一种大功率高频信号发生装置 |
|||||||
| 申请号 | CN202211285218.7 | 申请日 | 2022-10-20 | 公开(公告)号 | CN117955053A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 北京铁路信号有限公司; | 发明人 | 张浩; 叶轲; 张磊; 张诚; 姚伊; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供一种大功率高频 信号 发生装置，包括产生高频信号的震荡 电路 ，增益高频信号得到大功率高频信号的驱动放大电路和功率放大电路，以及 过热 保护电路(含 温度 传感器 )，震荡电路、驱动放大电路和功率放大电路顺序 串联 ；过热保护电路用于在温度传感器的检测温度过高时，通过第一控制端控制关闭驱动放大电路。本方案通过两级放大电路提高增益能 力 ，能够获得更大功率的 输出信号 ，并在高温时及时关停，实现装置的过热保护。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大功率高频信号发生装置，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 一种大功率高频信号发生装置技术领域[0001] 本发明涉及信号发生器技术领域，特别涉及一种大功率高频信号发生装置。 背景技术[0003] 而现有的振荡源产生的高频信号能量十分有限，要想达到如此大功率的能量载波信号输出，光靠目前的一级功放器件是无法实现的。 发明内容[0006] 本申请提供一种大功率高频信号发生装置，包括： [0008] 所述震荡电路、所述驱动放大电路和所述功率放大电路顺序串联； [0009] 所述驱动放大电路的第一控制端和所述过热保护电路连接； [0010] 所述过热保护电路用于在所述温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，通过所述第一控制端控制关闭所述驱动放大电路。 [0011] 可选的，所述温度传感器的检测温度，为所述功率放大电路的输出端的温度。 [0012] 可选的，所述驱动放大电路包括驱动放大器芯片； [0013] 所述驱动放大电路的第一控制端，为所述驱动放大器芯片的电源输入管脚； [0014] 所述在所述温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，通过所述第一控制端控制关闭所述驱动放大电路，包括： [0015] 在所述温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，将所述驱动放大器芯片的电源输入管脚设置为低电平。 [0016] 可选的，所述过热保护电路包括第一控制支路和第二控制支路； [0018] 所述第二控制支路包括第二三极管和第二电阻，所述第二三极管的漏极通过所述第二电阻接地，源极接电源，栅极连接于所述第一电阻与所述第一三极管的公共端； [0019] 所述电源输入管脚连接于所述第二三极管和所述第二电阻的公共端。 [0020] 所述在所述温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，将所述驱动放大器芯片的电源输入管脚设置为低电平，包括： [0021] 在所述温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，所述温度传感器输出低电平，从而关断所述第一三极管和所述第二三极管；其中，所述第二三极管关断后，所述电源输入管脚接地。 [0023] 根据第二控制端的信号关闭所述驱动放大电路。 [0024] 可选的，所述功放开关电路包括与非门芯片； [0025] 所述与非门芯片的输出端和所述第一三极管的栅极连接，所述与非门芯片的第一输入端和第二输入端均连接于所述功放开关电路的第二控制端； [0026] 所述根据所述功放开关电路的第二控制端的信号关闭所述驱动放大电路，包括： [0027] 所述功放开关电路的第二控制端的信号为高电平信号时，所述与非门芯片输出低电平，从而关断所述第一三极管和所述第二三极管；其中，所述第二三极管关断后，所述电源输入管脚接地。 [0028] 可选的，所述装置还包括用于拦截反向功率的环形器保护电路，所述环形器保护电路和所述功率放大电路的输出端连接。 [0029] 可选的，所述环形器保护电路包括环形器和滤波电路； [0030] 所述环形器的输入端和所述功率放大电路的输出端连接，所述环形器的输出端和所述滤波电路的输入端连接； [0031] 所述环形器的接地端通过泄放电阻接地。 [0032] 可选的，所述泄放电阻的阻值为50欧姆。 [0034] 本申请提供一种大功率高频信号发生装置，包括用于产生高频信号的震荡电路，用于增益震荡电路输出的高频信号，获得大功率高频信号的驱动放大电路和功率放大电路，以及过热保护电路，过热保护电路包括温度传感器；震荡电路、驱动放大电路和功率放大电路顺序串联；驱动放大电路的第一控制端和过热保护电路连接；过热保护电路用于在温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，通过第一控制端控制关闭驱动放大电路。本方案通过两级放大电路提高增益能力，能够获得更大功率的输出信号，并且过热保护电路能够在本装置温度过高时及时关闭驱动放大电路，起到过热保护的效果。 附图说明 [0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0036] 图1为本申请实施例提供的一种大功率高频信号发生装置的结构框图； [0037] 图2为本申请实施例提供的一种震荡电路的电路示意图； [0038] 图3为本申请实施例提供的一种驱动放大电路的电路示意图； [0039] 图4为本申请实施例提供的一种功率放大电路的电路示意图； [0040] 图5为本申请实施例提供的一种过热保护电路和功放开关电路的电路示意图； [0041] 图6为本申请实施例提供的另一种大功率高频信号发生装置的结构框图； [0042] 图7为本申请实施例提供的一种环形器保护电路的电路示意图。 具体实施方式[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0044] 实施例一 [0045] 为了解决信号发生器在发生大功率信号时过热的问题，本实施例提供一种大功率高频信号发生装置，请参见图1，为该装置的结构示意框图。 [0046] 如图1所示，该装置可以包括依次串联的震荡电路，驱动放大电路和功率放大电路。 [0048] 震荡电路产生的高频信号首先输入驱动放大电路，经过驱动放大电路进行第一次增益，本实施例中驱动放大电路对输入的高频信号的增益一般可以达到30dB左右。 [0049] 随后，经过驱动放大电路增益一次的高频信号输入功率放大电路，由功率放大电路进行第二次增益。功率放大电路增益后输出的信号，就是该装置输出的大功率高频信号。 [0050] 在本实施例中，功率放大电路输出的大功率高频信号直接输出给大功率信号发生装置外接的负载。 [0051] 除上述电路外，本实施例的装置还包括过热保护电路。过热保护电路和驱动放大电路的第一控制端连接。过热保护电路包括至少一个温度传感器，这些温度传感器可以被设置为用于检测功率放大电路的输出端的温度，具体的，可以将这至少一个温度传感器安装在靠近功率放大电路的输出端的位置。 [0052] 温度传感器内预先设定有特定的温度阈值，该温度阈值的高低可以按需设定，具体不做限定。一般温度阈值可以设定为本实施例的装置中各个元器件能够正常工作的温度区间的上限。 [0053] 例如，假设本实施例的装置内各电容、电阻、电感和集成芯片只有在最高不超过30摄氏度的温度下正常工作，超过该范围就有使用寿命缩短甚至发生故障的可能，则上述温度阈值可以设定为30摄氏度。 [0054] 过热保护电路被配置为，在温度传感器的检测温度(即功率放大电路的输出端附近的温度)大于温度阈值时，通过第一控制端控制驱动放大电路关闭。 [0055] 可以看出，在驱动放大电路关闭后，驱动放大电路以及连接在驱动放大电路之后的功率放大电路将停止工作，而大功率信号发生装置工作时大部分热量主要就由这两部分电路产生，随着这两部分电路停止工作，大功率信号发生装置的温度就不会再提高，甚至会在短时间内降低至低于温度阈值，由此，就可以防止大功率信号发生装置工作时温度过高而导致内部的元器件损坏，实现过热保护。 [0056] 进一步的，如图1所示，本实施例的装置还可以包括功放开关电路，功放开关电路通过过热保护电路和驱动放大电路连接，利用功放开关电路，用户可以在大功率信号发生装置正常工作时主动将该装置关闭，以便进行检查和维修等操作。 [0057] 下面具体说明上述各部分电路的具体结构并结合具体结构说明相关电路的工作原理。 [0058] 请参见图2，为本实施例提供的震荡电路的电路示意图。震荡电路包含的元器件、元器件之间的连接关系以及部分元器件的参数均请参见图2，不再赘述。 [0060] 震荡电路工作由12V的直流电源供电，X1在通电后可以产生一定频率(通常是10MHz至30MHz)的正弦波信号(即震荡信号)。起振电容C1和C2起到反馈作用，X1输出的震荡信号可以通过起振电容C1和C2进行微调，通过调整起振电容的参数可以在一定范围内调整X1输出的震荡信号的频率，经过调整后的震荡信号通过放大器Q1和Q2进行放大整形，最后经过放大整形的震荡信号，通过由电阻R9至R11组成π形电阻结构，到达震荡电路的输出端，即图1的输出端(OSC‑OUT)，由此进入下一级电路，也就是进入驱动放大电路。 [0061] π形电阻结构在本实施例中主要起到阻抗匹配和隔离下一级电路的作用。 [0062] 震荡电路其他元件的作用及其工作原理可以参见相关的技术文献，不再赘述。 [0063] 请参见图3，为本实施例提供的驱动放大电路的电路结构示意图，其中包含的元器件、元器件的参数和连接关系等均已在图3中标注，不再一一详述。 [0064] 驱动放大电路的核心为驱动放大器芯片U1，本实施例中驱动放大器芯片可以采用任意一款现有芯片，作为一个示例，本实施例中采用RF2114型号的驱动放大器芯片(以下简称驱动放大器)。 [0065] 本实施例中，驱动放大电路内采用的三极管为异形场效应管，整个驱动放大电路的总增益大约为30dB左右，输出到下一级电路，即功率放大电路的信号功率为常量，大约为+27dBm。 [0066] 驱动放大器的供电电压VCC可以设定为5V。 [0067] 驱动放大电路的输入端为OSC‑OUT，即驱动放大电路的输入端就是上一级的震荡电路的输出端。 [0068] 驱动放大电路的输入端通过电容C11和C12，以及电感L3和驱动放大器U1的输入端(即U1的管脚1)连接，其中L3和C12通过匹配成50欧姆的阻抗。 [0069] 驱动放大器的输出端为管脚13和管脚14，驱动放大器的输出端通过电感L4，以及电容C19和C20连接到驱动放大电路的输出端(即DRV‑OUT)，其中电感L4，以及电容C19和C20匹配成50欧姆的阻抗。U1驱动放大器的4脚为电源输入管脚，供电电压为5V，可通过控制这个引脚的输入电平为来控制U1芯片的开/断，进而控制后续功率输出。 [0070] 综上所述，震荡电路输出的高频信号，经过电容C11和C12，以及电感L3之后，进入驱动放大器U1，在驱动放大器U1中提高功率后，从驱动放大器U1的管脚13和14输出，接着经过电感L4，以及电容C19和C20到达驱动放大电路的输出端(DRV‑OUT)，由此进入下一级电路，即功率放大电路。 [0071] 驱动放大器的管脚4为电源输入管脚，在本实施例中通过控制该电源输入管脚的电平为高电平或低电平，就可以控制驱动放大器开或关，进而控制驱动放大电路开启或关闭。也就是说，驱动放大器的电源输入管脚，就是前文所述的驱动放大电路的第一控制端(可以记为TEMP&POWER_ON)。 [0072] 具体来说，当电源输入管脚为高电平时，驱动放大器处于开启状态，此时驱动放大器以及整个驱动放大电路正常工作，对输入的高频信号进行增益后输出；当电源输入管脚为低电平时，驱动放大器关闭，对应的驱动放大电路也关闭，驱动放大电路不工作，自然也不会向下一级电路输出经过一次增益后的高频信号。 [0073] 由此，过热保护电路在温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，通过第一控制端控制关闭驱动放大电路的具体方式可以是： [0074] 在温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，将驱动放大器芯片的电源输入管脚设置为低电平。 [0075] 驱动放大电路中其他元器件的作用及其工作原理可以参见相关的技术文献，不再赘述。 [0076] 请参见图4，为本实施例提供的功率放大电路的电路结构示意图，该功率放大电路包含的元器件、元器件的连接方式和参数均请参见图4的标注，不再赘述。 [0077] 功率放大电路的输入端为DRV‑OUT，换言之，功率放大电路的输入端，就是驱动放大电路的输出端。 [0078] 功率放大电路的核心为场效应晶体管Q6，Q6的供电电压为50V的直流电压。 [0079] 其中电容C39和C40，以及电感L9和L10组成电源滤波电路，用于过滤直流电压中的非直流信号。 [0080] Q6的栅极和源极之间设置有衰减电阻R18和R19，这两个电阻的阻值很小，因此Q6可以获得更稳定的功率增益。 [0081] 电感L6和L7，以及电容C26，C27，C30，C31，C32和C33组成功率放大电路和下一级电路之间的50Ω匹配电路，可以获得最大功率(最高可达50W)的放大输出。C34为直流滤波电容。 [0082] 进一步的，该功率放大电路设置有偏置电路，具体包括图4所示的电阻R18至R20，以及电容C12，其中R20和C12的公共端为该偏置电路的偏置端(Voltage)，在功率放大电路工作期间，通过调整偏置端输入的直流偏置电压，就可以改变Q6的增益大小，从而改变功率放大电路最终输出的信号的功率大小。 [0083] 可见，偏置端，相当于本实施例的信号发生装置中功率放大电路的第三控制端，第三控制端的电压可以用于调节功率放大电路的输出功率。 [0084] 在上述功率放大电路中，驱动放大电路输出的经过一次增益的高频信号，通过电容C23和C24，以及电感L5后从Q6的栅极进入Q6，由Q6进行第二次增益后从Q6的漏极输出，然后经过50Ω匹配电路后到达功率放大电路的输出端(POWER‑OUT)，从功率放大电路的输出端流入信号发生装置外部的负载。 [0085] 请参见图5，为本实施例提供的过热保护电路和功放开关电路的电路结构示意图。 [0086] 图5中，虚线框内的电路(即连接在电阻R16右侧的电路)可以视为功放开关电路，图5中除功放开关电路以外的其他电路结构，可以视为过热保护电路。 [0087] 首先对过热保护电路进行说明。 [0088] 过热保护电路包括第一控制支路和第二控制支路。 [0089] 第一控制支路包括第一电阻(即图5的R15)和第一三极管(即图5的Q5)，第一电阻的一端连接电源(即图5的VCC)，第一电阻的另一端和第一三极管Q5的源极连接，第一三极管的漏极接地，栅极和温度传感器(TEMP)连接。 [0090] 第二控制支路包括第二三极管(即图5的Q3)和第二电阻(即图5的R13)，第二三极管的漏极通过第二电阻接地，源极接电源，栅极连接于第一电阻与第一三极管的公共端。 [0091] 其中，第一控制端(即U1的电源输入管脚)连接于第二三极管和第二电阻的公共端。 [0092] 可选的，如图5所示，第二控制支路中Q3和R13之间还可以串联一个二极管D1，D1的输入端和Q3的漏极连接，D1的输出端和R13连接。特别的，当包括二极管D1时，第一控制端连接在D1和R13的公共端。 [0093] 基于上述电路结构，过热保护电路在温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，将驱动放大器芯片的电源输入管脚设置为低电平时，其具体工作原理可以是： [0094] 在温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，温度传感器将输出低电平，从而关断第一三极管和第二三极管；其中，第二三极管关断后，电源输入管脚接地。 [0095] 具体的，当温度传感器的检测温度高于温度阈值后，温度传感器输出低电平的信号，导致Q5的栅极为低电平，因此Q5关断。 [0096] Q5关断后，Q3的栅极也变为低电平，于是Q3也关断，相当于第二控制支路断路。这种情况下，通过电阻R13接地的第一控制端也相当于接地，因此第一控制端被置为低电平，进而导致驱动放大电路关闭。 [0097] 本实施例的信号发生装置还包括功放开关电路，根据第二控制端(POWER_ON)的信号关闭驱动放大电路。 [0098] 如图5所示，功放开关电路具体可以包括一个与非门芯片U2，其型号具体可以是74HC00。 [0099] 与非门芯片的输出端为管脚3，管脚3和第一三极管的栅极连接，与非门芯片的第一输入端(为管脚1)和第二输入端(为管脚2)均连接于功放开关电路的第二控制端。 [0100] 根据与非门的工作原理，当第二控制端输出的信号为低电平信号时，与非门芯片的管脚3输出高电平信号，此时如果温度传感器检测到的温度不高于温度阈值，则温度传感器也输出高电平的信号，Q5的栅极为高电平，对应的第一控制端就处于高电平状态，驱动放大电路正常工作。 [0101] 若要主动关闭驱动放大电路，也就是根据功放开关电路的第二控制端的信号关闭驱动放大电路时，功放开关电路按如下方式工作： [0102] 功放开关电路的第二控制端的信号为高电平信号时，与非门芯片输出低电平，从而关断第一三极管和第二三极管；其中，第二三极管关断后，电源输入管脚接地。 [0103] 也就是说，需要主动关闭驱动放大电路时，可以在第二控制端输出高电平信号，此时根据与非门的工作原理，U2的管脚3将输出低电平信号，使得Q5的栅极为低电平，此时和前述过热保护电路的工作原理类似的，Q3的栅极也为低电平，对应的第一控制端为低电平，驱动放大电路关闭。 [0104] 过热保护电路和功放开关电路中其他元器件的连接关系和参数等可以参见图5的标注，不再赘述。 [0105] 需要说明，图5所示的功放开关电路为可选的电路结构，在本申请一些可选的实施例中，可以不在大功率信号发生装置中设置该部分电路，仍然能够起到过热保护的作用。 [0106] 设置功放开关电路的作用在于： [0107] 能够在大功率信号发生装置正常工作期间，根据实际需求任意控制该装置的启停(主要控制驱动放大电路和功率放大电路的启停)，从而便于维护或者调整内部元器件的参数。 [0108] 本申请提供一种大功率高频信号发生装置，包括用于产生高频信号的震荡电路，用于增益震荡电路输出的高频信号，获得大功率高频信号的驱动放大电路和功率放大电路，以及过热保护电路，过热保护电路包括温度传感器；震荡电路、驱动放大电路和功率放大电路顺序串联；驱动放大电路的第一控制端和过热保护电路连接；过热保护电路用于在温度传感器的检测温度高于预设的温度阈值时，通过第一控制端控制关闭驱动放大电路。本方案通过两级放大电路提高增益能力，能够获得更大功率的输出信号，并且过热保护电路能够在本装置温度过高时及时关闭驱动放大电路，起到过热保护的效果。 [0109] 另外，本实施例还可以通过功率放大电路的第三控制端，微调信号发生装置输出的信号功率的大小，获得更准确的大功率高频信号。 [0110] 实施例二 [0111] 除了过热问题以外，当大功率信号发生装置的输出端所连接的负载工作异常或突然停止工作，负载的变化将会导致信号发生装置输出的大功率信号部分或全部作用于装置内部，这会导致信号发生装置损坏甚至引发安全事故。 [0112] 为了解决该问题，本实施例提供了另一种大功率信号发生装置，请参见图6，为本实施例提供的另一种大功率信号发生装置的结构示意框图。该装置包括震荡电路，驱动放大电路，功率放大电路，过热保护电路，功放开关电路和环形器保护电路。 [0113] 除环形器保护电路以外，其他各部分电路的连接关系，具体组成结构和工作原理均和实施例一相同，不再赘述。 [0114] 本实施例中，环形器保护电路为功率放大电路的下一级电路，也就是随后，和实施例一中功率放大电路直接输出信号给外部的负载不同，本实施例中功率放大电路输出的信号进入环形器保护电路，从环形器保护电路输出后再进入外部的负载。 [0115] 请参见图7，为环形器保护电路的结构示意图。环形器保护电路包括环形器F1，以及连接在环形器之后的滤波电路。环形器的输出端和滤波电路的输入端连接。滤波电路的输入端，可以视为图7中电容C41未接地的一端。 [0116] 滤波电路包括图7所示的电容C41至电容C52，以及电感L8和L9，以上元器件的参数和连接关系均请参见图7，不再赘述。 [0117] 其中环形器的输入端，就是整个环形器保护电路的输入端(即图7所示的POWER‑OUT)，也就是说，本实施例中环形器的输入端就是功率放大电路的输出端，功率放大电路增益后的大功率信号将直接进入环形器F1，然后从环形器F1的输出端进入滤波电路。 [0118] 滤波电路过滤掉进入的大功率信号的直流成分后，从C52处的输出端(OUT)输出大功率高频信号到外部的负载。 [0119] 环形器F1的接地端通过泄放电阻接地。泄放电阻的阻值可以根据实际需要选取，不做限定。示例性的，泄放电阻的阻值可以为50欧姆。 [0120] 在有环形器保护电路的前提下，当信号发生装置外部的负载工作异常或停止工作导致外部的反向功率从输出端(OUT)进入时，反向功率将从环形器F1的输出端进入环形器，但是会从环形器的接地端输出，最终在电阻R21上泄放到地，因此不会流入信号发生装置中功率放大电路和驱动放大电路等前端电路。 [0121] 所以通过设置环形器保护电路，可以起到保护信号发生装置中前端电路的作用。 [0122] 需要说明的是，上述图2至图5，以及图7所示的电路结构，均为本实施例的大功率信号发生装置中各部分电路的一种可选的具体实现方式，不应理解为对各部分电路的具体实现方式的限定。在本申请其他可选的实施方式中，也可以采用不同图2至图5，以及图7所示电路结构的其他电路结构作为本申请的装置中所述震荡电路、驱动放大电路、功率放大电路、环形器保护电路、过热保护电路和功放开关电路的具体电路结构。 [0123] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0124] 需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。 [0125] 专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈