CN216252696U - 一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，包括：信号源、前级推动放大单元、末级功放单元和电源单元，信号源输出射频信号至前级推动单元，前级推动放大单元将来自信号源的射频信号进行第一级放大后输出至末级功放单元作为末级功放单元的驱动信号，电源单元用于为前级推动放大单元、末级功放单元供电；末级功放单元包括功分器模组、合路器模组和2^N个末级功放模块，功分器模组与前级推动放大单元连接用于将经过前级推动放大单元第一级放大后的射频信号等分为2^N路功率信号分别输出至末级功放模块，合路器模组用于将功率信号合成并输出。本实用新型具有功率合成效率高、系统稳定性高、集成小型化等优点。

Description

一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统

技术领域

本实用新型涉及微波源技术领域，特别涉及一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统。

背景技术

近年来，大功率微波的应用多种多样：卫星和空间平台供能、深空探测器测控通信、轨道飞行器高度改变推进系统等，无论哪一种应用都需要极大的功率支持。随着半导体材料和工艺的不断发展，微波器件的输出功率量级越来越大，虽然大功率器件的工作频率以及所能达到的功率越来越高，但限于器件的物理特性以及工艺水平，单个功放的输出功率仍是有限的，目前国内技术，单只功放管的输出功率只有几百瓦，因此为了实现万瓦级的高功率输出，必须要通过功率合成的方法来实现。但是在如此大的合成规模下，难以保持较高的合成效率，且多路合成时各路的一致性、各支路的相互隔离、合成网络的稳定性等问题亟待解决。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其具有合成时各支路的一致性高，各支路之间隔离性好，提高了功率合成效率，系统稳定性高的优点。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，包括：信号源、前级推动放大单元、末级功放单元和电源单元，所述信号源输出射频信号至所述前级推动放大单元，所述前级推动放大单元将来自所述信号源的射频信号进行第一级放大后输出至末级功放单元作为所述末级功放单元的驱动信号，所述电源单元用于为所述前级推动放大单元、末级功放单元供电；

所述末级功放单元包括功分器模组、合路器模组和2^N个末级功放模块，所述功分器模组与所述前级推动放大单元连接用于将经过前级推动放大单元第一级放大后的射频信号等分为2^N路功率信号分别输出至2^N个末级功放模块，所述末级功放模块用于将所述功率信号进行第二级放大后输出至合路器模组，所述合路器模组用于将2^N路经过第二级放大后的功率信号合成为一路微波源信号并输出，其中N为大于一的正整数；

所述合路器模组包括多个功率合成器，所述功率合成器采用了脊波导魔T空间合成结构，所述脊波导魔T空间合成结构包括四个同轴波导转换结构、三个波导魔T和三个隔离负载，其中三个波导魔T包括两个第一波导魔T和一个第二波导魔T，所述同轴波导转换结构的输入端与所述末级功放模块连接用于将经过第二级放大后的功率信号从同轴转换至波导导波系统中进行传播，所述第一波导魔T的两个输入端分别与两个同轴波导转换结构的输出端连接，所述第二波导魔T的两个输入端分别与两个第一波导魔T的其中一个输出端连接，三个波导魔T的输出端还分别与三个隔离负载连接。

进一步设置：所述前级推动放大单元包括依次连接的前级衰减器、功分器、低噪放、数控衰减器、均衡器、衰减器、放大器、数控衰减器、放大器、隔离器、末级放大器、末级隔离器和耦合器，所述耦合器的输出端与所述末级功放单元连接，所述前级衰减器的输入端与所述信号源连接。

进一步设置：所述末级功放模块采用GaN功率管，所述GaN功率管由64只功放管级联合成实现。

进一步设置：还包括功放监控单元，所述功放监控单元用于采集工作状态信息，所述工作状态信息包括功放管的温度、输出功率及功放管的栅极和漏极的电压、电流，所述功放监控单元包括微处理器、温度传感器、检波器和电压电流传感器，所述温度传感器与所述微处理器连接用于对功放管的温度进行监测，所述检波器用于对每只功放管的输出功率进行耦合检波得到检波电压后输送至所述微处理器；所述电压电流传感器与所述微处理器连接用于对功放管的漏极和栅极的电压、电流进行检测。

进一步设置：所述电源单元为数字电源，且所述数字电源与所述微处理器电性连接。

进一步设置：还包括远程监控单元，所述远程监控单元包括远程主机，所述微处理器包括通讯模块，所述微处理器通过通讯模块与所述远程主机通讯连接，所述微处理器通过所述通讯模块将工作状态信息传送给所述远程主机并接收所述远程主机的操作指令。

进一步设置：所述功放管处还设置有散热结构，所述散热结构包括无氧铜、热管阵列和散热器，所述无氧铜设置于所述功放管正下方，所述热管阵列设置于所述散热器与所述无氧铜之间。

进一步设置：所述热管阵列与所述无氧铜之间填充有填隙材料。

进一步设置：所述填隙材料为相变材料。

进一步设置：所述合路器模组的输出端还连接有双定向耦合器，所述微波源信号通过所述双定向耦合器后输出。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、将脊波导结构集成到魔T上，通过同轴波导转换结构将4路末级功放模块输出的功率信号从同轴转换到波导导波系统中传播，然后再通过3个波导魔T两两合成为功率信号输出，实现宽频带、插损小、平坦度小的指标要求。同时路间采用3个大功率隔离负载来提供足够的路间隔离度，以防止因功率合成幅相不一致产生功率倒灌现象，导致合路器损坏。

2、由于长时间进行输出功率超过10KW，设置散热结构，建立高效的散热通道，能够快速高效的将功放管工作时产生的热量散发出去，保证系统的稳定性。通过热管内部介质的气液相变化，从而达到极高的导热率，大大提高散热器的效率。

3、通过功放监控单元对系统内部的功放管进行实时的监测，采集功放管的电压电流、温度、输出功率，在各模块出现故障时，能够及时发现故障进行处理，保证系统运行的稳定性。微处理器通过所述通讯模块将工作状态信息传送给所述远程主机并接收所述远程主机的操作指令，可以在偏远位置或环境恶劣的地方实现无人值守。

附图说明

图1是实施例的整体结构框图；

图2是实施例中功率合成器的结构示意图；

图3是实施例中前级推动放大单元的结构示意图；

图4是实施例中末级功放单元的结构框图；

图5是实施例中散热结构的结构示意图。

图中，1、功放管；2、无氧铜；3、填隙材料；4、热管阵列；5、散热器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例：

如图1-5所示，一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，包括：信号源、前级推动放大单元、末级功放单元和电源单元，所述信号源输出射频信号至所述前级推动放大单元，所述前级推动放大单元将来自所述信号源的射频信号进行第一级放大后输出至末级功放单元作为所述末级功放单元的驱动信号，所述电源单元用于为所述前级推动放大单元、末级功放单元供电；

所述末级功放单元包括功分器模组、合路器模组和2N个末级功放模块，所述功分器模组与所述前级推动放大单元连接用于将经过前级推动放大单元第一级放大后的射频信号等分为2N路功率信号分别输出至2N个末级功放模块，所述末级功放模块用于将所述功率信号进行第二级放大后输出至合路器模组，所述合路器模组用于将2N路经过第二级放大后的功率信号合成为一路微波源信号并输出，其中N为大于一的正整数，本实施例中将经过前级推动放大单元第一级放大后的射频信号等分为十六路功率信号输出至十六个末级功放模块内。

所述合路器模组包括多个功率合成器，所述功率合成器采用了脊波导魔T空间合成结构，所述脊波导魔T空间合成结构包括四个同轴波导转换结构、三个波导魔T和三个隔离负载，其中三个波导魔T包括两个第一波导魔T和一个第二波导魔T，所述同轴波导转换结构的输入端与所述末级功放模块连接用于将经过第二级放大后的功率信号从同轴转换至波导导波系统中进行传播，所述第一波导魔T的两个输入端分别与两个同轴波导转换结构的输出端连接，所述第二波导魔T的两个输入端分别与两个第一波导魔T的其中一个输出端连接，三个波导魔T的输出端还分别与三个隔离负载连接。本实施例中设置有五个功率合成器，其中四个功率合成器将十六路经过末级功放模块第二级放大后的功率信号分别输入四个功率合成器后合成为四路功率信号再通过另一个功率合成器合成为一路微波源信号。

传统的平面功率合成电路通常由Willkinson电桥或Lange耦合器等构成，这类方案结构简单、易于实现。但平面的介质损耗较大，随着合成路数的增加以及路径的加长，合成效率急剧下降，不适用于大规模的高效合成。此外，平面电路功率容量有限，无法满足大功率输出的要求。传统的腔体合路器，解决不了宽带、高隔离技术难题；缝隙波导功率合成、脊波导合成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，外形较大，加工工艺要求高，成本大。本实施例中合路器模组采用脊波导魔T空间合成结构形式，采用空间合成技术，实现宽频带、插损小、平坦度小、隔离度高等指标要求。路间采用3个大功率负载来提供足够的路间隔离度，以防止因功率合成幅相不一致产生功率倒灌现象，导致合路器损坏，其中四个功率合成器将十六路功率信号合成为四路后输入至另一个功率合成器中合成为微波源信号并输出使功率最低达到10KW，最高可达到15KW。合路器模组的输出端还连接有双定向耦合器，微波源信号通过双定向耦合器后输出，实现正反向功率检波功能。各个合成支路中的幅度、相位是否一致将直接影响合成效率，也就是最终的输出功率。由于高频波长短，电长度较长，微小的偏差都会导致严重的幅相不一致性。通过对以下各个环节的严格控制，保证整个功分/合成网络中的各路一致性控制，以提高合成效率。

设计上，在同一级合成电路采取对称设计电路及结构，确保各合成支路的电路线宽和线长度一致；来料检验时，对功放器件严格进行相位和幅度筛选，每套功放使用同一批次的器件，每一批次的功放管1的相位差控制在±6°以内，幅度差控制±0.3dB以内。装配时，关键电路部分使用对位标记，严格控制装配的精度；采用0.5mm厚镀金紫铜板作为电路传输线，提高导电性和散热性。另外，在各合成支路上设置相位调节螺杆，以增加功放调试时相位调节手段。本系统适用于多种波段，具体包括P波段(频率范围覆盖：500MHz～1000MHz)、L波段(频率范围覆盖：1GHz～2GHz)、S波段(频率范围覆盖：2GHz～4GHz)、C波段(频率范围覆盖：4GHz～8GHz)。

前级推动放大单元包括依次连接的前级衰减器、功分器、低噪放、数控衰减器、均衡器、衰减器、放大器、数控衰减器、放大器、隔离器、末级放大器、末级隔离器和耦合器，耦合器的输出端与末级功放单元连接，前级衰减器的输入端与信号源连接。首先通过衰减器、功分器，起到信号隔离、降幅和等分传输作用，其次通过低噪放将信号放大，然后依次经过数控衰减器、均衡器、衰减器，控制信号的幅度一致性，再通过放大器、数控衰减器、放大器、隔离器，将信号进一步放大并利用衰减器控制链路增益，利用隔离器提高阻抗特性，放置两个放大器之间出现激励现象，放大后的信号驱动末级放大器达到所需功率，然后经过末级隔离器和耦合器后，最终输出。前级推动放大单元改善了波形的平坦度、相位，避免了信号震荡，便于末级功放单元的功率合成提高合成效率。

本实施例中，信号源输出1mw的射频信号至前级推动放大单元，经过前级推动放大单元的第一级放大后得到1047W的射频信号作为末级功放单元的驱动信号。射频信号经过功分器模组等分为十六路功率信号，十六路功率信号分别经过末级功放模块的第二级放大后由五个四合一的功率合成器合成为一路微波源信号，该微波源信号的峰值功率为10KW(最小值)，谐波抑制≤-20dBc，杂散抑制：≤-70dBc，底噪：≤-80dBm/Hz(开栅)，≤-138dBm/Hz(关栅)。

末级功放模块采用GaN功率管，GaN功率管由64只功放管1级联合成实现，使用GaN功率管具有功率密度高，效率高，工作频率高等特点。电源单元为数字电源，且数字电源与微处理器电性连接，数字电源能够感知线路和负载变化，智能地调节功率级运行情况以实时优化效率。本系统还包括功放监控单元，功放监控单元用于采集工作状态信息，工作状态信息包括功放管1的温度、输出功率及功放管1的栅极和漏极的电压、电流，功放监控单元包括微处理器、温度传感器、检波器和电压电流传感器，温度传感器与微处理器连接用于对功放管1的温度进行监测，检波器用于对每只功放管1的输出功率进行耦合检波，耦合采用微带线耦合，耦合后通过检波器进行检波，检波电压通过运算放大器处理后，再送到微处理器，微处理器就能对功放管1的输出功率进行监测；电压电流传感器与微处理器连接用于对功放管1的漏极和栅极的电压、电流进行检测，当检测到异常，需要调整功放管1栅压或者关闭电源时，在电路上通过微处理器控制数字电源来实现。

系统还包括远程监控单元，远程监控单元包括远程主机，微处理器包括通讯模块，微处理器通过通讯模块与远程主机通讯连接，微处理器通过通讯模块将工作状态信息传送给远程主机并接收远程主机的操作指令。微处理器将来自远程主机的控制要求(栅压、漏压设置等)下发给数字电源，数字电源按要求配置相应的功放管1栅压或漏压值，或者对相应的功放管1进行断电等操作。配置完成后，微处理器读取工作状态信息，并及时上报给远程主机，以便远程主机判断远程控制的有效性和合理性，可以在偏远位置或环境恶劣的地方实现无人值守。

功放管1处还设置有散热结构，散热结构包括无氧铜2、热管阵列4和散热器5，无氧铜2设置于功放管1正下方，热管阵列4设置于散热器5与无氧铜2之间，热管阵列4通过内部介质的气液相变化，可以达到极高的导热率，其轴向导热系数是铝合金的约50倍。在散热器5中通过压合工艺，形成热管阵列4，可以起到对散热器5底板均温的作用，可以大大提高散热器5的换热效率。热管阵列4与无氧铜2之间填充有填隙材料3。填隙材料3为相变材料，其既有油脂的高导热性能，又有垫片的易处理性和“即撕即粘”特点。相变填隙材料3达到相变温度时(通常在45℃～55℃)，具有出色的“浸润”能力，实测导热效果是普通导热垫的5～10倍。无氧铜2镶嵌到放置末级功放模块的铝合金腔体内，位于功放管1正下方，由于无氧铜2导热率约为铝合金的2倍，可以为功放管1提供一个快速散热通道。而采用局部镶嵌的方式不会增加太大的重量。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，包括：信号源、前级推动放大单元、末级功放单元和电源单元，所述信号源输出射频信号至所述前级推动放大单元，所述前级推动放大单元将来自所述信号源的射频信号进行第一级放大后输出至末级功放单元作为所述末级功放单元的驱动信号，所述电源单元用于为所述前级推动放大单元、末级功放单元供电；

所述末级功放单元包括功分器模组、合路器模组和2^N个末级功放模块，所述功分器模组与所述前级推动放大单元连接用于将经过前级推动放大单元第一级放大后的射频信号等分为2^N路功率信号分别输出至2^N个末级功放模块，所述末级功放模块用于将所述功率信号进行第二级放大后输出至合路器模组，所述合路器模组用于将2^N路经过第二级放大后的功率信号合成为一路微波源信号并输出，其中N为大于一的正整数；

所述合路器模组包括多个功率合成器，所述功率合成器采用了脊波导魔T空间合成结构，所述脊波导魔T空间合成结构包括四个同轴波导转换结构、三个波导魔T和三个隔离负载，其中三个波导魔T包括两个第一波导魔T和一个第二波导魔T，所述同轴波导转换结构的输入端与所述末级功放模块连接用于将经过第二级放大后的功率信号从同轴转换至波导导波系统中进行传播，所述第一波导魔T的两个输入端分别与两个同轴波导转换结构的输出端连接，所述第二波导魔T的两个输入端分别与两个第一波导魔T的其中一个输出端连接，三个波导魔T的输出端还分别与三个隔离负载连接。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述前级推动放大单元包括依次连接的前级衰减器、功分器、低噪放、数控衰减器、均衡器、衰减器、放大器、数控衰减器、放大器、隔离器、末级放大器、末级隔离器和耦合器，所述耦合器的输出端与所述末级功放单元连接，所述前级衰减器的输入端与所述信号源连接。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述末级功放模块采用GaN功率管，所述GaN功率管由64只功放管级联合成实现。

4.根据权利要求3所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，还包括功放监控单元，所述功放监控单元用于采集工作状态信息，所述工作状态信息包括功放管的温度、输出功率及功放管的栅极和漏极的电压、电流，所述功放监控单元包括微处理器、温度传感器、检波器和电压电流传感器，所述温度传感器与所述微处理器连接用于对功放管的温度进行监测，所述检波器用于对每只功放管的输出功率进行耦合检波得到检波电压后输送至所述微处理器；所述电压电流传感器与所述微处理器连接用于对功放管的漏极和栅极的电压、电流进行检测。

5.根据权利要求4所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述电源单元为数字电源，且所述数字电源与所述微处理器电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，还包括远程监控单元，所述远程监控单元包括远程主机，所述微处理器包括通讯模块，所述微处理器通过通讯模块与所述远程主机通讯连接，所述微处理器通过所述通讯模块将工作状态信息传送给所述远程主机并接收所述远程主机的操作指令。

7.根据权利要求3所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述功放管处还设置有散热结构，所述散热结构包括无氧铜、热管阵列和散热器，所述无氧铜设置于所述功放管正下方，所述热管阵列设置于所述散热器与所述无氧铜之间。

8.根据权利要求7所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述热管阵列与所述无氧铜之间填充有填隙材料。

9.根据权利要求8所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述填隙材料为相变材料。

10.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率高效率的多波段发射分系统，其特征在于，所述合路器模组的输出端还连接有双定向耦合器，所述微波源信号通过所述双定向耦合器后输出。

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