CN101379696B - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种射频功率放大器，包括：串联连接的第一和第二放大级，以F类操作其中一个，以逆F类操作另一个；包络检测器，适于检测输入信号的包络；电源，被连接以将电供给电压提供至第一和第二放大级，其中控制电供给电压遵循输入信号的包络。这样的放大器能够独立于输入信号而分别保持第一和第二放大级的F类和逆F类操作。优选地，这是通过控制电供给电压以使第一和第二放大级的饱和电平遵循输入信号的包络来实现的。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及射频功率放大器，其使用串联连接的F类和逆F类放大器级(amplifier stage)，以F类操作其中一个放大器级，以逆F类操作另一个放大器级。
背景技术
因为高功率效率，所以经常使用射频功率放大器。F类操作是指将放大器级作为开关放大器进行操作，其中将放大器级和/或其部件驱动至接近饱或饱和。这产生了载波和带有信息的子带的谐波失真。可以通过称作谐波陷波器(harmonic trap)的滤波器去除该谐波失真。
F类通过在输出网络中使用谐波共振器对漏极波形进行整形，提高效率和输出。电压波形包括一个或更多个奇次谐波并且近似于方波，而电流包括偶次谐波并近似于半正弦波。备选地，就在逆F类中而言，电压能够近似于半正弦波，电流近似于方波。随着谐波的数目增加，理想功率放大器的效率从50％(A类)向单位1(D类)增长，利用因子(utilization factor)从1/8(A类)向1/2π(D类)增长。在原理上，通过晶体管的电流源操作，能够产生所需要的谐波。然而在实际中，在RF周期的一部分中将晶体管驱动至饱和，与饱和C类相类似的自调整机制产生谐波。谐波电压的使用要求在漏极处产生高阻抗(在实际中典型地是负载阻抗的大约3至10倍)，而谐波电流的使用要求低阻抗(在实际中典型地是负载阻抗的大约1/3至1/10)。虽然F类要求比其它功率放大器更复杂的输出滤波器，但是仅在少数特定频率处阻抗必须是正确的。在低频处使用集总元件陷波器(trap)，在微波频率处使用传输线。典型地，将短路短截线(shorting stub)放置在远离漏极四分之一或半波长处。因为针对不同谐波的短截线(stub)相互作用，并且必须在漏极电容和接合线(bond-wire)电感之前的“虚拟漏极”(virtual drain)处产生开路或短路，所以合适网络的实现是带有一点技术性。然而，从MF直到Ka频带都成功地实现了F类功率放大器。
在C、E和F类之间可以有多种操作模式。最大可达到效率取决于谐波的数量，(对于1至5个谐波分别是0.5，0.707，0.8165，0.8656，和0.9045)。利用因子取决于谐波阻抗并且对于理想F类操作是最高的。
在谐波阻抗方面规定了F类操作，这样相对容易了解如何使用传输线网络。必须在通过如漏极电容、接合线/引线电感等一组寄生元件与输出网络分离开的虚拟理想漏极处产生所要求的阻抗。典型地，在漏极与负载之间的传输线提供期望值的基频(fundamental frequency)漏极阻抗。在有关谐波处为四分之一波长且在一端为开路的短截线在相对端提供短路。短截线放置在沿主传输线距离漏极四分之一或半波长处，以在漏极处产生开路或短路。通过在电源端上旁路(bypass)的半波长线，或备选地利用集总元件扼流圈(choke)，将供给电压馈送至漏极。在使用多个短截线时，将针对最高受控谐波的短截线放置在最接近漏极处。将针对较低谐波的短截线放置在逐渐更远处，并调整短截线的长度和阻抗，以允许相互作用。“开路”是指相对高的阻抗，典型地是基频阻抗的3至10倍，“短路”是指相对低的阻抗，典型地是基频阻抗的1/10至1/3。
通常认为F类放大器是非常高效率的RF放大器，其中，通过使用谐波陷波器(L-C滤波器或四分之一波长传输线)为非线性操作产生的谐波提供合适的终止端(开路或短路)，从而获得高效率。由此产生理想化的方波漏极电压以及相对于漏极电压呈180度异相的峰值半正弦曲线漏极电流。在这样的理想情况下，因为在任何给定时间都只有漏极电压或漏极电流存在，所以放大器中的功率损耗是零，理论上得到100％的效率。在实际中，效率要低一些的。这种非常高的效率值通常引起较差的线性性。
另一方面，线性功率放大器的失真较小，但是具有相对低的能量效率。较差的能量效率直接影响操作成本，引起基站发射机中的热发热问题，并缩短移动站发射机中的电池寿命。因此，功率放大器设计者被迫在线性性和效率之间权衡。
逆F类操作的缺点是，在特定非线性水平上接近饱和的、能够保持高效率操作的动态范围较窄。在放大器级使用诸如场效应晶体管(例如GaAs FET和LDMOST器件)之类的压控元件的情况下，理想输入信号是矩形电压波，而像双极型结式晶体管等流控器件需要矩形输入电流，以为逆F类产生所要求的矩形输出电流波形。
在输入信号的宽动态范围上实现逆F类操作的主要问题在于：保持输入信号电压/电流波的所要求的形状与功率电平无关。输入信号中RF载波的所期望谐波的存在对于获得高效率和期望的输出电压波形来说是至关重要的。
发明内容
本发明通过提供一种射频功率放大器解决了该问题，其中射频功率放大器包括：输入端，用于接收射频输入信号；串联连接的第一和第二放大器级，以F类操作其中一个，以逆F类操作另一个；包络检测器，适于检测输入信号的包络；电源，被连接以将电供给电压提供至第一和第二放大器级，其中控制电供给电压遵循输入信号的包络。
这样的射频功率放大器能够独立于输入信号分别保持第一和第二放大器级F类和逆F类操作。优选地，这是通过控制电供给电压以使第一和第二放大器级的饱和电平遵循输入信号的包络来实现的。
附图说明
将结合附图描述本发明，附图中：
图1示意性示出了本发明的实施例；
图2示出了射频载波信号的频谱；
图3示出了振幅增大的射频载波输入信号；
图4示出了图3中的载波信号的包络；
图5示出了图1中的功率放大器的输出信号；
图6是示出了针对图3中输入信号的、图1中的第一放大器级的负载线的图；
图7示出了针对图3中输入信号的、图1中的以F类操作的第一放大器级的输出电压和输出电流；
图8示出了图7中的输出电压的频谱；
图9示出了第一放大器级的输出电压波形以及基谐波和三次谐波；
图10示出了通过第一放大器级的输出电压和电流；
图11示出了至第二放大器级的输入电压；
图12示出了至第二放大器级的输入电压的频谱；
图13示出了第二放大器级的输出波形；
图14示出了第二放大器级的输出电压波形以及基谐波和二次谐波；和
图15示出了通过第二放大器级的输出电压和电流。
具体实施方式
图1中的射频(RF)功率放大器10具有输入11，用于接收诸如采用载频f0的调幅信号之类的射频输入信号。RF耦合器12感应输入信号，将与输入信号成比例的信号馈送至包络检测器13。包络检测器13检测输入信号的包络。通过延迟线14将信号馈送至第一放大器级15。将第一放大器级15的输出(作为漏极电压示出的)馈送至F类级间谐波匹配滤波器16，将F类级间谐波匹配滤波器16的输出馈送至第二放大器级17。第一和第二放大器级中的每一个作为单个场效应晶体管示出，尽管两个放大器级通常比所示的更复杂。将也作为漏极电压示出的第二放大器级15的输出馈送至逆F类输出谐波匹配滤波器18。将逆F类输出谐波匹配滤波器18的输出作为功率放大器10的输出，并且可以将逆F类输出谐波匹配滤波器18的输出馈送至发射天线。第一和第二放大器级15，17接收来自电源19的供给电压，其中，电源19与包络检测器13连接以接收所检测到输入信号的包络。
图1中的射频功率放大器10用于接收和放大调幅RF信号。在图2中示出了采用载波频率f0的RF信号的频谱，在图3中示出了RF载波信号的振幅是如何变化的示例。为了示例性目的，将振幅显示为从a通过b增大到c。图4示出了馈送至电源19的所检测的包络信号Venv。电源19将供给电压提供至第一和第二放大器级15，17，供给电压遵循输入信号的包络。
第一放大器级15是以F类操作的驱动器级，这是指第一放大器级15用作在“关”状态或饱和(“开”状态)下受到驱动的开关。通过控制至第一放大器级15的供给电压遵循输入信号的包络，可以独立于输入信号的瞬时振幅，在任意时间保持F类操作。在图6中示出了与图4中的包络信号的电平a、b和c相对应的三个负载线a、b和c，在图7中示出了第一放大器级的相应输出电压VD和输出电流ID。在来自第一放大器级15的输出电压VD中，基频f0和三次谐波频率3f0是主导性的，因此输出电压VD近似于方波。
将来自第一放大器级15的输出电压VD馈送至F类级间谐波匹配滤波器16，理想地，F类级间谐波匹配滤波器16对于载频f0的偶次谐波是短路(低阻抗)的，对于载频f0的奇次谐波是开路(高阻抗)的。在实际中，会把F类级间谐波匹配滤波器16设计为仅处理诸如二次和三次谐波2f0和3f0之类的有限数目的低次谐波。级间谐波匹配滤波器16还用作针对f0的阻抗变换器。在包括基频f0和所有高次谐波(用于提供在级间谐波匹配滤波器16的输出处产生的近似方波电压的波形)在内的有关频带中，集总元件或分布式传输线阻抗变换器可以提供恒定的群时延。通过将所有偶次电流谐波2f0，4f0等峰值化(peaking)并且将基信号(fundamental signal)的所有奇次电压谐波3f0，5f0等峰值化，第一放大器级15的F类操作提供条件。
第二放大器级17是以逆F类操作的功率输出级。将来自F类级间谐波匹配滤波器16的近似方波信号用作对于第二放大器级17的输入。在示出了谐波的内容的图11和12中示出了该信号。在逆F类输出谐波匹配滤波器18中，对图13、14和15中示出的来自第二放大器级17的输出信号进行滤波，理想地，逆F类输出谐波匹配滤波器18对于基频f0的所有偶次谐波是开路(高阻抗)的，对于基频f0的所有奇次谐波是短路(低阻抗)的。这里同样地，仅处理对二次和三次谐波2f和3f0等有限数目的低次谐波。谐波匹配滤波器18是输出阻抗变换器，其通过将所有偶次电压谐波2f0，4f0等峰值化并且将基信号的所有偶次电流谐波3f0，5f0等峰值化，为第二滤波器级17的逆F类操作提供条件。
如图5中示出的，得到的输出信号是输入信号的复制信号，本发明的放大器提供了扩大的动态范围。

Claims (8)

1. 一种射频功率放大器，包括：
- 输入，用于接收射频输入信号；
- 串联连接的第一和第二放大器级(15，17)，以F类操作其中一个，以逆F类操作另一个；
- 包络检测器(13)，适于检测所述输入信号的包络；
- 电源，被连接以将电供给电压提供到第一和第二放大器级(15，17)，其中控制电供给电压遵循所述输入信号的包络。
2. 根据权利要求1所述的射频功率放大器，其中，控制电供给电压遵循所述输入信号的包络，以分别保持第一和第二放大器级(15，17)F类和逆F类操作。
3. 根据权利要求1所述的射频功率放大器，其中，控制电供给电压，以使第一和第二放大器级(15，17)的饱和电平遵循所述输入信号的包络。
4. 根据权利要求1所述的射频功率放大器，其中，以F类操作第一放大器级(15)，以逆F类操作第二放大器级(17)。
5. 一种操作射频功率放大器的方法，所述射频功率放大器具有：输入，用于接收射频输入信号；串联耦合的第一和第二放大器级(15，17)，以F类操作其中一个，以逆F类操作另一个；以及电源，被连接以将电供给电压提供至第一和第二放大器级(15，17)，
所述方法包括：
- 检测所述输入信号的包络，以及
- 控制供给电压遵循所述输入信号的包络。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，控制电供给电压遵循所述输入信号的包络，以分别保持第一和第二放大器级(15，17)F类和逆F类操作。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中，控制电供给电压，以使第一和第二放大器级(15，17)的饱和电平遵循所述输入信号的包络。
8. 根据权利要求5所述的方法，其中，以F类操作第一放大器级(15)，以逆F类操作第二放大器级(17)。
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