CN115580243A - 一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法及功放模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法及功放模块，其中方法如下：根据在端口接入天线，按照信道步进逐个频点扫描，得到正向电压V+’和反向电压V‑’与频率关系曲线；根据正向电压与反向电压之差计算得到Δ’_天线，将Δ’_天线减去常数C，得到的驻波保护阈值线Δ’_天线‑C，并写入Flash存储器，并通过启动驻波自动扫描程序实时更新存储的驻波保护阈值线；通过查找表方式查找对应频点的Δ’_天线‑C进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。本发明通过设置驻波保护阈值线并自适应自动扫描修正，能保证所有工作频点上安全、有效、可靠的进行失配驻波保护，不会出现虚报和漏报现象。

Description

一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法及功放模块

技术领域

本发明涉及通信电台设备技术领域，更具体的，涉及一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法及功放模块。

背景技术

通信电台设备中射频功率放大器模块约占整个电台设备成本的40％以上，同时它也是最关键部件之一，成为设备长时间可靠运行的决定性因素。当功率放大器模块出现故障时如何及时有效的进行保护不至于损坏成为设备研制和使用过程中需要重点考虑和处理的问题。

功率放大器模块一般具有驻波、过压、过流、过温、过激励等保护功能，其中过压、过流、过温、过激励等通过硬件电路或者软件算法可以比较方便有效的实现。但存在多种不确定因素可能导致驻波超过功率放大器承受的极限，例如端口开路、短路或者天线驻波过大等。且天线驻波与外部使用条件和环境习习相关。

常用的驻波保护方法是给驻波比设置一个固定门限值，超过此门限驻波保护启动，此方法不妥之处在于门限为固定值，只针对预设门限有效，一旦外部环境发生改变，例如更换天线后天线驻波指标存在一致性问题，或者天线架设位置发生变化也会引起驻波变化。此时有可能预设门限太灵敏导致设备进入驻波保护状态而影响正常工作，或者预设门限过高而产生漏报导致设备损坏。因此较难以预设一个固定值对多种情形进行有效保护，急需一种方案能够对可变情形下产生的驻波进行实时自适应的有效保护。

对通信电台设备进行驻波保护，需要进行对正向和反向功率进行取样、检波、ADC、采样、平均等一系列信号处理过程。

功率取样的双定向耦合器在较宽工作频段内的耦合度是不平坦，耦合量存在波动，同时检波芯片的电压-频率曲线并非一条直线。加之射频功放输出端口的阻抗在宽频率范围内呈现非周期性波动，最终导致在较宽频率范围内，正向和反向检波电压值(或者两者的差值)并非一个固定的常数，而是呈现非规律的波动。

同时设备使用环境是变化的(例如天线更换、天线架设位置变化、器件使用时间长老化导致参数变化等等)，即使在同一频点，检测到VSWR不再为同一值，如不进行实时修正，极易导致设备无法正常运行，更为严重会导致设备损坏。

为了避免由于上述问题而导致通信设备无法正常运行或者损坏，必须解决VSWR在工作频段内各频点都有效，同时当使用条件发生变化时也能够针对VSWR参数进行扫描自修正。

现有常用的驻波保护方法是采用硬件逻辑电路或者经过ADC/采样/取平均值等一系列的软件化处理方案，给VSWR设置一个固定门限值，或者分频段设置多个门限值，超过此门限值驻波保护机制启动，对设备进行保护。

采用设置一个或者几个固定门限值的方法，由于在较宽频段内VSWR波动较大，会出现虚报和漏报现象；

同时设置的门限值都是一次性确定的预设值，后续设备使用操作人员无法自行更改，一旦外部环境发生变化(例如：天线更换、天线架设位置变化，器件老化引起参数变化等等导致的VSWR变化)，同样也可能出现虚报或者漏报现象；

现有方案无法灵活处理VSWR，会导致系统无法正常运行或者设备损坏，需要返厂维修，浪费资源。

发明内容

本发明为了解决以上现有技术中存在的不足与缺陷的问题，提供了一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法及功放模块，通过设置驻波保护阈值线并自适应自动扫描修正，能保证所有工作频点上安全、有效、可靠的进行失配驻波保护，不会出现虚报和漏报现象。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，所述的方法包括步骤如下：

当端口接入天线时，按照信道步进逐个频点扫描，得到正向电压V+’和反向电压V-’与频率关系曲线；

根据正向电压与反向电压之差计算得到Δ’_天线，将Δ’_天线减去常数C，得到的驻波保护阈值线Δ’_天线-C，并进行存储，并通过启动驻波自动扫描程序实时更新存储的驻波保护阈值线；

通过查找表方式查找对应频点的Δ’_天线-C进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。

优选地，所述的负载失配状态包括开路、短路、VSWR≥某一常数A。

进一步地，当检测计算出正向电压与反向电压的差值≤Δ’_天线-C时，启动驻波保护。

优选地，为了维持输出功率恒定，根据预先存储的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT，通过查找表方式查找对应频点的V+值，静态调用和动态调节ATT，实现输出功率恒定。

进一步地，在工作频段内，端口先接一定欧姆负载时输出额定功率，按照信道步进逐个频点扫描，得到正向电压V+和反向电压V-与频率关系曲线，计算得出电压差值Δ＝V+-V-；

当信号幅度不满足输出幅度时，根据与目标幅度的差值调整控衰减器；

存储信号幅度满足输出幅度条件下的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT。

进一步地，当负载发生变化时，将V+作为一个标准量，通过调整数控衰减器的衰减值ATT，实现输出额定功率。

进一步地，将电压差值Δ作为后续失配时确定阈值的参考值。

优选地，启动驻波自动扫描程序，按频率实时扫描，对存储中数据覆盖更新，修正驻波保护阈值线，实现实时自动修正阈值线功能。

一种基于所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法的功放模块，包括数控衰减器、功率放大器、双定向耦合器、正向检波芯片、反向检波芯片、Flash存储器、FPGA、天线、ADC转换器；

所述的数控衰减器对输入的射频信号进行信号幅度调节控制，之后输入功率放大器；

所述的功率放大器进行信号幅度放大处理，之后输入双定向耦合器；

所述的双定向耦合器进行正向功率取样和反向功率取样，

所述的双定向耦合器将射频信号通过天线发射出去；

所述的正向检波芯片用于对正向功率取样处理得到正向检测电压；

所述的反向检波芯片用于对反向功率取样处理得到反向检测电压；

所述的Flash存储器用于存储驻波保护阈值线；

所述的FPGA计算反向检测电压与正向检测电压的差值，查找表方式查找Flash存储器中对应频点的驻波保护阈值线进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。

优选地，所述的Flash存储器中还存储信号幅度满足输出幅度条件下的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT；

所述的FPGA通过查找表方式查找Flash存储器中对应频点的V+值，静态调用和动态调节ATT，实现输出功率恒定。

本发明的有益效果如下：

本发明按信道步进扫描正向电压V+’和反向电压V-’，计算差值Δ’_天线，设置一条驻波保护阈值线，能保证所有工作频点上安全、有效、可靠的进行失配驻波保护，不会出现虚报和漏报现象。

在使用场景发生变化时，能自适应自动扫描修正驻波保护阈值线，提高设备运行可靠性和灵活性，有效保护设备关键模块，节约资源。驻波保护精度有明显提升。

解决由于驻波保护门限设置为一个或者几个固定值而导致的较宽工作频率范围内，某些频率点出现虚报或者漏报现象，影响设备正常运行和设备损坏风险。

附图说明

图1是本发明所述的驻波保护方法的流程图。

图2是本发明所述的驻波保护方法的逻辑判断图。

图3是本发明不同负载时检波电压值与频率关系曲线。

图4是本发明输出额定功率扫描流程图。

图5是本发明天线时的扫描流程图。

图6是本发明不同负载时电压差值Δ与频率关系曲线。

图7是本发明自适应修正操作流程图。

图8是本发明通信设备中功放模块组成的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1、图2所示，一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，所述的方法包括步骤如下：

当端口接入天线时，按照信道步进逐个频点扫描，得到正向电压V+’和反向电压V-’与频率关系曲线；

根据正向电压与反向电压之差计算得到Δ’_天线，将Δ’_天线减去常数C，得到的驻波保护阈值线Δ’_天线-C，并进行存储，并通过启动驻波自动扫描程序实时更新存储的驻波保护阈值线；在具体的实施例中可以将驻波保护阈值线Δ’_天线-C写入内存或外存中，本实施例将驻波保护阈值线Δ’_天线-C写入Flash存储器。

通过查找表方式查找对应频点的Δ’_天线-C进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。

本实施例驻波保护基本原理是：对正向功率和反向功率进行取样、检波、模数转换ADC、采样、平均等一系列信号处理，对正向检测电压和反向检测电压，以及两者差值，采用相关运算机制进行判决，达到某一阈值时启动驻波保护动作，采用合适手段对设备进行有效保护。

为了说明驻波的基本原理和流程，定义以下参数：

V+：50欧姆负载下测试的正向功率对应的检波电压值；

V-：50欧姆负载下测试的反向功率对应的检波电压值；

Δ:50欧姆负载下正向和反向电压的差值Δ＝V+-V-

V+’：其他负载下测试的正向功率对应的检波电压值；

V-’：其他负载下测试的反向功率对应的检波电压值；

Δ’：其他负载下正向和反向电压的差值，Δ’＝V+’-V-’

在一个具体的实施例中，所述的负载失配状态包括开路、短路、VSWR≥某一常数A。

在一个具体的实施例中，为了维持输出功率恒定，根据Flash存储器预先存储的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT，通过查找表方式查找对应频点的V+值，静态调用和动态调节ATT，实现输出功率恒定。

本实施例，在工作频段内，先在端口接一定欧姆(50欧姆)负载时输出额定功率，按照信道步进(如25KHz)逐个频点扫描，经过检波、电压采用和ADC、平均化平滑处理后，得到正向电压V+和反向电压V-与频率关系曲线，如图2所示，一般V+基本平坦且数值较大，V-一般随频率呈现无规律的波动变化且数值较小，计算得出电压差值Δ＝V+-V-，数值一般较大。

当信号幅度不满足输出幅度时，根据与目标幅度的差值调整控衰减器；

存储信号幅度满足输出幅度条件下的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT。

当负载发生变化时，将V+作为一个标准量，通过调整数控衰减器的衰减值ATT，以维持额定输出功率。将V+和ATT写入Flash中存储，通过静态调用和动态调节，保证输出功率在全频段内实时恒定和稳定。同时，本实施例将电压差值Δ作为后续失配时确定阈值的参考值。输出额定功率扫描流程图见图3。

本实施例可以在输出额定功率的基础上，实现可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，具体如图2所示，先上电初始化，加载已存储的正常50欧姆匹配的相关参数、驻波保护阈值线Δ’_天线-C；设置频率、输出功率；查询当前状态的正向电压V+’、和反向电压V-’；当V+’-V-’<(Δ’_天线-C)时，执行驻波保护，否则正常工作。

在一个具体的实施例中，在工作频段内，在端口接入天线时，按照信道步进(如25KHz)逐个频点扫描，经过检波、电压采用和ADC、平均化平滑处理后，得到正向电压V+’和反向电压V-’与频率关系曲线，如图3，明显看出V+’和V-’随频率都呈现无规律的波动变化，且一般V+’值比较接近V+值，但V-’＞V-，Δ’_天线＜Δ_50欧姆。在端口接入天线时的扫描流程图见图5。

根据分析，在工作频段内，在端口开路时，按照信道步进(如25KHz)逐个频点扫描，经过检波、电压采用和ADC、平均化平滑处理后，得到正向电压V+’和反向电压V-’与频率关系曲线，如图3，一般V-’随频率都呈现强烈的无规律的波动变化，且V-’远大于V-，Δ’_开路远小于Δ_50欧姆。依据经验和实际测试数据统计分析：一般差值大小关系为：Δ_50欧姆＞Δ’_天线＞Δ’_短路＞Δ’_开路，见图6所示。电压差值Δ越大，说明端口匹配越好。

通过以上分析得出：为了保证通信设备正常运行，同时又能对失配故障进行有效保护，只需设定一个驻波保护阈值线，即在差值Δ’_天线基础上增加一定的误差量C,将Δ’_天线-C作为驻波保护阈值线，当检测计算出正向电压与反向电压的差值≤Δ’_天线-C时，启动驻波保护。所述的驻波保护阈值线Δ’_天线-C包括了开路和短路失配情况，因此设定一个驻波保护阈值线，对VSWR(电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio)，一般简称驻波比)≥常数A、开路和短路几种失配都能有效保护，见图6。

由于差值Δ’_天线并非一成不变，它会受到天线参数和天线架设周围环境以及元器件老化引起参数变化的影响，因此驻波保护阈值线设定为一个不变的固定线不具备自适应能力。差值Δ’_天线需要在通信设备安装完成后，通过通信设备操作界面进入驻波扫描开发者选项，启动驻波自动扫描程序，按频率实时扫描，对Flash存储器中数据覆盖更新，修正驻波保护阈值线，实现实时自动修正阈值线功能。自适应修正操作流程见图7所示。

实施例2

如图8所示，本实例还提供了基于实施例1所述的基于所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法的功放模块，包括数控衰减器、功率放大器、双定向耦合器、正向检波芯片、反向检波芯片、Flash存储器、FPGA、天线、ADC转换器；

所述的数控衰减器对输入的射频信号进行信号幅度调节控制，之后输入功率放大器；

所述的功率放大器进行信号幅度放大处理，之后输入双定向耦合器；

所述的双定向耦合器进行正向功率取样和反向功率取样，

所述的双定向耦合器将射频信号通过天线发射出去；

所述的正向检波芯片用于对正向功率取样处理得到正向检测电压；

所述的反向检波芯片用于对反向功率取样处理得到反向检测电压；

所述的Flash存储器用于存储驻波保护阈值线；

所述的FPGA计算反向检测电压与正向检测电压的差值，查找表方式查找Flash存储器中对应频点的驻波保护阈值线进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。

本实施例通过在最后串接双定向耦合器进行正向功率和反向功率的取样，射频信号最终通过天线发射出去。正向功率取样可以维持输出功率恒定，同时结合反向功率取样通过相关计算和机制，在通信设备端口失配时进行驻波保护防止损坏通信设备。驻波保护基本原理是：对正向和反向功率进行取样、检波、模数转换ADC、采样、平均等一系列信号处理，对正向检测电压和反向检测电压，以及两者差值，采用相关运算机制进行判决，达到某一阈值时启动驻波保护动作，采用合适手段对设备进行有效保护。

在一个具体的实施例中，所述的Flash存储器中还存储信号幅度满足输出幅度条件下的正向检测电压V+、反向检测电压V-、数控衰减器的衰减值ATT；

所述的FPGA通过查找表方式查找Flash存储器中对应频点的V+值，静态调用和动态调节ATT，实现输出功率恒定。

实施例3

本实施例还提供一个通信设备，所述的通信设备包括如实施例2所述的放模块，所述的放模块实现如实施例1所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：

当端口接入天线时，按照信道步进逐个频点扫描，得到正向电压V+’和反向电压V-’与频率关系曲线；

根据正向电压与反向电压之差计算得到Δ’_天线，将Δ’_天线减去常数C，得到驻波保护阈值线Δ’_天线-C，并进行存储，并通过启动驻波自动扫描程序实时更新存储的驻波保护阈值线；

通过查找表方式查找对应频点的Δ’_天线-C进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。

2.根据权利要求1所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：所述的负载失配状态包括开路、短路、VSWR≥某一常数A。

3.根据权利要求1所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：当检测计算出正向电压与反向电压的差值≤Δ’_天线-C时，启动驻波保护。

4.根据权利要求1所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：为了维持输出功率恒定，根据预先存储的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT，通过查找表方式查找对应频点的V+值，静态调用和动态调节ATT，实现输出功率恒定。

5.根据权利要求4所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：在工作频段内，端口先接一定欧姆负载时输出额定功率，按照信道步进逐个频点扫描，得到正向电压V+和反向电压V-与频率关系曲线，计算得出电压差值Δ＝V+-V-；

当信号幅度不满足输出幅度时，根据与目标幅度的差值调整控衰减器；

存储信号幅度满足输出幅度条件下的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT。

6.根据权利要求5所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：当负载发生变化时，将V+作为一个标准量，通过调整数控衰减器的衰减值ATT，实现输出额定功率。

7.根据权利要求6所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：将电压差值Δ作为后续失配时确定阈值的参考值。

8.根据权利要求1所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法，其特征在于：启动驻波自动扫描程序，按频率实时扫描，对存储中数据覆盖更新，修正驻波保护阈值线，实现实时自动修正阈值线功能。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的可实时扫描修正阈值线的驻波比保护方法的功放模块，其特征在于：包括数控衰减器、功率放大器、双定向耦合器、正向检波芯片、反向检波芯片、Flash存储器、FPGA、天线、ADC转换器；

所述的数控衰减器对输入的射频信号进行信号幅度调节控制，之后输入功率放大器；

所述的功率放大器进行信号幅度放大处理，之后输入双定向耦合器；

所述的双定向耦合器进行正向功率取样和反向功率取样，

所述的双定向耦合器将射频信号通过天线发射出去；

所述的正向检波芯片用于对正向功率取样处理得到正向检测电压；

所述的反向检波芯片用于对反向功率取样处理得到反向检测电压；

所述的Flash存储器用于存储驻波保护阈值线；

所述的FPGA计算反向检测电压与正向检测电压的差值，查找表方式查找Flash存储器中对应频点的驻波保护阈值线进行判决负载失配状态，确定是否启动驻波保护功能。

10.根据权利要求9所述的功放模块，其特征在于：所述的Flash存储器中还存储信号幅度满足输出幅度条件下的正向电压V+、反向电压V-、数控衰减器的衰减值ATT；

所述的FPGA通过查找表方式查找Flash存储器中对应频点的V+值，静态调用和动态调节ATT，实现输出功率恒定。

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