CN113556166B - 一种适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，是一种以无定形扁平化空地自组织网络系统为研究对象，适用于该网络协议的2.4GHz双向功率放大器，既能支持自组网节点高速移动，又能延长各个自组织网节点之间的通信距离。所设计的功率放大器实物测试指标为：频段范围在2.4GHz‑2.5GHz时，输出功率在41.6‑44.3dBm之间，输出增益在44‑45dB之间，输入增益在11dB，输入噪声在1.6dB。本发明功率放大器可使无定形扁平化地面自组网节点最远传输距离达到了16300‑16400米之间；无定形扁平化空地自组网节点最远传输距离达到了25100‑25200米之间；当地面组网节点和空中组网节点相对速度达到214km/h时，自组网拓扑仍能保持稳定状态。

Description

一种适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放 大器

技术领域

本发明涉及无定形扁平化空地无线自组网节点射频领域，是一种适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器。

背景技术

随着2G，3G，4G技术的稳态发展，5G技术地不断推进，6G技术新概念的提出，现如今的无线通信面临着越来越严峻的挑战，尤其面对无线节点之间如何实现长间距信号传输和如何在高速移动过程中保持组网拓扑结构稳定成为为当今研究的重点问题。

如果以目前现有的蜂窝网络和Wi-Fi自组网作为基础进行无线组网节点长间距传输研究似乎是一个很不错的想法，但是两者存在难以克服的问题和困难，比如蜂窝网络信号传输时虽然频谱效率高，应用广泛，但是其是以铁塔为中心的定形网络，规划和建设时间长，耗费大量人力物力。Wi-Fi自组网虽然简洁方便，传输稳定，但是其传播距离短，对于节点长间距传输的需求并不是很广泛，目前理论研究偏多。

周正轩等人在《一种应用于2.4GHz系统的F类功率放大器》一文中，提出一种应用于2.4GHz ISM频段的WLAN 802.11b/g协议功率放大器。如图1所示，该放大器工作在F类，工作电压为5V，由仿真结果表明：在2.4GHz频段内，1dB压缩点时的输出功率为31.7dBm，输出效率为51.8％，PAE可以达到49％。功率增益大于35dB。

由MOHANAD ABDULHAMID在”ON THE DESIGN OF CLASS-J MICROW A VE POWERAMPLIFIER”一文中提出一种低失真20dBm的2.4GHz功率放大器，工作于J类。该放大器基于AVAGO公司的ATF-52189晶体管设计，最终漏极效率为69％，输出功率为21dBm。该功率放大器非常接近预测的J类波形、功率输出和效率性能。

陈福栈等人在《一种基于自适应偏置的2.4GHz CMOS功率放大器》一文中提出了一种工作在2.4GHz的CMOS功率放大器，如图2所示设计中使用了单端自适应偏置电路，避免PA中形成环路，保证PA的稳定性。单端自适应偏置电路可以根据PA输入或输出功率大小调整偏置电压高低，提升PA的线性度。PA的结构如图4所示，为单端输入单端输出的三级结构，由输入至输出端分别为驱动级(A类)、中间级(AB类)和输出级(AB类)，使用0.18μm CMOS工艺。自适应偏置电路对A类PA性能提升有限，因此驱动级使用传统偏置电路，中间级和输出级均使用自偏置电路。PA的输出端增加了2阶、3阶谐波滤除网络以增加线性度。测试结果表明PA的增益为26.8dB、输入输出回波损耗均小于-10dB。PA的峰值PAE及功率回退6dB处PAE分别为24％及14％,输出1dB压缩点达23.5dBm。

Gadallah等人在"A high-efficiency,low-power 2.4GHz class AB PA forWBAN applications using load pull,"一文中，针对无线体域网设计的2.4GHz功率放大器，使用TSMC 0.18μm工艺，测量结果表明：2.4GHz时增益为14dB，输入回波损耗为-14.5dB，输出回波损耗为-26dB，最大功率附加效率(PAE)为39.5％，输入1dB压缩点为9.5dBm，需要1.8V供电，功耗为6mW。该PA功耗低但线性度较差，功率较低。

王志方等人在“The Air-Ground Integrated MIMO Cooperative RelayBeamforming Wireless Ad-Hoc Network Technology Research That Based on MaximumRatio Combining”一文中，在无定形扁平化无线自组织网络系统的基础上提出了无定型扁平化空地无线自组织网络平台系统，该网络平台系统将四旋翼无人机空中中继节点和地面中继节点形成联合中继，具备相互补盲作用，为后续实现组网节点长距离传输提供了完备的实验测试平台，其基本框架结构如图3所示。

上述无定形扁平化空地无线自组织网络平台系统，整体网络协议适应于节点长距离传输和扁平化自组织，即满足无线自组织网络节点相互之间可以实现长间距传输并且网络形状随传输需求改变而改变。

前述2.4GHz功率放大器主要为单向传输，仅适用于802.11.b/n协议，不适用于无定形扁平化空地无线自组织网络平台系统，无法进行双向信号传输，同时也不支持组网节点高速移动。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，应用于无定形扁平化空地无线自组织网络平台系统，其网络协议适应于节点长距离传输和扁平化自组织，即满足无线自组织网络节点相互之间可以实现长间距传输并且网络形状随传输需求改变而改变，以此满足无线自组网节点相互之间能够实现长间距传输，并能支持组网节点高速移动。

本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，接入无定形扁平化空地无线自组织网络系统中，用于接收信号源信号；随后通过高增益天线进行放大转发，经过长距离传输，最终传输至车载信宿节点，而车载信宿节点将所收到的经放大转发过来的信号进行反馈回传，整体形成一个回路。

本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，包括射频输入接口、射频输出接口、射频单刀双掷开关、PA直流偏置的电路、PA匹配电路、LNA直流偏置电路、LNA匹配电路、过滤器、功率检测模块以及时序控制模块。

控制中心发出组网节点控制指令信号作为初始信号源，初始信号源经射频输入接口输入至功率放大器后，经射频单刀双掷开关控制输入至PA，实现信号源信号放大；放大信号经过过滤器过滤其他相关的干扰噪声，最后再次经过射频单刀双掷开关控制，由天线向目标信宿节点发送信号。同时，经过天线接收到信宿节点的信号，经过射频单刀双掷开关控制，输入至柏克莱封包过滤器，进行噪声过滤；过滤后的信号输入LNA，由LNA对微弱信号进行放大；放大后的信号经过射频单刀双掷开关控制，经射频输入接口后发送至组网节点，最终由组网节点反馈至计算机；由此通过上述结构功率放大器实现信宿节点信号完整双向反馈。

所述功率检测模块与时序控制模块均连接PA和LNA的输出端；其中，功率检测模块用来对经过滤器过滤后的信号进行检测，得到功率放大器的状态、温度和输出功率；时序控制模块用于实现TTL功能,并进行时序控制。

本发明的优点在于：

1、本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，提出了四级级联电流负反馈电路结构，可以大大提升功率放大器的放大倍数，并降低无意义损耗和相关成本；

2、本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，与市面现有的功率放大器相比，适用于CC2530无线自组网模组，并支持无定形扁平化空地一体化无线自组网系统架构体系；

3、本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，集成度高，体积小，易携带，模块化，并支持2.4GHz高频段；

4、本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，支持无线自组网节点点对点长距离传输，最远传输距离可达25.1km；

5、本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，支持无线自组网节点之间相互移动，最高相对速度可达214km/h。

附图说明

图1为2.4GHz F类功率放大器结构图。

图2为2.4GHz CMOS功率放大器结构图。

图3为无定形扁平化无线自组织网络系统基本框架结构图。

图4为本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器整体框图。

图5为本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器结构示意图。

图6为本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器中PA与LNA电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，用于接收信号源信号，然后接入无定形扁平化空地无线自组织网络系统中；随后通过高增益天线进行放大转发，经过长距离传输，最终传输至车载信宿节点，而车载信宿节点同样将所收到的经放大转发过来的信号进行反馈回传，整体形成一个回路，保证网络整体拓扑稳定。

由于本发明所采用的系统框架为无定形扁平化空地自组织网络，各个组网节点需要同时接受地面中继节点和空中中继节点所发出的信号，由于长间距传输，导致组网节点所接收的信号相对较为微弱，因此为了放大该微弱信号，减小噪声干扰，提高整体环路成功率，并最终可以解调出系统所需要的信息数据，本发明所设计的功率放大器为双向功率放大器，同时具备接收信宿节点信号和发送信号源信号的功能，具体结构如图4所示，包括射频输入接口(RFIN)、射频输出接口(RFOUT)、射频单刀双掷开关(双工器)、PA(功率放大器)直流偏置的电路、PA匹配电路、LNA(低噪声功率放大器)直流偏置电路、LNA匹配电路、柏克莱封包过滤器(BPF)、功率检测模块以及时序控制模块。

其中，发送信号源信号的实现方式为：首先控制中心(计算机)和组网节点(CC2530)连接，由计算机发出组网节点控制指令信号作为初始信号源。初始信号源的输出端经射频输入接口输入至功率放大器。射频单刀双掷开关，即双工器，为了合并或者分离输入端和输出端的信号，可以同时控制输入输出信号；输入功率放大器中的控制信号经射频单刀双掷开关控制输入至四级级联电流负反馈PA，实现信号源信号放大。四级级联电流负反馈PA中，PA直流偏置电路用于实现射频去耦，PA匹配电路用于降低功率损耗，达到性能提升的目的。放大信号经过柏克莱封包过滤器过滤其他相关的干扰噪声，最后再次经过射频单刀双掷开关控制，由天线向目标信宿节点发送信号。

接收信宿节点信号的实现方式为：经过天线接收到信宿节点的信号，经过射频单刀双掷开关控制，输入至柏克莱封包过滤器，进行噪声过滤；过滤后的信号输入四级级联电流负反馈LNA，对从空中和地面的微弱信号进行放大；四级级联电流负反馈LNA中，LNA直流偏置电路用于将接收的信号射频去耦，LNA匹配电路用于降低功率损耗。放大后的信号经过射频单刀双掷开关控制，经射频输入接口后发送至组网节点，最终由组网节点反馈至计算机。由此通过上述结构功率放大器实现信宿节点信号完整双向反馈。

所述功率检测模块与时序控制模块均连接PA直流偏置电路和LNA直流偏置电路的输出端。其中，功率检测模块用来对经柏克莱封包过滤器过滤后的信号进行检测，得到功率放大器的状态、温度和输出功率。时序控制模块用于实现TTL(Time To Live)功能,并进行GaN上下电时序控制。其中，TTL的作用是限制IP数据包在计算机网络中的存在的时间，表示可以存活的时间，但实际上TTL是IP数据包在计算机网络中可以转发的最大跳数。本发明的功率放大器是基于CC2530组网芯片设计的，所以支持的转发最大跳数可以达到Zigbee协议的理论值。另外，本发明所设计的功率放大器采用同异步协调控制方式，每个功能部件的内部均采用同步控制的方式，功能部件之间采用异步控制的方式，这样使得功率放大器整体上运行效率更高，相应的控制操作更容易实现。

上述结构的功率放大器中，PA和LNA均为四级级联电路，其电路结构如图6所示，

其中，RFPA5208芯片作为PA的核心，用于放大信号源信号。信号源信号通过射频输入接口端进入PA后，经RFPA5208芯片进行放大，最后从射频输出接口端输出。电容C1和C5分别用于芯片RFPA5208的射频输入和输出端隔开直流电路，称为隔直电容器，对信号进行隔直流处理，以便在工作频率范围内保持短路；电容C4提供射频接地，作用是为了过滤一些杂波低频信号；电容C2和C3通过并联过滤低频干扰噪声信号，同样提供射频接地，过滤一些杂波低频信号。DC为直流供电电源，用于功率放大器整体供电。

LNA中，将TQP3M90和SKY16602芯片两者结合运用于对接收的组网信号的处理。其中，SKY16602芯片的作用是为了限制接收的信号的阈值，降低信号失真情况，降低插入损耗。TQP3M90芯片的作用是为了放大所接受的不敏感的其他组网节点的信号。天线E1将接受到的来自其他组网节点的信号通过芯片SKY16602传输至TQP3M90芯片的RFin端，然后经过芯片TQP3M90放大处理之后从RFout端口输出。电容C8和射频扼流圈L2串联作为射频接地，共同过滤一些杂波信号，L2作用是抑制甚高频信号的传输噪声或者辐射噪声的干扰。射频扼流圈L1射频接地，作用同样为抑制甚高频信号的传输噪声或者辐射噪声干扰。电容C7用于芯片TQP3M90的射频输出端隔开直流电路。电阻R1和R2并联连接形成负反馈电路网络，用来提供稳定的输出电流。电阻R1，R3，R4串联分压用来提供所需要的电压反馈信号。

NL27WZ04芯片作为高性能的双逆变器，可以显著降低输入驱动器的电流负载，并且其与TTL兼容输出可以改善开关噪声功能。经过芯片RFPA5208放大的信号，经过第一级电路，接着经过第二级电路，通过芯片NL27WZ04双逆变处理，最终经过第三级电路射频接地。其中，第一级电路为电阻R5和电容C9并联的电路；R5构成负反馈电路网络，用于提供稳定输出电流；电容C9提供射频接地，过滤一些杂波信号。第二级电路为电阻R6和电容C10并联的电路：R6构成负反馈电路网络，用于提供稳定输出电流，C10为了过滤低频信号噪声干扰，同样提供射频接地。第三级电路为电阻R7，R8，稳压二极管D1串联的电路和电阻R9，电容C11串联的电路进行并联的电路：R7，R8，R9构成负反馈电路网络，用于提供稳定的输出电流；C11提供射频接地，用来过滤一些杂波信号；D1以保证电流在很大范围内变化的同时电压基本保持不变。

上述PA和LNA中，第一级放大电路，在整个子组网节点传输过程中占据主要地位，因此LNA在提高组网节点接收信息灵敏度上占据关键地位。另外本发明为在无定形扁平化空地自组网系统下，实现组网节点长间距传输，因此PA在整个组网通信网络系统中占据主要地位，它的输出功率将直接决定了无线通信距离的长短。因此，本发明中设计PA和LNA均为四级级联电流深度负反馈结构，这样既能保证较高的放大倍数，又能抑制电路中的零点漂移和元器件的寄生作用。

本发明适用于无定形扁平化空地无线自组网的2.4GHz双向功率放大器实验测试使用步骤：

第一步，检查各个组网节点(即CC2530芯片模组)，功率放大器，USB转TTL数据线等电子器件是否能正常工作，是否匹配；

第二步，用USB转TTL数据线将组网节点与笔记本电脑进行连接，并在笔记本电脑中寻找所连接的组网节点；

第三步，将组网节点与所设计的2.4GHz双向功率放大器进行连接，并且在功率放大器输出端接入天线；

第四步，核对前三步是否正确，比如连接线的公头与母头，移动电源是否能保持持续性供电等工作；

第五步，依照前四步搭建好信号源节点，地面中继节点联合空中中继节点，车载信宿节点，并进行组网拓扑测试，查看笔记本电脑中是否可以生成相应的拓扑结构；

第六步，前五步检查无误后，由信号源向车载信宿节点发送指令信号，并观察车载信宿节点是否按照指令进行相应的响应以及相应的拓扑结构；

第七步，不断移动车载信宿节点，拉开距离，再次进行测试，直至最终极限通信距离；

第八步，完场极限距离测试以后，接着在空旷无人的公路上进行车载组网节点和空中组网节点的极限速度测试；经过测试，四旋翼无人机的极限移动速度为91km/h，汽车的极限移动速度为123km/h；

第九步，使车载地面组网节点和无人机空中组网节点进行高度相对移动，形成相对速度，使得无人机一直保持极限速度91km/h，不断改变汽车的移动速度，并查看自组网拓扑结构，直至双方节点均达到极限移动速度。

实验测试环节：

首先未接入空中中继节点，其中信号源节点型号为“01BA”，信宿接收节点型号为“6600”。进行点对点测试。此时接入高增益天线，数据如表1所示：

表1

编号	距离(米)	指示灯
			1	15200	指示灯亮5秒
2	15700	指示灯亮5秒
			3	16100	指示灯亮5秒
4	16200	指示灯亮5秒
			5	16300	指示灯亮5秒
6	16400	指示灯不亮

当距离为16300米时，信宿节点指示灯正常工作5秒，但是当距离为16400米时，信宿节点指示灯不亮，因此极限通信距离在16300-16400米之间，在此取为16300米。

接入地面中继联合空中中继节点，其中空中中继节点为“65FD”,空中中继节点与信号源节点的距离为130米，飞行高度为15米，相关数据如表2所示：

表2

当距离为25100米时，信宿节点指示灯正常工作5秒；但是当距离为25200米时，信宿节点指示灯不亮，因此极限通信距离在25100-25200米之间，在此取为25100米。

引入1个空中组网节点和1个车载地面组网节点，使车载组网节点与无人机空中组网节点对开形成相对速度，使得速度最大化，并测试组网拓扑结构。数据如表3所示：

表3

当相对速度为214km/h时，组网节点能形成稳定组网拓扑，由于车载地面组网节点移动速度受限，最高移动速度为123km/h；无人机空中组网节点移动速度受限，最高移动速度为91km/h。

本发明无定形扁平化空地自组网系统平台中加入自行设计2.4GHz双向功率放大器，该功率放大器相较于市面上其他放大器，特别适用于802.15.4自组网协议，并且与无定形扁平化空地自组网系统平台完美契合。另外，测试结果显示：当未接入地面中继联合空中中继节点，点对点进行测试时，无线通信传输距离从原始的117米延长至了16300米，极限传输距离为16300-16400米之间；当接入空中联合中继节点时，无线通信传输距离从16300米延长至了25100米，极限传输距离为25100-25200米之间；当进行节点高速移动时，空中节点极限速度为91km/h，地面节点极限速度为123km/h，相对速度最大为214km/h，定义为支持自组网节点高速移动。

综上所述，本发明适用于空地自组网节点长间距传输和高速移动的功率放大器，可以非常直观显著地提延长无线自组网节点的通信传输距离和提高无线信号传输的稳定性。

Claims (2)

1.一种适用于空地自组网节点传输和移动的功率放大器，其特征在于：包括射频输入接口、射频输出接口、射频单刀双掷开关、PA直流偏置的电路、PA匹配电路、LNA直流偏置电路、LNA匹配电路、过滤器、功率检测模块以及时序控制模块；

接入无定形扁平化空地无线自组织网络系统中，用于接收信号源信号；随后通过高增益天线进行放大转发，经过传输，最终传输至车载信宿节点，而车载信宿节点将所收到的经放大转发过来的信号进行反馈回传，整体形成一个回路；具体为：

控制中心发出组网节点控制指令信号作为初始信号源，初始信号源经射频输入接口输入至功率放大器后，经射频单刀双掷开关控制输入至由PA直流偏置的电路、PA匹配电路构成的四级级联电流负反馈电路，实现信号源信号放大；放大信号经过过滤器过滤其他相关的干扰噪声，最后再次经过射频单刀双掷开关控制，由天线向目标信宿节点发送信号；接收信宿节点信号的实现方式为：经过天线接收到信宿节点的信号，经过射频单刀双掷开关控制，输入至柏克莱封包过滤器，进行噪声过滤；过滤后的信号输入由LNA直流偏置的电路、LNA匹配电路构成的四级级联电流负反馈电路，对微弱信号进行放大；放大后的信号经过射频单刀双掷开关控制，经射频输入接口后发送至组网节点，最终由组网节点反馈至计算机；由此通过上述结构功率放大器实现信宿节点信号完成双向反馈；

所述功率检测模块与时序控制模块均连接PA和LNA的输出端；其中，功率检测模块用来对经过滤器过滤后的信号进行检测，得到功率放大器的状态、温度和输出功率；时序控制模块用于实现TTL功能,并进行时序控制；

由PA直流偏置的电路、PA匹配电路构成的四级级联电流负反馈电路PA与由LNA直流偏置的电路、LNA匹配电路构成的四级级联电流负反馈电路LNA结构为：

RFPA5208芯片作为PA的核心，用于放大信号源信号；信号源信号通过射频输入接口端进入PA后，经RFPA5208芯片进行放大，最后从射频输出接口端输出；电容C1和C5分别用于芯片RFPA5208的射频输入和输出端隔开直流电路；电容C4提供射频接地，用于过滤杂波低频信号；电容C2和C3通过并联过滤低频干扰噪声信号，同样提供射频接地，过滤杂波低频信号；

LNA中，将TQP3M90和SKY16602芯片两者结合运用于对接收的组网信号的处理；其中，天线将接受到的来自其他组网节点的信号通过芯片SKY16602传输至TQP3M90芯片的RFIN端，然后经过芯片TQP3M90放大处理之后从RFOUT端口输出；电容C8和射频扼流圈L2串联作为射频接地，共同过滤杂波信号；L2用于抑制甚高频信号的传输噪声或者辐射噪声的干扰；射频扼流圈L1射频接地，用于抑制甚高频信号的传输噪声或者辐射噪声干扰；电容C7用于芯片TQP3M90的射频输出端隔开直流电路；电阻R1和R2并联连接形成负反馈电路网络，用来提供稳定的输出电流；电阻R1，R3，R4串联分压用来提供所需要的电压反馈信号；

经过芯片RFPA5208放大的信号，经过第一级电路，接着经过第二级电路，通过芯片NL27WZ04双逆变处理，最终经过第三级电路射频接地；其中，第一级电路为电阻R5和电容C9并联的电路；R5构成负反馈电路网络，用于提供稳定输出电流；C9提供射频接地，过滤杂波信号；第二级电路为电阻R6和电容C10并联的电路：R6构成负反馈电路网络，用于提供稳定输出电流，C10为了过滤低频信号噪声干扰，同样提供射频接地；第三级电路为电阻R7，电阻R8，稳压二极管D1串联的电路和R9，电容C11串联的电路进行并联的电路；R7，R8，R9构成负反馈电路网络，用于提供稳定的输出电流；C11提供射频接地，用来过滤杂波信号； D1用来保证电流在变化的同时电压保持不变。

2.如权利要求1所述一种适用于空地自组网节点传输和移动的功率放大器，其特征在于：采用同异步协调控制方式，每个功能部件的内部均采用同步控制的方式，功能部件之间采用异步控制的方式。

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