CN206211954U - 9~10GHz大功率固态放大器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种9~10GHz大功率固态放大器组件，包括前级放大器、功率分配器、六个末级放大器和电源模块；所述前级放大器的输入端用于连接输入的射频信号，前级放大器的输出端连接功率分配器，所述功率分配器设置有六路输出端，分别与六个末级放大器连接，每个末级放大器设置有六路输出端用于输出射频信号，所述电源模块用于提供工作电压分别输出至前级放大器、功率分配器和末级放大器。本实用新型固态放大器组件工作脉宽为0.1us～250us、36路输出、单口输出脉冲功率大于100瓦、最大工作比12%，具有良好的线性度。电路板结构布局采用模块化设计，在减小重量和体积的同时，有利于成批生产和随机备份。

Description

9~10GHz大功率固态放大器组件

技术领域

本实用新型涉及固态放大器技术领域，具体涉及一种9~10GHz大功率固态放大器组件。

背景技术

目前，对固态放大器发射机而言，为获得数千瓦甚至几十千瓦的功率输出，通常我们采用功率合成的方法，具体方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，第二种方法是采用有源阵列天线的方法，就是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成，获得大功率输出。第二种相对于第一种技术由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高，是产生大功率电磁波辐射的有效途径，正在被广泛的应用。固态功率放大器组件作为有源阵列天线的重要组成部分，也越来越被重视。长期以来，X波段固态放大器由于国内半导体工艺技术相对落后和国外技术封锁，其发展相对比较滞后。对于要求输出功率几十瓦至百瓦、信号脉宽几百微妙至几毫秒的系统，更是难以实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种9~10GHz大功率固态放大器，工作脉宽为0.1us～250us、单口输出脉冲功率大于100瓦、最大工作比12%，良好的线性度，体积小、重量轻。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，包括前级放大器、功率分配器、六个末级放大器和电源模块；

所述前级放大器的输入端用于连接输入的射频信号，前级放大器的输出端连接功率分配器，所述功率分配器设置有六路输出端，分别与六个末级放大器连接，每个末级放大器设置有六路输出端用于输出射频信号，所述电源模块用于提供工作电压分别输出至前级放大器、功率分配器和末级放大器；

所述末级放大器包括放大器单元、分别与放大器单元连接的储能电容组和末级功放馈电单元，所述放大器单元包括X波段30瓦放大器、若干个X波段100瓦放大器、配相二路功分器和配相三路功分器，X波段30瓦放大器的输出端连接第一X波段100瓦放大器，第一X波段100瓦放大器的输出端连接配相二路功分器的输入端，配相二路功分器的两路输出端分别连接第二X波段100瓦放大器，每路第二X波段100瓦放大器的输出端分别连接配相三路功分器的输入端，每个配相三路功分器的三路输出端分别连接第三X波段100瓦放大器，六路第三X波段100瓦放大器的输出端连接有隔离器。

进一步的，前级放大器的输出功率大于100瓦，末级放大器的每个输出端口输出功率大于100瓦。

进一步的，所述电源模块中包括变换电源单元和时序控制单元，所述变换电源单元的输出端连接前级放大器、功率分配器和末级放大器，用于提供工作正压和负压，所述时序控制单元连接变换电源单元，控制变换电源单元提供正压和负压的时序。

进一步的，所述电源模块还包括负压保护电路，负压保护电路包括三极管Q2、场效应管Q1、延时电阻R1、R2、R2和延时电容C1，电源模块的输出端一路通过栅极偏置电路连接氮化镓功率管的栅极VG，另一路通过稳压二极管D1连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的基极串联电阻R1后接地；三极管Q2的集电极串联电阻R3后连接场效应管Q1的栅极，在场效应管Q1的栅极和源极之间并联有电阻R2和电容C1，场效应管Q1的漏极通过漏极偏置电路连接氮化镓功率管的漏极VD。

进一步的，所述电源模块还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括运放器LM158，运放器LM158的正电源端连接连接参考电压Vref，负电源端连接电源模块的输出端，反相输入端接地，正向输入端与输出端之间先并联热敏电阻R3和电阻R2后串联可调电阻Rpot，电阻R2一端串联电阻R1后连接至参考电压Vref，运放器LM158的输出端串联电阻Rg之后连接至氮化镓功率管的栅极VG。

进一步的，还包括过流保护电路，所述过流保护电路包括电流检测放大器和电流检测电阻构成监测电流的电路。

进一步的，还包括散热系统，所述散热系统包括八个风机和六个冷板散热片。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：本实用新型固态放大器组件工作脉宽为0.1us～250us、单口输出脉冲功率大于100瓦、最大工作比12%，具有良好的线性度。电路板结构布局采用模块化设计，在减小重量和体积的同时，有利于成批生产和随机备份；能够适应宽温度范围（-40～+65℃）、强振动等恶劣工作环境下正常工作。在整个电路上设有负压保护电路、温度补偿电路和过流保护电路，提高了可靠性，降低了系统的功耗，提高系统安全性。

附图说明

图1是大功率固态放大器组件的原理示意图；

图2是大功率固态放大器组件电路板的正面；

图3是大功率固态放大器组件电路板的背面；

图4是末级放大器的原理示意图；

图5是欠压保护电路的原理图；

图6是温度补偿电路的原理图；

图7是过流保护电路的原理图。

附图标记：1、散热系统；2、末级放大器；3、功率分配器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型的一种9~10GHz大功率固态放大器组件，如图1所示，包括前级放大器、功率分配器3、六个末级放大器2和电源模块；前级放大器的输入端用于连接输入的射频信号，前级放大器的输出端连接功率分配器，功率分配器3设置有六路输出端，分别与六个末级放大器2连接，每个末级放大器6设置有六路输出端用于输出射频信号。

射频信号从前级放大器的输入端输入，前级放大器输出功率大于100瓦，通过功率分配器3分成六路去驱动六个末级放大器2，六个末级放大器共36路端口输出，每路端口输出峰值功率大于100瓦。

末级放大器2的原理图如图4所示，包括放大器单元、分别与放大器单元连接的储能电容组和末级功放馈电单元，所述放大器单元包括X波段30瓦放大器、若干个X波段100瓦放大器、配相二路功分器和两个配相三路功分器，X波段30瓦放大器的输出端连接第一X波段100瓦放大器，第一X波段100瓦放大器的输出端连接配相二路功分器的输入端，配相二路功分器的两路输出端分别连接第二X波段100瓦放大器，每路第二X波段100瓦放大器的输出端分别连接配相三路功分器的输入端，每个配相三路功分器的三路输出端分别连接第三X波段100瓦放大器，六路第三X波段100瓦放大器的输出端连接有隔离器。

从功率分配器输出的射频信号从X波段30瓦放大器的输入端输入，再经第一X波段100瓦放大器进行功率放大，通过配相二路功分器分别驱动两路第二X波段100瓦放大器，每路第二X波段100瓦放大器的输出端通过配相三路功分器分别驱动三路第三X波段100瓦放大器，每路第三X波段100瓦放大器的输出端经隔离器后输出射频信号。每个末级放大器2有六路输出端，每路端口输出峰值功率大于100瓦。

在末级放大器2的电路板上，储能电容组紧靠X波段100瓦放大器，缩短馈线长度，否则漏极电压波形会出现较大的顶降，在结构布局时分上下两层，即将直流馈电部分放置在电路板的背面，X波段100瓦放大器电路放在电路板正面。

电源模块用于提供工作电压分别输出至前级放大器、功率分配器和末级放大器。电源模块中包括变换电源单元和时序控制单元，所述变换电源单元的输出端连接前级放大器、功率分配器和末级放大器，用于提供工作正压和负压，所述时序控制单元连接变换电源单元，控制变换电源单元提供正压和负压的时序，即为各放大器输入负压后在输入正电压的加电顺序。

传统的加电时序有定时器件延时、电路延时。本实用新型固态放大器组件中各放大器元件采用氮化镓功率管（GaN），氮化镓功率管的工作特性是，加电时，负压必须先加，漏极电压后加，本申请中采用负压控制漏极电压打开的方法，控制加电时序。因此电源模块还包括负压保护电路。所述负压保护电路连接变换电源单元，用于为变换电源单元提供负压保护。负压保护电路保证各放大器加负电时序时，确保在负栅极压情况下漏极电压关断且延时10毫秒。电路图如图5所示，电源模块的输出端一路通过栅极偏置电路连接氮化镓功率管的栅极，另一路通过稳压二极管D1连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的基极串联电阻R1后接地；三极管Q2的集电极串联电阻R3后连接场效应管Q1的栅极，在场效应管Q1的栅极和源极之间并联有电阻R2和电容C1，场效应管Q1的漏极通过漏极偏置电路连接氮化镓功率管的漏极。

其中电容C1作为延时电容，电阻R1、R2、R3均作为延时电阻，Q1为P沟道场效应管开关，Q2为NPN三极管。工作过程为，电源模块提供的-8V电源先通过栅极偏置电路加到氮化镓功率管栅极（VG），然后通过稳压二极管D1（1N4728），NPN三极管Q2 (2N2222a)，延时电阻R1、R2和R3、延时电容C1（视情况采用1μF~10uF），将场效应管Q1打开，正压（+10V~+50V）加至氮化镓功率管漏极（VD）。VG和VD延时约10毫秒。

该电路使用在组件中所有氮化镓功率器件馈电电路中，如末级放大器中末级功放馈电板上。

进一步的，为了保证各单元电路中放大器（氮化镓功率管）在-40℃～+65℃宽温度条件下稳定的工作点，即-40℃～+65℃宽温度条件下静态工作电流稳定，电源模块还包括温度补偿电路，保证本实用新型放大器组件在低温条件下能顺利启动，高温情况下控制工作点不能过高。其电路如图6所示。包括运放器LM158，运放器LM158的正电源端连接连接参考电压Vref，负电源端连接电源模块的输出端，反相输入端接地，正向输入端与输出端之间先并联热敏电阻R3和电阻R2后串联可调电阻Rpot，电阻R2一端串联电阻R1后连接至参考电压Vref，运放器LM158的输出端串联电阻Rg之后连接至氮化镓功率管的栅极（VG）。通过热敏电阻对温度的敏感时刻调整运放的比例，以使电源模块输出至栅极电压VG能够正常启动氮化镓功率管。

该电路使用在组件中所有氮化镓功率器件馈电电路中，如末级放大器中末级功放馈电板上。

在本实施例中功率放大器组件总系统峰值功率大于3630瓦，峰值电流近130A。电源如果出现过流过压，在极其短的时间内功放管就会被烧毁；由于放大器是由栅极负电压控制漏极的大电流，就要求负电压在正电压之前加载到放大器上，以控制放大器的工作电流在额定范围内，否则，加载到放大器上的电流不受控制，引起电流过大。为此，本实施例中还包括过流保护电路，所述过流保护电路连接前级放大器和末级放大器。过流保护电路采集放大器端的电流，当电流过大时，及时切断电源，确保在误操作或因大电流故障情况下及时关断漏极电压，保护放大器不损坏，关断相应时间为微秒量级。过流保护电路的过流点设置要根据各放大器的最大耗散功率并结合散热条件设置，并在过流采样处设置延时电路，防止开机瞬间的冲击电流导致故障误报。

过流保护主要作用是当组件中的任何一个放大器模块出现电流异常时，即当出现短路或者过工作比造成工作电流过大，电路及时关断模块供电，其基本原理如图7所示。电流检测放大器和电流检测电阻构成适时监测电流的电路，当电路中电流超过危险范围时，通过比较放大电路，将场效应管开关关断，切断电路供电电压。

进一步的，还包括散热系统1，所述散热系统1包括八个风机和六个冷板散热片，能够及时散发固态放大器组件中近310瓦的热量，并保证功率放大器在+65℃高温条件下稳定工作。

在固态放大器组件的电路板上，其正面图如图3所示，其背面图如图4所示，在结构布局方面，采用模块化的设计，在减小重量和体积的同时，有利于成批生产和随机备份，末级放大器2和功率分配器3设置在电路板的正面，六个末级放大器分别设置在电路板中间，从上到下依次排列，散热系统1中八个风机分别设置电路板的四角，每各角落叠加设置两个风机，六个冷板散热片分别设置在末级放大器电路板的背面。

本实用新型采用固态放大器有源阵列形式能够适应宽温度范围（-40～+65℃）、强振动等恶劣工作环境下正常工作。此固态放大器组件工作脉宽为0.1us～250us、单口输出脉冲功率大于100瓦、最大工作比12%，具有良好的线性度。在整个电路上设有负压保护电路、温度补偿电路和过流保护电路，提高了可靠性，降低了系统的功耗，提高系统安全性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，包括前级放大器、功率分配器、六个末级放大器和电源模块；

所述前级放大器的输入端用于连接输入的射频信号，前级放大器的输出端连接功率分配器，所述功率分配器设置有六路输出端，分别与六个末级放大器连接，每个末级放大器设置有六路输出端用于输出射频信号，所述电源模块用于提供工作电压分别输出至前级放大器、功率分配器和末级放大器；

所述末级放大器包括放大器单元、分别与放大器单元连接的储能电容组和末级功放馈电单元，所述放大器单元包括X波段30瓦放大器、若干个X波段100瓦放大器、配相二路功分器和配相三路功分器，X波段30瓦放大器的输出端连接第一X波段100瓦放大器，第一X波段100瓦放大器的输出端连接配相二路功分器的输入端，配相二路功分器的两路输出端分别连接第二X波段100瓦放大器，每路第二X波段100瓦放大器的输出端分别连接配相三路功分器的输入端，每个配相三路功分器的三路输出端分别连接第三X波段100瓦放大器，六路第三X波段100瓦放大器的输出端连接有隔离器。

2.根据权利要求1所述的9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，前级放大器的输出功率大于100瓦，末级放大器的每个输出端口输出功率大于100瓦。

3.根据权利要求1所述的9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，所述电源模块中包括变换电源单元和时序控制单元，所述变换电源单元的输出端连接前级放大器、功率分配器和末级放大器，用于提供工作正压和负压，所述时序控制单元连接变换电源单元，控制变换电源单元提供正压和负压的时序。

4.根据权利要求3所述的9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，所述电源模块还包括负压保护电路，负压保护电路包括三极管Q2、场效应管Q1、延时电阻R1、R2、R2和延时电容C1，电源模块的输出端一路通过栅极偏置电路连接氮化镓功率管的栅极VG，另一路通过稳压二极管D1连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的基极串联电阻R1后接地；三极管Q2的集电极串联电阻R3后连接场效应管Q1的栅极，在场效应管Q1的栅极和源极之间并联有电阻R2和电容C1，场效应管Q1的漏极通过漏极偏置电路连接氮化镓功率管的漏极VD。

5.根据权利要求4所述的9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，所述电源模块还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括运放器LM158，运放器LM158的正电源端连接连接参考电压Vref，负电源端连接电源模块的输出端，反相输入端接地，正向输入端与输出端之间先并联热敏电阻R3和电阻R2后串联可调电阻Rpot，电阻R2一端串联电阻R1后连接至参考电压Vref，运放器LM158的输出端串联电阻Rg之后连接至氮化镓功率管的栅极VG。

6.根据权利要求1所述的9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，电源模块中还包括过流保护电路，所述过流保护电路包括电流检测放大器和电流检测电阻构成监测电流的电路。

7.根据权利要求1所述的9~10GHz大功率固态放大器组件，其特征是，还包括散热系统，所述散热系统包括八个风机和六个冷板散热片。