微波功率发生电路及多路输出可调的微波功率发生装置

摘要

本发明公开了微波功率发生电路及多路输出可调的微波功率发生装置，涉及多路微波功率调制技术，属于基本电气元件的技术领域。本发明首先提出一种基于正交调制/解调技术实现的微波功率发生电路，该电路包括：第一定向耦合器、正交解调器、数字控制器、正交调制器、第二定向耦合器，免去了鉴相器、功率检波器、移相器、可变增益放大器等传统射频器件，具有控制精度高、设计简便、结构简单、成本低廉等优点。本发明还提出了一种能够独立调节的多路微波功率发生装置，该装置包括：射频基准信号生成模块、信号分配器模块、多路微波功率发生电路、主控制器，具有模块化、易实现的特点，据此实现的微波功率发生装置能很好地满足微波无线传能系统对发射端的要求。

说明书

技术领域

本发明公开了微波功率发生电路及多路输出可调的微波功率发生装置，涉及多路微波功率调制技术，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

近年来受到广泛关注的微波无线电能传输(Microwave Power Transmission,MPT)技术适合用于中远距离无线电能传输，向无人机、机器人和轨道卫星等提供远程供能，具有穿透能力高且传输不受大气环境、云层、雨露等影响的优点，利用波束集成、波束定向等技术可以实现高度集中、高度定向的能量传输，利用通信的调制解调技术能在传输电能的同时传输信息，这些优点使得MPT技术在中远距离无线电能传输领域具有显著优势。

图1为MPT系统的通用结构，系统由发射环节、空间传输环节和接收环节这三个环节组成。发射端用于实现直流或者交流电能向射频(Radio Frequency,RF)功率的转换，用于给发射天线阵列馈电，是整个系统的重要环节。为实现波束集成、波束定向等功能，发射端天线一般可采用相控阵天线阵列，这时就需要发射端能为每个独立的天线单元提供相位可调节的射频功率；而发射端天线进行波束副瓣抑制和MPT系统能力管理的需求则又对发射端提出了功率幅值可调节的需求。因此，制作一种能产生多路幅值相位均可调的微波功率发生装置对实现整个MPT系统具有非常重要的意义。

长期以来，实现类似功能的微波功率发生装置(如相控阵雷达发射模组)大都依靠可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)和微波移相器(Phase Shifter,PS)实现幅值和相位的开环调节，虽然控制简单，但由于微波组件一般一致性较差、受温度等外界因素影响较大，这一类发生装置一般精度相对较差，往往需要依赖其它技术手段(如相控阵校准技术)来实现较为精确的幅值和相位控制。国内外也有部分文献额外加入功率检波器、鉴相器实现幅值和相位的闭环控制，但其系统环节多、实现成本高、可靠性较低。因此，亟需发明一种简单、有效、成本低廉的微波功率发生装置，实现多路微波功率的产生及其幅值和相位的控制。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了微波功率发生电路及多路输出可调的微波功率发生装置，实现了多路微波功率的产生以及对每一路微波功率幅值和相位的独立控制，解决了开环多路微波调制技术因精度较差需依赖其它幅值相位控制技术的辅助以及闭环多路微波调制技术成本高且可靠性低的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提出了一种基于正交调制/解调技术实现的微波功率幅值相位控制构思，对于输入的微波信号v_in，利用正交调制器改变其幅值和相位，再经过功率放大器放大馈给天线；同时，通过定向耦合器从射频基准信号RF_ref和功率放大器输出的功率信号中分别耦合出小信号用于反馈闭环控制，正交调制参考信号v_ref与反馈信号v_fb均送至正交解调器，数字控制器对正交解调器输出的正交基带信号直流电平分量v_Qd和v_Id解算获得幅值和相位信息并根据幅值设定值Amp_ref和相角设定值Phs_ref进行闭环控制产生正交调制信号V_Qm和V_Im，正交调制器接收正交调制信号V_Qm和V_Im后对微波信号v_in进行调制以完成微波信号的幅值控制和相位控制。

本发明提出了一种实现上述发明构思的微波功率发生电路，该微波功率发生电路包括：正交调制器、正交解调器、数字控制器、定向耦合器，定向耦合器用于从射频基准信号中耦合出正交调制参考信号和微波信号或从功率放大器输出信号中耦合出反馈信号，正交解调器的本振输入端接正交调制参考信号，正交解调器的射频输入端接反馈信号，数字控制器的输入端接正交解调器输出的基带信号直流电平分量并根据上位机控制指令中的目标幅值和/或目标相角信息输出目标幅值和/或目标相角对应的调制信号，正交调制器的输入端接微波信号，正交调制器的控制端接数字控制器的输出端，功率放大器的输入端接正交调制器输出的调制后的射频信号，功率放大器输出目标幅值的射频信号或目标相角的射频信号或同时达到目标幅值和目标相角的射频信号。与传统闭环微波调制方案相比，免去了鉴相器、功率检波器、移相器、可变增益放大器等传统射频器件，以正交调制器和解调器取代，具有控制精度高、设计简便、结构简单、成本低廉等优点。

本申请还给出了一种能够独立调节的多路微波功率发生装置，该装置包含一个射频基准信号生成模块、一个信号分配器模块、一个主控制器模块和多路上述微波功率发生电路，信号分配器模块的输入端接射频基准信号生成模块输出的射频基准信号，信号分配器模块输出多路幅值一致且相位一致的射频基准信号，每一个微波功率发生电路的输入端接信号分配器模块输出的一路射频基准信号，主控制器模块通过数据端口向任意一路微波功率发生电路中的数字控制器发送控制指令，控制指令只包含幅值设定值信息或只包含相角设定值信息亦或同时包含幅值设定值和相角设定值信息。该架构具有模块化、易实现的特点，据此实现的微波功率发生装置能很好地满足微波无线传能系统对发射端的要求。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)成本优势：相对于采用微波移相器进行相位调节的传统相位调制方案以及需要可控增益放大器和完整闭环调节的幅值调制方案，本申请采用正交调制器和正交解调器以及数字控制器实现闭环调节，免去了传统射频器件尤其是昂贵器件，大大降低了成本开销。

(2)性能优势：相对于采用数字型微波移相器的传统方案，一般数字型移相器只有4至5位的移相精度，而本申请提出的微波功率发生电路理论上可以实现无限精度的相位调节，即使采用价格低廉的16位数模转换器也可以轻松实现远超昂贵数字移相器的调节精度；相对于采用模拟型微波移相器的传统方案，模拟移相器虽然理论上也可以实现无限精度的调节，但其增益特性差，随相移变化巨大，导致系统增益特性不稳定，且模拟移相器的控制信号容易受到噪声干扰，导致移相精度变差，而本申请提出的微波功率发生电路可以规避这些问题；同样成本下，传统方案为实现增益控制而采用的可控制增益放大器调节范围相对较窄，而本申请能提供更宽的增益调节范围。

(3)模块化、易集成：本发明给出的方案利于模块化实现，具体实现的硬件电路、芯片等在通信领域发展较为成熟，后续芯片化设计易于实现。

附图说明

图1是微波无线传能系统的通用结构图。

图2是本申请提出的基于正交调制/解调技术实现的单路微波功率发生模块。

图3(a)是正交调制原理的示意图，图3(b)是正交调制向量表示的示意图。

图4是正交解调原理的示意图。

图5是提出的能够独立调节的多路微波功率发生装置的控制架构。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图2展示了提出的基于正交调制/解调技术实现的微波功率发生模块。为了阐明其具体实现原理，先简单介绍正交调制/解调技术在本发明中的应用。

图3(a)是正交调制的原理图，微波信号v_in为输入信号，该信号送90°电桥耦合器，分解为幅值相等(功率均为v_in的1/2，幅值为v_in的0.707倍)、相位差为90°的一组正交信号v_Q和v_I，这一过程可由下式表示：

其中，ω是角频率，V_in为输入信号v_in的有效值。这两组信号分别与给定的一对直流电平V_Qm和V_Im(后称为“控制信号”)进行乘法运算，获得幅值不同、相位差依然为90°的一组信号v_Qm和v_Im，将这两个信号相加即可获得输出信号v_o，数学上有：

其中，角度的大小且处于的象限由V_Qm和V_Im决定，满足：

可见，保持控制信号V_Qm和V_Im的正负性和比值不变，仅改变控制信号的绝对值大小，理论上可以对输入信号v_in实现独立的幅值控制；同样地，保持控制信号V_Qm和V_Im平方和不变，仅改变其比例关系，理论上可以对输入信号v_in实现独立的相位控制(0～360°全范围)。显然，通过施加正确计算的V_Qm和V_Im，即可同时实现微波信号的幅值和相位控制，即，在本发明中，采用单片正交调制器可取代以往常规方案中出现的可变增益放大器VGA和移相器PS环节。这一过程也可以直观地用向量线性运算来表示，如图3(b)所示。

通过上述分析可知，理论上仅采用正交调制便已经可以实现幅值和相位的控制(开环控制)，将得到的信号通过功率放大器进行功率放大，随后输出给天线，理论上即完成了幅值、相位可控的单路微波发生装置(单路模块)。然而，由于实际应用中，该装置的所采用的大功率功率放大器一致性较差，实际生产过程中难以保证每个单路模块特性一致，同时，功放的输出相位延迟、损耗等参数也随着工作条件(如输出功率)变化而变化，这些因素使得开环控制难以保证实际输出信号的幅值、相位与理论一致，因此需要引入闭环控制来解决这一问题。

本发明采用正交解调技术来辅助实现幅值、相位闭环控制。图4是正交解调原理，参考信号v_ref送正交解调器的本振(Local>fb送正交解调器射频输入端，正交调制参考信号通过90°电桥耦合器分解为一对正交信号v_Q’和v_I’，与反馈信号分别相乘，得到基带信号v_Qd和v_Id，数学表示为：

这一对基带信号经过低通滤波即可滤除高频分量，获得其直流电平分量V_Qd和V_Id：

不难发现，解调得到的基带信号滤除高频分量后为直流分量，能用于测量反馈信号和参考信号之间的幅值比和相位差，即：

当输入的正交调制参考信号的有效值V_ref已知，根据V_Qd和V_Id的大小可求得反馈信号V_fb的有效值V_fb，且根据V_Qd和V_Id之比及其正负性可以求得V_fb与V_ref之间的相位差。可见，正交解调技术可以用于实现两个信号之间的幅值比和相位差检测。

至此，可以进一步说明本发明提出的微波功率幅值相位控制方法。如图2所示，模块输入的射频基准信号为RF_ref，经过定向耦合器获得v_in和v_ref两路信号，其中，v_in送正交调制器进行幅值和相位调节，进而送功率放大器放大，最终放大得到的信号经过另一定向耦合器，主要功率信号v_o送天线以进行发射，而耦合得到的小信号v_fb则作为反馈信号，和之前从RF_ref耦合得到的参考信号v_ref一起送正交解调器解调，正交解调器输出的基带信号经低通滤波后得到基带信号直流分量V_Qd和V_Id，经过解算程序可得到实际输出信号与输入信号之间的幅值和相位差，分别与给定信号作差并用比例-积分调节器(PI调节器)进行调节，解算程序得到直接对应需要由正交调制器提供的增益和相位偏移信息，这些信息由另一解算程序解算，转换为正交调制器需要的直流基带信号V_Qm和V_Im后控制正交调制器作出反应，调节输出，最终使得反馈信号与输入信号的幅值比、相位差与给定一致：当反馈信号与参考信号(即，目标幅值的射频信号或目标相角的射频信号或同时达到目标幅值和目标相角的射频信号)的幅值比偏小时(反馈信号小，即输出功率偏小)，通过计算增大V_Qm和V_Im的绝对值，可使正交调制器具有更大的增益，以使得输出功率增大、最终达到给定的设定值，同样，若反馈信号和给定信号之间的相位差与给定相位差相差一定角度(如滞后一定角度)，则可以通过改变V_QM和V_IM的比例，使得正交调制器提供一定的超前相位，最终使输出信号略超前调整进而达到给定的设定值。输出偏小或输出相位超前的情况同前分析即可，所提出的控制方法均可实现有效调节。

因此，利用本发明提出的微波功率幅值相位控制方案可以制作出对应的硬件电路实物，实现输出幅值相位均可调节的单路微波发生装置(单路模块)。当需要多路幅值相位均可调节的微波功率发生装置时，只需要制作多个同样的单路模块，保证每个单路模块的输入基准信号RF_ref一致，通过对每个单路模块给出不同的给定即可完成各模块幅值和相位的独立控制。

本发明据此提出的能够独立调节的多路微波功率发生装置如图5所示。该架构包含一个RF基准信号生成模块、一个信号分配器模块、一个主控制器模块和多个单路射频功率产生模块。该系统中的每个单路模块均基于前文提出的控制方法实现。一个高精度的RF基准信号生成装置用于产生单路基准信号，为保证精度，可采用窄带VCO、整数分频PLL等方式实现。生成的射频基准信号经过1-N信号分配器转换为N路幅值相等、相位一致的信号用作各单路模块的射频基准信号RF_ref，信号分配器最简单的实现方法是采用射频功分器，此时，各路之间微小的相位差和幅值不平衡可以通过软件对每个模块进行微调和校准来补偿。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。