专利名称：一种射频功率放大器热备份系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及双通道输出的射频相位匹配和功率匹配控制领域，主要是一种射频功率放大器热备份系统及实现方法。
背景技术：
GSM-R系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。在中国铁路的频段为上行885-889MHZ、下行930_934MHz。它在GSMPhase2+的规范协议的高级语音呼叫 功能，如组呼、广播呼叫、多优先级抢占和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址和旅客服务。正因为GSM-R系统应用环境的特殊性，为了提高系统的可靠性和稳定性，保障通信畅通，其中的不少模块需要采用双备份方案，如电源模块备份、光模块和光纤备份、射频功率放大器备份等等。以往国内的绝大多数厂家都采用射频功率放大器冷备份，也就是说当一个射频功率放大器发生故障时，采用射频开关等方法来接通备用的射频功率放大器，其间必然会出现通信信号的瞬时中断。对于普通的移动通信系统，瞬时的通信信号中断所造成的损失是可以掌控。但对于GSM-R系统来说，瞬时的通信信号消失可能会造成灾难性的后果。所以随着高速铁路的飞速发展，射频功率放大器冷备份系统的局限性日益凸现。
发明内容
本发明正是针对GSM-R射频功率放大器冷备份系统体现出来的不足，而提供一种射频功率放大器热备份系统及实现方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案这种射频功率放大器热备份系统，该系统包括功率分配器、相位调节器、射频功率放大器、定制腔体双工器、输出功率检测器和微控制器，其中定制腔体双工器中内嵌功率合成/功率分配器和输出耦合器；射频信号输入功率分配器和相位调节电路，输出两路射频信号。两个功率放大器分别对两路射频信号进行放大。放大后的射频信号经过定制双工器内的功率合成/分配器及输出耦合器后，输出两路功率为额定功率的射频信号。输出耦合器和输出功率检测器用于检测功率合成/分配器的输出信号。检测出来的功率信号送到微控制器进行量化分析处理，微控制器的输出信号用于调节相位调节器中两路射频信号之间的相位差，以保证系统的两路输出功率基本相等(两者的差值小于0. 2dB)。更进一步的，所述的输出耦合器提取部分射频输出信号送到输出功率检测器，输出功率检测器把射频输出信号功率转化为微控制器能测量的模拟直流信号。更进一步的，相位调节器电路由一个3dB电桥和两个变容二极管组成。电桥把射频信号分为两路，通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与电桥输入端对应的隔离端输出。微控制器通过控制变容二极管的反向电压，来改变变容二极管的电容值，从而达到改变射频信号的相位的目的。更进一步的，输出耦合器的耦合系数不能小于40dB，以使输出耦合器的插入损耗很小，减小功率损耗。更进一步的，所述的微控制器，包括8个通道的IObit A/D转换器，将模拟电压信号转换为数字信号；包换8个通道的IObit D/A转换器，将数字信号转换为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。设计时将功率合成/分配器处于定制双工器的输入前端的原因两路射频信号在双工器中所经过的路径不同，所产生的时延也不相等，将率合成/分配器处于定制双工器的输入前端可以消除由于时延不同所带来的不利影响，如增益平坦度变差等。 微控制器的相位调节采用先粗调后微调算法。刚上电时，系统的两路输出功率强度差值可能比较大，此时微控制器采用粗调(即大步进)算法。当两者的功率强度差值较小(如小于IdB)时，微控制器采用微调(即小步进)算法，直至两者的功率相等。采用这种算法的好处是，能改善相位调节的效果，上电后能使两者的功率在较短的时间内达到相等。本发明所述的射频功率放大器热的备份方法，步骤如下(I)、在正常情况下，两个射频功率放大器同时工作，即同时对输入其中的射频信号进行放大。由于电路的离散性和两路射频信号所经过的路径的时延不同，如果没有相位调节器，则无法保证系统两路输出的功率强度相等。微控制器芯片通过比较两路功率检测信号，来调整相位调节器的控制电压，控制电压的大小用于改变相位调节器中两路信号之间的相位差，以使系统两路输出信号的强度相等。(2)、当某一射频功率放大器发生故障且无输出功率时，微控制器检测到功率合成/分配器的总输出功率只有正常情况下的一半左右，此时微控制器就认为有一个射频功率放大器发生故障。为了保证系统的输出功率不变，微控制器同时将两个射频功率放大器的最大输出功率的设置值增加3dB。在此过程中存在短暂的射频信号减弱现象，但不影响通信信号的连续性。本发明有益的效果是以往的冷备份系统一般都是采用微波开关，在功率放大器切换过程中容易出现通信信号中断的问题，本发明不存在切换的问题，彻底解决了冷备份所造成的信号中断的弊端，符合铁路通信系统高指标和高稳定性的要求。
图I为本发明的原理框图。图2为相位调节器的电路原理图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及举例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的举例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提出了一种射频功率放大器热备份的技术方案该系统包括功率分配器、相位调节器、射频功率放大器、定制腔体双工器、输出功率检测器和微控制器，其中定制腔体双工器中内嵌功率合成/功率分配器和输出耦合器。射频信号RFO输入功率分配器，功率分配器采用3dB电桥，输出RFl和RF2。RFl和RF2经过相位调节器内部的3dB电桥和相位调节电路后，输出RF3和RF4，RF3经过射频功率放大器I进行放大之后输出RF5，RF4经过射频功率放大器2进行放大之后输出RF6，RF5和RF6输入腔体双工器内部的3dB电桥进行功率合成和分配，电桥的两路输出射频信号RF7和RF8分别经过腔体双工器的腔体与输出耦合器I和输出耦合器2，输出RF9和RF10。输出耦合器I和输出功率检测器I用于检测射频信号RF7的强度，输出耦合器2和输出功率检测器2用于检测射频信号RF8的强度，检测出来的功率信号送到微控制器进行量化分析处理，微控制器的输出信号用于调节RF3和RF4之间的相位差，以保证RF9和RFlO的功率基本相等(两者的差值小于0. 2dB)。输出耦合器I提取部分射频输出信号RF7送到输出功率检测器1，输出功率检测器
I把射频输出信号功率转化为微控制器能测量的模拟直流信号。输出耦合器2提取部分射频输出信号RF8送到输出功率检测器2，输出功率检测器2把射频输出信号功率转化为微控制器能测量的模拟直流信号。输出I禹合器I和输出I禹合器2的I禹合系数不能小于40dB，以使输出I禹合器I和输出耦合器2的插入损耗很小，减小功率损耗，提高整个系统的效率。微控制器检测的为RF7和RF8的功率强度，而设备实际输出的信号为RF9和RF10。当输出耦合器I和输出耦合器2的插入损耗很小时，可以认为RF7和RF9的强度相等，RF8和RFlO的强度相等，这样通过改变RF3和RF4之间的相位差，保证设备的两路实际输出功率RF9和RFlO相等。输出功率检测器采用真值功率检测器。进入到检测器输入端的射频功率(单位为dBm)和转换后输出的直流电压信号成正比关系。输入到检测器的信号功率越大，转换后输出的直流信号也越大。采用真值功率检测方式可大大降低输出信号峰均值比(PAR)对检测精度的影响。相位调节器电路由一个3dB电桥CPl和两颗变容二极管D1、D2组成。3dB电桥把射频信号分为两路(CPl的3、4脚)，通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与电桥输入端(CPl的I脚)对应的隔离端(CPl的2脚)输出。微控制器通过控制变容二极管的反向电压，来改变变容二极管的电容值，从而达到改变射频信号的相位的目的。为了扩大相位调节的范围，附图2中的运算放大器的工作电压可以选用12V直流电压，此时微控制器的相位调节电压范围为(T12V，相位调节器的相位调节范围约为(Tl05°。如果需要获得更大的相位调节范围，可以将两级附图2中所示的相位调节器进行串联，此时相位调节范围约为(T210°。微控制器，包括8个通道的IObit A/D转换器，将模拟电压信号转换为数字信号；包换8个通道的IObit D/A转换器，将数字信号转换为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。微控制器的相位调节采用先粗调后微调算法。刚上电时，RF9和RFlO的功率强度差值可能比较大，此时微控制器采用粗调(即大步进)算法。当RF9和RFlO的功率强度差值较小(如小于IdB)时，微控制器采用微调(即小步进)算法，直至RF9和RFlO两者的功率相等。采用这种算法的好处是，能改善相位调节的效果，上电后能使RF9和RFlO的功率在较短的时间内达到相等。本发明所述的射频功率放大器热的备份方法，步骤如下(I)、在正常情况下，两个射频功率放大器同时工作，即同时对输入其中的射频信号进行放大。由于电路的离散性和两路射频信号所经过的路径的时延不同，如果没有相位调节器，则无法保证系统两路输出的功率强度相等。微控制器芯片通过比较两路功率检测信号，来调整相位调节器的控制电压，控制电压的大小用于改变相位调节器中两路信号之间的相位差，以使系统两路输出信号的强度相等。(2)、当某一射频功率放大器发生故障且无输出功率时，微控制器检测到功率合成/分配器的总输出功率只有正常情况下的一半左右，此时微控制器就认为有一个射频功率放大器发生故障。为了保证系统的输出功率不变，微控制器同时将两个射频功率放大器的 最大输出功率的设置值增加3dB。在此过程中存在短暂的射频信号减弱现象，但不影响通信信号的连续性。本发明所说明的热备份系统包括两个射频功率放大器和两路射频输出信号，但采用三个及三个以上射频功率放大器和三路及三路以上射频输出信号的系统也在本发明权利要求的范围内。可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种射频功率放大器热备份系统，其特征在于该系统包括功率分配器、相位调节器、射频功率放大器、定制腔体双工器、输出功率检测器和微控制器，其中定制腔体双工器中内嵌功率合成/功率分配器和输出耦合器；射频信号输入功率分配器和相位调节电路，输出两路射频信号,两个射频功率放大器分别对两路射频信号进行放大,放大后的射频信号经过定制腔体双工器内的功率合成/分配器及输出耦合器后，输出两路功率为额定功率的射频信号，输出耦合器和输出功率检测器用于检测功率合成/分配器的输出信号，微控制器的输出信号用于调节相位调节器中两路射频信号之间的相位差，使两路输出功率基本相等。
2.根据权利要求I所述的射频功率放大器热备份系统，其特征在于所述的输出耦合器提取部分射频输出信号送到输出功率检测器，输出功率检测器把射频输出信号功率转化为微控制器能测量的模拟直流信号。
3.根据权利要求I所述的射频功率放大器热备份系统，其特征在于相位调节器电路由一个3dB电桥和两个变容二极管组成，电桥把射频信号分为两路，通过变容二极管改变射频信号的相位后反射到与电桥输入端对应的隔离端输出；微控制器通过控制变容二极管的反向电压，来改变变容二极管的电容值，从而改变射频信号的相位。
4.根据权利要求I所述的射频功率放大器热备份系统，其特征在于所述的输出耦合器的耦合系数大于等于40dB。
5.根据权利要求I或3所述的射频功率放大器热备份系统，其特征在于所述的微控制器，包括8个通道的IObit A/D转换器，将模拟电压信号转换为数字信号；包换8个通道的IObit D/A转换器，将数字信号转换为模拟电压信号；包括ARM内核，能运行各种算法；包括存储模块，用于存储程序和数据。
6.一种采用如权利要求I所述的射频功率放大器热备份系统的方法，其特征在于步骤如下 (1)、在正常情况下，两个射频功率放大器同时工作，即同时对输入其中的射频信号进行放大，微控制器通过比较两路功率检测信号，来调整相位调节器的控制电压，控制电压的大小用于改变相位调节器中两路信号之间的相位差，以使系统两路输出信号的强度相等； (2)、当某一射频功率放大器发生故障且无输出功率时，微控制器检测到功率合成/分配器的总输出功率只有正常情况下的一半，微控制器同时将两个射频功率放大器的最大输出功率的设置值增加3dB。
全文摘要
本发明提供了一种射频功率放大器热备份系统及实现方法，该系统包括功率分配器、相位调节器、射频功率放大器、定制腔体双工器、输出功率检测器和微控制器；射频信号输入功率分配器和相位调节电路，输出两路射频信号，两个射频功率放大器分别对两路射频信号进行放大，放大后的射频信号经过定制腔体双工器内的功率合成/分配器及输出耦合器后，输出两路功率为额定功率的射频信号，微控制器的输出信号用于调节相位调节器中两路射频信号之间的相位差，使两路输出功率基本相等。本发明有益的效果是本发明不存在切换的问题，彻底解决了冷备份所造成的信号中断的弊端，符合铁路通信系统高指标和高稳定性的要求。
文档编号H03F3/68GK102664598SQ201210153860
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者张小龙, 潘永彬, 许艳苇 申请人:三维通信股份有限公司