CN105281694A - 一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统及其实现方法，包括功率分配与合成单元、功率放大单元、相位自适应调整单元、自动相位监测单元、功率输入输出检测单元以及MCU单元，功率分配与合成单元包括功率分配器和功率合成器，功率放大单元包括功放管，相位自适应调整单元和自动相位监测单元包括相位监测调节器，功率输入输出检测单元包括第一功率监测器以及第二功率监测器，第一功率监测器配设有第一功率耦合器，功率合成器上连接有第二功率监测器，第一功率监测器、第二功率监测器、相位监测调节器以及功率合成器均连接至MCU单元。本发明能够对整个系统的最终功率输出做实时动态调整。

Description

一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及双通道输出的射频相位匹配和功率匹配控制领域，尤其是一种功率放大器合路系统及其实现方法。

背景技术

5.8GHz频段是一个比2.4GHZ频率更高、开放的ISM频段，最近几年开始进入产品研发领域，5.8GHz无线产品采用正交频分复用技术（OFDM）和点对多点、点对点的组网方式，单扇区的速率高达54Mbps。5.8G的系统一般采用的直接序列扩频技术，它的信道较多频率较高，所以抗干扰能力相对要强一些。同时它可以满足高带宽应用支持大量用户的需要——8个不重叠信道使部署的可扩展性和灵活性更高。因此，可以将8个接入点编成一组，提供高达432Mbit/s的共享吞吐量来支持同一地区的多个用户。这为没有部署无线局域网的用户、期待增加或扩展现有无线局域网的用户提供了最有价值的高性能网络选择。同时5.8GHZ也采用基于IP或基于电路的无线传输技术。基于IP的技术信令协议简单，实现容易，开销低，频谱利用率高，业务种类多，接口简单统一，升级容易，特别适合于非连接的数据传输业务；基于电路的技术时延小，适合于进行传统的语音传送和基于连接的传输业务。它的应用范围也很广，就频段而言5.8G的设备可以用于城市或者郊区，5.8G无线接入的业务提供者可以是传统的运营商也可以是大型的企事业单位；就系统要求的传输环境而言，5.8G无线接入系统在采用比较低的调制效率时对信噪比的要求比较低可以满足一定的非可视传输要求。正因为5.8GHz系统应用环境的特殊性，为了提高系统的可靠性和稳定性，保障通信畅通以及信号的覆盖质量，才使该功率放大器合成系统具有先进性。

以往的功率合成系统采用直接3db电桥分路再合路模式，再合成过程中由于相位的不平衡导致合路输出效果不理想，甚至合路的结果比单管输出还要差，因此亟需一种技术来解决了上述因相位不平等导致的功放合路输出不理想的弊端，符合在5.8G射频收发系统高性能以及高稳定性的要求。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，能够实现相位以及功率的自适应调整，解决上述背景技术中存在的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，包括功率分配与合成单元、功率放大单元、相位自适应调整单元、自动相位监测单元、功率输入输出检测单元以及MCU单元，所述功率分配与合成单元包括功率分配器和功率合成器，所述功率放大单元包括至少两个功放管，所述相位自适应调整单元和自动相位监测单元包括与所述功放管相适配的至少两个相位监测调节器，所述功率输入输出检测单元包括与所述功放管配套的第一功率监测器以及与功率合成器配套的第二功率监测器，所述功率分配器分别连接功放管，功放管上各自连接有第一功率监测器，所述第一功率监测器各自配设有第一功率耦合器，所述功放管分别连接相位监测调节器，所述相位监测调节器汇总至所述功率合成器，所述功率合成器上连接有第二功率监测器，所述第二功率监测器配设有第二功率耦合器，所述第一功率监测器、第二功率监测器、相位监测调节器以及功率合成器均连接至所述MCU单元。

进一步地，所述功率放大单元为AB类工作模式。

进一步地，所述相位监测调节器的相位调节范围为0~110°。

进一步地，所述第二功率耦合器的耦合系数不小于40dB。

进一步地，所述相位自适应调整单元包括相位调节器电路，所述相位调节器电路包括一个3dB电桥和两个变容二极管。

进一步地，所述MCU单元包括10个通道的12bitA/D转换器、10个通道的12bitD/A转换器、ARM内核和存储模块。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统的实现方法，该方法包括以下步骤：

1）5.8GHz射频信号输入功率分配器；

2）功率分配器进行分配后分别向多功放管输出信号；

3）多个功放管对信号进行放大后输出至相适配的相位监测调节器；

4）相位监测调节器将信号汇总至功率合路器；

5）功率合路器经过射频耦合器之后将信号输入至第二功率监测器；

6）第二功率监测器将信号发送至MCU单元。

进一步地，所述步骤3）进行的同时，第一功率监测器通过其配设的第一功率耦合器对多个功放管的放大信号分别进行采集。

进一步地，第一功率监测器分别将输出信号送入MCU单元。

进一步地，在所述步骤4）中，相位监测调节器分别用于检测和调整功放管的输出信号，并根据功率合路器的输出信号进行实时调整。

本发明的合路系统在正常情况下，两个5.8GHz射频功率放大器同时工作，即同时对输入其中的射频信号进行放大。由于电路的离散性和两路射频信号所经过的路径的时延不同，如果没有相位调节器，则无法保证系统两路输出的功率强度相等。MCU芯片通过比较两路功率检测信号，来调整相位调节器的控制电压，控制电压的大小用于改变相位调节器中两路信号之间的相位差，以使系统两路输出信号的强度相等。与现有技术相比，本发明的整个系统具有相位调整以及功率调整的自适应功能不需要人为的干预。在系统工作时MCU会根据各个功率监测器的检测值进行分析比对，并把比对数据与相位监测调整单元的控制数据进行关联，以便对整个系统的最终功率输出做实时动态调整。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是相位调节器的电路原理图。

具体实施方式

实施例1，一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统。

参照附图1-2。

本发明的合路系统包括功率分配与合成单元、功率放大单元、相位自适应调整单元、自动相位监测单元、功率输入输出检测单元以及MCU单元9，功率分配与合成单元包括功率分配器1和功率合成器2，功率放大单元包括至少两个AB类工作模式的功放管3（在本实施例中，以两个功放管为例），相位自适应调整单元和自动相位监测单元包括分别与功放管3相适配的两个相位监测调节器4，功率输入输出检测单元包括分别与两个功放管3配套的第一功率监测器5以及与功率合成器2配套的第二功率监测器6。

功率分配器1分别连接两个功放管3，两个功放管3上各自连接有第一功率监测器5，第一功率监测器5各自配设有第一功率耦合器7，两个功放管3分别连接相位监测调节器4，相位监测调节器4汇总至功率合成器2，功率合成器2上连接有第二功率监测器6，第二功率监测器6配设有第二功率耦合器8，第一功率监测器5、第二功率监测器6、相位监测调节器4以及功率合成器2均连接至MCU单元9。

相位监测调节器4的相位调节范围为0~110°，以使整个系统有足够大的相位动态调整范围。

第二功率耦合器8的耦合系数不小于40dB，以使输出耦合器的插入损耗很小，减小功率损耗。

相位自适应调整单元包括相位调节器电路，所述相位调节器电路包括一个3dB电桥和两个变容二极管，如图2所示。

MCU单元9包括10个通道的12bitA/D转换器，将模拟电压信号转换为数字信号；包换10个通道的12bitD/A转换器，将数字信号转换为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。

5.8G射频信号输入功率分配单元，分成两路射频信号分别输入5.8GHz功放管对信号进行放大，然后经过耦合提取分别监测放大后的功率信号，再输入各自通路的相位监测调试单元，最后通过合路器合路输出。两个第一功率监测器5用来提取两个5.8GHz功放管3放大后的射频功率信号作为比较基准，理论上两个第一功率监测器5读取功率应该为同一值，且第二功率监测器6读取到的功率信号应该是两个第一功率监测器5的读取值之和；在系统中MCU单元9实时监测3个功率监测器的读取值，并把监测值对比分析后通过两个相位监测调节器4反馈到电路中，通过相位调节器电路调节两个相位监测调节器4的相位值，使两路的相位趋于平衡以确保合路后信号为两个单通路的信号之和。

MCU的相位调节采用先粗调后微调算法。刚上电时，系统的两路输出功率强度差值可能比较大，此时MCU采用粗调（即大步进）算法。当两者的功率强度差值较小（如小于1.5dB）时，MCU采用微调（即小步进）算法，直至两者的功率相等。采用这种算法的好处是，能改善相位调节的效果，上电后能使两者的功率在较短的时间内达到相等。

实施例2，一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统的实现方法。

所述实现方法包括以下步骤：

1）5.8GHz射频信号输入功率分配器；

2）功率分配器进行分配后分别向多功放管输出信号；

3）多个功放管对信号进行放大后输出至相适配的相位监测调节器；同时，第一功率监测器通过其配设的第一功率耦合器对多个功放管的放大信号分别进行采集；第一功率监测器分别将输出信号送入MCU单元；

4）相位监测调节器将信号汇总至功率合路器；相位监测调节器分别用于检测和调整功放管的输出信号，并根据功率合路器的输出信号进行实时调整；

5）功率合路器经过射频耦合器之后将信号输入至第二功率监测器；

6）第二功率监测器将信号发送至MCU单元。

如图1所示，射频信号S0输入功率分配器，功率分配器采用3dB电桥，输出S1和S2。S1和S2分别经过5.8GHz功率放大器1和5.8GHz功率放大器2之后，输出S3和S4，S3经过功率耦合器1之后输出信号S5进入功率监测单元2，S4经过功率耦合器2之后输出信号S6进入功率监测单元1；S3经过相位调节器2之后输出信号S7，S4经过相位调节器1之后输出信号S8，S7和S8输入射频合路器进行射频合路后输出信号S9，S9再通过射频耦合器3输出信号S15，S15输入到功率检测器3之后送入MCU单元。

功率耦合器1和功率检测器1用于监测信号S4的信号强度，功率耦合器2和功率检测器2用于监测信号S3的信号强度，功率耦合器3和功率检测器3用于监测信号S9的信号强度；相位检测以及调节器1和相位检测以及调节器2分别用来检测和调整信号S3和S4的相位并根据信号S9的输出情况实时调整；以保证以保证S9和S10的功率基本相等（两者的差值小于0.15dB）。

功率耦合器1提取部分射频输出信号S4送到输出功率检测器1，输出功率检测器1把射频输出信号功率转化为MCU能测量的模拟直流信号。

功率耦合器2提取部分射频输出信号S3送到输出功率检测器2，输出功率检测器2把射频输出信号功率转化为MCU能测量的模拟直流信号。

功率耦合器3提取部分射频输出信号S9送到输出功率检测器3，输出功率检测器3把射频输出信号功率转化为MCU能测量的模拟直流信号。

功率耦合器1和功率耦合器2的耦合系数不能小于40dB，以使功率耦合器1和功率耦合器2的插入损耗很小，减小功率损耗，提高整个系统的效率。MCU检测的为S5和S6以及S15的功率强度，而设备实际输出的信号为S9。当功率耦合器1和功率耦合器2的插入损耗很小时，可以认为S3和S4的强度相等，这样通过改变S7和S8之间的相位差，保证设备的两路实际合路输出功率S9为S1和S2的功率之和。

输出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可大大降低输出信号峰均值比（PAR）对检测精度的影响。

相位调节器电路由一个3dB电桥和两颗变容二极管Y1、Y2组成。3dB电桥把射频信号分为两路（电桥的3、4脚），通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与电桥输入端（电桥的1脚）对应的隔离端（电桥的2脚）输出。微控制器通过控制变容二极管的反向电压，来改变变容二极管的电容值，从而达到改变射频信号的相位的目的。

为了扩大相位调节的范围，附图2中的运算放大器的工作电压可以选用12V直流电压，此时微控制器的相位调节电压范围为0~12V，相位调节器的相位调节范围约为0~115°。如果需要获得更大的相位调节范围，可以将两级附图2中所示的相位调节器进行串联，此时相位调节范围约为0~220°。

MCU，包括10个通道的12bitA/D转换器，将模拟电压信号转换为数字信号；包换10个通道的12bitD/A转换器，将数字信号转换为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。

MCU的相位调节采用先粗调后微调算法。刚上电时，S1和S2的功率强度差值可能比较大，此时微控制器采用粗调（即大步进）算法。当S1和S2的功率强度差值较小（如小于1dB）时，微控制器采用微调（即小步进）算法，直至S1和S2两者的功率相等。采用这种算法的好处是，能改善相位调节的效果，上电后能使S1和S2的功率在较短的时间内达到相等。

Claims (10)

1.一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，其特征在于：所述合路系统包括功率分配与合成单元、功率放大单元、相位自适应调整单元、自动相位监测单元、功率输入输出检测单元以及MCU单元，所述功率分配与合成单元包括功率分配器和功率合成器，所述功率放大单元包括至少两个功放管，所述相位自适应调整单元和自动相位监测单元包括与所述功放管相适配的至少两个相位监测调节器，所述功率输入输出检测单元包括与所述功放管配套的第一功率监测器以及与功率合成器配套的第二功率监测器，所述功率分配器分别连接功放管，功放管上各自连接有第一功率监测器，所述第一功率监测器各自配设有第一功率耦合器，所述功放管分别连接相位监测调节器，所述相位监测调节器汇总至所述功率合成器，所述功率合成器上连接有第二功率监测器，所述第二功率监测器配设有第二功率耦合器，所述第一功率监测器、第二功率监测器、相位监测调节器以及功率合成器均连接至所述MCU单元。

2.如权利要求1所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，其特征在于：所述功率放大单元为AB类工作模式。

3.如权利要求1所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，其特征在于：所述相位监测调节器的相位调节范围为0~110°。

4.如权利要求1所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，其特征在于：所述第二功率耦合器的耦合系数不小于40dB。

5.如权利要求1所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，其特征在于：所述相位自适应调整单元包括相位调节器电路，所述相位调节器电路包括一个3dB电桥和两个变容二极管。

6.如权利要求1所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，其特征在于：所述MCU单元包括10个通道的12bitA/D转换器、10个通道的12bitD/A转换器、ARM内核和存储模块。

7.一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统的实现方法，其特征在于：所述方法应用权利要求1-6所述的5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统，并包括以下步骤：

1）5.8GHz射频信号输入功率分配器；

2）功率分配器进行分配后分别向多功放管输出信号；

3）多个功放管对信号进行放大后输出至相适配的相位监测调节器；

4）相位监测调节器将信号汇总至功率合路器；

5）功率合路器经过射频耦合器之后将信号输入至第二功率监测器；

6）第二功率监测器将信号发送至MCU单元。

8.如权利要求7所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统的实现方法，其特征在于：所述步骤3）进行的同时，第一功率监测器通过其配设的第一功率耦合器对多个功放管的放大信号分别进行采集。

9.如权利要求8所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统的实现方法，其特征在于：第一功率监测器分别将输出信号送入MCU单元。

10.如权利要求7所述的一种5.8GHz相位自适应功率放大器合路系统的实现方法，其特征在于：在所述步骤4）中，相位监测调节器分别用于检测和调整功放管的输出信号，并根据功率合路器的输出信号进行实时调整。