CN107819476B - 一种用于gprs采集终端的防雷天线与系统 - Google Patents

Abstract

一种用于GPRS采集终端的防雷天线与系统，包括天线元件、上行链路、下行链路以及MCU，下行链路为依次连接的下行前置放大、滤波电路、下行衰减电路、下行功率放大电路，上行链路为依次连接的上行前置放大、滤波电路、上行衰减电路、上行功率放大器；下行前置放大、滤波电路的输入端、上行功率放大器的输出端均与第一射频开关连接，上行前置放大、滤波电路的输入端、下行功率放大电路的输出端均与第二射频开关连接；MCU与下、上行功率放大电路之间设有下、上行检波电路，MCU根据下、上行功率放大电路的输出功率，控制下、上行衰减电路的衰减量大小，控制下、上行功率放大电路的输出功率大小。其具有自动增益控制功能。

Description

一种用于GPRS采集终端的防雷天线与系统

技术领域

本发明涉及GPRS无线数据传输技术领域，特别涉及一种用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线与系统。

背景技术

随着无线通讯技术应用的普及，越来越多的数据通讯采用无线方式实现，其中GPRS无线数据传输技术已经成为电力系统数据采集应用中最为广泛的应用。一直以来，GPRS数据传输模块的开发商注重的是信号链路的纠错能力和稳定性，在模拟信号传输部分所做的工作甚少。

经过长期的实际应用总结，目前GPRS无线数据传输模块在复杂工业环境中应用还存在几点需要弥补的不足，分别列出如下：

1）省界之间基站随机选择问题。

2）雷电高发区收发天线的防雷问题。

3）GPRS终端由于安装环境的原因，可能出现信号极强或极弱的情况：

地下室或者屏蔽环境下无线信号的传输接力问题；偏远地区信号质量问题；

基站附近信号太强，引起电路阻塞的问题。

目前，GPRS配置的天线为标准加感天线或者1/4波长天线，1/4波长天线是半波振子天线的变形，使其中的一个振子演化为大地，将半波天线的差分输出转换为单端输出，在天线长度足够的情况下输出阻抗表现为50欧。加感天线则是1/4波长天线的变形，在一些应用场合中由于1/4波长天线的尺寸还是不能满足要求，但是缩短天线尺寸就意味着天线的谐振频率增高，所以在缩短天线长度的同时还要增加额外的补偿措施，保证谐振频率不变，于是就产生了加感天线。加感天线是在1/4波长天线的底部、中部或者顶部增加一小电感来实现缩小尺寸的目的，GPRS标配天线中一般采用底部加感和中部加感。

虽然1/4波长天线或者加感天线解决了信号收发问题，但这种天线结构就意味着单端传输线的屏蔽层可以可靠接地，但芯线部分对于谐振频率以外的信号处于类似开路状态，尤其是直流分量。这种状态对于防雷击是非常不利的。

再者，无论1/4波长天线还是加感天线的辐射角度是360度的全向天线，对信号来源在角度上没有任何的选择性，只能在信号幅度上进行选择，这样就是说我们不可能人工干预天线对基站信号的选择，这也是我们要解决的问题。

目前市场所用的避雷模块大部分采用的氧化物压敏电阻、气体放电管等原理实现，它们的工作原理中基本没有考虑射频信号传输问题，只适合普通低频信号场合应用。针对通讯行业也有专用的避雷模块，但这些专用的又过于追求信号回路的质量而削弱了避雷效果。针对这些因素和技术的进步，我们需要开发一种既适合高频应用，又有很好避雷效果的模块。

针对GPRS信号的放大器，目前市场有很多产品在卖，其原理都是一样的，将天线收到的信号和GPRS模块发出的信号进行分时处理，分别进行放大，但此类放大器具有致命的缺点，就是增益固定，一味的追求输出功率，导致很多地区出现干扰基站正常工作的问题。其实每个无线通讯设备都具有自己的信号强度门限，低于这个门限会导致信号质量下降信噪比降低。而高于这个门限则会导致前置放大器饱和，信号严重失真产生阻塞，导致其他设备的信号被掩盖。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线与系统，其是一种能在信号极端强弱条件下，进行自适应GPRS无线数据传输的电路系统，在这套系统中，天线满足有用频段有效信号接收的同时还要将无用频率的信号做接地处理，对收发天线防雷问题通过增加专用避雷模块来解决，对极强或极弱信号问题通过一套具有增益控制、带宽选择的自适应GPRS无线数据传输的专用放大器来解决，其具有自动增益控制功能，将输出信号控制在一个合理的范围，使基站接收到的信号强度在允许的范围内，同时又能根据接收到信号的强度调整接收端放大器的增益，使进入GPRS模块的信号幅度在最佳的状态，且本发明能进行带宽选择，成本也较低，且本发明的避雷模块在具备有用频率带通特性的同时还需要提供防浪涌的能力。

本发明的目的是采用下述方案实现的：一种用于GPRS采集终端的防雷天线系统，包括天线元件、上行链路、下行链路以及MCU，所述下行链路为依次连接的下行前置放大、滤波电路、下行衰减电路、下行功率放大电路，所述上行链路为依次连接的上行前置放大、滤波电路、上行衰减电路、上行功率放大器；所述下行前置放大、滤波电路的输入端、上行功率放大器的输出端均与第一射频开关连接，所述第一射频开关与天线元件连接；所述上行前置放大、滤波电路的输入端、下行功率放大电路的输出端均与第二射频开关连接，所述第二射频开关与GPRS模块连接；所述MCU与下行功率放大电路之间设有下行检波电路，所述下行检波电路用于检测下行功率放大电路的输出功率，并将检测到的下行功率放大电路的输出功率转换为直流电平传递给MCU，所述MCU用于接收下行功率放大电路的输出功率，并将下行功率放大电路的输出功率与设定值（或设定范围）进行比较，输出控制信号给下行衰减电路，控制下行衰减电路的衰减量大小（衰减幅度），从而控制下行功率放大电路的输出功率大小，使下行功率放大电路的输出功率大小等于设定值或约等于设定值；所述MCU与上行功率放大电路之间设有上行检波电路，所述上行检波电路用于检测上行功率放大电路的输出功率，并将检测到的上行功率放大电路的输出功率转换为直流电平传递给MCU；所述MCU用于接收上行功率放大电路的输出功率，并将上行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给上行衰减电路，控制上行衰减电路的衰减量大小（衰减幅度），从而控制上行功率放大电路的输出功率大小，使上行功率放大电路的输出功率大小等于设定值或约等于设定值。

所述第一射频开关与天线元件之间设有避雷模块，所述避雷模块包括第19电感L19、第20电感L20和电容C，所述电容C的一端经第19电感L19接地，所述电容C的另一端经第20电感L20接地，所述电容C的一端经第一浪涌保护器接地，所述电容C的另一端经第二浪涌保护器接地。本发明中避雷模块的设计主要采用高通滤波器作为原形，在此基础上对电路结构进行变型，在不影响高频特性的情况下加入浪涌保护器进行浪涌脉冲的吸收。本发明采用LC滤波器的电路形式可以实现防雷的目的，且为低频信号提供较低的回路阻抗。滤波器的输入和输出端分别有两只电感直流接地，这样就可以保障在GPRS信号的输入端没有直流电平，而且带外的信号强度也会根据滤波器的衰减特性进行衰减。由于此避雷电路工作频率高，所以浪涌吸收器选择了结电容小的，阶跃效应小的TVS管。

所述上行前置放大、滤波电路与下行前置放大、滤波电路的电路结构相同，所述下行前置放大、滤波电路包括高增益HEMT放大元件U6，所述高增益HEMT放大元件U6的栅极用于与第一射频开关连接，所述高增益HEMT放大元件U6的两个源极均接地，所述高增益HEMT放大元件U6的栅极与第4电感L4的一端连接，所述第4电感L4的另一端分别与第43电容C43、第24电阻R24的一端连接，所述第43电容C43另一端接地，第43电容C43的两端并联有第44电容C44，所述第24电阻R24的另一端分别与第21电阻R21、第25电阻R25的一端连接，所述第25电阻R25的另一端接地，所述第21电阻R21的另一端分别与第14电阻R14、第15电阻R15、第28电容C28的一端连接，第28电容C28的另一端接地，所述第15电阻R15的另一端与5V电源连接 (所述第15电阻R15的另一端经第7电感L7与5V电源连接)，所述第15电阻R15的另一端经第29电容C29接地，第29电容C29的两端并联有第30电容C30，所述第14电阻R14的另一端分别与第27电容C27、第1电感L1的一端连接，第27电容C27的另一端接地，第1电感L1的另一端分别与高增益HEMT放大元件U6的漏极、第9电阻R9的一端连接，所述第9电阻R9的另一端与第17电容C17的一端连接，第17电容C17的另一端连接有一衰减网络，该衰减网络的输出端连接有第一级下行滤波电路，所述第一级下行滤波电路的输出端用于与下行衰减电路连接，所述第一级下行滤波电路采用第一声表面滤波器F1。

该衰减网络采用由第3电阻R3、第10电阻R10、第4电阻R4构成的π型衰减网络。π型衰减网络的输入端分别与第3电阻R3、第10电阻R10的一端连接，第3电阻R3的另一端接地，第10电阻R10的另一端分别与π型衰减网络的输出端、第4电阻R4的一端连接，所述第4电阻R4的另一端接地。

所述第一级下行滤波电路的输出端与下行衰减电路的输入端之间设有一放大电路，该放大电路包括型号为SBB5089的放大器U3，SBB5089的放大器U3的第1引脚与第一级下行滤波电路的输出端连接，SBB5089的放大器U3的第4引脚接地，SBB5089的放大器U3的第3引脚与下行衰减电路的输入端连接，所述SBB5089的放大器U3的第3引脚与第2电感L2的一端连接，第2电感L2的另一端分别与第31电容C31、第16电阻R16的一端连接，第31电容C31的另一端与SBB5089的放大器U3的第2引脚连接，并接地，第31电容C31的两端并联有第32电容C32，第16电阻R16另一端与5V电源连接，第16电阻R16另一端经第7电感L7与5V电源连接，第16电阻R16另一端经第33电容C33接地，所述第33电容C33的两端并联有第34电容C34。第一级下行滤波电路输出端经第18电容C18与SBB5089的放大器U3的第1引脚连接。SBB5089的放大器U3的第3引脚经第19电容C19与下行衰减电路的输入端连接。

所述上行衰减电路与下行衰减电路的电路结构相同，所述下行衰减电路包括PIN二极管D1-1、PIN二极管D1-2、PIN二极管D2-2、PIN二极管D2-1，所述PIN二极管D1-1的阳极经第25电容C25接地，所述PIN二极管D2-2的阳极经第26电容C26接地，PIN二极管D1-1的阳极经第19电阻R19与第23电阻R23的一端连接，PIN二极管D2-2的阳极经第20电阻R20与第23电阻R23的一端连接，第23电阻R23的另一端与5V电源连接，第23电阻R23的另一端经第7电感L7与5V电源连接，第23电阻R23的另一端经第41电容C41接地；所述PIN二极管D1-2的阳极与PIN二极管D2-1的阳极连接后与第6电感L6的一端连接，第6电感L6的另一端与MCU连接，第6电感L6的另一端经第45电容C45接地，第45电容C45的两端并联有第46电容C46；所述PIN二极管D1-1的阴极与PIN二极管D1-2的阴极连接后经第5电阻R5接地，所述PIN二极管D1-1的阴极与PIN二极管D1-2的阴极连接的结点为下行衰减电路的输入端；所述PIN二极管D2-2的阴极与PIN二极管D2-1的阴极连接后经第6电阻R6接地，所述PIN二极管D2-2的阴极与PIN二极管D2-1的阴极连接的结点为下行衰减电路的输出端。

所述下行衰减电路与下行功率放大电路之间设有第二级下行滤波电路，所述第二级下行滤波电路采用串联的第二声表面滤波器F2和第三声表面滤波器F3。

下行衰减电路的输出端经第20电容C20与第二级下行滤波电路的输入端连接。第二级下行滤波电路的输出端经第21电容C21与下行功率放大电路的输入端连接。

所述上行功率放大电路与下行功率放大电路的电路结构相同；所述下行功率放大电路包括型号为SKY77768的功率放大器模块U5和SBB5089的放大器U4，所述SBB5089的放大器U4的第1引脚为下行功率放大电路的输入端，SBB5089的放大器U4的第4引脚接地，SBB5089的放大器U4的第3引脚经一衰减网络与功率放大器模块U5的第2引脚连接，SBB5089的放大器U4的第3引脚经第22电容C22与衰减网络的输入端连接，衰减网络的输出端经第23电容C23与功率放大器模块U5的第2引脚连接。所述SBB5089的放大器U4的第3引脚与第3电感L3的一端连接，第3电感L3的另一端分别与第35电容C35、第17电阻R17的一端连接，第35电容C35的另一端与SBB5089的放大器U4的第2引脚连接，并接地，第35电容C35的两端并联有第36电容C36，第17电阻R17另一端与5V电源连接，第17电阻R17另一端经第7电感L7与5V电源连接，第17电阻R17另一端经第38电容C38接地，所述第38电容C38的两端并联有第42电容C42；所述功率放大器模块U5的第1引脚、第10引脚连接后与3.3V电源连接，所述功率放大器模块U5的第1引脚、第10引脚连接后经第12电容C12接地，所述第12电容C12的两端并联有第13电容C13、第14电容C14、第15电容C15、第16电容C16，所述功率放大器模块U5的第9引脚为下行功率放大电路的输出端，所述功率放大器模块U5的第8引脚经第12电阻R12接地，所述功率放大器模块U5的第7引脚、第11引脚均接地，所述功率放大器模块U5的第5引脚分别与第13电阻R13、第18电阻R18、第24电容C24的一端连接，第13电阻R13的另一端与3.3V电源连接，第18电阻R18的另一端、第24电容C24的另一端均接地；所述下行检波电路包括肖特基二极管D3，所述肖特基二极管D3的阳极分别与第5电感L5、第37电容C37的一端连接，第5电感L5的另一端接地，第37电容C37的另一端与功率放大器模块U5的第6引脚连接，所述肖特基二极管D3的阴极与MCU连接，所述肖特基二极管D3的阴极分别与第39电容C39、第22电阻R22的一端连接，第39电容C39、第22电阻R22的另一端接地，第39电容C39的两端并联有第40电容C40。

该衰减网络采用由第7电阻R7、第11电阻R11、第8电阻R8构成的π型衰减网络。

所述下行衰减电路与下行功率放大电路之间设有第二级下行滤波电路，所述第二级下行滤波电路采用串联的第二声表面滤波器F2和第三声表面滤波器F3。

所述上行衰减电路与上行功率放大电路之间设有第二级上行滤波电路，所述第二级上行滤波电路采用第五声表面滤波器F5和第四声表面滤波器F4，所述第五声表面滤波器F5与第四声表面滤波器F4之间设有一放大电路，该放大电路包括型号为SBB5089的放大器U12，SBB5089的放大器U12的第1引脚与第五声表面滤波器F5的输出端连接，SBB5089的放大器U12的第4引脚接地，SBB5089的放大器U12的第3引脚与第四声表面滤波器F4的输入端连接，所述SBB5089的放大器U12的第3引脚与第17电感L17的一端连接，第17电感L17的另一端分别与第67电容C67、第34电阻R34的一端连接，第67电容C67的另一端与SBB5089的放大器U12的第2引脚连接，并接地，第67电容C67的两端并联有第68电容C68，第34电阻R34另一端与5V电源连接，第34电阻R34另一端经第12电感L12与5V电源连接，第34电阻R34另一端经第62电容C62接地，所述第62电容C62的两端并联有第63电容C63。SBB5089主动偏置网络提供稳定的过流保护和直流工作点。

所述第一射频开关、第二射频开关均采用声表双工器，声表双工器的型号为SD902AP2。所述下行功率放大电路的输出端经第47电容C47与第二射频开关的下行输入端连接。第二射频开关的下行输入端经第8电感L8接地。第二射频开关的下行输出端、上行输入端用于分别与GPRS模块连接。第二射频开关的上行输出端经第11电感L11接地。第二射频开关的上行输出端经第47电容C47与上行前置放大、滤波电路的输入端连接。所述第一射频开关的下行输出端第48电容C48与下行前置放大、滤波电路的输入端连接。第一射频开关的下行输出端经第9电感L9接地。第一射频开关的下行输入端、上行输出端用于分别与天线元件连接。所述上行功率放大电路的输出端经第49电容C49与第一射频开关的上行输入端连接。第一射频开关的上行输入端经第10电感L10接地。

所述MCU连接有显示器，用于显示目前状况下真实的接收信号强度，为了方便现场人员的操作，以方便现场人员对基站进行选择。

所述天线元件通过电缆与避雷模块连接，所述天线元件包括介质基板，所述介质基板的顶层中部沿长度方向印刷有顶层传输线，所述介质基板的顶层位于顶层传输线两侧印刷有与顶层传输线连接的若干顶层导电层振子，顶层传输线两侧的顶层导电层振子沿顶层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的顶层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板的底层中部沿长度方向印刷有底层传输线，所述介质基板的底层位于底层传输线两侧印刷有与底层传输线连接的若干底层导电层振子，底层传输线两侧的底层导电层振子沿底层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的底层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板顶层的导电层振子与介质基板底层的导电层振子映射在同一平面上呈对称结构；顶层传输线与底层传输线通过特定位置相连形成直流短路点，所述电缆一端的外屏蔽层焊接在顶层传输线上，电缆一端的导电线芯穿过介质基板与底层传输线的馈电点焊接，所述电缆另一端的外屏蔽层接地，电缆另一端的导电线芯与避雷模块连接；所述直流短路点设置在介质基板的下端，所述馈电点设置在介质基板的上端。

一种用于GPRS采集终端的防雷天线系统的天线，包括电缆和介质基板，所述介质基板的顶层中部沿长度方向印刷有顶层传输线，所述介质基板的顶层位于顶层传输线两侧印刷有与顶层传输线连接的若干顶层导电层振子，顶层传输线两侧的顶层导电层振子沿顶层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的顶层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板的底层中部沿长度方向印刷有底层传输线，所述介质基板的底层位于底层传输线两侧印刷有与底层传输线连接的若干底层导电层振子，底层传输线两侧的底层导电层振子沿底层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的底层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板顶层的导电层振子与介质基板底层的导电层振子映射在同一平面上呈对称结构；顶层传输线与底层传输线通过特定位置相连形成直流短路点，所述电缆一端的外屏蔽层焊接在顶层传输线上，电缆一端的导电线芯穿过介质基板与底层传输线的馈电点焊接，所述电缆另一端的外屏蔽层接地，电缆另一端的导电线芯用于与避雷模块连接；所述直流短路点设置在介质基板的下端，所述馈电点设置在介质基板的上端。

本发明具有的优点是：由于本发明的用于GPRS采集终端的防雷天线系统包括MCU，所述下行链路为依次连接的下行前置放大、滤波电路、下行衰减电路、下行功率放大电路，所述上行链路为依次连接的上行前置放大、滤波电路、上行衰减电路、上行功率放大器；所述下行前置放大、滤波电路的输入端、上行功率放大器的输出端均与第一射频开关连接，所述上行前置放大、滤波电路的输入端、下行功率放大电路的输出端均与第二射频开关连接；所述MCU与下行功率放大电路之间设有下行检波电路，所述下行检波电路用于检测下行功率放大电路的输出功率，并将检测到的下行功率放大电路的输出功率转换为直流电平传递给MCU，所述MCU用于接收下行功率放大电路的输出功率，并将下行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给下行衰减电路，控制下行衰减电路的衰减量大小（衰减幅度），从而控制下行功率放大电路的输出功率大小；所述MCU与上行功率放大电路之间设有上行检波电路，所述上行检波电路用于检测上行功率放大电路的输出功率，并将检测到的上行功率放大电路的输出功率转换为直流电平传递给MCU；所述MCU用于接收上行功率放大电路的输出功率，并将上行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给上行衰减电路，控制上行衰减电路的衰减量大小（衰减幅度），从而控制上行功率放大电路的输出功率大小。采用上述电路结构，使得本发明具备双向自动增益控制的上下行信号放大链路电路。且在高增益情况下具备高稳定性和低噪声特性的放大器。且本发明运用智能控制技术实现了低成本上下行信号放大器的开发，提供了自动增益控制和现场信号强度检测的双重功能。由于本发明具有自动增益控制功能，将输出信号控制在一个合理的范围，使基站接收到的信号强度在允许的范围内，同时又能根据接收到信号的强度调整接收端放大器的增益，使进入GPRS模块的信号幅度在最佳的状态。

本发明的放大电路为双路分时放大，具备双路自动增益控制、双路功率检测、接收单路信号强度显示等功能。本发明还可作为信号强弱测试仪，有相应的信号强弱显示屏。

本发明的天线结构设计和参数设计具有无用信号接地功能，为对数周期天线。在这个天线中，所有的振子全部连接在传输线上，下端设有短路点连接底层传输线与顶层传输线，底层传输线上端的馈电点为天线的输入端，电缆采用50欧同轴电缆，同轴电缆的外屏蔽层沿顶层传输线布置，同轴电缆的外屏蔽层与顶层传输线多点（3点）焊接，其导电线芯穿过介质基板与底层传输线的馈电点焊接，同轴电缆的导电线芯与避雷模块连接，电缆的外屏蔽层在避雷模块处接地，这样从电气连接上看，天线的输入端与地是连接在一起的，有用频率信号以外的信号都将被短路至地。本发明天线的顶层（正面）传输线与底层（反面）传输线通过特定位置相连形成直流短路点,使天线既满足增益,阻抗匹配的要求,又满足直流短路的要求,为后端提供保护。天线正反面的振子采用非对称结构,使得天线带内增益更平坦。天线正反面振子位置采用交错结构,弱化了传输线类型天线对介质的要求,使得天线制作材料可以使用廉价的普通PCB。

本发明的避雷模块采用带通滤波器原理对无用频率的信号进行短路处理，并在回路的合适位置增加高速率抗浪涌器件，使其既适合高频应用，具有吸收浪涌功能，又有很好避雷效果。

附图说明

图1为本发明的用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线系统的原理框图；

图2为本发明的用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线系统的MCU部分的具体电路图；

图3为本发明的用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线系统的上、下行链路的具体电路图；

图4为本发明的用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线系统的避雷模块的具体电路图；

图5为本发明的压控衰减电路的仿真结果示意图；

图6为在ADS仿真软件里对衰减电路最小衰减度进行仿真的结果示意图；

图7为当压控衰减电路中PIN二极管的等效阻抗达到最大1500欧姆时，得到的仿真结果示意图；

图8为天线的顶层结构示意图；

图9为天线的底层结构示意图；

图10为天线的参数示意图；

图11为优化后的天线模型在HFSS电磁场有限元仿真软件里带宽仿真结果示意图。

具体实施方式

参见图1至图4，一种用于GPRS采集终端的极强与极弱信号的防雷天线系统，包括天线元件、上行链路和下行链路以及MCU，所述下行链路为依次连接的下行前置放大、滤波电路、下行衰减电路、下行功率放大电路，所述上行链路为依次连接的上行前置放大、滤波电路、上行衰减电路、上行功率放大器；所述下行前置放大、滤波电路的输入端、上行功率放大器的输出端均与第一射频开关连接，所述第一射频开关与天线元件连接；所述上行前置放大、滤波电路的输入端、下行功率放大电路的输出端均与第二射频开关连接，所述第二射频开关与GPRS模块连接；所述MCU与下行功率放大电路之间设有下行检波电路，所述下行检波电路用于检测下行功率放大电路的输出功率，并将检测到的下行功率放大电路的输出功率转换为直流电平传递给MCU，所述MCU用于接收下行功率放大电路的输出功率，并将下行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给下行衰减电路，控制下行衰减电路的衰减量大小（衰减幅度），从而控制下行功率放大电路的输出功率大小；所述MCU与上行功率放大电路之间设有上行检波电路，所述上行检波电路用于检测上行功率放大电路的输出功率，并将检测到的上行功率放大电路的输出功率转换为直流电平传递给MCU；所述MCU用于接收上行功率放大电路的输出功率，并将上行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给上行衰减电路，控制上行衰减电路的衰减量大小（衰减幅度），从而控制上行功率放大电路的输出功率大小。

所述下行前置放大、滤波电路包括高增益HEMT放大元件U6，所述高增益HEMT放大元件U6的栅极用于与第一射频开关连接，所述高增益HEMT放大元件U6的两个源极均接地，所述高增益HEMT放大元件U6的栅极与第4电感L4的一端连接，所述第4电感L4的另一端分别与第43电容C43、第24电阻R24的一端连接，所述第43电容C43另一端接地，第43电容C43的两端并联有第44电容C44，所述第24电阻R24的另一端分别与第21电阻R21、第25电阻R25的一端连接，所述第25电阻R25的另一端接地，所述第21电阻R21的另一端分别与第14电阻R14、第15电阻R15、第28电容C28的一端连接，第28电容C28的另一端接地，所述第15电阻R15的另一端与5V电源连接 (所述第15电阻R15的另一端经第7电感L7与5V电源连接)，所述第15电阻R15的另一端经第29电容C29接地，第29电容C29的两端并联有第30电容C30，所述第14电阻R14的另一端分别与第27电容C27、第1电感L1的一端连接，第27电容C27的另一端接地，第1电感L1的另一端分别与高增益HEMT放大元件U6的漏极、第9电阻R9的一端连接，所述第9电阻R9的另一端与第17电容C17的一端连接，第17电容C17的另一端连接有一衰减网络，该衰减网络的输出端连接有第一级下行滤波电路，所述第一级下行滤波电路的输出端用于与下行衰减电路连接，所述第一级下行滤波电路采用第一声表面滤波器F1。前置放大器的选择需要遵循低噪声的原则，增益不是非常重要的指标，根据使用频段的要求本实施例采用了安华高的ATF-54143高频FET。

该衰减网络采用由第3电阻R3、第10电阻R10、第4电阻R4构成的π型衰减网络。π型衰减网络的输入端分别与第3电阻R3、第10电阻R10的一端连接，第3电阻R3的另一端接地，第10电阻R10的另一端分别与π型衰减网络的输出端、第4电阻R4的一端连接，所述第4电阻R4的另一端接地。

所述第一级下行滤波电路的输出端与下行衰减电路的输入端之间设有一放大电路，该放大电路包括型号为SBB5089的放大器U3，SBB5089的放大器U3的第1引脚与第一级下行滤波电路的输出端连接，SBB5089的放大器U3的第4引脚接地，SBB5089的放大器U3的第3引脚与下行衰减电路的输入端连接，所述SBB5089的放大器U3的第3引脚与第2电感L2的一端连接，第2电感L2的另一端分别与第31电容C31、第16电阻R16的一端连接，第31电容C31的另一端与SBB5089的放大器U3的第2引脚连接，并接地，第31电容C31的两端并联有第32电容C32，第16电阻R16另一端与5V电源连接，第16电阻R16另一端经第7电感L7与5V电源连接，第16电阻R16另一端经第33电容C33接地，所述第33电容C33的两端并联有第34电容C34。第一级下行滤波电路输出端经第18电容C18与SBB5089的放大器U3的第1引脚连接。SBB5089的放大器U3的第3引脚经第19电容C19与下行衰减电路的输入端连接。

所述上行衰减电路与下行衰减电路的电路结构相同，所述下行衰减电路包括PIN二极管D1-1、PIN二极管D1-2、PIN二极管D2-2、PIN二极管D2-1，所述PIN二极管D1-1的阳极经第25电容C25接地，所述PIN二极管D2-2的阳极经第26电容C26接地，PIN二极管D1-1的阳极经第19电阻R19与第23电阻R23的一端连接，PIN二极管D2-2的阳极经第20电阻R20与第23电阻R23的一端连接，第23电阻R23的另一端与5V电源连接，第23电阻R23的另一端经第7电感L7与5V电源连接，第23电阻R23的另一端经第41电容C41接地；所述PIN二极管D1-2的阳极与PIN二极管D2-1的阳极连接后与第6电感L6的一端连接，第6电感L6的另一端与MCU连接，第6电感L6的另一端经第45电容C45接地，第45电容C45的两端并联有第46电容C46；所述PIN二极管D1-1的阴极与PIN二极管D1-2的阴极连接后经第5电阻R5接地，所述PIN二极管D1-1的阴极与PIN二极管D1-2的阴极连接的结点为下行衰减电路的输入端；所述PIN二极管D2-2的阴极与PIN二极管D2-1的阴极连接后经第6电阻R6接地，所述PIN二极管D2-2的阴极与PIN二极管D2-1的阴极连接的结点为下行衰减电路的输出端。PIN二极管D1-1、PIN二极管D1-2采用型号为HSMP3814的PIN二极管，此管为内部孪生双PIN二极管。PIN二极管D2-2、PIN二极管D2-1也采用型号为HSMP3814的PIN二极管，此管为内部孪生双PIN二极管。

所述下行衰减电路与下行功率放大电路之间设有第二级下行滤波电路，所述第二级下行滤波电路采用串联的第二声表面滤波器F2和第三声表面滤波器F3。

下行衰减电路的输出端经第20电容C20与第二级下行滤波电路的输入端连接。第二级下行滤波电路的输出端经第21电容C21与下行功率放大电路的输入端连接。

所述上行功率放大电路与下行功率放大电路的电路结构相同；所述下行功率放大电路包括型号为SKY77768的功率放大器模块U5和SBB5089的放大器U4，所述SBB5089的放大器U4的第1引脚为下行功率放大电路的输入端，SBB5089的放大器U4的第4引脚接地，SBB5089的放大器U4的第3引脚经一衰减网络与功率放大器模块U5的第2引脚连接，SBB5089的放大器U4的第3引脚经第22电容C22与衰减网络的输入端连接，衰减网络的输出端经第23电容C23与功率放大器模块U5的第2引脚连接。所述SBB5089的放大器U4的第3引脚与第3电感L3的一端连接，第3电感L3的另一端分别与第35电容C35、第17电阻R17的一端连接，第35电容C35的另一端与SBB5089的放大器U4的第2引脚连接，并接地，第35电容C35的两端并联有第36电容C36，第17电阻R17另一端与5V电源连接，第17电阻R17另一端经第7电感L7与5V电源连接，第17电阻R17另一端经第38电容C38接地，所述第38电容C38的两端并联有第42电容C42；所述功率放大器模块U5的第1引脚、第10引脚连接后与3.3V电源连接，所述功率放大器模块U5的第1引脚、第10引脚连接后经第12电容C12接地，所述第12电容C12的两端并联有第13电容C13、第14电容C14、第15电容C15、第16电容C16，所述功率放大器模块U5的第9引脚为下行功率放大电路的输出端，所述功率放大器模块U5的第8引脚经第12电阻R12接地，所述功率放大器模块U5的第7引脚、第11引脚均接地，所述功率放大器模块U5的第5引脚分别与第13电阻R13、第18电阻R18、第24电容C24的一端连接，第13电阻R13的另一端与3.3V电源连接，第18电阻R18的另一端、第24电容C24的另一端均接地；所述下行检波电路包括肖特基二极管D3，所述肖特基二极管D3的阳极分别与第5电感L5、第37电容C37的一端连接，第5电感L5的另一端接地，第37电容C37的另一端与功率放大器模块U5的第6引脚连接，所述肖特基二极管D3的阴极与MCU连接，所述肖特基二极管D3的阴极分别与第39电容C39、第22电阻R22的一端连接，第39电容C39、第22电阻R22的另一端接地，第39电容C39的两端并联有第40电容C40。

该衰减网络采用由第7电阻R7、第11电阻R11、第8电阻R8构成的π型衰减网络。

所述下行衰减电路与下行功率放大电路之间设有第二级下行滤波电路，所述第二级下行滤波电路采用串联的第二声表面滤波器F2和第三声表面滤波器F3。

所述上行前置放大、滤波电路包括高增益HEMT放大元件U9，所述高增益HEMT放大元件U9的栅极用于与第二射频开关连接，所述高增益HEMT放大元件U9的两个源极均接地，所述高增益HEMT放大元件U9的栅极与第15电感L15的一端连接，所述第15电感L15的另一端分别与第54电容C54、第27电阻R27的一端连接，所述第54电容C54另一端接地，第54电容C54的两端并联有第55电容C55，所述第27电阻R27的另一端分别与第30电阻R30、第26电阻R26的一端连接，所述第26电阻R26的另一端接地，所述第30电阻R30的另一端分别与第36电阻R36、第35电阻R35、第71电容C71的一端连接，第71电容C71的另一端接地，所述第35电阻R35的另一端与5V电源连接 (所述第35电阻R35的另一端经第12电感L12与5V电源连接)，所述第35电阻R35的另一端经第69电容C69接地，第69电容C69的两端并联有第70电容C70，所述第36电阻R36的另一端分别与第72电容C72、第18电感L18的一端连接，第72电容C72的另一端接地，第18电感L18的另一端分别与高增益HEMT放大元件U9的漏极、第42电阻R42的一端连接，所述第42电阻R42的另一端与第81电容C81的一端连接，第81电容C81的另一端连接有一衰减网络，该衰减网络的输出端连接有第一级上行滤波电路，所述第一级上行滤波电路的输出端用于与上行衰减电路连接，所述第一级上行滤波电路采用第六声表面滤波器F6。第一级上行滤波电路的输出端经第80电容C80与上行衰减电路的输入端连接。

该衰减网络采用由第47电阻R47、第41电阻R41、第48电阻R48构成的π型衰减网络。π型衰减网络的输入端分别与第48电阻R48、第41电阻R41的一端连接，第48电阻R48的另一端接地，第41电阻R41的另一端分别与π型衰减网络的输出端、第47电阻R47的一端连接，所述第47电阻R47的另一端接地。

所述上行衰减电路包括PIN二极管D5-1、PIN二极管D5-2、PIN二极管D6-1、PIN二极管D6-2，所述PIN二极管D5-1的阳极经第60电容C60接地，所述PIN二极管D6-1的阳极经第61电容C61接地，PIN二极管D5-1的阳极经第31电阻R31与第28电阻R28的一端连接，PIN二极管D6-1的阳极经第32电阻R32与第28电阻R28的一端连接，第28电阻R28的另一端与5V电源连接，第28电阻R28的另一端经第12电感L12与5V电源连接，第28电阻R28的另一端经第56电容C56接地；所述PIN二极管D5-2的阳极与PIN二极管D6-2的阳极连接后与第13电感L13的一端连接，第13电感L13的另一端与MCU连接，第13电感L13的另一端经第52电容C52接地，第52电容C52的两端并联有第53电容C53；所述PIN二极管D5-1的阴极与PIN二极管D5-2的阴极连接后经第45电阻R45接地，所述PIN二极管D5-1的阴极与PIN二极管D5-2的阴极连接的结点为上行衰减电路的输入端；所述PIN二极管D6-1的阴极与PIN二极管D6-2的阴极连接后经第46电阻R46接地，所述PIN二极管D6-1的阴极与PIN二极管D6-2的阴极连接的结点为上行衰减电路的输出端。PIN二极管D5-1、PIN二极管D5-2采用型号为HSMP3814的PIN二极管，此管为内部孪生双PIN二极管。PIN二极管D6-1、PIN二极管D6-2也采用型号为HSMP3814的PIN二极管，此管为内部孪生双PIN二极管。

所述上行功率放大电路包括型号为SKY77768的功率放大器模块U10和SBB5089的放大器U11，所述SBB5089的放大器U11的第1引脚为上行功率放大电路的输入端，SBB5089的放大器U11的第4引脚接地，SBB5089的放大器U11的第3引脚经一衰减网络与功率放大器模块U10的第2引脚连接，SBB5089的放大器U11的第3引脚经第75电容C75与衰减网络的输入端连接，衰减网络的输出端经第74电容C74与功率放大器模块U10的第2引脚连接。所述SBB5089的放大器U11的第3引脚与第16电感L16的一端连接，第16电感L16的另一端分别与第65电容C65、第38电阻R38的一端连接，第65电容C65的另一端与SBB5089的放大器U11的第2引脚连接，并接地，第65电容C65的两端并联有第66电容C66，第38电阻R38另一端与5V电源连接，第38电阻R38另一端经第12电感L12与5V电源连接，第38电阻R38另一端经第51电容C51接地，所述第51电容C51的两端并联有第57电容C57；所述功率放大器模块U10的第1引脚、第10引脚连接后与3.3V电源连接，所述功率放大器模块U10的第1引脚、第10引脚连接后经第82电容C82接地，所述第82电容C82的两端并联有第83电容C83、第84电容C84、第85电容C85、第86电容C86，所述功率放大器模块U10的第9引脚为上行功率放大电路的输出端，所述功率放大器模块U10的第8引脚经第39电阻R39接地，所述功率放大器模块U10的第7引脚、第11引脚均接地，所述功率放大器模块U10的第5引脚分别与第37电阻R37、第33电阻R33、第73电容C73的一端连接，第37电阻R37的另一端与3.3V电源连接，第33电阻R33的另一端、第73电容C73的另一端均接地；所述上行检波电路包括肖特基二极管D4，所述肖特基二极管D4的阳极分别与第14电感L14、第64电容C64的一端连接，第14电感L14的另一端接地，第64电容C64的另一端与功率放大器模块U10的第6引脚，所述肖特基二极管D4的阴极与MCU连接，所述肖特基二极管D4的阴极分别与第58电容C58、第29电阻R29的一端连接，第58电容C58、第29电阻R29的另一端接地，第58电容C58的两端并联有第59电容C59。

该衰减网络采用由第40电阻R40、第43电阻R43、第44电阻R44构成的π型衰减网络。

所述上行衰减电路与上行功率放大电路之间设有第二级上行滤波电路。上行衰减电路的输出端经第79电容C79与第二级上行滤波电路的输入端连接。所述第二级上行滤波电路采用第五声表面滤波器F5和第四声表面滤波器F4，所述第五声表面滤波器F5与第四声表面滤波器F4之间设有一放大电路。第五声表面滤波器F5的输出端经第78电容C78与该放大电路的输入端连接。该放大电路的输出端经第77电容C77与第四声表面滤波器F4的输入端连接。第四声表面滤波器F4的输出端经第76电容C76与上行功率放大电路的输入端连接。该放大电路包括型号为SBB5089的放大器U12，SBB5089的放大器U12的第1引脚与第五声表面滤波器F5的输出端连接，SBB5089的放大器U12的第4引脚接地，SBB5089的放大器U12的第3引脚与第四声表面滤波器F4的输入端连接，所述SBB5089的放大器U12的第3引脚与第17电感L17的一端连接，第17电感L17的另一端分别与第67电容C67、第34电阻R34的一端连接，第67电容C67的另一端与SBB5089的放大器U12的第2引脚连接，并接地，第67电容C67的两端并联有第68电容C68，第34电阻R34另一端与5V电源连接，第34电阻R34另一端经第12电感L12与5V电源连接，第34电阻R34另一端经第62电容C62接地，所述第62电容C62的两端并联有第63电容C63。SBB5089主动偏置网络提供稳定的过流保护和直流工作点。

所述第一射频开关、第二射频开关均采用声表双工器，声表双工器的型号为SD902AP2。所述下行功率放大电路的输出端经第47电容C47与第二射频开关的下行输入端连接。第二射频开关的下行输入端经第8电感L8接地。第二射频开关的下行输出端、上行输入端用于分别与GPRS模块连接。第二射频开关的上行输出端经第11电感L11接地。第二射频开关的上行输出端经第47电容C47与上行前置放大、滤波电路的输入端连接。所述第一射频开关的下行输出端第48电容C48与下行前置放大、滤波电路的输入端连接。第一射频开关的下行输出端经第9电感L9接地。第一射频开关的下行输入端、上行输出端用于分别与天线元件连接。所述上行功率放大电路的输出端经第49电容C49与第一射频开关的上行输入端连接。第一射频开关的上行输入端经第10电感L10接地。

所述第一射频开关与天线元件之间设有避雷模块，所述避雷模块包括第19电感L19、第20电感L20和电容C，所述电容C的一端经第19电感L19接地，所述电容C的另一端经第20电感L20接地，所述电容C的一端经第一浪涌保护器接地，所述电容C的另一端经第二浪涌保护器接地。本发明中避雷模块的设计主要采用高通滤波器作为原形，在此基础上对电路结构进行变型，在不影响高频特性的情况下加入浪涌保护器进行浪涌脉冲的吸收。本发明采用LC滤波器的电路形式可以实现防雷的目的，且为低频信号提供较低的回路阻抗。滤波器的输入和输出端分别有两只电感直流接地，这样就可以保障在GPRS信号的输入端没有直流电平，而且带外的信号强度也会根据滤波器的衰减特性进行衰减。由于此避雷电路工作频率高，所以浪涌吸收器选择了结电容小的，阶跃效应小的TVS管。通过仿真结果可以看出，在800MHz—2200MHz之间TVS管的引入对电路影响很小，可以忽略不计。

本发明的工作原理分析：通讯信号分为上行和下行两路，分别负责GPRS模块送往基站的信号和基站送往GPRS模块的信号。其上行中心频率为902MHz，下行中心频率为947MHz。所以在放大器内部也是由两路不同的放大电路来分别负责。空间信号由天线元件感应到放大器的输入接口，首先需要经过一个选择开关，将感应来的基站信号送入下行放大电路。本发明是针对GPRS通讯专用，采用了声表面双功切换开关，即一种双工器，它是一种对频率具有选择性的二端口网络，能进行带宽选择，用来分离或者组合不同频率的信号，主要作用是抑制不需要的信号，使有用信号通过滤波器。天线元件送入的信号是有选择的进行切换的，天线元件至下行放大器之间只可以通过947MHz的频率，而上行信号至天线元件之间却只能通过902MHz频率的信号，而且两路信号可以不分时切换。经过切换开关选择的下行信号进入下行前置放大、滤波电路。前置放大、滤波电路主要作用有两个，一是弥补声表面滤波器的插损，二是在天线元件接收的微弱电波中混入的噪声不进行放大而送到下一级。若这部分使用噪声特性差的放大器,则微弱信号就会被噪声淹没。放大电路的噪声指数为输入信号S/N与输出信号 S/N之比。若使用噪声指数差的放大器，则放大器内部产生的噪声会混入信号中，从噪声中不能取出输入信号。且放大电路的噪声指数越小，增益越大，后级电路产生的噪声影响越小。本发明的前置放大、滤波电路的噪声指数好，采用的ATF54143是一款具有极低噪声的高增益HEMT放大元件，其电路构成只有两个主要部分，一路是偏置电路，为器件提供直流工作点，另一路是电源供应。在放大电路输出部分增加有一固定衰减网络，通过调整该网络的参数使这级放大电路的增益正好等于天线元件切换开关和这级放大器后声表面滤波器的插损。

经过前置放大、滤波电路的下行信号继续送往下级放大器，这级放大器采用固定增益的集成电路元件SBB5089，SBB5089是一款高性能InGaP HBT MMIC，它是具有主动偏置网络的达林顿配置放大器。主动偏置网络提供稳定的过流保护和直流工作点，它可以在5V电源下很好的工作，与其他放大器相比不需要偏置电路，并且还具有较好的带内增益平坦度。此器件具备内部匹配网络，匹配阻抗为50欧姆，因此在设计电路的时候不需要设计外部匹配网络进行配合，达到了设计最简的目的。经过SBB5089被放大的信号送往压控衰减电路，这是个由PIN二极管组成的压控衰减器电路，PIN二极管主要工作在反向偏置状态，加负电压（或零偏压）时，PIN管等效为电容+电阻；加正电压时，PIN管等效为小电阻。本发明利用PIN二极管的偏置特性设计压控衰减电路。相对于固定衰减电路,可以用三个二极管来代替电路中的固定电阻，构造一个可变衰减器，不过，这样会导致网络中的不对称，从而导致产生一个相当复杂的偏压网络。两个PIN二极管来代替其中的串联电阻可以获得几个性能方面的好处。首先，由用于串联二极管具有容性电抗而使网络与其它部分相隔离，用两个二极管代替一个电阻可以提高最大衰减值或在一定衰减值的条件下使频率上限翻倍。其二，代替串联电阻的两个二极管是180度反接的，这样就抑制了偶数次信号畸变的产生。其三，由此而得到的衰减器网络是对称的，从而可以大大简化偏压网络。将PIN二极管用做衰减元件时，PIN二极管具有比等效的GaAs MESFETs更高的线性度，通过使用具有厚I层及低介质张弛频率的多个PIN二极管就可以将信号畸变减小到最低程度。在Avago公司PIN二极管产品线中HSMP-3814系列产品的I层最厚。在低衰减状态，大部分RF能量仅仅是从输入端传输到输出端而已。它们接近于零偏压状态，其结电容将随RF电压同步变化，幸运的是，由于两个二极管是反向串联的，所以可以抑制由受RF调制的电容所产生的某些失真或畸变。由于封装的两个反串二极管具有完全互相匹配的特性，因此可以得到最佳的失真抑制能力。图5是压控衰减器的仿真结果。在ADS仿真软件里对衰减电路最小衰减度进行仿真，结果如图6所示。最小衰减量为-2.3db，此时PIN二极管处于最低阻抗10欧姆。当PIN二极管的等效阻抗达到最大1500欧姆时，得到的仿真结果如图7所示。从图7中可以看到，最大的衰减量为-31db。此衰减量的大小与偏置电压是线性关系，因此可以变相的通过调整衰减电路的偏置电压来调整整个放大电路的增益。

经过衰减的信号通过连续两个声表面滤波器进行杂波滤除，尽量的把带外信号幅度压低。之后信号进入功率放大电路。功率放大电路的驱动放大器和功率放大器选择的型号分别为SBB5089和SKY77768。SBB5089是宽带高增益放大器，在0-2GHZ频段内此放大器具有很好的带内增益平坦度，平均增益为20db。SKY77768是手机专用的功率放大器，不但具有较好的放大性能，还具备功率检测功能，可以检测输出功率的大小，为压控衰减器的工作提供了参考。SKY77768功率放大器模块是为宽带码分多址应用开发的专用表面贴装模块。SKY77768在本项目中主要提供两个功能，一是功率放大功能，将上行或者下行信号放大至理想的功率值。二是功率检测功能，为整个上行或者下行信号提供自动增益控制的基准。其输出的功率信号是通过定向耦合器实现的，所以还要外加一套高频功率检波电路将高频信号转换为直流电平。功率检波电路采用肖特基二极管实现，由于此处信号幅度很小，所以采用二极管平方律检波电路，这种电路，在信号很小时，主要靠二极管非线性的平方项来检波，高次项非常小，可以忽略，所以也称为“小信号平方律检波器”。从检波电路输出的直流电平即是当前通过功率放大器输出的功率，功率越大电压越高。

上行前置放大、滤波电路的元件选择和电路形式与下行类似，区别在于滤波电路的安排和滤波器的选取，由于上行电路的工作中心频率是902MHz，所以在上行电路中所有声表面滤波器均采用902MHz的。

在下行电路里，信号经过第一级滤波器后要进行一次放大，主要原因是下行信号很微弱，为了防止经过压控衰减电路后信噪比降低，所以又加了一级放大器在中间。而对于上行信号，GPRS模块输出的信号功率就比较大了，具有很高的信噪比，所以经过一级前置放大弥补声表面带损后就可以直接进入压控衰减器进行幅度处理了，对信噪比影响很小。

由于GPRS模块的模拟信号通道是分时工作的，所以在工作期间功率检波器输出的功率值是以电压脉冲形式输出的。如果用这个电平做作自动增益控制基础，必然会导致工作上的混乱，想要解决这个问题就需要一套比较完善稳定的模糊控制电路。这部分功能若采用硬件实现，不仅成本高，而且变通性很差，想适应一些情况所带来的修改就是电路形式的改变，对于扩展和完善工作非常不利。基于上述原因，在自动增益控制部分本发明采用软件方式来实现其模拟控制，这样就可以根据不同的应用很方便的做出各种扩展功能，甚至可以做出可自动根据应用环境进行参数修改的自适应系统。通过对比，申请人选取STM32F303系列的单片机，其中STM32F303CCX型号具备两路同步12位ADC，两路12位DAC。同时内核中包含有FPU，适合做高强度的浮点运算，全速主频可以达到72MHz，完全可以满足本专利申请的需要。上行和下行功率检波信号分别送入单片机的两路ADC，单片机的两路DAC分别接入压控衰减电路的电压控制端。

通过合理的设计PID算法中的系数，申请人可以得到具有针对性的增益补偿程序，可以将自动增益控制部分的输出做到输出功率平稳，随着环境的改变自动补偿偏差，实现系统的正常运行。

本发明的工作流程为：

下行信号通过天线元件感应得到微弱的电压信号，此信号首先通过避雷模块进行高通滤波，将低于有用频段的无用信号和直流电平过滤掉，然后进入射频开关。此时射频开关连接前置放大器，在对可能有用的信号进行放大后通过第一个滤波器进行滤波，这是一个下行带通声表面滤波器，这种滤波器具有非常陡峭的衰减率，可以将大部分的无用信号滤除掉，将有用信号送入压控衰减器内进行衰减，衰减的幅度由MCU根据后边功率放大器的输出幅度决定。经过衰减器的信号再次进入下行声表面滤波器滤除无用信号后进入功率放大器进行功率放大，此时功率放大器输出的功率大小相当于GPRS模块所接收信号幅度的上限。检波器的作用是负责将高频功率信号的幅度转换为直流电平，以方便MCU获取。

当GPRS模块发送上行信号时，此信号首先通过上行信号声表面滤波器滤除噪声后送入前置放大器，此放大器主要目的是为了弥补声表面滤波器带内损耗大的弊端，经过前置放大器的信号进入压控衰减器进行衰减，衰减量的大小是由后端检波器所得到的功率决定，此功率为基站所允许的功率上限。衰减后的信号经过上行滤波器进入功率放大器，然后通过避雷器、天线元件发送到空间中。

在整个工作过程中，MCU负责监视上行信号强度，上行信号开始时刻，下行信号强度和下行信号强度显示等工作。

参见图8至图10，所述天线元件通过电缆与避雷模块连接，所述天线元件包括介质基板1，所述介质基板1的顶层中部沿长度方向印刷有顶层传输线2，所述介质基板的顶层位于顶层传输线两侧印刷有与顶层传输线连接的若干顶层导电层振子3，顶层传输线两侧的顶层导电层振子沿顶层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的顶层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板的底层中部沿长度方向印刷有底层传输线4，所述介质基板的底层位于底层传输线两侧印刷有与底层传输线连接的若干底层导电层振子5，底层传输线两侧的底层导电层振子沿底层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的底层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板顶层的导电层振子与介质基板底层的导电层振子映射在同一平面上呈对称结构；顶层传输线与底层传输线通过特定位置相连形成直流短路点6，所述电缆一端的外屏蔽层焊接在顶层传输线上，电缆一端的导电线芯穿过介质基板设有的过孔8与底层传输线的馈电点7焊接，所述电缆另一端的外屏蔽层接地，电缆另一端的导电线芯与避雷模块连接；所述直流短路点设置在介质基板的下端，所述馈电点设置在介质基板的上端。

本实施例的介质基板由等腰梯形板和长方形板组成，等腰梯形板的长底边与长方形板的一长边连接成一体；所述介质基板的长度为280mm，介质基板的底边长度为210mm；顶层传输线的每侧均连接有九个顶层导电层振子，底层传输线的每侧均连接有九个底层导电层振子，顶层导电层振子与顶层传输线垂直，底层导电层振子与底层传输线垂直。参见图10，底层传输线的左侧最下端的第一底层导电层振子的长度为89.5mm。底层传输线的左侧第二底层导电层振子的长度为73.9mm。底层传输线的左侧第三底层导电层振子的长度为60.9mm。底层传输线的左侧第四底层导电层振子的长度为50.2mm。底层传输线的左侧第五底层导电层振子的长度为41.3mm。底层传输线的左侧第六底层导电层振子的长度为34mm。底层传输线的左侧第七底层导电层振子的长度为27.9mm。底层传输线的左侧第八底层导电层振子的长度为22.8mm。底层传输线的左侧第九底层导电层振子的长度为18.7mm。底层传输线的左侧第一底层导电层振子下端与介质基板的下边的距离为35.2mm。底层传输线的左侧第一底层导电层振子上端与第二底层导电层振子下端的距离为48mm。底层传输线的左侧第二底层导电层振子上端与第三底层导电层振子下端的距离为39.7mm。底层传输线的左侧第三底层导电层振子上端与第四底层导电层振子下端的距离为32.9mm。底层传输线的左侧第四底层导电层振子上端与第五底层导电层振子下端的距离为27.2mm。底层传输线的左侧第五底层导电层振子上端与第六底层导电层振子下端的距离为22.6mm。底层传输线的左侧第六底层导电层振子上端与第七底层导电层振子下端的距离为18.7mm。底层传输线的左侧第七底层导电层振子上端与第八底层导电层振子下端的距离为15.5mm。底层传输线的左侧第八底层导电层振子上端与第九底层导电层振子下端的距离为12.8mm。

底层传输线的右侧最下端的第一底层导电层振子的长度为98.5mm。底层传输线的右侧第二底层导电层振子的长度为81.3mm。底层传输线的右侧第三底层导电层振子的长度为67.1mm。底层传输线的右侧第四底层导电层振子的长度为50.3mm。底层传输线的右侧第五底层导电层振子的长度为45.5mm。底层传输线的右侧第六底层导电层振子的长度为37.5mm。底层传输线的右侧第七底层导电层振子的长度为30.8mm。底层传输线的右侧第八底层导电层振子的长度为25.2mm。底层传输线的右侧第九底层导电层振子的长度为20.6mm。

底层传输线的右侧第一底层导电层振子上端与第二底层导电层振子下端的距离为52.7mm。底层传输线的右侧第二底层导电层振子上端与第三底层导电层振子下端的距离为43.7mm。底层传输线的右侧第三底层导电层振子上端与第四底层导电层振子下端的距离为36.2mm。底层传输线的右侧第四底层导电层振子上端与第五底层导电层振子下端的距离为29.9mm。底层传输线的右侧第五底层导电层振子上端与第六底层导电层振子下端的距离为24.8mm。底层传输线的右侧第六底层导电层振子上端与第七底层导电层振子下端的距离为20.5mm。底层传输线的右侧第七底层导电层振子上端与第八底层导电层振子下端的距离为17mm。底层传输线的右侧第八底层导电层振子上端与第九底层导电层振子下端的距离为14.1mm。

本发明的天线结构设计和参数设计具有无用信号接地功能，为对数周期天线。在这个天线中，所有的振子全部连接在传输线上，下端设有短路点连接底层传输线与顶层传输线，底层传输线上端的馈电点为天线的输入端，电缆采用50欧同轴电缆，同轴电缆的外屏蔽层沿顶层传输线布置，同轴电缆的外屏蔽层与顶层传输线多点（3点）焊接，其导电线芯穿过介质基板与底层传输线的馈电点焊接，同轴电缆的导电线芯与避雷模块连接，电缆的外屏蔽层在避雷模块处接地，这样从电气连接上看，天线的输入端与地是连接在一起的，有用频率信号以外的信号都将被短路至地。本发明的天线材质主要有两部分组成，导体为纯铜，厚度0.035mm，绝缘介质采用FR-4,介质厚度1.6mm，介电系数4.5，正切角损耗0.025。图11为优化后的天线模型在HFSS电磁场有限元仿真软件里带宽仿真结果，申请人设计的天线带宽为600MHz—2250MHz。根据增益及辐射场仿真结果可以看出天线是增益6.5db左右的定向天线。

本发明的天线满足有用频段有效信号接收的同时还要将无用频率的信号做接地处理，避雷模块在具备有用频率带通特性的同时还需要提供防浪涌的能力。放大器为双路分时放大，具备双路自动增益控制、双路功率检测、接收单路信号强度显示等功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：包括天线元件、上行链路、下行链路以及MCU，所述下行链路为依次连接的下行前置放大、滤波电路、下行衰减电路、下行功率放大电路，所述上行链路为依次连接的上行前置放大、滤波电路、上行衰减电路、上行功率放大器；所述下行前置放大、滤波电路的输入端、上行功率放大器的输出端均与第一射频开关连接，所述第一射频开关与天线元件连接；所述上行前置放大、滤波电路的输入端、下行功率放大电路的输出端均与第二射频开关连接，所述第二射频开关与GPRS模块连接；所述MCU与下行功率放大电路之间设有下行检波电路，所述下行检波电路用于检测下行功率放大电路的输出功率，并将检测到的下行功率放大电路的输出功率传递给MCU，所述MCU用于接收下行功率放大电路的输出功率，并将下行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给下行衰减电路，控制下行衰减电路的衰减量大小，从而控制下行功率放大电路的输出功率大小；所述MCU与上行功率放大电路之间设有上行检波电路，所述上行检波电路用于检测上行功率放大电路的输出功率，并将检测到的上行功率放大电路的输出功率传递给MCU；所述MCU用于接收上行功率放大电路的输出功率，并将上行功率放大电路的输出功率与设定值进行比较，输出控制信号给上行衰减电路，控制上行衰减电路的衰减量大小，从而控制上行功率放大电路的输出功率大小；

所述天线元件包括介质基板，所述介质基板的顶层中部沿长度方向印刷有顶层传输线，所述介质基板的顶层位于顶层传输线两侧印刷有与顶层传输线连接的若干顶层导电层振子，顶层传输线两侧的顶层导电层振子沿顶层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构。

2.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述第一射频开关与天线元件之间设有避雷模块，所述避雷模块包括第19电感L19、第20电感L20和电容C，所述电容C的一端经第19电感L19接地，所述电容C的另一端经第20电感L20接地，所述电容C的一端经第一浪涌保护器接地，所述电容C的另一端经第二浪涌保护器接地。

3.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述上行前置放大、滤波电路与下行前置放大、滤波电路的电路结构相同，所述下行前置放大、滤波电路包括高增益HEMT放大元件U6，所述高增益HEMT放大元件U6的栅极用于与第一射频开关连接，所述高增益HEMT放大元件U6的两个源极均接地，所述高增益HEMT放大元件U6的栅极与第4电感L4的一端连接，所述第4电感L4的另一端分别与第43电容C43、第24电阻R24的一端连接，所述第43电容C43另一端接地，第43电容C43的两端并联有第44电容C44，所述第24电阻R24的另一端分别与第21电阻R21、第25电阻R25的一端连接，所述第25电阻R25的另一端接地，所述第21电阻R21的另一端分别与第14电阻R14、第15电阻R15、第28电容C28的一端连接，第28电容C28的另一端接地，所述第15电阻R15的另一端经第7电感L7与5V电源连接，所述第15电阻R15的另一端经第29电容C29接地，第29电容C29的两端并联有第30电容C30，所述第14电阻R14的另一端分别与第27电容C27、第1电感L1的一端连接，第27电容C27的另一端接地，第1电感L1的另一端分别与高增益HEMT放大元件U6的漏极、第9电阻R9的一端连接，所述第9电阻R9的另一端与第17电容C17的一端连接，第17电容C17的另一端连接有一衰减网络，该衰减网络的输出端连接有第一级下行滤波电路，所述第一级下行滤波电路的输出端用于与下行衰减电路连接，所述第一级下行滤波电路采用第一声表面滤波器F1。

4.根据权利要求3所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述第一级下行滤波电路的输出端与下行衰减电路的输入端之间设有一放大电路，该放大电路包括型号为SBB5089的放大器U3，SBB5089的放大器U3的第1引脚与第一级下行滤波电路的输出端连接，SBB5089的放大器U3的第4引脚接地，SBB5089的放大器U3的第3引脚与下行衰减电路的输入端连接，所述SBB5089的放大器U3的第3引脚与第2电感L2的一端连接，第2电感L2的另一端分别与第31电容C31、第16电阻R16的一端连接，第31电容C31的另一端与SBB5089的放大器U3的第2引脚连接，并接地，第31电容C31的两端并联有第32电容C32，第16电阻R16另一端经第7电感L7与5V电源连接，第16电阻R16另一端经第33电容C33接地，所述第33电容C33的两端并联有第34电容C34。

5.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述上行衰减电路与下行衰减电路的电路结构相同，所述下行衰减电路包括PIN二极管D1-1、PIN二极管D1-2、PIN二极管D2-2、PIN二极管D2-1，所述PIN二极管D1-1的阳极经第25电容C25接地，所述PIN二极管D2-2的阳极经第26电容C26接地，PIN二极管D1-1的阳极经第19电阻R19与第23电阻R23的一端连接，PIN二极管D2-2的阳极经第20电阻R20与第23电阻R23的一端连接，第23电阻R23的另一端经第7电感L7与5V电源连接，第23电阻R23的另一端经第41电容C41接地；所述PIN二极管D1-2的阳极与PIN二极管D2-1的阳极连接后与第6电感L6的一端连接，第6电感L6的另一端与MCU连接，第6电感L6的另一端经第45电容C45接地，第45电容C45的两端并联有第46电容C46；所述PIN二极管D1-1的阴极与PIN二极管D1-2的阴极连接后经第5电阻R5接地，所述PIN二极管D1-1的阴极与PIN二极管D1-2的阴极连接的结点为下行衰减电路的输入端；所述PIN二极管D2-2的阴极与PIN二极管D2-1的阴极连接后经第6电阻R6接地，所述PIN二极管D2-2的阴极与PIN二极管D2-1的阴极连接的结点为下行衰减电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述上行功率放大电路与下行功率放大电路的电路结构相同；所述下行功率放大电路包括型号为SKY77768的功率放大器模块U5和SBB5089的放大器U4，所述SBB5089的放大器U4的第1引脚为下行功率放大电路的输入端，SBB5089的放大器U4的第4引脚接地，SBB5089的放大器U4的第3引脚经一衰减网络与功率放大器模块U5的第2引脚连接，所述SBB5089的放大器U4的第3引脚与第3电感L3的一端连接，第3电感L3的另一端分别与第35电容C35、第17电阻R17的一端连接，第35电容C35的另一端与SBB5089的放大器U4的第2引脚连接，并接地，第35电容C35的两端并联有第36电容C36，第17电阻R17另一端经第7电感L7与5V电源连接，第17电阻R17另一端经第38电容C38接地，所述第38电容C38的两端并联有第42电容C42；所述功率放大器模块U5的第1引脚、第10引脚连接后与3.3V电源连接，所述功率放大器模块U5的第1引脚、第10引脚连接后经第12电容C12接地，所述第12电容C12的两端并联有第13电容C13、第14电容C14、第15电容C15、第16电容C16，所述功率放大器模块U5的第9引脚为下行功率放大电路的输出端，所述功率放大器模块U5的第8引脚经第12电阻R12接地，所述功率放大器模块U5的第7引脚、第11引脚均接地，所述功率放大器模块U5的第5引脚分别与第13电阻R13、第18电阻R18、第24电容C24的一端连接，第13电阻R13的另一端与3.3V电源连接，第18电阻R18的另一端、第24电容C24的另一端均接地；所述下行检波电路包括肖特基二极管D3，所述肖特基二极管D3的阳极分别与第5电感L5、第37电容C37的一端连接，第5电感L5的另一端接地，第37电容C37的另一端与功率放大器模块U5的第6引脚连接，所述肖特基二极管D3的阴极与MCU连接，所述肖特基二极管D3的阴极分别与第39电容C39、第22电阻R22的一端连接，第39电容C39、第22电阻R22的另一端接地，第39电容C39的两端并联有第40电容C40。

7.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述第一射频开关、第二射频开关均采用声表双工器，声表双工器的型号为SD902AP2；所述MCU连接有显示器，用于显示接收信号强度。

8.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述下行衰减电路与下行功率放大电路之间设有第二级下行滤波电路，所述第二级下行滤波电路采用串联的第二声表面滤波器F2和第三声表面滤波器F3；所述上行衰减电路与上行功率放大电路之间设有第二级上行滤波电路，所述第二级上行滤波电路采用第五声表面滤波器F5和第四声表面滤波器F4，所述第五声表面滤波器F5与第四声表面滤波器F4之间设有一放大电路，该放大电路包括型号为SBB5089的放大器U12，SBB5089的放大器U12的第1引脚与第五声表面滤波器F5的输出端连接，SBB5089的放大器U12的第4引脚接地，SBB5089的放大器U12的第3引脚与第四声表面滤波器F4的输入端连接，所述SBB5089的放大器U12的第3引脚与第17电感L17的一端连接，第17电感L17的另一端分别与第67电容C67、第34电阻R34的一端连接，第67电容C67的另一端与SBB5089的放大器U12的第2引脚连接，并接地，第67电容C67的两端并联有第68电容C68，第34电阻R34另一端经第12电感L12与5V电源连接，第34电阻R34另一端经第62电容C62接地，所述第62电容C62的两端并联有第63电容C63。

9.根据权利要求1所述的用于GPRS采集终端的防雷天线系统，其特征在于：所述天线元件通过电缆与避雷模块连接，介质基板的顶层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板的底层中部沿长度方向印刷有底层传输线，所述介质基板的底层位于底层传输线两侧印刷有与底层传输线连接的若干底层导电层振子，底层传输线两侧的底层导电层振子沿底层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的底层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板顶层的导电层振子与介质基板底层的导电层振子映射在同一平面上呈对称结构；顶层传输线与底层传输线通过特定位置相连形成直流短路点，所述电缆一端的外屏蔽层焊接在顶层传输线上，电缆一端的导电线芯穿过介质基板与底层传输线的馈电点焊接，所述电缆另一端的外屏蔽层接地，电缆另一端的导电线芯与避雷模块连接；所述直流短路点设置在介质基板的下端，所述馈电点设置在介质基板的上端。

10.一种用于GPRS采集终端的防雷天线系统的天线，其特征在于：包括电缆和介质基板，所述介质基板的顶层中部沿长度方向印刷有顶层传输线，所述介质基板的顶层位于顶层传输线两侧印刷有与顶层传输线连接的若干顶层导电层振子，顶层传输线两侧的顶层导电层振子沿顶层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的顶层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板的底层中部沿长度方向印刷有底层传输线，所述介质基板的底层位于底层传输线两侧印刷有与底层传输线连接的若干底层导电层振子，底层传输线两侧的底层导电层振子沿底层传输线的长度方向间隔交叉分布，形成非对称结构；介质基板的底层导电层振子的长度沿介质基板下端到上端方向逐渐变短；所述介质基板顶层的导电层振子与介质基板底层的导电层振子映射在同一平面上呈对称结构；顶层传输线与底层传输线通过特定位置相连形成直流短路点，所述电缆一端的外屏蔽层焊接在顶层传输线上，电缆一端的导电线芯穿过介质基板与底层传输线的馈电点焊接，所述电缆另一端的外屏蔽层接地，电缆另一端的导电线芯用于与避雷模块连接；所述直流短路点设置在介质基板的下端，所述馈电点设置在介质基板的上端。