CN103209016A - 直放站及其功放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直放站及其功放装置，该功放装置包括射频放大电路和辅助控制电路，射频放大电路包括顺次连接的数控衰减模块(1)、第一压控衰减模块(2)、第一放大模块(3)、第二压控衰减模块(4)、第二放大模块(5)、第三放大模块(6)、第四放大模块(7)以及环形器(8)。本发明的功放装置具有较低的成本和较好的性能，属于高线性放大的装置，具有自动电平控制，输出电平连续可调，自动跟踪温度变化进行温度补偿，功率检测，功放保护等功能。

Description

直放站及其功放装置

【技术领域】

本发明涉及直放站的放大技术，尤其涉及中国移动多媒体广播(ChinaMobile Multimedia Broadcasting，CMMB)直放站及其功放装置。

【背景技术】

中国移动多媒体广播(China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB)是我国自主研发的第一套面向手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑多种移动终端的系统。在CMMB的系统构成中，CMMB信号主要由S波段卫星覆盖网络和U波段地面覆盖网络实现信号覆盖。CMMB主要包括两个频段，即U波段，470MHz～798MHz；S波段，2635MHz～2660MHz。为实现城市人口密集区域移动多媒体广播电视信号的有效覆盖，采用U波段地面无线发射构建城市U波段地面覆盖网络。

CMMB标准颁布后，全国开始进行CMMB网络覆盖建设，特别是构建城市U波段地面覆盖网络。其中，CMMB直放站是在移动多媒体广播过程中起到信号增强的一种无线广播中继设备。直放站放大器是在现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带外信号进行隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。CMMB直放站可以消除CMMB网络中的盲区，并进行优化，提高网络覆盖率，从而改善用户的实际使用效果。

其中CMMB功放装置是CMMB直放站的重要组成部分，CMMB功放装置的技术指标直接决定了CMMB直放站系统性能。开发CMMB功率线性放大装置具有一定的必要性。

【发明内容】

本发明的一个目的是提供一种效果良好的适用于直放站的功放装置。该功放装置包括射频放大电路，所述射频放大电路包括顺次连接的数控衰减模块、第一压控衰减模块、第一放大模块、第二压控衰减模块、第二放大模块、第三放大模块、第四放大模块以及环形器。

作为一种优选方案，所述功放装置还包括辅助控制电路，所述辅助控制电路包括增益温度补偿模块，所述增益温度补偿模块与第一压控衰减模块连接。

作为一种优选方案，所述辅助控制电路还包括自动电平控制模块，所述自动电平控制模块连接第四放大模块的输出端和第一压控衰减模块。

作为一种优选方案，所述辅助控制电路还包括输入功率检测模块、输出功率检测模块和反向功率检测模块，所述输入功率检测模块用于检测输入到数控衰减的射频信号的功率，所述输出功率检测模块用于第四放大模块输出的射频信号的功率，所述反向功率检测模块与所述环形器连接。

作为一种优选方案，所述辅助控制电路还包括温度检测模块，用于检测所述第四放大模块的温度。

作为一种优选方案，所述辅助控制电路还包括自激保护模块和限幅保护模块，所述自激保护模块用于根据所述输出功率检测模块的检测结果进行自激保护，所述限幅保护模块用于限制输入到数控衰减模块的射频信号的幅度。

作为一种优选方案，所述辅助控制电路还包括连接到第四放大模块的输入端的栅压温度补偿模块。

作为一种优选方案，所述辅助控制电路还包括连接到所述第四放大模块的电流检测模块。

本发明的另一个目的是提供性能良好的直放站，该直放站包括本发明上述的功放装置。作为一种优选方案，所述直放站适用于中国移动多媒体广播系统，所述功放装置为线性放大装置。

本发明优选实例提供的功放装置具有较低的成本，较好的性能。

【附图说明】

图1为本发明提供的功放装置的原理框图。

【具体实施方式】

图1是本发明一实例提供的一种功放装置的原理框图，该功放装置适用于CMMB直放站，功率是30W。

该功放装置包括射频放大电路和辅助控制电路。射频放大电路包括顺次连接的数控衰减模块1、第一压控衰减模块2、第一放大模块3、第二压控衰减模块4、第二放大模块5、第三放大模块6、第四放大模块7和环形器8。射频信号从数控衰减模块1输入，经过放大后从环形器8输出。辅助控制电路包括输入功率检测模块9、输出功率检测模块10、反向功率检测模块11、自动电平控制(ALC)模块12、温度检测模块13、自激保护模块14、限幅保护模块15、增益温度补偿模块16、栅压温度补偿模块17、电流检测模块18等。下面，就各个部分作进一步说明。

(1)、数控衰减模块1

为了配合产品增益要求，用HMC472做数控衰减模块，步进0.5dB，衰减范围31.5dB，+5V供电。数控衰减模块1目的是配合实现CMMB直放站的增益可调节要求，以便在工程应用时，根据实际需要增益来调节。

(2)、第一压控衰减模块2

为了控制产品最大功率输出，采用两个HSMP-3814构造第一压控衰减模块2。本实例中，第一压控衰减模块2还作为ALC控制模块的一部分。第一压控衰减模块2采用两个HSMP-3814，可以保证CMMB直放站自动电平控制的范围。单片机可根据设定的数值输出一个比较电平到差分运算放大器，功放模块输出信号耦合下来的电平也输到差分运算放大器，两者比较后输出电平到第一压控衰减1，来调节衰减量，以控制CMMB直放站功放模块的输出功率。自动电平控制起控后输入信号电平增大15dB，输出信号电平增加在1dB之内。

(3)、第一放大模块3

采用SXA-389做第一放大，P1dB压缩点为25dBm，增益为19dB。

(4)、第二压控模块4

为了保证产品在高低温情况下增益稳定，采用一个HSMP-3814构造第二压控模块4。第二压控模块4作为增益温度补偿模块16的一部分，通过软件检测当前的温度，根据不同温度段输出不同电压值，来调节衰减量。配合调节CMMB直放站在高低温环境下，增益变化满足要求。

(5)、第二放大模块5

采用RF3809做第二放大，P1dB压缩点为33dBm，增益为13dB。

(6)、第三放大模块6

采用双管MW6S010做推动级，功放管MW6S010的峰值功率为10W，增益为18dB。

(7)、第四放大模块7

采用功放管MRF6VP3450做第四放大，功放管MRF6VP3450在频率范围是470～860MHz，峰值功率为450W，增益为22dB。功放管MRF6VP3450在700MHz以下稳定因子大于1，功放匹配有较大调整，在调试过程中需要综合考虑电路的稳定性和功率线性。

本实例中，采用多级放大的目的是：满足增益的要求；满足线性(频谱特性)的要求；满足输出最大功率的要求；满足噪声的要求。

(8)、环形器8

环形器常温情况下，插入损耗≤0.30dB，隔离度≥23dB，驻波比≤1.15。

(9)、输入功率检测模块9、输出功率检测模块10和反向功率检测模块11用HMC1010来检测输出功率，满足均值功率检测和稳定的功率控制要求，检测范围要求大于30dB，检测精度±1dB以内。反向功率检测采用AD8314，检测范围要求大于29dB，检测精度±2dB以内。输入功率检测采用AD8314，满足功率检测范围和检测精度。

(10)、自动电平控制模块12

自动电平控制是当放大器输出信号电平到达ALC设定值时，增加输入信号电平，放大器对输出信号电平的控制能力。ALC起控后输入功率增大15dB，输出功率保持在1dB之内。

(11)、温度检测模块13

温度检测用于实时检测功率放大器的工作温度。模拟温度传感器TMP36，检测温度范围是-40℃～125℃，输入电压值范围400mV～1.8V，检测精度±2℃，检测比例因子10mV/℃。其在PCB摆放位置尽量靠近末级功率放大器，以检测较为准确的温度值。模拟温度传感器TMP36检测出的电压值经过运算放大器LM2904放大，输入到单片机。

(12)、增益温度补偿模块16和栅压温度补偿模块17

由于功放器件在不同温度时，它的静态工作点会发生漂移，使得功放线性发生变化，从而影响射频指标。对于功放栅压，不同的栅极电压可以得到不同的静态工作电流。通过调节功放栅极电压，可以使功放的静态工作电流在整个温度范围保持一致，从而保证的功率放大器在不同温度下工作的性能参数。因此在该装置中对于栅压，采用了硬件温补和软件温补相结合的方案。硬件温补是通过二极管BAS16来进行补偿。功放管在温度降低时，静态电流变小，需要增加栅压值，使得静态电流变大。二极管在温度降低时，正向压降升高，刚好补偿了栅压值。功放管在温度升高时，静态电流变大，需要减小栅压值，使得静态电流减小。二极管在温度升高时，正向压降降低，刚好补偿了栅压值。软件温补是实时检测功放温度，根据不同温度段输出不同电压值到功放管的栅极。可以保证不同温度下的功放稳定偏置电流，从而提高功放的射频性能指标。

由于放大管在高低温情况下存在一定的增益变化，因此在该装置中采用了压控衰减器HSMP-3814的方案，实时检测温度，根据不同温度段输出不同电压值到压控衰减器HSMP-3814，来调节衰减量。常温时输出固定电压值，衰减为一固定值，高温时增加电压值衰减变小，低温时降低电压值衰减变大，从而弥补放大管的增益温度变化曲线。

(13)、电流检测模块18

电流检测用于实时检测功率放大器的漏极电流。电流并联监视器INA138，输入电压范围2.7V～36V。电流并联监视器INA138检测出的电压值经过运算放大器LM2904放大，输入到单片机。

CMMB线性功放30W模块具有功放开关、功放过功和功放器件坏告警等功能。功放开关通过控制功放管栅极电压，来保证信号电平的输出。功放过功是通过检测实际输出功率，与门限值比较，大于门限值时关功放，显示过功告警。功放器件坏告警是通过检测功放栅压是否为零，当检测功放栅压值为零，则显示功放坏告警。

本发明提出的一种CMMB直放站功放模块30W实现方法，包括如下步骤。

射频放大电路实现的步骤包括：步骤一，输入信号经过数控衰减器及自动电平控制器；步骤二，信号进入第一放大管进行信号的放大；步骤三，信号经过温度补偿装置；步骤四，信号进入第二放大管进行信号的放大；步骤五，信号经过3dB电桥分成两路进行信号放大，再经过3dB电桥合为一路，即为第三放大；步骤六，信号进入第四放大管进行信号的放大，然后经过环形器输出。

所述的射频放大电路负责将所输入的射频信号进行线性放大。同时，配合整机增益要求，在功放模块射频链路上增加数控衰减器，通过单片机控制数控衰减器来调节功放模块的增益。考虑数控衰减器对模块噪声和线形的影响，通过计算和实验，最终确定数控衰减器摆放位置。

所述的各放大管工作时的输出功率均远低于其1dB压缩点。在选择推动放大管和末级功放管时，选择工作电流较小的器件，用以提高效率。

根据本方案的输出功率要求，系统要求输出功率为44.8dBm，CMMB信号的PAR约9.5dB，在基带没有削峰情况下，功放管回退至少要达到这个水平，而通常的功放效率只能做到10％左右，我们的设计思路是优先保证技术指标，在技术指标满足的情况下提高效率。

此方案选用Freescale公司的功放管MRF6VP3450作为最后一级。此功放管的P1dB压缩点为56.5dBm，而所要求的输出功率为44.8dBm，回退了11.7dB，所以指标可以满足要求。

根据末级功放管的增益确定推动级(第三级)的选型，推动级只需要输出功率为23dBm的信号就可以了，选择Freescale公司的功放管MW6S010，采用平衡式放大来做为推动级。此放大管在输出功率为20dBm时，带肩比(中心频率±4.2MHz)的指标在-45dBc以下，有充足的余量，保证了送到末级的信号质量。推动级的选择原则是要求该处的功率回退为16dB以上。

正向功率和反向功率检测实现方法包括：输出功率检测是通过微带线耦合部分输出信号，通过衰减桥之后进入检波管HMC1010进行功率检测，把功率转化成电压量，进入单片机运算，得出功率值，在监控界面上显示。反向功率检测是通过环形器采样反向信号的能量，通过衰减桥之后进入检波管AD8314进行功率检测，把功率转化成电压量，进入单片机运算，得出功率值，在监控界面上显示。

栅压和增益温度补偿的实现方法包括：栅压温度补偿包括硬件温补和软件温补。硬件温补是将二极管BAS16并联在功放栅压链路上，通过二极管BAS16的导通随温度变化特性来进行补偿。软件温补是在软件中，对应不同温度段，设置不同电压值。当功放管处于某个温度时，通过温度检测模块实时检测功放温度，单片机根据对应温度段输出对应电压值到功放管的栅极，来保证不同温度下的功放管的稳定静态电流。增益温度补偿是将压控衰减器HSMP-3814串联在射频链路上，并在软件中，对应不同温度段，设置不同电压值。当功放处于某个温度时，通过温度检测模块实时检测功放温度，单片机根据对应温度段输出对应电压值到压控衰减器HSMP-3814，来调节衰减量，从而保证不同温度下的射频链路的稳定增益。

电流检测实现方法包括：首先用三个阻值为0.05Ω的电阻并联后，串联在48V供电电路上，当电流流过电阻时产生压降，通过电流并联监视器INA138检测出电压压降值。然后，这个电压值通过运算放大器LM2904缓冲，进入单片机运算，得出电流值，在监控界面上显示。

限幅保护功能实现方法包括：在CMMB线性功放30W模块的输入端并联二极管限幅器，二极管导通时，大信号的幅度被限制在门限电压以下，具有一定的保护功能。

散热铜板工艺包括：其尺寸为132.1mm×68.7mm×5mm，材料为紫铜，正面镀镍。在正面挖槽，是功放管烧结位置。打6个螺纹孔，作为固定PCB到铜板上。打30个通孔，作为固定铜板到盒体。底部跳线采用烧结功放管后，穿过铜板焊接。

功放管烧结装配工艺包括：先用6颗不锈钢圆头螺钉M2×4将PCB到固定在铜板上。在铜板上，功放管槽位置涂上厚度为0.15mm锡膏。在PCB板上，功放管管脚位置涂上厚度为0.15mm锡膏。锡膏为Tamura有铅锡膏RMA-010-FP。然后将功放管放入槽内，位置正偏向输出端。然后用压板压在上面，有一个或两个压点压在功放管的上面。同时每个压柱有1.5kgf.cm扭力的弹簧，保证在烧结过程中有一个向下的压力，使功放管和铜板较好地接触。弹簧的弹力不可过大，防止压坏功放管。采用电热板CT-946进行烧结。将电热板温度设置在260℃，等温度升到设定值时，将固定好功放管的铜板放在电热板上，进行烧结。此时电热板温度会慢慢地下降，下降到220℃后，电热板又开始升温，直到260℃。开始计时，大约在3分钟后，关掉电热板，让其自然冷却。

巴伦制作工艺包括：需要制作手动半刚电缆治具，利用治具加工成U形电缆。治具的材料是铝合金，在一块70mm×65mm的铝合金块上，铸有一个马蹄形的凸起的柱形体，柱形体高度为7mm。同时做一个定位端，并用可移动的夹钳固定这个位置。半刚性同轴电缆的材料包括外导体是镀锡铜线；绝缘介质是聚四氟乙烯；内导体是冷轧碳素钢。外导体直径是2.286+0.0508/-0.0254mm；绝缘介质直径是1.854mm；内导体直径是1.024+/-0.0254mm。半刚电缆阻抗是25+/-1.0ohms。巴伦制作方法是先取一根半刚电缆，将其一端固定在半刚电缆治具的定位端，围绕马蹄形柱形体弯折电缆，用斜口钳按照指定位置将电缆剪切。用斜口钳和尖嘴钳剥线，剥去外导体2mm，剥去绝缘介质1mm。半刚性同轴电缆巴伦也可采用半刚性电缆成型机和半刚性同轴电缆剥线机进行制作。

CMMB线性功放30W模块，设计了耦合端，采用削峰和数字预失真方法，可以将模块推到80W，指标合格。

CMMB线性功放30W模块产品内部采用单片机控制和RS485通信，外部结构和接口等严格按统一标准开发，方便产品的借用复用和标准化工作。产品选用通用型和低成本器件，具有比较低的成本优势。该产品是一款高线性放大的装置，具有自动电平控制，输出电平连续可调，自动跟踪温度变化进行温度补偿，功率检测，功放保护等功能。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种直放站的功放装置，包括射频放大电路，其特征在于，所述射频放大电路包括顺次连接的数控衰减模块(1)、第一压控衰减模块(2)、第一放大模块(3)、第二压控衰减模块(4)、第二放大模块(5)、第三放大模块(6)、第四放大模块(7)以及环形器(8)。

2.根据权利要求1所述的功放装置，其特征在于，所述功放装置还包括辅助控制电路，所述辅助控制电路包括增益温度补偿模块(16)，所述增益温度补偿模块(16)与第一压控衰减模块(4)连接。

3.根据权利要求2所述的功放装置，其特征在于，所述辅助控制电路还包括自动电平控制模块(12)，所述自动电平控制模块(12)连接第四放大模块(7)的输出端和第一压控衰减模块(2)。

4.根据权利要求3所述的功放装置，其特征在于，所述辅助控制电路还包括输入功率检测模块(9)、输出功率检测模块(10)和反向功率检测模块(11)，所述输入功率检测模块(9)用于检测输入到数控衰减(1)的射频信号的功率，所述输出功率检测模块(10)用于第四放大模块(7)输出的射频信号的功率，所述反向功率检测模块(11)与所述环形器(8)连接。

5.根据权利要求3所述的功放装置，其特征在于，所述辅助控制电路还包括温度检测模块(13)，用于检测所述第四放大模块(7)的温度。

6.根据权利要求4所述的功放装置，其特征在于，所述辅助控制电路还包括自激保护模块(14)和限幅保护模块(15)，所述自激保护模块(14)用于根据所述输出功率检测模块(10)的检测结果进行自激保护，所述限幅保护模块(15)用于限制输入到数控衰减模块(1)的射频信号的幅度。

7.根据权利要求3所述的功放装置，其特征在于，所述辅助控制电路还包括连接到第四放大模块(7)的输入端的栅压温度补偿模块(17)。

8.根据权利要求3所述的功放装置，其特征在于，所述辅助控制电路还包括连接到所述第四放大模块(7)的电流检测模块(18)。

9.一种直放站，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的功放装置。

10.根据权利要求9所述的直放站，其特征在于，所述直放站适用于中国移动多媒体广播系统，所述功放装置为线性放大装置。

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