一种L波段功放模块的制作方法

一种l波段功放模块
技术领域
1.本实用新型涉及信号通信技术领域，特别涉及一种l波段功放模块。


背景技术：

2.随着射频领域的高速发展，目前对射频模块的要求越来越高，不仅要体积小，还要满足信号传输的各种要求，功放模块作为一种射频模块中的重要设备，将输入的l波段射频信号放大到指定的功率，但是现有的功放模块功耗高，幅频和功放特性指标差，且功放信号不稳定，信号杂质较多，难以满足系统对功放信号指标的高标准要求。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
4.为此，本实用新型的一个目的在于提出一种l波段功放模块，包括电源单元和功放链路，电源单元与功放链路连接，功放链路包括π型衰减器、低通滤波器、第一温补衰减器、第一低噪声放大器、混频器、频率综合器、晶振、介质滤波器、第二低噪声放大器、第二温补衰减器、隔离器、第一功率放大器、第二功率放大器、定向耦合器、rms检波器、环形器和双工器；π型衰减器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与第一温补衰减器输入端连接，第一温补衰减器输出端与第一低噪声放大器输入端连接，第一低噪声放大器输出端与混频器输入端连接，混频器输出端与介质滤波器输入端连接，介质滤波器输出端与第二低噪声放大器输入端连接，第二低噪声放大器输出端与第二温补衰减器输入端连接，第二温补衰减器输出端与隔离器输入端连接，隔离器输出端与第一功率放大器输入端连接，第一功率放大器输出端与第二功率放大器输入端连接，第二功率放大器输出端与定向耦合器输入端连接，定向耦合器输出端分别与环形器输入端和rms检波器输入端连接，环形器输出端与双工器输入端连，双工器与天线连接，晶振与频率综合器输入端连接，频率综合器输出端与混频器输入端连接。
5.优选的是，还包括过流保护电路，过流保护电路与电源单元连接，过流保护电路包括第一电容、第二电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻；第一电容与第一电阻并联，其并联的一端与第一运算放大器输出端和第一二极管负极连接，其并联的另一端与第一运算放大器的反向输入端、第二电阻的一端和第三电阻的一端连接，第一二极管的正极与第二二极管的正极连接，第一运算放大器的同向输入端与第四电阻的一端和第二电容的一端连接，第四电阻的另一端和第五电阻的一端接地，第五电阻的另一端与第一二电容的另一端、第二电阻的另一端和第三电阻的另一端连接。
6.在上述任一方案中优选的是，还包括欠压保护电路，欠压保护电路与电源单元连接，欠压保护电路包括第三二极管、第四二极管、第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻；第二运算放大器输出端与第四二极管正极连接，第二运算放大器同向输入端与第九电阻的一端和第三二极管的负极连接，第二运算放大器反向输入端与第六电阻
一端和第八电阻一端连接，第八电阻另一端与第七电阻一端连接，第六电阻另一端与第三二极管正极连接。
7.在上述任一方案中优选的是，还包括emi滤波器，emi滤波器与电源单元连接，emi滤波器以防止电源单元之间的信号串扰。
8.与现有技术相比，本实用新型所具有的优点和有益效果为：
9.1、本实用新型l波段功放模块可实现输出至少10w的l波段射频信号，功耗低，幅频特性好；通过调整末级功率管即第二功率放大器，可将功放提高至20-35w输出范围，满足特定收发设备使用。
10.2、本实用新型可实现l波段10w功放输出，满足收发信机对于功放的需求；通过模块化、归一化的方案设计，通过更换末级功率管即第二功率放大器可以实现10w，20w等功放模块的复用，同时可实现多种检测及控制功能。
11.3、本实用新型通过模块化、归一化的方案设计，实现了一种l波段功放模块，电路中加入多种保护电路及电源模块，使得功放特性优良，性能稳定，信号抗干扰能力强，整体模块具有优良信号特性，满收发设备对l波段射频信号指标的要求。
附图说明
12.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
13.图1为根据本实用新型实施例的一种l波段功放模块中功放链路结构图。
14.图2为根据本实用新型实施例的一种l波段功放模块中过流保护电路原理图。
15.图3为根据本实用新型实施例的一种l波段功放模块中欠压保护电路原理图。
16.其中：1-π型衰减器；2-低通滤波器；3-第一温补衰减器；4-第一低噪声放大器；5-混频器；6-频率综合器；7-晶振；8-介质滤波器；9-第二低噪声放大器；10-第二温补衰减器；11-隔离器；12-第一功率放大器；13-第二功率放大器；14-定向耦合器；15-rms检波器；16-环形器；17-双工器。
具体实施方式
17.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
18.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
19.如图1所示，按照本实用新型实施例的一种l波段功放模块，包括电源单元和功放链路，电源单元与功放链路连接，功放链路包括π型衰减器1、低通滤波器2、第一温补衰减器3、第一低噪声放大器4、混频器5、频率综合器6、晶振7、介质滤波器8、第二低噪声放大器9、
第二温补衰减器10、隔离器11、第一功率放大器12、第二功率放大器13、定向耦合器14、rms检波器15、环形器16和双工器17；π型衰减器1输出端与低通滤波器2输入端连接，低通滤波器2输出端与第一温补衰减器3输入端连接，第一温补衰减器3输出端与第一低噪声放大器4输入端连接，第一低噪声放大器4输出端与混频器5输入端连接，混频器5输出端与介质滤波器8输入端连接，介质滤波器8输出端与第二低噪声放大器9输入端连接，第二低噪声放大器9输出端与第二温补衰减器10输入端连接，第二温补衰减器10输出端与隔离器11输入端连接，隔离器11输出端与第一功率放大器12输入端连接，第一功率放大器12输出端与第二功率放大器13输入端连接，第二功率放大器13输出端与定向耦合器14输入端连接，定向耦合器14输出端分别与环形器16输入端和rms检波器15输入端连接，环形器16输出端与双工器17输入端连，双工器17与天线连接，晶振7与频率综合器6输入端连接，频率综合器6输出端与混频器5输入端连接。
20.本实用新型实施例的一种l波段功放模块可实现输出至少10w的l波段射频信号，功耗低，幅频特性好；通过调整末级功率管，可将功放提高至20-35w输出范围，满足特定收发设备使用。
21.具体的，如图2所示，还包括过流保护电路，过流保护电路与电源单元连接，过流保护电路包括第一电容c1、第二电容c2、第一运算放大器u1、第二运算放大器u3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5；第一电容c1与第一电阻r1并联，其并联的一端与第一运算放大器u1输出端和第一二极管d1负极连接，其并联的另一端与第一运算放大器u1的反向输入端、第二电阻r2的一端和第三电阻r3的一端连接，第一二极管d1的正极与第二二极管d2的正极连接，第一运算放大器u1的同向输入端与第四电阻r4的一端和第二电容c2的一端连接，第四电阻r4的另一端和第五电阻r5的一端接地，第五电阻r5的另一端与第一二电容的另一端、第二电阻r2的另一端和第三电阻r3的另一端连接。过流保护电路防止电源单元的电流过大对功放链路各部分的元器件造成损坏；过流保护通过取样电阻检测母线电流的变化，调整比较电路基准点设定过流保护点，当母线电流大于设定值时，输出关机信号至电源模块控制端，电源停止工作。
22.具体的，如图3所示，还包括欠压保护电路，欠压保护电路与电源单元连接，欠压保护电路包括第三二极管d3、第四二极管d4、第二运算放大器u3、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9；第二运算放大器u3输出端与第四二极管d4正极连接，第二运算放大器u3同向输入端与第九电阻r9的一端和第三二极管d3的负极连接，第二运算放大器u3反向输入端与第六电阻r6一端和第八电阻r8一端连接，第八电阻r8另一端与第七电阻r7一端连接，第六电阻r6另一端与第三二极管d3正极连接；欠压保护电路防止电源的供电电压不足而对功放链路的元器件供压不足而影响信号的稳定性；电源单元通过3r031加到稳压管3v009上，使3n001a同相端电位在，母线电压经过3r004、3r003、3r002*分压后加到反相端，当母线电压低于设定值时，同相端电位将高于反相端，输出高电平控制关断电路，使电源停止工作。
23.本实用新型实施例的一种l波段功放模块实现l波段至少10w功放信号输出，具备输出电平检测，工作/静默控制，大小功率切换，故障检测等功能；主要技术指标：
24.(1)中频频率：140mhz。
25.(2)中频信号电平：(-10
±
2)dbm。
26.(3)发射功率：≥10w。
27.(4)三阶交调：≥25dbc；输出频率差5mhz，单音信号功率37dbm，主信号与最高的三阶交调量相比较。
28.(5)发射射频信号谐杂波抑制：
29.带内杂散抑制：≥60dbc。
30.带外杂波及谐波抑制：≥80dbc。
31.(6)检波动态：≥30db。
32.(7)响应时间：≤1μs。
33.(8)检波温度波动：≤0.5db。
34.(9)检波输出电压范围：0v～4v。
35.(10)检波类型：rms检波。
36.(11)输入输出驻波比：≤1.8:1。
37.(12)收发隔离：≥75db。
38.(13)供电： 18v～ 28v dc。
39.本实用新型实施例的一种l波段功放模块输入频率为载有调制信息的140mhz中频信号，后经功放链路输出10w的载波信号给天线单元；由于发射通道三阶交调指标要求两个单音间隔5mhz且同时均为37dbm时，主音比三阶交调分量大于25dbc，因此功放链路中的各级放大器要设计工作在线性状态，并有一定的回退量，以避免功放饱和影响三阶交调指标；第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一功率放大器和第二功率放大器采用成熟的电路拓布结构和模块化工艺设计，以减小体积，提高可维护性。
40.为了保证射频链高低温下的增益变化不会对输出功率的线性度产生影响，功放链路引入增益的温度补偿部分即第一温补衰减器和第二温补衰减器；为实现大小功率控制，设计通过关断末级功放来实现；由于功率管工作时要求先加栅压，后加漏压，在电源部分还加入了负控正电路，防止功率管在栅压没有加上的情况下漏压先加上而烧毁功率管，设有功率、温度、输出反射等状态检测电路和功放开关控制电路。
41.功放链路技术指标分配如表1所示：
42.[0043][0044]
表1
[0045]
功率放大主要作用是提供整机所要求的输出功率，是发射通道中至关重要的，也是较难处理的，因此大功率管放大的馈电电路和阻抗匹配电路设计很重要，需对电路结构合理布局，应用ads等仿真软件，对电路进行优化设计，同时合理选择功率器件，充分考虑输出功率、增益和功耗，使器件的性能充分利用，并实现整体功率放大指标；对第二功率放大器输出端耦合一路小信号输出到rms检波器中进行检波，以提供整机功率监测信号。
[0046]
第一功率放大器选用1w的砷化镓器件(简称gaas)，正常工作输出0.5w左右功率。该级放大器设计增益36db，输出0.5w时效率为30％，静态工作点为5v/0.3a。第二功率放大器完成功率放大，选择增益合适、线性好、效率高的功率器件来保证设计指标。第二功率放大器采用氮化镓器件，为保证整机线性指标要求，选择采用输出能力为20w的功率器件，使整机工作输出40dbm时，第二功率放大器工作在线性状态，以满足整机线性指标要求。
[0047]
第二功率放大器采用氮化镓器件(简称gan)，属于三代半导体器件；gan宽禁带器件具有高击穿、低截止漏电流的特点，这样可以降低功耗，提高效率；而且高温工作下，可不用或少用散热设施，避免形成局部过热，达到减少体积的目的；gan宽禁带器件固态功率放大器相对传统的硅或gaas器件固态功率放大器具有很大的优势；由于gan的禁带宽度比硅或gaas宽3倍，可实现高温工作和低噪声；si或gaas器件沟道温度一般均低于200℃，而gan器件禁带宽度宽，少数载流子对温度不大敏感，材料本身有耐受高温的优势，可实现300－600℃的高温工作，从而可不用或少用冷却系统；可快速散热，可不用或少用散热设施，对于本项目来说由于体积小重量轻，散热条件不良，十分合适。
[0048]
由于功放链路的增益较高，在结构上进行仔细设计；每个单元电路要单独隔开，防止微波信号反射；电源滤波要考虑到高中低不同的频率，防止微波信号通过电源串扰从而引起自激。
[0049]
最后为使第二功率放大器与外部电路匹配良好，在放大链路的输出端加有环形器，改善驻波。
[0050]
为满足整机输出取样要求，发射链路输出端设计有rms检波器，检波器响应时间为0.5us，动态范围40db，检波温度波动≤0.5db，输出电平范围0～3.3v。
[0051]
通过以上功率放大设计，第一功率放大器和第二功率放大器均为线性工作，且整个发射通道除了第二功率放大器工作在饱和功率回退2db状态，其它各级放大器均工作在10db以上回退状态，这样设计可保证链路在传输峰均比大于10db的ofdm信号时，前面各级均处于不压缩状态，只有末级进入压缩状态，以保证功放的evm恶化值。
[0052]
整机功放线性输出大于40dbm，由于gan器件线性较好，其饱和输出时交调在25dbc左右，因此，根据以往经验本项目三阶交调应在25dbc以上，可满足三阶交调≥25dbc的指标，且由于选用输出功率较大的器件，在满足整机输出功率要求的情况下功率放大单元器件进行降额使用，提高了可靠性。
[0053]
发射杂波抑制：发射采用一次上变频的工作方式，产生的杂散频率主要包括本振频率、本振与中频高次谐波的组合频率及中频的高次谐波频率；进入射频通道的杂散只有本振本身的杂散频率和本振的谐波频率，本振源的杂散可以达到-65dbc左右，满足带内杂散抑制≥60dbc的要求，本振源的输出设计有滤波器，可对本振源输出频率的杂散及谐波进行抑制；发射通道设计有两级组合滤波器，即低通滤波器和介质滤波器来滤除发射通道的带外杂波，并对二次谐波抑制在75db以上，因此发射通道带外杂波及谐波抑制可满足≥80dbc要求。
[0054]
具体的，第一低噪声放大器技术指标：gain＞18db，p-1＞12.5dbm，5v/35ma；频率综合器技术指标：频率步进100khz，相位噪声：＜-95dbc/hz@1khz，杂散抑制＞60dbc，谐波抑制＞20dbc，po＞5dbm，5v/150a；混频器技术指标：p-1rfin＝12dbm，lo＝13dbm，变频损耗＜10db，iso l-i＞40db，iso l-r＞50db；晶振为100mhz恒温晶振；第二低噪声放大器技术指标：gain＞15db，p-1＞18dbm，5v/60ma；隔离器技术指标：il≤0.5db，第一功率放大器技术指标：gaas＞17db，psat＞30dbm，饱和效率＞65％，输出35dbm左右功率时对应效率＞30％；第二功率放大器技术指标：功率增益＞15db，psat＞40w，饱和效率＞70％，输出40dbm左右功率时对应效率＞50％；环形器技术指标：il≤0.2db。
[0055]
具体的，电源单元14～28v直流输入电压经过电压变换后输出各单元所需的工作电压，提供通道和本振有源器件使用。同时电源处理单元还包括温度过高时或是本振失锁状态下切断功放电源的控制电路、发射大/小功率切换控制电路、功率监测电路、温度监测电路等；根据本项目的特点，进行低功耗设计，电源单元处理上需选用高效的低纹波的dc-dc变换模块；选用的dc-dc变换模块的指标如下：
[0056]
(1)28v dc-dc变换模块。
[0057]
(2)输入电压要求：14～28v。
[0058]
(3)输出电压：28v。
[0059]
(4)电压调整范围： 10％，-20％。
[0060]
(5)最大输出电流：10a。
[0061]
(6)电压纹波：≤100mv。
[0062]
5v dc-dc变换模块。
[0063]
(1)输入电压要求：14～28v。
[0064]
(2)输出电压：5v。
[0065]
(3)电压调整范围： 10％，-20％。
[0066]
(4)最大输出电流：10a。
[0067]
(5)电压纹波：≤50mv。
[0068]
所有电源模块均选用较大的输入电压范围，可保证emc相关试验的电强度要求。
[0069]
具体的，还包emi滤波器，emi滤波器与电源单元连接，收发信机发射通道工作在大功率状态，且设备内供电路数较多，因此供电电路的电磁环境较为复杂，为保证对外电路产生电磁干扰问题，均配置独立的emi滤波器，插入emi滤波器后首先可以有效的防止电源单元之间的信号串扰，同时衰减了开关电源产生的脉动信号，防止在电源母线上产生较强的传导干扰信号。
[0070]
本实用新型实施例的一种l波段功放模块，工作原理如下：中频信号由π型衰减器输入端进入，经过低通滤波器滤波，再经过第一温补衰减器和第一低噪声放大器，进入到混频器与频率综合器进行混频，混频后的信号输出到截止滤波器中进行滤波，滤波后信号再进入到第二低噪声放大器放大后经过第二温补衰减器和隔离器，再一次通过第一功率放大器和第二功率放大器放大后进入定向耦合器中，输出到环形器，再经过双工器后由天线发出实现l波段至少10w功放信号输出。
[0071]
实用新型通过模块化、归一化的方案设计，电路中加入保护电路及电源单元，使得功放特性优良，信号稳定，抗干扰能力强，功耗低，幅频特性好；通过调整末级功率管即第二功率放大器，可将功放提高至20-35w输出范围，满足特定收发设备使用。
[0072]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0073]
本领域技术人员不难理解，本实用新型包括上述说明书的实用新型内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
[0074]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。