CN102075711A - 多通道射频相位匹配控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道射频相位匹配控制装置和方法，包括输入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、输出耦合器、输入功率检测器、输出功率检测器和微控制器。射频信号经过输入耦合器提取部分输入信号检测输入整个装置的输入功率，接着通过多通道功率分配器把射频信号分成多个支路，每个支路的射频信号都需要通过相位移位器和功率放大器进行相位调整和功率放大，然后所有支路通过多通道大功率合成器，把所有支路的射频功率相加后进入到输出耦合器，输出耦合器用来提取输出信号检测整个装置的输出功率。本发明有益的效果是：使各个通道的射频信号在功率合成时的相位一致，减少由于相位误差带来的合成损耗。

Description

多通道射频相位匹配控制装置和方法

技术领域

本发明涉及数字电视多通道射频相位匹配控制领域，主要是一种多通道射频相位匹配控制装置和方法。

背景技术

数字电视广播技术(包括卫星广播、电缆广播及地面广播)是最近十几年发展起来的高新技术。目前已经成为包括我国在内的全球信息产业的重要组成部分。这一技术的发展，引发了广播电视业界的一场技术革命。广播电视从黑白电视、彩色电视，正进入数字化时代。近年来，随着功率合成技术逐步成熟，使得大功率功放模块广泛应用在广播电视发射机上。全固态发射机从小功率的100W、300W逐渐发展到大功率的1KW、3KW甚至5KW以上，其具有高效、稳定、安全及易维护等优点，成为目前广播电视的主流设备。功放模块中，功放器件采用MOS FET/金属-氧化物-半导体场效应管。但是MOS FET单个固态功放单元最大输出功率一般不超过500W，为了达到发射机的额定输出功率，必须采用功率合成技术，将多个各自独立的固态功放单元的输出功率进行合成，以获得足够大的输出功率。

射频功率合成应满足功率相加条件。同级各个放大单元输出的相位相等时，如果每个放大单元供给匹配负载的额定功率为Pi，则n个放大单元输出负载的总功率为nPi。这就要求功率合成时各个通道的相位特性一样。但由于器件的离散性等原因，不可能每个通道的相移量都是一样的，这样在功率合成时必然会有相位误差。相位误差又会影响功率合成的效率。所以需要在每个通道增加相位调整的电路，保证在功率合成时各个通道的相位是一致的。

发明内容

本发明的目的正是要克服通信系统工作制式为FDD时收发射频链路不能共用的难题，而提供一种多通道射频相位匹配控制装置和方法，特别适应于多路射频大功率合成。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种多通道射频相位匹配控制装置，包括输入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、输出耦合器、输入功率检测器、输出功率检测器和微控制器。射频信号经过输入耦合器提取部分输入信号检测输入整个装置的输入功率，接着通过多通道功率分配器把射频信号分成多个支路，每个支路的射频信号都需要通过相位移位器和功率放大器进行相位调整和功率放大，然后所有支路通过多通道大功率合成器，把所有支路的射频功率相加后进入到输出耦合器，输出耦合器用来提取输出信号检测整个装置的输出功率。检测出来的输入输出功率信号送入到微控制器进行量化分析处理后，采用输出功率最大化的自适应准则分别控制各个通道的相位移位器，使各个通道的射频信号在功率合成时的相位一致，减少由于相位误差带来的合成损耗。

输入耦合器提取部分输入信号输送到输入功率检测器，把射频输入信号功率转化为控制器能测量的模拟直流信号；

输出耦合器提取部分输出信号输送到输出功率检测器，把射频输出信号功率转化为控制器能测量的模拟直流信号；

多通道功率分配器，用于把射频信号等功率分成至少三个支路，分配的多个通道的射频幅度和相位特性完全一样；

多通道大功率合成器，用于把至少三个支路的射频信号合成在一起，实现多个射频支路信号的功率相加的功能。此合成器必须能承受不少于1000W的平均功率。合成器的输入支路数必须和分配的输出支路数相同；

相位移位器，由一个电桥和两颗变容二极管组成。电桥把射频信号分成两路，通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与电桥输入端对应的隔离端输出；微控制器控制变容二极管的反向电压，改变反向电压的大小改变变容二极管的电容值，从而达到控制射频信号相移量的目的。

功率放大器，由多级射频链路组成，实现射频信号的功率放大，至少输出400W的平均功率。

作为优选，输入耦合器的耦合系数不能小于20dB，这样可以使输入耦合器的插损很小。输出耦合器的耦合系数不能小于40dB，这样可以使输出耦合器的插损很小，减少输出功率损耗。

作为优选，微控制器，包括8个通道的10bit A/D转换器，将模拟的电压信号转换为数字信号；包括8个通道的10bit D/A转换器，将数字信号转化为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种复杂算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。

本发明所述的多通道射频相位匹配控制方法，采用相位匹配控制算法，使各个通道的射频信号在到达多通道大功率合成器合成时的相位一致，包括如下步骤：

a.上电后，初始化各个通道内相位移位器的控制电压P1、P2、……、Pn；

b.采样量化输入功率检测器输出的直流信号，记录此时的射频输入功率；

c.依次调整各个通道内相位移位器的控制电压，使输出功率检测器输出的直流信号达到最大值；

d.循环跳转至步骤b。

本发明有益的效果是：本发明提出一种多通道射频相位匹配控制装置和方法，使各个通道的射频信号在到达合成器合成时的相位，减少由于相位误差带来的合成损耗，提高合成效率。

附图说明

附图1是本发明原理框图；

附图2是相位移位器原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及举例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的举例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种多通道射频相位匹配控制装置和方法，包括输入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、输出耦合器、输入功率检测器、输出功率检测器和微控制器，实现多通道射频大功率合成的功能。

输入耦合器和输入功率检测器，输入耦合器提取部分输入信号输送到输入功率检测器，把射频输入信号功率转化为控制器可以测量的模拟直流信号。输入耦合器的耦合端用于提取输入的射频信号，耦合系数不能小于20dB，这样可以降低输入耦合器的插损，输入信号低损耗通过输入耦合器，更多的射频功率进入到后面各个通道进行功率放大。输入功率检测器采用真值功率检测器，进入到检测器输入端的射频功率(单位为dBm)和转换后输出的直流电压信号成正比例关系，输入到检测器的信号功率越大，转换后输出的直流信号也越大。采用真值功率检测方式大大可降低输入信号峰均值比(PAR)对检测精度的影响。

输出耦合器和输出功率检测器，输出耦合器提取部分输出信号输送到输出功率检测器，把射频输出信号功率转化为控制器可以测量的模拟直流信号。输出耦合器的耦合端用来提取输出的射频信号，耦合系数不能小于40dB，这样可以使输出耦合器的插损很小，减少输出功率损耗，提高整个系统的效率。输出功率检测器也采用真值功率检测器，进入到检测器输入端的射频功率(单位为dBm)和转换后输出的直流电压信号成正比例关系，输入到检测的信号功率越大，转换后输出的直流信号也越大。

多通道功率分配器，把射频信号等功率分成至少三个支路。分配的多个通道的射频幅度和相位特性完全一样。

多通道大功率合成器，其特征在于：把至少三个支路的射频信号合成在一起，实现多个射频支路信号的功率相加的功能。此合成器必须能承受不少于1000W的平均功率。合成器的输入支路数必须和分配的输出支路数相同。

相位移位器(如附图2所示)，主要由一个3dB电桥CP1和两颗变容二极管D1、D2组成。3dB电桥把射频信号分成两路(电桥CP1的3、4脚)，通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与3dB电桥输入端(电桥CP1的1脚)对应的隔离端(电桥CP1的2脚)输出。变容二极管的反向电压由为控制器控制(PiSet)。改变反向电压的大小可以改变变容二极管的电容值，从而达到控制射频信号相移量的目的。为控制器输出的控制电压在0～12V范围内，相移器的相移在0～105°范围内。

微控制器，包括8个通道的10bit A/D转换器，将模拟的电压信号转换为数字信号；包括8个通道的10bit D/A转换器，将数字信号转化为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种复杂算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。

功率放大器，由多级射频链路组成，实现射频信号的功率放大，末级功率放大器采用LDMOS器件，至少输出400W的平均功率。由于数字电视射频信号的峰均值比(PAR)很高(＞10dB)，这样末级放大器件要有峰值功率4000W，而单个LDMOS没有这个峰值输出能力，所以末级放大采用由4颗LDMOS以平衡放大的结构来实现。目前在这个系统中比较适合的LDMOS器件有MRF6VP3450H。每个通道采用一样的功率放大器，但由于器件的离散性等原因，不可能每个通道的相移量都是一样的，这样在功率合成时必然会有相位误差。相位误差又会影响功率合成的效率。所以需要在每个通道增加相位调整的电路，保证在功率合成时各个通道的相位是一致的。

相位匹配控制算法，使各个通道的射频信号在到达合成器合成时的相位一致，减少由于相位误差带来的合成损耗。在特定输入功率情况下，采用输出功率最大化的准则。主要包括如下步骤：

a.上电后，初始化各个通道内相位移位器的控制电压P1、P2、……、Pn。

b.采样量化输入功率检测器输出的直流信号，记录此时的射频输入功率。

c.依次调整各个通道内相位移位器的控制电压，使输出功率检测器输出的直流信号达到最大值。

d.循环跳转至步骤b，如此循环多次，直到输出功率已最大了。

本发明能自适应控制多通道射频功率合成时的相位匹配，保证功率合成时各个通道的相位一致。具有稳定、高效、简捷等特点。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种多通道射频相位匹配控制装置，其特征是：包括输入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、输出耦合器、输入功率检测器、输出功率检测器和微控制器，其中，

输入耦合器提取部分输入信号输送到输入功率检测器，把射频输入信号功率转化为控制器能测量的模拟直流信号；

输出耦合器提取部分输出信号输送到输出功率检测器，把射频输出信号功率转化为控制器能测量的模拟直流信号；

多通道功率分配器，用于把射频信号等功率分成至少三个支路，分配的多个通道的射频幅度和相位特性完全一样；

多通道大功率合成器，用于把至少三个支路的射频信号合成在一起，合成器的输入支路数必须和分配的输出支路数相同；

相位移位器，由一个电桥和两颗变容二极管组成。电桥把射频信号分成两路，通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与电桥输入端对应的隔离端输出；微控制器控制变容二极管的反向电压，改变反向电压的大小改变变容二极管的电容值；

功率放大器，由多级射频链路组成，用于实现射频信号的功率放大。

2.根据权利要求1所述的多通道射频相位匹配控制装置，其特征是：输入耦合器的耦合系数不能小于20dB，输出耦合器的耦合系数不能小于40dB。

3.根据权利要求1所述的多通道射频相位匹配控制装置，其特征是：微控制器，包括8个通道的10bit A/D转换器，将模拟的电压信号转换为数字信号；包括8个通道的10bit D/A转换器，将数字信号转化为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种复杂算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。

4.一种采用如权利要求1所述的多通道射频相位匹配控制装置的控制方法，其特征在于：采用相位匹配控制算法，使各个通道的射频信号在到达多通道大功率合成器合成时的相位一致，包括如下步骤：

a.上电后，初始化各个通道内相位移位器的控制电压P1、P2、……、Pn；

b.采样量化输入功率检测器输出的直流信号，记录此时的射频输入功率；

c.依次调整各个通道内相位移位器的控制电压，使输出功率检测器输出的直流信号达到最大值；

d.循环跳转至步骤b。

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