实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其中包括定向耦合器、两个衰减器、双输入检波电路、差分放大电路、电压比较及控制电路和数码管，各个所述的衰减器分别连接于所述的定向耦合器和双输入检波电路之间，所述的双输入检波电路通过所述的差分放大电路、电压比较及控制电路与所述的天线的功率放大器相连接，所述的数码管与所述的电压比较及控制电路相连接。采用该种结构的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，可以实现精确地检测超宽带多信道天线的驻波比，对天线的状态进行检测，根据天线破损的不同程度采取必要的保护措施，保护前级电路免遭损坏，结构简单，使用方便，具有更广泛的应用范围。
【专利说明】实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及驻波检测领域，尤其涉及超宽带多信道天线驻波检测领域，具体是指一种实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统。
【背景技术】
[0002]驻波比(VSWR)是用来测量射频电路中阻抗失配度的指标。驻波比过大会将会影响通信距离，降低信息传输的质量，并且会导致射频电路出现一系列问题。
[0003]位于天线前端的功率放大器是对驻波恶化最为敏感的部件，反射功率返回到功率放大器中，情况严重时可导致高功率放大器造成永久性损坏，我们通常称之为驻波失效。在这种情况出现时，对高功率放大器进行有效的保护是十分重要的。因此我们必须实时检测天线的状态，并根据天线的状态采取必要的措施来保护前级电路。
[0004]在大功率无线通信发送设备中，为了对射频功率放大器实施有效的输出驻波比检测和保护，系统通常要求:当功率放大器输出口驻波小于等于3时，功率放大器正常工作；当输出驻波位于3和6之间时输出功率降低IOdB ;当输出驻波大于6时立即关闭功放以对功放实施保护。
[0005]目前国内外公司在天线状态检测时，一般采用拾取天线的反射信号进行检波，t匕如使用微带耦合线或环形器来拾取部分反射信号。通过检波电路转换为直流电压，再通过比较电路来判断天线的驻波，最后根据比较结果采取必要的保护措施(降低功放发射功率或关掉功放)。
[0006]这种方法对于窄带信号，单载波信号及发射功率变化不大的的通信设备来说足够了，但是对于多载波及多个功率档位输出的通信设备来说显然不能胜任，主要表现为:(I)由于带宽比较宽，在整个带宽内有成百上千个信道，耦合器在整个带宽内的耦合度不一致，负载对不同频率的反射信号大小不一致，导致部分信道的反射信号有差异，所以检波电压值的一致性不能保证，很难判断天线的驻波大小。(2)由于功放输出功率不同，不同功率对应的反射信号功率大小不同，导致检波电压不同，所以需要设置多个门限电压，实现起来比较麻烦。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现精确测量超宽带多信道天线的驻波比、保护前级电路免遭损坏、结构简单、具有更广泛应用范围的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统。
[0008]为了实现上述目的，本实用新型的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统具有如下构成:
[0009]该实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其主要特点是，所述的系统包括定向耦合器、两个衰减器、双输入检波电路、差分放大电路、电压比较及控制电路和数码管，各个所述的衰减器分别连接于所述的定向耦合器和双输入检波电路之间，所述的双输入检波电路通过所述的差分放大电路、电压比较及控制电路与所述的天线的功率放大器相连接，所述的数码管与所述的电压比较及控制电路相连接。
[0010]较佳地，所述的系统还包括PCB板，所述的定向耦合器、两个衰减器、双输入检波电路、差分放大电路、电压比较及控制电路和数码管均设置于所述的PCB板上。
[0011]更佳地，所述的PCB板的板材的耐燃等级为FR4，该PCB板的板材的介电常数为
4.3，该PCB板的板材厚度为0.6mm,该PCB板的铜层厚度为1.4mil。
[0012]较佳地，所述的定向耦合器为微带定向耦合器，该微带定向耦合器的长度为所述的天线的中心频率波长的十六分之一，该微带定向耦合器的微带线间距为0.35_，该微带定向I禹合器的I禹合系数为23,该微带定向f禹合器的方向性为13dB。
[0013]较佳地，所述的衰减器由π型衰减网络组成。
[0014]较佳地，所述的双输入检波电路为双输入真有效值对数检波器。
[0015]较佳地，所述的差分放大电路包括运算放大器、连接于所述的双输入检波电路与运算放大器反向输入端之间的第一电阻、连接于所述的第一电阻与运算放大器的输出端的第二电阻、连接于所述的双输入检波电路与运算放大器正向输入端之间的第三电阻和连接于所述的第三电阻与接地端之间的第四电阻。
[0016]更佳地，所述的第一电阻与第三电阻的电阻值相等，所述的第二电阻与第四电阻的电阻值相等，所述的第二电阻与第一电阻的阻值比介于5到12之间。
[0017]采用了该实用新型中的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，具有如下有益效果:
[0018]1、解决在50MHz带宽内、2000多个信道、及4个功率输出档位的情况下对天线的状态进行检测，根据天线破损的不同程度采取必要的保护措施，保护前级电路免遭损坏。
[0019]2、消除上千个信道及多个功率档位输出对反射信号检测的影响，最终达到检测信号的电压几乎与信道和功率无关，精确的检测天线的驻波大小，并采取必要的保护措施。
[0020]3、由于电台应用的特殊性，即传输数据具有一定的距离，当驻波在3和6之间时降低功率会影响传输距离，数据可能无法传输到目的地，所以本方案设计为当驻波大于4时将进行提示并关掉功放，这有利于测试人员及时发现问题，更换天线，提高作业效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统的结构示意图。
[0022]图2为本实用新型的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统的工作过程示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
[0024]本实用新型涉及一种频段为420MHz?470MHz数传电台的天线状态检测系统，此电台的频率间隔为12.5KHz或25KHz可选，因此至少有2000个信道。功率输出有4个固定档位为 2W、5W、10W、20W。[0025]如图1所示为本实用新型的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统的结构示意图。
[0026]图1中Pr为正向功率，Pt为发射功率。Rl?RlO为贴片电阻，Vr为正向检波电压，Vt为反向检波电压。
[0027]本实用新型的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统主要由定向耦合器、衰减器、双输入真有效值对数检波管、差分放大器、电压比较及控制电路和数码管组成，这六个模块构成了一个闭环的控制和显示系统，完成对天线驻波检测及报警的自动控制和显不功能。
[0028]PCB板采用FR4的板材，介电常数为4.3，板厚为0.6mm，铜厚度为1.4mil。定向耦合器由微带线构成，考虑到电路板面积的问题，微带耦合器的长度设为中心频率的十六分之一波长，大概为23mm,微带线间距为0.35mm, f禹合系数C为23,方向性D为13dB。微带定向耦合器主要完成正向功率和反射功率的检测。衰减器由电阻网络组成，为η衰网络，衰减大小可调，输入输出为50欧姆，主要调节进入检波管的信号功率大小，为了使驻波大小与差分放大后的检测电压的大小成正比关系，所以使正向检测端的衰减量小于反向检测端的衰减量。真有效值对数检波管采用凌特公司的LTC5583，此芯片具有双通道输入检波，两路检波电压输出及一路差分电压输出。差分放大器由运放构成，完成差分信号的放大，外围的电阻网络有如下特点:R1=R3, R2=R4, R2与Rl的比值介于5到12之间，优选为10。比如驻波为3和驻波为6时的差分电压分别为IOOmV和300mV，则经过运放的10倍差分放大后其电压差值由原来的200mV变为2V，使不同驻波值所对应的检测电压的差值变大，有利于精确测量天线的驻波大小。电压比较及控制电路主要由ARM或单片机组成，使用ARM或单片机自带的AD功能对检测电压进行采用，将采样后的电压与设定的门限电压值进行比较，当电压值大于驻波为4所对应的门限值时关掉功放，控制DA输出电压连接到功放的偏置端，通过设置DA输出的大小来关闭或打开功放。
[0029]如图2所示为本实用新型的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统的工作过程示意图。
[0030]上述各部件实现检测和报警功能的工作过程为:微带定向耦合器同时耦合正向功率及反射功率的部分能量，η衰网络对耦合的功率进行适当衰减，使其大小适合检波器的线性要求，同时满足不同档位功率的耦合功率落入检波器的线性范围内。双输入真有效值对数检波器LTC5583对经过π衰的信号进行检波，输出两路检波电压及一路差分后的电压。差分放大器对输出的两路检波电压进行差分放大，或者对输出的一路差分后的电压进行放大，功能完全一样，只是运放的接法不同。电压比较及控制电路主要完成对运放输出电压的AD采样，将采样值与设定的报警门限电压值进行比较，此设计中报警门限电压值对应的天线驻波为4。然后根据比较结果采取措施保护措施。当检测电压大于门限值时将关掉功放，同时数码管显示报警字符‘Α’。经过7秒时间，功放重新发射，同时检测电压值，如果大于门限值将关掉功放，数码管同时显示报警字符‘Α’。如果检测电压值小于门限值将恢复发射，数码管显示信道号。
[0031]采用本实用新型的系统实现驻波检测及报警功能的测试过程:
[0032]由于采用正向和反向同时检波，消除了不同频率及不同功率所产生的误差，所以测试下来发现在整个带宽内比较理想，具体测试步骤及效果如下。[0033](I)使用步进衰减器模拟不同驻波的负载，步进衰减器一头接一个短路负载。另一头接到网络分析仪的I端口，测试驻波大小。当衰减值为IdB时，驻波为5.6，当衰减值为3dB时，对应驻波为2.8，将报警门限设为驻波为4时所对应的电压值。
[0034](2)将步进衰减器连接到功放输出端，另一端接短路负载，衰减量为3dB，开机使功放工作，功放将按IHz的频率发射数据，每次发射时都对天线的驻波进行检测。在50MHz带宽内，等频率间隔的选取了 20个点，发射功率选择10W。测试发现在衰减量为3dB时，20个频率都发射正常，没有报警，但是当衰减值设为IdB时，功放被关掉，同时数码管显示报警字符‘A’。过7秒钟再发射一包数据进行检测，如果衰减值为3dB，则恢复发射，如果衰减值为ldB，则继续报警，再过7秒进行检测，依次循环。同时对驻波为2.8及5.6所对应的20个频点的检测电压进行了记录，发现20个数据几乎一样，驻波比为2.8所对应的电压值为IV左右，驻波比为5.6所对应的电压值为2.8V左右，20个电压值相差不到20mV，完全能够区分不同驻波。
[0035](3)选择不同的功率输出:2W、5W、20W。重复上述测试，发现不同功率输出对检测电压几乎没有影响，测试结果与上述一致。
[0036](4)使用天线进行测试，选择三种天线，一种为好的，整个带宽为驻波小于3，另外两个为有破损的，测得在450MHz时的驻波分别为3.8和4.2。并对三个天线依次编号为1、
2、3。首先使用I号天线进行测试，在整个带宽内设置20个频点，同时切换不同功率，测试下来发现发射正常，没有报警。测试2号天线，在450MHz时，切换不同的功率进行测试，发射正常，没有报警。测试3号天线，在450MHz时，切换不同的功率进行测试，发射出现报警，过7秒后重新检测，继续报警。2号天线及3号天线所对应的检测电压分别为1.56V和1.79V，相差230mV，完全可以进行区分。两个破损天线之所以只测试了一个频点是因为设置的驻波值与门限电压所对应的驻波值4都比较接近，不能保证在整个带宽内驻波的一致性。也可以选择其他频点，只要能说明问题即可。
[0037]由上面的测试可以看出，采用了该实用新型中的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，具有如下有益效果:
[0038]1、解决在50MHz带宽内、2000多个信道、及4个功率输出档位的情况下对天线的状态进行检测，根据天线破损的不同程度采取必要的保护措施，保护前级电路免遭损坏。
[0039]2、消除上千个信道及多个功率档位输出对反射信号检测的影响，最终达到检测信号的电压几乎与信道和功率无关，精确的检测天线的驻波大小，并采取必要的保护措施。
[0040]3、由于电台应用的特殊性，即传输数据具有一定的距离，当驻波在3和6之间时降低功率会影响传输距离，数据可能无法传输到目的地，所以本方案设计为当驻波大于4时将进行提示并关掉功放，这有利于测试人员及时发现问题，更换天线，提高作业效率。
[0041]在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
【权利要求】
1.一种实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的系统包括定向耦合器、两个衰减器、双输入检波电路、差分放大电路、电压比较及控制电路和数码管，各个所述的衰减器分别连接于所述的定向耦合器和双输入检波电路之间，所述的双输入检波电路通过所述的差分放大电路、电压比较及控制电路与所述的天线的功率放大器相连接，所述的数码管与所述的电压比较及控制电路相连接。
2.根据权利要求1所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的系统还包括PCB板，所述的定向耦合器、两个衰减器、双输入检波电路、差分放大电路、电压比较及控制电路和数码管均设置于所述的PCB板上。
3.根据权利要求2所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的PCB板的板材的耐燃等级为FR4，该PCB板的板材的介电常数为4.3，该PCB板的板材厚度为0.6mm,该PCB板的铜层厚度为1.4mil。
4.根据权利要求1所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的定向耦合器为微带定向耦合器，该微带定向耦合器的长度为所述的天线的中心频率波长的十六分之一，该微带定向耦合器的微带线间距为0.35_，该微带定向耦合器的耦合系数为23，该微带定向耦合器的方向性为13dB。
5.根据权利要求1所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的衰减器由η型衰减网络组成。
6.根据权利要求1所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的双输入检波电路为双输入真有效值对数检波器。
7.根据权利要求1所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的差分放大电路包括运算放大器、连接于所述的双输入检波电路与运算放大器反向输入端之间的第一电阻、连接于所述的第一电阻与运算放大器的输出端的第二电阻、连接于所述的双输入检波电路与运算放大器正向输入端之间的第三电阻和连接于所述的第三电阻与接地端之间的第四电阻。
8.根据权利要求7所述的实现超宽带多信道天线驻波检测及报警功能的系统，其特征在于，所述的第一电阻与第三电阻的电阻值相等，所述的第二电阻与第四电阻的电阻值相等，所述的第二电阻与第一电阻的阻值比介于5到12之间。
【文档编号】H04B1/7163GK203387520SQ201320475891
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】王杰俊, 朱力, 孙豪 申请人:上海华测导航技术有限公司