CN101378262B - Uhf宽频带发射机的功放保护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种UHF宽频段发射机功放的保护装置和方法，包括输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、功率放大器、输出采样单元、功放控制单元、温度检测、电源检测、控制方法；射频信号通过输入过功率保护单元，通过输出过功率保护和输出驻波比保护单元，进入功率放大器，最后通过输出采样单元；功放控制单元是控制中心用于加载控制程序，得到功放工作状态的各种数据，设定控制输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、电源检测。本发明有益的效果：通过把几个单元有效地整合在一起，全方位有效可靠保护UHF宽频段发射机的功放，增加发射机工作的可靠性和实用寿命。

Description

UHF宽频带发射机的功放保护装置和方法

技术领域

本发明涉及数字电视广播和移动通信系统发射机技术，特别适用于UHF宽频带数字广播电视发射机的功放保护装置和方法。

背景技术

在移动通信系统和数字广播通信系统中，特别是数字电视广播通信系统，为满足其覆盖范围大的要求，其发射机射频输出功率都非常大，达到千瓦级。发射机中的射频功放都工作在大电流高功率的状态，而且射频功放的性能直接影响系统的性能和电磁覆盖效果。为了使射频功放安全可靠地工作，在功放电路中需要比较完善的功放保护自动控制电路，比如输入过功率保护、输出过功率保护、机内高温保护、输出驻波比保护、电源故障保护，使发射机的射频功放在保证安全的前提下输出大的射频功率。宽频段发射机功放的工作在很宽的频段内，数字电视广播系统的频率为470～860MHz，功放在这么宽的频段内的工作特性差别很大，实现上述保护需要考虑的因素很多，难度也大大增加。

目前对发射机功放的保护都主要针对窄带通信系统，如GSM、CDMA、WCDMA，采用的方法是直接关闭的方式。例如，当检测到发射机的温度过高时(即发射机的温度超过预先设定的高温门限)，一般直接采用关闭发射机功放的方法进行保护，采用这种方法虽然能保护功放，但发射机的覆盖范围没有了，通信完全中断，影响业务。电视广播向数字化方向的迅猛发展，对发射机的功放保护提出了更高的要求。对于470～860MHz UHF数字电视发射机，它有如下特点：工作频带非常宽，有390MHz，造成发射机在整个频段的增益波动很大，而且发射机末级功放的P1dB压缩点在这个频段内差异也很大；发射的信号采用64QAM调制方式，信号的峰均值比非常高，高达到12dB，功放工作时峰值功率很容易达到P1dB压缩点；发射机输入信号的范围变化比较大，一般要求在发射机功放的输入信号的范围为—10～0dBm，这要求功放在输入信号从—10dBm突然跳跃到0dBm时功放还能正常工作；发射机的输出功率非常大，平均功率达到上千瓦，功放工作时电流都非常大。这些特征都使470～860MHz UHF发射机功放非常容易被烧毁，而且功放设备是发射机中最昂贵的部分。这就要求功放的保护措施要面面俱到，反应灵敏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种UHF宽频段发射机的功放保护装置和方法。保证发射机功放的性能和质量，降低功放对系统性能的影响。

为解决上述问题本发明提出的UHF宽频段发射机的功放保护装置，包括输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、功率放大器、输出采样单元、功放控制单元、温度检测、电源检测、控制方法；射频信号首先通过输入过功率保护单元，其次通过输出过功率保护和输出驻波比保护单元，然后进入功率放大器，最后通过输出采样单元；所述的功放控制单元是控制中心用于加载控制程序，它从输入过功率保护单元、输出采样单元、温度检测、电源检测模块得到功放工作状态的各种数据，并分析处理判断这些数据，设定控制输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、电源检测。

输入过功率保护单元，主要确定功放的输入信号状态、补偿宽频段功放在整个频段的增益平坦度。它包括耦合器、数控衰减器、射频开关、输入功率检测器、比较器；射频输入信号首先通过耦合器，然后通过数控衰减器，最后通过射频开关；射频信号耦合器的取样，为保证在470～860MHz宽频带范围内输入信号功率检测精度，在整个频带范围内取样平坦度需要小于±0.2dB。R2、R3、R4组成的π型衰减器调整取样射频信号的功率大小，有利于提高检测精度和提高检测的动态范围，这三个电阻的大小需要根据输入信号的功率、耦合器的取样率、输入检测的检测范围等因素来确定。射入功率检测器把调整后的取样射频信号功率转换成可以测量的电压信号。转换后的电压信号分成两路，一路输入到功放控制单元中的A/D采样模块，进行量化分析处理得到输入功率的大小；另外一路进入到比较器，比较器中的输入功率门限设定信号由功放控制单元的A/D模块来设定，设定的门限信号使输入功率在要求的范围内(如—10dBm～0dBm)，比较器的输出是一个高低电平，控制射频开关。如果输入信号在设定的范围内，比较器输出低电平，射频开关闭合，输入信号可以进入到功放；如果输入信号不在设定的范围内，比较器输出高电平，射频开关断开，输入信号不能进入到功放。射频开关在断开的时候要求高隔离度，至少50dB；闭合的时要求低插损。射频通路中的数控衰减器是0.5dB步进、动态范围为30dB、由6位数字信号控制的衰减器，它的衰减量由功放控制单元来控制，在不同频率设置不同的衰减量，补偿功放在470～860MHz范围内的平坦度，具体操作详见控制方法。

输出过功率保护和输出驻波比保护单元，包括压控衰减器U1、NPN晶体管、PNP晶体管、运算放大器U2、快速比较器U3/U4、电阻R5/R6、电容C1/C2/C3；所述的压控衰减器U1一个脚接输入端(节点1)，一个脚接输出端(节点2)，一个脚接电压控制端(节点3)；所述的NPN晶体管，E极接节点3，B极接节点9，C极接节点4(+12V)；所述的PNP晶体管，E极接节点9，B极接节点11，C极接节点10(GND)；所述的运算放大器U2，同相端接节点5(输出设定信号)，反相端接节点7，输出端接节点8；所述的快速比较器U3，同相端接节点13(输出过功率设定信号)，反相端接节点12(输出功率电压信号)，输出端接节点11；所述的快速比较器U4，同相端接节点15(输出驻波比设定信号)，反相端接节点14(反射功率电压信号)，输出端接节点11；所述的电阻R5，一脚接节点8，一脚接节点9；所述的电阻R6，一脚接节点6(输出功率电压信号)，一脚接节点7；所述的电容C1，一脚接节点7，一脚接节点8；所述的电容C2，一脚接节点7，一脚接地(GND)；所述的电容C3，一脚接节点11，一脚接地(GND)。

输出采样单元，包括耦合器、电阻、输出功率检测器、反射功率检测器；所述的耦合器工作频段为470～860MHz，在这频段内插损小于0.3dB，取样平坦度小于±0.2dB；所述的输出功率检测器和反射功率检测器是把射频信号的功率转换成电压信号，它必须是真值功率检测器，它可以为ADL5501。

温度检测，它可以检测出功放的工作温度，它可以为LM75CIMM。

电源检测，它可以检测电源是否故障、检测功放电流，并能关断功放的供电。

功放控制单元，它是一个微处理器系统；所述的微控制器系统包括10bit A/D转换器，将模拟的电压信号转换为数字信号；所述的微控制器系统包括ARM内核，能运行复杂的算法；所述的微控制器系统包括存储模块，用于存储程序和数据；所述的微控制器系统包括10bitD/A转换器，将数字信号转换为模拟电压信号；所述的微控制器系统中的MCU可以为LPC2103；

控制方法，控制方法包括如下：

a.初始化一些参数，包括输入信号功率上下限、输出功率设定值、输出驻波比设定值、输出过功率设定值、功放温度上下限；

b.如果检测到输入信号功率不在设定的上下限范围内时，关闭功放，射频开关断开，如权利要求2所述的数控衰减器设置为30dB；

c.如果检测到输入信号功率在设定的上下限范围内，连通功放的电压开关，连通射频开关，数控衰减器以1dB为步进从30dB开始递减，每递减1dB都需要检测输出功率，判断输出功率是否达到输出功率设定值；如果没有达到设定值，继续递减，直到数控衰减器的值为0dB为止；如果达到设定值，数控衰减器的值再递减2dB(步径变为0.5dB)；

d.检测到功放电流不正常时，关闭功放，射频开关断开，数控衰减器设置为30dB；

e.检测到输出驻波比不正常时，关闭功放，射频开关断开，数控衰减器设置为30dB；

f.检测温度，如果温度超过设定的温度门限，则输出功率降低3dB，等待10分钟，如果温度还是超过设定的门限，输出功率再降低3dB，再等待10分钟，如果温度还高于设定的温度门限，则关闭功放；反则，如果温度降低到某一温度后，输出功率回升3dB。

g.设定新的输出功率时，重复步骤b、c。

本发明有益的效果：本发明装置和方法通过把几个单元有效地整合在一起，全方位有效可靠保护UHF宽频段发射机的功放，增加发射机工作的可靠性和实用寿命，能有效保护UHF宽频段发射机功放，确保功放的性能和质量。

附图说明

附图1是本发明装置的整体框图；

附图2是输入过功率保护单元框图；

附图3是输出过功率保护和输出驻波比保护单元框图；

附图4是输出采样单元框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述：

本发明装置和方法是针对宽频带发射机功放。从功放的输入和输出特性，既有软件又有硬件来全方位保护功放。该装置主要包括输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、功率放大器、输出采样单元、功放控制单元、温度检测、电源检测、控制方法。射频信号首先通过输入过功率保护单元，其次通过输出过功率保护和输出驻波比保护单元，然后进入功率放大器，最后通过输出采样单元；所述的功放控制单元是控制中心用于加载控制程序，它从输入过功率保护单元、输出采样单元、温度检测、电源检测等模块得到功放工作状态的各种数据，并分析处理判断这些数据，设定控制输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、电源检测。

1.输入过功率保护单元(如图2)，包括耦合器、数控衰减器、射频开关、输入功率检测器、比较器；射频输入信号首先通过耦合器，然后通过数控衰减器，最后通过射频开关。射频信号通过耦合器取样，为保证在470～860MHz宽频带范围内的检测精度，耦合器在470～860MHz宽频带范围内的取样平坦度需要小于±0.2dB。R2、R3、R4组成的π型衰减器调整取样后的射频信号功率大小，使输入功率检测器达到最佳的精度和最大的检测范围，三个电阻的阻值大小由衰减量得到的，而衰减量由射频输入信号功率大小、耦合器的取样比例、输入功率检测器的检测范围等确定的。输入功率检测器把调整后的取样射频信号功率转换成可以测量的电压信号。转换成的电压信号分成两路，一路进入功放控制单元的A/D模块，进行量化分析处理得到输入射频信号的功率大小；另一路进入比较器，和预先设定的输入信号功率高低门限进行比较得出一个高低电平来控制射频开关，输入信号功率高低门限由功放控制单元通过D/A模块设定。如果输入信号功率在设定门限范围内，比较器输出低电平，射频开关闭合，输入射频信号低插损通过；如果输入信号功率不在设定门限范围内，比较器输出高点平，射频开关断开，输入射频信号就不能进入功放。射频链路中的数控衰减器是0.5dB步进、动态范围为30dB、由功放控制单元设置其衰减量，在470～860MHz宽频段内，功放控制单元会根据输入信号的频率、输入信号的功率大小、功放在这一频率的增益特性等因素来确定数控衰减器的衰减量，补偿功放在宽频带内的增益平坦度，使功放的工作在最佳的增益。衰减器的具体操作详见控制方法。

2.输出过功率保护和输出驻波比保护单元(如图3)，在功放的输出功率超过预先设定的输出过功率门限或反射功率超过预先设定的输出驻波比门限时，此单元能在几nS内迅速把功放的射频输入信号功率衰减到最小。包括压控衰减器U1、NPN、PNP、运算放大器U2、快速比较器U3/U4、电阻R5/R6、电容C1/C2/C3。压控衰减器U1是受电压控制的衰减器，控制电压越大，它的衰减量越小；反之，控制电压越小，它的衰减量越大。压控的输入端和输入保护单元的输出直接相连，输出端和功放的输入相连。运算放大器U2、电阻R5/R6、电容C1/C2、NPN晶体管组成输出功率设定电路，控制压控衰减器的基本电压大小。输出采样单元的输出功率电压信号首先通过R6和C2进行滤波平均处理后到运算放大器U2的反相输入端，功放控制单元通过D/A模块设定的输出设定信号接运算放大器U2的同相输入端。运算放大器的同相和反相端相互比较，通过电容C1积分，在运算放大器的输出端输出一个电压，此电压通过电阻R5后输入到NPN晶体管，射极跟随得到最后的压控衰减器的控制电压，此控制电压使输出功率电压信号等于输出设定信号。NPN晶体管作用是提高运算放大器的电流驱动能力。输出过功率保护和输出驻波比保护通过晶体管PNP、电容C3、快速比较器U3/U4来实现。功放控制单元通过D/A模块设定输出过功率信号接快速比较器U3的同相输入端，输出功率电压信号接快速比较器U3的反相输入端。当输出功率电压信号超过输出过功率设定信号时，快速比较器的输出端为低电平，PNP晶体管导通，运算放大器U2的输出电压通过电阻R5和PNP晶体管快速向地放电，使压控衰减器的控制电压为0衰减量最大，此时输出功率电压信号肯定小于输出过功率设定信号，比较器的输出电平通过电阻R5、PNP晶体管和电容C3形成充电电路缓慢增大，压控衰减器的控制电压也缓慢增大，大概需要十几mS才能使输出功率恢复设定值为止。输出设定信号一定要小于输出过功率设定信号。输出驻波比保护的过程和输出功率的保护过程一样，但如果连续3次检测输出驻波比不好，功放控制单元会关闭功放，把输入保护单元中的数控衰减器设置为30dB，把输入保护单元的射频开关断开。输出过功率保护和输出驻波比保护既可以单独起作用，又可以联合起来作用，相互之间无影响。

3.输出采样单元(如图4)，对射频输出信号功率采样，反馈到功放控制单元、输出过功率保护和输出话驻波比保护单元。功放的射频输出信号通过耦合器取样射频输出信号和射频反射信号。取样出来的输出信号通过电阻R6/R7/R8组成的衰减器调整取样输出信号的功率大小。输出功率检测器把调整后的取样射频输出信号的功率转换成电压信号。转换出来的输出功率电压信号分成两路，一路进入功放控制单元的A/D模块进行量化分析处理得到输出功率大小，另外一路反馈到输出过功率保护和输出驻波比保护单元。取样出来的反射信号通过电阻R9/R10/R11组成的衰减器调整取样反射信号的功率大小。反射功率检测器把调整后的取样射频反射信号的功率转换成电压信号。转换出来的反射功率电压信号分成两路，一路进入功放控制单元的A/D模块进行量化分析处理得到反射功率大小，另一路反馈到输出过功率保护和输出驻波比保护单元。检测出来的输出功率大小和反射功率大小可以计算出输出端口驻波比。

4.温度检测，它可以检测出功放的工作温度，并由功放控制单元读取分析处理，做出对应温度的控制。

5.电源检测，它可以检测电源是否故障、检测功放电流，并能关断功放的供电。电源检测的数据由功放控制单元读取分析处理，并做出相应的控制。

6.功放控制单元，它是一个微处理器系统。包括10bit A/D转换器，将模拟的电压信号转换为数字信号。包括ARM内核，能运行复杂的算法，计算输入功率、输出功率、反射功率、功放电流等。包括存储模块，用于存储程序和数据。包括10bit D/A转换器，将数字的信号转换为模拟电压信号，设定各个门限。

7.控制方法，控制方法包括如下：

a.初始化一些参数，包括输入信号功率上下限、输出功率设定值、输出驻波比设定值、输出过功率设定值、功放温度上下限；

b.如果检测到输入信号功率不在设定的上下限范围内时，关闭功放，所述的射频开关断开，所述的数控衰减器设置为30dB；

c.如果检测到输入信号功率在设定的上下限范围内，连通功放的电压开关，连通所述的射频开关，所述的数控衰减器以1dB为步进从30dB开始递减，每递减1dB都需要检测输出功率，判断输出功率是否达到输出功率设定值；如果没有达到设定值，继续递减，直到数控衰减器的值为0dB为止；如果达到设定值，数控衰减器的值再递减2dB(步径变为0.5dB)；

d.检测到功放电流不正常时，关闭功放，所述的射频开关断开，所述的数控衰减器设置为30dB；

e.检测到输出驻波比不正常时，关闭功放，所述的射频开关断开，所述的数控衰减器设置为30dB；

f.检测温度，如果温度超过设定的温度门限，则输出功率降低3dB，等待10分钟，如果温度还是超过设定的门限，输出功率再降低3dB，再等待10分钟，如果温度还高于设定的温度门限，则关闭功放；反则，如果温度降低到某一温度后，输出功率恢复3dB。

g.设定新的输出功率时，重复步骤b、c。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变就可以用于在其它频段实现功率保护，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种UHF宽频段发射机的功放保护装置，其特征在于：该装置包括输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、功率放大器、输出采样单元、功放控制单元、温度检测模块和电源检测模块；射频信号首先通过输入过功率保护单元，其次通过输出过功率保护和输出驻波比保护单元，然后进入功率放大器，最后通过输出采样单元；所述的功放控制单元用于加载控制程序，它从输入过功率保护单元、输出采样单元、温度检测模块、电源检测模块得到功放工作状态的各种数据，并分析处理判断这些数据，设定控制输入过功率保护单元、输出过功率保护和输出驻波比保护单元、电源检测模块；

所述的输入过功率保护单元包括耦合器、数控衰减器、射频开关、输入功率检测器和比较器；射频输入信号首先通过耦合器，然后通过数控衰减器，最后通过射频开关；所述耦合器的取样端对射频信号取样后通过电阻R2、R3、R4组成的π型衰减器调整射频信号功率大小后进入到输入功率检测器；所述的耦合器在470～860MHz宽频段范围内的取样平坦度小于0.2dB；所述的数控衰减器是0.5dB步进、动态范围为30dB、由6位数字信号控制的衰减器；所述的射频开关是高隔离度单刀双掷的射频链路开关，闭合时射频信号低插损通过，断开时输入输出之间的损耗大于50dB；所述的输入功率检测器用于把射频信号的功率转换成电压信号后进入比较器；所述的比较器的输出信号用于控制射频开关。

2.根据权利要求1所述的UHF宽频段发射机的功放保护装置，其特征在于：所述的功放控制单元包括10bit A/D转换器，用于将模拟的电压信号转换为数字信号；ARM内核，用于运行算法；存储模块，用于存储程序和数据；10bit D/A转换器，用于将数字信号转换为模拟电压信号。

3.一种UHF宽频段发射机的功放保护控制方法，其特征在于：控制方法包括如下步骤：

a.初始化参数，包括输入信号功率上下限、输出功率设定值、输出驻波比设定值、输出过功率设定值、功放温度上下限；

b.如果检测到输入信号功率不在设定的上下限范围内时，关闭功放，射频开关断开，数控衰减器设置为30dB；

c.如果检测到输入信号功率在设定的上下限范围内，打开功放的电压开关，打开射频开关，数控衰减器以1dB为步进从30dB开始递减，每递减1dB都需要检测输出功率，判断输出功率是否达到输出功率设定值；如果没有达到设定值，继续递减，直到数控衰减器的值为0dB为止；如果达到设定值，数控衰减器的值再递减2dB，步进变为0.5dB；

d.检测到功放电流不正常时，关闭功放，射频开关断开，数控衰减器设置为30dB；

e.检测到输出驻波比不正常时，关闭功放，射频开关断开，数控衰减器设置为30dB；

f.检测温度，如果温度超过设定的温度上下限，则输出功率降低3dB，等待10分钟，如果温度还是超过设定的上限，输出功率再降低3dB，再等待10分钟，如果温度还高于设定的温度上限，则关闭功放；反则，如果温度降低到某一温度后，即低于下限，则输出功率回升3dB；

g.设定新的输出功率时，重复步骤b、c。

4.根据权利要求3所述的UHF宽频段发射机的功放保护控制方法，其特征在于：在步骤c中使UHF宽频段发射机的功放增益在整个频带内一定，补偿功放在整个频带范围内的增益波动。

5.根据权利要求3所述的UHF宽频段发射机的功放保护控制方法，其特征在于：步骤f中根据不同温度，修改输出功率设定值，改变输出功率，使发射机在高温情况下还能保持一定范围的电磁覆盖。

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