CN108322235A - S波段自切换双向射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及S波段自切换双向射频前端，该射频前端用于与收发信机连接，在所述收发信机处于发射状态时，实现功率放大，与收发信机一起实现发送信号；并同时在收发信机处于接收状态时，实现自主切换，进行功率放大后，再与收发信机一起实现接收信号；该射频前端包括接收通道、发射通道、监测电路和自主开关切换电路；所述接收通道包括低噪放芯片和接收滤波器，接收滤波器位于低噪放芯片前段，接收滤波器的输出端连接低噪放芯片的输入端；所述发射通道包括宽带功率放大芯片和发射滤波器，发射滤波器位于宽带功率放大芯片后段，发射滤波器的输入端连接宽带功率放大芯片的输出端。

Description

S波段自切换双向射频前端

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种S波段自切换双向射频前端。

背景技术

目前在应用于时分双工收发系统的射频前端都配置了外控制电路，其一般都是通过手动外加不同的电平实现切换，虽然这种方案在设备的可靠性能上和远距离通讯方面具有很大的优势，但是同样带来了一系列的问题。一方面增加了设备的复杂度、降低了通信质量，另一方增加了通讯链路的成本。

市面上双向功放可以实现双向收发，直接应用于与IEEE802.11b/g兼容的无线通信系统中，例如HYPERLINK TEC公司FL33487产品。但其发射接收频段窄，效率低，无法实现多型装备产品通用化、模块化、标准化。

如何考虑实际的战场实际状况，设计一种结构简单的宽带双向射频前端，能够完成自主切换，提高接收灵敏度、降低成本，实现半双工模式下的远距离无线传输，并快速适应多型产品应用成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：设计一种结构简单的S波段自切换双向射频前端，能够完成自主切换。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种S波段自切换双向射频前端，其特征在于该射频前端用于与收发信机连接，在所述收发信机处于发射状态时，实现功率放大，与收发信机一起实现发送信号；并同时在收发信机处于接收状态时，实现自主切换，进行功率放大后，再与收发信机一起实现接收信号；

该射频前端包括接收通道、发射通道、监测电路和自主开关切换电路；所述接收通道包括低噪放芯片和接收滤波器，接收滤波器位于低噪放芯片前段，接收滤波器的输出端连接低噪放芯片的输入端；所述发射通道包括宽带功率放大芯片和发射滤波器，发射滤波器位于宽带功率放大芯片后段，发射滤波器的输入端连接宽带功率放大芯片的输出端；

所述自主开关切换电路包括电平转换电路、第一射频开关和第二射频开关；第一射频开关设于接收滤波器的前段、发射滤波器的后段，且第一射频开关还连接有过电压式防击穿电路，第一射频开关的控制端通过天线端口连接系统天线；第二射频开关设于宽带功率放大芯片的前段、低噪放芯片的后段；第一射频开关和第二射频开关同时与电平转换电路的接收控制端和发射控制端连接，第一射频开关的输入端和控制端分别接收滤波器的输入端和发射滤波器的输出端；第二射频开关的输入端和控制端分别低噪放芯片的输出端和发射滤波器的输入端；

所述电平转换电路的射频监测输入端连接监测电路的输出端；所述监测电路与收发信机连接，当收发信机处在发射状态时，监测电路用于将发射模拟信号耦合，检测输出电压控制信号给电平转换电路，此时电平转换电路用于产生开关切换信号控制第一射频开关和第二射频开关，使两个射频开关处于发射状态，从而使发射通道工作，接收通道不工作；当收发信机处在接收状态时，监测电路无耦合信号输出，此时电平转换电路用于切换第一射频开关和第二射频开关，使两个射频开关处于接收状态，从而使接收通道处于接收状态，发射通道不工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用特定的放大芯片实现S波段放大，采用特殊的控制方式，并采用自动监测电路对收发进行实时控制，实现了一种结构简单、能够完成自主切换的S波段双向功率放大器。其中的发射通路采用了两片功放芯片实现双路合成，提高了发射功率，极大地增加了信号的传输距离；接收通路采用了内置限幅器的低噪放芯片，其噪声低、增益高、抗毁性能强的特性显著提高了接收灵敏度，平衡了收发性能；遵从了均衡对称的设计原则，对双路功放采用了一致的偏置电路以及滤波电路，缩短了切换时间，降低了接收噪声系数。

附图说明

图1为本发明的一种应用场景示意图；

图2为本发明的总结构框图；

图3为本发明的电路原理图。

图中，射频前端1、接收通道2、发射通道3、监测电路4、自主开关切换电路5、低噪放芯片201和接收滤波器202、发射滤波器302、宽带功率放大芯片301、第一射频开关502、第二射频开关503、电平转换电路501。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明S波段自切换双向射频前端(简称射频前端，参见图2和图3)，用于与收发信机连接，在所述收发信机处于发射状态时，实现功率放大，与收发信机一起实现发送信号；并同时在收发信机处于接收状态时，实现自主切换，进行功率放大后，再与收发信机一起实现接收信号；

该射频前端包括接收通道2、发射通道3、监测电路4和自主开关切换电路5；所述接收通道2包括低噪放芯片201和接收滤波器202，接收滤波器202位于低噪放芯片201前段，接收滤波器202的输出端连接低噪放芯片201的输入端；所述发射通道3包括宽带功率放大芯片301和发射滤波器302，发射滤波器302位于宽带功率放大芯片301后段，发射滤波器302的输入端连接宽带功率放大芯片301的输出端；

所述自主开关切换电路5包括电平转换电路501、第一射频开关502和第二射频开关503；第一射频开关502设于接收滤波器202的前段、发射滤波器302的后段，且第一射频开关502还连接有过电压式防击穿电路6，用于在过电压出现时实现瞬间短路，并在微秒级时间内实现自动恢复，第一射频开关502的控制端通过天线端口连接系统天线，输出放大信号；第二射频开关503设于宽带功率放大芯片301的前段、低噪放芯片201的后段；第一射频开关502和第二射频开关503同时与电平转换电路的接收控制端和发射控制端连接，第一射频开关502的输入端和控制端分别接收滤波器202的输入端和发射滤波器302的输出端；第二射频开关503的输入端和控制端分别低噪放芯片201的输出端和发射滤波器302的输入端；

所述电平转换电路的射频监测输入端连接监测电路4的输出端；所述监测电路4与收发信机连接，当收发信机处在发射状态时，监测电路4用于将发射模拟信号耦合，检测输出电压控制信号给电平转换电路501，此时电平转换电路501用于产生开关切换信号控制第一射频开关502和第二射频开关503，使两个射频开关处于发射状态，从而使发射通道3工作，接收通道2不工作；当收发信机处在接收状态时，监测电路4无耦合信号输出，此时电平转换电路501用于切换第一射频开关502和第二射频开关503，使两个射频开关处于接收状态，从而使接收通道2处于接收状态，发射通道3不工作。

上述几种电路之间通过PCB印制板布线实现交联。

所述宽带功率放大芯片301为串联的两片。

本发明的进一步特征在于所述接收滤波器202前段还连接有偏置电路，所述低噪放芯片201内置有限幅器。

本发明的进一步特征在于所述限幅器由两个二极管反向并联组成。

本发明的进一步特征在于宽带功率放大芯片301后段连接有与所述接收滤波器202前段相同的偏置电路，且发射滤波器302与接收滤波器202为相同的滤波器。

图3中，监测电路4中DET表示检测模块，其下方的三角形表示运算放大器，输出端的三角形表示耦合器，多个检测模块依次串联，多个运算放大器依次串联，收发信机的信号通过电压转换器连接检测模块和运算放大器的输入端，同时多个检测模块的输出信号均连接在耦合器上，耦合器的输出端连接电平转换电路的射频监测输入端。电平转换电路5包括两个二极管组和信号放大器，信号放大器的输入端连接监测电路的输出端，信号放大器的输出端连接一个二极管组的控制端，该二极管组的一个引脚连接在另一个二极管组的控制端，并输出发射控制信号；另一个二极管组的一个引脚引出接收控制信号，两个二极管组的输出端均连接电源引脚VCC。

在系统地线接触良好的前提下，直流额定电压输出28V，但当雷击出现时,会产生数十倍的高压,往往使接收通道2、发射通道3器件击穿失效，因此在其输出端接过电压式防击穿电路6。当过电压出现时过电压式防击穿电路6实现瞬间短路，并在微秒级时间内自动恢复，并且有稳压保护功能，对防雷击也有效果。

所述低噪放芯片201采用WHM1045LE芯片，所述宽带功率放大芯片301采用TGA2576-FL芯片，不仅能实现对S波段信号的放大，而且减小了整个射频前端的成本及尺寸。

本发明提供了一种S波段自切换双向射频前端，主要应用于扩大单一节点通信覆盖范围，同时与收发信机一起实现双向收发，并直接应用于与特种网络兼容的无线通信系统中(其应用场景如图1所示)。如图1、图2所示，本发明射频前端工作时，射频前端1与收发信机交联，在天线端口安装相对应的系统天线，在所述收发信机处于发射状态时，实现功率放大，并与收发信机一起实现信号发送，并在所述收发信机处于接收状态时，实现自主切换，进行功率放大后，与收发信机一起实现接收信号；所述包括接收通道2、发射通道3、监测电路4和自主开关切换电路5；

本发明功率放大器的工作原理及过程是：射频前端在工作时，射频前端1与收发信机交联，在天线端口安装相对应的系统天线，在收发信机处于发射状态时，实现功率放大，并与收发信机一起实现信号发送，并在收发信机处于接收状态时，实现自主切换，进行功率放大后，与收发信机一起实现接收信号。

本发明在设计自主切换时，利用了一种自动控制方式，降低了控制电路复杂度，减少了对外连接器端口数量。同时由于自动控制方式技术的应用，在保证通信质量前提下，满足了多设备战场环境下网络通信临时性增程通信的需求，兼容S频段多种节点收发特性。

可以看出，本发明采用特定的放大芯片实现S波段放大，采用宽带自适应控制方式，并采用自动监测电路对收发进行实时控制，实现了一种结构简单、能够完成自主切换的S波段双向功率放大器。上述特殊控制方式摆脱了传统收发功放需要额外增加一路控制信号的限制，降低了电路复杂度，减少了对外连接器端口数量，同时由于自动切换技术的应用，在保证了通信质量前提下，满足了特种环境下网络通信临时性增程通信的需求，兼容S频段多种节点收发特性。其中的发射通路采用了两片功放芯片实现双路合成，提高了发射功率，极大地增加了信号的传输距离；接收通路采用了内置限幅器的低噪放芯片，其噪声低、增益高、抗毁性能强的特性显著提高了接收灵敏度，平衡了收发性能；遵从了均衡对称的设计原则，对宽带双向射频前端采用了一致的偏置电路以及滤波电路，缩短了切换时间，降低了接收噪声系数。

实施例1

本实施例射频前端包括接收通道2、发射通道3、监测电路4和自主开关切换电路5；所述接收通道2包括低噪放芯片201和接收滤波器202，接收滤波器202位于低噪放芯片201前段，接收滤波器202的输出端连接低噪放芯片201的输入端；所述发射通道3包括宽带功率放大芯片301和发射滤波器302，发射滤波器302位于宽带功率放大芯片301后段，发射滤波器302的输入端连接宽带功率放大芯片301的输出端；

所述自主开关切换电路5包括电平转换电路501、第一射频开关502和第二射频开关503；第一射频开关502设于接收滤波器202的前段、发射滤波器302的后段，且第一射频开关502还连接有过电压式防击穿电路6，用于在过电压出现时实现瞬间短路，并在微秒级时间内实现自动恢复，第一射频开关502的控制端通过天线端口连接系统天线，输出放大信号；第二射频开关503设于宽带功率放大芯片301的前段、低噪放芯片201的后段；第一射频开关502和第二射频开关503同时与电平转换电路的接收控制端和发射控制端连接，第一射频开关502的输入端和控制端分别接收滤波器202的输入端和发射滤波器302的输出端；第二射频开关503的输入端和控制端分别低噪放芯片201的输出端和发射滤波器302的输入端；

所述电平转换电路的射频监测输入端连接监测电路4的输出端；所述监测电路4与收发信机连接，当收发信机处在发射状态时，监测电路4用于将发射模拟信号耦合，检测输出电压控制信号给电平转换电路501，此时电平转换电路501用于产生开关切换信号控制第一射频开关502和第二射频开关503，使两个射频开关处于发射状态，从而使发射通道3工作，接收通道2不工作；当收发信机处在接收状态时，监测电路4无耦合信号输出，此时电平转换电路501用于切换第一射频开关502和第二射频开关503，使两个射频开关处于接收状态，从而使接收通道2处于接收状态，发射通道3不工作。

低噪放芯片201采用WHM1045LE芯片，所述宽带功率放大芯片301采用TGA2576-FL芯片。

本实施例射频前端的工作波段为S波段，射频前端尺寸为140mm×60mm×30mm，重量400±5g(相对于现有的同样工作于时分双工收发系统的射频前端的控制电路来说尺寸有所减小，重量有所降低)，实验表明，其中心工作频率约为4.25GHz，带宽约为3.5GHz(现有的控制电路的带宽为400M)，发射增益≥26dB，接收增益≥15dB，接收噪声系数＜2.2dB，输入端最小输入功率门限＜-10dBm，具有直流馈电功能、防雷击穿保护功能、收发指示功能。

表1为本实施例产品与现有普通双向功放(BTI公司ZAD-B500PW/B-1000PW产品)的主要性能指标对比结果。

表1

参数及指标	普通双向功放	本发明产品
			工作频率范围	2400-2483Mhz	2500～4000Mhz
输出功率	30～42dBm	30～44dBm可控
			接收增益	15～17dBm	25dBm
噪声系数	2.5	2
			工作环境	-20℃～70℃	-40℃～80℃

需要说明的是，虽然本发明相对于现有手工切换的电路来说，可靠性有所降低，但其可靠性满足通信需求，并且带来额外的许多好处。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种S波段自切换双向射频前端，其特征在于该射频前端用于与收发信机连接，在所述收发信机处于发射状态时，实现功率放大，与收发信机一起实现发送信号；并同时在收发信机处于接收状态时，实现自主切换，进行功率放大后，再与收发信机一起实现接收信号；

该射频前端包括接收通道、发射通道、监测电路和自主开关切换电路；所述接收通道包括低噪放芯片和接收滤波器，接收滤波器位于低噪放芯片前段，接收滤波器的输出端连接低噪放芯片的输入端；所述发射通道包括宽带功率放大芯片和发射滤波器，发射滤波器位于宽带功率放大芯片后段，发射滤波器的输入端连接宽带功率放大芯片的输出端；

所述自主开关切换电路包括电平转换电路、第一射频开关和第二射频开关；第一射频开关设于接收滤波器的前段、发射滤波器的后段，且第一射频开关还连接有过电压式防击穿电路，第一射频开关的控制端通过天线端口连接系统天线；第二射频开关设于宽带功率放大芯片的前段、低噪放芯片的后段；第一射频开关和第二射频开关同时与电平转换电路的接收控制端和发射控制端连接，第一射频开关的输入端和控制端分别接收滤波器的输入端和发射滤波器的输出端；第二射频开关的输入端和控制端分别低噪放芯片的输出端和发射滤波器的输入端；

所述电平转换电路的射频监测输入端连接监测电路的输出端；所述监测电路与收发信机连接，当收发信机处在发射状态时，监测电路用于将发射模拟信号耦合，检测输出电压控制信号给电平转换电路，此时电平转换电路用于产生开关切换信号控制第一射频开关和第二射频开关，使两个射频开关处于发射状态，从而使发射通道工作，接收通道不工作；当收发信机处在接收状态时，监测电路无耦合信号输出，此时电平转换电路用于切换第一射频开关和第二射频开关，使两个射频开关处于接收状态，从而使接收通道处于接收状态，发射通道不工作。

2.根据权利要求1所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于所述宽带功率放大芯片为串联的两片。

3.根据权利要求1所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于所述接收滤波器前段还连接有偏置电路，所述低噪放芯片内置有限幅器。

4.根据权利要求3所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于所述限幅器由两个二极管反向并联组成。

5.根据权利要求3所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于宽带功率放大芯片后段连接有与所述接收滤波器前段相同的偏置电路，且发射滤波器与接收滤波器为相同的滤波器。

6.根据权利要求1所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于所述监测电路包括多个检测模块及多个运算放大器、耦合器，多个检测模块依次串联，多个运算放大器依次串联，收发信机的信号通过电压转换器连接检测模块和运算放大器的输入端，同时多个检测模块的输出信号均连接在耦合器上，耦合器的输出端连接电平转换电路的射频监测输入端。

7.根据权利要求1所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于，所述电平转换电路包括两个二极管组和信号放大器，信号放大器的输入端连接监测电路的输出端，信号放大器的输出端连接一个二极管组的控制端，该二极管组的一个引脚连接在另一个二极管组的控制端，并输出发射控制信号；另一个二极管组的一个引脚引出接收控制信号，两个二极管组的输出端均连接电源引脚VCC。

8.根据权利要求1所述的S波段自切换双向射频前端，其特征在于，所述低噪放芯片采用WHM1045LE芯片，所述宽带功率放大芯片采用TGA2576-FL芯片。