專利名稱：多通道射頻相位匹配控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字電視多通道射頻相位匹配控制領(lǐng)域，主要是一種多通道射頻相位 匹配控制裝置和方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字電視廣播技術(shù)(包括衛(wèi)星廣播、電纜廣播及地面廣播)是最近十幾年發(fā)展起 來的高新技術(shù)。目前已經(jīng)成為包括我國在內(nèi)的全球信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。這一技術(shù)的 發(fā)展，引發(fā)了廣播電視業(yè)界的一場技術(shù)革命。廣播電視從黑白電視、彩色電視，正進(jìn)入數(shù)字 化時(shí)代。近年來，隨著功率合成技術(shù)逐步成熟，使得大功率功放模塊廣泛應(yīng)用在廣播電視發(fā) 射機(jī)上。全固態(tài)發(fā)射機(jī)從小功率的100W、300W逐漸發(fā)展到大功率的1KW、3KW甚至5KW以上， 其具有高效、穩(wěn)定、安全及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前廣播電視的主流設(shè)備。功放模塊中，功放 器件采用MOS FET/金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管。但是MOS FET單個固態(tài)功放單元最 大輸出功率一般不超過500W，為了達(dá)到發(fā)射機(jī)的額定輸出功率，必須采用功率合成技術(shù)，將 多個各自獨(dú)立的固態(tài)功放單元的輸出功率進(jìn)行合成，以獲得足夠大的輸出功率。射頻功率合成應(yīng)滿足功率相加條件。同級各個放大單元輸出的相位相等時(shí)，如果 每個放大單元供給匹配負(fù)載的額定功率為Pi，則η個放大單元輸出負(fù)載的總功率為nPi。這 就要求功率合成時(shí)各個通道的相位特性一樣。但由于器件的離散性等原因，不可能每個通 道的相移量都是一樣的，這樣在功率合成時(shí)必然會有相位誤差。相位誤差又會影響功率合 成的效率。所以需要在每個通道增加相位調(diào)整的電路，保證在功率合成時(shí)各個通道的相位 是一致的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是要克服通信系統(tǒng)工作制式為FDD時(shí)收發(fā)射頻鏈路不能共用的 難題，而提供一種多通道射頻相位匹配控制裝置和方法，特別適應(yīng)于多路射頻大功率合成。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種多通道射頻相位匹配控制裝置，包 括輸入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、輸出耦 合器、輸入功率檢測器、輸出功率檢測器和微控制器。射頻信號經(jīng)過輸入耦合器提取部分輸 入信號檢測輸入整個裝置的輸入功率，接著通過多通道功率分配器把射頻信號分成多個支 路，每個支路的射頻信號都需要通過相位移位器和功率放大器進(jìn)行相位調(diào)整和功率放大， 然后所有支路通過多通道大功率合成器，把所有支路的射頻功率相加后進(jìn)入到輸出耦合 器，輸出耦合器用來提取輸出信號檢測整個裝置的輸出功率。檢測出來的輸入輸出功率信 號送入到微控制器進(jìn)行量化分析處理后，采用輸出功率最大化的自適應(yīng)準(zhǔn)則分別控制各個 通道的相位移位器，使各個通道的射頻信號在功率合成時(shí)的相位一致，減少由于相位誤差 帶來的合成損耗。輸入耦合器提取部分輸入信號輸送到輸入功率檢測器，把射頻輸入信號功率轉(zhuǎn)化 為控制器能測量的模擬直流信號；
輸出耦合器提取部分輸出信號輸送到輸出功率檢測器，把射頻輸出信號功率轉(zhuǎn)化 為控制器能測量的模擬直流信號；多通道功率分配器，用于把射頻信號等功率分成至少三個支路，分配的多個通道 的射頻幅度和相位特性完全一樣；多通道大功率合成器，用于把至少三個支路的射頻信號合成在一起，實(shí)現(xiàn)多個射 頻支路信號的功率相加的功能。此合成器必須能承受不少于1000W的平均功率。合成器的 輸入支路數(shù)必須和分配的輸出支路數(shù)相同；相位移位器，由一個電橋和兩顆變?nèi)荻O管組成。電橋把射頻信號分成兩路，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；微控制器控制 變?nèi)荻O管的反向電壓，改變反向電壓的大小改變變?nèi)荻O管的電容值，從而達(dá)到控制射 頻信號相移量的目的。功率放大器，由多級射頻鏈路組成，實(shí)現(xiàn)射頻信號的功率放大，至少輸出400W的 平均功率。作為優(yōu)選，輸入耦合器的耦合系數(shù)不能小于20dB，這樣可以使輸入耦合器的插損 很小。輸出耦合器的耦合系數(shù)不能小于40dB，這樣可以使輸出耦合器的插損很小，減少輸出 功率損耗。作為優(yōu)選，微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號；包括8個通道的IObit D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號；包括 ARM內(nèi)核，能運(yùn)行各種復(fù)雜算法；包括存儲模塊，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述的多通道射頻相位匹配控制方法，采用相位匹配控制算法，使各個通 道的射頻信號在到達(dá)多通道大功率合成器合成時(shí)的相位一致，包括如下步驟a.上電后，初始化各個通道內(nèi)相位移位器的控制電壓P1、P2、……、Pn ；b.采樣量化輸入功率檢測器輸出的直流信號，記錄此時(shí)的射頻輸入功率；c.依次調(diào)整各個通道內(nèi)相位移位器的控制電壓，使輸出功率檢測器輸出的直流信 號達(dá)到最大值；d.循環(huán)跳轉(zhuǎn)至步驟b。本發(fā)明有益的效果是本發(fā)明提出一種多通道射頻相位匹配控制裝置和方法，使 各個通道的射頻信號在到達(dá)合成器合成時(shí)的相位，減少由于相位誤差帶來的合成損耗，提 高合成效率。


附圖1是本發(fā)明原理框圖；附圖2是相位移位器原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及舉例，對本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)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)明提出了一種多通道射頻相位匹配控制裝置和方法，包括輸入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、輸出耦合器、輸入功率檢測 器、輸出功率檢測器和微控制器，實(shí)現(xiàn)多通道射頻大功率合成的功能。輸入耦合器和輸入功率檢測器，輸入耦合器提取部分輸入信號輸送到輸入功率檢 測器，把射頻輸入信號功率轉(zhuǎn)化為控制器可以測量的模擬直流信號。輸入耦合器的耦合端 用于提取輸入的射頻信號，耦合系數(shù)不能小于20dB，這樣可以降低輸入耦合器的插損，輸入 信號低損耗通過輸入耦合器，更多的射頻功率進(jìn)入到后面各個通道進(jìn)行功率放大。輸入功 率檢測器采用真值功率檢測器，進(jìn)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例關(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大大可降低輸入信號峰均值比(PAR)對檢測精度的影響。輸出耦合器和輸出功率檢測器，輸出耦合器提取部分輸出信號輸送到輸出功率檢 測器，把射頻輸出信號功率轉(zhuǎn)化為控制器可以測量的模擬直流信號。輸出耦合器的耦合端 用來提取輸出的射頻信號，耦合系數(shù)不能小于40dB，這樣可以使輸出耦合器的插損很小，減 少輸出功率損耗，提高整個系統(tǒng)的效率。輸出功率檢測器也采用真值功率檢測器，進(jìn)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例關(guān)系，輸入到 檢測的信號功率越大，轉(zhuǎn)換后輸出的直流信號也越大。多通道功率分配器，把射頻信號等功率分成至少三個支路。分配的多個通道的射 頻幅度和相位特性完全一樣。多通道大功率合成器，其特征在于把至少三個支路的射頻信號合成在一起，實(shí)現(xiàn) 多個射頻支路信號的功率相加的功能。此合成器必須能承受不少于1000W的平均功率。合 成器的輸入支路數(shù)必須和分配的輸出支路數(shù)相同。相位移位器(如附圖2所示)，主要由一個3dB電橋CPl和兩顆變?nèi)荻O管Dl、 D2組成。3dB電橋把射頻信號分成兩路(電橋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3dB電橋輸入端(電橋CPl的1腳)對應(yīng)的隔離端(電橋CPl的2 腳)輸出。變?nèi)荻O管的反向電壓由為控制器控制(PiSet)。改變反向電壓的大小可以改 變變?nèi)荻O管的電容值，從而達(dá)到控制射頻信號相移量的目的。為控制器輸出的控制電壓 在0 12V范圍內(nèi)，相移器的相移在0 105°范圍內(nèi)。微控制器，包括8個通道的IObit A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號；包括8個通道的IObit D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號；包括ARM內(nèi)核，能 運(yùn)行各種復(fù)雜算法；包括存儲模塊，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。功率放大器，由多級射頻鏈路組成，實(shí)現(xiàn)射頻信號的功率放大，末級功率放大器采 用LDMOS器件，至少輸出400W的平均功率。由于數(shù)字電視射頻信號的峰均值比(PAR)很高 (> IOdB)，這樣末級放大器件要有峰值功率4000W，而單個LDMOS沒有這個峰值輸出能力， 所以末級放大采用由4顆LDMOS以平衡放大的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。目前在這個系統(tǒng)中比較適合的 LDMOS器件有MRF6VP3450H。每個通道采用一樣的功率放大器，但由于器件的離散性等原 因，不可能每個通道的相移量都是一樣的，這樣在功率合成時(shí)必然會有相位誤差。相位誤差 又會影響功率合成的效率。所以需要在每個通道增加相位調(diào)整的電路，保證在功率合成時(shí) 各個通道的相位是一致的。相位匹配控制算法，使各個通道的射頻信號在到達(dá)合成器合成時(shí)的相位一致，減 少由于相位誤差帶來的合成損耗。在特定輸入功率情況下，采用輸出功率最大化的準(zhǔn)則。主要包括如下步驟a.上電后，初始化各個通道內(nèi)相位移位器的控制電壓PI、P2、……、Pn。b.采樣量化輸入功率檢測器輸出的直流信號，記錄此時(shí)的射頻輸入功率。c.依次調(diào)整各個通道內(nèi)相位移位器的控制電壓，使輸出功率檢測器輸出的直流信 號達(dá)到最大值。d.循環(huán)跳轉(zhuǎn)至步驟b，如此循環(huán)多次，直到輸出功率已最大了。本發(fā)明能自適應(yīng)控制多通道射頻功率合成時(shí)的相位匹配，保證功率合成時(shí)各個通 道的相位一致。具有穩(wěn)定、高效、簡捷等特點(diǎn)。可以理解的是，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(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多通道射頻相位匹配控制裝置，其特征是包括輸入耦合器、多通道功率分配 器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、輸出耦合器、輸入功率檢測器、輸出功 率檢測器和微控制器，其中，輸入耦合器提取部分輸入信號輸送到輸入功率檢測器，把射頻輸入信號功率轉(zhuǎn)化為控 制器能測量的模擬直流信號；輸出耦合器提取部分輸出信號輸送到輸出功率檢測器，把射頻輸出信號功率轉(zhuǎn)化為控 制器能測量的模擬直流信號；多通道功率分配器，用于把射頻信號等功率分成至少三個支路，分配的多個通道的射 頻幅度和相位特性完全一樣；多通道大功率合成器，用于把至少三個支路的射頻信號合成在一起，合成器的輸入支 路數(shù)必須和分配的輸出支路數(shù)相同；相位移位器，由一個電橋和兩顆變?nèi)荻O管組成。電橋把射頻信號分成兩路，通過變?nèi)?二極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；微控制器控制變?nèi)?二極管的反向電壓，改變反向電壓的大小改變變?nèi)荻O管的電容值；功率放大器，由多級射頻鏈路組成，用于實(shí)現(xiàn)射頻信號的功率放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道射頻相位匹配控制裝置，其特征是輸入耦合器的耦 合系數(shù)不能小于20dB，輸出耦合器的耦合系數(shù)不能小于40dB。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道射頻相位匹配控制裝置，其特征是微控制器，包括8 個通道的IObit A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；包括8個通道的IObit D/ A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號；包括ARM內(nèi)核，能運(yùn)行各種復(fù)雜算法；包括存儲 模塊，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。
4.一種采用如權(quán)利要求1所述的多通道射頻相位匹配控制裝置的控制方法，其特征在 于采用相位匹配控制算法，使各個通道的射頻信號在到達(dá)多通道大功率合成器合成時(shí)的 相位一致，包括如下步驟a.上電后，初始化各個通道內(nèi)相位移位器的控制電壓P1、P2、……、Pn;b.采樣量化輸入功率檢測器輸出的直流信號，記錄此時(shí)的射頻輸入功率；c.依次調(diào)整各個通道內(nèi)相位移位器的控制電壓，使輸出功率檢測器輸出的直流信號達(dá) 到最大值；d.循環(huán)跳轉(zhuǎn)至步驟b。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多通道射頻相位匹配控制裝置和方法，包括輸入耦合器、多通道功率分配器、相位移位器、功率放大器、多通道大功率合成器、輸出耦合器、輸入功率檢測器、輸出功率檢測器和微控制器。射頻信號經(jīng)過輸入耦合器提取部分輸入信號檢測輸入整個裝置的輸入功率，接著通過多通道功率分配器把射頻信號分成多個支路，每個支路的射頻信號都需要通過相位移位器和功率放大器進(jìn)行相位調(diào)整和功率放大，然后所有支路通過多通道大功率合成器，把所有支路的射頻功率相加后進(jìn)入到輸出耦合器，輸出耦合器用來提取輸出信號檢測整個裝置的輸出功率。本發(fā)明有益的效果是使各個通道的射頻信號在功率合成時(shí)的相位一致，減少由于相位誤差帶來的合成損耗。
文檔編號H04N5/44GK102075711SQ20101061018
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者吳志堅(jiān), 賴敏福 申請人:三維通信股份有限公司