受到调制电路的调制，调制电路根据接收的TTL控制信号对GaN功放管II的漏极电压进行调制。

作为进一步详细的实施方式，本实例的400W功放模块输入输出都为非标波导口，目的是为了减小模块尺寸，通过探针将信号由波导空间传输转换为平面微带传输，信号进入前级功放管进行放大，经过隔离器后T型功分器将信号均分为两路，分别进入两只末级功放管进行功率放大，再次经过隔离器后，通过T型功分器进行功率合成，经过耦合检波后再次通过探针将信号由平面微带传输转换为波导空间传输。如图3所示，具体的结构包括波导转微带单元、前级GaN功放管、第二隔离器、第一T型功分器、两个末级GaN功放管、两个第三隔离器、第二T型功分器、第三检波电路、微带转波导单元。

波导转微带单元、前级GaN功放管、第二隔离器、第一T型功分器的合路口依次连接；第一T型功分器的分路口分别连接一个末级GaN功放管，末级GaN功放管分别连接一个第三隔离器，第三隔离器分连接第二T型功分器的分路口；第二T型功分器的合路口连接第三检波电路，第三检波电路连接微带转波导单元。

波导转微带单元通过微带探针将输入功放模块的信号进行由波导空间传输转换为平面微带传输；前级GaN功放管对波导转微带单元转换的微带信号进行前级功率放大并输入第二隔离器；第二隔离器将前级功率放大后的信号送入第一T型功分器的合路口，并用于吸收反向功率；第一T型功分器通过T型微带功分将从其合路器输入的信号均分为两路，分别进入两个末级GaN功放管；末级GaN功放管对分路信号进行末级功率放大后输入第三隔离器；第三隔离器将末级功率放大后的信号送入第二T型功分器的分路口，并用于吸收反向功率；第二T型功分器将从分路口输入的两路信号合成为一路从其合路口输出至第三检波电路，实现将两个250W合成输出400W功率；第三检波电路对第二T型功分器输出的信号进行微带耦合检波，监测功放模块的输出信号功率；微带转波导单元通过微带探针将经过第三检波电路的信号由平面微带传输转换为波导空间传输后输出。目前单个GaN功放管能实现的最大功率为250W，本实例的400W功放模块前级GaN功放管、第一T型功分器、第二T型功分器、末级GaN功放管，实现400W功率合成输出。

八个400W功放模块通过一分八波导功分器进行合成，输出功率大于3000W。具体实施时，采用对称合成方式，合成器两面各4个400W模块，可减小合成器体积。合成网络模块将两个一分八波导功分器（其中一个反向作为八合一波导功分器）和液冷流道进行一体化设计，波导口对称式两面排布，减小整体体积。

功放模块的前级GaN功放管、末级GaN功放管漏极电压，受到调制电路根据TTL控制信号进行的调制。

如图3所示，作为进一步优选实施方式，合成网路模块还包括：温度检测电路，用于实时检测前级GaN功放管和末级GaN功放管的温度。

如图1所示，作为进一步优选实施方式，合成电路还包括储能模块，储能模块与各功放模块连接，用于减小脉冲顶降，以保证经过各功放模块放大后的射频信号幅度和相位的稳定。

本实例的储能模块独立于各400W功放模块设置，若在400W功放模块内部加储能电路，则会导致大功率合成的单元模块体积过大，不利于整机的小型化。因此单独将储能电路设计为一个储能模块，根据指标要求进行大电容配置，达到整机指标要求。

本实例可现实大功率合成，并根据输出功率可进行模块数量的搭配，适用于千瓦级功率合成，万瓦级功率合成电路可以3000W合成电路为基本单元再次进行合成。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本实用新型。本领域技术人员应理解，在不脱离本实用新型的范围情况下，对本实用新型进行的各种改变或同等替换，均属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.一种多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，包括：依次连接的驱动模块、合成网络模块、检波模块；

驱动模块，用于对输入信号进行初级功率放大；

合成网路模块，包括两个一分N波导功分器以及连接于两个一分N波导功分器之间的N个功放模块，N为≥2的整数，一分N波导功分器的一端具有一个接口，另一端具有N个接口，其中：

一个一分N波导功分器一端的一个接口连接驱动模块的输出端，另一端的N个接口分别连接N个功放模块的输入端，用于将驱动模块输出的初级功率放大后的信号均分为N路分别输入N个功放模块；

功放模块，用于对输入的信号进行波导转微带，并进行一次功率放大后分为两路分别再进行一次功率放大，然后合成一路，并经耦合检波后进行微带转波导并输出；

另一个一分N波导功分器另一端的N个接口分别连接N个功放模块的输出端，用于将N个功放模块的输出信号进行合成一路后通过另一个一分N波导功分器一端的一个接口输出；

检波模块，用于对通过微带耦合对合成网路模块输出的信号进行检波，监测输出功率。

2.根据权利要求1所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，所述合成电路还包括控制模块；

控制模块分别与驱动模块、合成网络模块的各功放模块、检波模块连接，用于对驱动模块、各功放模块的输入输出功率进行检测，并对检波模块检测的功率信号进行判断，快速定位异常部件，并用于检测所述合成电路的电流、电压，并进行过流、过压保护。

3.根据权利要求1所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，驱动模块包括：依次连接的第一检波电路、GaN功放管I、GaN功放管II、第一隔离器、第二检波电路；

第一检波电路一端为驱动模块输入端，用于对输入的信号进行微带耦合检波，监测驱动模块的输入信号功率；

GaN功放管I，用于对经过第一检波电路的信号进行第一次初级功率放大；

GaN功放管II，用于对经过第一次初级功率放大的信号进行第二次初级功率放大后输入第一隔离器；

第一隔离器，用于将第二次初级功率放大后的信号送入第二检波电路，并用于吸收反向功率；

第二检波电路，用于对经过第一隔离器的信号进行微带耦合检波，监测驱动模块的输出信号功率。

4.根据权利要求3所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，所述合成电路还包括：调制电路；

调制电路，用于接收外部的TTL控制信号，对驱动模块的GaN功放管II漏极电压进行调制。

5.根据权利要求1所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，功放模块包括：

波导转微带单元、前级GaN功放管、第二隔离器、第一T型功分器、两个末级GaN功放管、两个第三隔离器、第二T型功分器、第三检波电路、微带转波导单元；

波导转微带单元、前级GaN功放管、第二隔离器、第一T型功分器的合路口依次连接；第一T型功分器的分路口分别连接一个末级GaN功放管，末级GaN功放管分别连接一个第三隔离器，第三隔离器分连接第二T型功分器的分路口；第二T型功分器的合路口连接第三检波电路，第三检波电路连接微带转波导单元。

6.根据权利要求5所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于：

波导转微带单元，用于通过微带探针将输入功放模块的信号进行由波导空间传输转换为平面微带传输；

前级GaN功放管，用于对波导转微带单元转换的微带信号进行前级功率放大并输入第二隔离器；

第二隔离器，用于将前级功率放大后的信号送入第一T型功分器的合路口，并用于吸收反向功率；

第一T型功分器，用于通过T型微带功分将从其合路器输入的信号均分为两路，分别进入两个末级GaN功放管；

末级GaN功放管，用于对分路信号进行末级功率放大后输入第三隔离器；

第三隔离器，用于将末级功率放大后的信号送入第二T型功分器的分路口，并用于吸收反向功率；

第二T型功分器，用于将从分路口输入的两路信号合成为一路从其合路口输出至第三检波电路；

第三检波电路，用于对第二T型功分器输出的信号进行微带耦合检波，监测功放模块的输出信号功率；

微带转波导单元，用于通过微带探针将经过第三检波电路的信号由平面微带传输转换为波导空间传输后输出。

7.根据权利要求5所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，所述合成电路还包括：调制电路；

调制电路，用于接收外部的TTL控制信号，对功放模块的前级GaN功放管、末级GaN功放管漏极电压进行调制。

8.根据权利要求5所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，合成网路模块还包括：温度检测电路，用于实时检测前级GaN功放管和末级GaN功放管的温度。

9.根据权利要求1所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，所述合成电路还包括储能模块，储能模块与各功放模块连接，用于减小脉冲顶降，以保证经过各功放模块放大后的射频信号幅度和相位的稳定。

10.根据权利要求1~9中任意一项所述的多模块X波段固态发射机大功率混合合成电路，其特征在于，合成网路模块包括两个一分8波导功分器以及8个400W功放模块。

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