CN102571225A - 射频功率自检测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频功率自检测试装置，该装置（1）包括装设传输线的主腔体（20）、与所述主腔体（20）连接，用于耦合传输线上信号的可调耦合探针（10）以及与可调耦合探针（10）另一端连接的自检测信号处理单元（50）；所述自检测信号处理单元（50）包括PCB板（53）、安装PCB板（53）的电路盒（52）以及接收射频信号的连接器（51）；所述电路盒（52）与主腔体（20）固定在一起；所述PCB板（53）上设有依次连接的RF前级模块（531）、RF检测驱动级模块（532）以及LED指示级模块（533）。本装置可直接连接到系统中，由发光管LED实时指示特定功率动态范围射频信号的存在。由于不需要外界直流馈电，用于不方便外部馈电或更换电池的场合更为适用。

Description

射频功率自检测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及应用于射频通讯系统或不同射频仪器的射频功率监测和检测的领域，尤其是指一种射频功率自检测试装置。

背景技术

通常我们并不精确知道系统中的RF功率能级，只知道大概范围。为了正常工作和安全起见，对射频通讯系统或射频测试系统的功率监测是必要的。如BTS发射机，现有的对射频通讯系统或射频测试系统的功率监测一般是仅取出极其弱的信号直接进行小信号检波，然后用放大器将直流信号放大，再作信号处理，以驱动信号指示单元。这样肯定要引入外加直流电源。不仅复杂，而且不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种射频功率自检测试装置，用于判断系统是否工作正常，适用于不方便外部馈电或更换电池的场合。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：射频功率自检测试装置，该装置(1)包括装设传输线的主腔体(20)、与所述主腔体(20)连接，用于耦合传输线上信号的可调耦合探针(10)以及与可调耦合探针(10)另一端连接的自检测信号处理单元(50)；

所述可调耦合探针(10)包括中心针(13)、包裹所述中心针(13)的绝缘层(12)以及包裹绝缘层(12)的壳体(11)；所述自检测信号处理单元(50)包括PCB板(53)、安装PCB板(53)的电路盒(52)以及接收射频信号的连接器(51)；所述电路盒(52)与主腔体(20)固定在一起；所述PCB板(53)上设有依次连接的RF前级模块(531)、RF检测驱动级模块(532)以及LED指示级模块(533)。

作为本发明的优选方案之一，所述可调耦合探针(10)与自检测信号处理单元(50)采用半刚性射频电缆(30)连接。

作为本发明的优选方案之一，所述主腔体(20)上设有收容可调耦合探针(10)的空腔，该空腔内壁设有内螺纹，所述壳体(11)上设有与该内螺纹配合的外螺纹，用于调节耦合探针(10)的深度。

作为本发明的优选方案之一，所述空腔的横截面为阶梯形，所述壳体(11)上套设有垫圈(15)以及位于垫圈上的螺母(14)，该垫圈位于阶梯形面上，和螺母(14)一起锁紧可调耦合探针(10)。

作为本发明的优选方案之一，所述RF前级模块(531)包括输入隔直级电容(5315)，RF功分器(5312)、与RF功分器(5312)输出端连接的由限幅二极管回路构成的RF动态自动保护级模块(5313)以及与RF动态自动保护级模块(5313)输出端连接的、由电容构成的隔直级模块(5314)。

作为本发明的优选方案之一，所述RF功分器(5312)输入端连接有第二级衰减器(5311)。

作为本发明的优选方案之一，所述RF功分器(5312)为微带功分器或小型化表面贴装模块。

作为本发明的优选方案之一，RF检测驱动级模块(532)由检波二极管网络(5321)和并联电容组成的DC信号叠加级(5322)连接构成；所述检波二极管网络包括分别检测等分后的RF功率的检波二极管或检波集成电路块和电阻，用于将由RF功分器(5312)等分后的每一路RF信号转变为DC电压。各路的DC电压在与检波二极管网络特定方式级联的并联电容上进行叠加后输出来驱动LED指示级模块。

本发明还提供一种射频功率自检测试方法，该方法包括以下步骤：

1)、提取适当的RF信号；

2)、在检波管之前，先衰减和动态限制变化的射频功率信号大小在一定范围内以保护后级检波管；

3)、将提取的RF信号等分为多路，使单路能够检波，同时用于后面的DC信号叠加；

4)、分别检测每一路RF信号，将其转化为DC信号；

5)、采用无源电路连接方式将每一路的DC电压叠加，提升到足以能够驱动LED。

本发明采用如上技术方案在预先设置功率检测范围的情况下，监测相应的射频功率是否存在，以此判断系统是否工作正常，从而进行检修。本装置输入输出两端可直接连接到系统中，或输入端接入系统输出端接外部衰减器和负载，由发光管LED实时指示一定动态范围变化的特定功率信号的存在。由于它不需要外界直流馈电，用于不方便外部馈电或更换电池的场合，更为适用。

附图说明

图1是本发明射频功率自检测试装置第一实施例的结构示意图。

图2是本发明射频功率自检测试装置第一实施例的剖面图。

图3是本发明射频功率自检测试装置第二实施例的结构示意图。

图4是本发明射频功率自检测试装置第二实施例的剖面图。

图5是本发明射频功率自检测试装置第三实施例的结构示意图。

图6是本发明射频功率自检测试装置第三实施例的剖面图。

图7a-b是本发明射频功率自检测试装置中可调耦合探针的结构示意图和剖面图。

图8a-b是本发明中自检测信号处理单元的结构示意图。

图9是本发明射频功率自检测试装置中PCB结构框图。

图10是本发明射频功率自检测试装置中RF前级模块的结构框图。

图11是本发明射频功率自检测试装置中PCB电路原理图。

图12是本发明射频功率自检测试装置中PCB电路板图。

图13是本发明射频功率自检测试装置框图。

元件符号说明

主腔体                20                   可调耦合探针                10

自检测信号处理单元    50                   中心针                      13

绝缘层                12                   壳体                        11

PCB板                 53                   电路盒                      52

连接器                51                   RF前级模块                  531

RF检测驱动级模块      532                  输入隔直级                  5315

LED指示级模块         533                  半刚性射频电缆              30

垫圈                  15                   螺母                        14

RF功分器              5312                 RF动态自动保护级模块        5313

隔直级                5314                 第二级衰减器                5311

RF信号源              60                   连接条                      201

RF检测级模块          5321                 DC信号叠加级模块            5322

电阻                  R1-R8                限幅二极管                  D1-D4

电                    Rij i：4-6，j：a-b   检波二极管                  DDij

                                                                       i：1-4，j：a-b

电容                C0-C8        发光二极管                LED

电感                L1

具体实施方式

本发明提供了一种用于监测传输系统或相关信号源的射频功率自检测试装置。本装置在800MHz至2.2GHz频率范围内，能够指出是否存在某一10W至500W(CW)中，具有特定动态范围的功率信号，比如10dB左右。当系统在功率状态下工作时，给予系统操作者警示。

实施例一

请参阅图1至图2所示，该射频功率自检测试装置1包括装设传输线的主腔体20、与所述主腔体20连接，用于耦合传输线上信号的可调耦合探针10以及与可调耦合探针10另一端连接的自检测信号处理单元50。

如图7a-7b所示，所述可调耦合探针10包括中心针13、包裹所述中心针13的绝缘层12以及包裹绝缘层12的壳体11。

如图8a-b所示，所述自检测信号处理单元50包括PCB板53、安装PCB板53的电路盒52以及接收射频信号的连接器51。所述电路盒52与主腔体20固定在一起。

所述可调耦合探针10与自检测信号处理单元50采用半刚性射频电缆30连接。

所述主腔体20设有收容可调耦合探针10的空腔，该空腔内壁设有内螺纹，所述壳体11上设有与该内螺纹配合的外螺纹，用于调节耦合探针10在空腔中的深度。

所述空腔的横截面为阶梯形，所述壳体11上套设有垫圈15以及位于垫圈上的螺母14，该垫圈位于阶梯形面上，和螺母14一起锁紧可调耦合探针10。

请参阅图9所示，所述PCB板53设有依次连接的RF前级模块531、RF检测驱动级模块532以及LED指示级模块533。

如图10所示，所述RF前级模块531包括输入隔直级电容5315，RF功分器5312、与RF功分器5312输出端连接的由限幅二极管回路构成的RF动态自动保护级模块5313以及与RF动态自动保护级模块5313输出端连接的、由电容构成的隔直级模块5314。

如图11、12所示所述RF检测驱动级模块532由检波二极管网络5321和并联电容组成的DC信号叠加级5322按特定方式连接构成；所述检波二极管网络包括分别检测等分后的RF功率的检波二极管或检波集成电路块和电阻，用于将每一路RF信号转变为DC电压。各路的DC电压在与检波二极管网络特定方式级联的并联电容上进行叠加后输出来驱动LED指示级模块533。

本装置包括一个同轴主传输线腔体，一个可调提取功率的耦合探针，根据不同的功率监测范围要求事先调整好它需从主腔体中耦合的射频功率能量，一个与主腔体固定为一体的自检测信号处理单元盒，一个连接耦合探针和自检测信号处理单元盒的适当长度的半刚性射频电缆。PCB安装在电路盒中，它包括了第二衰减级，电路RF动态自动保护级，RF功分级，前后隔直级，RF检测驱动级和指示级。本装置无须外界提供直流馈电，也无须电池驱动。直接将射频功率转化为直流电压驱动发光二极管发光。

具体的，本发明射频功率自检测试装置由收容传输线的主腔体20，可调耦合探针10，射频半刚性电缆30，自检测信号处理单元50组成。外部射频信号源60的频率范围为0.8～2.2GHz，连续波功率≤500W。射频信号源可以来自传输线，也可以来自测试系统。

主腔体20是具有标准7/16输入、输出连接器界面的同轴线。传输信号为0.8～2.2GHz。至少能承受500W连续波。也可以设计成具有其他标准连接器输入、输出界面同轴线。

可调耦合探针10由主腔体20中获取部分RF功率。如图7所示，可调耦合探针10由一端为SMA连接器界面的壳体11，中心针13，绝缘材料12组成。针尖的一端为耦合信号端，SMA界面连接器一端为输出端。在插入主腔体的耦合端，根据实际耦合要求，中心针可设计成平的或向壳体外突设有一凸台(即Δ1＝0～2mm)。除此以外，探针可整体螺纹旋动，连续改变插入主腔体的深度，从而改变耦合度。然后相应高度的垫圈15固定、螺母14锁紧。

本装置设计为实时监测主腔体中通过在10W～500W(CW)内的一定功率动态范围的信号。通过调整探针深度耦合值设为在某一中心频率≤-30dB。将探针输出设计为SMA界面连接器，(或其它连接器界面)可直接连在网络分析仪上，以准确调整需要的耦合度。确保我们预置的功率检测范围，及确保后级的检波二极管处在安全的工作范围。探针不仅起耦合器的功能，也起衰减器的功能。这种弱耦合方式的另一优点是在主传输腔体中引起RF信号小的扰动，对其中的驻波、插损和三阶交调都有好处。

如果需要监测更高的功率，除了调节减少耦合度，还需加上第二级衰减器5311。

如果需要监测更大的功率动态范围，可增加限幅二极管的级数，将具有不同限幅电平的二极管依次从高到低连接。

由半刚性电缆30连接可调耦合探针10和自检测信号处理单元50。其优点是对装配的公差要求很低，更重要的是可以分别调试RF主腔体20、可调耦合探针10和自检测信号处理单元50。自检测信号处理单元50还可以单独使用。

请参照图8a-b所示，自检测信号处理单元50包括PCB 53、电路盒52和SMA同轴微带连接器51。PCB安装在电路盒内底部，通过连接器51接收射频信号，将同轴线中传输的RF信号转化到由PCB作为载体的微带线上传输。电路盒52与主腔体通过连接条201紧固在一起。

图9所示，所述PCB板53上设有依次连接的RF前级模块531、RF检测驱动级模块532以及LED指示级模块533。

检波二极管的作用是将RF信号转变为DC信号。一般情况下单个检波二极管可接收的最大RF输入功率为0～10dBm max，决不会超过20dBm。随着输入功率的增加，首先二极管会饱和，再增加输入功率，检波二极管将会被烧毁。所以必须首先降低直接加到检波二极管上的RF信号，使检波二极管工作在安全的功率范围。

本发明中限制过大的RF信号直接加到单个检波二极管上的措施来自四个部分：1.可调耦合探针10的低耦合；2.如果需要，由焊在PCB上的电阻构成的第二级衰减器5311；3.焊在PCB上限幅二极管和接地电感回路构成的动态自动保护级，在大信号下对检波二极管进行保护。限幅二极管的工作原理是：对RF小信号，几乎无衰减通过，随着输入RF信号功率增加，限幅二极管对其的衰减也随之增加，当输入RF信号功率达到一定门限时，通过限幅二极管输出的功率几乎不再变化，被限制在某一功率之下。这样就起到动态保护后级的作用。由此限幅二极管还有平坦频带内输入功率的作用。4.RF功分器也起了信号分流的作用。

请参阅图10所示，RF前级531包括由电阻构成的第二级衰减器5311(如果需要)；RF功分器5312：可以是微带功分器如图12中所示，也可以是小型化表面贴装模块；限幅二极管回路构成的RF动态自动保护级5313，以及由电容构成的隔直级5314、5315。在PCB上的所有元件，包括限幅二极管和检波二极管都是无源器件。

使用RF功分器的最主要目的是，首先将输入RF信号分为几个相等的部分，比如四等分，以便后级分别检测RF功率，然后叠加，提高输出DC电压。这样可以达到驱动LED发光的电压。为了正确检测，功率分配必须均匀。

请参阅图11所示，RF检测驱动级532是非常重要的。它由检波二极管网络5321和并联电容组成的DC信号叠加级5322按特定方式连接构成。单个检波二极管将RF信号转变为DC电压。但是单个检波二极管或串并联检波二极管对的输出电压太低，都不足以驱动LED发光。于是我们构造二极管网络以提高输出电压，将RF功分器输出的每一路RF信号分别转变为DC电压，然后在与检波二极管网络特定方式级联的并联电容上进行叠加后输出来驱动LED，检波二极管网络中的电阻R7起直流限流作用，以保护检波二极管。

该RF检测驱动级的连接原理见图11。每路串并联检波二极管对DD_ij首尾相接。最下面的第一路二极管对中的并联二极管DD_4a一端与接地电阻R7相连，另一端与该路串联二极管DD_4b连接。第一路串联二极管的另一端与接地电容C8相连，同时接第二路二极管对中的并联二极管DD_3a的一端。第二路二极管对中的串联二极管DD_3b的另一端与接地电容C7相连，同时接第三路二极管对中的并联二极管DD_2a的一端，依次类推，直至最高一级的串联二极管DD_1b输出端去驱动LED。该级既将RF转为DC信号，又将各路的DC信号叠加增大到足以驱动LED发光，而且又起旁路滤波器作用以降低高频纹波。于是采用这种方法，仅依靠射频功率本身就可以驱动LED发光了。无须外接DC电源，无须有源放大器作为驱动。

选用2V的LED作为指示器。LED焊在PCB上，发光部分穿过电路盒侧壁，引腿由绝缘套管防止与地短路。LED闪烁表示通过主传输线的RF信号功率大于事先设置的阈值。

综上，本发明提供一种检测具有一定动态范围变化的RF大功率的装置。RF信号通过能承受足够高功率的主传输线腔体。由一个可以调节的耦合探针从主腔体耦合检测信号，然后连接到自检测信号处理单元，即无须外界直流馈电或电池馈电。这个单元包括衰减器级，RF功分器级和射频动态自动保护级，隔直级以及检测驱动级网络和LED指示级。此装置工作频率范围为：800MHz～2.2GHz。但该检测方法适用于其它频段。射频主传输线的主腔体，可调耦合探针，具有自检能力的自检测信号处理单元(包括具有指示功能LED单元)。机械部分与电路部分通过半刚性射频电缆连接。在本发明中，射频主传输线的主腔体是一个同轴线腔体，两端是7/16型连接器界面。它也可以是其它类型连接器界面，譬如N型，SMA等。可调耦合探针是一个同轴线，一端是中心针，另一端是标准SMA连接器界面输出，也可以是其它标准连接器界面，如QMA，SMB等，它可以直接连接到自检测信号处理单元或由电缆连接。耦合探针插入主传输线腔体，深度调节由旋动边缘的螺纹完成，以准确达到所需的耦合值。旋进深度与信号耦合度相关。由垫圈固定、螺母锁紧。在耦合探针一端中心针被做成超出壳体表面Δ1＝0～2mm。耦合探针另一端也可以直接做成标准SMA连接器输出的RF电缆组件。自检测信号处理单元是一个模块，有一个金属壳体和标准连接器输入。金属壳体与主传输线腔体固定为一体。PCB安装其内。PCB上电路包括：RF前级，RF检测驱动级，以及指示级。所有这些元件都焊接在PCB上。RF前级包括一个由电阻构成的衰减级，由RF功分器构成的功分级：可以由微带功分器或其它形式的小型化模块完成，由限幅二极管回路构成的射频动态自动保护级，电容构成的前后隔直级。RF检测驱动级，该级由串并联检波二极管对或检波集成电路块，加上电阻、并联电容特定叠加级联而成。

指示级包括发光LED和限流电阻R8。LED焊在PCB上，发光部分穿过电路盒侧壁，引腿由绝缘套管防止与地短路。LED闪烁表示通过主传输线的RF功率存在且大于我们事先设定的阈值。

本发明还包括一种射频功率自检测试方法，该方法包括以下步骤：1)、提取适当的RF信号；2)、在检波管之前，先衰减和动态限制变化的射频功率信号大小在一定范围内以保护后级检波管；3)、将提取的RF信号等分为多路，使单路能够检波，同时用于后面的DC信号叠加；4)、分别检测每一路RF信号，将其转化为DC信号；5)、采用无源电路连接方式将每一路的DC电压叠加，提升到足以能够驱动LED。

本发明采用如上技术方案在预先设置功率检测范围的情况下，监测相应的射频功率是否存在，以此判断系统是否工作正常，从而进行检修。同时，本装置RF输入输出两端可直接连接到系统中，或RF输入端接入系统，RF输出端接外部衰减器和负载，由发光管LED指示特定能量范围信号的存在。由于它不需要外界直流馈电，用于不方便外部馈电或更换电池的场合，更为适用。

实施例二

请参阅图3和图4所示，其与实施例一的区别在于主腔体与自检测信号处理单元(亦即电路盒)的连接方式不同，实施例二是电路盒较大，主腔体放置在电路盒上，采用卡子卡在主腔体上，两端用螺钉或螺栓固定即可。其余特征与实施例一相同或类似。

实施例三

请参阅图5和图6所示，其与实施例一、二的区别在于主腔体与自检测信号处理单元未采用半刚性射频电缆3进行信号传输，而是在自检测信号处理单元(亦即电路盒)上直接设置连接器，用于和主腔体上的可调耦合探针连接。其余特征与实施例一、二相同或类似。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.射频功率自检测试装置，其特征在于：该装置(1)包括装设传输线的主腔体(20)、与所述主腔体(20)连接，用于耦合传输线上信号的可调耦合探针(10)以及与可调耦合探针(10)另一端连接的自检测信号处理单元(50)；

所述可调耦合探针(10)包括中心针(13)、包裹所述中心针(13)的绝缘层(12)以及包裹绝缘层(12)的壳体(11)；

所述自检测信号处理单元(50)包括PCB板(53)、安装PCB板(53)的电路盒(52)以及接收射频信号的连接器(51)；所述电路盒(52)与主腔体(20)固定在一起；

所述PCB板(53)上设有依次连接的RF前级模块(531)、RF检测驱动级模块(532)、以及LED指示级模块(533)。

2.如权利要求1所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：所述可调耦合探针(10)与自检测信号处理单元(50)采用半刚性射频电缆(30)连接。

3.如权利要求1或2所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：所述主腔体(20)上设有收容可调耦合探针(10)的空腔，该空腔内壁设有内螺纹，所述壳体(11)上设有与该内螺纹配合的外螺纹，用于调节耦合探针(10)的深度。

4.如权利要求3所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：所述空腔的横截面为阶梯形，所述壳体(11)上套设有垫圈(15)以及位于垫圈上的螺母(14)，该垫圈位于阶梯形面上，和螺母(14)一起锁紧可调耦合探针(10)。

5.如权利要求1所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：所述RF前级模块(531)包括输入隔直级电容(5315)，RF功分器(5312)、与RF功分器(5312)输出端连接的由限幅二极管回路构成的RF动态自动保护级模块(5313)以及与RF动态自动保护级模块(5313)输出端连接的、由电容构成的隔直级模块(5314)。

6.如权利要求5所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：所述RF功分器(5312)输入端连接有第二级衰减器(5311)。

7.如权利要求5所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：所述RF功分器(5312)为微带功分器或小型化表面贴装模块。

8.如权利要求1所述的射频功率自检测试装置，其特征在于：RF检测驱动级模块(532)由检波二极管网络(5321)和并联电容组成的DC信号叠加级(5322)连接构成；所述检波二极管网络包括分别检测等分后的RF功率的检波二极管或检波集成电路块和电阻，用于将由RF功分器(5312)等分后的每一路RF信号分别转变为DC电压；各路的DC电压在与检波二极管网络级联的并联电容上进行叠加后输出来驱动LED指示级模块。

9.一种射频功率自检测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)、提取适当的RF信号；

2)、在检波管之前，先衰减和动态限制变化的射频功率信号大小在一定范围内以保护后级检波管；

3)、将提取的RF信号等分为多路，使单路能够检波，同时用于后面的DC信号叠加；

4)、分别检测每一路RF信号，将其转化为DC信号；

5)、采用无源电路连接方式将每一路的DC电压叠加，提升到足以能够驱动LED。

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