專利名稱：集群通信功率放大的設置方法與功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線電通信，尤其是大功率集群通信功率放大方法與裝置。
背景技術：
早在公眾移動通信規(guī)模發(fā)展之前，無線通信一直應用于各項專業(yè)領域，隨著公眾移動通信的長足發(fā)展，專業(yè)移動通信的應用相對滯后，也常被忽視。現階段的專用無線通信系統(tǒng)包括常規(guī)的模擬集群、數字集群、對講等技術，總體來說具有技術相對落后、業(yè)務單一、 應用面較窄等特點。但是，隨著指揮調度和應急通信需求的增長，集群通信系統(tǒng)在民用和軍用中的重要性日益顯著，現有的技術已遠遠不能滿足需求。雖然，也有為數不多的數字集群系統(tǒng)應用，但總體存在著價格高、穩(wěn)定性差、可靠性差、頻譜效率不高、售后支持有限等不足，嚴重地制約了集群通信應用的發(fā)展。功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從IdB壓縮點(放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大， 放大器漸漸進入飽和區(qū)，功率增益開始下降，通常把增益下降到比線性增益低IdB時的輸出功率值定義為輸出功率的IdB壓縮點，用PldB表示。)向后回退6-10個分貝，工作在遠小于IdB壓縮點的電平上，使功率放大器遠離飽和區(qū)，進入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調系數。一般情況，當基波功率降低IdB時，三階交調失真改善2dB。功率回退法簡單且易實現，不需要增加任何附加設備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點是效率降低。此外，在線性度要求很高的場合，只靠功率回退是不夠的。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提出一種集群通信功率放大的設置方法與功率放大器；為了改善集群通信功率放大器的性能指標，提高集群通信性能，提高功率放大器的線性度，擴大集群調度的網絡覆蓋，設計出可應用于移動式或固定式集群調度通信的功率放大器，很大程度上解決集群通信中通信穩(wěn)定性差、通信范圍有限、控制智能化差等問題。本發(fā)明的技術方案是集群通信功率放大器的設置方法，包括輸入阻抗匹配電路、 可控衰減網絡電路、功率放大器、定向耦合與輸出功率檢測電路、隔離器、諧波濾波器與輸出微帶阻抗匹配電路并依次連接，設有DSP電路，功率放大器包括前后連接的前級放大和末級放大兩部分，輸入和輸出阻抗匹配電路串聯和并聯構成梯形連接電容的微帶混合匹配電路，輸出功率檢測電路連接至設有的DSP電路，DSP電路輸出接可控衰減網絡電路的控制端；所述微帶混合匹配電路用于功放電路的前級和末級電路。所述輸入阻抗匹配電路是微帶混合匹配電路，用于功放器電路的前級放大和末級放大電路；定向耦合與功率檢測電路采用平行微帶線定向耦合器，平行微帶線的第一條微帶線是信號的傳輸通道，平行于第一條微帶線的第二條微帶線(副線)對信號的耦合取樣，通過電場，信號在副線的兩個端口 ^πιι3、Term4上產生同向感應電壓，磁場耦合則產生反向感應電壓，配合超短波檢波電路來完成其功率檢測，駐波檢測，連接并反饋到DSP分析處理控制單元來連接到可控衰減網絡電路的控制端，根據檢測到輸出功率的大小來適當調節(jié)衰減網絡電路HMC273MSI06的衰減值，得到最佳的功率輸出特性；功率放大器還設有溫補電源、增益自動控制電路。溫補電源部分是指在電源偏置電路中采取溫度補償電路；溫度補償電路是通過前級功放Ql集電極接有溫度系數電阻；諧波濾波器主要是濾除信號的二、三次諧波分量，減少大信號對其它信號通信的干擾。設計帶寬(IdB) 810MHz 910MHz約為100MHz，通帶衰減小于ldB，線性度良好，在該工作頻段內Sll均小于-30dB。具有高可靠性和增益的晶體管MRF859和LDMOS功放管MRF9060作為該前級功放和末級功放模塊；可控衰減網絡電路中選擇HITTITE公司的HMC273MSI0G，L1、L2為高頻扼流圈，以阻止射頻功率信號的分流，通過電路RL調節(jié)與R1、R2—起使三極管Ql偏置飽和狀態(tài)，對功率管MRF859和MRF9060起穩(wěn)步補償作用，通過調整R6，R7的電壓關系，來調節(jié)合適的靜態(tài)工作點，以保證放大器的增益、IdB壓縮點輸出功率、三階互調以及工作效率等指標。功率放大器工作在851 866MHz波段，該功率放大器采用智能AGC方式控制管理，集成溫度補償、溫度檢測、功率與VSWR檢測等應用，基于成熟的功率回退線性技術。集群信道機的功放是一項通過提升基站發(fā)射功率來優(yōu)化網絡覆蓋的解決方案，在技術提升方面可以有效地擴大集群調度的覆蓋范圍、提高上行接收電平，改善弱覆蓋、降低掉話率，提高通信可靠性與穩(wěn)定性、降低移動終端輸出功率，減少上行信號的干擾等優(yōu)點， 該功率放大器工作在851 866MHz波段，典型增益(Gain) ^dB。本發(fā)明的有益效果是該功率放大器采用智能AGC方式控制管理，集成溫度補償、 溫度檢測、功率與VSWR檢測等應用，基于成熟的功率回退線性技術，把握了未來功率放大器的發(fā)展趨勢，具有增益平坦度小，增益調節(jié)便捷、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在提升集群調度性能和改善網絡質量方面具有很強的優(yōu)勢。該發(fā)明可以運用到集群、直放站等通信系統(tǒng)中，顯著地提高了模塊的線性度、增益以及安全穩(wěn)定性等性能指標，可以有效地擴大集群通信的覆蓋范圍、提高上行接受電平、改善弱覆蓋，在提升集群通信性能和改善網絡質量方面具有很強的優(yōu)勢。


圖1為系統(tǒng)結構框圖，主要描述整個集群通信功率放大器放大方法的組成框圖；圖2前級電路匹配設計，主要是構架出該功率放大器的輸入匹配設計方法和框架；圖3平行微帶線定向耦合器，主要表述用于反向功率檢測取樣的定向耦合器的構架圖；圖4溫度補償的偏置電路，主要描述溫度補償電路的原理；圖5微帶平行線濾波器，主要描述該平行濾波器的原理構架圖。
具體實施例方式本發(fā)明主要有包括功率放大、功率檢測、溫補電源、增益自動控制和諧波濾波器等幾部分組成。功率放大器的系統(tǒng)結構框圖1所示功率放大部分采用功率回退技術進行該功放的高線性化設計，以犧牲部分的工作效率來改善功放的高線性和三階互調系數。功率放大部分主要分為前級放大和末級放大兩部分，采用級間匹配最優(yōu)化的級聯工作方式，使該電路具有調試方便、結構簡單等優(yōu)點。該設計采用具有高可靠性和增益的晶體管MRF859和LDMOS功放管MRF9060作為該前級功放和末級功放模塊；可控衰減網絡電路中選擇HITTITE公司的HMC273MSI0G，該數控衰減器在851 866MHz頻段具有插入損耗小，衰減精度高，線性度好等優(yōu)點。圖2是前級電路PCB設計圖，主要完成對電路大信號的預放大處理，采用分立器件和分布參數元件混合使用的方法來完成電路的匹配。C2、C3、C4、C5和微帶線一起完成輸入阻抗匹配；C6、C7、C8和微帶線完成輸出阻抗匹配，該微帶梯形混合匹配電路應用到該功放電路的前、末級電路，具有精度高、調試方便和體積小等優(yōu)點。功率檢測部分采用平行線耦合技術，平行微帶線定向耦合器，平行微帶線的第一條微帶線是信號的傳輸通道，平行于第一條微帶線的第二條微帶線(副線)用于信號的耦合取樣，通過電場耦合，信號在副線的兩個端口 Term3、Term4上產生同向感應電壓，磁場耦合則產生反向感應電壓，配合超短波檢波電路來完成其功率檢測，駐波檢測，同時，反饋到 DSP分析處理控制單元來控制可控衰減網絡，根據檢測到輸出功率的大小來適當調節(jié)衰減網絡電路HMC273MSI0G的衰減值，來得到最佳的功率輸出特性。平行微帶線耦合器是一種反定向耦合器，在圖3中，端口 Terml為信號輸入口，端口 Trem2為直通口，信號由電場耦合在副線的兩個端口 Term3、Term4上產生同向感應電壓， 磁場耦合則產生反向感應電壓，結果在端口 Trem4處相加而有輸出，Term3斷口處則抵消而呈隔離無輸出。溫補電源部分是指在電源偏置電路中采取合理的溫度補償措施，既保證了放大器在不同溫度環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作，又為功放管器件提供適當的靜態(tài)工作點，并抑制晶體管參數的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。溫度補償電路是通過前級功放Ql集電極接有溫度系數電阻。在圖4中Li、L2為高頻扼流圈，以阻止射頻功率信號的分流，通過電路RL調節(jié)與 R1、R2 —起使三極管Ql偏置飽和狀態(tài)，對功率管MRF859和MRF9060起穩(wěn)步補償作用，通過調整R6，R7的電壓關系，來調節(jié)合適的靜態(tài)工作點，以保證放大器的增益、IdB壓縮點輸出功率、三階互調以及工作效率等指標。諧波濾波器主要是濾除信號的二、三次諧波分量，減少大信號對其它信號通信的干擾。設計帶寬(IdB) 810MHz 910MHz約為100MHz，通帶衰減小于ldB，線性度良好，在該工作頻段內Sll均小于_30dB，其電路結構圖如下圖5。濾波器的通帶內的插入損耗小于ldB，帶通平坦度很好，通帶內輸入端口 Sll參數 (-30dB,設計指標滿足設計要求，具有良好的幅頻特性。整個電路設計基于器件的大信號SP模型，采用先進性ADS設計軟件。電路中選擇固定衰減器加數控衰減器的方法來實現大功率輸入情況下的增益可調，HMC273MSI0G是一種步進為IdB的5Bit數控衰減器，直通情況下插入損耗為2dB左右，衰減最大范圍可以到 31dB，該衰減器的IdB壓縮點輸入功率為MdBm，功放入口處的最大功率約30dBm，所以考慮把固定衰減器的衰減量設計為6dB，采用雙級T型結構的大功率貼片電阻來實現。在放大級部分，前級功放管MRF859具有11. 5dB增益，IdB壓縮點輸出功率可以到達6. 5W，末級功放管MRF9060的IdB壓縮點輸出功率可以到達47 78dBm(相當于60W)，典型增益為17dB，考慮到功放的輸出端要加定向耦合器(0. 25dB)、隔離(0. 25dB)器、諧波濾波器(IdB)和其它衰減(0. 5dB)，此時信道增益Gain = -6-1+11. 5+17-0. 25-0. 25-1-0. 5 = 19. 5。對于 20 30dBm的輸入信號，可以得到約39. 5 49. 5dBm的信號輸出，經過耦合度C為25dB的微帶耦合取樣，檢測到其輸出功率值和駐波比VSWR值，通過DSP分析處理單元來相應的調節(jié)數控衰減器的衰減量，以達到通信系統(tǒng)所需要的性能要求，既保證了該功放設計的增益可調、 線性度高要求，又保證了功放工作的安全、可靠和穩(wěn)定。
權利要求
1.集群通信功率放大的設置方法，其特征是包括輸入阻抗匹配電路、可控衰減網絡電路、功率放大、定向耦合與輸出功率檢測電路、隔離器、諧波濾波器與輸出微帶混合匹配電路并依次連接，功率放大器包括前級放大和末級放大兩部分構成，功率放大器上設有溫補電源、增益自動控制電路，輸入和輸出阻抗匹配電路串聯和并聯構成梯形連接電容的微帶混合匹配電路完成，所述輸入阻抗匹配電路是微帶混合匹配電路用于功放電路的前級和末級電路；輸出功率檢測電路連接至DSP電路，DSP電路輸出接控衰減網絡電路的控制端；功放電路的末級電路亦設有輸出微帶混合匹配電路即輸出阻抗匹配電路。
2.根據權利要求1所述的集群通信功率放大的設置方法，其特征是功率檢測電路采用平行微帶線定向耦合器，平行微帶線的第一條微帶線為信號的傳輸通道，平行于第一條微帶線的第二條微帶線用于對傳輸功率信號的耦合取樣，通過電場耦合出的信號在副線的兩個端口 ^γπι3、Term4上產生同向感應電壓，磁場耦合則產生反向感應電壓，配合超短波檢波電路來完成其功率檢測，駐波檢測，連接并反饋到DSP分析處理控制單元來連接到可控衰減網絡電路的控制端，根據檢測到輸出功率的大小來適當調節(jié)衰減網絡電路 HMC273MSI0G的衰減值，得到最佳的功率輸出特性。
3.根據權利要求1所述的集群通信功率放大的設置方法，其特征是溫補電源部分是指在電源偏置電路中采取溫度補償電路；溫度補償電路是通過前級功放Ql集電極接有溫度系數電阻；諧波濾波器主要是濾除信號的二、三次諧波分量，減少大信號對其它信號通信的干擾。
4.根據權利要求1所述的集群通信功率放大的設置方法，其特征是帶寬 (IdB) 810MHz 910MHz約為100MHz，通帶衰減小于ldB，線性度良好，在該工作頻段內Sll 均小于-30dB。
5.根據權利要求1所述的集群通信功率放大的設置方法，其特征是具有高可靠性和增益的晶體管MRF859和LDMOS功放管MRF9060作為該前級功放和末級功放模塊；可控衰減網絡電路中選擇HITTITE公司的HMC273MSI0G。
6.根據權利要求1所述的集群通信功率放大的設置方法，其特征是功率放大器采用功率回退線性方法。
7.集群通信功率放大器，其特征是包括輸入阻抗匹配電路、可控衰減網絡電路、功率放大器、定向耦合與輸出功率檢測電路、隔離器、諧波濾波器與輸出微帶阻抗匹配電路并依次連接，設有DSP電路，功率放大器包括前后連接的前級放大和末級放大兩部分，輸入和輸出阻抗匹配電路串聯和并聯構成梯形連接電容的微帶混合匹配電路，輸出功率檢測電路連接至設有的DSP電路，DSP電路輸出接可控衰減網絡電路的控制端；所述輸入和輸出阻抗匹配電路是微帶混合匹配電路。
全文摘要
集群通信功率放大器，包括輸入阻抗匹配電路、可控衰減網絡電路、功率放大器、定向耦合與輸出功率檢測電路、隔離器、諧波濾波器與輸出微帶阻抗匹配電路并依次連接，設有DSP電路，功率放大器包括前后連接的前級放大和末級放大兩部分，輸入和輸出阻抗匹配電路串聯和并聯構成梯形連接電容的微帶混合匹配電路，輸出功率檢測電路連接至設有的DSP電路，DSP電路輸出接可控衰減網絡電路的控制端；所述輸入和輸出阻抗匹配電路是微帶混合匹配電路。該功率放大器采用智能AGC方式控制管理，集成溫度補償、溫度檢測、功率與VSWR檢測等應用，基于成熟的功率回退線性技術，具有增益平坦度小，增益調節(jié)便捷、穩(wěn)定性高等特點。
文檔編號H03F3/20GK102420573SQ20111039330
公開日2012年4月18日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權日2011年12月2日
發(fā)明者莊東曙, 李躍進 申請人:南京熊貓漢達科技有限公司, 南京熊貓電子股份有限公司, 熊貓電子集團有限公司