CN103389765B - 按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信领域，公开了一种按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法，包括电源模块、偏压调节模块、信号采集和处理模块和功放模块，具体步骤包括：电源模块为偏压调节模块、信号采集和处理模块和功放模块提供电源电压，偏压调节模块根据信号采集和处理模块的偏压调整指令输出电压，信号采集和处理模块对待放大信号进行耦合和采集，计算输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值并将计算所得到的输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值转换为偏压调整指令传递给偏压调节模块执行，功放模块根据偏压调节模块输出的偏压实现对待放大信号的功率放大。本发明的优点在于，计算步骤少，输出稳定，功耗小，具有较高的应用价值。

Description

按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别涉及一种按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法。

背景技术

该发明主要目的是解决电压控制的功放在A类放大工作模式下，功放工作在固定偏压下功耗偏大的问题。国内外针对A类功放效率偏低导致的功耗偏大问题解决的方案很多，譬如采用B类、C类等放大模式的功放。但目前国内无线通信，特别是移动通信中，由于A类放大实现简单，开发方便，表现尤为突出的为直放站的功放模块采用A类模式下的功放非常普遍，有必要开发一种能够针对A类功放，具有较低功耗的功率放大方法。

发明内容

本发明针对现有技术中针对功放在A类放大工作模式下功耗偏大的缺点，提供了一种通过按需调整功放栅极偏置电压的方式达到节能降耗的方法。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法，包括电源模块、偏压调节模块、信号采集和处理模块和功放模块，具体步骤包括：电源模块为偏压调节模块、信号采集和处理模块和功放模块提供电源电压，偏压调节模块根据信号采集和处理模块的偏压调整指令输出电压，信号采集和处理模块对放大信号进行耦合和采集，计算输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值并将计算所得到的输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值转换为偏压调整指令传递给偏压调节模块执行，功放模块根据偏压调节模块输出的偏压实现对放大信号的功率放大。

作为优选，还包括以下步骤：用以下的输出信号表达式表示功放模块的工作状态，其中U₀(t)、U_i(t)、β、V_DSmax、V_DSmin、V_GSmax、V_GSmin、V_DS、V_GS、V_Supply、V_Bias、U₀依次表示输出交流信号、输入交流信号、功率增益、漏源击穿电压、漏源最小电压、栅源击穿电压、栅源最小电压、漏源电压、栅源电压、偏置漏极电压、偏置栅极电压和饱和输出电压；

当功放模块运行在工作区，则功放模块的偏压为以下的公式：其中u_k(t)和ω_k为第k个载波的基带信号和载波角频率，则功放模块的发射信号功率为以下公式：

$P_i=\frac{1}{T_0}\underset{T_0,B_0}{\∫\∫}\frac{{\left|U_i(\mathrm{\ω},t)\right|}^2}{z\left(\mathrm{\ω}\right)}\mathrm{d\ωdt}=\frac{1}{T_0}\underset{T_0,B_0}{\∫\∫}\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}\right|}^2}{z\left(\mathrm{\ω}\right)}\mathrm{d\ωdt};$

如果在通带内z(ω)的值波动不大，则将其设定为固定值z₀，则功放模块的发射信号功率为以下公式：其中，p_k为第k个载波的能量 $p_k=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0,B_k}{\∫\∫}{\left|u_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}\right|}^2\mathrm{d\ωdt}=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0}{\∫}{\left|u_k\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt},$ 为其他载波信号在第k个载波带宽内形成的干扰能量， $p_k^i=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0,B_k}{\∫\∫}\underset{m\≠k}{\overset{K}{\underset{m=1}{\mathrm{\Σ}}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}{u}_m\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{m}t}\mathrm{d\ωdt};$

如果p_k＞＞p′_k，则功放模块的发射信号功率为以下公式：

作为优选，还包括以下步骤：功放模块的输入输出电压满足条件： $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{GS}}^{\′}={\mathrm{\σ}}_G{V}_{\mathrm{GS}\min }\\ V_{\mathrm{DS}}^{\′}\≥{\mathrm{\σ}}_D{V}_{\mathrm{DS}\min }\end{array}\right.,$ 其中， ${\mathrm{\σ}}_G=\sqrt{2\left|z_{\mathrm{in}}\right|P_A^{\mathrm{in}}}/V_{\mathrm{GS}\min }+1,$ ${\mathrm{\σ}}_D=\sqrt{2\left|z_{\mathrm{out}}\right|P_A^{\mathrm{out}}}/V_{\mathrm{DS}\min }+1,$ 和分别为功放模块的输入输出容限，z_in和z_out分别为功放模块的输入输出容限。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

大幅度地降低了功放的能耗，实现了节能降耗的目的，解决了目前市场上的功放在A类工作环境下功耗偏大的问题，具有较高的实用价值。

计算步骤简洁，计算量较少，避免了计算过程中所出现的过大的电能消耗。

附图说明

图1为实施例1所述方法的原理示意图。

图2为实验例1的功放的效率与损耗功率与输出功率比之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法，系统组成和原理如图1所示，包括电源模块1、偏压调节模块2、信号采集和处理模块3和功放模块4，具体步骤包括：电源模块1为偏压调节模块2、信号采集和处理模块3和功放模块4提供电源电压，偏压调节模块2根据信号采集和处理模块3的偏压调整指令输出电压，信号采集和处理模块3对放大信号进行耦合和采集，计算输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值并将计算所得到的输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值转换为偏压调整指令传递给偏压调节模块2执行，功放模块4根据偏压调节模块2输出的偏压实现对放大信号的功率放大。

以LDMOS功放管为例阐述功放管偏压设计原理(A类放大)，LDMOS功放管通常为源级接地，工作状态有四种：截止区、非线性区、工作区和击穿区，输出信号表达式可近似为：

其中U₀(t)、U_i(t)、β、V_DSmax、V_DSmin、V_GSmax、V_GSmin、V_DS、V_GS、V_Supply、V_Bias、U₀分别表示输出交流信号、输入交流信号、功率增益(放大倍数)、漏源击穿电压、漏源最小电压、栅源击穿电压、栅源最小电压、漏源电压、栅源电压、偏置漏极电压、偏置栅极电压和饱和输出电压。

若功放模块4运行在工作区，通常直流偏压满足上式(1c)，假设输入信号有K个载波，其表达式为：

$U_i(\mathrm{\ω},t)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}---\left(2\right)$

其中，u_k(t)和ω_k为第k个载波的基带信号和载波角频率，则发射信号功率表达式为：

$P_i=\frac{1}{T_0}\underset{T_0,B_0}{\∫\∫}\frac{{\left|U_i(\mathrm{\ω},t)\right|}^2}{z\left(\mathrm{\ω}\right)}\mathrm{d\ωdt}=\frac{1}{T_0}\underset{T_0,B_0}{\∫\∫}\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}\right|}^2}{z\left(\mathrm{\ω}\right)}\mathrm{d\ωdt}---\left(3\right)$

其中，B₀为K个载波的带宽；z(ω)为阻抗，通常在通带内z(ω)的值波动不大，为推导方便，可假定其为固定值z₀。则上式可简写为：

$P_i=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(p_k+p_k^i)---\left(4\right)$

其中定义

$p_k=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0,B_k}{\∫\∫}{\left|u_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}\right|}^2\mathrm{d\ωdt}=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0}{\∫}{\left|u_k\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}---\left(5\right)$

$,p_k^i=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0,B_k}{\∫\∫}\underset{m\≠k}{\overset{K}{\underset{m=1}{\mathrm{\Σ}}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}t}{u}_m\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{m}t}\mathrm{d\ωdt}---\left(6\right)$

定义p_k为第k个载波的能量，为其他载波信号在第k个载波带宽内形成的干扰能量。根据通信系统基带信号能量分布要求，以及保护边带的作用通常p_k＞＞p′_k，因此可以简写为：

$P_i=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k---\left(7\right)$

输入信号经过功放后，假定功放线性度很好，功率增益为β，输出阻抗匹配为z₀，则输出功率可以表示为：

P_o＝βP_i       (8)

因此功放在设计时需要满足其功率容限必须大于目标k个载波功率和，换言之设计的输入功率应满足P→max，此时功放若仍工作在线性区，则功放的输入功率容限同理，假定K个载波功率放大呈线性，功放的输出功率容限应满足两个条件同时满足，此时和分别为输入、输出功率容限的临界点；若在实际应用中给定一个功放模块4时，则可假定其和已知，通过逆推可得到输入信号的需满足条件和二者取其中最小的P_i即为输入信号受限值(通常为输入受限)。此约束条件给出了输入或输出信号功率与功放动态范围之间的关系，实际上功放的动态曲线，即动态范围，反应的是输入信号的幅度与放大器线性之间的关系，其中输入信号的幅度约束点为输入信号的瞬时峰值场强(瞬时场强的波峰和波谷)。为使功放输出最大化，则最佳工作点，输入输出满足下式约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{GS}}^{\′}=\frac{V_{\mathrm{GS}\max }+V_{\mathrm{GS}\min }}{2}\\ V_{\mathrm{DS}}^{\′}\≥\frac{V_{\mathrm{DS}\max }+V_{\mathrm{DS}\min }}{2}\end{array}\right.---\left(9\right)$

即功放动态范围中值附近(当漏极偏压满足(9)后，输出功率的大小与漏极偏压无关)。则将(5)代入约束条件(9)，忽略带内波动和IMD保护带宽，可得此时约束关系

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{GS}}^{\′}=\sqrt{2\left|z_i\right|P_A^{\mathrm{in}}}+V_{\mathrm{GS}\min }\\ V_{\mathrm{DS}}^{\′}\≥\sqrt{2\left|z_{\mathrm{out}}\right|P_A^{\mathrm{out}}}+V_{\mathrm{DS}\min }\end{array}\right.---\left(10a\right)$

令 ${\mathrm{\σ}}_G=\sqrt{2\left|z_{\mathrm{in}}\right|P_A^{\mathrm{in}}}/V_{\mathrm{GS}\min }+1,$ ${\mathrm{\σ}}_D=\sqrt{2\left|z_{\mathrm{out}}\right|P_A^{\mathrm{out}}}/V_{\mathrm{DS}\min }+1,$ 则上式可以改写为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{GS}}^{\′}={\mathrm{\σ}}_G{V}_{\mathrm{GS}\min }\\ V_{\mathrm{DS}}^{\′}\≥{\mathrm{\σ}}_D{V}_{\mathrm{DS}\min }\end{array}\right.---\left(10b\right).$

实验例1

计算实施例1所述方法的效率与功耗，根据功放的原理，当输入信号耦合到功放管输入端时，其功率满足直流计算原理：

$P=\frac{1}{T_0}\underset{T_0}{\∫}\frac{{(A+u\left(t\right))}^2}{z_0}\mathrm{dt}=\frac{A^2}{z_0}+\frac{1}{T_0}\underset{T_0}{\∫}\frac{u^2\left(t\right)}{z_0}\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中A为直流电压，则为直流功率，为交流部分功率。功放效率的定义为系统输入功率与输出功率之差与输入总功率之比：

$\mathrm{\η}=\frac{P_o}{P_i+P_{\mathrm{GS}}+P_{\mathrm{DS}}}---\left(12\right)$

其中P_GS和P_DS表示栅极偏压下输入直流功耗和漏极临界偏压下输出直流功耗。为便于分析假定输入信号为未调制载波，可得当输入交流信号的幅度与直流偏压幅度相同满足式(10)条件效率最高，则将(10)和(11)代入(12)可得：

${\mathrm{\η}}_{\max }={\frac{P_o}{P_i+P_{\mathrm{GS}}+P_{\mathrm{DS}}}|}_{P_i=P_A^{\mathrm{in}}/P_o=P_A^{\mathrm{out}}/\hat{V}}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\β}}(1+2{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_G}{{\mathrm{\σ}}_G-1}\right)}^2)+2{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_D}{{\mathrm{\σ}}_D-1}\right)}^2}---\left(13a\right)$

通常β>>1，根据定义功放工作在线性区σ_D>1，则上式可近似为：

${\mathrm{\&eta;}}_{\max }\&ap;\frac{1}{2}{(1-\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_D})}^2<50\%---\left(13b\right)$

上式(12)计算为信号载波满配置、载波满功率输入到功放模块4，而实际上功放模块4承载信号满配置的比例不高，即使是满配置，信号输入满功率输入的比例也不是很高。目前功放模块4的设计，特别是直放站普遍将偏压为固定值，将式(7)和式(8)代入式(12)，为便于分析假定系统输出m个载波且功率相同为P_norm，在功放增益β>>1情况下，实际功放的效率为(P_DS为临界偏置直流功率)；

$\mathrm{\&eta;}={\frac{1}{\frac{P_{\mathrm{DS}}}{P_o}+\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}(1+\frac{P_{\mathrm{GS}}}{P_i})}|}_{\hat{V}}\&ap;\frac{P_o}{P_{\mathrm{DS}}}=\frac{{\mathrm{mP}}_{\mathrm{norm}}}{P_{\mathrm{DS}}}---\left(13\right)$

同理，根据式(12)得功放模块4的功率损耗为：

$P_{\mathrm{Loss}}=(\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}-1)P_o=(\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}-1)m{P}_{\mathrm{norm}}---\left(14\right)$

式(13)关系式说明功放的效率仅与输出功率和偏压的函数，与输出功率成正比，与直流偏压功率成反比；若输出功率为工作载波的和，则功率分配不影响功放模块4的效率。传统的功率放大器偏压为固定值，则根据式(13)，在工作区内功放模块4的效率随着输出总功率的变大而变大，随着输入功率的变小而变小。

图2反映效率与损耗功率与输出功率比之间的关系，式(14)，说明在效率不变的情况下，功放模块4的损耗随着输出功率的增加而变大；若输入功率不变，功放模块4的损耗随着效率的变大而变小。

为提高功放模块4的效率，本发明根据式(13)提出功放模块4的偏压P_GS不再为固定值，可根据需要进行偏压配置动态调整。

以输出功率80W功放为例，则阶梯参数可设置为10W、20W、40W、60W和80W四种参数，实际工程中可以按照需要进行配置，如载扇配置为1载波10W输出是可以将偏压配置为不低于10W即可，以此类推。根据式(10)和式(13)可以得到，通过调整偏压可以将效率大幅度提升，理想情况下可以将效率提升最大为50％。

假定基站中功放模块4为A类放大模式，根据现网中基站的通常配置为功放模块4共享80W(或60W)输出功率的特性，以80W为例进行分析，每载波平均输出功率配置为20W(少量超远基站配置大于20W)。根据式(13)和式(14)，可以算出1、2、3和4载波配置下功放在输出满功率下每个扇区的功率损耗分别为140W，120W，100W和80W(效率分别为η₁＝1/8，η₁＝1/4，η₁＝3/8，和η₁＝1/2，代入式(14)得)，根据1X实际功率利用的情况，通过统计分析一天最忙时的功率输出与满功率之比1、2、3和4载波的比例分别小于65％、55％、45％和35％，此时的功率损耗分别为147W、138W、133W和132W；

若按改进方法，P_DS工作在不变偏压(满足输入最大时，仍使功放工作在工作区)，P_GS分别使得输出10W余量，则对应1、2、3和4载波的输出的耗能分别为：30W、50W、70W和80W(没有余量)；此时功耗为不变偏压功耗的20.41％、36.23％、52.63％和60.61％。若空闲时段多余载波，如2载波可以配置为1载波，3载波可以配置2载波或者1载波等等，通过减少载波并调整P_GS值参考上述相应载波配置消耗，其中余量可以根据具体情况进行设置，如输出余量为5W或10W。

表1固定偏压和动态偏压下功放模块4功耗对比表

上表描述了静态阶梯偏压法，并且输出功率余量为10W，实际应用中可以根据功放模块4的性能、控制模块的算法以及电源模块的设计灵活设置余量，同时若技术条件允许也可考虑动态调整偏压以提高功放的效率。综上所述，基于偏压可调节的方法可归结为两种：手动配置模式和动态自动调整模式。

实际上，动态另一个优势根据输入信号大小进行动态调整偏压原理，该方式可以实现凌晨0点到凌晨6点大幅度节能降耗。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法，其特征在于，包括电源模块(1)、偏压调节模块(2)、信号采集和处理模块(3)和功放模块(4)，具体步骤包括：电源模块(1)为偏压调节模块(2)、信号采集和处理模块(3)和功放模块(4)提供电源电压，偏压调节模块(2)根据信号采集和处理模块(3)的偏压调整指令输出电压，信号采集和处理模块(3)对放大信号进行耦合和采集，计算输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值并将计算所得到的输入功率值以及电压波峰和波谷之差的绝对值转换为偏压调整指令传递给偏压调节模块(2)执行，功放模块(4)根据偏压调节模块(2)输出的偏压实现对放大信号的功率放大。

2.根据权利要求1所述的按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法，其特征在于，还包括以下步骤：用以下的输出信号表达式表示功放模块(4)的工作状态，其中U₀(t)、U_i(t)、β、V_DSmax、V_DSmin、V_GSmax、V_GSmin、V_DS、V_GS、V_Supply、V_Bias、U₀依次表示输出交流信号、输入交流信号、功率增益、漏源击穿电压、漏源最小电压、栅源击穿电压、栅源最小电压、漏源电压、栅源电压、偏置漏极电压、偏置栅极电压和饱和输出电压；

当功放模块(4)运行在工作区，则功放模块(4)的偏压为以下的公式：其中u_k(t)和ω_k为第k个载波的基带信号和载波角频率，则功放模块(4)的发射信号功率为以下公式：

$P_i=\frac{1}{T_0}\underset{T_0,B_0}{\&Integral;\&Integral;}\frac{{\left|U_i(\mathrm{\&omega;},t)\right|}^2}{z\left(\mathrm{\&omega;}\right)}\mathrm{d\&omega;dt}=\frac{1}{T_0}\underset{T_0,B_0}{\&Integral;\&Integral;}\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{k}t}\right|}^2}{z\left(\mathrm{\&omega;}\right)}\mathrm{d\&omega;dt};$

如果在通带内z(ω)的值波动不大，则将其设定为固定值z₀，则功放模块(4)的发射信号功率为以下公式：其中，p_k为第k个载波的能量 $p_k=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0,B_k}{\&Integral;\&Integral;}{\left|u_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{k}t}\right|}^2\mathrm{d\&omega;dt}=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0}{\&Integral;}{\left|u_k\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt},$ 为其他载波信号在第k个载波带宽内形成的干扰能量， $p_k^i=\frac{1}{T_0\left|z_0\right|}\underset{T_0,B_k}{\&Integral;\&Integral;}\underset{m\&NotEqual;k}{\overset{K}{\underset{m=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{u}_k\left(t\right)e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{k}t}{u}_m\left(t\right)e^{j{\mathrm{\&omega;}}_{m}t}\mathrm{d\&omega;dt};$

如果p_k＞＞p′_k，则功放模块(4)的发射信号功率为以下公式：

3.根据权利要求2所述的按需调节功放栅极偏置电压实现节能降耗的方法，其特征在于，还包括以下步骤：功放模块(4)的输入输出电压满足条件： $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{GS}}^{\&prime;}={\mathrm{\&sigma;}}_G{V}_{\mathrm{GS}\min }\\ V_{\mathrm{DS}}^{\&prime;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&sigma;}}_D{V}_{\mathrm{DS}\min }\end{array}\right.,$ 其中， ${\mathrm{\&sigma;}}_G=\sqrt{2\left|z_{\mathrm{in}}\right|P_A^{\mathrm{in}}}/V_{\mathrm{GS}\min }+1,$ ${\mathrm{\&sigma;}}_D=\sqrt{2\left|z_{\mathrm{out}}\right|P_A^{\mathrm{out}}}/V_{\mathrm{DS}\min }+1,$ 和分别为功放模块(4)的输入输出容限，z_in和z_out分别为功放模块(4)的输入输出容限。