CN219760974U - 一种固态微波源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种固态微波源。该固态微波源包括依次电连接的压控振荡器、第一级放大单元、第二级放大单元、第一衰减器、微带滤波器、第三级放大单元、第二衰减器、第四级放大单元、第五级放大单元和环流器。其中，第一级放大单元、第二级放大单元和第三级放大单元采用5V直流电源供电；第四级放大单元和第五级放大单元采用0‑28V可调直流电源供电。本实用新型通过改变末端两级放大单元的供电电压实现功率调节，不影响前三级放大单元，提高了功率调节的精准性，具有调节精度高的优点；且将各放大单元工作于增益饱和区，各放大单元不受输入功率微小改变的影响，进而具有输出稳定、抗干扰能力强的优点。

Description

一种固态微波源

技术领域

本实用新型涉及微波发生器，具体为一种固态微波源。

背景技术

当前置于微波消融设备内的微波发生器分为磁控管和固态源两种。磁控管这类真空管器件存在效率低、体积大、需高压驱动、功率波动严重的问题。固态源是指由谐振电路和微波半导体器件之间相互配合，将小功率信号通过功率放大链转换成相应频率的微波功率的装置，相比真空管器件而言，固态微波源正凭借其效率高、体积小、使用寿命长、稳定性好等优点，逐渐取代磁控管成为各大医疗器械企业研究热点和重点。

目前市面上的固态源普遍采用的功率调节方法是在前级小功率放大模块后连接功率调整芯片，功率调整芯片本质上是一个压控衰减器。由于压控衰减器的最大输入功率一般不超过200mW，因此只能运用于前级小功率放大模块后，对固态源整体功率调节精度存在影响。其控制电压一般为0-4V，对应不同的衰减量。当衰减量过大时，达不到后级功率放大管产生增益的最低输入功率，功率放大管功率输出为零；当衰减量过小时，即前级功率放大管输出功率过大，会导致后级功率放大管进入饱和状态，无法实现功率调节。因此，功率衰减芯片的控制电压可调范围较小，会导致功率调节精度差的问题。另外，该方案下各功率放大管都工作在增益放大区，压控衰减器的控制电压受到干扰出现的微小改变会导致末级功率放大管的功率输出产生严重波动。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有固态源调节精度差、抗干扰能力差的问题，提供一种固态微波源。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种固态微波源，包括依次电连接的压控振荡器、第一级放大单元、第二级放大单元、微带滤波器、第三级放大单元、第四级放大单元、第五级放大单元和环流器。其中，第一级放大单元、第二级放大单元和第三级放大单元共接5V直流电源；第四级放大单元和第五级放大单元共接28V可调直流电源。

进一步的，第二级放大单元的输出端与第一衰减器的输入端电连接，第一衰减器的输出端与微带滤波器的输入端电连接，微带滤波器的输出端与第三级放大单元电连接；第三级放大单元和第四级放大单元之间电连接第二衰减器。

进一步的，环流器的第一连接端周边设置有第一耦合线，第一耦合线与正反馈单元电连接；环流器的第三连接端的周边设置有第二耦合线，第二耦合线与负反馈单元电连接。

进一步的，第一耦合线与正反馈单元之间电连接有第三衰减器；第二耦合线与负反馈单元之间电连接有第四衰减器；第三衰减器和第四衰减器均采用Π型衰减器。

进一步的，正反馈单元和负反馈单元的电路结构相同。

进一步的，正反馈单元包括功率检波器U20，七个电阻R30～R36，六个电容C53、C72、C79、C82、C85和C86，一个运算放大器U16A，以及一个可变电阻RP1；

其中，U20的电源输入端、输出基准控制端和并联的C85、C86的其中一端共接5V直流电源，C85、C86的另一端共地；U20的信号输入端通过C53与R30、R31的其中一端相连，R30的另一端作为正反馈单元的输入端与第三衰减器的输出端相连；U20的功耗控制端、公共接地端、电源基准控制端以及R31的另一端均接地；U20的频率控制端通过C72接地；U20的输出电压端与R32的其中一端相连，R32的另一端与R33、C79的其中一端相连，R33的另一端与U16A的正向输入端连接，U16A的反向输入端与R34、R35的其中一端连接，R35的另一端通过RP1与U16A的输出端连接，U16A的输出端还与C82、R36的其中一端连接，R36的另一端作为正反馈单元的输出端，R34、C79以及C82的另一端接地。

进一步的，压控振荡器的供电端电连接稳压器的输出端，稳压器的输入端与5V直流电源之间电连接。

进一步的，固态微波源还包括主控单元和输出单元；主控单元与输出单元通过SPI串口连接，输出单元与28V可调直流电源的模拟电压控制输入端电连接；正反馈单元和负反馈单元的输出端与主控单元连接。

进一步的，输出单元包括数模转换器U19，稳压模块U11，运算放大器U18B，三个电阻R21、R49、R50，电容C87，电解电容C49，以及可变电阻R48；

其中，U19的电源输入端接3.3V电源，并与C87的其中一端连接，C87的另一端以及U19的锁存端、接地端接地；U19的片选信号端、串行时钟输入端和串行数据传输端与主控单元对应连接；U19的基准电压输入端与U11的输出端连接，并与C49的正极连接，C49的负极接地，U11的输入端接5V直流电源；U19的输出端与U18B的正向输入端之间串接R49，U18B的负向输入端与输出端之间连接R48，且U18B的负向输入端与R50的其中一端连接，R50的另一端接地，U18B的输出端与R21的其中一端连接，R21的另一端作为输出单元的输出端。

进一步的，第一级放大单元和第二级放大单元的结构相同。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：

1、本实用新型通过给末端的第四级放大单元和第五级放大单元连接28V可调直流电源，通过改变末端两级放大单元的供电电压实现微波输出功率的调节，不影响前三级放大单元，提高了功率调节的精准性，具有调节精度高的优点；且将各放大单元工作于增益饱和区，各放大单元不受输入功率微小改变的影响，进而具有输出稳定、抗干扰能力强的优点。

2、本实用新型通过设置正反馈单元和负反馈单元能够有效获取到固态微波源的实际输出功率，由主控单元处理后可以对固态微波源的实际输出功率进行实时调整，进而使固态微波源微波功率输出稳定。

附图说明

参照附图来说明本实用新型的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1为本实用新型介绍的一种固态微波源的结构框图；

图2为功率放大管的性能曲线图；

图3为基于图1的固态微波源的主体电路图；

图4为基于图3的固态微波源的主体完整电路图；

图5为基于图1的主控单元的电路图；

图6为基于图1的输出单元的电路图；

图7为本实用新型固态微波源的第三衰减器的电路图；

图8为本实用新型固态微波源的正反馈单元的电路图；

图9为本实用新型固态微波源的第四衰减器的电路图；

图10为本实用新型固态微波源的负反馈单元的电路图。

具体实施方式

容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

请参阅图1，本实施例介绍了一种固态微波源，采用五级单管放大技术用以实现大功率微波信号输出，包括依次电连接的压控振荡器、第一级放大单元、第二级放大单元、第一衰减器、微带滤波器、第三级放大单元、第二衰减器、第四级放大单元、第五级放大单元和环流器。其中，第一级放大单元、第二级放大单元和第三级放大单元共接5V直流电源；第四级放大单元和第五级放大单元共接28V可调直流电源。主控单元通过输出单元控制28V可调直流电源。

功率放大管的性能曲线如图2所示，结合图2可知，在功率放大管处于饱和区时，其增益维持在一个稳定状态，此时输入功率的增加对功率放大管的增益没有影响；功率放大管在饱和区的增益稳定性高于放大区，在此基础上，固态源的功率输出稳定性也得到提高。

下面结合图3和图4对固态微波源的具体电路结构进行说明。在实际使用时，按要求设置相应的最大输出功率以及工作频率。

例如，按要求设备的最大输出功率为150W，工作频率为2450MHz。以按要求设备的最大输出功率为150W，工作频率为2450MHz为例。为了设备的安全考虑，在第五级放大单元后加入2450MHz频率工作的环流器，该器件插入损耗按0.5dB考虑，即要求第五级放大单元输出应达到165W，并有足够的功率余量。因此，第五级放大单元可以选用型号为BLC2425M9LS250的功率放大管作为末级功率放大管，该管只可工作在2450MHz频率附近的窄带管，最高工作电压32V，最高输出功率250W，可考虑将工作电压降到28V使用，其增益有所降低，饱和区增益按15dB考虑，通过计算可得第五级放大单元的功率放大管的输入功率需大于5.7W。

为统一电压，且满足第五级放大单元的输入功率要求，第四级放大单元可以选用型号为AFT27S006NT1的功率放大管，该管为宽频带管，只要设计2450MHz频率相应的输入输出匹配电路即可抑制部分谐波。该管工作电压28V，最高输出功率6W，饱和区增益16dB，可得第四级放大单元的输入功率应大于150mW。根据实验可得，第四级放大单元和第五级放大单元的功率放大管在供电电压为7V左右时，开始产生增益。

第一级放大单元、第二级放大单元和第三级放大单元中的功率放大管可以采用砷化镓小功率宽带三极管系列，其优势是统一采用5V供电。由于是通过调节28V可调直流电源实现功率调整，当固态源功率输出为零时，第三级放大单元仍有功率输出，但面临开路和严重失配情况，微波功率会大幅反射对其造成损伤，因此，第三级放大单元输出必须连接第二衰减器以避免完全开路。

假设考虑第二衰减器的衰减量为3dB，则第三级放大单元输出需要达到300mW，可以选用型号为TQP7M9102功率放大管，该管饱和输出功率为330mW，增益为8dB，为满足设计要求，则其输入功率应大于50mW。

在第二级放大单元后加入微带滤波器用于抑制谐波影响，其插入损耗约1dB，则第二级放大单元的功率放大管输出需达到100mW。第一级放大单元和第二级放大单元中的功率放大管可以采用型号为TQP3M9028功率放大管，最高输出功率120mW，饱和增益为10dB，满足设计要求。由于第一级放大单元和第二级放大单元采用相同型号的功率放大管，因此二者的电路结构基本相同。

同样，第二级放大单元后也需连接第一衰减器。根据第二级放大单元输出功率来决定第一衰减器的衰减量。若第二级放大单元输出功率足够，则第一衰减器的衰减量很小甚至为0；若第二级放大单元的输出功率过大，为防止对第三级放大单元产生不利损伤，则需第一衰减器提供合适的衰减量。

第一衰减器和第二衰减器的电路结构相同，均采用三个电阻并构成Π状，即Π型衰减器。根据实际需要的衰减量，两个衰减器的电阻取值不同。

与第一级放大单元连接的压控振荡器可以采用型号为MVE2500压控振荡器，射频输出功率为2mW左右。压控振荡器根据控制电压值在合理范围内变化输出信号频率。由于压控振荡器供电电压需要极其稳定，因此采用稳压器将5V直流电压稳压到4V。压控振荡器的供电端电连接稳压器的输出端，稳压器可以选用型号为ref198稳压器，是一款精密带隙基准电压源芯片，它采用温度漂移曲率校正电路，激光微调高度稳定的薄膜电阻，以实现非常低的温度系数和较高的初始精度。

此外，本实施例介绍的固态微波源还需输出单元和主控单元进行配合。请参阅图5，主控单元采用DSPIC33EP128GP502芯片，和输出单元之间采用SPI通讯。下面对输出单元的具体电路结构进行说明。请参阅图6，输出单元包括数模转换器U19，稳压模块U11，运算放大器U18B，三个电阻R21、R49、R50，电容C87，电解电容C49，以及可变电阻R48。

其中，U19的电源输入端接3.3V电源，并与C87的其中一端连接，C87的另一端以及U19的锁存端、接地端接地；U19的片选信号端、串行时钟输入端和串行数据传输端与主控单元对应连接；U19的基准电压输入端与U11的输出端连接，并与C49的正极连接，C49的负极接地，U11的输入端接5V直流电源；U19的输出端与U18B的正向输入端之间串接R49，U18B的负向输入端与输出端之间连接R48，且U18B的负向输入端与R50的其中一端连接，R50的另一端接地，U18B的输出端与R21的其中一端连接，R21的另一端作为输出单元的输出端。

数模转换器U19可以采用MCP4921芯片输出模拟电压值，MCP4921是一个12位的数模转换器，分辨率高，与主控单元采用SPI通讯。下面对MCP4921的引脚功能进行介绍：1脚为电源输入端(VDD)，2脚为片选信号端(CS)，3脚为串行时钟输入端(SCK)，4脚为串行数据传输端(SDI)，5脚为锁存端(LDAC)，6脚为基准电压输入端(VREF)，7脚为接地端(VSS)，8脚为输出端(VOUT)。

另外，稳压模块U11选择REF3025稳压模块用作数模转换器U19(MCP4921)的基准电压供电，其稳压精度达到50ppm，可以稳定数模转换器的模拟电压输出，此时MCP4921的最大输出电压值为2.5V。最后，运算放大器U18B采用型号为OPA2349运算放大器或者AD8542运算放大器，OPA2349高线性放大器可以将MCP4921的输出电压调节范围拓宽到0-5V。选择型号为RPS-27-400-TF的外部电压控制开关电源，外部输入电压0-5V对应电源输出电压0-28V，用于给第四级放大单元和第五级放大单元供电，满足要求。

用户可以通过232串口通讯或者模拟电压控制对固态微波源进行功率调节。因此实际使用时，还会设置九芯插座。九芯插座不仅具有串行通讯端和模拟电压传输端，其电源端接5V直流电源可以给主控单元，且九芯插座的电压控制端可以将输出单元的输出电压传输到28V可调直流电源的模拟电压控制端。

为精准获取到固态微波源的实际输出功率，还在环流器的第一连接端周边设置有第一耦合线，第一耦合线通过第三衰减器与正反馈单元电连接；环流器的第三连接端的周边设置有第二耦合线，第二耦合线通过第四衰减器与负反馈单元电连接。

结合图8和图10可知，由于正反馈单元和负反馈单元采用的电子元件以及线路连接基本结构相同。下面以正反馈单元的具体电路结构进行详细说明。

正反馈单元包括功率检波器U20，七个电阻R30～R36，六个电容C53、C72、C79、C82、C85和C86，一个运算放大器U16A，以及一个可变电阻RP1。

其中，U20的电源输入端、输出基准控制端和并联的C85、C86的其中一端共接5V直流电源，C85、C86的另一端共地；U20的信号输入端通过C53与R30、R31的其中一端相连，R30的另一端作为正反馈单元的输入端与第三衰减器的输出端相连；U20的功耗控制端、公共接地端、电源基准控制端以及R31的另一端均接地；U20的频率控制端通过C72接地；U20的输出电压端与R32的其中一端相连，R32的另一端与R33、C79的其中一端相连，R33的另一端与U16A的正向输入端连接，U16A的反向输入端与R34、R35的其中一端连接，R35的另一端通过RP1与U16A的输出端连接，U16A的输出端还与C82、R36的其中一端连接，R36的另一端作为正反馈单元的输出端，R34、C79以及C82的另一端接地。

实际应用时，功率检波器U20可以采用型号为AD8361的功率检波器。AD8361是一个真有效值功率检波器，可应用于高达2.5GHz的高频信号检测。采用单一电源，并能在2.7～5.5V之间工作。在大多数应用中，只需一个电源退耦电容和输入耦合电容即可工作且输出呈线性响应。

AD8361特别适用于各种简单或复杂波形的高频信号功率测量。下面对AD8361的引脚功能进行说明：

1脚为电源输入端(VPOS)，工作范围为2.7V～5.5V。

2脚为输出基准控制端(IREF)，此端悬空为内部基准工作方式使能；其它工作方式下此端应与VPOS端相连。不能将此端接地。

3脚为信号输入端(RFIN)，本端须由耦合电容驱动。

4脚为功耗控制端(PWDN)，此端接逻辑低电平(小于100mV)时，器件正常工作；接逻辑高电平(大于Vs-0.5V)时，器件将被关断并使电源电流趋于0。

5脚为公共接地端(COMM)。

6脚为频率控制端(FLTR)。

7脚为输出电压端(VRMS)。输出具有有限驱动和接近于轨-轨的电压能力。

8脚为电源基准控制端(SREF)。将此端接到VPos为使能电源基准工作方式；其它工作方式下SREF接COMM端(接地)。

运算放大器U16A可以采用型号为LM358的运算放大器。用于将检波电压信号(AD8361输出的电压信号)放大到0-3.3V区间，供主控单元A/D采集。LM358属于一种低功耗双放大器，专门设计用于在宽电压范围内由单电源供电。

结合图7和图9可知，第三衰减器和第四衰减器的电路结构基本相同。其与第一衰减器和第二衰减器的电路结构也基本相同，区别在于电阻的阻值不同。由于正反馈单元和负反馈单元中的功率检波器AD8361的输入功率较高时，可能导致检波电压饱和，甚至损坏功率检波器。因此，为确保耦合功率的准确获取，应根据耦合功率大小决定第三衰减器和第四衰减器的衰减量。

综上，本实施例将各级功率放大管推到增益饱和区，通过主控单元控制输出单元调节可调开关电源的输出电压大小，进而实现对固态源的功率调节。该控制方案大幅拓宽了功率调节的控制电压范围，提高了功率调节精度。并且，功率放大管在饱和区的增益稳定性高于放大区，在此基础上，固态源的功率输出稳定性和抗干扰能力也得到提高。

本实用新型的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本实用新型技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固态微波源，其特征在于，其包括依次电连接的压控振荡器、第一级放大单元、第二级放大单元、微带滤波器、第三级放大单元、第四级放大单元、第五级放大单元和环流器；

其中，所述第一级放大单元、所述第二级放大单元和所述第三级放大单元共接5V直流电源；所述第四级放大单元和所述第五级放大单元共接28V可调直流电源。

2.根据权利要求1所述的固态微波源，其特征在于，所述第二级放大单元的输出端与第一衰减器的输入端电连接，所述第一衰减器的输出端与微带滤波器的输入端电连接，所述微带滤波器的输出端与第三级放大单元电连接；第三级放大单元和第四级放大单元之间电连接第二衰减器。

3.根据权利要求1所述的固态微波源，其特征在于，所述环流器的第一连接端周边设置有第一耦合线，所述第一耦合线与正反馈单元电连接；所述环流器的第三连接端的周边设置有第二耦合线，所述第二耦合线与负反馈单元电连接。

4.根据权利要求3所述的固态微波源，其特征在于，所述第一耦合线与所述正反馈单元之间电连接有第三衰减器；所述第二耦合线与所述负反馈单元之间电连接有第四衰减器；所述第三衰减器和所述第四衰减器均采用Π型衰减器。

5.根据权利要求4所述的固态微波源，其特征在于，所述正反馈单元和所述负反馈单元的电路结构相同。

6.根据权利要求4-5中任意一项所述的固态微波源，其特征在于，所述正反馈单元包括功率检波器U20，七个电阻R30～R36，六个电容C53、C72、C79、C82、C85和C86，一个运算放大器U16A，以及一个可变电阻RP1；

其中，U20的电源输入端、输出基准控制端和并联的C85、C86的其中一端共接5V直流电源，C85、C86的另一端共地；U20的信号输入端通过C53与R30、R31的其中一端相连，R30的另一端作为所述正反馈单元的输入端与所述第三衰减器的输出端相连；U20的功耗控制端、公共接地端、电源基准控制端以及R31的另一端均接地；U20的频率控制端通过C72接地；U20的输出电压端与R32的其中一端相连，R32的另一端与R33、C79的其中一端相连，R33的另一端与U16A的正向输入端连接，U16A的反向输入端与R34、R35的其中一端连接，R35的另一端通过RP1与U16A的输出端连接，U16A的输出端还与C82、R36的其中一端连接，R36的另一端作为所述正反馈单元的输出端，R34、C79以及C82的另一端接地。

7.根据权利要求1所述的固态微波源，其特征在于，所述压控振荡器的供电端电连接稳压器的输出端，所述稳压器的输入端与5V直流电源之间电连接。

8.根据权利要求3所述的固态微波源，其特征在于，所述固态微波源还包括主控单元和输出单元；所述主控单元与所述输出单元通过SPI串口连接，所述输出单元与所述28V可调直流电源的模拟电压控制输入端电连接；所述正反馈单元和所述负反馈单元的输出端与所述主控单元连接。

9.根据权利要求8所述的固态微波源，其特征在于，所述输出单元包括数模转换器U19，稳压模块U11，运算放大器U18B，三个电阻R21、R49、R50，电容C87，电解电容C49，以及可变电阻R48；

其中，U19的电源输入端接3.3V电源，并与C87的其中一端连接，C87的另一端以及U19的锁存端、接地端接地；U19的片选信号端、串行时钟输入端和串行数据传输端与所述主控单元对应连接；U19的基准电压输入端与U11的输出端连接，并与C49的正极连接，C49的负极接地，U11的输入端接5V直流电源；U19的输出端与U18B的正向输入端之间串接R49，U18B的负向输入端与输出端之间连接R48，且U18B的负向输入端与R50的其中一端连接，R50的另一端接地，U18B的输出端与R21的其中一端连接，R21的另一端作为输出单元的输出端。

10.根据权利要求1所述的固态微波源，其特征在于，所述第一级放大单元和所述第二级放大单元的结构相同。