CN216774766U - 一种高频宽带大功率收发单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高频宽带大功率收发单元，包括限幅低噪声放大器模块、移相衰减模块、驱动放大模块、隔离器模块、末级功放模块、环行器模块和电源调制模块，移相衰减模块与第一射频接口连接，且移相衰减模块内的开关分别与驱动放大模块和限幅低噪声放大器模块连接，驱动放大模块通过隔离器模块与末级功放模块连接，末级功放模块与限幅低噪声放大器模块均与环行器模块连接，环行器模块与第二射频接口连接；本实用新型为有源相控阵雷达前端提供X波段大功率小型化的收发单元架构方案，提高单元输出功率，提高天线阵面有效功率辐射效率，解决在相同功率孔径下使用较少收发单元的解决方案。

Description

一种高频宽带大功率收发单元

技术领域

本实用新型涉及射频前端技术领域，具体涉及一种高频宽带大功率收发单元。

背景技术

随着军事应用不断增长的应用需求和先进技术的发展推动，有源相控阵雷达近年来有了高速发展，探测低可观测目标和探测远程目标对有源相控阵雷达提出了更高的要求。实现这个要求的重要技术措施就是提高雷达发射天线阵阵面辐射信号的功率，在天线阵面孔径保持不变或增加阵面孔径受限制条件下，增加阵面发射信号功率意味着增加发射信号功率密度，即增加天线阵面单位面积上发射信号的功率，也就是天线阵面中收发单元的输出功率。

但现有有源相控阵雷达天线无法在阵列小型化的前提下，进一步提高雷达发射天线阵阵面辐射信号的功率。

鉴于上述缺陷，本实用新型创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本实用新型。

实用新型内容

为解决上述技术缺陷，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种高频宽带大功率收发单元，包括限幅低噪声放大器模块、移相衰减模块、驱动放大模块、隔离器模块、末级功放模块、环行器模块和电源调制模块，所述移相衰减模块与第一射频接口连接，且所述移相衰减模块内的开关分别与所述驱动放大模块和所述限幅低噪声放大器模块连接，所述驱动放大模块通过所述隔离器模块与所述末级功放模块连接，所述末级功放模块与所述限幅低噪声放大器模块均与所述环行器模块连接，所述环行器模块与第二射频接口连接，所述电源调制模块与所述限幅低噪声放大器模块、所述驱动放大模块、所述末级功放模块连接。

较佳的，所述开关采用单刀三掷开关，所述移相衰减模块还包括移相器、衰减器和驱动控制电路，所述第一射频接口通过所述开关与所述限幅低噪声放大器模块、所述驱动放大模块连接，且所述开关通过所述移相器与所述第一射频接口连接，所述开关通过所述衰减器与所述限幅低噪声放大器模块连接，所述驱动控制电路与所述移相器、所述开关连接，所述驱动控制电路与所述电源调制模块连接。

较佳的，所述限幅低噪声放大器模块包括由所述移相衰减模块向所述环行器模块依次串联设置的第二低噪声放大器、第一低噪声放大器和限幅器。

较佳的，所述驱动放大模块包括由所述移相衰减模块向所述隔离器模块依次串联设置的驱动放大器和中功率放大器。

较佳的，所述隔离器模块设置为第一隔离器，所述末级功放模块设置为大功率放大器，所述驱动放大模块通过所述第一隔离器与所述大功率放大器连接。

较佳的，所述环行器模块包括环形器和第二隔离器，所述第二射频接口通过所述环形器与所述限幅低噪声放大器模块、所述末级功放模块连接，且所述环形器通过所述第二隔离器与所述限幅器连接。

较佳的，所述限幅低噪声放大器模块、移相衰减模块、驱动放大模块、隔离器模块、末级功放模块、环行器模块和电源调制模块均设置在长方体结构的收发盒体内，所述收发盒体的一端设置所述第二射频接口，另一端设置有所述第一射频接口和电源接口，所述第二射频接口与天线阵面连接，所述电源调制模块与所述电源接口连接，所述第一射频接口和所述电源接口与分控接口盒连接。

较佳的，所述第一射频接口和所述第二射频接口采用BMA盲配接头，所述电源接口通过低频盲配接口。

较佳的，所述天线阵面和所述收发盒体之间设置有散热组件，所述散热组件设置为水冷板，所述散热组件与所述收发盒体贴合接触连接。

较佳的，所述驱动放大模块、所述隔离器模块、所述末级功放模块、所述环行器模块设置在靠近所述第二射频接口的一侧，所述电源调制模块设置在靠近所述第一射频接口的一侧，所述移相衰减模块设置在所述电源调制模块和所述驱动放大模块之间，所述限幅低噪声放大器模块设置在所述电源调制模块和所述环行器模块之间。

与现有技术比较本实用新型的有益效果在于：本实用新型为有源相控阵雷达前端提供X波段大功率小型化的收发单元架构方案，采用内匹配技术应用，提高单元输出功率，小型化的设计和高效的侧边导热手段，便于X波段阵面辐射单元的小间距实现，“去电缆化”设计，提高天线阵面有效功率辐射效率，解决在相同功率孔径下使用较少收发单元的解决方案，降低X波段有源相控阵的实现成本。

附图说明

图1为所述高频宽带大功率收发单元的电路原理图；

图2为所述高频宽带大功率收发单元的结构视图；

图3为所述高频宽带大功率收发单元的阵面装配示意图。

图中数字表示：

1-限幅低噪声放大器模块；2-移相衰减模块；3-驱动放大模块；4-隔离器模块；5-末级功放模块；6-环行器模块；7-电源调制模块；8-第一射频接口；9-第二射频接口；10-电源接口；11-收发盒体；12-天线阵面；13-分控接口盒。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1所示，图1为所述高频宽带大功率收发单元的电路原理图；本实用新型所述高频宽带大功率收发单元包括限幅低噪声放大器模块1、移相衰减模块2、驱动放大模块3、隔离器模块4、末级功放模块5、环行器模块6和电源调制模块7，所述移相衰减模块2与第一射频接口8连接，且所述移相衰减模块2内的开关分别与所述驱动放大模块3和所述限幅低噪声放大器模块1连接，所述驱动放大模块3通过所述隔离器模块4与所述末级功放模块5连接，所述末级功放模块5与所述限幅低噪声放大器模块1均与所述环行器模块6连接，所述环行器模块6与第二射频接口9连接。所述电源调制模块7与所述限幅低噪声放大器模块1、所述驱动放大模块3、所述末级功放模块5连接，以实现接收电源和发射电源调制。

所述开关采用单刀三掷开关，所述移相衰减模块2还包括移相器、衰减器和驱动控制电路，所述第一射频接口8通过所述开关与所述限幅低噪声放大器模块1、所述驱动放大模块3连接，且所述开关通过所述移相器与所述第一射频接口8连接，所述开关通过所述衰减器与所述限幅低噪声放大器模块1连接，所述驱动控制电路与所述移相器、所述开关连接以实现幅度控制和相位控制，并及时进行收发转换，所述驱动控制电路与所述电源调制模块7连接，以进行实现协同操作保证收发通道工作在绝对的分时状态。

所述限幅低噪声放大器模块1包括由所述移相衰减模块2向所述环行器模块6依次串联设置的第二低噪声放大器、第一低噪声放大器和限幅器。

所述驱动放大模块3包括由所述移相衰减模块2向所述隔离器模块4依次串联设置的驱动放大器和中功率放大器。

所述隔离器模块4设置为第一隔离器，所述末级功放模块5设置为大功率放大器，所述驱动放大模块3通过所述第一隔离器与所述大功率放大器连接。

所述环行器模块6包括环形器和第二隔离器，所述第二射频接口9通过所述环形器与所述限幅低噪声放大器模块1、所述末级功放模块5连接，且所述环形器通过所述第二隔离器与所述限幅器连接。

如图3所示，图3为所述高频宽带大功率收发单元的阵面装配示意图；较佳的，所述限幅低噪声放大器模块1、移相衰减模块2、驱动放大模块3、隔离器模块4、末级功放模块5、环行器模块6和电源调制模块7均设置在长方体结构的收发盒体11内，所述收发盒体11的一端设置所述第二射频接口9，另一端设置有所述第一射频接口8和电源接口10，所述第二射频接口9与天线阵面12连接，所述电源调制模块7与所述电源接口10连接，所述第一射频接口8和所述电源接口10与分控接口盒13连接。

较佳的，所述天线阵面12和所述收发盒体11之间设置有散热组件，所述散热组件设置为水冷板，所述散热组件与所述收发盒体11贴合接触连接。

如图2所示，图2为所述高频宽带大功率收发单元的结构视图；较佳的，所述驱动放大模块3、所述隔离器模块4、所述末级功放模块5、所述环行器模块6设置在靠近所述第二射频接口9的一侧，所述电源调制模块7设置在靠近所述第一射频接口8的一侧，所述移相衰减模块2设置在所述电源调制模块7和所述驱动放大模块3之间，所述限幅低噪声放大器模块1设置在所述电源调制模块7和所述环行器模块6之间，以实现收发单元的片状紧凑设置，从而进一步实现阵列小型化，同时所述驱动放大模块3、所述隔离器模块4、所述末级功放模块5、所述环行器模块6需要散热的功率器件尽可能靠近散热面，保证所述收发盒体11内散热稳定。

本实用新型通过核心功能模块的划分和实现，大功率GaAs内匹配技术的应用，实现大功率高效率的设计，单元的接口盲配技术，提高系统集成度和拆装的复杂度，高效散热方式，通过高的热导材料，把单元的热量引导侧边，使用天线阵面12冷却液的方式，实现天线线源的小间距设计。

实施例二

本实用新型通过先进电磁三维场仿真设计一体化封装，核心模块为独立的MCM(多芯片单元)，集成陶瓷金属壳体、功率放大器、射频开关、控制驱动器以及无源电阻、电感、电容，具有完整的独立功能。高性能垂直过渡，结合先进的电磁仿真软件和稳定的陶瓷介电常数，实现高密度微波互联和微波信号的高效传输，具有很小的插入损耗和驻波指标。

限幅低噪声放大器模块1，采用MCM工艺，限幅功率20W，满足发射状态的功率泄露和单元的安全，由于单元的输出功率大于20W，考虑到不一致性问题，要求限幅低噪声放大器满足耐功率30W的要求，且该放大器的噪声系数决定了收发单元的前端噪声。

六位数控移相/衰减模块2将移相器、开关、衰减器以及其控制电路集成一个核心功能模块，其中移相器要求采用6位数控移相器、衰减器要求采用6位数控衰减器、开关采用单刀三掷开关。为了减少与外部的接口，将控制电路也集成到该模块当中，使用波控芯片实现收发单元的幅度控制和相位控制，并及时进行收发转换。同时将开关状态的控制码引出送至电源调制电路与电源调制TTL电平相关联控制单元的工作状态。

驱动放大模块3，采用MCM工艺，放大模块2的发射信号，输出功率大于10W，用于驱动末级功放模块5。

末级功放模块5，使用内匹配技术，平衡各管芯以及管芯各部位之间信号幅度和相位，并可提升其输入和输出阻抗，对内匹配管芯进行功率分配及合成。在器件输入和输出端分别设计了匹配电路，以变换管芯端口的阻抗，消除阻抗的虚部，同时提高阻抗的实部到一定值，再通过λ/4的功率分配/合成器匹配至50Ω，合成输出功率大于30W。

电源调制模块7，集成多种控制方式，实现对接收电源的调制、发射电源的调制、负电源的分压处理和掉电保护、TTL信号的过脉宽保护等功能，保证功率模块3和5的可靠工作以及单元的时序稳定。

在单元内部，发射和接收通道能够形成物理上的回路，再加上器件本身隔离度有限，而收发通道的增益却较大，当电源馈电不合理时，会出现收发同时工作的情况。因此，在单元的馈电时序上，必须使收发通道工作在绝对的分时状态。在这种情况下，需考虑单元工作时电源的上升沿与下降沿，合理设置相应的延时。

单元不仅仅需要选用单刀三掷开关，同时开关的工作状态的控制也能够控制单元的电源调制。整个模块采用的GaAs基功率管，在电路中增加负压保护电路提高阵面工作的可靠性。故电源调制电路板主要功能有负压保护、接收电源调制、发射电源调制。

驱动放大模块3，输入输出采用可拆卸SMA连接器便于测试，壳体材料采用柯伐壳体，散热部分嵌入无氧铜，整个模块达到气密封装要求。另外，模块的工作漏压系统可以调整，工作的栅压分压设计实现，可以通过调整分压电阻值来调整栅压。

单元实际工作状态的设置是由整机上的波束控制系统提供一个32位的串行码(SD)控制。在单元生产测试过程中，该串行码是通过调试计算机提供各种时序控制信号(包括SC、SD、END、SYN、TRW)来实现，TRT信号由系统时钟提供。在整机系统上，信号TRT和TRW是一对关联互补信号。当单元的电源和时序正常的情况下，当TRT为高电平时，收发单元工作在发射状态下；当TRW为高电平时，单元工作在接收状态下。

在启动发射状态时，串行码(SD)内的相应位置位，将微波控制模块内的发射支路打开，同时微波控制模块的发射使能位(T_-5V)置为-5V，电源调制板的发射电源调试开启，单元就工作在发射状态。在启动接收状态时，串行码(SD)内的相应位置位，将微波控制模块内的接收支路打开，同时微波控制模块的接收使能位(R_-5V)置为-5V，电源调制板的接收电源调试开启，单元就工作在接收状态。

其与天线端口和馈线接口均采用BMA盲配接头，电源及波控信号通过低频盲配接口与电源控制板相连。整个有源阵面集成了收发单元、分控接口盒13以及波控电源，收发单元散热方式是靠水冷系统将热量通过传导的方式进行散热。需要散热的功率器件尽可能靠近散热面，单元收发通道之间增加隔栅设计，提高收发之间的隔离，同时低噪声放大模块的输入输出部分增加隔栅，减少空间辐射，改善带内的起伏。同时，射频BMA和低频连接器的法兰都加大，增加密封垫圈，同时盖板也增加密封圈，保证单元的水密要求。

采用核心电路模块概念，构建工程实用化X波段大功率单元，满足技术指标如下，工作带宽：8GHz～12GHz，发射输出峰值功率：≥30W，噪声系数：≤3.0dB，外形尺寸：≤117mm×80mm×14.5mm。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，对本实用新型而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高频宽带大功率收发单元，其特征在于，包括限幅低噪声放大器模块、移相衰减模块、驱动放大模块、隔离器模块、末级功放模块、环行器模块和电源调制模块，所述移相衰减模块与第一射频接口连接，且所述移相衰减模块内的开关分别与所述驱动放大模块和所述限幅低噪声放大器模块连接，所述驱动放大模块通过所述隔离器模块与所述末级功放模块连接，所述末级功放模块与所述限幅低噪声放大器模块均与所述环行器模块连接，所述环行器模块与第二射频接口连接，所述电源调制模块与所述限幅低噪声放大器模块、所述驱动放大模块、所述末级功放模块连接。

2.如权利要求1所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述开关采用单刀三掷开关，所述移相衰减模块还包括移相器、衰减器和驱动控制电路，所述第一射频接口通过所述开关与所述限幅低噪声放大器模块、所述驱动放大模块连接，且所述开关通过所述移相器与所述第一射频接口连接，所述开关通过所述衰减器与所述限幅低噪声放大器模块连接，所述驱动控制电路与所述移相器、所述开关连接，所述驱动控制电路与所述电源调制模块连接。

3.如权利要求2所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述限幅低噪声放大器模块包括由所述移相衰减模块向所述环行器模块依次串联设置的第二低噪声放大器、第一低噪声放大器和限幅器。

4.如权利要求3所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述驱动放大模块包括由所述移相衰减模块向所述隔离器模块依次串联设置的驱动放大器和中功率放大器。

5.如权利要求4所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述隔离器模块设置为第一隔离器，所述末级功放模块设置为大功率放大器，所述驱动放大模块通过所述第一隔离器与所述大功率放大器连接。

6.如权利要求5所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述环行器模块包括环形器和第二隔离器，所述第二射频接口通过所述环形器与所述限幅低噪声放大器模块、所述末级功放模块连接，且所述环形器通过所述第二隔离器与所述限幅器连接。

7.如权利要求6所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述限幅低噪声放大器模块、移相衰减模块、驱动放大模块、隔离器模块、末级功放模块、环行器模块和电源调制模块均设置在长方体结构的收发盒体内，所述收发盒体的一端设置所述第二射频接口，另一端设置有所述第一射频接口和电源接口，所述第二射频接口与天线阵面连接，所述电源调制模块与所述电源接口连接，所述第一射频接口和所述电源接口与分控接口盒连接。

8.如权利要求7所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述第一射频接口和所述第二射频接口采用BMA盲配接头，所述电源接口通过低频盲配接口。

9.如权利要求7所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述天线阵面和所述收发盒体之间设置有散热组件，所述散热组件设置为水冷板，所述散热组件与所述收发盒体贴合接触连接。

10.如权利要求9所述的高频宽带大功率收发单元，其特征在于，所述驱动放大模块、所述隔离器模块、所述末级功放模块、所述环行器模块设置在靠近所述第二射频接口的一侧，所述电源调制模块设置在靠近所述第一射频接口的一侧，所述移相衰减模块设置在所述电源调制模块和所述驱动放大模块之间，所述限幅低噪声放大器模块设置在所述电源调制模块和所述环行器模块之间。

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