CN103812463A - 射频功率放大器的增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频功率放大器的增益控制方法，在射频信号输入匹配网络之前级连一个增益控制单元，所述增益控制单元提供至少两条不同的射频通路，且每条射频通路对射频信号有不同的衰减量。一般，所述每条射频通路中，其输入、输出阻抗都保持与射频系统特征阻抗相匹配。该增益控制单元在不同的增益/功率模式下提供不同的射频衰减量，并保证不同衰减量状态下其输入输出阻抗状态保持不变。射频功率放大器中有源器件的工作状态始终保持不变，因此其相位特性及线性度将保持不变；并且，在不同增益/功率模式下射频功率放大器的输入输出阻抗状态也保持不变，射频功率放大器与射频收发器之间阻抗匹配，从而最大限度地保证了射频功率放大器及整个射频前端系统的性能一致性。

Description

射频功率放大器的增益控制方法

技术领域

本发明涉及一种射频系统前端的增益控制方法，具体涉及一种射频功率放大器的增益控制方法，属于射频前端技术领域。

背景技术

在现代无线通信系统中，射频前端是实现射频信号无线传输的关键部件；射频功率放大器是射频前端中的重要组成部分，实现射频信号的功率放大。通常，射频功率放大器的输入信号来自于系统中的射频收发器，射频信号经由射频功率放大器放大之后发送到天线端口进行发射。根据接收机与发射机所在距离的不同，亦即接收机所在位置能接收到的信号强度不同，无线通信系统通常需要对射频功率放大器的输出信号功率进行动态控制。譬如，当接收机距离发射机距离较近时，发射机仅需发射较低功率就可以使接收机顺利接收信号；当接收机距离发射机距离较远时，则需要发射机发射较高的功率，否则接收机将无法有效接收到发射机所发送的信息。

如图1(a)所示为一个典型的射频功率放大器的结构，来自于系统射频收发机的射频信号从端口IN输入，经由输入匹配网络输入到功率放大器有源器件的输入端，经过有源器件的单级或多级功率放大后，射频信号又经由输出匹配网络输出到输出端口OUT。输入匹配网络将有源器件的输入阻抗匹配到射频系统的特征阻抗值，一般为50欧姆；输出匹配网络则实现将射频系统的特征阻抗值匹配到有源器件输出端所需的功率输出最佳阻抗。射频功率放大器中的有源器件，由电源VCC供电，并且由偏置信号Vbias提供偏置以获得合适的直流工作点。

如图1(b)所示为一个典型的射频功率放大器有源器件部分的单元电路。作为示例，这里的有源器件Q1为一个双极型晶体管，通常由GaAs或SiGe工艺制造；Q1的基极通过电阻(R1)电容(C1)串联网络连接到输入信号IN，Q1的基极还通过偏置电阻R2连接到偏置信号Vbias；Q1的发射极射频接地；Q1的集电极通过扼流电感L1连接到供电电源信号VCC。这里，电容C1起到了隔直流作用；电阻R1起到了提高功率放大器稳定性的作用，防止功率放大器发生振荡；电阻R2在为有源器件Q1提供静态偏置电压的同时，也起到了射频信号与直流偏置电路之间的隔离作用。

射频功率放大器中有源器件Q1的工作状态由其基极偏置电压及集电极供电电压共同决定。一般情况下，在供电电压保持不变的情况下，通过改变其基极偏置电压的大小，即可改变功率放大器中有源器件的导通角，从而使功率放大器工作于不同的状态，有不同的增益、功率特性。譬如，当将偏置信号Vbias的电压值减小到某个合适的电压值时，功率放大器的增益将降低一定程度，其输出功率也将降低一定程度；这样的特性，都是由有源器件的电流-电压特性(IV特性)所决定的。这就提醒人们，可以通过对偏置信号Vbias的控制来实现对功率放大器增益和输出功率进行控制的目的。

这样的技术方案非常简便且具有鲁棒性，非常适合饱和功率输出的射频功率放大器应用场合。但是，当所需的射频功率放大器为线性功率放大器时，现有技术方案却存在比较重大的技术缺陷。当改变偏置信号Vbias的电压值从而改变有源器件Q1的工作状态时，利用其AM-AM特性可以改变射频功率放大器的增益及功率；但是由于AM-PM效应的存在，并且通常有源器件Q1的AM-PM特性在不同偏置电压下有不同的特性，将使得射频功率放大器在不同增益/功率模式下，线性度指标有明显的不同。

如图1(c)所示，为一个典型的射频功率放大器在不同偏置电压下的AM-PM特性曲线。该曲线的横轴为输入射频信号的功率；纵轴为射频功率放大器输出信号与输入信号的相位差。上面的曲线表示当偏置电压Vbias电压值为0.75V时候的AM-PM特性，下面的曲线表示当偏置电压Vbias电压值为0.69V时候的AM-PM特性。由图可见，两条曲线在低功率状态，即小信号状态时，接近重合亦即射频功率放大器的相位特性基本不变；但是当输入信号越来越大时，射频功率放大器越来越接近大信号工作状态，两条曲线的偏差变得越来越大，表示两种工作状态下射频功率放大器的相位特性完全不同。众所周知，射频功率放大器的相位特性与幅度特性一起决定了射频功率放大器的线性度；从而，在现有技术方案下，不同增益/功率模式的射频功率放大器，其线性度指标将不同。譬如，不同功率模式下，射频功率放大器的IMD3及EVM不同，这显然不能满足现代通信系统中苛刻的线性度一致性要求。并且，由于改变偏置电压Vbias值也将改变有源器件的输入阻抗，从而将使得整个射频功率放大器的输入阻抗发生变化；输入匹配网络所看到的输入阻抗将偏离射频系统特征阻抗，严重时将使射频功率放大器与其前级的射频收发器之间阻抗失配，严重影响整个射频前端及系统的性能。

综上，需要一种射频功率放大器的增益/功率控制方法，在满足增益/功率控制要求的前提下，保证射频功率放大器的线性度及阻抗特性保持不变。

发明内容

本发明的目的是为克服目前通过改变偏置电压Vbias值控制射频前端通路增益导致射频功率放大器与射频收发器之间阻抗失配及射频功率放大器线性度指标随增益而变化的缺点。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种射频功率放大器的增益控制方法，在射频信号输入匹配网络之前级连一个增益控制单元，所述增益控制单元提供至少两条不同的射频通路，且每条射频通路对射频信号有不同的衰减量。一般，所述每条射频通路中，其输入、输出阻抗都保持与射频系统特征阻抗相匹配。

具体地，所述增益控制单元提供两条射频通路，包含3个单刀单掷射频开关SW1、SW2、SW3及一个NdB射频衰减器； SW3的两个端口分别连接到所述增益控制单元的输入端IN及输出端OUT，构成一条射频通路； SW1的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN， SW1的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的一个端口， SW2的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT， SW2的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的另一个端口，构成另一条射频通路。

具体地，所述增益控制单元提供三条射频通路，包含5个单刀单掷射频开关SW4、SW5、SW6、SW7、SW8、一个NdB射频衰减器及一个MdB射频衰减器； SW6的两个端口分别连接到所述增益控制单元的输入端IN及输出端OUT，构成一条射频通路；SW4的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN，SW4的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的一个端口，SW5的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT，SW5的另一个端口连接到所述NdB衰减器的另一个端口，构成另一条射频通路；SW7的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN，SW7的另一个端口连接到所述MdB射频衰减器的一个端口，SW8的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT，SW8的另一个端口连接到所述MdB射频衰减器的另一个端口，构成第三条射频通路。

优选地，不管是NdB射频衰减器还是MdB射频衰减器，均包含三个电阻R3、R4和R5，电阻R3的一端连接到所述射频衰减器的输入端口P1，并连接到电阻R4的一端；电阻R3的另外一端连接到所述射频衰减器的输入端口P2，并连接到电阻R5的一端；电阻R4及R5的另外一端均接地。

本发明在射频功率放大器输入匹配网络之前级联一个由射频开关及射频衰减器组成的增益控制单元，该增益控制单元在不同的增益/功率模式下提供不同的射频衰减量，并保证不同衰减量状态下其输入输出阻抗状态保持不变。射频功率放大器中有源器件的工作状态始终保持不变，因此其相位特性及线性度将保持不变；并且，在不同增益/功率模式下射频功率放大器的输入输出阻抗状态也保持不变，射频功率放大器与射频收发器之间阻抗匹配，从而最大限度地保证了射频功率放大器及整个射频前端系统的性能一致性。

附图说明

图1(a)：无增益控制的射频功率放大器原理框图；

图1(b)：射频功率放大器有源器件部分的单元电路；

图1(c)：射频功率放大器在不同偏置电压下的AM-PM特性曲线；

图2：含增益控制单元的射频功率放大器原理框图；

图3(a)：具有两条射频通路的增益控制单元电路原理框图；

图3(b)：具有三条射频通路的增益控制单元电路原理框图；

图4：射频衰减器电路原理图。

具体实施方式

如图2所示为本发明所提出的射频功率放大器的结构，来自于系统射频收发机的射频信号从端口IN输入，经由顺序级联的增益控制单元和输入匹配网络输入到功率放大器有源器件的输入端，经过有源器件的单级或多级功率放大后，射频信号又经由输出匹配网络输出到输出端口OUT。输入匹配网络将有源器件的输入阻抗匹配到射频系统的特征阻抗值，一般为50欧姆；输出匹配网络则实现将射频系统的特征阻抗值匹配到有源器件输出端所需的功率输出最佳阻抗。射频功率放大器中的有源器件，由电源VCC供电，并且由偏置信号Vbias提供偏置以获得合适的直流工作点。在输入匹配网络之前的增益控制单元，其输入、输出阻抗均匹配到了射频系统特征阻抗，并且在不同增益/功率模式下为射频信号提供不同的衰减量。显然，这将使得整个射频功率放大器在不同增益/功率模式下，有不同的整体增益及输出功率。同时，由于增益控制单元在不同增益/功率模式下，一直保持输入、输出阻抗特性不变；并且由于射频功率放大器中的有源器件在不同增益/功率模式下其直流工作点保持不变；使得整个射频功率放大器的线性度及阻抗特性，在不同增益/功率模式下也维持不变。

如图3(a)所示为本发明所提出的技术方案中的增益控制单元的一个实施例，提供两条射频通路。增益控制单元包含3个单刀单掷射频开关SW1、SW2、SW3及一个NdB射频衰减器； SW3的两个端口分别连接到所述增益控制单元的输入端IN及输出端OUT，构成一条射频通路； SW1的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN， SW1的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的一个端口， SW2的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT， SW2的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的另一个端口，构成另一条射频通路。当SW3导通且SW1和SW2截止时，射频信号直接从IN传输到OUT；若SW3的插入损耗很小时，可以认为该条射频通路提供了从IN到OUT的直通通路，即所述增益控制单元的衰减量为0dB。当SW3截止且SW1和SW2导通时，该条射频通路上射频信号被衰减了NdB。因此，在增益控制信号的控制下，射频开关SW1、SW2、SW3的导通、截止工作状态被控制，从而实现了射频信号的不同衰减量。

如图3(b)所示为本发明所提出的技术方案中的增益控制单元的另一个实施例，提供三条射频通路。增益控制单元包含5个单刀单掷射频开关SW4、SW5、SW6、SW7、SW8、一个NdB射频衰减器及一个MdB射频衰减器，SW6的两个端口分别连接到所述增益控制单元的输入端IN及输出端OUT，构成一条射频通路；SW4的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN，SW4的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的一个端口，SW5的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT，SW5的另一个端口连接到所述NdB衰减器的另一个端口，构成另一条射频通路；SW7的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN，SW7的另一个端口连接到所述MdB射频衰减器的一个端口，SW8的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT，SW8的另一个端口连接到所述MdB射频衰减器的另一个端口，构成第三条射频通路。当SW6导通且SW4、SW5、SW7、SW8截止时，射频信号直接从IN传输到OUT；若SW6的插入损耗很小时，可以认为该条射频通路提供了从IN到OUT的直通通路，即所述增益控制单元的衰减量为0dB。当SW6、SW7、SW8截止且SW4和SW5导通时，该条射频通路上射频信号被衰减了NdB。当SW6、SW4、SW5截止且SW7和SW8导通时，该条射频通路上射频信号被衰减了MdB。因此，在增益控制信号的控制下，射频开关SW4、SW5、SW6、SW7、SW8的导通、截止工作状态被控制，从而实现了射频信号的不同衰减量。

如图4所示为上述实施例所使用的一个NdB或MdB射频衰减器的示意图，其包括三个电阻R3、R4和R5。电阻R3的一端连接到了射频衰减器的输入端口P1，并连接到了电阻R4的一端；电阻R3的另外一端连接到了射频衰减器的输入端口P2，并连接到了电阻R5的一端；电阻R4的另外一端连接到地；电阻R5的另外一端连接到地。众所周知，这是一个典型的Pi型衰减电路，通过选择不同的R3、R4和R5电阻值，可以实现不同的衰减量，并且同时保证射频衰减器输入输出阻抗仍然与射频系统的特征阻抗所匹配。譬如，在50欧姆射频系统中，当电阻R3为24欧姆、电阻R4和R5都为220欧姆时，射频衰减器为一个4dB衰减器。这样，三条射频通路提供三种不同的射频衰减量，使射频功率放大器具有了三种不同的增益/功率模式。

综上，可以看到，射频功率放大器中有源器件的工作状态始终保持不变，因此其相位特性及线性度将保持不变；并且，在不同增益/功率模式下射频功率放大器的输入输出阻抗状态也保持不变。从而，最大限度地保证了射频功率放大器及整个射频前端系统的性能一致性。

Claims (5)

1.一种射频功率放大器的增益控制方法，其特征在于：在射频信号输入匹配网络之前级连一个增益控制单元，所述增益控制单元提供至少两条不同的射频通路，且每条射频通路对射频信号有不同的衰减量。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器的增益控制方法，其特征在于：所述每条射频通路中，其输入、输出阻抗都保持与射频系统特征阻抗相匹配。

3.根据权利要求1所述的射频功率放大器的增益控制方法，其特征在于：所述增益控制单元提供两条射频通路，包含3个单刀单掷射频开关SW1、SW2、SW3及一个NdB射频衰减器； SW3的两个端口分别连接到所述增益控制单元的输入端IN及输出端OUT，构成一条射频通路； SW1的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN， SW1的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的一个端口， SW2的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT， SW2的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的另一个端口，构成另一条射频通路。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大器的增益控制方法，其特征在于：所述增益控制单元提供三条射频通路，包含5个单刀单掷射频开关SW4、SW5、SW6、SW7、SW8、一个NdB射频衰减器及一个MdB射频衰减器； SW6的两个端口分别连接到所述增益控制单元的输入端IN及输出端OUT，构成一条射频通路；SW4的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN，SW4的另一个端口连接到所述NdB射频衰减器的一个端口，SW5的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT，SW5的另一个端口连接到所述NdB衰减器的另一个端口，构成另一条射频通路；SW7的一个端口连接到所述增益控制单元的输入端IN，SW7的另一个端口连接到所述MdB射频衰减器的一个端口，SW8的一个端口连接到所述增益控制单元的输出端OUT，SW8的另一个端口连接到所述MdB射频衰减器的另一个端口，构成第三条射频通路。

5.根据权利要求3或4所述的射频功率放大器的增益控制方法，其特征在于：所述射频衰减器包含三个电阻R3、R4和R5，电阻R3的一端连接到所述射频衰减器的输入端口P1，并连接到电阻R4的一端；电阻R3的另外一端连接到所述射频衰减器的输入端口P2，并连接到电阻R5的一端；电阻R4及R5的另外一端均接地。

Images