一种射频放大器保护告警电路及其射频放大器的制作方法

1.本实用新型涉及射频功放技术领域，特别是一种射频放大器保护告警电路及其射频放大器。


背景技术：

2.射频功放广泛应用于通讯、医疗、军工领域，在系统中均属于核心部件单元。由于工作外部环境因素复杂，极易产生电磁干扰，以及电网的瞬时波动等综合因素，造成射频放大器呈现过功率、自激、反射功率过大等现象而损坏。为了防止射频功放的损坏，需要对射频功放提供硬件保护。
3.现有射频保护电路技术仅局限于输入端口过功率限幅保护或输出端口反射功率采样控制输入信号的衰减保护。实际应用中，此两种电路的保护机制还是存在一定的局限性，针对以下情形不能进行有效保护：
4.1、射频放大器受外部环境干扰自激后，衰减输入信号的功率任然自激的射频放大电路；
5.2、射频放大器外部环境干扰自激后，断开输入信号任然自激的射频放大电路；
6.3、通常情况下，产品增益是固定的。在输入功率不变的情况，理论上输出功率也是不变的。受工作温度、电源干扰等影响，在输入功率不变时，若输出功率异常升高或异常降低时，表明射频放大电路增益发生变化，电路处于异常工作状态，传统保护技术无法实现保护功能。


技术实现要素：

7.本实用新型的发明目的在于：针对现有射频保护电路存在一定的局限性、无法全面监测到射频放大器的状态的问题，提供一种射频放大器保护告警电路及其射频放大器，本电路通过输入信号检测模块、输出检测模块同时检测输入/输出射频信号的电压大小，提供输入过功率保护，输出过功率保护、输出反射功率过大保护，放大电路增益异常保护等功能。
8.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
9.一种射频放大器保护告警电路，包括：输入信号检测模块、第一开关模块、逻辑控制模块、输出信号检测模块；其中，所述逻辑控制模块包括：第一比较器、第二比较器以及或门子电路；所述第一开关模块的第一输入端用于接收射频输入信号，所述第一开关模块的第一输出端与射频放大器的输入端连接；
10.其中，所述输入信号检测模块用于接收射频输入信号、采集射频放大器的射频输入信号的电压，并且所述输入信号检测模块的输出端与所述第一比较器的第一输入端连接；所述第一比较器的输出端与所述或门电路的第一输入端连接；所述第一比较器用于在所述射频输入信号超过第一电压阈值时，向所述或门子电路输出第一信号；
11.所述输出信号检测模块用于接收射频输出信号、采集射频放大器的射频输出信号
的电压，所述输出信号检测模块的输出端与所述第二比较器的第一输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述或门电路的第二输入端连接；所述第一比较器用于在所述射频输出信号超过第二电压阈值时，向所述或门子电路输出第二信号；
12.所述或门子电路的输出端与第一开关模块的第二输入端连接，所述或门子电路用于根据所述第一信号和/或第二信号向所述第一开关模块输出控制信号，控制所述第一开关模块的第一输出端断开。
13.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，所述电路还包括：匹配负载，所述匹配负载的输入端与所述第一开关模块的第二输出端连接，
14.所述第一开关模块用于根据所述控制信号导通第三端口，将所述射频输入信号传输至所述匹配负载。
15.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，所述输入信号检测模块包括：工分器，第一检波器；
16.其中，所述工分器的输入端用于接收射频输入信号，所述工分器的第一输出端与所述第一开关模块的第一输入端连接；
17.所述工分器的第二输出端与所述第一检波器的输入端连接；所述检波器的输出端与所述第一比较器的第一输入端连接。
18.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，所述输出信号检测模块包括：定向耦合器，第二检波器；
19.其中，所述定向耦合器的输入端与所述射频放大器的输出端口耦合连接；所述定向耦合器的输出端与所述第二检波器的输入端连接，所述第二检波器的输出端与所述第二比较器的第一输入端连接。
20.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，所述电路还包括：微控制器；
21.所述微控制器包括：第一采样端口，第二采样端口；其中，所述微控制器的第一采样端口与第一检波器的输出端连接，所述微控制器的第二采样端口与所述第二检波器的输出端连接；
22.所述微控制器用于接收所述第一检波器采集到的射频输入信号的输入功率以及所述第二检波器采集到的射频输出信号的输出功率；并根据所采集到的输出功率输入功率监测所述射频放大器的工作状态，当所述射频放大器处于异常状态时，对所述射频放大器的异常状态进行告警、存储当前输出功率值。
23.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，所述电路还包括：第二开关模块，
24.所述第二开关模块第一输入端与直流供电电源连接，输出端与所述射频放大器的直流电源输入端口连接；所述第二开关模块的第二输入端与所述微控制器的控制信号输出端口连接；
25.所述微控制器能够在其监测到所述射频放大器处于异常状态时，通过所述控制信号输出端口向所述第二开关模块输出一个控制信号，控制所述第二开关模块断开、阻隔所述直流供电电源传输至所述射频放大器。
26.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，所述微控制器还包
括i/o端口，所述i/o端口用于接收外部脉冲信号；
27.当所述微控制器接收到外部脉冲信号时，同步触发所述第一采样端口与所述第二采样端口进行采样，从而根据所述外部脉冲信号同步触发对所述射频放大器工作状态的监测告警。
28.根据一种具体的实施方式，上述射频放大器保护告警电路中，还包括：数字模拟转换器，所述微控制器通过所述数字模拟转换器分别与所述第一比较器的第二输入端以及第二比较器的第二输入端连接，所述微控制器能够根据用户的设定阈值通过所述数字模拟转换器对所述第一比较器中预置的第一电压阈值以及所述第二比较器中预置的第一电压阈值进行调整。
29.在本实用新型进一步的实施例中，还提供一种射频放大器，所述射频放大器包括上述射频放大器保护告警电路。
30.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
31.1、本实用新型所提供的射频放大器保护告警电路通过输入信号检测模块、输出检测模块能够同时检测输入输出射频信号的电压大小，并当输入电压和/或输出电压超过相应的阈值时，阻隔射频输入信号传输到射频放大器，以对射频放大器进行保护，通过输入电压输入电压和/或输出电压并行监测机制，有效克服现有射频保护电路存在保护局限性、无法全面监测到射频放大器的状态的问题。
32.2、本实用新型所提供的射频放大器保护告警电路还设计了由mcu进行输入功率、输出功率采样监测的第二告警机制，通过实时监测输入功率、输出功率，确定射频放大器工作状态，当射频放大器处于异常状态时，通过关断射频放大器的直流供电电源，对射频放大器进行二级保护，从而进一步完善对射频放大器的保护机制。并在相应的mcu中设置告警日志管理，记录电路的告警信息(射频放大器的异常状态告警信息)，供后期查询追溯分析调用。
33.3、本实用新型所提供的射频放大器保护告警电路还在mcu新增触发同步接口(i/o接口)，以使本电路能够同时兼容射频脉冲放大器的保护和监控告警，扩展电路的应用范围，使得mcu的采样机制与脉冲射频放大器的脉冲工作周期进行同步，能够有效防止无效数据采集和处理，产生错误告警保护。
附图说明
34.图1是本实用新型的射频放大器保护告警电路原理框图。
35.图2是本实用新型的射频放大器保护告警电路结构示意图。
36.图3为本实用新型的脉冲射频放大器的脉冲工作周期示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
38.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
39.实施例1
40.图1示出了本实用新型示例性实施例的射频放大器保护告警电路，包括：输入信号检测模块、第一开关模块、逻辑控制模块、输出信号检测模块；所述第一开关模块的第一输入端用于接收射频输入信号，所述第一开关模块的第一输出端与射频放大器的输入端连接；
41.其中，所述逻辑控制模块包括：第一比较器、第二比较器以及或门子电路；所述输入信号检测模块用于采集射频放大器的射频输入信号的电压，并且所述输入信号检测模块的输出端与所述第一比较器的第一输入端连接；所述第一比较器的输出端与所述或门电路的第一输入端连接；所述第一比较器用于在所述射频输入信号超过第一电压阈值(输入电压阈值)时，向所述或门子电路输出第一信号；
42.所述输出信号检测模块用于采集射频放大器的射频输出信号的电压，所述输出信号检测模块的输出端与所述第二比较器的第一输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述或门电路的第二输入端连接；所述第一比较器用于在所述射频输出信号超过第二电压阈值(输出电压阈值)时，向所述或门子电路输出第二信号；
43.所述或门子电路的输出端与第一开关模块的第二输入端连接，所述或门子电路用于根据所述第一信号和/或第二信号向所述第一开关模块输出控制信号，控制所述第一开关模块的第一输出端断开。
44.具体的，如图2所示，所述输入信号检测模块包括工分器、第一检波器(图2中的输入射频检波器)；所述输出信号检测模块包括：定向耦合器，第二检波器(图2中的输出射频检波器)。其中，所述工分器的输入端用于接收射频输入信号，所述工分器的第一输出端与所述第一开关模块的第一输入端连接；所述工分器的第二输出端与所述第一检波器的输入端连接；所述检波器的输出端与所述第一比较器的第一输入端连接。并且，所述电路还包括：匹配负载，所述匹配负载的输入端与所述第一开关模块的第二输出端连接，所述第一开关模块还用于根据所述或门电路的控制信号导通第三端口，以将射频输入信号传输至所述匹配负载，以通过匹配负载形成的保护回路对射频放大器进行自激保护。
45.在本发明进一步的实施例中，根据pout(输出功率)
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pin(输入功率)＝g(放大器增益)的关系对放大器的工作状态进行监测和保护，即v_pout(输出功率检波电压)-v_pin(输入功率检波电压)＝v_g(增益等效电压)。当输入功率不变时，理论增益不变，即v_g不变，当监测所述射频放大器的v_g变化时，即增益也发生了变化，表明射频放大器工作异常。本发明通过微处理器对采样的输出功率、输入功率检波电压进行计算差值“v_g”。以固定输入功率为例，当v_g发生了变化时，即可确定放大器的处于正常工作状态，通过第二开关模块控制放大器的直流工作电源，实现第二告警机制，(在实施例中，由于检测精度影响，允许微小测量误差，因此所得差值v_g与保护门限可设定5％的偏差)。进一步完善保护电路的应用范围。为了兼容脉冲功放的保护和监控告警，扩展应用范围，还新增触发同步接口，同步软件的采样和内部数据处理指令，防止无效数据采集和处理，产生错误告警保护。同时新增告警日志管理，记录应用最近告警参数信息，供后期查询追溯分析调用。以上功能保护电路具有应用范围宽，保护更全面，电路简单等特点可广泛应用于市场上有线及无线通讯电子产品中；也可作为长期可靠性测试项目的外部保护和监控装置。
46.在本发明进一步的实施例中，结合图2，介绍本发明所提供的射频放大器保护告警电路中各个部件的功能与作用。其中，工分器用于主要提供一分二的两路信号，一路连接射
频功放的输入，另一路用于输入射频信号检波。第一开关模块k1用于提供输入异常信号的关断，当检测到超过阈值的射频输入电压信号和/或射频输出电压信号时，射频功放的输入端口通过开关控制连接至匹配负载，断开输入信号。第二开关模块k2：提供第二告警条件下射频功放的工作电源关断。射频输入检波器(第一检波器)：检测输入功率的大小，然后转换成电压信号，和第一告警门限进行比较。同时链接mcu，提供输入功率采样。输出检波器(第二检波器)：检测输出功率的大小，然后转换成电压信号，分别连接第二比较器和mcu采样。定向耦合器：用于与射频放大器的输出端口进行耦合，采样射频放大器的射频输出信号的功率，并输出至第二检波器，为第二检波器传输射频输出信号的线性采样功率大小。或门电路：接收来自输入及输出两个检波采样电压，实现逻辑控制。正常工作时，由于没有告警信号，即或门输出状态为低电平。当采集到任意一个告警信号(输入信号告警或输出信号告警)发生时，或门输出状态反向，控制k1断开输入信号。进一步的，该电路还包括：触发同步装置：通过mcu的i/o口，连接脉冲功放的同步信号。当接收到有效工作脉冲电平时，启动数据采样，反之停止采样和计数计算。规避脉冲功放周期内空闲时段的无效采样值，造成日志信息失真，以及与第一比较器、第二比较器连接的数模转换器dac，通过该dac实现告警基准门限值的配置，即第一阈值、第二阈值的设定配置。
47.由此可知，本告警电路通过检测输入输出射频信号的采样功率大小，获取相应检波电压。此电压和第一告警门限，即两个比较器的参考基准电压进行比较，控制k1开关实现输入信号关断。同时若第一告警保护条件生效时，检测到的输出射频功率电压达到第二告警条件，由mcu控制mos管的导通，驱动k2(继电器)的工作状态，断开射频功放的工作电压，实现二次保护功能。
48.如图2所示，本实用新型的输入过功率第一告警保护工作原理，包括：输入信号经过工分器输出两路信号。一路直接连接射频放大器的输入端口，另一路作为输入信号功率大小的采样，经过输入检波器转换为直流采样电压vout1。此电压一端口连接比较器1，作为第一告警的比较电压。假设应用最大射频输入功率为0dbm，对应检波电压为2.5v，即比较器1的基准电压通过dac预设为2.5v(也可以通过vc电压转ldo，通过电阻分压实现)。一旦使用过程中当输入功率＞0dbm时，vout1电压＞比较器1的基准电压2.5v，比较器输出电平翻转为高电平，连接后端口或非门电路。根据或非门电路的特点，有“1”出“0”，即或非门输出电平也进行相应翻转，控制k1开关的状态，由原来rf1-rfc导通方式变为rf2-rfc导通。断开输入信号并将射频放大器的输入端口连接50ω匹配负载，有效阻断外部异常信号和输入过功率信号的输入实现保护功能。
49.如图2所示，本实用新型的输出过功率第一告警保护工作机制包括：输出信号经过定向耦合器，获取输出采样功率大小，经过输入检波器转换为直流采样电压vout2。此电压一端口连接比较器2，作为第一告警的比较电压。假设应用最大射频输出功率为40dbm，对应定向耦合器的耦合度为35db，即输出检波器的检波射频功率为 5dbm。再假定 5dbm对应检波电压为3v，即比较器2的基准电压通过dac预设为3v(也可以通过vc电压转ldo，通过电阻分压实现)。一旦使用过程中当输出功率＞40dbm时，vout2的电压＞比较器2的基准电压3v，比较器输出电平翻转为高电平，连接后端口或非门电路。根据或非门电路的特点，有“1”出“0”，即或非门输出电平也进行相应翻转，控制k1开关的状态，由原来rf1-rfc导通方式变为rf2-rfc导通。断开输入信号并将射频放大器的输入端口连接50ω匹配负载，有效阻断外部
异常信号和输入过功率信号的输入。实现输出过功率保护。
50.如图2所示，本实用新型的第二告警保护工作机制包括：假定vout2检波电压为3.5v，对应检波采样功率为 8dbm，加上耦合器耦合度35db，理论上射频放大器的输出功率已经达到43dbm，已经远远大于实际应用的一倍。此情况下更容易导致射频放大器失效，必须进行射频放大器的二次保护，关断dc供电电压。具体实现方式vout2电压在连接第一输出告警保护的同时，还连接至mcu采样。采样到的电压和软件内设的第二告警电压通过软件内部比较，若超出第二告警参考门限时，记录当前vout2的电压或反推输出功率值作为一个上报点储存到mcu，同时mcu控制u1(mos)的导通状态，驱动开关k2的关断，实现射频放大器的dc关断。其次基于pout＝pin g关系，每次采样到vout1和vout2电压后，mcu计算电压差值，然后与下一次采样值进行对比。若两次差值超过预设值后，表明放大器工作状态不稳定，需由mcu控制u1(mos)的导通状态，驱动开关k2的关断，实现射频放大器的dc关断。同时记录当前vout1和vout2的电压或反推输出功率值作为一个上报点储存到mcu。
51.在本实用新型优选的实施例中，还可以通过在mcu中写入程序实现检波器的采样精度定标校正、检波采样电压校正，由于检波采样芯片个体差异，需要使用标准功率源对不同检波器的检波动态范围进行电压定标，写入程序调用，提高采样准确性。
52.进一步的，本实用新型所提供的非脉冲射频放大器的采样和异常告警日志管理、即无脉冲同步触发采样的mcu采样管理工作机制包括：假设mcu软件采样频率预设0.1ms，按照采样频率进行时时采样。当检测到vout1电压超过比较器1的基准电压或vout2电压超过比较器2的基准电压时，记录当前采样异常数据作为一个上报功率点，存储到mcu。当检测到vout2的电压超过软件内设第二告警门限时，由mcu控制u1(mos)的导通状态，驱动开关k2的关断。同时记录当前采样数据储存到mcu，依次类推存储每一次告警时的采样值，直到超出存储容量大小后自动迭代刷新，丢弃最早一次异常的记录数据。第二告警门限设置分为两个，其中一个高门限电压设置应该大于额定输出功率一倍对应检波电压，提供超高输出功率的保护。另一告警门限需要比较每次采样到的vout1和vout2电压的差值δv。理论上放大器正常工作时，输入功率、放大器增益、输出功率是固定的，所以δv-δv＝0。告警门限理论上可以设置为未介于“0”时，启动告警保护。在本实用新型进一步的实施例中，还提供一种基于脉冲触发的射频放大器的采样和异常告警日志管理工作机制包括：参考图3所示的脉冲工作示意图，脉冲射频放大器的工作模式为一段时间工作，定义为“tu”，一段时间空闲或非工作状态，定义为“tblank”。一个完整工作周期时间＝tu tblank，定义为tr。针对此类功放，非工作状态下的功率采样值不能用于比较保护控制。解决方案由外部触发同步接口接收来自脉冲放大器相同周期的触发信号进行软件采样同步。
53.软件采样机理当接收到外部触发高电平后，启动vout1和vout2电压数据采集。当触发信号为低电平时，停止采样。实际应用中，软件采样频率和tu的时间不可能刚好等分，为了保证采样数据的正确性，在接收到低电平触发信号后的采样数据不能用于软件处理。脉冲功放的第一告警和第二告警同非脉冲功放一致，这里不再单独阐述。
54.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。