一种V频段400W固态功率合成放大器的制作方法

一种v频段400w固态功率合成放大器
技术领域
1.本发明涉及卫星通信射频发射领域，特别是指一种v频段400w固态功率合成放大器，特别适用于高低轨卫星通信微波信道的功率放大设备。


背景技术：

2.近年来随着卫星通信系统的快速发展,尤其是卫星互联网的发展需求越发迫切，对于高频率、高效率、宽频带大功率固态功放的需求与日俱增。然而,单个固态器件在微波毫米波频段输出的功率有限,不能满足系统的需求，为了获得更大的输出功率，常常需要采用功率合成的方法将多个功率器件集中在一个功率合成放大器中。另一方面，出于经济和可靠性等方面的考虑，通常采用较小的功率源进行合成而不直接采用一个大的功率源，除了能够产生较高的功率外，功率合成技术还能在一个或几个源失效的情况下保证系统继续工作而不会完全失效，只是系统性能下降。
3.目前，应用最多的功率合成技术是电路合成和空间功率合成，在v频段电路合成由于传输损耗以及电路结构随器件数量增加成非线性增长，其合成路数受到限制，不能满足v频段固态功率放大器的要求，而空间功率合成最大的优点是合成效率基本与固态器件数量无关，更适合多器件的大功率输出。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种v频段400w固态功率合成放大器。本发明采用空间功率合成技术，在v频段将64路功率芯片进行合成，具有合成效率高的特点，能够满足卫星通信地面站的功率放大需求。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.一种v频段400w固态功率合成放大器，包括输入隔离器(101)、衰减控制器(102)、驱动放大器(103)、波导耦合器(113)、检波器(114)、电源模块(115)、监控单元(116)和风机(117)，还包括第一波导隔离器(104)、推动级放大器(105)、魔t分路器(106)、第二波导隔离器(107)、第三波导隔离器(108)、第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、魔t合路器(111)、波导滤波器(112)；
7.输入隔离器(101)通过v频段入端口(a)接收外部输入的v频段输入小信号，对v频段以外的信号进行正向导通，反向隔离衰减，减少反射信号的干扰影响，然后将输入隔离后的v频段信号传送给衰减控制器(102)；
8.衰减控制器(102)根据监控单元(116)传来的信号，通过内部的数控衰减器和压控衰减器对信号进行增益调节，将调节后的信号传给驱动放大器(103)；
9.驱动放大器(103)对信号进行初步线性失真的放大，用以提供射频功率级信号幅度并驱动后级放大器，驱动放大器(103)放大后的信号传给第一波导隔离器(104)；
10.第一波导隔离器(104)用以改善级间驻波反射，优化级间信号传输特性，然后将处理后的信号传给推动级放大器(105)；
11.推动级放大器(105)用以进一步放大信号幅度，提升推动功率，同时优化信号传输曲线，提高信号线性度，然后将处理后的信号传给魔t分路器(106)；此外，推动级放大器(105)还将检测到的温度和电流信号上报给监控单元(116)；
12.魔t分路器(106)将信号分为两路，分别进入第二波导隔离器(107)和第三波导隔离器(108)；第二波导隔离器(107)输出的信号进入第一末级固态功放(109)，第三波导隔离器(108)输出的信号进入第二末级固态功放(110)，第一末级固态功放(109)和第二末级固态功放(110)分别对输入信号进行末级功率放大，将输出功率达提升至百瓦级，并将检测到的温度和电流上报给监控单元(116)；
13.两路末级功率放大后的信号再经过魔t合路器(111)进行功率合成，合成后的信号进入波导滤波器(112)；
14.波导滤波器(112)用以滤除其他频段信号的干扰，并将处理后的信号传给波导耦合器(113)；
15.波导耦合器(113)一方面将主信号传输给波导输出端口(b)，另一方面将耦合的小信号传给检波器(114)；
16.检波器(114)将检测到的射频信号转换为直流信号并传给给监控单元(116)；
17.监控单元(116)将检波器(114)传来的直流信号处理成输出功率显示值，输出给外部监控端口(c)；此外，监控单元(116)还通过外部监控端口(c)接收外部输入的控制信号，用于查询设备的电流、温度、风速状态，控制设备主路信号的通断，或者控制主路信号的增益大小；
18.电源模块(115)与外部220v交流电源端口(d)连接，并通过v+和v-电压端为整机供电。
19.进一步地，输入隔离器(101)1脚与v频段入端口(a)连接，输入隔离器(101)2脚与衰减控制器(102)1脚连接；衰减控制器(102)2脚与驱动放大器(103)1脚连接，衰减控制器(102)3脚与监控单元(116)2脚连接；驱动放大器(103)2脚与第一波导隔离器(104)1脚连接；第一波导隔离器(104)2脚与推动级放大器(105)1脚连接；推动级放大器(105)2脚与魔t分路器(106)1脚连接，推动级放大器(105)3脚与监控单元(116)3脚连接；魔t分路器(106)2脚与第二波导隔离器(107)1脚连接，魔t分路器(106)3脚与第三波导隔离器(108)1脚连接；第二波导隔离器(107)2脚与第一末级固态功放(109)1脚连接，第一末级固态功放(109)2脚与魔t合路器(111)1脚连接，第一末级固态功放(109)3脚与监控单元(116)6脚连接；第三波导隔离器(108)2脚与第二末级固态功放(110)1脚连接，第二末级固态功放(110)2脚与魔t合路器(111)3脚连接，第二末级固态功放(110)3脚与监控单元(116)5脚连接；魔t合路器(111)2脚连接与波导滤波器(112)5脚连接；波导滤波器(112)2脚与波导耦合器(113)1脚连接；波导耦合器(113)2脚与波导输出端口(b)连接，波导耦合器(113)3脚与检波器(114)1脚连接；检波器(114)2脚与监控单元(116)7脚连接；监控单元(116)1脚与电源模块(115)1脚连接，监控单元(116)4脚与风机(117)2脚连接，监控单元(116)8脚与外部监控端口(c)连接；电源模块(115)2脚与外部220v交流电源端口(d)连接，电源模块(115)的3脚为v+电压端，4脚为v-电压端。
20.进一步地，第一末级固态功放(109)和第二末级固态功放(110)的结构相同，包括魔t分路器a(201)、负载a(202)、魔t分路器b(203)、负载b(204)、魔t分路器c(205)、负载c
(206)、功放小模块a(207)、功放小模块b(208)、功放小模块c(209)、功放小模块d(210)、魔t合路器d(212)、负载d(211)、魔t合路器e(214)、负载e(212)、魔t合路器f(216)、负载f(215)；魔t分路器a(201)的输入端为整个末级固态功放的输入端，魔t合路器f(216)的输出端为整个末级固态功放的输出端；
21.魔t分路器a(201)将输入信号分成两路等幅信号，分别送至魔t分路器b(203)和魔t分路器c(205)再做等幅分配，得到的四路信号分别送给功放小模块a(207)、功放小模块b(208)、功放小模块c(209)、功放小模块d(210)进行功率放大，功放小模块a(207)、功放小模块b(208)输出的信号通过魔t合路器d(212)进行合成，功放小模块c(209)、功放小模块d(210)输出的信号通过魔t合路器e(214)进行合成，魔t合路器d(212)和魔t合路器e(214)输出的信号再通过魔t合路器f(216)进行合成并输出；魔t分路器a(201)、魔t分路器b(203)、魔t分路器c(205)、魔t合路器d(212)、魔t合路器e(214)、魔t合路器f(216)分别与负载a(202)、负载b(204)、负载c(206)、负载d(211)、负载e(213)、负载f(215)一一对应连接，负载用于平衡相应魔t分路器/魔t合路器处两个分路的幅相，改善幅相一致性。
22.进一步地，所述的功放小模块a(207)、功放小模块b(208)、功放小模块c(209)、功放小模块d(210)结构相同，包括7个魔t分路器、7个魔t合路器、14个负载和8个固态功放芯片，7个魔t分路器构成三级一分二级联结构，将功放小模块的输入信号分成8路等幅信号，每路等幅信号通过一个固态功放芯片,固态功放芯片对输入的v频段信号进行功率放大，功率放大后的信号再经过由7个魔t合路器所构成的三级二合一级联结构合成为一路信号并输出；每一魔t分路器和每一魔t合路器均连接一个负载，用于平衡两个分路的幅相，改善幅相一致性；固态功放芯片通过电源模块(115)供电，其栅极通过两个串联电阻与电源模块(115)的v-电压端连接，两个串联电阻用于实现栅极的偏置调节，第一路等幅信号对应固态功放芯片的栅极还串联有两个彼此并联的旁路滤波电容。
23.进一步地，监控单元(116)用于实现如下功能：
24.监控单元(116)根据第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、推动放大器(105)传来的温度信号对风机(117)进行控制；
25.监控单元(116)根据第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、推动放大器(105)传来的电流信息，实现电流检测的功能；
26.监控单元(116)根据外部监控端口(c)下发的指令对衰减控制器(102)的增益进行调节；
27.监控单元(116)根据事先设置的温度、电流、功率输出的上限值，对检波器(114)、第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、推动放大器(105)的上报数据进行监测，若有上报数据超出相应上限值，则下发指令到电源模块(115)，令电源模块(115)关断输出电压，实现保护功能。
28.本发明与背景技术相比有以下优点：
29.1、本发明采用魔t功分器级联结合的方式实现功率分配，同样地，采用魔t合路器级联结合的方式实现功率合成，在v频段内具有低损耗、相位一致性好、输出端口间隔离度高的优点，提高了合成效率。本发明在各级放大器级联结合方式中，采用v频段波导隔离器改善级间匹配，优化本装置传输非线性，提高本装置线性度。
30.2、本发明的功放小模块采用基于波导到石英探针过渡的空间功率合成结构，使用
宽带行波天线来改进系统在波传播方向的性能，每一个托盘都包含了波导到石英单探针转换结构，它采用石英单探针作为收发天线，而石英单探针过渡经过系统的优化设计后，能够保证良好的宽带性能和良好的系统输入输出端的隔离度，这些石英单探针把电磁波从波导内耦合到第一至第八固态功率单片(315至322)的输入端，经过芯片放大后再把功率通过石英单探针和波导输出。该功放小模块的突出优点是通过天线辐射的方式是在完成波导-微带过渡的同时实现了三级魔t分路器(共八路)功率分配,使该功率合成放大器在很小的空间内实现了八路放大，且合成效率与固态器件数量无关；采用氮化镓场效应管，具有较高的放大输出功率，增大了功率合成放大器的输出能力，这些都有利于有限体积内，减小功率合成放大器模块的体积和重量，同时提升固态功率放大器的最大输出功率能力。
31.3、本发明末级固态功放1-109,将功放小模块作为一个基础单元，可以将多个该模块进行统一测试，将测试结果进行排序，挑选相位、幅度一致性较优的功放小模块进行组合，这样可以大大提高合成的功率及效率，实现v频段400w固态功率合成放大。此外，模块化、统一化的设计方式，便于形成系列化产品。
32.4、本发明结构简单、各模块布局清晰明确、可维护性高、性能可靠，能够在恶劣环境(-40℃～55℃)下正常工作，还具有频率高、重量轻、体积小、性能稳定可靠等特点，性价比高，具有推广应用价值。
附图说明
33.图1是本发明实施例中v频段400w固态功率合成放大器的电原理方框图。
34.图2是本发明实施例中末级固态功放1的电原理方框图。
35.图3是本发明实施例中功放小模块的电原理方框图。
具体实施方式
36.一种v频段400w固态功率合成放大器，包括输入隔离器、衰减控制器、驱动放大器、波导隔离器、推动级放大器、魔t分路器、末级固态功放、魔t合路器、波导滤波器、波导耦合器、检波器、监控单元、电源模块和风机，输入隔离器入端1脚与外部v频段入端口a连接，输入隔离器入端2脚与衰减控制器1脚连接；衰减控制器2脚与驱动放大器入端1脚连接，衰减控制器出入端3脚与监控单元出入端2脚连接；驱动放大器出端2脚与波导隔离器1入端1脚连接；波导隔离器1出端2脚与推动级放大器入端1脚连接；推动级放大器出端2脚与魔t分路器1脚入端1脚连接，推动级放大器出端3脚与监控单元入端3脚连接；魔t分路器出端2脚与波导隔离器2入端1脚连接，魔t分路器出端3脚与波导隔离器3入端1脚连接；波导隔离器2出端2脚与末级固态功放1入端1脚连接，末级固态功放1出端2脚与魔t合路器入端1脚连接，末级固态功放1出端3脚与监控单元入端6脚连接；波导隔离器3出端2脚与末级固态功放2入端1脚连接，末级固态功放2出端2脚与魔t合路器入端3脚连接，末级固态功放2出端3脚与监控单元入端5脚连接；魔t合路器出端2脚连接与波导滤波器入端5脚连接；波导滤波器出端2脚与波导耦合器入端1脚连接；波导耦合器出端2脚与功放输出端口b连接，波导耦合器出端3脚与检波器入端1脚连接；检波器出端2脚与监控单元入端7脚连接；监控单元出入端1与电源模块出入端1脚连接，监控单元出入端4脚与风机出入端2脚连接，监控单元出入端8脚与功放监控端口c连接；电源模块入端2脚与外部220v交流电源端口d连接，电源模块出端3脚v
+、出端4脚v-电压端与各部件相应电源端并联连接。
37.v频段输入小信号通过外部v频段入端口a进入输入隔离器入端1脚，输入隔离器对v频段以外的信号进行正向导通，反向隔离衰减，减少反射信号的干扰影响，经过输入隔离后v频段信号进入输入隔离器出端2脚连接衰减控制器入端1脚；衰减控制器内数控衰减器和压控衰减器通过监控单元实现对整个链路的增益调节和控制功能，经过增益调整以后的信号进入驱动放大器；驱动放大器对信号进行初步线性失真的放大，用以提供射频功率级信号幅度并驱动后级放大器，经过驱动放大器放大的信号进入波导隔离器1；波导隔离器1用以改善级间驻波反射，优化级间信号传输特性；经过波导隔离器1后信号进入推动级放大器用以进一步放大信号幅度，提升推动功率，同时可以优化改变信号传输曲线，提高信号线性度；推动级放大器输出到魔t分路器，将信号分为两路，分别进入波导隔离器2和波导隔离器3，这样可以平衡两路输出，改善两路信号的幅相一致性；两路信号分别从波导隔离器2和波导隔离器3输出后经过末级固态功放1和末级固态功放2，分别进行末级功率放大，用以使输出功率达到百瓦级，并将检测到的温度和电流上报给监控单元；两路末级放大后的信号再经过魔t合路器，用以输出功率合成，同样地，可以平衡两路输出，改善两路信号的幅相一致性；经过魔t合路器合成后进入波导滤波器器，用以滤除其他频段信号的干扰；经过波导滤波器进入波导耦合器，波导耦合器的出端口2脚将主信号传输给外部波导口b，波导耦合器通过出端口3脚将耦合的小信号输入检波器，检波器将检测到的射频信号转换为直流信号输入给监控单元，监控单元将检波器输入的直流信号处理成输出功率显示值，监控单元同时对固态功放模块的温度、电流、电源模块的控制进行处理，从而实现对整机功放的过温保护、电流检测、功率监测等功能，监控单元出入端8脚与外部端口c通过串口总线连接实现外部对功放的控制，电源模块入端2脚与外部220v交流电源端口d连接实现整机的供电，模块电源出端1脚v+、出端2脚v-电压端给各部件供电。
38.该v频段400w固态功率合成放大器设备，其特征在于：所述的末级固态功放由魔t分路器a、负载a、魔t分路器b、负载b、魔t分路器c、负载c、功放小模块a、功放小模块b、功放小模块c、功放小模块d、魔t合路器d、负载d、魔t合路器e、负载e、魔t合路器f、负载f组成；波导隔离器1出端2脚与魔t分路器a入端1脚连接，魔t分路器a出端2脚、3脚、4脚分别与魔t分路器b入端1脚、负载a入端1脚、魔t分路器c入端1脚对应连接；魔t分路器b出端2脚、3脚、4脚分别与功放小模块a入端1脚、负载b入端1脚、功放小模块b入端1脚连接；魔t分路器c出端2脚、3脚、4脚分别与功放小模块c入端1脚、负载c入端1脚、功放小模块d入端1脚连接；功放小模块a出端2脚、负载d入端1脚、功放小模块b出端2脚分别与魔t合路器d入端4脚、出端3脚、入端2脚；功放小模块c出端2脚、负载e入端1脚、功放小模块d出端2脚分别与魔t合路器e入端4脚、出端3脚、入端2脚；魔t合路器d出端2脚、负载f入端1脚、魔t合路器e出端2脚分别与魔t合路器f入端4脚、出端3脚、入端2脚。
39.末级固态功放1将进一步放大的v频段信号经过魔t分路器a，分成两路等幅信号分别经过魔t分路器b、魔t分路器c等幅分配输入到功放小模块a、功放小模块b、功放小模块c、功放小模块d，信号经过四个功率小模块功率放大后分别通过魔t合路器d、魔t合路器e进行合成输出到魔t合路器f；魔t分路器a、魔t分路器b、魔t分路器c、魔t合路器d、魔t合路器e、魔t合路器f分别一一和负载a、负载b、负载c、负载d、负载e、负载f连接；魔t合路器f将信号进行合成并输出经过波导滤波器传输至波导耦合器。
40.该v频段400w固态功率合成放大器设备，其特征在于：所述的功放小模块a由魔t分路器g、负载g、魔t分路器h、负载h、魔t分路器i、负载i、魔t分路器j、负载j、魔t分路器k、负载k、魔t分路器l、负载l、魔t分路器m、负载m、魔t合路器n、负载n、魔t合路器o、负载o、魔t合路器p、负载p、魔t合路器q、负载q、魔t合路器r、负载r、魔t合路器s、负载s、魔t合路器t、负载t、第一至第八固态功率单片、第一至第十六电阻(r1至r16)、电容c1、电容c2组成；输入端口与魔t分路器g的入端1脚连接，魔t分路器g出端2脚、3脚、4脚分别与魔t分路器h入端1脚、负载g入端1脚、魔t分路器i入端1脚连接；魔t分路器h出端2脚、3脚、4脚分别与魔t分路器j入端1脚、负载h入端1脚、魔t分路器k入端1脚连接；魔t分路器j出端2脚、3脚、4脚分别与功放芯片a入端1脚、负载j入端1脚、功放芯片b入端1脚连接；魔t分路器k出端2脚、3脚、4脚分别与功放芯片c入端1脚、负载k入端1脚、功放芯片d入端1脚连接；魔t分路器i出端2脚、3脚、4脚分别与魔t分路器l入端1脚、负载i入端1脚、魔t分路器m入端1脚连接；魔t分路器l出端2脚、3脚、4脚分别与功放芯片e入端1脚、负载l入端1脚、功放芯片f入端1脚连接；魔t分路器m出端2脚、3脚、4脚分别与功放芯片g入端1脚、负载m入端1脚、功放芯片h入端1脚连接；功放芯片a出端2脚、负载n入端1脚、功放芯片b出端2脚分别与魔t合路器n入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；功放芯片c出端2脚、负载o入端1脚、功放芯片d出端2脚分别与魔t合路器o入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；功放芯片e出端2脚、负载p入端1脚、功放芯片f出端2脚分别与魔t合路器p入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；功放芯片g出端2脚、负载q入端1脚、功放芯片h出端2脚分别与魔t合路器q入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；魔t合路器n出端2脚、负载r入端1脚、魔t合路器o出端2脚分别与魔t合路器r入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；魔t合路器p出端2脚、负载s入端1脚、魔t合路器q出端2脚分别与魔t合路器s入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；魔t合路器r出端2脚、负载t入端1脚、魔t合路器s出端2脚分别与魔t合路器t入端4脚、出端3脚、入端2脚连接；魔t合路器t出端1脚与输出端口连接；第一至第八固态功率单片入端3脚分别与电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16的中间点连接，电阻r1、电阻r3、电阻r5、电阻r7、电阻r9、电阻r11、电阻r13、电阻r15、的另一端与电压v-端连接,电阻r2、电阻r4、电阻r6、电阻r8、电阻r10、电阻r12、电阻r14、电阻r16的另一端与地连接，第一至第八固态功率单片入端4脚与电压v+连接。
41.v频段信号经过魔t分路器g后，信号等幅地分为两份，分别输出到魔t分路器h和魔t分路器i，负载g用以平衡两路输出幅相，改善幅相一致性；信号经过魔t分路器h等幅地分为两路，分别输入到魔t分路器j和魔t分路器k；信号经过魔t分路器j等幅地分为两路，分别输入到功放芯片a和功放芯片b；信号经过魔t分路器k等幅地分为两路，分别输入到功放芯片c和功放芯片d；同样地，信号经过魔t分路器i、魔t分路器l、魔t分路器m等幅分配到功放芯片e、功放芯片f、功放芯片g、功放芯片h；八路固态功率单片(功放芯片a～h)对输入的v频段信号进行功率放大，经过放大的功率信号通过魔t合路器n～魔t合路器t，进行功率合成后输出至魔t合路器t的输出端，第一至第十六电阻(r1至r16)、用于实现对第一至第八固态功率单片栅极的偏置调节，电容c1，电容c2是栅极偏置电压的旁路滤波电容，电压v+分别对第一至第八固态功率单片供电。
42.下面为一个更具体的例子：
43.参照图1至图3，一种v频段400w固态功率合成放大器，包括输入隔离器101、衰减控
制器102、驱动放大器103、波导隔离器1-104、推动级放大器105、魔t分路器106、波导隔离器2-107、波导隔离器3-108、末级固态功放1-109、末级固态功放2-110、魔t合路器111、波导滤波器112、波导耦合器113、检波器114、电源模块115、监控单元116和风机117。图1是本发明的原理方框图，实施例按图1连接线路。
44.其中，输入隔离器101入端1脚通过v频段同轴电缆与外部端口a连接，实现v频段信号输入，输入隔离器101出端2脚通过v频段同轴电缆与衰减控制器102入端1脚连接，实现v频段信号幅度控制功能，衰减控制器102入端3脚通过数据线与监控单元116出入端2脚连接，可根据系统要求实现设备增益的步进调节，监控单元116根据末级固态功放1(图中标号为109)和末级固态功放2(图中标号为110)上报的温度信息进行综合处理，使系统在温度变化时增益波动控制在较小范围内，衰减控制器102的出端2脚通过v频段同轴电缆输出到驱动放大器103入端1脚，驱动放大器103对信号进行初步线性放大，调整信号的幅度至瓦级，驱动放大器103的出端2脚通过v频段波导隔离器1(图中标号为104)输出到推动级放大器105入端1脚，推动级放大器105对信号进行进一步线性放大，推动级放大器105出端2将初步放大的信号传输到魔t分路器106入端1脚，魔t分路器106将信号分为两路等幅信号，分别输入到波导隔离器2(图中标号为107)、波导隔离器3(图中标号为108)，提高各路信号间隔离度及放大器级间隔离度，两路v频段信号分别经过波导隔离器2(图中标号为107)、波导隔离器3(图中标号为108)分别输入到末级固态功放1(图中标号为109)、末级固态功放2(图中标号为110)，经过末级固态功放1(图中标号为109)、末级固态功放2(图中标号为110)进行末级功率级放大后，将其温度和电流通过ds18b20及max4173teut芯片上报给监控单元116，两路v频段功率信号输入到魔t合路器(图中标号为111)入端1脚、3脚进行空间功率合成，信号幅度提升到百瓦级；v频段信号进入波导滤波器112入端1脚，经过高通滤波后减小其他频段信号的干扰，主路功率信号通过波导耦合器106出端2脚传输给外部波导口b；波导耦合器113通过波导内探针耦合的方式通过出端口3脚将耦合的小信号输入检波器114入端1脚，检波器114的出端2脚将检测到的射频信号转换为直流信号输入给监控单元116入端1脚，监控单元116将检波器114输入的直流信号处理成输出功率显示值，监控单元116同时对末级固态功放1(图中标号为109)、末级固态功放2(图中标号为110)上报的温度、电流、进行处理，从而实现对整机功放的过温保护、电流检测、功率监测等功能，监控单元116出入端8脚与外部端口c通过串口总线连接实现外部对功放的控制，波导耦合器113采用市售cp47-53gw-2730制作，检波器114采用市售w55-001c50g25b制作。电源模块115提供各级部件直流工作电压，采用市售型号为sfm3880-220q24c1的开关电源，其输出v+电压为+24伏、输出v-电压为-5伏，电源模块115出入端1脚可接受监控单元116的控制，在非正常情况下关断输出电压，实现自我保护功能,风机117采用市售9wv0848p1h001型结构，电源模块115为其提供+48v供电电压。
45.进一步地，驱动放大器103、推动级放大器105由小信号放大器、驱动放大器组成，实施例采用hmc1144、nc116210c-4651p5、nc116265c-4752p10、ncpa034c-4752p10制作。所述的末级固态功放109由魔t分路器a201、负载a202、魔t分路器b203、负载b204、魔t分路器c205、负载c206、功放小模块a207、功放小模块b208、功放小模块c209、功放小模块d210、魔t合路器d212、负载d211、魔t合路器e214、负载e212、魔t合路器f216、负载f215组成,魔t分路器a201～魔t分路器f216结构完全一致，负载a202～负载f215结构完全一致，采用基于魔t
功率分配合成器的二进制空间合成结构；
46.末级固态功放1(图中标号为109)将进一步放大的v频段信号经过魔t分路器a201，分成两路等幅信号分别经过魔t分路器b203、魔t分路器c205等幅分配输入到功放小模块a207、功放小模块b208、功放小模块c209、功放小模块d210，信号经过四个功率小模块(207～210)功率放大后分别通过魔t合路器d212、魔t合路器e214进行合成输出到魔t合路器f216；魔t分路器a201、魔t分路器b203、魔t分路器c205、魔t合路器d212、魔t合路器e214、魔t合路器f216分别一一和负载a202、负载b204、负载c206、负载d211、负载e213、负载f215连接；魔t合路器f216将信号进行合成并输出到魔t合路器111；同样地，末级固态功放2(图中标号为110)具有与末级固态功放1(图中标号为109)相同的连接结构；功放小模块a-d四个模块结构功能完全相同。
47.功放小模块a207由魔t分路器g301、负载g302、魔t分路器h303、负载h304、魔t分路器i305、负载i306、魔t分路器j307、负载j308、魔t分路器k309、负载k310、魔t分路器l311、负载l312、魔t分路器m313、负载m314、魔t合路器n324、负载n323、魔t合路器o326、负载o325、魔t合路器p328、负载p327、魔t合路器q330、负载q329、魔t合路器r332、负载r331、魔t合路器s334、负载s333、魔t合路器t336、负载t335、第一至第八固态功率单片(图中标号为315～322)、第一至第十六电阻(图中标号为r1至r16)、电容c1、电容c2组成；v频段信号经过魔t分路器g301后，信号等幅地分为两份，分别输出到魔t分路器h303和魔t分路器i305，负载g302用以平衡两路输出幅相，改善幅相一致性；信号经过魔t分路器h303等幅地分为两路，分别输入到魔t分路器j307和魔t分路器k309；信号经过魔t分路器j307等幅地分为两路，分别输入到功放芯片a315和功放芯片b316；信号经过魔t分路器k309等幅地分为两路，分别输入到功放芯片c317和功放芯片d318；同样地，信号经过魔t分路器i305、魔t分路器l311、魔t分路器m313等幅分配到功放芯片e319、功放芯片f320、功放芯片g321、功放芯片h322；八路固态功率单片(功放芯片a～h)对输入的v频段信号进行功率放大，经过放大的功率信号通过魔t合路器n324～魔t合路器n336，进行功率合成后输出至魔t合路器t336的输出端，第一至第十六电阻(图中标号为r1至r16)、用于实现对第一至第八固态功率单片栅极的偏置调节，电容c1，电容c2是栅极偏置电压的旁路滤波电容，电压v+分别对第一至第八固态功率单片供电。实施例和功放盒体一起用黄铜进行加工，表面镀镍金。功率单片(图中标号为319至326)采用相同的电路结构形式，各路放大器的入端3脚分别通过相同的分压电阻获得负压输入，入端4脚均与模块电源115输出+7v电压连接，各路放大器的作用均是提供功率增益，获得单管电路的最大输出功率，实施例每个功率单片各采用一只市售nc116265c-4752p10制作。
48.本发明的简要工作原理如下：v频段400w固态功率合成放大器由输入隔离器101、衰减控制器102、驱动放大器103、波导隔离器1-104、推动级放大器105、魔t分路器106、波导隔离器2-107、波导隔离器3-108、末级固态功放1-109、末级固态功放2-110、魔t合路器111、波导滤波器112、波导耦合器113、检波器114、电源模块115、监控单元116和风机117组成。v频段输入小信号首先进入输入隔离器101再输出至衰减控制器102，通过监控单元116控制实现整机的增益步进调节和对整机增益波动调节。经过增益调整以后的信号进入驱动放大器；驱动放大器对信号进行初步放大，经过驱动放大器放大的信号经过波导隔离器进入推动级放大器，对信号进行进一步放大到十瓦级，信号输出后再经过魔t分路器，将信号等幅
分配为两路，两路信号分别经过波导隔离器和末级固态功放，末级固态功放实现功率合成放大，并将检测到的温度和电流上报给监控单元；经过功率放大的信号经过魔t合路器进一步功率合成，达到所需要的功率输出，进入波导耦合器，波导耦合器的将主信号传输给外部波导口b，波导耦合器将耦合的小信号输入检波器，检波器将检测到的射频信号转换为直流信号输入给监控单元。
49.本发明的安装结构如下：把图1中输入隔离器101、衰减控制器102、驱动放大器103、波导隔离器1-104、推动级放大器105、魔t分路器106、波导隔离器2-107、波导隔离器3-108、末级固态功放1-109、末级固态功放2-110、魔t合路器111、波导滤波器112、波导耦合器113、检波器114、电源模块115、监控单元116和风机117共同安装在一个长
×
宽
×
高为500毫米
×
350毫米
×
190毫米的密闭机箱内，风机117安装在机箱底部散热翅片上，v频段信号在不同部件之间的传输通过同轴射频电缆和v频段波导连接，控制信号通过软导线与监控单元连接，机箱加工采用屏蔽结构，可实现电磁信号的空间隔离，组装成本发明。
50.总之，本发明采用波导内空间64路功率合成技术，基于魔t功率分配合成和石英探针波导过渡结合的空间功率合成方式将八个功率芯片进行合成，构成一个功放小模块，再采用魔t型结构的二进制功率分配/合成网络将四个功放小模块进行合成为末级固态功放，最后采用魔t结构的功率分配/合成网络将信号合成达到400w的功率输出。该功率放大器具有频段高、体积小、重量轻、集成化程度高、性能稳定可靠、易维护、工作温度范围宽的特点，特别适用于卫星通信微波信道的功率放大业务。

技术特征：
1.一种v频段400w固态功率合成放大器，包括输入隔离器(101)、衰减控制器(102)、驱动放大器(103)、波导耦合器(113)、检波器(114)、电源模块(115)、监控单元(116)和风机(117)，其特征在于，还包括第一波导隔离器(104)、推动级放大器(105)、魔t分路器(106)、第二波导隔离器(107)、第三波导隔离器(108)、第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、魔t合路器(111)、波导滤波器(112)；输入隔离器(101)通过v频段入端口(a)接收外部输入的v频段输入小信号，对v频段以外的信号进行正向导通，反向隔离衰减，减少反射信号的干扰影响，然后将输入隔离后的v频段信号传送给衰减控制器(102)；衰减控制器(102)根据监控单元(116)传来的信号，通过内部的数控衰减器和压控衰减器对信号进行增益调节，将调节后的信号传给驱动放大器(103)；驱动放大器(103)对信号进行初步线性失真的放大，用以提供射频功率级信号幅度并驱动后级放大器，驱动放大器(103)放大后的信号传给第一波导隔离器(104)；第一波导隔离器(104)用以改善级间驻波反射，优化级间信号传输特性，然后将处理后的信号传给推动级放大器(105)；推动级放大器(105)用以进一步放大信号幅度，提升推动功率，同时优化信号传输曲线，提高信号线性度，然后将处理后的信号传给魔t分路器(106)；此外，推动级放大器(105)还将检测到的温度和电流信号上报给监控单元(116)；魔t分路器(106)将信号分为两路，分别进入第二波导隔离器(107)和第三波导隔离器(108)；第二波导隔离器(107)输出的信号进入第一末级固态功放(109)，第三波导隔离器(108)输出的信号进入第二末级固态功放(110)，第一末级固态功放(109)和第二末级固态功放(110)分别对输入信号进行末级功率放大，将输出功率达提升至百瓦级，并将检测到的温度和电流上报给监控单元(116)；两路末级功率放大后的信号再经过魔t合路器(111)进行功率合成，合成后的信号进入波导滤波器(112)；波导滤波器(112)用以滤除其他频段信号的干扰，并将处理后的信号传给波导耦合器(113)；波导耦合器(113)一方面将主信号传输给波导输出端口(b)，另一方面将耦合的小信号传给检波器(114)；检波器(114)将检测到的射频信号转换为直流信号并传给给监控单元(116)；监控单元(116)将检波器(114)传来的直流信号处理成输出功率显示值，输出给外部监控端口(c)；此外，监控单元(116)还通过外部监控端口(c)接收外部输入的控制信号，用于查询设备的电流、温度、风速状态，控制设备主路信号的通断，或者控制主路信号的增益大小；电源模块(115)与外部220v交流电源端口(d)连接，并通过v+和v-电压端为整机供电。2.根据权利要求1所述的一种v频段400w固态功率合成放大器，其特征在于，输入隔离器(101)1脚与v频段入端口(a)连接，输入隔离器(101)2脚与衰减控制器(102)1脚连接；衰减控制器(102)2脚与驱动放大器(103)1脚连接，衰减控制器(102)3脚与监控单元(116)2脚连接；驱动放大器(103)2脚与第一波导隔离器(104)1脚连接；第一波导隔离器(104)2脚与推动级放大器(105)1脚连接；推动级放大器(105)2脚与魔t分路器(106)1脚连接，推动级放
大器(105)3脚与监控单元(116)3脚连接；魔t分路器(106)2脚与第二波导隔离器(107)1脚连接，魔t分路器(106)3脚与第三波导隔离器(108)1脚连接；第二波导隔离器(107)2脚与第一末级固态功放(109)1脚连接，第一末级固态功放(109)2脚与魔t合路器(111)1脚连接，第一末级固态功放(109)3脚与监控单元(116)6脚连接；第三波导隔离器(108)2脚与第二末级固态功放(110)1脚连接，第二末级固态功放(110)2脚与魔t合路器(111)3脚连接，第二末级固态功放(110)3脚与监控单元(116)5脚连接；魔t合路器(111)2脚连接与波导滤波器(112)5脚连接；波导滤波器(112)2脚与波导耦合器(113)1脚连接；波导耦合器(113)2脚与波导输出端口(b)连接，波导耦合器(113)3脚与检波器(114)1脚连接；检波器(114)2脚与监控单元(116)7脚连接；监控单元(116)1脚与电源模块(115)1脚连接，监控单元(116)4脚与风机(117)2脚连接，监控单元(116)8脚与外部监控端口(c)连接；电源模块(115)2脚与外部220v交流电源端口(d)连接，电源模块(115)的3脚为v+电压端，4脚为v-电压端。3.根据权利要求1所述的一种v频段400w固态功率合成放大器，其特征在于，第一末级固态功放(109)和第二末级固态功放(110)的结构相同，包括魔t分路器a(201)、负载a(202)、魔t分路器b(203)、负载b(204)、魔t分路器c(205)、负载c(206)、功放小模块a(207)、功放小模块b(208)、功放小模块c(209)、功放小模块d(210)、魔t合路器d(212)、负载d(211)、魔t合路器e(214)、负载e(212)、魔t合路器f(216)、负载f(215)；魔t分路器a(201)的输入端为整个末级固态功放的输入端，魔t合路器f(216)的输出端为整个末级固态功放的输出端；魔t分路器a(201)将输入信号分成两路等幅信号，分别送至魔t分路器b(203)和魔t分路器c(205)再做等幅分配，得到的四路信号分别送给功放小模块a(207)、功放小模块b(208)、功放小模块c(209)、功放小模块d(210)进行功率放大，功放小模块a(207)、功放小模块b(208)输出的信号通过魔t合路器d(212)进行合成，功放小模块c(209)、功放小模块d(210)输出的信号通过魔t合路器e(214)进行合成，魔t合路器d(212)和魔t合路器e(214)输出的信号再通过魔t合路器f(216)进行合成并输出；魔t分路器a(201)、魔t分路器b(203)、魔t分路器c(205)、魔t合路器d(212)、魔t合路器e(214)、魔t合路器f(216)分别与负载a(202)、负载b(204)、负载c(206)、负载d(211)、负载e(213)、负载f(215)一一对应连接，负载用于平衡相应魔t分路器/魔t合路器处两个分路的幅相，改善幅相一致性。4.根据权利要求3所述的一种v频段400w固态功率合成放大器，其特征在于，所述的功放小模块a(207)、功放小模块b(208)、功放小模块c(209)、功放小模块d(210)结构相同，包括7个魔t分路器、7个魔t合路器、14个负载和8个固态功放芯片，7个魔t分路器构成三级一分二级联结构，将功放小模块的输入信号分成8路等幅信号，每路等幅信号通过一个固态功放芯片,固态功放芯片对输入的v频段信号进行功率放大，功率放大后的信号再经过由7个魔t合路器所构成的三级二合一级联结构合成为一路信号并输出；每一魔t分路器和每一魔t合路器均连接一个负载，用于平衡两个分路的幅相，改善幅相一致性；固态功放芯片通过电源模块(115)供电，其栅极通过两个串联电阻与电源模块(115)的v-电压端连接，两个串联电阻用于实现栅极的偏置调节，第一路等幅信号对应固态功放芯片的栅极还串联有两个彼此并联的旁路滤波电容。5.根据权利要求1所述的一种v频段400w固态功率合成放大器，其特征在于，监控单元(116)用于实现如下功能：
监控单元(116)根据第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、推动放大器(105)传来的温度信号对风机(117)进行控制；监控单元(116)根据第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、推动放大器(105)传来的电流信息，实现电流检测的功能；监控单元(116)根据外部监控端口(c)下发的指令对衰减控制器(102)的增益进行调节；监控单元(116)根据事先设置的温度、电流、功率输出的上限值，对检波器(114)、第一末级固态功放(109)、第二末级固态功放(110)、推动放大器(105)的上报数据进行监测，若有上报数据超出相应上限值，则下发指令到电源模块(115)，令电源模块(115)关断输出电压，实现保护功能。

技术总结
本发明公开了一种V频段400W固态功率合成放大器，涉及卫星通信射频发射领域。它由输入隔离器、衰减控制器、驱动放大器、波导隔离器1、推动级放大器、魔T分路器、波导隔离器2、波导隔离3、末级固态功放1、末级固态功放2、魔T合路器、波导滤波器、波导耦合器、检波器、电源模块、监控单元和风机等组成。该功率放大器具有频段高、体积小、重量轻、集成化程度高、性能稳定可靠、易维护、工作温度范围宽的特点，特别适用于卫星通信微波信道的功率放大业务。卫星通信微波信道的功率放大业务。卫星通信微波信道的功率放大业务。


技术研发人员：魏伟 陈冠军 李飞锐
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/27