功率放大器阻抗匹配电路及阻抗匹配方法

摘要

本发明提供一种基于电力线载波通信的功率放大器阻抗匹配电路及阻抗匹配方法，在电力线载波通信中包括位于发送端的信号调制器、发送端滤波器、功率放大器、第一耦合变压器和位于接收端的第二耦合变压器、接收端滤波器、信号解调器、信号处理器；所述功率放大器阻抗匹配电路包括：切换开关；阻抗检测单元，用于检测电力线的负载阻抗；开关控制单元，用于根据检测单元的检测结果，控制切换开关进行切换以调节第一耦合变压器的线圈匝数比，实现电力线的负载阻抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配。相较于现有技术，本发明具有结构简单、操控便利等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力线载波通信领域的功率放大器，特别涉及一种基于电力线载波通信 的功率放大器阻抗匹配电路及阻抗匹配方法。

背景技术

电力线载波通信技术是一种利用电力线作为通信媒介来传输数据信息的通信方式，其以 载波的方式实现数据、语音、视频等的传输通信。现在该技术广泛应用于通信、电力、工业 控制等行业领域，这种通信技术是当今通信行业中一种先进的技术。

电力线载波通信技术一般包括：借助35kV及以上电压等级的高压传输线作为通信媒介 的高压电力线载波通信；借助10kV电压等级的中压传输线作为通信媒介的中压电力线载波 通信；以及借助380V或者220V的低压传输线作为通信媒介的低压电力线载波通信。

传统的电力线载波通信主要利用高压传输线作为高频信号的传输通道，仅仅局限于传输 远程控制信号等，应用范围窄，传输速率较低。目前，随着电力线载波技术的不断发展和社 会的需要，电力载波通信正在转向采用低压配电网进行载波通信，使得低压电力线载波通信 的技术开发及应用出现了方兴未艾的局面。

电力载波通信系统利用电力线作为通信介质，通过对信号调制解调耦合，来实现利用电 力线传输数据的目的。一般，现有的电力线载波通信系统通常分为信号耦合、滤波器、功率 放大器、信号调制解调、信号处理等几个部分（如图1所示）。由于电力线在铺设之初是为了 传输电能，而并非通信，因此电力线的信道模型非常复杂多变，其负载特性会随着载波信号 频率、时间以及周围环境的变化而剧烈变化。例如，对于符合欧洲标准EN-50065标准的载 波信号，其频率在9KHz~145KHz之间，而对于该频率范围的载波信号，电力线的负载通常会 在0.5欧姆到50欧姆之间变化。

正是由于电力线的负载变化大，且不具规律性，这就给电力线载波通信带来了一系列的 困难，比如功率放大器的阻抗匹配难度增加。实际的功率放大器的输出阻抗都是有限的，根 据实现的方式不同，功率放大器的输出阻抗通常都在几欧姆到几十欧姆之间。当负载阻抗远 远大于功率放大器的输出阻抗时，负载不会对功率放大器构成加载效应。一旦负载阻抗接近 或者小于功率放大器的输出阻抗，则负载阻抗将对功率放大器构成强烈的加载效应，功率放 大器的放大倍数将会出现严重的非线性失真。

因此，如何在现有条件下实现电力线载波通信系统中功率放大器的驱动能力和电力线负 载的阻抗匹配，也已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电力线载波通信的功率放大器阻抗匹配电路及阻抗匹配 方法，用于解决现有功率放大器的输出与电力线负载的阻抗适配致使功率放大器出现失真等 问题。

本发明一方面提供一种基于电力线载波通信的功率放大器阻抗匹配电路，在所述电力线 载波通信中包括位于发送端的信号调制器、发送端滤波器、功率放大器、第一耦合变压器和 位于接收端的第二耦合变压器、接收端滤波器、信号解调器、信号处理器；所述功率放大器 阻抗匹配电路包括：切换开关，设置在所述功率放大器和所述第一耦合变压器之间；所述第 一耦合变压器的原绕组具有对应不同线圈匝数的多个抽头；阻抗检测单元，用于检测电力线 的负载阻抗；开关控制单元，与所述阻抗检测单元连接，用于根据所述检测单元检测到的电 力线的负载阻抗与预设的所述功率放大器的理想的负载阻抗，控制所述切换开关对所述第一 耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换以调节所述第一耦合变压器的线圈匝数比，实现电力 线的负载阻抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配。

可选地，所述切换开关为空气开关或继电器。

可选地，所述开关控制单元根据所述检测单元检测到的电力线的负载阻抗与预设的所述 功率放大器的理想的负载阻抗，控制所述切换开关对所述第一耦合变压器的原绕组中的抽头 进行切换以调节所述第一耦合变压器的线圈匝数比，包括：根据所述检测单元检测到的电力 线的负载阻抗与预设的所述功率放大器的理想的负载阻抗，计算出进行阻抗变换所需要的所 述第一耦合变压器的线圈匝数比；根据计算结果，控制所述切换开关对所述第一耦合变压器 的原绕组中的抽头进行切换以调节所述第一耦合变压器的线圈匝数比。

可选地，所需要的所述第一耦合变压器的线圈匝数比的平方值为预设的所述功率放大器 的理想的负载阻抗除以阻抗检测单元303检测到的电力线的负载阻抗的比值。

可选地，在开关控制单元对所述第一耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换时，先控制 所述切换开关与所要切换的下一个抽头连接后再与原先的上一个抽头断开。

可选地，所述开关控制单元为微处理器、单片机、数字信号处理器或中央处理器。

本发明在另一方面还提供一种应用于如上所述功率放大器阻抗匹配电路的功率放大器阻 抗匹配方法，包括：阻抗检测步骤，检测电力线的负载阻抗；阻抗匹配步骤，根据在阻抗检 测步骤中检测到的电力线的负载阻抗与预设的功率放大器的理想的负载阻抗，控制切换开关 对第一耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换以调节第一耦合变压器的线圈匝数比，实现电 力线的负载阻抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配。

可选地，所述阻抗匹配步骤包括：根据检测到的电力线的负载阻抗与预设的功率放大器 的理想的负载阻抗，计算出进行阻抗变换所需要的第一耦合变压器的线圈匝数比；根据计算 结果，控制切换开关对第一耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换以调节所述第一耦合变压 器的线圈匝数比。

可选地，所需要的所述第一耦合变压器的线圈匝数比的平方值为预设的所述功率放大器 的理想的负载阻抗除以阻抗检测单元303检测到的电力线的负载阻抗的比值。

可选地，控制切换开关对第一耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换时，先控制切换开 关与所要切换的下一个抽头连接后再与原先的上一个抽头断开。

本发明提供了一种基于电力线载波通信的功率放大器阻抗匹配电路及阻抗匹配方法，主 要在于通过检测电力线获得电力线的负载阻抗的大小，根据功率放大器的理想的负载阻抗， 控制切换开关对第一耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换以调节第一耦合变压器的线圈匝 数比进行阻抗变换，以使功率放大器看到的负载阻抗恒定，实现电力线的负载阻抗与所述功 率放大器的阻抗互相匹配，确保功率放大器恒功率输出。

附图说明

图1为现有技术中电力线载波通信系统的结构框图。

图2为应用有本发明功率放大器阻抗匹配电路的电力线载波通信系统在一个实施方式中 的结构框图。

图3为本发明功率放大器阻抗匹配方法在一个实施方式中的流程示意图。

具体实施方式

本发明的发明人发现：在现有电力线载波通信系统中，由于电力线的负载变化大且不具 规律性，给电力线载波通信带来了比如功率放大器的阻抗匹配等困难，一旦负载阻抗接近或 者小于功率放大器的输出阻抗，则负载阻抗将对功率放大器构成强烈的加载效应，功率放大 器的放大倍数将会出现严重的非线性失真。

因此，本发明的发明人对现有技术进行了改进，通过检测电力线获得电力线的负载阻抗 的大小，利用切换开关进行切换以调节第一耦合变压器的线圈匝数比进行阻抗变换，实现电 力线的负载阻抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配，确保功率放大器恒功率输出。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示 中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际 实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参见图2，图2显示了应用有本发明功率放大器阻抗匹配电路的电力线载波通信系统 在一个实施方式中的结构框图。

如图2所示，在所述电力线载波通信中，已至少包括：位于发送端的信号调制器201、 发送端滤波器202、功率放大器203、第一耦合变压器204和位于接收端的第二耦合变压器 205、接收端滤波器206、信号解调器207、信号处理器208。具体而言，在发送端：通过信 号调制器201进行调制后的载波信号在经过发送端滤波器202滤波后，利用功率放大器203 放大，然后通过第一耦合变压器204耦合到电力线上予以发送。在接收端：接收到的载波信 号经过第二耦合变压器205耦合，由接收端滤波器206进行滤波后，经过信号解调器207解 调后，利用信号处理器208进行信号处理。由于上述这些个单元器件已为本领域技术人员所 熟知的现有技术，故不再在此赘述。

本发明的功率放大器阻抗匹配电路设置在所述电力线载波通信的发送端，包括：能够在 第一耦合变压器204的原绕组中的多个抽头间进行切换的切换开关301、用于检测电力线的 负载阻抗的阻抗检测单元303、以及根据阻抗检测单元303的阻抗检测结果来控制切换开关 301对第一耦合变压器204的原绕组中的抽头进行切换的开关控制单元305。

以下对上述各个单元器件及其运作进行详细描述。

切换开关301，设置在功率放大器203和第一耦合变压器204的原绕组之间。在本实施 例中，第一耦合变压器204的原绕组具有对应不同线圈匝数的多个抽头。利用切换开关301， 可以在第一耦合变压器204的原绕组中的多个抽头间进行切换以获得不同的线圈匝数比。优 选地，切换开关301可以采用空气开关，但并不以此为限，在其他应用环境下，也可以采用 其他类型的开关，例如继电器。

阻抗检测单元303，用于检测电力线的负载阻抗。电力线中的负载阻抗包括幅度及相位， 当然，为检测便利，在一般情形下，也可仅检测负载阻抗的幅度。

利用阻抗检测单元303检测负载阻抗可以采用如下方式：首先，通过开关控制单元305 将控制切换开关301设为一默认值，这样第一耦合变压器204将有一默认状态的匝数比（例 如1：1）；之后，通过一个模数转换器（ADC）采集功率放大器203在所述默认状态下的输出 电压和输出电流，根据得到的所述输出电压和所述输出电流即可计算出（例如通过信号处理 单元DSP）功率放大器203的负载阻抗；后续，根据功率放大器203的负载阻抗以及第一耦 合变压器204的线圈匝数比，即可得到电力线的负载阻抗。

开关控制单元305，与阻抗检测单元303连接，用于根据阻抗检测单元303检测到的电 力线的负载阻抗与预设的所述功率放大器的理想的负载阻抗，控制切换开关301对第一耦合 变压器204的原绕组中的抽头进行切换，调节所述第一耦合变压器的线圈匝数比，实现电力 线的负载阻抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配。具体地，开关控制单元305包括：根据阻 抗检测单元303检测到的电力线的负载阻抗与预设的所述功率放大器的理想的负载阻抗，计 算出进行阻抗变换所需要的所述第一耦合变压器的线圈匝数比，其中，所需要的所述第一耦 合变压器的线圈匝数比的平方值为预设的所述功率放大器的理想的负载阻抗除以阻抗检测单 元303检测到的电力线的负载阻抗的比值；根据计算结果，控制所述切换开关对所述第一耦 合变压器的原绕组中的抽头进行切换以调节所述第一耦合变压器的线圈匝数比。在实际应用 中，开关控制单元305可以采用微处理器、单片机、数字信号处理器或中央处理器。

需特别说明的是，为防止在抽头切换过程中电路转换而出现激发电压，在本发明中，在 开关控制单元305控制切换开关301进行切换时，先与所要切换的下一个抽头连接，再与原 先的上一个抽头断开，从而确保抽头切换的平稳过渡。

本发明还提供了一种应用于如上所述功率放大器阻抗匹配电路的功率放大器阻抗匹配方 法。请参阅图3，其显示了本发明功率放大器阻抗匹配方法在一个实施方式中的流程示意图。 现结合图2和图3，对本发明的功率放大器阻抗匹配方法的各个步骤进行详细说明。

首先，执行步骤S302，利用阻抗检测单元303检测电力线的负载阻抗。在本实施例中， 利用阻抗检测单元303检测负载阻抗可以采用如下方式：首先，通过开关控制单元305将控 制切换开关301设为一默认值，这样第一耦合变压器204将有一默认状态的匝数比（例如1： 1）；之后，通过一个模数转换器（ADC）采集功率放大器203在所述默认状态下的输出电压和 输出电流，根据得到的所述输出电压和所述输出电流即可计算出（例如通过信号处理单元DSP） 功率放大器203的负载阻抗；后续，根据功率放大器203的负载阻抗和第一耦合变压器204 的匝数比，即可得到电力线的负载阻抗。

执行步骤S304，由开关控制单元305根据阻抗检测单元303检测到的电力线的负载阻抗 与预设的功率放大器203的理想的负载阻抗，计算出进行阻抗变换所需要的第一耦合变压器 204的线圈匝数比。

在本实施例中，进行阻抗变换所需要的第一耦合变压器204的线圈匝数比是通过如下公 式得到的：

(N₁/N₂)²＝R_理想/R_实际

其中，N₁/N₂为线圈匝数比，R_理想为预设的所述功率放大器的理想的负载阻抗，R_实际为阻抗 检测单元303检测到的电力线的负载阻抗。

执行步骤S306，根据计算结果，由开关控制单元305控制切换开关301对第一耦合变压 器204的原绕组中的抽头进行切换以调节第一耦合变压器204的线圈匝数比。

经过上述方法，可以实现电力线的负载阻抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配，确保功 率放大器恒功率输出。

以下将以两个具体实例来说明本发明的技术应用。

实例1，假定功率放大器203的理想的负载阻抗是8欧姆，如果阻抗检测单元303检测 出当前电力线阻抗为2欧姆，则开关控制单元305控制切换开关301进行切换以将第一耦合 变压器204的线圈匝数比调整为N₁：N₂=2:1，则通过第一耦合变压器204的作用，功率放大 器203看到的负载阻抗即为8欧姆（2*(N₁/N₂)²=2*2²=8），实现电力线的负载阻抗与所述功率 放大器的阻抗互相匹配。

实例2，假定功率放大器203的理想的负载阻抗是8欧姆，如果阻抗检测单元303检测 出当前电力线阻抗为16欧姆，则开关控制单元305控制切换开关301进行切换以将第一耦合 变压器204的线圈匝数比调整为则通过第一耦合变压器204的作用，功率放 大器203看到的负载阻抗即为8欧姆实现电力线的负载阻抗 与所述功率放大器的阻抗互相匹配。

综上所述，本发明提供了一种基于电力线载波通信的功率放大器阻抗匹配电路及阻抗匹 配方法，主要在于通过检测电力线获得电力线的负载阻抗的大小，根据功率放大器的理想的 负载阻抗，控制切换开关对第一耦合变压器的原绕组中的抽头进行切换以调节第一耦合变压 器的线圈匝数比进行阻抗变换，以使功率放大器看到的负载阻抗恒定，实现电力线的负载阻 抗与所述功率放大器的阻抗互相匹配，确保功率放大器恒功率输出。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技 术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权 利保护范围，应如权利要求书所列。