專利名稱：一種射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙通道輸出的射頻相位匹配和功率匹配控制領(lǐng)域，主要是一種射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
GSM-R系統(tǒng)是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)。在中國鐵路的頻段為上行885-889MHZ、下行930_934MHz。它在GSMPhase2+的規(guī)范協(xié)議的高級語音呼叫 功能，如組呼、廣播呼叫、多優(yōu)先級搶占和強拆業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，加入了基于位置尋址和功能尋址等功能，適用于鐵路通信特別是鐵路專用調(diào)度通信的需要。主要提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、區(qū)段養(yǎng)護維修作業(yè)通信、應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸通道，并可提供列車自動尋址和旅客服務(wù)。正因為GSM-R系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保障通信暢通，其中的不少模塊需要采用雙備份方案，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(nèi)的絕大多數(shù)廠家都采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(fā)生故障時，采用射頻開關(guān)等方法來接通備用的射頻功率放大器，其間必然會出現(xiàn)通信信號的瞬時中斷。對于普通的移動通信系統(tǒng)，瞬時的通信信號中斷所造成的損失是可以掌控。但對于GSM-R系統(tǒng)來說，瞬時的通信信號消失可能會造成災(zāi)難性的后果。所以隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，射頻功率放大器冷備份系統(tǒng)的局限性日益凸現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對GSM-R射頻功率放大器冷備份系統(tǒng)體現(xiàn)出來的不足，而提供一種射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括功率分配器、相位調(diào)節(jié)器、射頻功率放大器、定制腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器，其中定制腔體雙工器中內(nèi)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(diào)節(jié)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。放大后的射頻信號經(jīng)過定制雙工器內(nèi)的功率合成/分配器及輸出耦合器后，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于檢測功率合成/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于調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)器中兩路射頻信號之間的相位差，以保證系統(tǒng)的兩路輸出功率基本相等(兩者的差值小于0. 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(zhuǎn)化為微控制器能測量的模擬直流信號。更進一步的，相位調(diào)節(jié)器電路由一個3dB電橋和兩個變?nèi)荻O管組成。電橋把射頻信號分為兩路，通過變?nèi)荻O管改變射頻信號的相位后反射到與電橋輸入端對應(yīng)的隔離端輸出。微控制器通過控制變?nèi)荻O管的反向電壓，來改變變?nèi)荻O管的電容值，從而達到改變射頻信號的相位的目的。更進一步的，輸出耦合器的耦合系數(shù)不能小于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(zhuǎn)換器，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；包換8個通道的IObit D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；包括ARM內(nèi)核，能運行各種算法；包括存儲模塊，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。設(shè)計時將功率合成/分配器處于定制雙工器的輸入前端的原因兩路射頻信號在雙工器中所經(jīng)過的路徑不同，所產(chǎn)生的時延也不相等，將率合成/分配器處于定制雙工器的輸入前端可以消除由于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(diào)節(jié)采用先粗調(diào)后微調(diào)算法。剛上電時，系統(tǒng)的兩路輸出功率強度差值可能比較大，此時微控制器采用粗調(diào)(即大步進)算法。當兩者的功率強度差值較小(如小于IdB)時，微控制器采用微調(diào)(即小步進)算法，直至兩者的功率相等。采用這種算法的好處是，能改善相位調(diào)節(jié)的效果，上電后能使兩者的功率在較短的時間內(nèi)達到相等。本發(fā)明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。由于電路的離散性和兩路射頻信號所經(jīng)過的路徑的時延不同，如果沒有相位調(diào)節(jié)器，則無法保證系統(tǒng)兩路輸出的功率強度相等。微控制器芯片通過比較兩路功率檢測信號，來調(diào)整相位調(diào)節(jié)器的控制電壓，控制電壓的大小用于改變相位調(diào)節(jié)器中兩路信號之間的相位差，以使系統(tǒng)兩路輸出信號的強度相等。(2)、當某一射頻功率放大器發(fā)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(fā)生故障。為了保證系統(tǒng)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(shè)置值增加3dB。在此過程中存在短暫的射頻信號減弱現(xiàn)象，但不影響通信信號的連續(xù)性。本發(fā)明有益的效果是以往的冷備份系統(tǒng)一般都是采用微波開關(guān)，在功率放大器切換過程中容易出現(xiàn)通信信號中斷的問題，本發(fā)明不存在切換的問題，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(tǒng)高指標和高穩(wěn)定性的要求。


圖I為本發(fā)明的原理框圖。圖2為相位調(diào)節(jié)器的電路原理圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及舉例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的舉例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提出了一種射頻功率放大器熱備份的技術(shù)方案該系統(tǒng)包括功率分配器、相位調(diào)節(jié)器、射頻功率放大器、定制腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器，其中定制腔體雙工器中內(nèi)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，功率分配器采用3dB電橋，輸出RFl和RF2。RFl和RF2經(jīng)過相位調(diào)節(jié)器內(nèi)部的3dB電橋和相位調(diào)節(jié)電路后，輸出RF3和RF4，RF3經(jīng)過射頻功率放大器I進行放大之后輸出RF5，RF4經(jīng)過射頻功率放大器2進行放大之后輸出RF6，RF5和RF6輸入腔體雙工器內(nèi)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(jīng)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用于檢測射頻信號RF7的強度，輸出耦合器2和輸出功率檢測器2用于檢測射頻信號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于調(diào)節(jié)RF3和RF4之間的相位差，以保證RF9和RFlO的功率基本相等(兩者的差值小于0. 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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禹合系數(shù)不能小于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(tǒng)的效率。微控制器檢測的為RF7和RF8的功率強度，而設(shè)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(shè)備的兩路實際輸出功率RF9和RFlO相等。輸出功率檢測器采用真值功率檢測器。進入到檢測器輸入端的射頻功率(單位為dBm)和轉(zhuǎn)換后輸出的直流電壓信號成正比關(guān)系。輸入到檢測器的信號功率越大，轉(zhuǎn)換后輸出的直流信號也越大。采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(diào)節(jié)器電路由一個3dB電橋CPl和兩顆變?nèi)荻O管D1、D2組成。3dB電橋把射頻信號分為兩路(CPl的3、4腳)，通過變?nèi)荻O管改變射頻信號的相位后反射到與電橋輸入端(CPl的I腳)對應(yīng)的隔離端(CPl的2腳)輸出。微控制器通過控制變?nèi)荻O管的反向電壓，來改變變?nèi)荻O管的電容值，從而達到改變射頻信號的相位的目的。為了擴大相位調(diào)節(jié)的范圍，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(diào)節(jié)電壓范圍為(T12V，相位調(diào)節(jié)器的相位調(diào)節(jié)范圍約為(Tl05°。如果需要獲得更大的相位調(diào)節(jié)范圍，可以將兩級附圖2中所示的相位調(diào)節(jié)器進行串聯(lián)，此時相位調(diào)節(jié)范圍約為(T210°。微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；包換8個通道的IObit D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；包括ARM內(nèi)核，能運行各種算法；包括存儲模塊，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。微控制器的相位調(diào)節(jié)采用先粗調(diào)后微調(diào)算法。剛上電時，RF9和RFlO的功率強度差值可能比較大，此時微控制器采用粗調(diào)(即大步進)算法。當RF9和RFlO的功率強度差值較小(如小于IdB)時，微控制器采用微調(diào)(即小步進)算法，直至RF9和RFlO兩者的功率相等。采用這種算法的好處是，能改善相位調(diào)節(jié)的效果，上電后能使RF9和RFlO的功率在較短的時間內(nèi)達到相等。本發(fā)明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。由于電路的離散性和兩路射頻信號所經(jīng)過的路徑的時延不同，如果沒有相位調(diào)節(jié)器，則無法保證系統(tǒng)兩路輸出的功率強度相等。微控制器芯片通過比較兩路功率檢測信號，來調(diào)整相位調(diào)節(jié)器的控制電壓，控制電壓的大小用于改變相位調(diào)節(jié)器中兩路信號之間的相位差，以使系統(tǒng)兩路輸出信號的強度相等。(2)、當某一射頻功率放大器發(fā)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(fā)生故障。為了保證系統(tǒng)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(shè)置值增加3dB。在此過程中存在短暫的射頻信號減弱現(xiàn)象，但不影響通信信號的連續(xù)性。本發(fā)明所說明的熱備份系統(tǒng)包括兩個射頻功率放大器和兩路射頻輸出信號，但采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(tǒng)也在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)?？梢岳斫獾氖?，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括功率分配器、相位調(diào)節(jié)器、射頻功率放大器、定制腔體雙工器、輸出功率檢測器和微控制器，其中定制腔體雙工器中內(nèi)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(diào)節(jié)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,放大后的射頻信號經(jīng)過定制腔體雙工器內(nèi)的功率合成/分配器及輸出耦合器后，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于檢測功率合成/分配器的輸出信號，微控制器的輸出信號用于調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)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(jù)權(quán)利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)，其特征在于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(zhuǎn)化為微控制器能測量的模擬直流信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)，其特征在于相位調(diào)節(jié)器電路由一個3dB電橋和兩個變?nèi)荻O管組成，電橋把射頻信號分為兩路，通過變?nèi)荻O管改變射頻信號的相位后反射到與電橋輸入端對應(yīng)的隔離端輸出；微控制器通過控制變?nèi)荻O管的反向電壓，來改變變?nèi)荻O管的電容值，從而改變射頻信號的相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)，其特征在于所述的輸出耦合器的耦合系數(shù)大于等于40dB。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)，其特征在于所述的微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；包換8個通道的IObit D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；包括ARM內(nèi)核，能運行各種算法；包括存儲模塊，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。
6.一種采用如權(quán)利要求I所述的射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)的方法，其特征在于步驟如下 (1)、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，微控制器通過比較兩路功率檢測信號，來調(diào)整相位調(diào)節(jié)器的控制電壓，控制電壓的大小用于改變相位調(diào)節(jié)器中兩路信號之間的相位差，以使系統(tǒng)兩路輸出信號的強度相等； (2)、當某一射頻功率放大器發(fā)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，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(shè)置值增加3dB。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種射頻功率放大器熱備份系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)包括功率分配器、相位調(diào)節(jié)器、射頻功率放大器、定制腔體雙工器、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(diào)節(jié)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，放大后的射頻信號經(jīng)過定制腔體雙工器內(nèi)的功率合成/分配器及輸出耦合器后，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于調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)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。本發(fā)明有益的效果是本發(fā)明不存在切換的問題，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(tǒng)高指標和高穩(wěn)定性的要求。
文檔編號H03F3/68GK102664598SQ201210153860
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者張小龍, 潘永彬, 許艷葦 申請人:三維通信股份有限公司