CN218850732U - 一种Ka波段功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于功率放大器技术领域，公开了一种Ka波段功率放大器，包括射频装置、电源处理及控制装置；射频装置设置有驱动级放大器、增益控制器和末级放大器，驱动放大器、增益控制器及末级放大器通过微带线键合方式连接，末级放大器另一端与射频输出口连接；电源处理及控制装置设置有采集电路、稳压电路、温度补偿电路、负电保护电路和外部控制电路。本实用新型提供了一种Ka波段功率放大器，满足全国产化需求，满足大功率信号输出，带内平坦度，具有负电保护措施，可实现温度、电流、电压、功率输入输出监控功能，可实现栅压自动调节以及手动调节功能；高低温工作条件下增益补偿功能，可实现对射频放大器供电控制、增益控制功能。

Description

一种Ka波段功率放大器

技术领域

本实用新型属于功率放大器技术领域，尤其涉及一种Ka波段功率放大器。

背景技术

目前，现有Ka波段功率放大器(27GHz～34GHz)大多采用国外芯片完成控制及射频链路传输；且目前技术转换效率较低，随环境温度变化发射功率不稳定，带内平坦度较差；目前Ka波段功率放大器装配复杂成本高。一般功率放大器仅具备单重负电保护机制，同时在调试过程中，需注意功率放大器栅极、漏极电压加电顺序。

目前应用环境下，近地卫星载荷的数据接收和卫星平台测控任务组件增多，为提高天基物联网系统商业卫星的应用价值，需要建设完备的地面测控网，同时具备远程监控功能。用户对接收和发射能力提出更高的要求，其中功率放大器扮演着不可或缺的角色，Ka波段功率放大器应用前景广阔。但是现有的Ka频段功放存在国产化程度低，制作成本高，输出功率小，带内平坦度较差，环境适应稳定性较差，输出信号幅度稳定性差，转换效率低，工作带宽窄等问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的Ka频段功放制作成本高，输出功率小，带内平坦度较差，环境适应稳定性较差，输出信号幅度稳定性差，转换效率低，工作带宽窄。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种Ka波段功率放大器。

本实用新型是这样实现的，一种Ka波段功率放大器设置有：

射频装置、电源处理及控制装置；

所述射频装置设置有驱动级放大器、增益控制器和末级放大器，驱动放大器、增益控制器及末级放大器通过微带线键合方式连接，所述末级放大器另一端与射频输出口连接；

所述电源处理及控制装置设置有采集电路、稳压电路、温度补偿电路、负电保护电路和外部控制电路。

进一步，所述增益控制器设置有温度补偿芯片和衰减芯片。

进一步，所述驱动放大器及末级放大器两端分别连接有输入端耦合监控电路和输出端耦合监控电路，耦合监控电路可将放大器输入输出功率值反馈给外部电源处理及控制装置。

进一步，所述射频输出口采用BJ320波导输出。

进一步，所述稳压电路设置有依次连接的LDO稳压芯片、逆变器和EMI芯片。

进一步，所述温度补偿电路设置有相互连接的温度传感器和调谐电阻。

进一步，所述负电保护电路设置有时序芯片、模拟开关、三极管和MOS管。

进一步，所述电源处理及控制装置下端安装有散热齿。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本实用新型的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本实用新型技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本实用新型提供了一种Ka波段(27GHz～34GHz)功率放大器，满足全国产化需求，满足大功率信号输出(≥10W)，带内平坦度(≤±1dB)，具有负电保护措施，可实现温度、电流、电压、功率输入输出监控功能，可实现栅压自动调节以及手动调节功能；高低温工作条件下增益补偿功能，可实现对射频放大器供电控制、增益控制功能。

本实用新型过程中除了具备时序控制电路外还具备了双层保护机制。当系统上电时，功率芯片栅极电压处于截止电压状态，功率芯片无法正常工作。通过外部控制电路将控制信号发送给开关电路及三极管使栅极电压处于正常时，时序芯片输出低电平将MOS管开启，从而控制功放正常工作；当栅极电压不正常时，时序芯片输出为高电平，MOS管无法正常开启，功放不工作。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本实用新型所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本实用新型具备双重保护机制，确保功率放大器处于稳定可控状态，采用模块化设计，方便装配及维修。Ka波段功率放大器的最大输出功率不小于10W，转换效率可达到30％以上。

环境温度变化时，尤其是高温状态，一般情况下功率放大器输出功率会随之减小，导致系统信号不稳定，从而影响通信质量，达不到用户使用要求。此次充分考虑环境温度的影响，增加了温度补偿方式，包含射频链路中的增益控制部分以及控制电路中的温度补偿电路，射频链路中的增益控制部分包含温度补偿芯片及衰减芯片，温度补偿芯片可调节功率放大器在环境温度变化情况下的幅度稳定性，衰减芯片可保证功率放大器输出信号在带内的一致性，同时调整芯片间匹配度改善信号驻波。控制电路中的温度补偿电路与功率放大器连接，在环境温度发生变化时，将功率放大器栅极电压进行调整，控制栅极电压大小至功率放大器的信号输出幅度最大，以实现功率放大器幅度补偿的功能。温度补偿电路可通过温度传感器自动调节电阻从而改变功率放大器栅极电压，也可以通过手动调节方式调整改变功率放大器栅极电压。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的Ka波段功率放大器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的Ka波段功率放大器的结构原理图；

图3是本实用新型实施例提供的射频装置内部结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的负压保护电路原理图；

图5是本实用新型实施例提供的温度补偿电路原理图；

图6是本实用新型实施例提供的输出波形图；

图中：1、射频装置；2、电源处理及控制装置；3、射频输出端口；4、射频输入端口；5、散热齿；6、输入端耦合监控电路；7、驱动放大器；8、增益控制器；9、末级放大器；10、输出端耦合监控电路。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本实用新型如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的Ka波段功率放大器包括射频装置1、电源处理及控制装置2。

本实用新型实施例中的射频装置1包括驱动放大器7、增益控制器8及末级放大器9，驱动放大器7、增益控制器8及末级放大器9通过微带线键合方式连接，射频装置1的射频输出端口3采用BJ320波导输出。

驱动放大器7及末级放大器9外端分别连接有输入端耦合监控电路6和输出端耦合监控电路10，耦合监控电路可将放大器输入输出功率值反馈给外部电源处理及控制单元。

增益控制器8包含温度补偿芯片及衰减芯片，温度补偿芯片可调节功率放大器在环境温度变化情况下的幅度稳定性，衰减芯片可保证功率放大器输出信号在带内的一致性，同时调整芯片间匹配度改善信号驻波。

Ka波段功率放大器的最大输出功率不小于10W，转换效率可达到30％以上。

本实用新型实施例中的电源处理及控制装置2包括采集电路(温度采集、电流采集、电压采集、功率输入输出采集)、稳压电路、温度补偿电路、负电保护电路、外部控制电路。

采集电路：采集电路包含：温度采集、电流、电压采集、功率输出采集，温度采集通过温度采集芯片将采集信息，以模拟电压信号形式反馈给外部控制电路；电流、电压采集通过运算放大电路将系统电流及电压值采集反馈给外部控制电路；功率输入、输出采集通过耦合电路将放大器的功率大小以模拟电压信号的方式通过运算放大电路反馈给外部控制电路；

稳压电路：与外部控制电路及功率放大器连接。功率放大器所需供电电压主要为漏极电压以及栅极电压。漏极电压通过LDO稳压芯片将外部输入电压转化为稳定的驱动放大芯片及末级放大芯片所需得漏极电压(正压)。栅极电压首先通过LDO稳压芯片将外部输入电压转化为中间电压，再通过逆变器将中间电压转化为驱动放大芯片及末级放大芯片所需的栅极电压(负压)。稳压电路输出位置增加EMI芯片，减少电源噪声对射频带内杂波的影响。

温度补偿电路：与功率放大器连接，在环境温度发生变化时，将功率放大器栅极电压进行调整，控制栅极电压大小至功率放大器的信号输出幅度最大，以实现功率放大器幅度补偿的功能。温度补偿电路可通过温度传感器自动调节电阻从而改变功率放大器栅极电压，也可以通过手动调节方式调整改变功率放大器栅极电压。

负电保护电路：功率芯片偏置时序需要先加栅极电压(负电)再加漏极电压(正电)，因此功放电路需具备时序控制功能。本实用新型中除了具备时序控制电路外还具备了双层保护机制，负电保护功能由时序芯片，模拟开关、三极管、MOS管实现。当系统上电时，功率芯片栅极电压处于截止电压状态，功率芯片无法正常工作。通过外部控制电路将控制信号发送给开关电路及三极管使栅极电压处于正常时，时序芯片输出低电平将MOS管开启，从而控制功放正常工作；当栅极电压不正常时，时序芯片输出为高电平，MOS管无法正常开启，功放不工作。

外部控制电路：外部控制电路提供功率放大器所需输入电压及开关控制信号，同时外接数字终端对采集电路采集的信息进行。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型主要功能实现区即射频装置、电源处理及控制装置。其中射频装置负责射频信号的传输，将射频信号逐级放大至用户需求功率大小。电源处理及控制装置主要负责连接系统外部指令、电源控制以及连接射频装置内部供电、信号耦合电平回传解读等。外部指令由用户自行发出，可随时开关以及读取系统设备，对系统返回的信息予以处理。

如图4所示，本实用新型实施例中的负压保护电路：

当系统上电时，SW处于低电平状态，此时U2芯片通过R1输出进入芯片U1，此时栅极电压VG处于功率放大器截止电压状态，功率放大器关闭。同时因SW处于低电平状态，芯片U3处于关闭状态，MOS管U4无法开启，漏极电压Vd值为0V，对功率放大器起到有效的保护作用。

当SW处于高电平状态，U2芯片通过R2输出进入芯片U1，此时栅极电压VG处于功率放大器正常工作状态，功率放大器开启。同时芯片U3开启，MOS管U4被打开，漏极电压Vd处于功率放大器正常工作电压，功率放大器开始工作。

负电保护电路可以保障功率放大器栅极、漏极同时加压或者独立加压(可用于功率输出调试)，且独立加压无需再考虑加压顺序，避免了误操作导致的功率放大器芯片损坏的情况。

以上负压电路保护设计具备双层保护机制，确保功率放大芯片正常工作。

温度补偿机制：温度补偿机制包含：射频单元的增益控制、电源处理及控制单元的温度补偿电路两部分内容。

增益控制包含温度补偿芯片及衰减芯片，温度补偿芯片可调节功率放大器在环境温度变化情况下的幅度稳定性，衰减芯片可保证功率放大器输出信号在带内的一致性，同时调整芯片间匹配度改善信号驻波。温度补偿芯片及衰减芯片均通过微带线金丝键合方式与功率放大器连接。

如图5所示，本实用新型实施例中的温度补偿电路：

RT为热敏电阻，本次电路中将正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)结合使用。因电路设计中，如果单一使用一种温度系数的元件，相对误差会大一些，本次设计中将正负温度系数的电阻相结合，达到正负平衡的效果，相对误差相对减小，以达到最优效果。

本实用新型使用的正温度系数热敏电阻(PTC)及负温度系数热敏电阻(NTC)具控温精度高、稳定性好、可靠性高、使用寿命长等特点，当环境温度改变时，其阻值也随之发生变化，使发射极电压成反向或反向变化趋势。

RL为手动调节电阻，可针对栅极电压进行手动微调。

以下电路通过运算放大电路将温补电路连接后反馈给栅极电压输出，对功率放大器栅极电压起到调节功能。保证功率放大器在环境温度变化情况下的幅度稳定性。

二、应用实施例。为了证明本实用新型的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

产品结构及装配采用模块化设计，简单易操作，方便后续装配及维修。从图中可以看出结构主要分为三个模块：射频装置、电源处理及控制装置、散热齿。其中射频装置、电源处理及控制装置使用焊接法连接，易拆卸；电源处理及控制装置、散热齿使用螺钉紧固，结构可靠。散热齿中安装风扇利于功放系统散热。

三、实施例相关效果的证据。本实用新型实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

输出波形图如图6所示。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Ka波段功率放大器，其特征在于，所述Ka波段功率放大器设置有：

射频装置、电源处理及控制装置；

所述射频装置设置有驱动级放大器、增益控制器和末级放大器，驱动放大器、增益控制器及末级放大器通过微带线键合方式连接，所述末级放大器另一端与射频输出口连接；

所述电源处理及控制装置设置有采集电路、稳压电路、温度补偿电路、负电保护电路和外部控制电路。

2.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述增益控制器设置有温度补偿芯片和衰减芯片。

3.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述驱动放大器及末级放大器两端分别连接有输入端耦合监控电路和输出端耦合监控电路。

4.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述射频输出口采用BJ320波导输出。

5.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述稳压电路设置有依次连接的LDO稳压芯片、逆变器和EMI芯片。

6.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述温度补偿电路设置有相互连接的温度传感器和调节电阻。

7.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述负电保护电路设置有时序芯片、模拟开关、三极管和MOS管。

8.如权利要求1所述的Ka波段功率放大器，其特征在于，所述电源处理及控制装置下端安装有散热齿。

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