一種射頻功率放大器熱備份系統的製作方法
2023-10-09 08:11:24 2
專利名稱：一種射頻功率放大器熱備份系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雙通道輸出的射頻相位匹配和功率匹配控制領域，主要是一種射頻功率放大器熱備份系統。
背景技術：
GSM-R系統是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統。在中國鐵路的頻段為上行885-889MHZ、下行930_934MHz。它在GSMPhase2+的規範協議的高級語音呼叫功能，如組呼、廣播呼叫、多優先級搶佔和強拆業務的基礎上，加入了基於位置尋址和功能尋址等功能，適用於鐵路通信特別是鐵路專用調度通信的需要。主要提供無線列調、編組調車通信、區段養護維修作業通信、應急通信、隧道通信等語音通信功能，可為列車自動控制與檢測信息提供數據傳輸通道，並可提供列車自動尋址和旅客服務。正因為GSM-R系統應用環境的特殊性，為了提高系統的可靠性和穩定性，保障通信暢通，其中的不少模塊需要採用雙備份方案，如電源模塊備份、光模塊和光纖備份、射頻功率放大器備份等等。以往國內的絕大多數廠家都採用射頻功率放大器冷備份，也就是說當一個射頻功率放大器發生故障時，採用射頻開關等方法來接通備用的射頻功率放大器，其間必然會出現通信信號的瞬時中斷。對於普通的移動通信系統，瞬時的通信信號中斷所造成的損失是可以掌控。但對於GSM-R系統來說，瞬時的通信信號消失可能會造成災難性的後果。所以隨著高速鐵路的飛速發展，射頻功率放大器冷備份系統的局限性日益凸現。
實用新型內容本實用新型正是針對GSM-R射頻功率放大器冷備份系統體現出來的不足，而提供一種射頻功率放大器熱備份系統。本實用新型解決其技術問題採用的技術方案這種射頻功率放大器熱備份系統，該系統包括功率分配器、相位調節器、射頻功率放大器、定製腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器，其中定製腔體雙工器中內嵌功率合成/功率分配器和輸出耦合器；射頻信號輸入功率分配器和相位調節電路，輸出兩路射頻信號。兩個功率放大器分別對兩路射頻信號進行放大。放大後的射頻信號經過定製雙工器內的功率合成/分配器及輸出耦合器後，輸出兩路功率為額定功率的射頻信號。輸出耦合器和輸出功率檢測器用於檢測功率合成/分配器的輸出信號。檢測出來的功率信號送到微控制器進行量化分析處理，微控制器的輸出信號用於調節相位調節器中兩路射頻信號之間的相位差，以保證系統的兩路輸出功率基本相等(兩者的差值小於O. 2dB)。更進一步的，所述的輸出耦合器提取部分射頻輸出信號送到輸出功率檢測器，輸出功率檢測器把射頻輸出信號功率轉化為微控制器能測量的模擬直流信號。更進一步的，相位調節器電路由一個3dB電橋和兩個變容二極體組成。電橋把射頻信號分為兩路，通過變容二極體改變射頻信號的相位後反射到與電橋輸入端對應的隔離端輸出。微控制器通過控制變容二極體的反向電壓，來改變變容二極體的電容值，從而達到改變射頻信號的相位的目的。更進一步的，輸出耦合器的耦合係數不能小於40dB，以使輸出耦合器的插入損耗很小，減小功率損耗。更進一步的，所述的微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉換器，將模擬電壓信號轉換為數位訊號；包換8個通道的IObit D/A轉換器，將數位訊號轉換為模擬電壓信號；包括ARM內核，能運行各種算法；包括存儲模塊，用於存儲程序和數據。設計時將功率合成/分配器處於定製雙工器的輸入前端的原因兩路射頻信號在雙工器中所經過的路徑不同，所產生的時延也不相等，將率合成/分配器處於定製雙工器的輸入前端可以消除由於時延不同所帶來的不利影響，如增益平坦度變差等。微控制器的相位調節採用先粗調後微調算法。剛上電時，系統的兩路輸出功率強 度差值可能比較大，此時微控制器採用粗調(即大步進)算法。當兩者的功率強度差值較小(如小於IdB)時，微控制器採用微調(即小步進)算法，直至兩者的功率相等。採用這種算法的好處是，能改善相位調節的效果，上電後能使兩者的功率在較短的時間內達到相等。本實用新型所述的射頻功率放大器熱的備份方法，步驟如下(I)、在正常情況下，兩個射頻功率放大器同時工作，即同時對輸入其中的射頻信號進行放大。由於電路的離散性和兩路射頻信號所經過的路徑的時延不同，如果沒有相位調節器，則無法保證系統兩路輸出的功率強度相等。微控制器晶片通過比較兩路功率檢測信號，來調整相位調節器的控制電壓，控制電壓的大小用於改變相位調節器中兩路信號之間的相位差，以使系統兩路輸出信號的強度相等。(2)、當某一射頻功率放大器發生故障且無輸出功率時，微控制器檢測到功率合成/分配器的總輸出功率只有正常情況下的一半左右，此時微控制器就認為有一個射頻功率放大器發生故障。為了保證系統的輸出功率不變，微控制器同時將兩個射頻功率放大器的最大輸出功率的設置值增加3dB。在此過程中存在短暫的射頻信號減弱現象，但不影響通信信號的連續性。本實用新型有益的效果是以往的冷備份系統一般都是採用微波開關，在功率放大器切換過程中容易出現通信信號中斷的問題，本實用新型不存在切換的問題，徹底解決了冷備份所造成的信號中斷的弊端，符合鐵路通信系統高指標和高穩定性的要求。
圖I為本實用新型的原理框圖。圖2為相位調節器的電路原理圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及舉例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的舉例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。本實用新型提出了一種射頻功率放大器熱備份的技術方案該系統包括功率分配器、相位調節器、射頻功率放大器、定製腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器，其中定製腔體雙工器中內嵌功率合成/功率分配器和輸出耦合器。射頻信號RFO輸入功率分配器，功率分配器採用3dB電橋，輸出RFl和RF2。RFl和RF2經過相位調節器內部的3dB電橋和相位調節電路後，輸出RF3和RF4，RF3經過射頻功率放大器I進行放大之後輸出RF5，RF4經過射頻功率放大器2進行放大之後輸出RF6，RF5和RF6輸入腔體雙工器內部的3dB電橋進行功率合成和分配，電橋的兩路輸出射頻信號RF7和RF8分別經過腔體雙工器的腔體與輸出耦合器I和輸出耦合器2，輸出RF9和RF10。輸出耦合器I和輸出功率檢測器I用於檢測射頻信號RF7的強度，輸出耦合器2和輸出功率檢測器2用於檢測射頻信號RF8的強度，檢測出來的功率信號送到微控制器進行量化分析處理，微控制器的輸出信號用於調節RF3和RF4之間的相位差，以保證RF9和RFlO的功率基本相等(兩者的差值小於O. 2dB)。 輸出耦合器I提取部分射頻輸出信號RF7送到輸出功率檢測器1，輸出功率檢測器I把射頻輸出信號功率轉化為微控制器能測量的模擬直流信號。輸出耦合器2提取部分射頻輸出信號RF8送到輸出功率檢測器2，輸出功率檢測器2把射頻輸出信號功率轉化為微控制器能測量的模擬直流信號。輸出I禹合器I和輸出I禹合器2的I禹合係數不能小於40dB，以使輸出I禹合器I和輸出耦合器2的插入損耗很小，減小功率損耗，提高整個系統的效率。微控制器檢測的為RF7和RF8的功率強度，而設備實際輸出的信號為RF9和RF10。當輸出耦合器I和輸出耦合器2的插入損耗很小時，可以認為RF7和RF9的強度相等，RF8和RFlO的強度相等，這樣通過改變RF3和RF4之間的相位差，保證設備的兩路實際輸出功率RF9和RFlO相等。輸出功率檢測器採用真值功率檢測器。進入到檢測器輸入端的射頻功率(單位為dBm)和轉換後輸出的直流電壓信號成正比關係。輸入到檢測器的信號功率越大，轉換後輸出的直流信號也越大。採用真值功率檢測方式可大大降低輸出信號峰均值比(PAR)對檢測精度的影響。相位調節器電路由一個3dB電橋CPl和兩顆變容二極體D1、D2組成。3dB電橋把射頻信號分為兩路(CPl的3、4腳)，通過變容二極體改變射頻信號的相位後反射到與電橋輸入端(CPl的I腳)對應的隔離端(CPl的2腳)輸出。微控制器通過控制變容二極體的反向電壓，來改變變容二極體的電容值，從而達到改變射頻信號的相位的目的。為了擴大相位調節的範圍，附圖2中的運算放大器的工作電壓可以選用12V直流電壓，此時微控制器的相位調節電壓範圍為(T12V，相位調節器的相位調節範圍約為(Γ105°。如果需要獲得更大的相位調節範圍，可以將兩級附圖2中所示的相位調節器進行串聯，此時相位調節範圍約為(Γ210°。微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉換器，將模擬電壓信號轉換為數位訊號；包換8個通道的IObit D/A轉換器，將數位訊號轉換為模擬電壓信號；包括ARM內核，能運行各種算法；包括存儲模塊，用於存儲程序和數據。微控制器的相位調節採用先粗調後微調算法。剛上電時，RF9和RFlO的功率強度差值可能比較大，此時微控制器採用粗調(即大步進)算法。當RF9和RFlO的功率強度差值較小(如小於IdB)時，微控制器採用微調(即小步進)算法，直至RF9和RFlO兩者的功率相等。採用這種算法的好處是，能改善相位調節的效果，上電後能使RF9和RFlO的功率在較短的時間內達到相等。本實用新型所述的射頻功率放大器熱的備份方法，步驟如下(I)、在正常情況下，兩個射頻功率放大器同時工作，即同時對輸入其中的射頻信號進行放大。由於電路的離散性和兩路射頻信號所經過的路徑的時延不同，如果沒有相位調節器，則無法保證系統兩路輸出的功率強度相等。微控制器晶片通過比較兩路功率檢測信號，來調整相位調節器的控制電壓，控制電壓的大小用於改變相位調節器中兩路信號之間的相位差，以使系統兩路輸出信號的強度相等。(2)、當某一射頻功率放大器發生故障且無輸出功率時，微控制器檢測到功率合成/分配器的總輸出功率只有正常情況下的一半左右，此時微控制器就認為有一個射頻功率放大器發生故障。為了保證系統的輸出功率不變，微控制器同時將兩個射頻功率放大器的最大輸出功率的設置值增加3dB。在此過程中存在短暫的射頻信號減弱現象，但不影響通信信號的連續性。 本實用新型所說明的熱備份系統包括兩個射頻功率放大器和兩路射頻輸出信號，但採用三個及三個以上射頻功率放大器和三路及三路以上射頻輸出信號的系統也在本實用新型權利要求的範圍內。可以理解的是，對本領域技術人員來說，對本實用新型的技術方案及實用新型構思加以等同替換或改變都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種射頻功率放大器熱備份系統，其特徵在於該系統包括功率分配器、相位調節器、射頻功率放大器、定製腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器，其中定製腔體雙工器中內嵌功率合成/功率分配器和輸出耦合器；射頻信號輸入功率分配器和相位調節電路，輸出兩路射頻信號,兩個射頻功率放大器分別對兩路射頻信號進行放大,放大後的射頻信號經過定製腔體雙工器內的功率合成/分配器及輸出耦合器後，輸出兩路功率為額定功率的射頻信號，輸出耦合器和輸出功率檢測器用於檢測功率合成/分配器的輸出信號，微控制器的輸出信號用於調節相位調節器中兩路射頻信號之間的相位差，使兩路輸出功率基本相等。
2.根據權利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統，其特徵在於所述的輸出耦合器提取部分射頻輸出信號送到輸出功率檢測器，輸出功率檢測器把射頻輸出信號功率轉化為微控制器能測量的模擬直流信號。
3.根據權利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統，其特徵在於相位調節器電路由一個3dB電橋和兩個變容二極體組成，電橋把射頻信號分為兩路，通過變容二極體改變射頻信號的相位後反射到與電橋輸入端對應的隔離端輸出；微控制器通過控制變容二極體的反向電壓，來改變變容二極體的電容值，從而改變射頻信號的相位。
4.根據權利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統，其特徵在於所述的輸出耦合器的耦合係數大於等於40dB。
5.根據權利要求I或3所述的射頻功率放大器熱備份系統，其特徵在於所述的微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉換器，將模擬電壓信號轉換為數位訊號；包換8個通道的IObit D/A轉換器，將數位訊號轉換為模擬電壓信號；包括ARM內核，能運行各種算法；包括存儲模塊，用於存儲程序和數據。
專利摘要本實用新型提供了一種射頻功率放大器熱備份系統，該系統包括功率分配器、相位調節器、射頻功率放大器、定製腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器；射頻信號輸入功率分配器和相位調節電路，輸出兩路射頻信號，兩個射頻功率放大器分別對兩路射頻信號進行放大，放大後的射頻信號經過定製腔體雙工器內的功率合成/分配器及輸出耦合器後，輸出兩路功率為額定功率的射頻信號，微控制器的輸出信號用於調節相位調節器中兩路射頻信號之間的相位差，使兩路輸出功率基本相等。本實用新型有益的效果是本實用新型不存在切換的問題，徹底解決了冷備份所造成的信號中斷的弊端，符合鐵路通信系統高指標和高穩定性的要求。
文檔編號H03F3/68GK202586881SQ201220222888
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者許豔葦, 潘永彬, 張小龍 申請人:三維通信股份有限公司