CN117375737A - 一种面向相控阵发射链路的功率检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频技术领域，具体涉及一种面向相控阵发射链路的功率检测系统。本发明功率检测系统由五部分组成：带有幅度与相位控制功能的相控阵发射链路，实现相控阵应用中对各阵元发射信号幅度与相位的调节；用于射频功率传输的负载天线；带有功率耦合功能的输出匹配网络，用于阻抗变化以实现高效的功率放大，并对射频输出功率进行耦合；功率检测模块，利用自身非线性或时变特征，实现射频信号到直流信号的转换；基带处理模块，则对功率检测模块产生的直流信号按实际需求进行处理，便于后续的进一步操作。
Description
技术领域
本发明属于射频技术领域，具体涉及一种面向相控阵发射链路的功率检测系统。
背景技术
近年来，随着现代通信对带宽与传输速率提出了更高的要求，第五代通信技术(5G)应运而生。由于其丰富的频谱资源与较少的干扰，位于毫米波频段的5G FR2波段具有很大的开发潜力。然而，在高频率、长距离的应用下，信号往往会在传输路径上经历较大的路径损耗，从而影响接收端的信号质量。因此，通过控制相控阵各阵元的幅度与相位，从而提高收发天线端增益的波束成形技术被广泛应用于毫米波通信之中。
为了保证波束成形的方向性，需要对相控阵各通道的发射功率进行实时监测，并具备通道间校准的能力。同时，天线间的互相耦合会导致发射链路的实际负载阻抗偏离50欧姆。因此，各相控阵发射通道需要具备功率监测的能力，并能在发射端电压驻波比大于1的情况下，仍然保持较好的检测一致性。
针对上述需求，本发明提出了一种面向相控阵发射链路的功率检测系统，通过在相控阵发射链路的输出匹配网络处进行功率耦合，从而实现正比于实际发射功率的功率检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向相控阵发射链路的功率检测系统，以满足相控阵发射链路在波束成形应用中对实际发射功率的监测需求。
本发明提供的面向相控阵发射链路的功率检测系统，包括相控阵发射链路、带有功率耦合功能的输出匹配网络、天线负载、功率检测模块以及基带处理模块；其中，所述相控阵发射链路用于提供功率放大以及波束成形技术所需要的幅相控制功能，其末级为具有信号放大功能的射频放大器；所述带有功率耦合功能的输出匹配网络在提供输出匹配的同时，可以对实际输出的射频功率进行耦合；所述天线负载用于射频功率传输；所述功率检测模块用于实现射频功率信号到直流信号的转换；所述基带处理模块则根据实际需求，对功率检测模块输出的直流信号进行相应的处理操作。
进一步地，所述相控阵发射链路中，包含可进行幅度控制与相位控制的模块。幅度控制模块由可配置衰减器实现，也可以由可变增益放大器实现，或者是任意具有增益调节功能的电路。相位控制模块可以由任意具有移相功能的电路实现。幅相控制可以由数字控制实现，也可以由模拟信号控制实现。
进一步地，相控阵发射链路的末级应为具有射频功率放大能力的射频放大器。该放大器可以为线性放大器，也可以是开关放大器。放大器的级数可以为单级，也可以为多级，或者是所述多个放大器的组合。
进一步地，所述带有功率耦合功能的输出匹配网络，包括：带有定向耦合端口的输出匹配网络，或带有电流、电压检测能力的输出匹配网络。
所述的匹配网络包括：导体，电路元件。
进一步地，在所述带有功率耦合功能的输出匹配网络中，输出匹配网络可以由变压器构成，也可以由出传输线或其等效电路构成；功率耦合功能可以直接进行功率耦合，也可以对电流与电压分别进行耦合。
进一步地，在所述带有功率耦合功能的输出匹配网络中，功率耦合支路在进行电流与电压耦合时，其中至少有一条支路应具备相位调节功能，可以利用多相滤波器实现，也可以利用全通滤波器实现，或者是任意其他的可调移相器方式。同时可选择性加入增益调节功能。
进一步地，所述功率检测模块，利用自身的时变特性或非线性特性，完成射频功率到直流信号的频率转换。在具体实现中，该模块可以是自混频器，也可以是平方律检波器，或者是其他任意带有频率转换功能的电路。
进一步地，所述基带处理模块，可根据实际处理需求进行配置，可以是带有低通滤波功能的基带放大器，也可以是模数转换器，或者是其他具有特定功能的基带电路。基带处理模块中包含的电路数量与各级电路的顺序可按照实际需求进行调整。
进一步地，相控阵发射链路、带有功率耦合功能的输出匹配网络、功率检测模块以及基带处理模块可以在CMOS工艺下制作，也可以在BiCMOS工艺下制作，还可以在GeSi工艺下制作，也可以在GaAs工艺下制作，包括但不限于列举的工艺，其他工艺都可以。其中晶体管可以使用双极晶体管制作，也可以使用结型场效应晶体管制作，或者可以使用MOSFET制作。
进一步地，相控阵发射链路、带有功率耦合功能的输出匹配网络、功率检测模块以及基带处理模块可以通过单片集成的方式实现，也可以通过分立元件的方式实现，或者是任意电路实现方式的组合。
附图说明
图1为本发明的面向相控阵发射链路的功率检测系统结构图示。
图2展示了一种本发明在具体实现时的电路框图。通过对输出变压器主线圈处的电压与电流进行检测并相乘，得到正比于实际输出功率的直流信号。
图3为射频放大器电路图。
图4为可调移相器电路图。
图5为自混频器电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种面向相控阵发射链路的功率检测系统。采用带有功率耦合功能的输出匹配网络，耦合出一定射频功率，再由功率检测模块转换为直流信号，经基带处理模块后进行输出。
如图1所示，本发明的面向相控阵发射链路的功率检测系统，包括相控阵发射链路、天线负载、带有功率耦合功能的匹配网络、功率检测模块以及基带处理模块。其中，相控阵发射链路与天线负载分别用于射频信号的幅相控制与射频功率的传输；带有功率耦合功能的匹配网络用于输出负载匹配与射频功率耦合；功率检测模块与基带处理模块分别用于射频功率到直流信号的转换，以及直流信号的后续处理。在本发明中，通过输出匹配网络与功率耦合网络的协同设计，提高了功率检测的集成度与非侵入性。
如图2所示，为本发明面向相控阵发射链路的功率检测系统的具体实施举例。其中以射频放大器代表相控阵发射链路的末级。射频差分输入RFIN+与RFIN-经过射频放大器放大后进入带有功率耦合功能的输出匹配网络。该匹配网络由以下部分组成：由电感L1、电感L2、耦合系数k12组成的主变压器，用于射频功率到天线的输出；由电感L1、电感L3、耦合系数k13组成的副变压器，用于检测射频放大器的输出电流；由电容C1、C2、C3、C4组成的分压网络，用于检测射频放大器的输出电压；可调移相器，用于调节检测电压的相位。功率检测模块为一自混频器。基带处理模块为基带放大器，输出差分直流电压VOUT+、VOUT-。需要说明的是，附图中的电路均为交流等效电路，本实施例中的偏置均有电流镜产生，出于简便考虑，并没有在附图中画出。
本实施例中射频放大器的电路结构如图2所示。其中晶体管MPA1与MPA2构成有源放大部分，将输入射频差分电压PAIN+、PAIN-转换为射频电流。中和电容CN1跨接于MPA1的栅极与MPA2的漏极之间，中和电容CN2跨接于MPA2的栅极与MPA1的漏极之间，用于抵消栅漏寄生电容CGD的影响，提高射频放大器的稳定性、反向隔离度以及功率增益。需要说明的是，MPA1与MPA2拥有相同的栅长与栅宽，CN1与CN2相同。
射频放大器的输出电流在流过电感L1后，分别通过磁耦合在电感L2以及电感L3中产生感应电流。其中，电感L2中的感应电流流过天线，转换为射频能量后进行发射。电感L3中的感应电流作为检测到的电流送入自混频器进行中，进行功率检测。
射频放大器的输出差分电压经过C1、C2以及C3、C4的分压后，作为检测到的电压，送入自混频器中，进行功率检测。需要说明的是，C1与C3相同，C2与C4相同，以保证差分路径上相同的电压分压比，并使得射频放大器在差分输出两端看到的负载电容保持一致，其值为C1与C2的串联值。
本实施例中可调移相器的电路结构如图3所示。当移相器的输入电压PSIN+、PSIN-为差分信号，且元件参数均对称，即LPS1与LPS2相同，CPS1与CPS3相同，CPS2与CPS4相同时，中间节点VPS1为等效交流地，可利用单边电路进行分析。通过调节CPS1与CPS2，可以调整输出电压PSOUT+与PSIN-间的相位差。需要说明的是，CPS3的值应始终与CPS1保持一致，CPS4的值应始终与CPS2保持一致。
本实施例中自混频器的电路结构如图4所示。该自混频器为基于吉尔伯特单元的有源混频器。L3流过的检测电流经过晶体管MSM1、MSM4的栅极寄生电容后转换为一对差分电压VIS+、VIS-，随后由跨导级晶体管MSM1、MSM4转换为射频电流。移相器输出的检测电压VS+、VS-分别连接至共栅管MSM2、MSM6和MSM3、MSM5，对MSM1、MSM2产生的射频电流进行调制，并产生自混频的输出电流。该输出电流经过负载RL1、CL1与RL2、CL2，转换为经过低通滤波的差分输出电压MOUT+、MOUT-。需要说明的是，MSM1与MSM4拥有相同的栅长与栅宽，MSM3、MSM4、MSM5与MSM6拥有相同的栅长与栅宽，RL1与RL2相同，CL1与CL2相同。
需要说明的是，本发明提出的功率检测系统可以在天线负载偏离50欧姆的情况，仍然进行准确的功率检测。在本实施例中，通过调节可调移相器，可以使得自混频器中进行相乘的电流与电压之间的相位差与实际输出的射频电流与射频电压之间的相位差保持一致，从而保证功率检测的准确性与一致性。
综上所述，本发明提供了一种面向相控阵发射链路的功率检测系统。利用带有功率耦合功能的输出匹配网络进行射频功率耦合，并通过功率检测模块转换为直流信号，可以在天线负载存在偏移的情况下进行准确的功率监测，满足了相控阵发射应用下各通道对发射功率进行准确监测的需求。
最后需要说明的是，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种面向相控阵发射链路的功率检测系统，其特征在于，包括相控阵发射链路、带有功率耦合功能的输出匹配网络、天线负载、功率检测模块以及基带处理模块；其中，所述相控阵发射链路用于提供功率放大以及波束成形技术所需要的幅相控制功能，其末级为具有信号放大功能的射频放大器；所述带有功率耦合功能的输出匹配网络在提供输出匹配的同时，可以对实际输出的射频功率进行耦合；所述天线负载用于射频功率传输；所述功率检测模块用于实现射频功率信号到直流信号的转换；所述基带处理模块则根据实际需求，对功率检测模块输出的直流信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的功率检测系统，其特征在于，所述相控阵发射链路中，包含进行幅度控制与相位控制的模块；幅度控制模块由可配置衰减器实现，或者由可变增益放大器实现，或者是任意具有增益调节功能的电路；相位控制模块由任意具有移相功能的电路实现。
3.根据权利要求1所述的功率检测系统，其特征在于，所述相控阵发射链路的末级为具有射频功率放大能力的放大器；该放大器为线性放大器，或者为开关放大器；所述放大器的级数为单级，或者为多级，或者是所述多个放大器的组合。
4.根据权利要求1所述的功率检测系统，其特征在于，所述带有功率耦合功能的输出匹配网络，包括：带有定向耦合端口的输出匹配网络，或带有电流、电压检测能力的输出匹配网络。
5.根据权利要求4所述的功率检测系统，其特征在于，在带有功率耦合功能的输出匹配网络中，所述输出匹配网络由变压器构成，或者由传输线或其等效电路构成；功率耦合功能是直接进行功率耦合，或者对电流与电压分别进行耦合。
6.根据权利要求5所述的功率检测系统，其特征在于，在所述带有功率耦合功能的输出匹配网络中，功率耦合支路在进行电流与电压耦合时，其中至少有一条支路具备相位调节功能，由多相滤波器实现，或者由全通滤波器实现，或者是任意其他的可调移相方式实现。
7.根据权利要求1所述的功率检测系统，其特征在于，所述功率检测模块，利用自身的时变特性或非线性特性，完成射频功率到直流信号的频率转换；该模块是自混频器，或者是平方律检波器，或者是其他任意带有频率转换功能的电路。
8.根据权利要求1所述的功率检测系统，其特征在于，所述基带处理模块，根据实际处理需求进行配置，是带有低通滤波功能的基带放大器，或者是模数转换器，或者是其他具有特定功能的基带电路；基带处理模块中包含的电路数量与各级电路的顺序可按照实际需求进行调整。
9.根据权利要求1-8之一所述的功率检测系统，其特征在于，相控阵发射链路、带有功率耦合功能的输出匹配网络、功率检测模块以及基带处理模块在CMOS工艺下制作，或者在BiCMOS工艺下制作，或者在GeSi工艺下制作，或者在GaAs工艺下制作；其中晶体管使用双极晶体管制作，或者使用结型场效应晶体管制作，或者使用MOSFET制作。
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