CN103117795B - 一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器及其控制方法，包括信号输入端口一（a）、保护电路一、带通滤波器一、其特征是：所述带通滤波器一连接环形器一的接口2，所述环形器一的接口3连接高增益低噪声放大器一，所述高增益低噪声放大器一连接功分器一，所述功分器一连接低噪声放大器一和射频放大器一，所述低噪声放大器一连接检波器一，所述检波器一分别连接电压转换电路一和施密特触发器一的输入端，所述施密特触发器一的输入端上还连接有参考电平电路一（vref1），所述施密特触发器一的输出端连接反相器一和与门一，所述反相器一连接与门二，所述与门一的输出连接射频放大器一，所述与门二的输出连接射频放大器二。

Description

一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种时分双工系统的信号放大器及控制方法，具体地讲，涉及一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器及控制方法。

背景技术

在近距离无线通信中，由于设备间距离远、障碍物遮挡等因素的影响，经常会有信号弱、通信质量差等问题。为了将无线信号传输到目标区域，必须进行信号中继。目前主要有如下三种方式：

1，通过增加射频功率，从而增加信号覆盖范围，这种方式对于由于传输距离远造成的信号质量差的问题有较好的改善，但是对于障碍物遮挡造成的通信质量差的问题改善效果不好。

2，通过有线方式，一般为以太网或总线方式将信号传输到目标区域，然后再转化为无线信号。这种方式能够有效的扩展通信距离，但是这种方式硬件结构复杂，传输延时较大，另外需要有线连接和额外的设备支持，成本高。

3，此外，专利200710303870.6提出了一种用于时分双工系统的双向动态放大方法及装置，该装置和方法适用于TDD系统，但是该装置和方法存在动态范围小、控制复杂等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器及控制方法，具有响应速度快，传输延时小，和控制简单的优点，提高了对射频信号的放大处理能力，可用于扩展无线传感器网络和WLAN等射频信号的覆盖范围，增加传输距离。

本发明采用如下技术手段实现发明目的：

一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器，包括信号输入端口一（a）、保护电路一、带通滤波器一、信号输入端口二(b)、保护电路二、带通滤波器二，其特征是：所述带通滤波器一连接环形器一的接口2，所述环形器一的接口3连接高增益低噪声放大器一，所述高增益低噪声放大器一连接功分器一，所述功分器一连接低噪声放大器一和射频放大器一，所述低噪声放大器一连接检波器一，所述检波器一分别连接电压转换电路一和施密特触发器一的输入端，所述施密特触发器一的输入端上还连接有参考电平电路一（vref1），所述施密特触发器一的输出端连接反相器一和与门一，所述反相器一连接与门二，所述与门一的输出连接射频放大器一，所述与门二的输出连接射频放大器二，所述射频放大器二输出连接所述环形器一的接口1，所述电压转换电路一连接压控射频衰减器一；所述带通滤波器二连接环形器二的接口2，所述环形器二的接口3连接高增益低噪声放大器二，所述高增益低噪声放大器二连接功分器二，所述功分器二连接低噪声放大器二和射频放大器二，所述低噪声放大器二连接检波器二，所述检波器二分别连接电压转换电路二和施密特触发器二的输入端，所述施密特触发器二的输入端上还连接有参考电平电路二（vref2），所述施密特触发器二的输出端连接反相器二和与门二，所述反相器二连接与门一，所述电压转换电路二连接压控射频衰减器二，所述射频放大器一连接所述环形器二的接口1。

一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）射频信号从信号输入端口一(a)进入，经过保护电路一、带通滤波器一、环形器一和高增益低噪声放大器一后，通过功分器一取出射频信号，经过低噪声放大器一和检波器一进行放大器控制；当射频信号从信号输入端口二（b）进入，经过保护电路二、带通滤波器二、环形器二和高增益低噪声放大器二后，通过功分器二取出射频信号，经过低噪声放大器二和检波器二，进行放大器控制；

（2）如果检波器一的输出电压超过施密特触发器一的上触发电平，转步骤（3），如果检波器一的输出电压低于施密特触发器一的下触发电平，转步骤（4）；

（3）输出高电平到反相器一和与门一，反相器一输出低电平，控制与门二输出低电平关断射频放大器二，如果检波器二的输出电压超过施密特触发器二的上触发电平，射频放大器一关断；否则如果检波器二的输出电压低于施密特触发器二的下触发电平，与门一输出高电平，射频放大器一开启，放大后的射频信号经过环形器二，带通滤波器二和保护电路二从信号输入端口二（b）输出，完成放大功能；

（4）输出低电平到反相器一和与门一，与门一输出低电平，射频放大器一关闭，反相器一输出高电平，如果检波器二的输出电压超过施密特触发器二的上触发电平，输出高电平到反相器二和与门二，射频放大器二开启，放大后的射频信号经过环形器一，带通滤波器一和保护电路一从信号输入端口一（a）输出，完成放大功能，否则如果检波器二的输出电压低于施密特触发器二的下触发电平，输出低电平到反相器二和与门二，射频放大器二关闭。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用环行器对两路射频放大器信号进行隔离与采用射频开关的方案相比具有无响应延时，无需逻辑控制电路的优点，能够有效避免射频开关切换和控制逻辑电路造成的延时，降低故障几率。环形器一、二的隔离度应能够有效地避免端口1的信号耦合到端口3。压控射频衰减器一、二应具有较低的反射系数，且在不同的电压条件下反射系数变化不大。对于工程实现来说,理想放大器制作难度大,成本高,并不适合需要大量安装的低成本近距离无线通信应用。通过在压控衰减器一、二后增加一级具有关断使能功能的射频放大器能够在提高射频放大器输出的同时提高信号隔离度,降低系统对环行器隔离度指标的要求,降低系统成本。射频放大器一、二在关断状态下应具有高的隔离度。施密特触发器的电平区间设置用来抵消不同输入信号强度下压控衰减器的反射系数变化导致的检波器输入信号变化，从而提高系统稳定性,施密特触发器的上下触发电平设置通过修改参考电平一、二Vref和分压电阻一、二来实现。射频放大器一、二的使能通过反相器一、二和与门一、二等简单的逻辑器件来控制。

附图说明

图1为本发明优选实施例的原理方框图。

图2为本发明优选实施例的流程图。

图3为本发明施密特触发器一、二的原理方框图。

图4为本发明电压转换电路一、二的原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。

参见图1和图2，本发明包括信号输入端口一（a）、保护电路一、带通滤波器一、信号输入端口二(b)、保护电路二、带通滤波器二，其特征是：所述带通滤波器一连接环形器一的接口2，所述环形器一的接口3连接高增益低噪声放大器一，所述高增益低噪声放大器一连接功分器一，所述功分器一连接低噪声放大器一和射频放大器一，所述低噪声放大器一连接检波器一，所述检波器一分别连接电压转换电路一和施密特触发器一的输入端，所述施密特触发器一的输入端上还连接有参考电平电路一（vref1），所述施密特触发器一的输出端连接反相器一和与门一，所述反相器一连接与门二，所述与门一的输出连接射频放大器一，所述与门二的输出连接射频放大器二，所述射频放大器二输出连接所述环形器一的接口1，所述电压转换电路一连接压控射频衰减器一；所述带通滤波器二连接环形器二的接口2，所述环形器二的接口3连接高增益低噪声放大器二，所述高增益低噪声放大器二连接功分器二，所述功分器二连接低噪声放大器二和射频放大器二，所述低噪声放大器二连接检波器二，所述检波器二分别连接电压转换电路二和施密特触发器二的输入端，所述施密特触发器二的输入端上还连接有参考电平电路二（vref2），所述施密特触发器二的输出端连接反相器二和与门二，所述反相器二连接与门一，所述电压转换电路二连接压控射频衰减器二，所述射频放大器一连接所述环形器二的接口1。

一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）射频信号从信号输入端口一(a)进入，经过保护电路一、带通滤波器一、环形器一和高增益低噪声放大器一后，通过功分器一取出射频信号，经过低噪声放大器一和检波器一进行放大器控制；当射频信号从信号输入端口二（b）进入，经过保护电路二、带通滤波器二、环形器二和高增益低噪声放大器二后，通过功分器二取出射频信号，经过低噪声放大器二和检波器二，进行放大器控制；

（2）如果检波器一的输出电压超过施密特触发器一的上触发电平，转步骤（3），如果检波器一的输出电压低于施密特触发器一的下触发电平，转步骤（4）；

（3）输出高电平到反相器一和与门一，反相器一输出低电平，控制与门二输出低电平关断射频放大器二，如果检波器二的输出电压超过施密特触发器二的上触发电平，射频放大器一关断；否则如果检波器二的输出电压低于施密特触发器二的下触发电平，与门一输出高电平，射频放大器一开启，放大后的射频信号经过环形器二，带通滤波器二和保护电路二从信号输入端口二（b）输出，完成放大功能；

（4）输出低电平到反相器一和与门一，与门一输出低电平，射频放大器一关闭，反相器一输出高电平，如果检波器二的输出电压超过施密特触发器二的上触发电平，输出高电平到反相器二和与门二，射频放大器二开启，放大后的射频信号经过环形器一，带通滤波器一和保护电路一从信号输入端口一（a）输出，完成放大功能，否则如果检波器二的输出电压低于施密特触发器二的下触发电平，输出低电平到反相器二和与门二，射频放大器二关闭。

在放大器处于放大过程中时,同时根据输入信号强度自动调节压控射频衰减器一、二的衰减量,保证输出信号的稳定。由于衰减器的反射系数随控制电压的不同会有差异,以BAP64Q在为例,在完全关断时的反射系数和无衰减时的反射系数有约10%的差异，检波器一、二的输出电平会随之发生变化，通过施密特触发器一、二设置上下门限电压可以避免当射频输入信号较弱处于检波器检测门限附近时由于射频信号强度变化和衰减器调节造成的误判和误切换操作。

这里以正斜率的检波器为例，当采用负斜率输出的检波器时处理流程类似。只需要对逻辑控制电路作相应改动即可。

功分器一、二在需要检测微弱信号时，如无线通信应用，应采用威尔金森功分器实现功率的二等分，如果输入信号强度较大，且对功率损耗较为敏感可采用定向耦合器或非等分功分器。

实例一应用于2.4GhzISM频段的信号中继器

该信号中继器用于2.4Ghz的有线/无线射频信号中继，当应用于无线方式时信号中继器的安装位置选择应保证两端口信号不会相互干扰。

信号输入范围：-90dbm至-55dbm。

放大器信号输出范围：-50dbm至-47dbm。

工作电压：3VDC。

放大器设计注意事项：单路放大器整体增益应小于环行器最小隔离度。放大器最大输出信号强度经过环行器后应小于放大器最小有效输入信号强度。

高增益低噪声放大器LNA:两级HMC286串联,在第一级HMC286后接3DB衰减器，总增益为35db。经功分器后接infineon公司的射频三极管BFP740,增益为16db-30dbm,最大输出功率为-5dbm,用于保护检波器输入端口。当输入射频信号为-90dbm时，射频检波器AD8314输入信号强度为-42dbm，输出为400mv。当输入射频信号〉-55dbm时，AD8314输入信号强度〉-20dbm,输出为1000mv，需要注意的是当输入信号过大会造成失真影响系统性能，应尽量避免。

施密特触发器一、二由TI公司的高速精密电压比较器LMV761组成，设置施密特触发器上触发电平为400mv，下触发电平为100mv。具体设置如图3。

环行器一、二工作频率2.4Ghz—2.5Ghz，隔离度>45db，可选用具有高隔离度的双节环行器，如UIYCDC5028A。

电压转换电路一、二采用TI公司生产的高速零偏差运算放大器OPA376组成反向放大器，输入电压<400mv时输出3V,输入电压为1v时输出0V。具体设置参见图4。

压控射频衰减器一、二采用NXP公司的BAP64Q,衰减约-3db3v,-30db0v。

射频放大器一、二选用NXP公司的BGA2031，该放大器增益为21db,关断状态下隔离度>30db。

带通滤波器一、二选用Murata公司的2.4Ghz带通滤波器LFB212G45CG1B187,插入损耗为0.9db。

保护电路一、二采用infineon公司的天线保护管ESD0P2RF-02LS。

在本例中，当输入信号>-55dbm时，放大器输出为-47dbm,经过环行器45dbm的衰减后进入另一路放大器的信号强度为-92dbm，小于放大器最小有效信号强度，满足设计要求。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器，包括信号输入端口一（a）、保护电路一、带通滤波器一、信号输入端口二(b)、保护电路二、带通滤波器二，其特征是：所述带通滤波器一连接环形器一的接口2，所述环形器一的接口3连接高增益低噪声放大器一，所述高增益低噪声放大器一连接功分器一，所述功分器一连接低噪声放大器一和射频放大器一，所述低噪声放大器一连接检波器一，所述检波器一分别连接电压转换电路一和施密特触发器一的输入端，所述施密特触发器一的输入端上还连接有参考电平电路一（vref1），所述施密特触发器一的输出端连接反相器一和与门一，所述反相器一连接与门二，所述与门一的输出连接射频放大器一，所述与门二的输出连接射频放大器二，所述射频放大器二输出连接所述环形器一的接口1，所述电压转换电路一连接压控射频衰减器一；所述带通滤波器二连接环形器二的接口2，所述环形器二的接口3连接高增益低噪声放大器二，所述高增益低噪声放大器二连接功分器二，所述功分器二连接低噪声放大器二和射频放大器二，所述低噪声放大器二连接检波器二，所述检波器二分别连接电压转换电路二和施密特触发器二的输入端，所述施密特触发器二的输入端上还连接有参考电平电路二（vref2），所述施密特触发器二的输出端连接反相器二和与门二，所述反相器二连接与门一，所述电压转换电路二连接压控射频衰减器二，所述射频放大器一连接所述环形器二的接口1。

2.一种无射频开关的时分双工系统的射频放大器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）射频信号从信号输入端口一(a)进入，经过保护电路一、带通滤波器一、环形器一和高增益低噪声放大器一后，通过功分器一取出射频信号，经过低噪声放大器一和检波器一进行放大器控制；当射频信号从信号输入端口二（b）进入，经过保护电路二、带通滤波器二、环形器二和高增益低噪声放大器二后，通过功分器二取出射频信号，经过低噪声放大器二和检波器二，进行放大器控制；

（2）如果检波器一的输出电压超过施密特触发器一的上触发电平，转步骤（3），如果检波器一的输出电压低于施密特触发器一的下触发电平，转步骤（4）；

（3）输出高电平到反相器一和与门一，反相器一输出低电平，控制与门二输出低电平关断射频放大器二，如果检波器二的输出电压超过施密特触发器二的上触发电平，射频放大器一关断；否则如果检波器二的输出电压低于施密特触发器二的下触发电平，与门一输出高电平，射频放大器一开启，放大后的射频信号经过环形器二，带通滤波器二和保护电路二从信号输入端口二（b）输出，完成放大功能；

（4）输出低电平到反相器一和与门一，与门一输出低电平，射频放大器一关闭，反相器一输出高电平，如果检波器二的输出电压超过施密特触发器二的上触发电平，输出高电平到反相器二和与门二，射频放大器二开启，放大后的射频信号经过环形器一，带通滤波器一和保护电路一从信号输入端口一（a）输出，完成放大功能，否则如果检波器二的输出电压低于施密特触发器二的下触发电平，输出低电平到反相器二和与门二，射频放大器二关闭。