CN112532256A - 一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，属于基本电气元件的技术领域。本发明首先提出一种适合发射端的增益控制电路，该电路包括：两级受控衰减器、三级功率放大器、功率检波器、控制电路，相比采用受控放大器的AGC电路而言，具有输出功率大、结构简单等优点，同时该电路可实现增益的双向调节。本发明还提出了基于静态工作点的增益分配方法，该方法包括如下步骤：根据发射端目标输出功率，确定电路的静态工作点；基于电路的静态工作点，对输入输出波动进行讨论，并确定相应的控制方式。

Description

一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路

技术领域

本发明公开了一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

无线电能传输(Microwave Power Transmission,MPT)技术由于在传输功率和传输距离方面极具优势，尤其适合用于中远距离大功率无线电能传输。图1为典型的MPT系统结构，系统由发射端、空间传输和接收端三部分组成。随着信息技术领域的发展，MPT系统对发射端输出信号幅度的稳定性要求越来越高，因此需要研究适合发射端的自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)电路。

与接收端AGC的设计不同，发射端的设计重点是如何通过单模块实现大功率发射。一般而言，发射端为实现输入信号功率的放大，往往需要采取多级功放级联的方式，如图2所示，射频输入信号RFin由压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)或射频源提供，经多级功放放大后送至天线进行功率输出。从结构上而言，自动增益控制电路可分为开环AGC和闭环AGC。可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)作为自动增益控制电路中的核心器件，既可以是受控放大器，也可以是受控衰减器。现有可变增益放大器的输出功率1dB压缩点比较低，一般在负十几dBm到几dBm之间。对于射频发射端而言，如果采用受控放大器作为VGA，则意味着需要更多级功放级联来实现大功率的输出，同时因为受控放大器的输出功率限制，其只能应用于发射端的前级电路，且无法通过级联来扩大电路的可调节动态范围。

自动增益控制电路常用的设计方法是根据链路的目标输出功率，从输出端反推输入端的功率范围，但该方法实现AGC电路设计的前提是输出端的信号波动完全由输入端信号波动产生，且输出端与输入端的信号波动处于同一控制模态中，即认为输入端与输出端之间的波动延时可忽略不计。然而，在实际工作过程中，输出端的信号不仅受到输入端信号波动的影响还受到链路中其它增益模块的影响，甚至在多模块通信时，输出端信号还受到其它信道信号的干扰。另一方面，输入端的信号波动不可避免地会经过一段延时才能在输出端显现。因此，若采取由输出功率反推输入端功率动态范围的增益方法，因为输出端信号波动的不确定性以及链路的延迟性，则AGC电路中有可能出现增益超调的情况，即整个链路会处于失控状态。本申请旨在通过基于静态工作点的增益分配方法以兼顾输入波动和输出波动。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，为输入和输出提供增益放大或衰减，可实现大功率发射端的自动增益控制，提出的基于静态工作点的增益分配方法使得电路能同时考虑到输入和输出的波动，从而提高了自动增益控制电路的稳定性和利用率，解决了现有自动增益电路由输出功率反推输入端功率动态范围存在增益超调情况的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提出了一种基于静态工作点的增益分配方法用于实现AGC电路的增益分配。对于任一确定的发射端结构，首先，依据链路中的固定增益模块和期望输出功率，确定整个电路中的静态工作点(P_IN，P_ON)，其中，P_IN和P_ON分别表示输入和输出端的额定功率值；然后，基于该静态工作点对输入和输出端可能存在的信号波动进行考虑，并确定增益控制方式和工作模态。

本发明提出一种基于上述增益分配方法的发射端AGC电路，该AGC电路包括：两个级联的受控衰减器、三个级联的功率放大器、检波器、控制电路，前级功率放大器、输入端受控衰减器、中间级功率放大器、输出端受控衰减器、输出级功率放大器依次级联，输入端的射频信号经检波器检测后得到输入波动，输出级功率放大器输出信号经检波器检测后得到输出波动，控制电路根据输入波动和输出波动得到输入端受控衰减器的控制信号、输出端受控衰减器的控制信号。两个级联的受控衰减器分散地接在功率放大器之间，对于不同功率的输入信号，链路中的两个受控衰减器负责对输入端的信号波动和输出端的信号波动进行调节。前级功率放大器和后级功率放大器对输入功率进行放大，中间级功率放大器根据输入信号或输出信号的波动选择性地参与链路的增益调节。与采用受控放大器的AGC电路相比，电路的输出功率1dB压缩点显著提高，从而保证了发射端的大功率输出。另外，该AGC电路还实现了对输入信号和输出信号的同时调节，增强了电路的稳定性，并提高了受控衰减器的利用率。

中间级功率放大器根据输入信号或输出信号的波动选择性地参与链路的增益调节指的是：当输入及输出端产生正向的波动，即输入端和输出端所需增益均为负数时，中间级功放不参与链路的增益调节，此时，链路中两个受控衰减器分别实现对输入信号波动和输出信号波动的调节；当输入端或输出端产生负向的波动，即输入端或输出端所需增益为正数时，输入端受控衰减器、中间级功放、输出端受控衰减器共同对链路增益进行调节，从而实现对输入信号信号的放大。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本申请所提出的带受控衰减器的自动增益控制电路，提高了发射端输出功率的1dB压缩点，从而可实现大功率的输出。

(2)本申请所提出的基于静态工作点的增益分配方法，可以在同时考虑输入输出波动的情况下实现自动增益控制电路的设计，提高了电路的可靠性与稳定性。

(3)本申请所提出的双向增益可配置的发射端AGC电路，在不牺牲电路输入输出动态范围的前提下，可为输入输出提供正的增益放大或负的衰减，扩大了发射端AGC电路的应用场合。

附图说明

图1是微波无线传输系统的通用结构图。

图2是典型发射端的级联架构图。

图3是双向增益可配置的发射端AGC的电路图。

图4是常用增益分配方法下的功率分布示意图。

图5是常用增益控制策略下功率可调范围的示意图。

图6是增益双向可配置AGC电路功率可调范围的示意图。

图7是功率可调范围的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图3展示了本申请提出的增益双向可配置的发射端AGC电路，该AGC电路包括：输入定向耦合器、前级功率放大器Gain Block1、输入端受控衰减器VVA1、中间级功率放大器Gain Block2、输出端受控衰减器VVA2、输出级功率放大器Gain Block3、输出定向耦合器、增益控制电路。射频信号RFin经输入定向耦合器传输至前级功率放大器Gain Block1，定向耦合器从射频信号RFin中耦合出用于检测输入波动的小信号，功率检波器对该小信号进行检测后输出输入波动检测结果至增益控制电路。前级功率放大器Gain Block1对定向耦合器传输的射频信号进行放大处理后输出。输入端受控衰减器VVA1对前级功率放大器GainBlock1输出的射频信号进行合适的衰减，在输入波动检测值为正，即输入端所需增益为负数时，增益控制电路输出衰减射频信号的控制指令至输入端受控衰减器VVA1，输入端受控衰减器VVA1的控制电压随输入波动检测值的增大而增大，增益控制电路在输入波动检测值为负时输出放大射频信号的控制指令至输入端受控衰减器VVA1，输入端受控衰减器VVA1与中间级功放Gain Block2实现对射频信号的放大处理。中间级功率放大器Gain Block2在输入波动检测值和输出波动检测值均为正时不参与链路的增益调节，此时，输入端受控衰减器VVA1参与输入波动的闭环调节，输出端受控衰减器VVA2参与输出波动的闭环调节；中间级功率放大器Gain Block2在输入波动检测值为负时与输入端受控衰减器VVA1共同实现射频信号的放大；中间级功率放大器Gain Block2在输出波动检测值为负时与输出端受控衰减器VVA2共同实现射频信号的放大。输出级功率放大器Gain Block3对输出端受控衰减器VVA2的输出信号进行最后一级的增益放大处理。输出定向耦合器传输输出级功率放大器Gain Block3放大处理后的射频信号并从该射频信号中耦合出用于检测输出波动的小信号，功率检波器对该小信号进行检测后传输输出波动检测值至增益控制电路。增益控制电路在输出波动检测值为正时输出衰减射频信号的指令至输出端受控衰减器VVA2，而在输出波动检测值为负时输出放大射频信号的指令至输出端受控衰减器VVA2，输出端受控衰减器VVA2与中间级功率放大器进行联合调节。

为了阐明图3所示AGC电路的具体实现原理，先简单介绍基于静态工作点的增益分配方法。

常用的增益分配方法是，根据期望输出功率，从输出端向输入端反推输入端的信号功率，在图3所示发射端架构中，假设发射端输出功率为P_ON，则此时链路中各点的功率可由输出端依次向前反推，具体结果如图4所示。该增益分配方法理论上可实现链路的自动增益控制，其前提是，输出端的信号波动完全由输入端的信号波动产生，且输出端与输入端的信号波动处于同一控制模态中，即认为输入端与输出端之间的波动延时可忽略不计。但是在实际工作过程中，输出端的信号不仅受到输入端信号波动的影响，还受到链路中其它增益模块的影响，甚至在多模块通信时，输出端信号还受到其它信道信号的干扰。另一方面，输入端的信号扰动不可避免地会经过一段延时才能在输出端显现。因此，若采取由输出功率反推输入端动态范围的增益分配方法，因为输出端信号波动的不确定性以及链路的延迟性，则AGC电路中有可能出现增益超调的情况，即整个链路会处于失控状态。

基于静态工作点的增益分配方法是指基于已确定的发射端架构，依据链路中的固定增益模块和期望输出功率，确定链路的静态工作点(P_IN,P_ON)，然后基于该静态工作点对输入端和输出端可能存在的波动进行讨论分析。不同的控制策略可能会使得输入输出的动态范围不同，常用的策略1通过输入端VVA1和输出端VVA2分别实现对输入输出波动的增益调节，两者的控制信号相互独立、互不干涉。常用的策略2通过VVA1和VVA2共同实现输入输出的增益调节，两者的控制信号由控制电路根据输入输出波动的情况联合产生。两种常用策略中都采用两个受控衰减器实现电路的增益调节，级联的三个功率放大器实现对射频输入信号的放大，则静态工作点(P_IN，P_ON)均满足：

P_IN+G₁+G₂+G₃＝P_ON (1)，

输入端和输出端所需增益Gainx和Gainy分别为：

Gainx＝P_IN-p_in (2)，

Gainy＝P_ON-p_o (3)，

根据静态工作点的增益分配方法，两种控制策略的可调输入输出范围如图5所示。

对于发射端增益双向可配置的AGC电路而言，中间级功率放大器与受控衰减器共同实现电路的增益调节，前级功放Gain Block1和输出级功放Gain Block3实现对射频输入信号的放大，此时静态工作点(P_IN，P_ON)满足：

P_IN+G₁+G₃＝P_ON (4)。

对于输入端和输出端的信号波动，受控衰减器VVA1、VVA2即可独立控制，也可工作于联调状态，输入端和输出端所需增益分别受两个受控衰减器VVA1、VVA2和中间级功率放大器Gain Block 2共同限制，

则对于该AGC电路而言，可相应求出输入输出的可调功率范围，如图6所示。输入信号功率的可调范围是(P_IN-G₂，P_IN+K₁+K₂-G₂)，输出信号功率的可调范围是(P_ON-G₂,P_ON+K₁+K₂-G₂)，输入端和输出端的动态范围均为K₁+K₂。引入面积参数S来衡量三种增益控制方式的可调范围。面积参数S具体是指三种增益控制区域所围成的增益可调区域的面积，以S₁、S₂、S₃加以区分并分别进行计算：

S₁＝K₁K₂ (6)，

如图7所示，对比功率可调范围可以发现，对于双向增益可调AGC而言，只要选择合适的受控衰减器VVA1、VVA2和级联固定增益Gain Block2，使得K₁+K₂＞G₂，即可使得电路相较前两种增益控制方式而言，在实现双向增益可调的同时，也能实现最大的增益控制区域。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本方面的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本方面所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，其特征在于，包括：

输入定向耦合器，其输入端接射频信号，一路输出接输入端功率检波器，一路输出接功率放大器；

前级功率放大器，其输入端接输入定向耦合器的输出端，对射频输入信号进行放大，输出功率放大后的射频信号；

输入端受控衰减器，其输入端接前级功率放大器的输出端，根据控制信号对输入信号进行合适的衰减；

中间级功率放大器，其输入端接输入端受控衰减器的输出端，其输出端接输出端受控衰减器的输入端，在输入端及输出端均产生正向波动时不参与增益调节，在输入端或输出端产生负向波动时对输入端受控衰减器输出的射频信号进行放大处理并将放大处理后的射频信号传输至输出端受控衰减器；

输出端受控衰减器，其输入端接中间级功率放大器的输出端，根据控制信号产生合适的衰减；

增益控制电路，接收输入端功率检波器输出的输入端波动检测结果以及输出端功率检波器输出的输出端波动检测结果，根据静态工作点并考虑输入端波动检测结果和输出端波动检测结果分配增益得到输入端受控衰减器的控制信号以及输出端受控衰减器的控制信号，在输入端发生正向波动时输出按照所分配的增益衰减射频信号的控制信号至输入端受控衰减器的控制端，在输入端发生负向波动时输出按照所分配的增益放大射频信号的控制信号至输入端受控衰减器的控制端，在输出端发生正向波动时输出按照所分配的增益衰减射频信号的控制信号至输出端受控衰减器，在输出端发生负向波动时输出按照所分配的增益放大射频信号的控制信号至输出端受控衰减器；

输出级功率放大器，其输入端接输出端受控衰减器的输出端，对输出端受控衰减器输出的射频信号进行最后一级增益放大处理；及，

输出定向耦合器，其输入端接输出级功率放大器的输出端，一路输出接输出端功率检波器，一路输出接发射端天线。

2.根据权利要求1所述一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，其特征在于，根据静态工作点并考虑输入端波动检测结果和输出端波动检测结果分配增益的方法为：根据静态工作点满足的等式约束P_IN+G₁+G₃＝P_ON以及输入端所需增益、输出端所需增益满足的不等式约束

依据输入端和输出端的所需增益Gainx、Gainy确定分配给输入端受控衰减器的增益和输出端受控衰减器的增益，其中，P_IN、P_ON为静态工作点对应的输入端功率和输出端功率，G₁、G₃分别为前级功率放大器、输出级功率放大器的增益，K₁、K₂分别为输入端受控衰减器、输出端受控衰减器的增益，Gain2为输出端受控衰减器实际提供的增益，Gainx＝P_IN-p_in，Gainy＝P_ON-p_o，p_in、p_o为输入端和输出端的实际功率。

3.根据权利要求1所述一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，其特征在于，所述输入端受控衰减器和输出端受控衰减器为可变增益模块，所述前级功率放大器、中间级功率放大器、输出级功率放大器为固定增益模块。

4.根据权利要求3所述一种增益双向可配置的发射端自动增益控制电路，其特征在于，所述输入端受控衰减器、输出端受控衰减器、中间级功率放大器的增益满足K₁+K₂＞G₂这一不等式约束，其中，K₁、K₂分别为输入端受控衰减器、输出端受控衰减器的增益，G₂为中间级功率放大器的增益。

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