CN102832890A - 热电制冷的射频低温低噪声放大器*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用热电制冷的射频低温低噪声放大器***，属于微波通讯技术领域，该***主要包括:密封隔热腔体、设置于腔体内的热电制冷组件、射频低温低噪声放大器、温度传感器、散热组件、热传导组件和电控组件；射频低温低噪声放大器、热电制冷组件、散热组件依次通过热传导组件相连；电控组件分别与热电制冷组件、散热组件以及射频低温低噪声放大器相连，温度传感器位于散热组件靠近热电制冷组件的一侧，并与电控组件相连，该射频低温低噪声放大器两端的射频输入接口、射频输出接口固定在所述密封隔热腔体两端壁上。本***保证了低温低噪声射频放大器在低温工作时的防振、防水和隔热，同时能够提高射频接收***的灵敏度。

Description

热电制冷的射频低温低噪声放大器***

技术领域

本发明属于微波通讯设备技术领域，特别涉及热电制冷在降低接收机中低噪声放大器的结构设计。

背景技术

无线射频通讯模块主要是由射频发射模块和接收模块组成，接收模块主要是针对空间中众多的无线信号选出有用的信号并放大，供后端的射频链路进行信号处理。由于传输路径上的干扰和损耗以及多径效应，天线接收到的信号是微弱多变的，因此对接收机的灵敏度要求很高，而低噪声放大器位于射频接收***的前端，其主要功能是将来自天线的微弱信号进行放大，由噪声级联公式可知，前级放大器的噪声系数对整个微波***的噪声影响最大，它的噪声水平直接影响了整个接收机的灵敏度，因此在其它指标如功率增益，动态范围等满足的情况下，具有低噪声指标的放大器是射频电路设计中最具有挑战性的工作。

普通的低噪声放大器受半导体器件水平的限制，目前比较成熟的低噪声放大器的商业产品在各个频段的噪声水平大致为L波段为0.5dB，S波段0.8dB，C波段1.0dB左右，在一些需要低噪声来提高接收机灵敏度的应用中，一般采取的方法是液氮制冷或者是制冷机制冷来使低噪声放大器在低温下运行，有效地降低热噪声和闪烁噪声，从而得到较低的***噪声。液氮制冷或者是制冷机制冷由于制冷方式原因需要为射频低温低噪声放大器建立一个真空结构来减小放大器与外界的热交换，真空腔结构如图1所示，在真空腔体1-1中有气密性同轴接头1-2和1-3用于射频信号的引入与引出，真空腔内用导热性差的半钢同轴电缆1-4连接气密封同轴接头与低温低噪声放大器，低温低噪声放大器位于制冷机的冷头1-5上；真空腔外连接压缩机以及配套的散热装置和与散热装置相边的控制电路。当***工作在低温下，低温低噪声放大器的噪声降低，但由于输入端的同轴接头和半钢同轴电缆的***损耗较大，从***级来看，虽然放大器的噪声得到了降低，但是由于同轴接头和半钢同轴电缆的***损耗与放大器本身的噪声水平是同一量级甚至要大于放大器本身的噪声，因此得到的***噪声并没有显著降低，而且由于必须配有一定结构的真空腔体以及制冷机的压缩机以及配套的散热结构体积较大的问题，这样的低温***相对来说重量和体积都不是很理想，对应用造成了一定的困难。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种热电制冷的低温低噪声射频放大器***。本***保证了低温低噪声射频放大器在低温工作时的防振、防水和隔热，同时保证了射频信号传输，能够提高射频接收***的灵敏度。

本发明提出的一种热电制冷射频低温低噪声放大器***，其特征在于，该***主要包括:密封隔热腔体、设置于该腔体内的热电制冷组件、射频低温低噪声放大器、温度传感器、散热组件、热传导组件和电控组件；所述射频低温低噪声放大器、热电制冷组件、散热组件依次通过热传导组件相连；电控组件分别与热电制冷组件、散热组件以及射频低温低噪声放大器相连，温度传感器位于散热组件靠近热电制冷组件的一侧，并通过导线与电控组件相连，实现温度的监控，使得***工作在常温状态；该射频低温低噪声放大器两端的射频输入接口、射频输出接口固定在所述密封隔热腔体两端壁上。

本发明的特点及有益效果：

本发明热电制冷的射频低温低噪声放大器***采用热电制冷器件使射频低温低噪声放大器的工作温度降低，得到低噪声，并通过结构设计省去了输入端的气密封接头和半钢电缆，这样相比以往的低温设备避免了输入端接头和线缆的***损耗，从而能够得到较低的***噪声。热电制冷的射频低温低噪声放大器***设备结构简单，体积小巧，成本低，便于灵活应用。

通过采用热电制冷并采取相应的隔热措施使得射频低温低噪声放大器的工作温度在200K-250K之间，有效地降低了放大器的热噪声，另外由于在射频输入端减少使用射频线缆和接头等使得放大器前输入端无源器件总的***损耗也相应降低，使得采用热电制冷的射频低温低噪声放大器***的噪声指标较常规放大器要低0.3dB-0.5dB，能够达到在很小的体积下使射频放大器的噪声指标处于国际领先水平，将此***应用在射频接收机中作为前置低噪声放大器可降低接收机的整体噪声指标，提高接收机的灵敏度。

附图说明

图1为已有的采用压缩机制冷真空封装的低温低噪声放大器***的结构示意图。

图2为本发明热电制冷的射频低温低噪声放大器***的示意图。

图3是本发明SMA接口的热电制冷射频低温低噪声放大器***的实施例结构示意图。

图4是本发明波导接口的热电制冷射频低温低噪声放大器***的实施例结构示意图。

图5是本发明的热电制冷的射频低温低噪声放大器***噪声测试曲线图。

具体实施方式

本发明提出了一种热电制冷的射频低温低噪声放大器***，结合附图及实施例对本发明进行详细的解释说明。

本发明提出的热电制冷射频低温低噪声放大器***如图2所示，其主要包括:密封隔热腔体2-1，设置于该腔体内的热电制冷组件2-5、射频低温低噪声放大器、温度传感器2-7、散热组件2-8、热传导组件2-4和电控组件2-6；所述射频低温低噪声放大器、热电制冷组件2-5、散热组件2-8依次通过热传导组件相连；电控组件2-6分别与热电制冷组件、散热组件以及射频低温低噪声放大器相连，为它们供电，温度传感器2-7位于散热组件2-8靠近热电制冷组件2-5的一侧并通过导线与电控组件相连，实现温度的监控，当***处于散热不利的情况下，温度传感器探测到散热组件温度升高可结合电控组件将热电制冷组件的电源关闭并保持射频低温低噪声放大器和散热组件的供电，使得***工作在常温状态，保证射频接收机的稳定运行。本热电制冷射频低温低噪声放大器***的射频输入接口2-2、射频输出接口2-3固定在所述密封隔热腔体两端壁上。为了减小输入端无源器件的***损耗降低整个***的噪声，该射频低温低噪声放大器的射频输入接口直接采用本射频低温低噪声放大器***的射频输入接口；该射频低温低噪声放大器的输出接口通过射频同轴线缆与射频低温低噪声放大器***的射频输出接口相连。

本发明热电制冷的低温低噪声射频放大器***，在结构紧凑的情况下实现了较低的噪声，主要应用于射频信号接收机中，提高***的灵敏度。

本发明的一种热电制冷的低温低噪声射频接收***的各部件的具体实施方式及功能详细说明如下：

本发明的一种热电制冷的低温低噪声射频接收***的实施例结构如图3所示，两块散热组件3-3由四根金属立柱3-10相连并固定，在散热组件***四个面放置面板组成了一个中空的密封隔热腔体3-14，散热组件一般是采用鳍状金属散热片加风扇散热或是在铝板内挖出水循环通道采用液体循环散热的液冷散热器。密封隔热腔体内放置射频低温低噪声放大器3-2，本实施例的射频低噪声放大器可选用具有低噪声、和宽的工作温度范围等特点，射频低温低噪声放大器在350K-200K之间能够保证正常工作且各项参数指标能够保持相对稳定（放大器的制作工艺可参照射频低温低噪声放大器专利，其专利号为200410074736）；射频低温低噪声放大器设置有镀金铝材料的外壳，保证导热和电磁屏蔽。在射频低温低噪声放大器的上下分别置有一组热电制冷组件3-4，每组热电制冷组件由并排间隔放置的P型导体颗粒单元和N型半导体颗粒单元组成的单层结构（每一个P型和每一个N型半导体颗粒组成一个单元），将所有单元串联起来的金属（如铝材料）层，以及在单层结构的上下两侧分别设置的一层导热良好的绝缘体（一般采用导热系数大于20W/m.K的热导率良好的陶瓷复合材料）组成。该热电制冷组件3-4还可以根据器件所需的工作温度选择单层、双层或是多层制冷的方式。在热电制冷组件的两端设有用于固定热电制冷组件的机械结构3-5（采用了低热导率的聚四氟乙烯（导热系数0.256W/m.K）材料）。

两组热电制冷组件的制冷端通过热传导组件3-7与射频低温低噪声放大器外壳的上下两面相连，热传导组件3-7采用了导热良好的材料如金属铟、或者是导热硅胶等复合材料（热导率大于2W/mK）制成的导热垫片或热管。热电制冷组件的热端通过热传导组件与散热组件3-3的内侧面相连。在散热组件靠近热电制冷组件的热端的地方放置温度传感器3-6并且温度传感器与电控组件3-15；电控组件位于密封腔体的后部空间，主要是由直流28V-6V转换器、大功率开关和可调电阻组成，28V转换到6V后串接可调电阻给射频低温低噪声放大器供电，28V直流电源通过大功率继电器给热电制冷组件供电。温度传感器采用了过热自动闭合的温度开关，当***散热不利导致散热组件温度过高时，温度传感器闭合后控制断开电控组件上的大功率继电器，实现温度过热后断开对热电制冷组件的供电，使***不再制冷，此时低温低噪声放大器***处于常温工作模式，保护***不会过热损坏（上述电控组件的控制功能属常规技术）。以上结构置于密封隔热腔体3-14中，腔体内的其他空间由热传导差的聚氨酯材料（导热系数0.022W/m.K）、聚四氟乙烯（导热系数0.256W/m.K）、泡沫玻璃（导热系数0.058W/m.K）或是硅胶等保温好的材料填充，腔体的缝隙由硅胶或是玻璃胶填充，待固化后起到保温、隔热、防振和防水的作用。腔体的前面板3-8开孔使射频低温低噪声放大器的射频同轴输入接口即***的射频同轴输入接口3-1由腔体内露出，且利用硅胶、玻璃胶或是橡胶圈使输入接口3-1固定在前面板上，实现射频信号的输入。射频低温低噪声放大器的射频输出接口3-16采用射频同轴线缆3-11与固定在尾部的面板上的***的射频输出接口3-12相连，实现了射频信号的输出。***总电源接口3-13位于***后面板3-9上，其通过导线与电控组件3-15相连实现了***的电源输入。在射频低温低噪声放大器的射频输出端口3-16与***射频输出接口3-12之间还可以根据需要添加二级放大器、衰减器、移相器、滤波器、限幅器、自动增益控制器以及射频直通旁路器件等之中的多个射频器件，在输入端根据设计需求还可加入限幅器，耦合器、隔离器、或是射频开关等之中的多个射频器件；因此本发明可降低接收机的噪声，提高射频接收机的灵敏度。

图4给出了一个以波导为输入接口的射频低温低噪声放大器***的实施例，其主结构与图3相同，只是***的射频同轴输入接口改成了波导接口4-1，与之相配合的机械结构也做了一定的改动。相应地，***的射频输出接口也可以根据需要改动。

图5为采用本实施例结构的L波段热电制冷射频接收***的射频链路部分的噪声的测试结果，可以看出当制冷组件工作时，低温低噪声射频放大器的工作温度降到了220K，接收***的噪声为0.3dB以下，而室温300K时***噪声约为0.6dB，噪声系数提高了0.3dB。

上述实施例中还可在本***射频输入输出接口前端添加一个射频二转一开关，可保证在不改变原接收机的射频链路结构的情况下将本***并入接收机中。使用二转一开关切换射频信号的通路可以控制射频信号经过原接收机的低噪声放大器放大或是经过射频低温低噪声放大器***放大，这种并联接入接收机***的方式可使接收***在高灵敏度和高可靠性下工作。

虽然在上述实施例的基础上对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，具有相关领域背景知识的人可以在此基础上进行多种变形。例如在散热端，保温端等采用不同的材料，比如散热采用风冷和液冷不同的散热形式，保温材料选取聚氨酯、聚四氟乙烯等，制冷组件选用一级二级或是多级制冷等，以及在射频链路前端后端添加不同功能的射频组件等。这些变形也应属于本发明的所保护的技术方案的范畴。

Claims (8)

1.一种热电制冷射频低温低噪声放大器***，其特征在于，该***主要包括:密封隔热腔体、设置于该腔体内的热电制冷组件、射频低温低噪声放大器、温度传感器、散热组件、热传导组件和电控组件；所述射频低温低噪声放大器、热电制冷组件、散热组件依次通过热传导组件相连；电控组件分别与热电制冷组件、散热组件以及射频低温低噪声放大器相连，温度传感器位于散热组件靠近热电制冷组件的一侧，并通过导线与电控组件相连，实现温度的监控，使得***工作在常温状态；该热电制冷射频低温低噪声放大器***的射频输入接口、射频输出接口固定在所述密封隔热腔体两端壁上；该射频低温低噪声放大器的射频输入接口直接采用本射频低温低噪声放大器***的射频输入接口；该射频低温低噪声放大器的输出接口通过射频同轴线缆与射频低温低噪声放大器***的射频输出接口相连。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的热电制冷组件为分别置于射频低温低噪声放大器的上下两组热电制冷组件，每组热电制冷组件由并排间隔放置的P型导体颗粒单元和N型半导体颗粒单元组成的单层结构，将所有单元串联起来的金属层，以及在单层结构的上下两侧分别设置的一层导热绝缘体组成。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的每组热电制冷组件由并排间隔放置的P型导体颗粒单元和N型半导体颗粒单元组成的双层或多层结构，将所有单元串联起来的金属层，以及在双层或多层结构的上下两侧分别设置的一层导热良好的绝缘体组成。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的密封隔热腔体主要由两块散热组件，连接并固定两块散热组件的四根金属立柱，以及放置在散热组件外周的四个面板组成；该腔体内的空间填充有保温材料，腔体的缝隙填充有硅胶或是玻璃胶；腔体的前面板开有使射频低温低噪声放大器的射频输入接口由腔体内露出的孔，使该射频输入接口固定在前面板上的硅胶、玻璃胶或橡胶圈；固定在腔体的尾部面板上的同轴输出接头，该同轴输出接头通过同轴射频线缆与射频低温低噪声放大器的射频输出端口相连。

5.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述射频低温低噪声放大器***的射频输入接口为射频同轴接头或波导接口。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括在射频低温低噪声放大器的射频输出端口与***射频输出接口之间添加二级放大器、衰减器、移相器、滤波器、限幅器、自动增益控制器以及射频直通旁路器件之中的多个射频器件，在输入端加入限幅器，耦合器、隔离器、或是射频开关之中的多个射频器件。

7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述散热组件采用鳍状金属散热片加风扇散热或液冷散热器；所述热传导组件采用硅脂，导热垫片或是热管。

8.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括在所述***射频输入输出接口前端添加一个射频二转一开关。

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