CN114400982B - 功率放大电路以及具有其的通信天线系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种功率放大电路，其包括：射频开关、功率放大器、低噪声放大器、环形器、射频开关电路、负载终端和检测电路，其中当检测电路检测到发射信号时基于检测电路的检测信号控制射频开关切换至设置有功率放大器的发射通路，并且射频开关电路切换至负载终端；当未检测到发射信号时基于检测信号控制射频开关切换设置有低噪声放大器的接收通路，并且射频开关电路切换至低噪声放大器。本申请还公开了通信天线系统以及具有该系统的无人机和基站。根据本发明实施例，可以改善功率放大电路以及通信天线系统的鲁棒性和使用便利性。
Description
技术领域
本发明涉及射频天线技术，具体而言，涉及用于射频通信天线的功率放大电路以及具有其的通信天线系统。
背景技术
功率放大电路是射频通信天线系统的重要组成部分。在天线的基带电路中，调制振荡电路所产生的信号功率很小，需要采用射频功率放大器将发射信号放大之后才能通过天线辐射出去。同时，用于对天线所接收的接收信号，需要通过噪声系数很小的低噪声放大器进行放大。低噪声放大器适用于微弱信号的放大，在受到较强信号冲击时易于损坏。实践中，在没有安装天线的情况下就将基带电路的发射信号接入功率放大电路的情况时有发生，该发射信号未能通过天线发射出去而被反馈至低噪声放大器，往往造成低噪声放大器的损坏。用于射频通信天线的功率放大电路的鲁棒性和使用的便利性有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于射频通信天线的功率放大电路以及包括这种功率放大电路的通信天线系统，以在提高功率放大电路的鲁棒性的同时改善其使用的便利性。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于射频通信天线的功率放大电路，其包括：射频开关，其不动端用于连接至一基带电路，其动端在发射通路和接收通路之间切换，使得所述功率放大电路在发射状态和接收状态之间切换；功率放大器，设置在所述发射通路中，用于对来自所述基带电路的发射信号进行放大；低噪声放大器，设置在所述接收通路中，用于对来自天线的接收信号进行放大；环形器，具有第一端口、第二端口和第三端口，其第一端口接收来自所述功率放大器的发射信号，并且将经由所述第一端口接收的发射信号通过所述第二端口输出，以发送至天线；射频开关电路，其不动端连接至所述环形器的所述第三端口，其动端用于在所述接收通路和一负载终端之间切换；以及第一检测电路，其连接在所述射频开关的不动端侧，用于检测来自所述基带电路的发射信号，并输出表示是否检测到所述发射信号的第一检测信号。所述功率放大电路配置为：当所述第一检测电路检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述射频开关的动端切换所述发射通路，并且所述射频开关电路的动端切换至所述负载终端；以及当所述第一检测电路没有检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述射频开关的动端切换所述接收通路，并且所述射频开关电路的动端切换至所述低噪声放大器。
优选地，所述功率放大电路进一步配置为：当所述第一检测电路检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述功率放大器打开以及所述低噪声放大器关断，并且当所述第一检测电路没有检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述功率放大器关断以及所述低噪声放大器打开。
优选地，所述射频开关电路为基于PIN二极管的开关电路。
优选地，所述功率放大电路还包括第一限幅器，其设置在所述低噪声放大器与所述射频开关电路之间。
优选地，所述功率放大电路还包括第二限幅器，其设置在所述低噪声放大器与所述射频开关之间。
优选地，所述功率放大电路还包括第二检测电路，其连接在所述功率放大器的输出侧，用于检测经所述功率放大器放大的发射信号，并输出表示是否检测到所述放大的发射信号的第二检测信号；并且所述功率放大电路进一步配置为基于所述第二检测信号给出表示所述功率放大器是否正在工作的指示。
在一些实施例中，所述第一检测电路和所述第二检测电路中的至少一者包括定向耦合器、检波器和比较器，其中，所述检波器与所述定向耦合器的耦合信号输出端连接，所述比较器用于将所述检波器输出的直流电压与预定阈值电压进行比较。
优选地，所述功率放大电路还包括介质滤波器，其与所述环形器的所述第二端口连接。
优选地，所述功率放大器为基于LDMOS的功率放大器。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于无人机或基站的通信天线系统，其包括：设置在第一位置的天线，用于发射和接收信号；
设置在远离第一位置的第二位置的基带电路，用于产生发射信号以及对接收信号进行处理；以及连接在所述天线和所述基带电路之间的功率放大电路模块，所述功率放大电路模块包括如上所述的功率放大电路，并且设置在毗邻所述第一位置的第三位置。
根据本发明的再一个方面，提供了一种无人机，其包括机身、机翼和通信天线系统，所述通信天线系统包括：设置在所述机翼的末端的天线，用于发射和接收信号；设置在所述机身内的基带电路，用于产生发射信号以及对接收信号进行处理；以及连接在所述天线和所述基带电路之间的功率放大电路模块，所述功率放大电路模块包括如上所述的功率放大电路，并且设置在毗邻所述机翼的末端的位置上。
根据本发明的又一个方面，提供了一种通信基站，包括信号塔和通信天线系统，所述通信天线系统包括：设置在所述信号塔的顶端的天线，用于发射和接收信号；设置在远离所述信号塔的顶端的位置的基带电路，用于产生发射信号以及对接收信号进行处理；以及连接在所述天线和所述基带电路之间的功率放大电路模块，所述功率放大电路模块包括如上所述的功率放大电路，并且设置在靠近所述信号塔的顶端的位置上。
根据本发明实施例，通过结合使用环形器、射频开关电路和负载终端，有利地避免未能通过天线发射的发射信号反射回功率放大电路之后对元件（特别是低噪声放大器）的损害。此外，通过在功率放大电路的基带电路一端对发射信号进行检测，获得的表示是否检测到发射信号的检测信号可以用于提供对功率放大电路中各元器件进行控制的控制信号，省去了对来自基带电路的多个控制信号的需求，从而极大地简化了基带电路与功率放大电路之间的连接线路。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为安装有根据本发明实施例的通信天线系统的无人机的示意图；
图2为根据本发明实施例一的功率放大电路的示意性框图；
图3为基于PIN二极管的射频开关电路的一个示例的原理图；
图4为根据本发明实施例二的功率放大电路的示意性框图；
图5为根据本发明实施例三的功率放大电路的示意性框图；
图6为可用于根据本发明实施例的功率放大电路的检测电路的示例的示意性框图；以及
图7为安装有根据本发明实施例的通信天线系统的基站的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
首先，图1示意性地示出了安装有根据本发明实施例的通信天线系统的无人机100。如图1所示，无人机100包括一通信天线系统，该系统包括天线A、基带电路B和连接在天线A和基带电路之间的功率放大电路模块M。天线A设置在例如无人机100的机翼的末端，用于发射和接收信号。基带电路B设置在例如机身中部，远离机翼末端，用于产生发射信号（将要通过天线A向外发射的信号）以及对接收信号（通过天线A接收到的信号）进行处理。功率放大电路模块M设置在毗邻天线A（例如靠近机翼末端）的位置。这里，功率放大电路模块M包括根据本发明实施例的功率放大电路。
下面结合图2至图6介绍根据本发明实施例的功率放大电路。
图2为根据本发明实施例一的功率放大电路1的示意性框图。如图2所示，功率放大电路1包括射频开关10、功率放大器20和低噪声放大器30。功率放大器20设置在发射通路中，用于对来自基带电路（例如图1所示基带电路B）的发射信号进行放大。低噪声放大器30设置在接收通路中，用于对来自天线（例如图1所示天线A）的接收信号进行放大。射频开关10的不动端连接至基带电路B,例如经由功率放大电路1的第一连接器J1。射频开关10的动端可以在控制信号s11的控制下在发射通路和接收通路之间切换。这样，功率放大电路1就能实现在发射状态和接收状态之间切换。
射频开关10例如可以为单刀双掷（SPDT）开关。
功率放大器20优选为基于LDMOS的功率放大器。
考虑到可能在没有安装天线的情况下就将基带电路的发射信号接入功率放大电路中，根据本发明实施例的功率放大电路1还包括环形器40、射频开关电路50和负载终端R。
环行器是将进入其任一端口的信号按照确定的方向顺序传入下一个端口而输出的多端口器件。功率放大电路1中采用的环形器40具有第一端口p1、第二端口p2和第三端口p3。如图2所示，第一端口p1连接至功率放大器20的输出端；第二端口p2用于连接至天线A，例如经由功率放大电路1的第二连接器J2；第三端口p3连接至射频开关电路50的不动端。环形器40将第一端口p1接收到的信号从第二端口p2输出；将经由第二端口p2接收到的信号从第三端口p3输出。这样，环形器40能够工作以在第一端口p1接收来自功率放大器20的发射信号，并且将该发射信号通过第二端口p2输出，以发送至天线；以及在第二端口p2接收来自天线A的接收信号，并将该接收信号通过第三端口p3输出。
如图2所示，射频开关电路50的动端可以在控制信号s12的控制下在接收通路（在图2所示示例中，接收通路中包括低噪声放大器30）和负载终端R之间切换。
在基带电路B产生并发送发射信号时，天线系统处于发射状态；此时，根据本发明实施例，射频开关电路50在控制信号s12的作用下将其动端切换至负载终端R。这样，如果功率放大电路1未与天线A连接，造成未能通过天线被发射的发射信号被反射而从环形器40的第二端口p2返回环形器40，并从第三端口p3被输出给射频开关电路50，那么这样的反射信号将通过射频开关电路50的动端被导向负载终端R。“负载终端”也可称为“终端负载”，其包括阻值与通信天线系统中的负荷匹配（例如为50）的负载电阻，用于耗散上述未能被发射的发射信号的能量，从而避免该信号对功率放大电路1中的元件（特别是低噪声放大器30）的损害。
在基带电路B不产生和发送发射信号时，天线系统可以处于接收状态；此时，根据本发明实施例，射频开关电路50在控制信号s12的作用下将其动端切换至接收通路。这样，来自天线A的接收信号从第二端口p2进入环形器40并从第三端口p3输出至射频开关电路50，并且通过射频开关电路50的动端被导向低噪声放大器30。
优选地，射频开关电路50为基于PIN二极管的开关电路。为便于理解，图3示出了基于PIN二极管的射频开关电路的一个示例。在图3所示示例中，射频开关电路50实现为电路芯片，该芯片通过接口ANT、Tx和Rx分别与环形器40、负载电阻R及低噪声放大器30连接。图3所示射频开关电路50包括PIN二极管PIN1、PIN2和PIN3以及未示出的驱动电路，该驱动电路提供图示位置①、②、③和④处的驱动电压，通过关闭二极管PIN2而打开二极管PIN1和PIN3，使接口ANT至接口Tx导通，从而将经由环形器40接收到的信号输出至负载电阻R；通过打开二极管PIN2而关闭二极管PIN1和PIN3，使接口ANT至接口Rx导通，从而将经由环形器40接收到的信号输出至低噪声放大器30。相比于硅开关，基于PIN管的开关电路的插入损耗较小，同时能承受接近百瓦的连续波（即CW）功率，有利于提高功率放大电路的鲁棒性。
优选地，第一连接器J1和第二连接器J2为SMA连接器。
可以看到，功率放大电路1中至少需要为射频开关10和射频开关电路50提供控制信号，以对应于天线系统的发射状态和接收状态，分别控制射频开关10和射频开关电路50的动端的切换。
本发明是基于以下新的发现：用于射频通信天线的功率放大电路需要与天线的基带电路之间连接多根控制线，这对于无人机来说，使用时极为不便。具体而言，无人机在体型和重量方面受到严格的限制，射频天线与用于该天线的基带电路通常布置在相隔较远的位置上。如以上参照图1介绍的，通常无人机的射频通信天线设置在机翼的末端，而基带电路设置在机身中部。此时，为了保证射频性能，功率放大电路希望设置在天线附近；但是由于体型限制，无人机的机翼中仅预留数量有限的连接线路，所以要在功率放大电路与基带电路之间连接多根控制线很困难。然而，如果为了减小布线所带来的问题而将功率放大电路设置为靠近基带电路，则会牺牲射频性能。
考虑到上述问题，本发明中提出在根据本发明实施例的功率放大电路中进一步设置检测电路（第一检测电路）60，如图2所示。检测电路60连接在射频开关10的不动端侧，用于检测来自基带电路B的发射信号，并输出表示是否检测到发射信号的检测信号（第一检测信号）s10。由于检测信号s10指示了是否有来自基带电路B的发射信号，所以检测信号s10可以直接或者通过适当的转换（例如转换成数字开关信号）而被提供作为用于射频开关10的控制信号s11和用于射频开关电路50的控制信号s12。
相应地，根据本发明实施例的功率放大电路1配置为：
当第一检测电路60检测到发射信号时，基于第一检测信号s10控制射频开关10的动端切换发射通路，并且射频开关电路50的动端切换至负载终端R；以及
当第一检测电路60没有检测到发射信号时，基于第一检测信号s10控制射频开关10的动端切换接收通路，并且射频开关电路50的动端切换至低噪声放大器30。
优选地，为了更有效地利用和保护功率放大器20和低噪声放大器30，检测电路60的检测信号s10可以直接或通过转换作为控制信号s13和控制信号s14分别提供给功率放大器20和低噪声放大器30，以实现以下配置为：
当第一检测电路60检测到发射信号时，基于第一检测信号s10控制功率放大器20打开以及低噪声放大器30关断，并且
当第一检测电路60没有检测到发射信号时，基于第一检测信号s10控制功率放大器20关断以及低噪声放大器30打开。
仅作为示例，检测电路60的检测信号s10可以直接作为控制信号s11和控制信号s13提供给射频开关10和功率放大器20；检测信号s10经过反向之后可以作为控制信号s12和控制信号s14提供给射频开关电路50和低噪声放大器30。
可以看到，根据本发明实施例的功率放大电路中，通过结合使用环形器、射频开关电路和负载终端，有利地避免未能通过天线发射的发射信号反射回功率放大电路之后对元件（特别是低噪声放大器）的损害。此外，通过在功率放大电路的基带电路一端对发射信号进行检测，获得的表示是否检测到发射信号的检测信号可以用于提供对功率放大电路中各元器件进行控制的控制信号，省去了对来自基带电路的多个控制信号的需求，从而极大地简化了基带电路与功率放大电路之间的连接线路。简单地说，根据本发明实施例的功率放大电路仅需要与基带电路的用于射频信号（发射信号）的连线就能有效、可靠地运行。
图4为根据本发明实施例二的功率放大电路1’的示意性框图。图4所示功率放大电路1’与图2所示功率放大电路1具有基本上相同的结构，不同之处主要在于：功率放大电路1’中进一步包括了第二检测电路70。如图4所示，第二检测电路70连接在功率放大器20的输出侧，用于检测经功率放大器20放大的发射信号，并输出表示是否检测到该放大的发射信号的第二检测信号s20。基于第二检测信号s20，功率放大电路可以配置为提供表示功率放大器是否正在工作的指示，该指示例如可以通过灯光或者声音等方式给出。
此外，如图4所示，根据本发明实施例的功率放大电路1’中还可以包括一介质滤波器80，该介质滤波器80与环形器40的第二端口p2连接，这样通过第二端口p2向天线A（见图2）输出的发射信号以及向第二端口p2传送的由天线A接收的接收信号都将经过介质滤波器80的过滤，可以有效地屏蔽非对应频段中的干扰信号。
图5为根据本发明实施例三的功率放大电路1’’的示意性框图。图5所示功率放大电路1’’与图4所示功率放大电路1’具有基本上相同的结构，不同之处在于：功率放大电路1’’还包括第一限幅器91和第二限幅器92。如图5所示，第一限幅器91设置在低噪声放大器30与射频开关电路50之间，第二限幅器92设置在低噪声放大器30与射频开关电路50之间。应该理解的是，第一限幅器91和第二限幅器92都是可选和优选的配置。第一限幅器91主要用于保护低噪声放大器30，第二限幅器92主要用于保护低噪声放大器30下游的基带电路B。
为了便于理解，图6示意性地示出了可用于第一检测电路60和第二检测电路70的示例性结构的框图。以第一检测电路60为例，如图6所示，第一检测电路60可以包括定向耦合器a、检波器b和比较器c，其中，定向耦合器a连接在射频开关10的不动端侧，检波器b与定向耦合器a的耦合信号输出端连接，比较器c将检波器b输出的直流电压与预定阈值电压进行比较，从而输出第一检测信号s10。第二检测电路70可以具有相同或类似的结构，仅仅是定向耦合器a连接的位置不同，以及预定阈值电压可能是不同的，在此不再赘述。
根据本发明实施例的功率放大电路不仅适用于解决上述无人机的通信天线系统中的问题，还可以解决基站的天线系统的问题。具体而言，对于通信基站，为了便于维护，天线的基带电路通常并不架设到基站的信号塔上；而为了保证射频性能，功率放大电路希望设置为靠近信号塔上的天线。这种情况下，在功率放大电路与基带电路之间布置较多的线路，会造成安装天线或功率放大电路时需要多次爬塔，安装和调试工作量巨大；而且一旦出现故障，可能需要对多个线路逐一进行检测，以排查故障原因。
为此，根据本发明实施例，提供了用于基站的通信天线系统。图7为安装有根据本发明实施例的通信天线系统的基站200的示意图。如图7所示，基站200的通信天线系统包括：天线A、基带电路B和连接在天线A和基带电路B之间的功率放大电路模块M。天线A设置在基站的信号塔的顶端，用于发射和接收信号。基带电路B设置在远离信号塔顶端的位置，例如地面上，用于产生发射信号（将要通过天线A向外发射的信号）以及对接收信号（通过天线A接收到的信号）进行处理。功率放大电路模块M设置在毗邻天线A（例如靠近信号塔的顶端）的位置。功率放大电路模块M包括如上所述的根据本发明实施例的功率放大电路。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (12)
1.一种用于射频通信天线的功率放大电路，其中，包括：射频开关，其不动端用于连接至一基带电路，其动端在发射通路和接收通路之间切换，使得所述功率放大电路在发射状态和接收状态之间切换；功率放大器，设置在所述发射通路中，用于对来自所述基带电路的发射信号进行放大；低噪声放大器，设置在所述接收通路中，用于对来自天线的接收信号进行放大；环形器，具有第一端口、第二端口和第三端口，其第一端口接收来自所述功率放大器的发射信号，并且将经由所述第一端口接收的发射信号通过所述第二端口输出，以发送至天线；射频开关电路，其不动端连接至所述环形器的所述第三端口，其动端用于在所述接收通路和一负载终端之间切换；以及第一检测电路，其连接在所述射频开关的不动端侧，用于检测来自所述基带电路的发射信号，并输出表示是否检测到所述发射信号的第一检测信号，其中，所述功率放大电路配置为：当所述第一检测电路检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述射频开关的动端切换所述发射通路，并且所述射频开关电路的动端切换至所述负载终端；以及当所述第一检测电路没有检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述射频开关的动端切换所述接收通路，并且所述射频开关电路的动端切换至所述接收通路。
2.如权利要求1所述的功率放大电路，其中，所述功率放大电路进一步配置为：当所述第一检测电路检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述功率放大器打开以及所述低噪声放大器关断，并且当所述第一检测电路没有检测到发射信号时，基于所述第一检测信号控制所述功率放大器关断以及所述低噪声放大器打开。
3.如权利要求1或2所述的功率放大电路，其中，所述射频开关电路为基于PIN二极管的开关电路。
4.如权利要求1或2所述的功率放大电路，还包括第一限幅器，其设置在所述低噪声放大器与所述射频开关电路之间。
5.如权利要求4所述的功率放大电路，其中，还包括第二限幅器，其设置在所述低噪声放大器与所述射频开关之间。
6.如权利要求1或2所述的功率放大电路，还包括第二检测电路，其连接在所述功率放大器的输出侧，用于检测经所述功率放大器放大的发射信号，并输出表示是否检测到所述放大的发射信号的第二检测信号；并且所述功率放大电路进一步配置为基于所述第二检测信号给出表示所述功率放大器是否正在工作的指示。
7.如权利要求6所述的功率放大电路，其中，所述第一检测电路和所述第二检测电路中的至少一者包括定向耦合器、检波器和比较器，其中，所述检波器与所述定向耦合器的耦合信号输出端连接，所述比较器用于将所述检波器输出的直流电压与预定阈值电压进行比较。
8.如权利要求1或2所述的功率放大电路，还包括介质滤波器，其与所述环形器的所述第二端口连接。
9.如权利要求1或2所述的功率放大电路，其中，所述功率放大器为基于LDMOS的功率放大器。
10.一种用于无人机或基站的通信天线系统，包括：设置在第一位置的天线，用于发射和接收信号；设置在远离第一位置的第二位置的基带电路，用于产生发射信号以及对接收信号进行处理；以及连接在所述天线和所述基带电路之间的功率放大电路模块，所述功率放大电路模块包括如权利要求1-9中任一项所述的功率放大电路，并且设置在毗邻所述第一位置的第三位置。
11.一种无人机，包括机身、机翼和通信天线系统，其中，所述通信天线系统包括：设置在所述机翼的末端的天线，用于发射和接收信号；设置在所述机身内的基带电路，用于产生发射信号以及对接收信号进行处理；以及连接在所述天线和所述基带电路之间的功率放大电路模块，所述功率放大电路模块包括如权利要求1-9中任一项所述的功率放大电路，并且设置在毗邻所述机翼的末端的位置上。
12.一种通信基站，包括信号塔和通信天线系统，其中，所述通信天线系统包括：设置在所述信号塔的顶端的天线，用于发射和接收信号；设置在远离所述信号塔的顶端的位置的基带电路，用于产生发射信号以及对接收信号进行处理；以及连接在所述天线和所述基带电路之间的功率放大电路模块，所述功率放大电路模块包括如权利要求1-9中任一项所述的功率放大电路，并且设置在靠近所述信号塔的顶端的位置上。
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