CN108923757A - 射频输出功率闭环检测及调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频输出功率闭环检测及调节装置,其包括功率放大器、耦合器、检波器、控制器和数字电位器;功率放大器的输出端将增益放大后的功率输出至耦合器,耦合器的输出端将功率放大器的输出功率直接输出,同时耦合部分射频功率至耦合端口并输出至检波器,检波器的输出端将模拟电平值输出至控制器,控制器的输出端将控制信号输出至数字电位器,数字电位器的输出端与所述功率放大器的增益控制电平输入端口连接。本发明中的检波器可获取系统的实时输出功率,同时通过控制器调节数字电位器的分压电阻,达到调节Vapc的目的,在射频输入功率恒定的前提下,功率放大器U1的输出功率也随之改变,从而实现系统输出功率的检测及自动调节功能。
Description
技术领域
本发明属于射频、微波技术领域,具体涉及一种射频输出功率闭环检测及调节装置。
背景技术
随着射频、无线技术的广泛和深入的应用,射频、微波技术广泛应用,射频、微波功率放大器更是无处不在,几乎所有的无线通信模块、设备、终端都会使用。应用领域十分广泛,比如雷达、通信基站、导航系统、卫星地面站、各类电子对抗设备中都会使用;另一方面,过高的输出功率会违反国家标准、干扰其他通讯设备、造成人身伤害;太小的输出功率会造成通讯失败。进一步,在很多实时通讯系统中,大都需要设备的输出功率根据需要进行实时动态调整,所以功率放大器的输出功率必须控制在一个有效的范围内,且软件可调、可精确调整,具有较小的功率步进。
当前,对输出功率控制大都采用采样反馈、DAC输出控制电平的方式实现,存在的主要问题是DAC输出信号的阶梯及噪声,会对敏感的功率放大器产生很大的影响,甚至引起射频信号的畸变,很大程度上影响了系统的正常通讯,严重的甚至直接造成通讯失败。
发明内容
本发明的发明目的是:为了解决现有技术中存在的以上问题,本发明提出了一种射频输出功率闭环检测及调节装置。
本发明的技术方案是:一种射频输出功率闭环检测及调节装置,包括功率放大器、耦合器、检波器、控制器和数字电位器;所述功率放大器的输入端接系统输入功率,输出端将增益放大后的功率输出至耦合器;所述耦合器的输入端与所述功率放大器的输出端连接,输出端将功率放大器的输出功率直接输出,同时耦合部分射频功率至耦合端口并输出至检波器;所述检波器用于将输入的射频功率转换为模拟电平值,其输入端与所述耦合器的耦合端口连接,输出端将模拟电平值输出至控制器;所述控制器用于将模拟电平转换为数字信号,得到系统输出功率,并将系统输出功率与预设功率值进行比较,根据系统输出功率的变化发送控制信号至数字电位器,其输入端与所述检波器的输出端连接,输出端将控制信号输出至数字电位器;所述数字电位器用于根据控制器的控制信号调节所述功率放大器的增益控制电平输入端口的分压,其输入端与所述控制器的输出端连接,输出端与所述功率放大器的增益控制电平输入端口连接。
进一步地,还包括反向器;所述反向器用于根据控制器的控制信号控制所述功率放大器的开启和关闭状态,其输入端与所述控制器的输出端连接,输出端与所述数字电位器的输入端连接。
进一步地,所述功率放大器的引脚2通过输入匹配网络输入系统输入功率,引脚5、6均与增益控制电平连接,引脚4、7、15、16接外部电压,引脚9、10、11、12通过输出匹配网络输出功率至耦合器,并通过第二电感接外部电压;所述输入匹配网络包括第一电感、第一电容和第二电容,所述第二电容的一端与所述功率放大器的引脚2连接,另一端通过第一电感输入系统输入功率,还通过第一电容接地;所述输出匹配网络包括第三电感、第三电容、第四电容和第五电容;所述功率放大器的引脚4、7、15、16通过串联的第三电感和第五电容与所述耦合器连接,还通过第三电容接地,所述第三电感和第五电容的连接端还通过第四电容接地。
进一步地,所述耦合器的引脚1与所述第五电容连接,引脚2输出功率,引脚3通过第二电阻接地,引脚4通过第一电阻与所述检波器连接,还通过第三电阻接地,并通过第一电阻和第五电阻接地。
进一步地,所述检波器的引脚1与所述第一电阻连接,引脚2、8接外部电压,引脚7通过直流电平输出滤波网络将模拟电平值输出至控制器;所述直流电平输出滤波网络包括第七电阻、第七电容和第八电容;所述检波器的引脚7通过第八电容接地,还通过第七电阻与所述控制器连接;所述第七电阻与控制器的连接端还通过第七电容接地。
进一步地,所述控制器的引脚2与所述第七电阻连接,引脚4接地,引脚7、8、9均与所述数字电位器连接,引脚1与所述反向器连接。
进一步地,所述数字电位器的引脚3、4、5分别与所述控制器的引脚7、8、9连接,引脚1分别与所述增益控制电平及反向器连接,并通过第六电容接地,引脚2、7、8均接地。
进一步地,所述反向器的引脚2通过第四电阻接外部电压,并与所述控制器的引脚1连接,引脚4通过第六电阻与所述电位器的引脚1连接。
进一步地,还包括天线;所述天线与耦合器的引脚2连接。
进一步地,还包括低噪声放大器;所述低噪声放大器的引脚2通过输入滤波匹配网络与所述耦合器的引脚3连接,引脚7通过第九电容输入接收信号,引脚9接地;所述输入滤波匹配网络包括第十电容、第十一电容和第四电感,所述低噪声放大器的引脚2通过第四电感和第十电容接地,所述第四电感和第十电容的连接端通过第十一电容与所述耦合器的引脚3连接。
本发明具有以下有益效果:(1)无源电阻网络分压,控制电平低噪声、功率控制精准;
(2)中心抽头W和B端口之间的电阻值可精细微调,使得Vapc也可微调,即系统的输出功率可精细微调;
(3)兼具功率放大器关断功能;
(4)避免了DAC输出阶梯及噪声对功率放大器的影响;
(5)射频功率上升时间可调节,满足各类通讯协议对射频载波上升时间的要求;
(6)在原有功率输出级系统中,仅串联一低损耗耦合器,对系统输出功率损耗很小且可在控制端予以补偿;
(7)针对单天线、收发一体机制的通讯设备,此系统可兼具收发隔离、转换的功能,耦合器U2的隔离端口3可作为系统的接收信号输出端口。
附图说明
图1是本发明的射频输出功率闭环检测及调节装置的结构示意图;
图2是本发明实施例1的电路结构示意图;
图3是本发明实施例2的电路结构示意图。
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,以下结合附图及实施例,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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,为本发明的射频输出功率闭环检测及调节装置的结构示意图。一种射频输出功率闭环检测及调节装置,包括功率放大器、耦合器、检波器、控制器和数字电位器;所述功率放大器的输入端接系统输入功率,输出端将增益放大后的功率输出至耦合器;所述耦合器的输入端与所述功率放大器的输出端连接,输出端将功率放大器的输出功率直接输出,同时耦合部分射频功率至耦合端口并输出至检波器;所述检波器用于将输入的射频功率转换为模拟电平值,其输入端与所述耦合器的耦合端口连接,输出端将模拟电平值输出至控制器;所述控制器用于将模拟电平转换为数字信号,得到系统输出功率,并将系统输出功率与预设功率值进行比较,根据系统输出功率的变化发送控制信号至数字电位器,其输入端与所述检波器的输出端连接,输出端将控制信号输出至数字电位器;所述数字电位器用于根据控制器的控制信号调节所述功率放大器的增益控制电平输入端口的分压,其输入端与所述控制器的输出端连接,输出端与所述功率放大器的增益控制电平输入端口连接。
本发明中功率放大器的增益受其增益控制电平输入端口(Vapc)电压控制,输出功率与Vapc端电压成一定的比例关系,在功率放大器的输出端通过一耦合器连接,一方面将功率放大器的信号输出,同时耦合部分射频功率至耦合端口并输出至射频检波器。本发明采用的耦合器的插入损耗很小,对系统的输出功率影响很小,且无源器件不会引入噪声。
本发明中检波器用以将输入的射频功率转换为模拟电平值,控制器的ADC转换模块将此模拟电平转换为数字信号,从而获取此时的系统输出功率,实现功率放大器输出功率的检测;控制器将系统输出功率与预设功率值进行比较,判断是否需要调整此时的输出功率、增大或者减少输出功率,同时发送控制信号控制数字电位器的分压模块改变分压电阻的值,从而使得功率放大器的增益控制电平改变,进而实现功率放大器输出功率的调节。
本发明还包括反向器;所述反向器用于根据控制器的控制信号控制所述功率放大器的开启和关闭状态,在系统初始化时输出低电平信号用以关闭功率放大器,并在需要开启功率放大器时输出稳定的、足够驱动能力的高电平信号,以此可以弥补某些应用场景中的控制器I/O端口驱动能力不足的缺陷,其输入端与所述控制器的输出端连接,输出端与所述数字电位器的输入端连接。当系统初始化时,反向器输出低电平,进而Vapc端也为低电平,功率放大器处于关闭状态,确保系统安全;初始化完成后,需要开启功率放大器时,控制器输出低电平,使得反向器也输出稳定的、足够驱动能力的高电平,功率放大器开启。
实施例1
在上述射频输出功率闭环检测及调节装置的基础上,本发明对功率放大器、耦合器、检波器、控制器、数字电位器和反向器作进一步详细说明。
如图2所示,为本发明实施例1的电路结构示意图。本发明的功率放大器U1采用SKY65111-348LF芯片,其引脚2(IN端)通过输入匹配网络输入系统输入功率RF_IN,引脚5(VAPC1端)和引脚6(VAPC2端)均与增益控制电平(Vapc端)连接,引脚4(VCC1端)、引脚7(VREF端)、引脚15(VCC2端)、引脚16(VCC2端)为放大器电源输入引脚,接外部电压VCC,引脚9(OUT端)、引脚10(OUT端)、引脚11(OUT端)、引脚12(OUT端)通过输出匹配网络输出功率至耦合器U2,并通过第二电感L2接外部电压VCC,第二电感L2为射频扼流圈,用于直流通路和射频通路隔离,消除射频输出信号与直流源及地之间的耦合,为放大器内部第三级提供直流偏置;所述输入匹配网络包括第一电感L1、第一电容C1和第二电容C2,所述第二电容C2的一端与所述功率放大器U1的引脚2连接,另一端通过第一电感L1输入系统输入功率RF_IN,还通过第一电容C1接地;所述输出匹配网络包括第三电感L3、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5;所述功率放大器U1的引脚9、引脚10、引脚11、引脚12通过串联的第三电感L3和第五电容C5与所述耦合器U2连接,还通过第三电容C3接地,所述第三电感L3和第五电容C5的连接端还通过第四电容C4接地,第五电容C5为隔直电容,阻断直流偏置并提供射频通路。
本发明的耦合器U2采用XC0900P_10S芯片,其引脚1(IN端)与所述第五电容C5连接,引脚2(OUT端)输出系统功率,引脚3(ISO端)通过第二电阻R2接地,引脚4(COU端)通过第一电阻R1与所述检波器U3连接,还通过第三电阻R3接地,并通过第一电阻R1和第五电阻R5接地。耦合器U2将功率放大器U1的输出功率经过直通端口2输出,同时在耦合端口4耦合部分功率输出至检波器U3,隔离端口3端接一个50欧姆的匹配负载;耦合端口4通过连接一π形阻抗匹配网络,在确保端口匹配的同时,将耦合信号进行适度的衰减,确保输出信号功率在检波器U3的线性检测范围内。
本发明的检波器U3采用MAX4003EUA芯片,其引脚1(RFIN端)与所述第一电阻R1连接,引脚2(SHDN端)和引脚8(VCC端)均接外部电压VCC,引脚7(DET_VOUT端)通过直流电平输出滤波网络将模拟电平值输出至控制器;所述直流电平输出滤波网络包括第七电阻R7、第七电容C7和第八电容C8;所述检波器U3的引脚7通过第八电容C8接地,还通过第七电阻R7与所述控制器U6连接;所述第七电阻R7与控制器U6的连接端还通过第七电容C7接地。检波器U3将输入的射频信号功率转换为对应的直流电平输出,并通过直流电平输出滤波网络滤除信号中的噪声。
本发明的控制器U6采用LPC4337芯片,其引脚2(ADC_IN端)与所述第七电阻R7连接,引脚4(GND端)接地,引脚8(EN端)、引脚7(SDI端)、引脚9(CLK端)均与所述数字电位器U5连接,引脚1(MCU_CTRL端)与所述反向器U4连接。控制器U6内置的ADC转换模块将直流电平信号转换为数字信号,控制器U6再根据此数字信号获取此时系统的输出功率。
本发明的数字电位器U5采用AD8400芯片,其引脚3(EN端)、引脚4(SDI端)、引脚5(CLK端)分别与所述控制器U6的引脚7、引脚8、引脚9连接,引脚1(B端)分别与所述增益控制电平及反向器U4连接,并通过第六电容C6接地,引脚2(GND端)、引脚2(W端)和引脚8(A端)均接地。数字电位器U5内部包含电位器和数字信号控制器两部分,通过3线串行接口接收来自控制器U6的数据命令,调整数字电位器中心抽头W的位置即可改变中心抽头W和B端口之间的电阻值,进而改变其与第六电阻R6的分压阻值关系,达到调节Vapc的目的,在射频输入功率恒定的前提下,功率放大器U1的输出功率也随之改变,从而实现系统输出功率的检测及自动调节功能。
本发明的反向器U4的引脚2(A端)通过第四电阻R4接外部电压VCC,并与所述控制器U6的引脚1连接,引脚4(Y端)通过第六电阻R6与所述电位器U5的引脚1连接。反向器U4为一单路反向器,第四电阻R4为一上拉电阻,确保系统初始化时,反向器U4输出低电平,进而Vapc也为低电平,功率放大器处于关闭状态,确保系统安全;初始化完成后,需要开启功率放大器时,控制器在MCU_CTRL端口输出低电平,此时反向器U4在引脚4输出高电平,第六电阻R6与数字电位器U5组成的电阻分压网络对此高电平信号进行分压,输出功率放大器的增益控制电平Vapc,控制功率放大器的射频增益。Vapc并联一第六电容C6到地,利用此并联电容的充电时间即可控制Vapc的上升时间,进而控制功率放大器射频输出功率的上升时间。针对某一特定的通讯协议、通讯设备,只需改变此并联第六电容C6的值即可调整射频输出功率的上升时间满足其通讯协议的要求,从而实现系统的输出功率闭环检测、功率调节及射频功率上升时间控制功能。
实施例2
在上述射频输出功率闭环检测及调节装置的基础上,本发明对其应用扩展作进一步详细说明。
如图3所示,为本发明实施例2的电路结构示意图。本发明的射频输出功率闭环检测及调节装置还包括天线;所述天线与耦合器的引脚2连接。
本发明的射频输出功率闭环检测及调节装置还包括低噪声放大器U7;所述低噪声放大器U7采用ADL5521ACPZ芯片,其引脚2(RFIN端)通过输入滤波匹配网络与所述耦合器U2的引脚3连接,引脚7(RFOUT端)通过第九电容C9输入接收信号,引脚9(EP端)接地;所述输入滤波匹配网络包括第十电容C10、第十一电容C11和第四电感L4,所述低噪声放大器的引脚2通过第四电感L4和第十电容C10接地,所述第四电感L4和第十电容C10的连接端通过第十一电容C11与所述耦合器U2的引脚3连接。
本发明在某些特定的应用场景、单天线、收发一体的通讯设备如超高频RFID读写器系统中,耦合器U2的隔离端口3作为系统的接收信号输出端口,耦合器U2除了为功率检测提供耦合信号之外,还为系统的发射和接收提供隔离,起到收发转换的作用,接收来自天线的无线通讯信号并从隔离端口3输出给系统的接收链路。本发明在原有功率闭环检测及调节系统基础上,增加了系统接收通道的低噪声放大器U7及其匹配网络,其中第十一电容C11为隔直电容,第四电感L4、第十电容C10为低噪声放大器的输入滤波匹配网络,第九电容C9为输出隔直电容。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,包括功率放大器、耦合器、检波器、控制器和数字电位器;所述功率放大器的输入端接系统输入功率,输出端将增益放大后的功率输出至耦合器;所述耦合器的输入端与所述功率放大器的输出端连接,输出端将功率放大器的输出功率直接输出,同时耦合部分射频功率至耦合端口并输出至检波器;所述检波器用于将输入的射频功率转换为模拟电平值,其输入端与所述耦合器的耦合端口连接,输出端将模拟电平值输出至控制器;所述控制器用于将模拟电平转换为数字信号,得到系统输出功率,并将系统输出功率与预设功率值进行比较,根据系统输出功率的变化发送控制信号至数字电位器,其输入端与所述检波器的输出端连接,输出端将控制信号输出至数字电位器;所述数字电位器用于根据控制器的控制信号调节所述功率放大器的增益控制电平输入端口的分压,其输入端与所述控制器的输出端连接,输出端与所述功率放大器的增益控制电平输入端口连接。
2.如权利要求1所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,还包括反向器;所述反向器用于根据控制器的控制信号控制所述功率放大器的开启和关闭状态,其输入端与所述控制器的输出端连接,输出端与所述数字电位器的输入端连接。
3.如权利要求2所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,所述功率放大器的引脚2通过输入匹配网络输入系统输入功率,引脚5、6均与增益控制电平连接,引脚4、7、15、16接外部电压,引脚9、10、11、12通过输出匹配网络输出功率至耦合器,并通过第二电感接外部电压;所述输入匹配网络包括第一电感、第一电容和第二电容,所述第二电容的一端与所述功率放大器的引脚2连接,另一端通过第一电感输入系统输入功率,还通过第一电容接地;所述输出匹配网络包括第三电感、第三电容、第四电容和第五电容;所述功率放大器的引脚9、10、11、12通过串联的第三电感和第五电容与所述耦合器连接,还通过第三电容接地,所述第三电感和第五电容的连接端还通过第四电容接地。
4.如权利要求3所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,所述耦合器的引脚1与所述第五电容连接,引脚2输出功率,引脚3通过第二电阻接地,引脚4通过第一电阻与所述检波器连接,还通过第三电阻接地,并通过第一电阻和第五电阻接地。
5.如权利要求4所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,所述检波器的引脚1与所述第一电阻连接,引脚2、8接外部电压,引脚7通过直流电平输出滤波网络将模拟电平值输出至控制器;所述直流电平输出滤波网络包括第七电阻、第七电容和第八电容;所述检波器的引脚7通过第八电容接地,还通过第七电阻与所述控制器连接;所述第七电阻与控制器的连接端还通过第七电容接地。
6.如权利要求5所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,所述控制器的引脚2与所述第七电阻连接,引脚4接地,引脚7、8、9均与所述数字电位器连接,引脚1与所述反向器连接。
7.如权利要求6所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,所述数字电位器的引脚3、4、5分别与所述控制器的引脚7、8、9连接,引脚1分别与所述增益控制电平及反向器连接,并通过第六电容接地,引脚2、7、8均接地。
8.如权利要求7所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,所述反向器的引脚2通过第四电阻接外部电压,并与所述控制器的引脚1连接,引脚4通过第六电阻与所述数字电位器的引脚1连接。
9.如权利要求8所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,还包括天线;所述天线与耦合器的引脚2连接。
10.如权利要求9所述的射频输出功率闭环检测及调节装置,其特征在于,还包括低噪声放大器;所述低噪声放大器的引脚2通过输入滤波匹配网络与所述耦合器的引脚3连接,引脚7通过第九电容输入接收信号,引脚9接地;所述输入滤波匹配网络包括第十电容、第十一电容和第四电感,所述低噪声放大器的引脚2通过第四电感和第十电容接地,所述第四电感和第十电容的连接端通过第十一电容与所述耦合器的引脚3连接。
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