CN103959644A - 功率放大器控制系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制输入至功率放大器的输入信号的增益和相位的设备，包括增益控制回路，被配置为基于所述输入信号以及由所述功率放大器输出的放大信号的功率电平控制所述输入信号的增益，以获取所述放大信号的预定增益；以及相位控制回路，被配置为获取误差信号并基于所述误差信号控制所述相位以获取所述放大信号的预定相位，所述误差信号与源于所述输入的第一信号和源于所述放大信号的第二信号之间的相位差有关。所述相位控制回路被布置以在获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号和所述第二信号对应于所述输入信号的相同部分。所述增益控制回路可比较源于所述输入信号的第三信号以及源于所述放大信号的第四信号。所述第三和第四信号可由第一和第二耦合器输出，所述第一和第二耦合器可具有选取的耦合系数，使得当所述放大信号具有所述预定增益时所述第三和第四信号具有相同的功率电平。所述放大信号的电流增益和相位可依赖于所述功率放大器的操作历史，所述功率放大器可以为氮化镓GaN功率放大器，并且所述设备以及功率放大器可包含在卫星中。在另一个实施例中，一种卫星包括功率放大器控制系统，所述系统使用前馈控制回路来控制输入至所述功率放大器的信号的增益和相位。

Description

功率放大器控制系统
技术领域
本发明涉及功率放大器控制系统。尤其本发明涉及一种基于误差信号控制功率放大器的控制系统，所述误差信号与延迟的源于输入信号的第一信号和源于放大信号的第二信号之间的相位差有关。
背景技术
功率放大器被用于通信卫星中来放大射频(RF)信号。已知，这样的功率放大器表现出非线性特性，因此放大的输出RF信号的增益和相位随输入信号功率非线性变化。为了弥补这一点，增益和相位失真可在输入信号到达放大级前被施加于所述输入信号，以便保持输出信号的恒定的增益和相位。
图1示出了在传统的通信卫星中使用的一种开环控制系统，以控制输入信号的增益和相位。所述系统包括功率放大器101、可变衰减器102、移相器103，输入耦合器104、检测器105、处理器106以及存储器107。执行初始校准程序，其中放大器101的响应的特征在于在一范围内的不同的信号功率。创建一个查找表(LUT)以记录合适的增益和相位预失真(predistortion)以施加于任何给定的功率电平的输入信号。所述LUT被存储在存储器107中。
在操作期间，检测器104测量从输入耦合器103接收的一个耦合的输入信号的功率电平。然后处理器106基于输入耦合器103的一个已知的耦合系数确定输入信号RFIN的功率。处理器106搜索查找表以确定所述输入信号的增益和相位应该如何调整，以及使用适当的增益和相位预失真控制可变衰减器102和移相器103。
然而，该方法的一个缺点是冗长的校准过程，这个过程可能需要长达48小时。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于控制输入至功率放大器的输入信号的增益和相位的设备，所述设备包括增益控制装置，所述增益控制装置用于控制所述输入信号的增益；相位控制装置，所述相位控制装置用于控制所述输入信号的相位；增益控制回路，所述增益控制回路被配置为基于所述输入信号的功率电平以及由所述功率放大器输出的放大的信号的功率电平控制所述增益控制装置，以获取所述放大的信号的预定增益；以及相位控制回路，所述相位控制回路被配置为获取误差信号并基于所述误差信号控制所述相位控制装置以获取所述放大的信号的预定相位，所述误差信号与源于所述输入信号的第一信号以及源于所述放大的信号的第二信号之间的相位差有关，其中所述相位控制回路被布置以在获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号和所述第二信号对应于所述输入信号的相同部分。
所述增益控制回路可被配置为接收源于所述输入信号的第三信号以及源于所述放大的信号的第四信号，并且可被配置为将所述第三信号的功率电平和所述第四信号的功率电平进行比较，并基于所述比较的结果控制所述增益控制装置。
所述设备可进一步包括输入耦合器以及输出耦合器。所述输入耦合器被配置为接收所述输入信号以及输出所述第三信号，所述输入耦合器具有第一耦合系数；所述输出耦合器被配置为接收所述放大的信号以及输出所述第四信号，所述输出耦合器具有第二耦合系数。其中所述第一和第二耦合系数被选择为使得当所述放大的信号具有预定增益时，所述第三信号以及所述第四信号具有基本相同的功率电平。
所述增益控制回路可包括被配置为测量所述第三信号的功率电平的第一检测器以及被配置为测量所述第四信号的功率电平的第二检测器，其中所述第一和第二检测器是可匹配的根均方RMS检测器。
所述增益控制活路可包括被配置为测量所述第三信号的功率电平的第一检测器、被配置为测量所述第四信号的功率电平的第二检测器以及用于缩放(scaling)所述第一检测器的输出或所述第二检测器的输出，以便当所述第三和第四信号具有相同的功率时所述第一和第二检测器的输出基本相同的装置。
所述放大的信号可能被所述功率放大器缩减(clipped)，所述设备可进一步包括限制器，所述限制器被配置为缩减所述输入信号，与通过所述功率放大器放大的信号的缩减一致，以便由所述第一检测器接收的所述第三信号以及由所述第二检测器接收的所述第四信号被缩减基本上相同的量。
所述相位控制回路可包括用于延迟所述第一信号的延迟装置、用于基于所述第二信号以及所述延迟的第一信号产生误差信号的误差信号产生装置、用于测量所述误差信号的功率的检测器以及被配置为基于所述误差信号的测量功率控制所述相位控制装置的处理装置。其中，所述延迟装置被配置为使得经由所述功率放大器到所述误差信号产生装置的第一路径的电长度与经由所述延迟装置到所述误差信号产生装置的第二路径的电长度基本上相同。
所述处理装置可被配置为控制所述相位控制装置以便使所述误差信号的测量功率最小化。
所述放大信号的电流增益和相位可以依赖于所述功率放大器的操作历史。
所述功率放大器可以为氮化镓GaN固态功率放大器。
一种卫星，可包括功率放大器以及设备，所述设备被配置为控制输入至所述功率放大器的输入信号的增益和相位。
根据本发明，也提供了一种用于控制输入至功率放大器的输入信号的增益和相位的方法。所述方法包括基于所述输入信号的功率电平以及由所述功率放大器输出的放大信号的功率电平控制所述输入信号的增益，以获取所述放大信号的预定增益；延迟从所述输入信号获得的第一信号；获取与所述延迟的第一信号以及源于所述放大的信号的第二信号之间的相位差有关的误差信号；以及根据所述误差信号控制所述输入信号的相位，以获取所述放大信号的预定相位。其中所述第一信号被延迟以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号以及第二信号对应于所述输入信号的相同部分。
所述方法可进一步包括将源于所述输入信号的第三信号的功率电平与源于所述放大的信号的第四信号的功率电平进行比较，其中基于所述比较的结果控制所述输入信号的增益。
所述第三和第四信号可被布置为当所述放大信号具有所述预定增益时具有相同的功率电平。
根据本发明，进一步提供了一种卫星，所述卫星包括用于接收输入信号以及输出放大信号的功率放大器；用于控制所述输入信号的增益的增益控制装置；用于控制所述输入信号的相位的相位控制装置；以及控制回路，所述控制回路被配置为获取与源于所述输入信号的第一信号和源于所述放大的信号的第二信号之间的相位差有关的误差信号，并基于所述误差信号控制所述增益控制装置以及相位控制装置以获取所述放大的信号的预定增益和相位。其中所述控制回路被布置以在获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号以及第二信号对应于所述输入信号的相同部分。
所述卫星可进一步包括用于输出所述第一信号的第一耦合器；用于输出所述第二信号的第二耦合器；用于延迟所述第一信号的延迟装置(721)；用于接收所述延迟的第一信号以及所述第二信号，并产生与所述延迟的第一信号和所述第二信号之间的相位差有关的误差信号的误差信号产生装置；用于测量所述误差信号的功率的检测器；以及被配置为基于所述误差信号的测量功率控制所述增益控制装置以及所述相位控制装置的处理装置。其中，所述延迟装置可被配置为使得经由所述功率放大器到所述误差信号产生装置的第一路径的电长度与经由所述延迟装置到所述误差信号产生装置的第二路径的电长度基本上相同。
所述放大信号的电流增益和相位可以依赖于所述功率放大器的操作历史。
所述功率放大器可以为氮化镓GaN固态功率放大器。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：
图1示出了功率放大器的常规控制系统；
图2示出了根据本发明的一个实施例的功率放大器的控制系统；
图3示出根据本发明的一个实施例的用于控制功率放大器的增益和相位控制回路的细节；
图4为对比常规的开环控制系统与图3的控制系统的增益控制性能的曲线图；
图5为对比常规的开环控制系统与图3的控制系统的相位控制性能的曲线图；
图6示出当限制器被用于将RFIN信号缩减到与由功率放大器缩减的RFOUT信号相同程度时的增益误差改进的曲线图；
图7示出根据本发明的一个实施例的一个控制系统，其中使用单一的前馈控制回路进行增益控制和相位控制；
图8为对比传统的开环控制系统与图7的控制系统的增益控制性能的曲线图；以及
图9为对比传统的开环控制系统与图7的控制系统的相位控制性能的曲线图。
具体实施方式
现在参考图2，根据本发明的一个实施例，示出一种用于控制功率放大器的输入信号的增益和相位的系统。所述系统包括功率放大器201、增益控制模块202、相位控制模块203、用于控制所述增益控制模块202的增益控制回路210、以及用于控制所述相位控制模块203的相位控制回路220。所述增益控制模块202可以为，例如，如图1中所示的可变衰减器，以及所述相位控制模块203可以为，例如，如图1中所示的移相器。在输入射频(RFIN)信号被输入到所述功率放大器201之前，所述增益控制模块202以及相位控制模块203可被控制以分别改变所述RFIN信号的增益和相位。尽管在图2中，所述RFIN信号在所述增益控制模块202之前被输入到所述相位控制模块203，在其它的实施例中，相位控制和增益控制模块的顺序可以颠倒。
所述增益控制和相位控制回路210、220各自接收源于RFIN信号和源于输出射频(RFOUT)信号的信号。因此每个控制回路210、220能够监控RFIN信号和RFOUT信号。增益控制回路210以及相位控制回路220被配置为分别控制所述增益控制模块202以及所述相位控制模块203，以对所述RFIN信号施加增益和相位预失真，以便保持所述功率放大器201的线性度(linearity)。
因为所述控制回路210、220被配置为监控所述输出信号RFOUT，所述输入信号RFIN的增益和相位可基于所述输出信号的电流值，也就是基于所述功率放大器的电流性能被调整。因此，在本实施例中，没有必要做出关于放大器的运行状况的假设。同样地，在图2中所示的控制系统不需要校准程序。
而且，因为图2的控制系统监控由所述功率放大器201产生的所述RFOUT信号，所述控制系统可精确地控制表现出滞后型记忆效应的功率放大器，其中所述放大器的电流性能依赖于它的操作历史。也就是说，所述放大的信号的电流增益和相位可依赖于所述功率放大器的操作历史。所述操作历史可包括所述功率放大器的最近的操作参数，如输入信号功率以及施加到所述输入信号的增益和/或相位，以及所述功率放大器暴露于其中的环境参数。例如，对于任意给定的RFIN信号的功率电平或放大器的温度，所述放大器可根据其最近是否被用来放大高功率(high-power)信号或用来放大低功率(low-power)信号，有区别地放大信号。表现显著记忆效应的一种该类型的功率放大器为氮化镓(GaN)放大器。因此本发明的实施例可特别地适合于控制GaN放大器。与此相反，图1的常规开环控制系统不能与表现出滞后型记忆效应的放大器一起使用。
此外，与图1的常规控制系统相比，图2的控制系统使用独立的控制回路210、220来控制输入信号的增益和相位。因此每个控制回路中执行的处理可被简化，因为每个回路仅控制一个变量，即增益或相位。相应地，在图2中，所述控制系统可具有比图1的常规控制系统更快的响应时间。
现在参考图3，示意性地详细示出了根据本发明的一个实施例的用于控制功率放大器的增益以及相位控制回路。尽管图3中示出了一种这样的结构，本发明不限于这种布置。总之，所述增益控制回路以及相位控制回路可具有提供所需功能的任何结构。
如图3中所示，所述控制系统包括耦合至功率放大器301的输入的增益控制模块302以及相位控制模块303。所述系统进一步包括第一输入耦合器304以及第二输入耦合器305。所述第一输入耦合器304被配置为引导第一耦合输入信号至增益控制回路310，所述第一耦合输入信号为RFIN信号的一个耦合部分。所述第二输入耦合器305被配置为引导第二耦合输入信号至相位控制回路320，所述第二耦合输入信号为RFIN信号的一个耦合部分。所述系统进一步包括第一输出耦合器306以及第二输出耦合器307。所述第一输出耦合器306被配置为引导第一耦合输出信号至增益控制回路310，所述第一耦合输出信号为RFOUT信号的一个耦合部分。所述第二输出耦合器307被配置为引导第二耦合输出信号至相位控制回路320，所述第二耦合输出信号为RFOUT信号的一个耦合部分。
所述第一和第二输入耦合器304、305可形成为一个单一单元或两个独立单元，并且所述第一和第二输出耦合器306、307可以形成为一个单一单元或两个独立单元。所述第一和第二输入耦合器304、305可被配置为具有相同的耦合系数，使得所述第一和第二耦合输入信号具有相同的功率电平。可选地，所述第一和第二输入耦合器304、305可被配置为具有不同的耦合系数，使得所述第一和第二耦合输入信号具有不同的功率电平。
相似地，所述第一和第二输出耦合器306、307可被配置为具有相同的耦合系数，使得所述第一和第二耦合输出信号具有相同的功率电平，或者可以被配置为具有不同的耦合系数，使得所述第一和第二耦合输出信号具有不同的功率电平。所述第一和第二输入耦合器304、305以及所述第一和第二输出耦合器306、307的每一个的耦合系数可被选择，以确保在功率放大器301以及控制系统的正常操作期间，所述第一和第二耦合输入信号及第一和第二耦合输出信号具有可被所述增益及相位控制回路310、320检测的功率电平。
尽管在图3中使用独立的耦合器304、305来产生第一耦合输入信号和第二耦合输入信号，在其它的实施例中可提供单一的输入耦合器。在这些实施例中，可提供用于将耦合输入信号分离为第一和第二耦合输入信号的装置。例如，可使用环形耦合器(rat-race coupler)将耦合输入信号分离为将被发送到所述增益控制回路的第一耦合输入信号，以及将被发送到所述相位控制回路的第二耦合输入信号。相似地，可使用连接至分离装置的单一的输出耦合器来产生第一和第二输出信号，所述分离装置如环形耦合器。
在本实施例中，所述增益控制回路310包括输入检测器311，所述输入检测器311被布置为从所述第一输入耦合器304接收所述第一耦合输入信号。所述输入检测器311被配置为测量所述第一耦合输入信号的功率电平，并发送表示所述测量的功率的信号至第一差分放大器313。例如，所述输入检测器311可以是被配置为输出电压的根均方(RMS)检测器，所述电压表示所述第一耦合输入信号的RMS功率。
所述增益控制回路310进一步包括输出检测器312，所述输出检测器312被布置为从所述第一输出耦合器306接收所述第一耦合输出信号。所述输出检测器312被配置为测量所述第一耦合输出信号的功率电平，并发送表示所述测量的功率的信号至第二差分放大器314。如同所述输入检测器311，所述输出检测器312可以为被配置为输出电压的RMS检测器，所述电压表示所述第一耦合输出信号的RMS功率。
更详细地，所述输入检测器311包括由相同的直流偏压(DC bias)偏置的两个匹配的RMS检测器。其中一个检测器接收RF第一耦合输入信号，并输出所述测量到的功率电平至所述第一差分放大器313的一个输入。另一个检测器不接收第一耦合输入信号，但是输出一个参考信号至所述第一差分放大器313的另一个输入。因此所述第一差分放大器313输出一个放大信号，所述放大信号表示所述第一耦合输入信号的功率电平。所述输出检测器312和第二差分放大器314与所述输入检测器311和所述第一差分放大器313进行相似地布置。然而，在其它的实施例中，可使用其它的布置以检测所述第一耦合输入信号以及所述第一耦合输出信号的功率电平。
在本实施例中，所述增益控制回路310进一步包括耦合至所述第一差分放大器314的输出的比例放大器315。所述比例放大器被配置为放大源于所述第一差分放大器314的信号以对所述输入检测器311和输出检测器312之间的任何的失配负责。也就是说，如果所述输入检测器311和输出检测器312不匹配，每一个检测器对任何给定的信号功率电平可输出不同的电压。可选地，可使用匹配的检测器作为所述输入和输出检测器311、312，在这种情况下所述比例放大器315可以省略。
尽管在本实施例中提供放大器作为用于缩放由检测器之一产生的信号的装置，但是在其它的实施例中可使用替代的缩放装置。代替放大来自所述检测器之一的信号，所述缩放装置可被布置通过合适的量拉下所述差分放大器313、314之一的输出，例如用电阻分压器来补偿检测器之间的任何失配。另外，尽管在图3中所述缩放装置，即所述比例放大器315，被耦合至所述第一差分放大器313的输出，但是本发明不限于这种特定的布置。例如，所述缩放装置315可被耦合至所述第二差分放大器314的输出。
继续参照图3，所述第一差分放大器313的经缩放的输出以及所述第二差分放大器314的输出耦合至另一个差分放大器316的输入，下文称为环路(loop)放大器316。所述环路放大器316产生增益控制信号，所述增益控制信号表示所述第一差分放大器313经缩放的输出以及所述第二差分放大器314的输出之间的差异。所述增益控制信号被发送至所述增益控制模块302，这基于所述增益控制信号的值确定是否调整施加于所述RFIN信号的增益。例如，所述增益控制模块302可被配置为调整增益使得从所述环路放大器316接收的增益控制信号的值最小化。
总之，所述增益控制回路310被配置为基于所述第一耦合输入信号和所述第一耦合输出信号之间的功率不同控制所述增益控制模块302。尽管图3中示出了所述增益控制回路310的一种结构，但是在其它的实施例中可使用其它的布置。
如图3中所示，所述相位控制模块303由独立的相位控制回路320控制。如上所述，所述相位控制回路320从所述第二输入耦合器305接收所述第二耦合输入信号，并且从所述第二输出耦合器307接收所述第二耦合输出信号。所述第二耦合输入信号以及所述第二耦合输出信号结合在耦合器322中。然而，在被输入至所述耦合器322之前，所述第二耦合输入信号穿过延迟线321。所述延迟线321被配置为延迟所述第二耦合输入信号，以保证对于RFIN信号的频率，两个信号路径的电长度相同。也就是说，所述延迟线321被配置为使得包括所述增益和相位控制模块302、303，所述功率放大器301，所述第二输出耦合器307以及所述耦合器322的“直通路径(through path)”的电长度与包括所述延迟线321以及所述耦合器322的“耦合直通路径”(coupled-through path)的电长度相同。
用这种方式，在任何时间点到达所述耦合器322的所述第二耦合输入信号以及所述第二耦合输出信号被控制以对应于原始RFIN信号的相同部分。也就是说，在所述相位控制回路320中的延迟线321被布置以在所述耦合器322获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，这样用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号以及第二信号对应于所述输入信号RFIN的相同部分。因此所述相位控制回路320可被称为前馈回路，因为所述第二耦合输入信号是“前馈”的并且与所述输出RFOUT信号的相应部分相比较。
从所述第二输入耦合器305经由所述延迟线321到所述耦合器322的信号路径可被称为“前馈路径”。如上所述，经过所述相位控制模块303、增益控制模块302以及功率放大器301至所述第二输出耦合器307的信号路径可被称为“直通路径”，从所述第二输出耦合器307到所述耦合器322的信号路径可被成为“耦合直通路径”。因此，所述延迟线321被配置为使得所述前馈路径的电长度基本上与直通路径和耦合直通路径组合的电长度相同。在本实施例中，所述延迟线321在物理上体现为具有适当的物理长度的同轴电缆的长度，以达到所需的延迟。然而，在其它的实施例中可使用其它的布置。
在本实施例中，所述相位控制回路320被配置为使得当由所述功率放大器301输出的所述放大的RFOUT信号具有正确的相位时，所述第二耦合输入信号以及第二耦合输出信号同相到达耦合器322。可选择所述第二输入耦合器305以及第二输出耦合器307的耦合系数，使得当所述功率放大器301在期望增益操作时，所述第二耦合输入信号以及第二耦合输出信号具有相同的功率电平。可选地，可使用衰减器来将所述第二耦合输入信号或所述第二耦合输出信号下拉到正确的功率电平。
所述耦合器322是180°耦合器，因此当所述第二耦合输入信号和所述第二耦合输出信号结合在322中时，如果从所述功率放大器301输出的放大的RFOUT信号具有正确的相位，它们在耦合器322的输出处取消。实际上，所述相位控制回路320被布置以从所述第二耦合输出信号减去所述第二耦合输入信号以获取这两个信号之间的差值作为误差信号。然而，如果所述RFOUT信号不具有正确的相位，当所述第二耦合输出信号与所述第二耦合输入信号到达所述耦合器322时，它们将不同相。在这种情况下，信号不会完全取消，并且由所述耦合器322输出的误差信号的振幅表示信号之间的相位差。因此所述相位控制回路320能够检测所述RFOUT信号的相位是否偏移期望的值，例如由于由所述功率放大器301引入的非线性相位失真而偏移期望的值。
由所述耦合器322输出的误差信号被发送至检测器323，所述检测器323可以为与所述增益控制回路310的输入检测器311以及输出检测器312相似的RMS检测器。所述检测器323测量所述误差信号的功率电平，并输出表示所述测量的功率的信号至处理器324。所述处理器被配置为通过所述相位控制模块303调整施加到所述RFIN信号的相位调整，以便最小化由所述检测器323测量到的误差信号的功率电平。
尽管在本实施例中，通过采用所述耦合输入以及输出信号之间的差值获取误差信号，但是在其它的实施例中所述相位控制回路320可被配置为添加耦合信号一起来产生所述误差信号。例如，当所述第二耦合输入信号以及所述第二耦合输出信号到达所述耦合器322时，它们可被布置为同相，使得信号加在一起，而不是取消。在这种情况下，所述处理器可被布置为改变施加到所述RFIN信号的相位，以便最大化误差信号的测量功率。
如上所述，使用独立的控制回路控制施加到所述RFIN信号的增益和相位，提供了与常规控制系统相比处理算法可被简化的优势，因为每个控制回路仅处理单一变量。因此，如图3所示出的控制系统，与常规控制系统相比可操作具有更短的响应时间。此外，当所述增益控制表现为移相器时(通常发生在当所述功率放大器饱和或接近饱和而运转时)，所述增益和相位控制可被精确地施加。在这种情况下，改变所述增益可影响所述RFOUT信号的相位，但是独立的相位控制回路可检测这种改变并自动地调整相位来补偿。
尽管在图3的实施例中，使用模拟组件实施所述增益控制回路，但是在其它的实施例中所述增益控制回路可以是数字化的。例如，为了控制所述增益控制模块，现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)可被配置以提供与图3的模拟增益控制回路相似的功能。此外，尽管在本实施例中所述增益和相位控制回路被用于控制RF功率放大器，在不同的频率，即不仅在RF，可以使用其它实施例。
在如图3所示的实施例中，所述增益控制回路为前馈回路，类似于前馈线性化电路的信号消除电路。图3的相位控制回路与前馈线性化电路不同，在所述相位控制回路中，由所述耦合器322获取的误差信号随后不会像通常会发生在前馈线性化电路的误差消除电路中一样，与功率放大器的RFout输出信号结合来取消互调产物。而是检测并使用所述误差信号的功率来确定将要施加到所述RFin输入信号的相位。
现在参照图4，示出了对比常规的开环控制系统与图3的控制系统的增益控制性能的曲线图。所述曲线图示出一定范围内的输出信号RFOUT功率电平的增益误差(德尔塔增益)的变化。所述增益误差为实际增益与目标增益之间的差值。第一曲线401，如图4所示的实线，示出当图3的控制系统被用于控制GaN功率放大器时，一定范围内的输出功率电平的增益误差。第二曲线402，如图4中的虚线所示，示出当如图1中所示的常规开环控制系统被用于控制相同的GaN功率放大器时，在相同的功率范围内的增益误差。如图4所示，图3的控制系统实质上实现比常规的开环控制系统可能更稳定的增益控制。
现在参照图5，示出对比常规的开环控制系统与图3的控制系统的相位控制性能的曲线图。所述曲线图示出在图4中使用的相同的功率范围内的相位误差(德尔塔相位)中的变化。第一曲线501，如图5所示的实线，示出当图3的控制系统被用于控制GaN功率放大器时的相位误差。第二曲线502，如图5中的虚线所示，示出当常规开环控制系统被用于控制GaN功率放大器时的相位误差。如图5所示，图3的控制系统实质上实现比常规的开环控制系统可能更稳定的相位控制。
优选地，所述增益控制回路的输入和输出检测器应该为RMS检测器。然而，如果所述检测器不是好的RMS检测器，可以使用限制器在信号到达第一输入耦合器之前缩减所述输入信号RFIN。更详细地，当所述RFIN信号具有高的峰均比(peak-to-average ratio)(PAR)时，由所述功率放大器产生的放大的RFOUT信号在所述放大器被驱动到高增益水平时可以被缩减。在此事件中，所述RFOUT信号将具有比RFIN信号更低的PAR，并且相应地，所述第一耦合输出信号将具有比所述第一耦合输入信号更低的PAR。如果所述输入和输出检测器不是好的RMS检测器，即使信号的RMS功率相同，对于这些具有不同PAR的信号，所述检测器可给出不同的测量到的功率。因此，当所述RFOUT信号相对于RFIN信号被缩减并且所述检测器不是好的RMS检测器时，即使当信号具有相同的RMS功率电平，不同的功率电平可由所述输入和输出检测器测量。这样会导致增益控制被不正确地施加。
为了弥补这一点，在本发明的实施例中所述检测器不是好的RMS检测器，本发明的实施例可进一步包括耦合至所述第一输入耦合器的一个输入的限制器。所述限制器被配置为缩减所述RFIN信号到与由所述功率放大器缩减的所述RFOUT信号一样的程度。相应地，所述第一耦合输入信号以及第一耦合输出信号被缩减到相同的程度，就能够避免增益控制误差。
图6示出当所述增益控制回路的输入和输出检测器不是好的RMS检测器时，一定范围内的输出功率电平的增益误差的曲线图。第一曲线601，如图6所示的实线，示出当使用限制器来缩减所述RFIN信号时的增益误差。为了进行比较，还提供了第二曲线602，如图6所示的虚线，来示出当所述RFIN信号没有被缩减时的增益误差。如图6中所示，没有所述限制器所述增益误差差不多变化±1.1dB，但是通过使用限制器，其可提高到±0.83dB。通过比较的方式，如果好的RMS检测器被用于图3的实施例中，所述增益误差变化±0.13dB，如图4所示。
现参照图7描述本发明的另一个实施例。图7中所示的控制系统可被包含在卫星中，如通信卫星，以控制所述卫星的功率放大器。在本实施例中，使用单一的前馈控制回路720执行增益和相位控制。像图3的实施例一样，本实施例包含功率放大器701，耦合至所述功率放大器701的输入的增益控制和相位控制模块702、703，以及被配置为分别引导耦合输入以及耦合输出信号至所述前馈控制回路720的输入及输出耦合器705、707。也像图3的实施例一样，所述前馈控制回路720包括用于结合所述耦合输入信号以及耦合输出信号的耦合器722，以及用于在所述耦合输入信号被输入到检测器722之前延迟所述耦合输入信号的延迟线721。所述耦合器722输出误差信号至检测器723，所述检测器723测量所述误差信号的功率电平并发送表示测量到的功率的信号至处理器724。与图3的相位控制环路320一样，图7的控制回路720被布置为在获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，使得用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号以及第二信号对应于所述输入信号RFIN的相同部分。
所述前馈控制回路720的操作的详细描述将省略以保持简洁，因为所述误差信号是与如图3的实施例相似的方式被获取。然而，在本实施例中，所述处理器724基于所述误差信号的测量功率确定在所述RFIN信号输入到所述功率放大器701之前，是否调整施加到所述RFIN信号的增益和相位。同样地，处理器724既耦合至增益控制模块702又耦合至相位控制模块703以控制所述RFIN信号的增益和相位。因此，在本实施例中，使用单一的控制回路执行增益和相位控制。
现在参照图8，示出对比常规开环控制系统与图7的控制系统的增益控制性能的曲线图。所述曲线图示出在一定范围内的RFOUT功率电平的增益误差的变化。第一曲线801，如图8所示的实线，示出当图7的控制系统被用于控制GaN功率放大器时，用于一定范围内的RFOUT功率电平的增益误差。第二曲线802，如图8所示的虚线，示出当如图1所示的常规开环控制系统被用于控制相同的GaN功率放大器时在相同功率范围内的增益误差。如图8中所示，图7的控制系统实质上实现比常规的开环控制系统可能更稳定的增益控制。
现在参照图9，示出对比常规的开环控制系统与图7的控制系统的相位控制性能的曲线图。所述曲线图示出在相同的RFOUT功率电平范围内的相位误差的变化。第一曲线901，如图9所示的实线，示出当图7的控制系统被用于控制GaN功率放大器时一定范围内信号功率的相位误差。第二曲线902，如图9中的虚线所示，示出当常规开环控制系统被用于控制相同的GaN功率放大器时相同功率范围内的相位误差。如图9所示，图7的控制系统实质上实现比常规的开环控制系统可能更稳定的相位控制。
与图3的实施例相比，图7的控制系统在给定的输出信号功率范围内提供较不稳定的增益控制，因为一个单一的控制回路被用于既控制增益又控制相位。当单一的回路既控制增益又控制相位时，需要更复杂的处理算法，并且相应地，与图3的增益控制和相位控制回路310、320相比，图7的前馈控制回路的响应时间更慢。尽管如此，图7的实施例仍旧提供超过常规开环控制系统的实质性改进。
更详细地，如图4和8所示，当常规开环控制系统被用于控制相位和增益时，增益误差仅能被控制在±2dB的范围内。如图8中所示，当单一的前馈控制回路被用于既控制增益又控制相位时，如图7的实施例，其提高到±0.23dB。如图4中所示，当独立的闭合回路被用于控制所述增益时，如图3的实施例，其又进一步提高到±0.13dB。
相似地，如图5和9所示，当常规开环控制系统被用于既控制增益又控制相位时，所述相位误差仅能被控制在±20°的范围内。如图9中所示，当单一的前馈控制回路被用于既控制增益又控制相位时，如图7的实施例，其提高到±2.2°。如图5中所示，当独立的前馈控制回路被用于控制所述相位时，如图3的实施例，其又进一步提高到±1.8°。
图4、5、8和9所示的结果在实施例构建的初步测试期间使用相对低质量的组件获取。然而，如上所述，这些早期的实施例仍旧提供超过图1的标准开环控制系统可衡量的改进，并且随着进一步优化，预期将会有更大的改进。
尽管本发明已经描述的实施例是关于控制表现出滞后记忆效应的GaN功率放大器，但是可使用其它的实施例来控制不会表现出这种记忆效应的功率放大器，例如基于砷化镓的器件。在这些情况下，根据本发明的控制系统凭借改善的响应时间的优点可仍旧提供超过图1的常规开环控制系统的优势，该响应时间允许增益和相位失真更快地调整对输入信号功率的变化的响应。
此外，本发明的实施例中已经描述增益控制回路既监测输入信号又监测输出信号。然而，一些实施例可被配置在输入信号具有已知的恒定功率的应用中使用，并且在这种实施例中所述增益控制回路能确定放大的信号的电流增益而不用监测所述输入信号，因为已经知道所述输入信号的功率电平。
此外，已经描述了本发明的实施例，其中，测量了源于输入和输出信号的信号的功率电平。即使在所述输入和/或放大的信号是高功率信号时，这也能够允许低功率检测器的使用。可选地，在一些实施例中所述输入和/或放大的信号的功率电平可被直接检测，在这种情况下，图3的第一和/或第二耦合器以及第一和/或第二检测器可相应地省略。
尽管本发明的某些实施例已经在上面描述，本领域技术人员应当理解，许多变化和修改都是可能的而不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。特别是，可以与任何其它实施例中的任何特征结合使用任何上述实施例中的任何特征。

Claims (15)

1.用于控制输入至功率放大器(301)的输入信号的增益和相位的设备，所述设备包括：
增益控制装置(302)，用于控制所述输入信号的增益；
相位控制装置(303)，用于控制所述输入信号的相位；
增益控制回路(310)，被配置为基于所述输入信号的功率电平以及由所述功率放大器输出的放大信号的功率电平控制所述增益控制装置，以获取所述放大信号的预定增益；以及
相位控制回路(320)，被配置为获取误差信号并基于所述误差信号控制所述相位控制装置以获取所述放大信号的预定相位，所述误差信号与源于所述输入信号的第一信号和源于所述放大信号的第二信号之间的相位差有关，
其中所述相位控制回路被布置以在获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号和所述第二信号对应于所述输入信号的相同部分。
2.权利要求1所述的设备，其中所述增益控制回路被配置为接收源于所述输入信号的第三信号以及源于所述放大信号的第四信号，以及
其中所述增益控制回路被配置为将所述第三信号的功率电平和所述第四信号的功率电平进行比较，并基于所述比较的结果控制所述增益控制装置。
3.权利要求2所述的设备，进一步包括：
输入耦合器(304)，被配置为接收所述输入信号以及输出所述第三信号，所述输入耦合器具有第一耦合系数；以及
输出耦合器(305)，被配置为接收所述放大信号以及输出所述第四信号，所述输出耦合器具有第二耦合系数，
其中所述第一和第二耦合系数被选择为使得当所述放大信号具有所述预定增益时，所述第三信号以及所述第四信号具有基本相同的功率电平。
4.权利要求2或3所述的设备，其中所述增益控制回路包括：
第一检测器(311)，被配置为测量所述第三信号的功率电平；以及
第二检测器(312)，被配置为测量所述第四信号的功率电平，
其中所述第一和第二检测器是匹配的根均方RMS检测器。
5.权利要求2或3所述的设备，其中所述增益控制回路包括：
第一检测器(311)，被配置为测量所述第三信号的功率电平；
第二检测器(312)，被配置为测量所述第四信号的功率电平；以及
装置(315)，用于缩放所述第一检测器的输出或所述第二检测器的输出，以便当所述第三和第四信号具有相同的功率时所述第一和第二检测器的输出基本相同。
6.权利要求5所述的设备，其中所述放大信号被所述功率放大器缩减，所述设备进一步包括：
限制器，所述限制器被配置为缩减所述输入信号，与由所述功率放大器放大的信号的缩减一致，以便由所述第一检测器接收的所述第三信号以及由所述第二检测器接收的所述第四信号被缩减基本上相同的量。
7.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述相位控制回路包括：
延迟装置(321)，用于延迟所述第一信号；
误差信号产生装置(322)，所述误差信号产生装置(322)基于所述第二信号以及所述延迟的第一信号产生所述误差信号；
检测器(323)，用于测量所述误差信号的功率；以及
处理装置(324)，被配置为基于所述误差信号的测量功率控制所述相位控制装置，
其中所述延迟装置被配置为使得经由所述功率放大器到所述误差信号产生装置的第一路径的电长度与经由所述延迟装置到所述误差信号产生装置的第二路径的电长度基本上相同。
8.权利要求7所述的设备，其中所述处理装置被配置为控制所述相位控制装置以便使所述误差信号的所述测量功率最小化。
9.前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述放大信号的电流增益和相位依赖于所述功率放大器的操作历史。
10.一种卫星，包括：
功率放大器；以及
前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备被配置为控制输入至所述功率放大器的输入信号的增益和相位。
11.一种用于控制输入至功率放大器(301)的输入信号的增益和相位的方法，所述方法包括：
基于所述输入信号的功率电平以及由所述功率放大器输出的放大信号的功率电平控制所述输入信号的增益，以获取所述放大信号的预定增益；
延迟源于所述输入信号的第一信号；
获取与所述延迟的第一信号以及源于所述放大信号的第二信号之间的相位差有关的误差信号；以及
根据所述误差信号控制所述输入信号的相位，以获取所述放大信号的预定相位，
其中所述第一信号被延迟以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号以及第二信号对应于所述输入信号的相同部分。
12.权利要求11所述的方法，进一步包括：
将源于所述输入信号的第三信号的功率电平与源于所述放大信号的第四信号的功率电平进行比较，
其中基于所述比较的结果控制所述输入信号的增益。
13.权利要求12所述的方法，其中所述第三和第四信号被布置为当所述放大信号具有所述预定增益时具有相同的功率电平。
14.一种卫星，包括：
功率放大器(701)，用于接收输入信号以及输出放大信号；
增益控制装置(702)，用于控制所述输入信号的增益；
相位控制装置(703)，用于控制所述输入信号的相位；以及
控制回路(720)，被配置为获取误差信号并基于所述误差信号控制所述增益控制装置以及相位控制装置以获取所述放大信号的预定增益和相位，所述误差信号与源于所述输入信号的第一信号和源于所述放大信号的第二信号之间的相位差有关，
其中所述控制回路被布置以在获取所述误差信号之前延迟所述第一信号，以便用于获取所述误差信号的所述延迟的第一信号以及第二信号对应于所述输入信号的相同部分。
15.权利要求14所述的卫星，其中所述控制回路包括：
第一耦合器(705)，用于输出所述第一信号；
第二耦合器(707)，用于输出所述第二信号；
延迟装置(721)，用于延迟所述第一信号；
误差信号产生装置(722)，所述误差信号产生装置(722)用于接收所述延迟的第一信号以及所述第二信号，并产生与所述延迟的第一信号和所述第二信号之间的相位差有关的误差信号；
检测器(723)，用于测量所述误差信号的功率；以及
处理装置(724)，被配置为基于所述误差信号的测量功率控制所述增益控制装置以及所述相位控制装置，
其中，所述延迟装置被配置为使得经由所述功率放大器到所述误差信号产生装置的第一路径的电长度与经由所述延迟装置到所述误差信号产生装置的第二路径的电长度基本上相同。
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