固态功率放大器中自动电平控制电路研究

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在卫星对地数传通信系统中,用于信号放大的功率放大器通常有行波管功率放大器和固态功率放大器两类。在中小功率系统中,星载固态功率放大器凭借可靠性高、寿命长、工作电压低以及结构紧凑等优点已经逐渐代替行波管功率放大器,并得到了广泛的应用。目前,空间通信受频谱资源限制、星地数据传输码速率的要求也越来越高(码速率已经超过300Mbps)。为满足相应的应用需求,星载固态功率放大器的工作频率已经逐渐从S波段提高到X波段、Ku波段和Ka波段甚至更高频段。  在C波段以上,利用GaAs MESFET器件研制的输出功率在20W以内的固态功率放大器在星载数传系统中有较多应用,但是也遇到了相应的问题。当放大器的输入功率过大时,放大器中的功率管会最先进入过驱动状态,导致功率管的使用寿命大大降低,影响放大器的稳定性。输入信号功率过大还会导致功率放大器进入饱和工作状态,引起传输信号失真。另外,随着工作环境温度的剧烈变化,放大器的增益特性和输出特性会出现较大波动。因此,固态功率放大器需要设计控制电路对增益和输出功率进行调节,以便降低温度变化和输入信号功率变动对功率放大器性能的影响。在空间应用中,对固态功率放大器的增益和输出功率进行调节的方法常用的有补偿功率管的栅极电压,使用限幅器电路以及设计自动电平控制电路等。具有温度补偿功能的自动电平控制电路既防止功率放大器中的功率管进入过驱动状态,也可补偿固态功率放大器温度特性。自动电平控制电路结构简单,更加容易设计和调试,能够保证固态功率放大器稳定、可靠地工作。  论文完成了应用于X波段功率放大器的自动电平控制电路的研究。自动电平控制电路工作频率为8.0GHz~8.5GHz。当输入信号功率在-5dBm~+5dBm范围内变化时,输出功率稳定在+13.5dBm。在-10℃~+40℃温度范围,输出功率波动小于0.8dB,并且增益没有出现明显降低。  论文包括六章内容。  第一章概述了微波固态功率放大器发展以及GaAs MESFET器件在星载固态功率放大器中的应用情况。  第二章内容提出了自动电平控制电路方案以及设计要求,叙述了自动电平控制电路的工作原理,完成了自动电平控制电路方案可行性的仿真验证。  第三章详细叙述了自动电平控制电路的设计及调试工作。阐述了可变衰减器电路、固态功率放大器电路、检波电路、可变衰减器控制电路和积分控制电路的元器件选取、设计及制版等相关内容。  第四章内容重点分析了屏蔽盒结构对微波电路性能的影响,通过仿真设计,完成了自动电平控制电路的屏蔽盒结构。  第五章内容叙述了自动电平控制电路的测试结果,重点描述了控制电路的增益特性、检波电路性能、温度补偿电路特性以及闭环控制电路的性能等。针对调试和测试中的相关技术问题,给出了详细的分析和解决措施。  第六章总结了论文主要工作,也概述了后续研究工作。
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