CN108173568B - 一种大功率高速射频收发切换装置及方法、无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，公开了一种大功率高速射频收发切换装置及方法、无线通信系统，偏置电压模块通过电源控制开关连功率放大器；功率放大器与PIN开关、天线并联；PIN开关与低噪声放大器串联。发射时，关闭PIN开关，电源控制开关打开，偏置电压模块加载到功率放大器上，功率放大器发射出大功率射频信号；接收时，关闭电源控制开关，功率放大器输出转为高阻且无射频信号输出；打开PIN开关，天线段的接收信号耦合到低噪声放大器上，实现信号的接收。本发明提供了一种切换时间在10ms以内的大功率高速射频收发切换方法，可适用于10瓦以上的大功率发射的无线通信系统。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种大功率高速射频收发切换装置及方法、无线通信系统。
背景技术
在收发同频的时分双工的通信系统中，需要将收发分离；通常采用高频继电器或者射频开关实现。现有的高频继电器切换的时间通常需要10ms以上，不适用于快速的时分双工系统。现有的射频开关，最大功率不超过45瓦。图3给出了传统的收发同频时分双工方法：通过收发切换开关实现功率放大器到天线的发射通路以及天线到低噪声放大器的接收通路的切换。当开关3、1两个触点接通时，系统处于接收模式，此时由功率放大器构成的发射电路对接收电路的影响被开关隔离，天线处的接收信号被最大程度的送给接收电路。当开关2、1两个触点接通时，系统处于发射模式，此时由功率放大器构成的发射电路被耦合到天线上，同时由低噪声放大器构成的接收端被该收发切换开关隔离，以保证接收端不会被大功率射频信号烧毁。此种方法，要求收发切换开关：在发射时能够通过功率放大器输出的大功率射频信号并提供尽量高的隔离度，在接收时能够提供尽量小的插入损耗。对于收发切换速度要求10ms以上的同频时分双工通信系统，通常采用射频继电器实现收发切换；对于切换速度要求10ms以内的同频时分双工系统，通常采用射频开关实现收发切换。目前国内外能够买到的射频开关的最大功率为45瓦。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前现有的同种类型产品无法同时做到大功率和高速。采用继电器做收发切换，可以实现大功率，但不能实现高速切换；采用射频开关可是实现高速收发切换，但不能实现大功率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大功率高速射频收发切换装置及方法、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种大功率高速射频收发切换装置，所述大功率高速射频收发切换装置设置有：
偏置电压模块；
所述偏置电压模块通过电源控制开关连接功率放大器；
所述功率放大器与PIN开关、天线并联；
所述PIN开关与低噪声放大器串联。
进一步，所述PIN开关切换时间小于1ms；电源控制开关切换时间小于10ms。
本发明的另一目的在于提供一种所述大功率高速射频收发切换装置的大功率高速射频收发切换方法，所述大功率高速射频收发切换方法包括：
发射时，关闭PIN开关，电源控制开关打开，偏置电压模块加载到功率放大器上，功率放大器发射出大功率射频信号；
接收时，关闭电源控制开关，功率放大器输出转为高阻且无射频信号输出；打开PIN开关，天线段的接收信号耦合到低噪声放大器上，实现信号的接收。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述大功率高速射频收发切换装置的10瓦以上无线通信系统。
在本发明提供的方法中，收发切换的时间t由PIN开关时间t1和电源控制开关切换时间t2以及功率放大器的稳定工作时间t3决定，取三个中的最大者：
t＝max(t1,t2,t3)
PIN开关在不同导通电流下，呈现出不同的射频阻抗。在导通电流为0时，呈现高阻；在导通电流为10mA时，呈现很低的阻抗。PIN开关的开关时间受限于半导体内载流子工作速度和结构工艺，目前的技术或者可购买到的PIN开关，其开关时间可以做到10个us以下。
电源控制开关可由MOS管或者三极管电路构成，其开关时间由MOS管导电沟道的形成、消失时间或者三极管内载流子发射时间决定，现有技术或者可以购买到的MOS管、三极管，该时间可以在1us以内。考虑到电源冲击效应，电源控制开关打开或者关闭时，开关的输出达到预定值U，需要一定的时间t2，该时间t2跟电源的内阻R、负载所呈现的容性大小C、电容上的初始电压值V0以及电容最终可充到或放到的电压值V1有关：
t2＝RC*Ln[(V1-V0)/(V1-U)]
本发明提供的方法中，电源控制开关打开前一瞬间，V0＝0。在某个实际电路中，各个参数可以取值为：R＝100Ω，C＝1000pF，V1＝3.5V，U＝3.2V，则t2＝24.56ns。
根据功率放大器电路的不同，功率放大器偏置电压改变时，所需的稳定工作时间不同。以采用摩托罗拉公司MRF150大功率射频NMOS管为例，根据其转移特性曲线可知：在偏置电压为小于0.5V时，输出高阻；在偏置电压为3.2V时可输出6A以上的电流，经过我们的实际测试，该NMOS管构成的功率放大器，通过控制其偏置电压，达到稳定工作所需要的时间为10us。MRF150最大可以输出150W的射频功率。
本发明提供的收发切换方法和传统方法技术对比如表1所示。
表1
综上所述，本发明给出了一种切换时间在10ms以内的大功率高速射频收发切换方法，可适用于10瓦以上的大功率发射的无线通信系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大功率高速射频收发切换装置结构示意图；
图中：1、偏置电压模块；2、电源控制开关；3、功率放大器；4、PIN开关；5、天线；6、低噪声放大器。
图2是本发明实施例提供的大功率高速射频收发切换装置具体实现示意图。
图3是传统的收发同频时分双工系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的大功率高速射频收发切换装置包括：偏置电压模块1、电源控制开关2、功率放大器3、PIN开关4、天线5、低噪声放大器6。
偏置电压模块1通过电源控制开关2连接功率放大器3，功率放大器3与PIN开关4、天线5并联，PIN开关4与低噪声放大器6串联。
本发明实施例提供的大功率高速射频收发切换方法采样电源控制开关2和PIN开关4实现大功率、快速的射频信号的收发切换。
功率放大器3是否输出射频信号由电源控制开关2控制，低噪声放大器6是否接收射频信号由PIN开关4控制。
发射时，首先关闭PIN开关4，此时PIN开关4相当于高阻，可以提供50dB以上的高隔离度。其次，电源控制开关2将被打开，偏置电压模块1将顺利的加载到功率放大器3上，使得功率放大器3发射出大功率射频信号。由于此种情况下，PIN开关4的阻抗很高，故流过该PIN开关4的电流很小，同时PIN开关4提供的高隔离度可保证低噪声放大器6不被发射的射频信号烧毁。
接收时，首先关闭电源控制开关2，此时功率放大器3的偏置电压将会消失，功率放大器3输出转为高阻且无射频信号输出；其次打开PIN开关4，天线段的接收信号将会以很低的插入损耗，耦合到低噪声放大器6上，实现信号的接收。由于接收信号来源于天线感应的信号，其功率很小，故PIN开关4不会被接收的射频信号烧毁。
在本发明中，PIN开关可选择切换时间小于2us的高频PIN管，电源控制开关可以选择切换时间小于100ns的高速MOS管。考虑到功率放大器的稳定性，本发明可以实现10us以内稳定的收发切换方法。
下面结合附图2对本发明的应用原理作进一步的描述。
1、指标：发射功率50瓦，发射频率100MHz，低噪声放大器的最大输入功率为20dBm，收发切换时间小于10us，插入损耗小于1dB。
2、方案：PIN开关选择BAR64，工作频率范围为1MHz—6GHz，切换时间为1.5us，在10mA导通电流下100MHz时的插入损耗为0.15dB，100MHz下关断时的隔离度大于25dB。50瓦发射功率可以换算为47dBm，为留有设计余量，采用两片BAR64串联，构成插入损耗0.3dB，隔离度大于50dB的PIN开关。在50瓦发射功率时，接收端的输入功率小于47-50＝-3dBm，不会损坏低噪声放大器。在50瓦发射功率时，最大信号幅度为约为70.7V，为保证PIN管的截止，需要提供70.7V以上的反向偏压，可在PIN开关两端分别设计一个9V和80V的直流偏压，控制PIN开关的导通和截止。
3、电源开关采用AO3402实现，其开关时间小于50ns。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种大功率高速射频收发切换方法，其特征在于，所述大功率高速射频收发切换方法包括：
发射时，关闭PIN开关，电源控制开关打开，偏置电压模块加载到功率放大器上，功率放大器发射出大功率射频信号；
接收时，关闭电源控制开关，功率放大器输出转为高阻且无射频信号输出；打开PIN开关，天线端的接收信号耦合到低噪声放大器上，实现信号的接收；
所述大功率高速射频收发切换方法的大功率高速射频收发切换装置设置有：
偏置电压模块；
所述偏置电压模块通过电源控制开关连接功率放大器；
所述功率放大器与PIN开关、天线并联；
所述PIN开关与低噪声放大器串联；
所述PIN开关切换时间小于1ms；电源控制开关切换时间小于10ms；
所述大功率高速射频收发切换方法可适用于10瓦以上的大功率发射的无线通信系统。
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