專利名稱：熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波通訊設備技術領域，特別涉及熱電制冷在降低接收機中低噪聲放大器的結構設計。
背景技術：
無線射頻通訊模塊主要是由射頻發(fā)射模塊和接收模塊組成，接收模塊主要是針對空間中眾多的無線信號選出有用的信號并放大，供后端的射頻鏈路進行信號處理。由于傳輸路徑上的干擾和損耗以及多徑效應，天線接收到的信號是微弱多變的，因此對接收機的靈敏度要求很高，而低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的微弱信號進行放大，由噪聲級聯(lián)公式可知，前級放大器的噪聲系數(shù)對整個微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的噪聲水平直接影響了整個接收機的靈敏度，因此在其它指標如功率增益，動態(tài)范圍等滿足的情況下，具有低噪聲指標的放大器是射頻電路設計中最具有挑戰(zhàn)性的工作。 普通的低噪聲放大器受半導體器件水平的限制，目前比較成熟的低噪聲放大器的商業(yè)產(chǎn)品在各個頻段的噪聲水平大致為L波段為O. 5dB，S波段O. 8dB，C波段I. OdB左右，在一些需要低噪聲來提高接收機靈敏度的應用中，一般采取的方法是液氮制冷或者是制冷機制冷來使低噪聲放大器在低溫下運行，有效地降低熱噪聲和閃爍噪聲，從而得到較低的系統(tǒng)噪聲。液氮制冷或者是制冷機制冷由于制冷方式原因需要為射頻低溫低噪聲放大器建立一個真空結構來減小放大器與外界的熱交換，真空腔結構如圖I所示，在真空腔體i-ι中有氣密性同軸接頭1-2和1-3用于射頻信號的引入與引出，真空腔內(nèi)用導熱性差的半鋼同軸電纜1-4連接氣密封同軸接頭與低溫低噪聲放大器，低溫低噪聲放大器位于制冷機的冷頭
1-5上；真空腔外連接壓縮機以及配套的散熱裝置和與散熱裝置相邊的控制電路。當系統(tǒng)工作在低溫下，低溫低噪聲放大器的噪聲降低，但由于輸入端的同軸接頭和半鋼同軸電纜的插入損耗較大，從系統(tǒng)級來看，雖然放大器的噪聲得到了降低，但是由于同軸接頭和半鋼同軸電纜的插入損耗與放大器本身的噪聲水平是同一量級甚至要大于放大器本身的噪聲，因此得到的系統(tǒng)噪聲并沒有顯著降低，而且由于必須配有一定結構的真空腔體以及制冷機的壓縮機以及配套的散熱結構體積較大的問題，這樣的低溫系統(tǒng)相對來說重量和體積都不是很理想，對應用造成了一定的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出了一種熱電制冷的低溫低噪聲射頻放大器系統(tǒng)。本系統(tǒng)保證了低溫低噪聲射頻放大器在低溫工作時的防振、防水和隔熱，同時保證了射頻信號傳輸，能夠提高射頻接收系統(tǒng)的靈敏度。本發(fā)明提出的一種熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要包括密封隔熱腔體、設置于該腔體內(nèi)的熱電制冷組件、射頻低溫低噪聲放大器、溫度傳感器、散熱組件、熱傳導組件和電控組件；所述射頻低溫低噪聲放大器、熱電制冷組件、散熱組件依次通過熱傳導組件相連；電控組件分別與熱電制冷組件、散熱組件以及射頻低溫低噪聲放大器相連，溫度傳感器位于散熱組件靠近熱電制冷組件的一側(cè)，并通過導線與電控組件相連，實現(xiàn)溫度的監(jiān)控，使得系統(tǒng)工作在常溫狀態(tài)；該射頻低溫低噪聲放大器兩端的射頻輸入接口、射頻輸出接口固定在所述密封隔熱腔體兩端壁上。本發(fā)明的特點及有益效果本發(fā)明熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)采用熱電制冷器件使射頻低溫低噪聲放大器的工作溫度降低，得到低噪聲，并通過結構設計省去了輸入端的氣密封接頭和半鋼電纜，這樣相比以往的低溫設備避免了輸入端接頭和線纜的插入損耗，從而能夠得到較低的系統(tǒng)噪聲。熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)設備結構簡單，體積小巧，成本低，便于靈活應用。通過采用熱電制冷并采取相應的隔熱措施使得射頻低溫低噪聲放大器的工作溫度在200K-250K之間，有效地降低了放大器的熱噪聲，另外由于在射頻輸入端減少使用射頻線纜和接頭等使得放大器前輸入端無源器件總的插入損耗也相應降低，使得采用熱電制 冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的噪聲指標較常規(guī)放大器要低O. 3dB-0. 5dB，能夠達到在很小的體積下使射頻放大器的噪聲指標處于國際領先水平，將此系統(tǒng)應用在射頻接收機中作為前置低噪聲放大器可降低接收機的整體噪聲指標，提高接收機的靈敏度。


圖I為已有的采用壓縮機制冷真空封裝的低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的結構示意圖。圖2為本發(fā)明熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的示意圖。圖3是本發(fā)明SMA接口的熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的實施例結構示意圖。圖4是本發(fā)明波導接口的熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的實施例結構示意圖。圖5是本發(fā)明的熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)噪聲測試曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)，結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細的解釋說明。本發(fā)明提出的熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)如圖2所示，其主要包括密封隔熱腔體2-1，設置于該腔體內(nèi)的熱電制冷組件2-5、射頻低溫低噪聲放大器、溫度傳感器2-7、散熱組件2-8、熱傳導組件2-4和電控組件2-6 ;所述射頻低溫低噪聲放大器、熱電制冷組件2-5、散熱組件2-8依次通過熱傳導組件相連；電控組件2-6分別與熱電制冷組件、散熱組件以及射頻低溫低噪聲放大器相連，為它們供電，溫度傳感器2-7位于散熱組件
2-8靠近熱電制冷組件2-5的一側(cè)并通過導線與電控組件相連，實現(xiàn)溫度的監(jiān)控，當系統(tǒng)處于散熱不利的情況下，溫度傳感器探測到散熱組件溫度升高可結合電控組件將熱電制冷組件的電源關閉并保持射頻低溫低噪聲放大器和散熱組件的供電，使得系統(tǒng)工作在常溫狀態(tài)，保證射頻接收機的穩(wěn)定運行。本熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸入接口
2-2、射頻輸出接口 2-3固定在所述密封隔熱腔體兩端壁上。為了減小輸入端無源器件的插入損耗降低整個系統(tǒng)的噪聲，該射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸入接口直接采用本射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸入接口 ；該射頻低溫低噪聲放大器的輸出接口通過射頻同軸線纜與射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸出接口相連。本發(fā)明熱電制冷的低溫低噪聲射頻放大器系統(tǒng)，在結構緊湊的情況下實現(xiàn)了較低的噪聲，主要應用于射頻信號接收機中，提高系統(tǒng)的靈敏度。本發(fā)明的一種熱電制冷的低溫低噪聲射頻接收系統(tǒng)的各部件的具體實施方式
及功能詳細說明如下本發(fā)明的一種熱電制冷的低溫低噪聲射頻接收系統(tǒng)的實施例結構如圖3所示，兩塊散熱組件3-3由四根金屬立柱3-10相連并固定，在散熱組件外圍四個面放置面板組成了一個中空的密封隔熱腔體3-14，散熱組件一般是采用鰭狀金屬散熱片加風扇散熱或是在鋁板內(nèi)挖出水循環(huán)通道采用液體循環(huán)散熱的液冷散熱器。密封隔熱腔體內(nèi)放置射頻低溫低噪聲放大器3-2，本實施例的射頻低噪聲放大器可選用具有低噪聲、和寬的工作溫度 范圍等特點，射頻低溫低噪聲放大器在350K-200K之間能夠保證正常工作且各項參數(shù)指標能夠保持相對穩(wěn)定(放大器的制作工藝可參照射頻低溫低噪聲放大器專利，其專利號為200410074736);射頻低溫低噪聲放大器設置有鍍金鋁材料的外殼，保證導熱和電磁屏蔽。在射頻低溫低噪聲放大器的上下分別置有一組熱電制冷組件3-4，每組熱電制冷組件由并排間隔放置的P型導體顆粒單元和N型半導體顆粒單元組成的單層結構(每一個P型和每一個N型半導體顆粒組成一個單元)，將所有單元串聯(lián)起來的金屬(如鋁材料)層，以及在單層結構的上下兩側(cè)分別設置的一層導熱良好的絕緣體(一般采用導熱系數(shù)大于20W/m. K的熱導率良好的陶瓷復合材料)組成。該熱電制冷組件3-4還可以根據(jù)器件所需的工作溫度選擇單層、雙層或是多層制冷的方式。在熱電制冷組件的兩端設有用于固定熱電制冷組件的機械結構3-5 (采用了低熱導率的聚四氟乙烯(導熱系數(shù)O. 256ff/m. K)材料)。兩組熱電制冷組件的制冷端通過熱傳導組件3-7與射頻低溫低噪聲放大器外殼的上下兩面相連，熱傳導組件3-7采用了導熱良好的材料如金屬銦、或者是導熱硅膠等復合材料(熱導率大于2W/mK)制成的導熱墊片或熱管。熱電制冷組件的熱端通過熱傳導組件與散熱組件3-3的內(nèi)側(cè)面相連。在散熱組件靠近熱電制冷組件的熱端的地方放置溫度傳感器3-6并且溫度傳感器與電控組件3-15 ;電控組件位于密封腔體的后部空間，主要是由直流28V-6V轉(zhuǎn)換器、大功率開關和可調(diào)電阻組成，28V轉(zhuǎn)換到6V后串接可調(diào)電阻給射頻低溫低噪聲放大器供電，28V直流電源通過大功率繼電器給熱電制冷組件供電。溫度傳感器采用了過熱自動閉合的溫度開關，當系統(tǒng)散熱不利導致散熱組件溫度過高時，溫度傳感器閉合后控制斷開電控組件上的大功率繼電器，實現(xiàn)溫度過熱后斷開對熱電制冷組件的供電，使系統(tǒng)不再制冷，此時低溫低噪聲放大器系統(tǒng)處于常溫工作模式，保護系統(tǒng)不會過熱損壞(上述電控組件的控制功能屬常規(guī)技術)。以上結構置于密封隔熱腔體3-14中，腔體內(nèi)的其他空間由熱傳導差的聚氨酯材料(導熱系數(shù)O. 022W/m.K)、聚四氟乙烯(導熱系數(shù)O. 256W/m.K)、泡沫玻璃(導熱系數(shù)O. 058ff/m. K)或是硅膠等保溫好的材料填充，腔體的縫隙由硅膠或是玻璃膠填充，待固化后起到保溫、隔熱、防振和防水的作用。腔體的前面板3-8開孔使射頻低溫低噪聲放大器的射頻同軸輸入接口即系統(tǒng)的射頻同軸輸入接口 3-1由腔體內(nèi)露出，且利用硅膠、玻璃膠或是橡膠圈使輸入接口 3-1固定在前面板上，實現(xiàn)射頻信號的輸入。射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸出接口 3-16采用射頻同軸線纜3-11與固定在尾部的面板上的系統(tǒng)的射頻輸出接口 3-12相連，實現(xiàn)了射頻信號的輸出。系統(tǒng)總電源接口 3-13位于系統(tǒng)后面板3-9上，其通過導線與電控組件3-15相連實現(xiàn)了系統(tǒng)的電源輸入。在射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸出端口 3-16與系統(tǒng)射頻輸出接口 3-12之間還可以根據(jù)需要添加二級放大器、衰減器、移相器、濾波器、限幅器、自動增益控制器以及射頻直通旁路器件等之中的多個射頻器件，在輸入端根據(jù)設計需求還可加入限幅器，耦合器、隔離器、或是射頻開關等之中的多個射頻器件；因此本發(fā)明可降低接收機的噪聲，提高射頻接收機的靈敏度。圖4給出了一個以波導為輸入接口的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的實施例，其主結構與圖3相同，只是系統(tǒng)的射頻同軸輸入接口改成了波導接口 4-1，與之相配合的機械結構也做了一定的改動。相應地，系統(tǒng)的射頻輸出接口也可以根據(jù)需要改動。圖5為采用本實施例結構的L波段熱電制冷射頻接收系統(tǒng)的射頻鏈路部分的噪聲的測試結果，可以看出當制冷組件工作時，低溫低噪聲射頻放大器的工作溫度降到了220K，接收系統(tǒng)的噪聲為O. 3dB以下，而室溫300K時系統(tǒng)噪聲約為O. 6dB，噪聲系數(shù)提高了
O.3dB。
上述實施例中還可在本系統(tǒng)射頻輸入輸出接口前端添加一個射頻二轉(zhuǎn)一開關，可保證在不改變原接收機的射頻鏈路結構的情況下將本系統(tǒng)并入接收機中。使用二轉(zhuǎn)一開關切換射頻信號的通路可以控制射頻信號經(jīng)過原接收機的低噪聲放大器放大或是經(jīng)過射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)放大，這種并聯(lián)接入接收機系統(tǒng)的方式可使接收系統(tǒng)在高靈敏度和高可靠性下工作。雖然在上述實施例的基礎上對本發(fā)明進行了說明，但是本發(fā)明并不局限于此，具有相關領域背景知識的人可以在此基礎上進行多種變形。例如在散熱端，保溫端等采用不同的材料，比如散熱采用風冷和液冷不同的散熱形式，保溫材料選取聚氨酯、聚四氟乙烯等，制冷組件選用一級二級或是多級制冷等，以及在射頻鏈路前端后端添加不同功能的射頻組件等。這些變形也應屬于本發(fā)明的所保護的技術方案的范疇。
權利要求
1.一種熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要包括密封隔熱腔體、設置于該腔體內(nèi)的熱電制冷組件、射頻低溫低噪聲放大器、溫度傳感器、散熱組件、熱傳導組件和電控組件；所述射頻低溫低噪聲放大器、熱電制冷組件、散熱組件依次通過熱傳導組件相連；電控組件分別與熱電制冷組件、散熱組件以及射頻低溫低噪聲放大器相連，溫度傳感器位于散熱組件靠近熱電制冷組件的一側(cè)，并通過導線與電控組件相連，實現(xiàn)溫度的監(jiān)控，使得系統(tǒng)工作在常溫狀態(tài)；該熱電制冷射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸入接口、射頻輸出接口固定在所述密封隔熱腔體兩端壁上；該射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸入接口直接采用本射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸入接口 ；該射頻低溫低噪聲放大器的輸出接口通過射頻同軸線纜與射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸出接口相連。
2.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的熱電制冷組件為分別置于射頻低溫低噪聲放大器的上下兩組熱電制冷組件，每組熱電制冷組件由并排間隔放置的P型導體顆粒單元和N型半導體顆粒單元組成的單層結構，將所有單元串聯(lián)起來的金屬層，以及在單層結構的上下兩側(cè)分別設置的一層導熱絕緣體組成。
3.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的每組熱電制冷組件由并排間隔放置的P型導體顆粒單元和N型半導體顆粒單元組成的雙層或多層結構，將所有單元串聯(lián)起來的金屬層，以及在雙層或多層結構的上下兩側(cè)分別設置的一層導熱良好的絕緣體組成。
4.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的密封隔熱腔體主要由兩塊散熱組件，連接并固定兩塊散熱組件的四根金屬立柱，以及放置在散熱組件外周的四個面板組成；該腔體內(nèi)的空間填充有保溫材料，腔體的縫隙填充有硅膠或是玻璃膠；腔體的前面板開有使射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸入接口由腔體內(nèi)露出的孔，使該射頻輸入接口固定在前面板上的硅膠、玻璃膠或橡膠圈；固定在腔體的尾部面板上的同軸輸出接頭，該同軸輸出接頭通過同軸射頻線纜與射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸出端口相連。
5.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)的射頻輸入接口為射頻同軸接頭或波導接口。
6.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在射頻低溫低噪聲放大器的射頻輸出端口與系統(tǒng)射頻輸出接口之間添加二級放大器、衰減器、移相器、濾波器、限幅器、自動增益控制器以及射頻直通旁路器件之中的多個射頻器件，在輸入端加入限幅器，耦合器、隔離器、或是射頻開關之中的多個射頻器件。
7.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述散熱組件采用鰭狀金屬散熱片加風扇散熱或液冷散熱器；所述熱傳導組件采用硅脂，導熱墊片或是熱管。
8.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在所述系統(tǒng)射頻輸入輸出接口前端添加一個射頻二轉(zhuǎn)一開關。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用熱電制冷的射頻低溫低噪聲放大器系統(tǒng)，屬于微波通訊技術領域，該系統(tǒng)主要包括:密封隔熱腔體、設置于腔體內(nèi)的熱電制冷組件、射頻低溫低噪聲放大器、溫度傳感器、散熱組件、熱傳導組件和電控組件；射頻低溫低噪聲放大器、熱電制冷組件、散熱組件依次通過熱傳導組件相連；電控組件分別與熱電制冷組件、散熱組件以及射頻低溫低噪聲放大器相連，溫度傳感器位于散熱組件靠近熱電制冷組件的一側(cè)，并與電控組件相連，該射頻低溫低噪聲放大器兩端的射頻輸入接口、射頻輸出接口固定在所述密封隔熱腔體兩端壁上。本系統(tǒng)保證了低溫低噪聲射頻放大器在低溫工作時的防振、防水和隔熱，同時能夠提高射頻接收系統(tǒng)的靈敏度。
文檔編號H03F1/26GK102832890SQ20121028290
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權日2012年8月9日
發(fā)明者王瑞豐, 張國勇, 牛生寶, 姜立楠, 曹必松, 馬驍 申請人:綜藝超導科技有限公司