CN101485081B - Rf功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动多单元天线的单个单元的固态功率放大器(SSPA)，该SSPA包括：RF放大器，具有信号放大路径，该路径包含前置放大器、激励放大器(16)和功率输出级(18)；电子功率调节器(EPC)，用于提供驱动RF放大器的功率输出级(18)的DC电压可变值；控制ASIC(40)，用于接收向EPC提供电压控制信号以确定DC电压值的RF放大器的输入功率信号(46)，该控制ASIC寻址EEPROM(42)，该EEPROM(42)保存定义用于改变所述输入功率值的控制输出信号输出值的控制字集合，使得到功率输出级(18)的DC电压(36)的值被改变，以便控制用于改变输入功率值的RF放大器的增益压缩，从而保持恒定的放大器线性。

Description

RF功率放大器

技术领域

本发明涉及RF功率放大器。

背景技术

多单元天线阵列如相控阵列的每个单元应由相应的功率单元、单个功率放大器进行激励(drive)，这是通常的要求，特别是对于航天卫星通信应用。每个天线的放大的功率信号相对于其他天线单元在幅度和相位方面应当被准确地控制。通常，为此目的采用固态功率放大器(SSPA)，但该放大器必须满足有源天线阵列工作所需的严格线性、效率和增益/相位跟踪性能。

通过仔细选择偏置条件，可在给定RF输出功率对放大器的增益压缩、效率和线性的程度进行优化。然而，当放大器激励减小时，放大器补偿和增益变得压缩较小，导致效率降级。线性改进了，但在许多情况下，这不是应用要求。当工作在有源天线阵列时，会导致其中一些或所有放大器以小于最优效率运行，该最优效率取决于传输负载和波束指向条件(其可将幅度“锥体”施加在阵列上，其中放大器在阵列上具有逐渐减小的输出幅度)。

为了避免疑义，上面所用的术语具有如下含义：

增益压缩：例如可定义为：由放大器传输特性的非线性所引起的“差分”或“斜率”增益的减小。当放大器以最大放大接近其饱和特性时，增益压缩可理解为偏离线性放大的程度。

补偿(back off)：当放大器工作点沿其工作特性远离高功率条件向较低功率条件移动时，输入功率和输出功率减小的量。

效率：用于传输的RF输出功率与电源提供的DC输入功率的比率。

线性：如本文所描述，有各种线性量度，但通常的量度是载波互调比(C/I比——多载波系统的主体信道中的功率与相邻信道中的功率“漏泄”之比)。

在＂Recent developments in solid state power amplifiertechnology and their applicability to third generation mobile spacesegment systems＂(pages 264-268，Fourth International Conferenceon Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation；October 1988)中，公开了对于结合硅双极晶体管的功率放大器，自动调整放大器偏置以用补偿来最小化效率降级。这种技术是模拟技术，涉及调整双极输出晶体管的基极发射级电压。这种技术不可能使之与采用场效应晶体管(FET)的放大器一起工作，并因此严重限制了当前使用的放大器。

其他较复杂的技术是公知的——著名的Chireix异相(LINC)放大器和Doherty放大器。这些布置要求将输入信号分成两个并联放大路径，然后随后组合放大的信号。这种技术建立起来是复杂的，并且主要意于在给定补偿使效率最大化，其中放大器必须显示出非常高的线性。

上述技术都没有解决工作在现代有源阵列天线中的放大器的要求。这种放大器的基本前提是，它们必须在增益和传输相位上彼此跟踪，并在许多情况下，放大器工作在不同的激励电平和温度。

在＂L Band Power Amplifier Solutions for the INMARSATSpace Segment＂(IEE Seminar on Microwave and RF PowerAmplifiers，7 December 2000，D.Seymour，pages 6/1-6/6)中，公开了这样一种系统，用于控制固态功率放大器(SSPA)增益、增益斜率和相位，使得这些特性准确地保持恒定，并相对于大量SSPA的阵列中的其他SSPA被跟踪。该系统包含电子功率调节器(EPC)，其是适合于用在航天应用中的电源。控制ASIC接收放大器温度信号和放大器输入功率信号，并存取保存在EEPROM中的数字补偿数据，用于根据所接收的信号，提供用于控制放大器的增益、增益斜率和相位的适当模拟控制信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在宽动态范围显著改进放大器特性的放大器系统。

在第一方面，本发明提供一种用于驱动(power)天线单元的放大器系统，该放大器系统包括：

RF放大器装置，具有信号放大路径，所述路径至少包含功率输出级；

电源装置，用于提供至少驱动所述RF放大器装置的所述功率输出级的DC电压可变值；

控制装置，用于接收所述RF放大器装置的输入功率信号作为控制输入，以响应于所述控制输入，向所述电源装置提供电压控制信号，来确定所述DC电压值；

并且所述控制装置布置成：到所述功率输出级的所述DC电压值被改变，以便控制用于改变所述输入功率值的所述RF放大装置的增益压缩，以便调节所述RF放大器装置的放大器线性、放大器效率和热耗散中的至少一项。

在第二方面，本发明提供一种用于驱动天线单元的放大器系统，所述放大器系统包括：

RF放大器装置，具有信号放大路径，所述路径至少包含功率输出级；

电源装置，用于提供至少驱动所述RF放大器装置的所述功率输出级的DC电压可变值；

控制装置，用于从所述RF放大器装置接收输入功率信号作为控制输入，以响应于所述控制输入，向所述电源装置提供电压控制信号，来确定所述DC电压值；

并且所述控制装置包含存储装置，所述存储装置保存定义用于改变所述输入功率值的所述电压控制信号输出值的控制字集合，由此改变所述DC电压值，并因此控制所述RF放大装置的预定参数。

根据本发明的放大器系统可馈送单个单元天线，进行基于航天、航空或地面的传输。然而，该放大器系统特别适合于激励用于航天器的多单元天线或天线阵列的相应单元。由此提供了多个这种放大器系统，来激励例如便于布置为矩阵功率放大器(MPA)的相应天线单元。

该放大器系统优选为适合于航天应用的固态功率放大器(SSPA)，其包含RF放大器、电子功率调节器和控制部分。控制部分可与RF放大器部件安装在同一电路板上，或与之集成。RF放大器具有放大路径，该路径通常包含前置放大器、激励放大器和功率放大器或功率输出级。根据需要，功率输出级可包括布置在串联/并联阵列中的多个放大器单元。

输出级可包含一个或多个功率晶体管。如用当前技术所优选的，功率晶体管是FET，但它们可以是双极晶体管，或在通常商业使用中尚未用过的晶体管。存在各种类型的晶体管，都被看作FET，例如HFET、PHEMT。功率晶体管是高质量GaAs或GaN或者诸如Si、SiGe、SiC、金刚石、塑料等其他材料。不排除热离子器件，诸如TWTA。

放大器系统的电源装置包括电子功率调节器(EPC)，其适合于用在航天应用中，并从航天器电源总线接受功率，并且提供受控的DC供电电压(主次电压)，用于驱动RF放大器装置和控制装置。对于具有FET的放大器，DC电压表示FET漏极电压。根据本发明，提供给RF放大器输出级的DC供电电压的大小根据从控制装置到电源的控制输入进行控制。优选的是，提供给RF放大器激励级的DC供电电压的大小同样地进行控制。

在采用SSPA的情况下，控制装置可以是与RF放大器安装在统一电路板上的集成电路；备选地，它可以与放大器分开形成。这种控制装置从放大器接受控制输入，主要是输入功率和温度，并提供控制输出以控制所选择的放大器参数，例如增益、传输相位和增益斜率(通过调整前置放大器特性)。根据本发明，控制装置向电源装置提供控制输出，以便改变到功率放大器输出功率级的DC供电电压，从而控制所选择的放大器参数。用于控制的主要参数是线性和效率。然而，也可以控制其他参数，例如热耗散。如上所述，线性的重要量度是C/I比——然而，也可以采用其他量度，诸如噪声功率比(NPR)或相邻信道功率比(ACPR)。C/I比通常用于多载波系统，但是ACPR可用于单载波系统，其中单载波旁瓣中的功率可相对于主瓣中的功率来确定。

期望的控制方法是保持线性(载波互调比(C/I))恒定，或在期望的限度内，同时将效率保持在可接受的限度内，以便在RF功率输出值的期望范围改变放大器输入值。备选地，热耗散或效率也可以保持恒定。为了做到这点，本发明控制增益压缩，以便通过改变到RF放大器功率输出级的DC供电电压来改变输入功率电平。

对于控制，至少部分通过数字和模拟电路并通过遥控指令信号来提供上述控制方法，是有可能的。可以任何方便的形式来提供控制装置的电路，例如，发现ASIC是方便的。优选的是，根据本发明，提供EEPROM或其他非易失性存储装置，其以控制字阵列形式保存数据，这些控制字定义控制输出值，以便实现期望的放大器输出条件。由此，如果期望在期望范围上保持线性恒定，以便改变RF输入功率值，则控制字将包括表示用于改变RF输入功率的DC功率电压的阵列。在提供了诸如温度等其他输入和诸如RF输出功率和相位等其他输出的情况下，会相应地增加阵列的维数和控制字部分的数量。

为了提供控制字，执行放大器系统的初始特征化过程，其中放大器的期望参数诸如线性通过测试设备以数字方式操控到恒定值，同时在工作要求的整个范围上改变输入功率。以数字方式操控DC供电电压，将放大器输出级的增益压缩保持在所需值，以便保持线性恒定。记录控制字，该控制字表示输入功率值的DC供电电压的适当值。可存储控制字的限制集合(方位基点)，并且可执行内插过程，以定义中间输入/输出值的控制字。

由此，本发明至少以其优选形式集成在板上、自主和/或可遥控指令的控制技术，其中通过耦合到含有数据(从地面测试获得)的电子存储器的混合模拟和数字电子电路，

·线性，以及

·功率增加的效率

与固态功率放大器的任何或所有参数一起：

·增益

·增益vs.频率响应

·传输相位

同时自动保持在(接近)恒定水平，并高于预定阈值，而放大器在输出功率电平的宽范围上被激励，并经受温度方面的改变。

本发明可包括集成在板上的控制技术，其中通过控制放大器的增益压缩程度，可在输出功率电平的宽范围上显示出放大器效率方面的显著改进。达到这一点的能力对于不同放大器类型和应用具有各种含义，并且本发明的功能可扩展到同时控制放大器的其他参数，如果需要的话。在用于航天器的情况下，在有效负荷水平，本发明是实现灵活地面覆盖的高性能有源天线阵列的启动因子，并提供了消除有损和昂贵输出网络的潜力。

本发明提供了独一无二的放大器灵活度，因为与放大器增益存在可能有问题的交互作用，对于任何实际应用，这都将是不可接受的，并且通过模拟方式实现起来极其困难/不切实际。这在将针对温度工作的典型要求考虑进去的时候，被进一步加重了。

在本发明的备选形式中，实现放大器增益压缩和效率控制的方法是通过遥控指令。在这种情况下，放大器会显示出所需的增益压缩和效率，但仅仅在离散、遥控指令的输出功率设置方面。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1是本发明优选实施例中采用的示范控制装置的示意图；

图2是本发明第一优选实施例的示意框图；

图3是本发明第二优选实施例的示意框图；

图4是例示现有技术SSPA的性能特性的图表；

图5是例示用本发明预期的性能特性的图表；

图6是例示对于在输出级中采用GaN功率晶体管的多载波系统，用本发明预期的性能特性的图表；

图7是例示对于在输出级中采用GaN功率晶体管的单载波系统，用本发明预期的性能特性的图表；

图8是本发明第三优选实施例的示意框图；

图9是图1控制装置的更详细视图；以及

图10是本发明放大器系统的概念框图，示例为SSPA。

具体实施方式

首先参考图10，本发明的放大器系统以一种示范形式实现为固态功率放大器(SSPA)，其中电源部分包括电子功率调节器(EPC)10，RF放大器部分12具有放大路径，该路径包含前置放大器14、激励放大器16(激励级)和功率放大器18(输出级)。控制部分包括数字控制方案(DCS)20，其向前置放大器14和EPC 10提供控制输出。具体地，DCS 20在线22上向EPC 10提供模拟控制信号，在线24上向前置放大器14中的相位控制26提供数字信号(备选地，也可使用模拟相位控制)，在线28上向增益斜率控制30提供模拟控制信号，并在线32上向前置放大器14中的增益控制34提供模拟控制信号。EPC 10向输出级18和激励级16提供可变DC供电电压36(漏极电压或漏源电压)。

参考图1和图9，DCS 20由混合模拟/数字信号控制ASIC 40和电可擦除只读存储器(EEPROM)42组成。控制ASIC具有两个模拟输入参考端口44、46和三个模拟(22、28、32)加上一个串联数字(24)输出控制端口供用户使用。实质上，输入参考44、46(正常是温度和放大器输入功率)在A/D转换器48中进行数字化，并且操控控制ASIC的数字处理单元49读取保存在EEPROM中的有关控制字。方便的是，控制字50可存储成矩阵形式，图示为行用于功率输入，而列用于温度输入。所存取的控制字接着由ASIC进行处理，并在D/A转换器52中进行数字化，以在其输出端口22-32提供控制信号。控制ASIC 40具有I2C编程接口54(也可采用其他标准接口)，由此可在放大器建立或特征化过程中寻址、加载和读取EEPROM 42。

对于本文描述的所有实施例，DCS 20的工作原理是，作为部分生产过程，放大器在其工作要求——具体是输入功率范围和温度的整个范围进行特征化。在此特征化过程期间，需要被控制的那些参数通过与DCS对接的软件和测试设备，以数字方式操控到所记录的期望值和由此导出的数字“控制字”。这样，收集了数字控制字50或“方位基点”的阵列。软件可内插在方位基点之间，以到达加载在EEPROM42中的整个“校正阵列”。备选地，只有方位基点存储在EEPROM 42中，其中内插由ASIC 40实时进行。在这两种方案中，结果是，EEPROM数据通过ASIC中的电路用于激励放大器设计中包含的校正单元，来实现必要的性能。

图2例示本发明的第一实施例，图1、9和10的类似部分用相同附图标记表示(并用于所有随后的附图)。在这种情况下，DCS 20提供有来自RF放大器12的单个输入参考46，其是与其输入功率相关的电压。DCS模拟输出中只有一个输出22被使用了，并且其与EPC 10对接，以控制到激励FET 16和输出FET漏极18的主电压供给36。在特征化过程中，放大器在其整个输入功率动态范围上并通过上面提到的软件和测试设备进行训练，EPC主输出电压36以数字方式进行操控，将RF放大器激励级16和输出级18保持在所需的增益压缩，以便保持恒定的C/I比。

图2的实施例是最低限度配置。实际上，当调整到激励FET和输出FET的漏极供给时，可改变放大器增益，并且会存在可能不得不处理的温度效应。图3中所示的第二实施例因此例示实际使用的本发明的配置，其中DCS 20还用于在工作动态范围和温度上将放大器的总增益保持在恒定水平。第二参考输入44现在从安装在放大器板上的温度传感器60提供给DCS 22，并且第二模拟输出32用于激励RF链中的可变衰减器34(或者其他数字或模拟可变增益/损耗器件)。现在特征化过程在其整个输入功率动态范围和工作温度范围训练放大器。这样，收集数据不仅用输入激励调整增益压缩，而且使增益压缩中的任何不需要的变化清零，并用温度调整绝对增益。

图4和图5中给出了对于特定输出功率要求而优化的固定类A/B偏置放大器的性能与用本发明预期的性能之间的比较。该放大器采用GaAs激励FET和输出FET，并且包含前置放大器部分来放大增益。图4例示固定偏置情况，其中偏置条件，特别是漏极电压供给，在这种情况下已被调整和固定了，以在正常工作点(NOP)，在这种情况下刚好在12.0dBW以下，实现最优性能。可以看到，在20dB的相关联三音载波与互调比(C/l)处实现了31％的峰值效率；对于移动功率放大器，这个值是典型的品质因数。然而，当放大器被补偿时，效率降级得相当迅速；在C/I方面有所改进，但这通常不是系统要求。因为这个放大器配备有配置为在动态范围控制总放大器增益的DCS，所以掩盖了放大器在NOP被2dB增益压缩的事实。

图5例示结合到图3实施例中的相同放大器的增强性能。在这种情况下，DCS 20的功能扩展为在刚好在3dB以上的输出功率动态范围自动将放大器C/I保持在20dB的水平。控制增益压缩以实现这一点被同时还控制总放大器增益的DCS掩盖了。将会立即看到，对于固定偏置情况，尽管峰值效率不太高，但是补偿的效率极大改进了，在输出功率范围10.5W到22W优于30％。能够实现这种性能的动态范围取决于所需的最小可接受线性(C/l)，但是最终受激励FET和输出FET的可接受电压限度的限制。

应该注意，本发明同样可适用于在给定动态范围实现恒定的效率，乃至恒定的耗散特性。

本发明可适用于结合了氮化镓(GaN)宽带隙技术的FET，并且能实现更宽的动态范围，因为用这些部分允许更大的漏极电压范围。

图6示出在多载波工作中单个GaN输出级的预期性能，并且本发明适用于将C/I保持恒定在20dB。在这种情况下，在接近4dB(63W到26W)的输出功率动态范围保持优于45％的效率。

图7例示在单载波工作中相同GaN输出级的预期性能，其中在这种情况下，增益压缩已被控制为恒定2dB。可以看到，在126W到52W的输出功率范围保持优于56％的效率。

图8例示本发明的第三实施例，其中DCS 20被扩展到其整个能力，适用于工作在移动卫星传输相控阵列天线的放大器。这里，放大器都需要在温度上在增益和传输相位方面彼此跟踪，同时工作在不同的RF激励电平。由此，相比图3的第二实施例，提供了控制相位26和增益斜率30的控制线24、28。DCS现在用于实现图5到7中所示的性能，同时在所需的动态范围和温度上控制放大器。

·总增益

·传输相位

·幅度vs.频率响应

在本发明的变型中，实现放大器增益压缩和效率控制的方法是通过遥控指令。在这种情况下，放大器显示出所需的增益压缩和效率，但仅仅在离散、遥控指令的输出功率设置方面。响应于到EPC 10的遥控指令输入，EPC 10将到RF放大器12的漏极供电电压36改为预定值。可以指令几个这样的值。这会给出近似的控制形式，其在某些情形下可能是可接受的。

实际上，在指令的漏极电压改变时，放大器增益会改变，并且这可能必须进行补偿。而且，可能需要增益的温度补偿。因此，这种遥控指令备选方案最好可包含DCS 20，该DCS 20包含用于补偿增益改变的EEPROM 42。如果需要放大器显示出工作在相控阵列所需的恒定增益和相位性能，那么可使用类似于图8中的DCS，对于每个遥控指令的电平，存储EEPROM数据校正矩阵。

Claims (17)

1.一种用于驱动天线单元的放大器系统，所述放大器系统包括：

RF放大器装置，具有信号放大路径，所述路径至少包含功率输出级；

电源装置，用于提供至少驱动所述RF放大器装置的所述功率输出级的DC电压可变值；

控制装置，用于接收所述RF放大器装置的输入功率信号作为第一控制输入以及所述RF放大器装置的温度信号作为第二控制输入，以响应手所述第一控制输入和第二控制输入，向所述电源装置提供电压控制信号，来确定所述DC电压值；

并且所述控制装置布置成：到所述功率输出级的所述DC电压值被改变，以便控制用于改变所述输入功率和温度的值的所述RF放大装置的增益压缩，从而调节所述RF放大器装置的放大器线性、放大器效率和热耗散中的至少一项。

2.根据权利要求1所述的放大器系统，其中放大器线性在期望范围上保持恒定，或保持在预定限度内。

3.根据权利要求1所述的放大器系统，其中所述RF放大器装置包含激励级，所述电源装置布置成向所述激励级提供所述DC电压可变值。

4.根据权利要求1所述的放大器系统，其中所述控制装置布置成向所述电源装置提供遥控指令的信号，以确定所述DC电压值。

5.根据上述权利要求中任一项所述的放大器系统，其中所述RF放大器装置包含前置放大器装置，所述前置放大器装置具有改变放大器增益、放大器增益斜率和传输相位中的至少一项的装置，并且所述控制装置向所述前置放大器装置提供控制放大器增益、放大器增益斜率和传输相位中的至少一项的至少一个控制输出信号。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的放大器系统，其中所述控制装置包含存储装置，所述存储装置保存定义用于改变所述输入功率信号和所述温度信号的值的所述电压控制信号值的控制字集合。

7.根据权利要求6所述的放大器系统，其中

所述控制装置包含电路装置，所述电路装置用于接收输入功率信号和温度信号的所述控制输入，并响应于此，寻址所述存储装置以存取所述控制字之一，并且用于给所述电压控制信号提供由所述一个控制字所确定的值。

8.根据权利要求7所述的放大器系统，其中所述RF放大器装置包含前置放大器装置，所述前置放大器装置具有改变放大器增益、放大器增益斜率和传输相位中的至少一项的装置，并且所述控制装置向所述前置放大器装置提供控制放大器增益、放大器增益斜率和传输相位中的至少一项的至少一个控制输出信号。

9.根据权利要求8所述的放大器系统，其中所述控制字集合定义用于改变所述输入功率信号和/或所述温度信号值的所述一个控制输出信号的值。

10.一种用于驱动天线单元的放大器系统，所述放大器系统包括：

RF放大器装置，具有信号放大路径，所述路径至少包含功率输出级；

电源装置，用于提供至少驱动所述RF放大器装置的所述功率输出级的DC电压可变值；

控制装置，用于从所述RF放大器装置接收输入功率信号作为第一控制输入并接收所述RF放大器装置的温度信号作为第二控制输入，以响应于所述第一控制输入和第二控制输入，向所述电源装置提供电压控制信号，来确定所述DC电压值；并且

所述控制装置包含存储装置，所述存储装置保存定义用于改变所述输入功率信号和所述温度信号的值的所述电压控制信号的输出值的控制字集合，由此改变所述DC电压值，从而控制所述RF放大装置的预定参数。

11.根据权利要求10所述的放大器系统，其中

所述控制装置包含电路装置，所述电路装置用于接收输入功率信号和温度信号的所述控制输入，并响应于此，寻址所述存储装置以存取所述控制字之一，并且用于给所述电压控制信号提供由所述一个控制字所确定的值。

12.根据权利要求10或11所述的放大器系统，其中所述RF放大器装置包含前置放大器装置，所述前置放大器装置具有改变放大器增益、放大器增益斜率和传输相位中至少一项的装置，并且所述控制装置向所述前置放大器装置提供控制放大器增益、放大器增益斜率和传输相位中至少一项的至少一个控制输出信号，并且

其中所述控制字集合定义用于改变所述输入功率信号和/或所述温度信号值的所述一个控制输出信号的值。

13.根据权利要求1至4、10以及11中任一项所述的放大器系统，其中所述功率输出级包含至少一个功率晶体管。

14.根据权利要求13所述的放大器系统，其中所述一个功率晶体管包括FET。

15.根据权利要求1至4、10以及11中任一项所述的放大器系统，包括固态功率放大器，所述固态功率放大器包含安装在一个或多个电路板上的所述RF放大器装置和所述控制装置，并且所述电源装置包括电子功率调节器。

16.根据权利要求1至4、10以及11中任一项所述的放大器系统，其中所述天线是多单元天线的单个单元。

17.一种用于控制驱动天线单元的放大器系统的方法，所述放大器系统包括：

RF放大器装置，具有信号放大路径，所述路径至少包含功率输出级；

电源装置，用于提供至少驱动所述RF放大器装置的所述功率输出级的DC电压；

该方法包括：

监控到所述RF放大器装置的输入功率和所述RF放大器装置的温度；和

响应于所述输入功率和温度而改变所述DC电压的值，由此控制用于改变所述输入功率和温度的值的所述RF放大器装置的增益压缩，以便调节所述RF放大器装置的放大器线性、放大器效率和热耗散中的至少一项。

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