CN107070416B - 一种支持热插拔的功率放大器模块 - Google Patents

一种支持热插拔的功率放大器模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持热插拔的功率放大器模块，涉及卫星、微波通信领域。该功率放大器模块由功率放大器、高低频混装连接器组件、散热器、功放模块托壳组成。该模块采用平面功率合成技术，采用两个末级功率放大器放大器模块通过3dB电桥耦合器进行合路。该模块配备完整的检测与控制功能，可以实时检测功率放大器模块的输入输出功率、工作电压电流、温度，并可通过485接口与上位机通信，接收上位机的控制。该模块设计了热插拔电源管理电路，支持设备热插拔，增加了***的冗余性。

Description

一种支持热插拔的功率放大器模块
技术领域
本发明涉及卫星通信、微波通信和散射通信领域，特别是涉及一种支持热插拔的功率放大器模块，可广泛应用基于空间功率合成的功率功率放大器***中。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅速发展，对功率放大器的带宽、效率以及输出功率的要求也与日俱增。然而固态功率器件受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺、散热、阻抗匹配等问题的限制，器件输出功率非常有限，而且工作频率越高，单芯片输出功率水平越低。因此人们采用多个固态功率器件进行功率合成，有效提高功率放大器***的输出功率。
传统的电路合成技术采用威尔金森电桥、分支线电桥、lange桥等功分/合成网络，应用广泛，但平面传输线损耗大，合成效率随合成网络级数增加显著下降，因而限制了放大器的数量，无法满足高效率和大功率的要求。近年来提出的空间功率合成技术具有合成效率高的优点，适合多个功率放大器模块合成得到大功率。
在大功率功率放大器***中，为了保证***稳定工作，要进行冗余设计，以保证在某个功率放大器模块损坏的情况下保证***正常工作。同时还需要在***工作不中断的情况下进行损坏模块的更换。因此需引入支持热插拔的功率放大器模块。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种支持热插拔的功率放大器模块，解决了现有技术中单个功率器件输出功率低，模块不支持热插拔、***冗余性差的缺点。该放大器具有支持热插拔、体积小、效率高、可编程的特点。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：
一种支持热插拔的功率放大器模块，包括功率放大器1；所述的功率放大器1包括监控单元电路101、射频放大电路102、输出功率检测电路103、输入功率检测电路104、状态指示电路105和温度检测电路106；
所述的监控单元电路101用于对输入的电源进行热插拔管理，输出+28V电源至射频放大电路102；还用于将+28V电源转换为-5V电源，将-5V电源输出至射频放大电路102；还用于分别控制输出功率检测电路103、输入功率检测电路104和温度检测电路106，并分别接收输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号和温度数字信号；还用于检测工作状态的电压及电流，并进行模数转换后产生电压及电流数字信号；还用于在上位机的控制下分别将输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号、温度数字信号和电压及电流数字信号上报至上位机；
射频放大电路102用于将外部输入的射频信号进行功率放大产生高功率射频信号后输出；还用于对输入的射频信号进行采样，将输入功率采样信号输出至输入功率检测电路104；还用于对输出的高功率射频信号进行采样，将输出功率和反射功率采样信号输出至输出功率检测电路103；
输出功率检测电路103用于对输出功率和反射功率采样信号进行检波，将检波产生的模拟信号进行模数转换，生成输出及反射功率数字信号，并在监控单元电路101的控制下将输出及反射功率数字信号输出至监控单元电路101；
输入功率检测电路104用于对输入功率采样信号进行检波，将检波产生的模拟信号进行模数转换，生成输入功率数字信号，并在监控单元电路101的控制下将输入功率数字信号输出至监控单元电路101；
状态指示电路105用于在监控单元电路101的控制下指示当前的工作状态；
温度检测电路106用于检测温度，并将温度模拟信号进行模数转换生成温度数字信号，并在监控单元电路101的控制下将温度数字信号输出至监控单元电路101。
其中，监控单元电路101包括中央处理器111、热插拔管理电路112、IIC接口电路113、485接口电路114和电源转换电路115；
热插拔管理电路112用于在中央处理器111的控制下将输入的+28V电源进行热插拔电源管理，并将+28V电源输出至射频放大电路102；还用于检测输出至射频放大电路102的电压及电流，并进行模数转换后产生电压及电流数字信号，并在中央处理器111的控制下将电压及电流数字信号通过IIC接口电路113输出至中央处理器111；还用于在中央处理器111的控制下对输入的+28V进行通断控制；
电源转换电路115用于将输入的28V电源转换为-5V和3.3V，将-5V电源输出至射频放大电路102，将3.3V电源输出至中央处理器111；
中央处理器111用于分别通过IIC接口电路113控制输出功率检测电路103、输入功率检测电路104和温度检测电路106，并分别通过IIC接口电路113接收输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号和温度数字信号；还用于控制状态指示电路105指示当前的工作状态；还用于在上位机的控制下分别将输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号、温度数字信号和电压及电流数字信号上报至上位机；其中,中央处理器111的型号为C8051F502。
其中，射频放大电路102包括驱动级功放模块121、分路器122、第一末级功放模块123、第二末级功放模块124、合路器125、输出端耦合器126和输入端耦合器127；射频驱动级功放模块121用于将输入的射频信号进行放大，将放大后的射频信号输出至分路器122；分路器122用于将放大后的射频信号分成两路幅度相等相位相差90度的信号，将相对0°信号输出至第一末级功放模块123，将相对90°信号输出至第二末级功放模块124；第一末级功放模块123和第二末级功放模块124分别用于将各自输入的相对0°信号和相对90°信号一一对应进行放大后输出至合路器125；合路器125用于将放大后的相对0°信号和放大后的相对90°信号进行合路，形成高功率射频信号并输出；输入端耦合器127用于对输入的射频信号进行采样，将输入功率采样信号输出至输入功率检测电路电路104；输出端耦合器126用于对合路器125输出的高功率射频信号进行采样，将输出功率和反射功率采样信号输出至输出功率检测电路103。
其中，还包括高低频混装连接器组件2、散热器3和功放模块托壳4；功率放大器1、高低频混装连接器组件2和散热器3固定在功放模块托壳4上，功率放大器1与高低频混装连接器组件2相连接。
其中，分路器122和合路器125分别通过3dB电桥耦合器作为平面功率分配合成网络。
本发明采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明含有热插拔电源管理电路，可以保证在热插拔的情况下功率放大器稳定工作，保护功率放大器模块不受冲击电流的损害。
(2)本发明内嵌监控电路，对功率放大器的状态进行实时监控，可通过RS485接口与上位机通信。
(3)本发明采用平面功率合成技术，增大了功率放大器输出功率，增加了功率合成效率；采用热插拔管理技术增加了***的可靠性；采用内嵌中央处理器的方式提高了功率放大器的编程性。
附图说明
图1是本发明的功率放大器的立体示意图；
图2是本发明的功率放大器模块的组成框图；
图3是本发明的监控单元电路的组成框图；
图4是本发明的射频放大电路的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一种支持热插拔的功率放大器模块包括功率放大器1、高低频混装连接器组件2、散热器3和功放模块托壳4。功率放大器1、高低频混装连接器组件2和散热器3用螺钉固定在功放模块托壳4上。功放模块托壳4的输出、电源及通信接口在同一侧，整个模块可通过安装导轨和销钉定位，方便与合路器及机箱母板连接。散热器3直接与功率放大器1连接用于功率放大器1散热。
图2所示为本发明的功率放大器模块的组成框图，所述的功率放大器1包括监控单元电路101、射频放大电路102、输出功率检测电路103、输入功率检测电路104、状态指示电路105和温度检测电路106；
所述的监控单元电路101用于对输入的电源进行热插拔管理，输出+28V电源至射频放大电路102；还用于将+28V电源转换为-5V电源，将-5V电源输出至射频放大电路102；还用于分别控制输出功率检测电路103、输入功率检测电路104和温度检测电路106，并分别接收输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号和温度数字信号；还用于检测输出至射频放大电路102的电压及电流，并进行模数转换后产生电压及电流数字信号；还用于在上位机的控制下分别将输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号、温度数字信号和电压及电流数字信号上报至上位机；
射频放大电路102用于将外部输入的射频信号进行功率放大产生高功率射频信号后输出；还用于对输入的射频信号进行采样，将输入功率采样信号输出至输入功率检测电路104；还用于对输出的高功率射频信号进行采样，将输出功率和反射功率采样信号输出至输出功率检测电路103；
输出功率检测电路103用于对输出功率和反射功率采样信号进行检波，将检波产生的模拟信号进行模数转换，生成输出及反射功率数字信号，并在监控单元电路101的控制下将输出及反射功率数字信号输出至监控单元电路101；
输入功率检测电路104用于对输入功率采样信号进行检波，将检波产生的模拟信号进行模数转换，生成输入功率数字信号，并在监控单元电路101的控制下将输入功率数字信号输出至监控单元电路101；
状态指示电路105用于在监控单元电路101的控制下指示当前的工作状态；
温度检测电路106用于检测温度，并将温度模拟信号进行模数转换生成温度数字信号，并在监控单元电路101的控制下将温度数字信号输出至监控单元电路101。
图3是监控单元电路的组成框图。监控单元电路101包含中央处理电路111、热插拔管理电路112、IIC接口电路113、485接口电路114和电源转换电路115。
热插拔管理电路112用于在中央处理器111的控制下将输入的+28V电源进行热插拔电源管理，并将+28V电源输出至射频放大电路102；还用于检测工作状态的电压及电流，并进行模数转换后产生电压及电流数字信号，并在中央处理器111的控制下将电压及电流数字信号通过IIC接口电路113输出至中央处理器111；还用于在中央处理器111的控制下对输入的+28V进行通断控制；
电源转换电路115用于将输入的28V电源转换为-5V和3.3V，将-5V电源输出至射频放大电路102，将3.3V电源输出至中央处理器111；
中央处理器111用于分别通过IIC接口电路113控制输出功率检测电路103、输入功率检测电路104和温度检测电路106，并分别通过IIC接口电路113接收输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号和温度数字信号；还用于控制状态指示电路105指示当前的工作状态；还用于在上位机的控制下分别将输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号、温度数字信号和电压及电流数字信号上报至上位机。
其中热插拔管理电路112通过检测精密采样电阻上的电流值，控制外置N沟道场效应管的导通深度来限制输入电流，从而保证模块在热插拔的过程中功放模块及***的稳定工作，不受冲击电流的损害，同时检测+28V电源的电压、电流，并完成功放上电时的时序保护；电源转换电路115完成+28V至中央处理电路111所需电压3.3V及射频放大电路102所需栅压-5V的电源变换。IIC接口电路113作为模块内部的通信总线，完成MCU和热插拔管理电路112、输入输出功率检测电路104、103、温度检测电路106和状态指示电路105之间的通信，485接口电路完成MCU与上位机之间的通信。
图4是射频放大电路的组成框图，包括驱动级功放模块121、分路器122、第一末级功放模块123、第二末级功放模块124、合路器125、输出端耦合器126和输入端耦合器127；射频驱动级功放模块121用于将输入的射频信号进行放大，将放大后的射频信号输出至分路器122；分路器122用于将放大后的射频信号分成两路幅度相等相位相差90度的信号，将相对0°信号输出至第一末级功放模块123，将相对90°信号输出至第二末级功放模块124；第一末级功放模块123和第二末级功放模块124分别用于将各自输入的相对0°信号和相对90°信号一一对应进行放大后输出至合路器125；合路器125用于将放大后的相对0°信号和放大后的相对90°信号进行合路，形成高功率射频信号并输出；输入端耦合器127用于对输入的射频信号进行采样，将输入功率采样信号输出至输入功率检测电路电路104；输出端耦合器126用于对合路器125输出的高功率射频信号进行采样，将输出功率和反射功率采样信号输出至输出功率检测电路103。其中，分路器122和合路器125分别通过3dB电桥耦合器作为平面功率分配合成网络。
本发明的简要工作原理：
功率放大器采用平面功率合成方式完成功率的合成放大，引入热插拔控制电路，对热插拔过程中产生的冲击电流进行抑制，对功放模块进行保护，采用内嵌监控单元的方式检测功放的工作状态，并接受上位机的控制，实现功放模块的可编程化。

Claims (5)

1.一种支持热插拔的功率放大器模块，包括功率放大器(1)；其特征在于，所述的功率放大器(1)包括监控单元电路(101)、射频放大电路(102)、输出功率检测电路(103)、输入功率检测电路(104)、状态指示电路(105)和温度检测电路(106)；
所述的监控单元电路(101)用于对输入的电源进行热插拔管理，输出+28V电源至射频放大电路(102)；还用于将+28V电源转换为-5V电源，将-5V电源输出至射频放大电路(102)；还用于分别控制输出功率检测电路(103)、输入功率检测电路(104)和温度检测电路(106)，并分别接收输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号和温度数字信号；还用于检测输出至射频放大电路(102)的电压及电流，并进行模数转换后产生电压及电流数字信号；还用于在上位机的控制下分别将输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号、温度数字信号和电压及电流数字信号上报至上位机；
射频放大电路(102)用于将外部输入的射频信号进行功率放大产生高功率射频信号后输出；还用于对输入的射频信号进行采样，将输入功率采样信号输出至输入功率检测电路(104)；还用于对输出的高功率射频信号进行采样，将输出功率和反射功率采样信号输出至输出功率检测电路(103)；
输出功率检测电路(103)用于对输出功率和反射功率采样信号进行检波，将检波产生的模拟信号进行模数转换，生成输出及反射功率数字信号，并在监控单元电路(101)的控制下将输出及反射功率数字信号输出至监控单元电路(101)；
输入功率检测电路(104)用于对输入功率采样信号进行检波，将检波产生的模拟信号进行模数转换，生成输入功率数字信号，并在监控单元电路(101)的控制下将输入功率数字信号输出至监控单元电路(101)；
状态指示电路(105)用于在监控单元电路(101)的控制下指示当前的工作状态；
温度检测电路(106)用于检测温度，并将温度模拟信号进行模数转换生成温度数字信号，并在监控单元电路(101)的控制下将温度数字信号输出至监控单元电路(101)。
2.根据权利要求1所述的一种支持热插拔的功率放大器模块，其特征在于，监控单元电路(101)包括中央处理器(111)、热插拔管理电路(112)、IIC接口电路(113)、485接口电路(114)和电源转换电路(115)；
热插拔管理电路(112)用于在中央处理器(111)的控制下将输入的+28V电源进行热插拔电源管理，并将+28V电源输出至射频放大电路(102)；还用于检测工作状态的电压及电流，并进行模数转换后产生电压及电流数字信号，并在中央处理器(111)的控制下将电压及电流数字信号通过IIC接口电路(113)输出至中央处理器(111)；还用于在中央处理器(111)的控制下对输入的+28V进行通断控制；
电源转换电路(115)用于将输入的28V电源转换为-5V和3.3V，将-5V电源输出至射频放大电路(102)，将3.3V电源输出至中央处理器(111)；
中央处理器(111)用于分别通过IIC接口电路(113)控制输出功率检测电路(103)、输入功率检测电路(104)和温度检测电路(106)，并分别通过IIC接口电路(113)接收输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号和温度数字信号；还用于控制状态指示电路(105)指示当前的工作状态；还用于在上位机的控制下分别将输出及反射功率数字信号、输入功率数字信号、温度数字信号和电压及电流数字信号上报至上位机。
3.根据权利要求1所述的一种支持热插拔的功率放大器模块，其特征在于，射频放大电路(102)包括驱动级功放模块(121)、分路器(122)、第一末级功放模块(123)、第二末级功放模块(124)、合路器(125)、输出端耦合器(126)和输入端耦合器(127)；射频驱动级功放模块(121)用于将输入的射频信号进行放大，将放大后的射频信号输出至分路器(122)；分路器(122)用于将放大后的射频信号分成两路幅度相等相位相差90度的信号，将相对0°信号输出至第一末级功放模块(123)，将相对90°信号输出至第二末级功放模块(124)；第一末级功放模块(123)和第二末级功放模块(124)分别用于将各自输入的相对0°信号和相对90°信号一一对应进行放大后输出至合路器(125)；合路器(125)用于将放大后的相对0°信号和放大后的相对90°信号进行合路，形成高功率射频信号并输出；输入端耦合器(127)用于对输入的射频信号进行采样，将输入功率采样信号输出至输入功率检测电路电路(104)；输出端耦合器(126)用于对合路器(125)输出的高功率射频信号进行采样，将输出功率和反射功率采样信号输出至输出功率检测电路(103)。
4.根据权利要求1所述的一种支持热插拔的功率放大器模块，其特征在于，还包括高低频混装连接器组件(2)、散热器(3)和功放模块托壳(4)；功率放大器(1)、高低频混装连接器组件(2)和散热器(3)固定在功放模块托壳(4)上，功率放大器(1)与高低频混装连接器组件(2)相连接。
5.根据权利要求3的所述一种支持热插拔的功率放大器模块，其特征在于，分路器(122)和合路器(125)分别通过3dB电桥耦合器作为平面功率分配合成网络。
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