CN105932969B - 一种高效率功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率功率放大器。该功率放大器包括依次电连接的增益控制电路、输入匹配网络、放大模块和输出匹配网络，以及数字信号处理模块和电源模块；所述数字信号处理模块的第一输出端与所述电源模块电连接，所述数字信号处理模块的第二输出端与增益控制电路电连接；其中，所述输出匹配网络为电压调节的可调匹配网络，所述数字信号处理模块接收并处理控制信号，由所述数字信号处理模块的第一输出端输出电压调控指令，所述电源模块接收所述电压调控指令并输出调控电压，通过所述调控电压来调节所述输出匹配网络的阻抗值。实现了功率放大器在不同的输出功率下均能工作于饱和状态，大大提高功放效率。

Description

一种高效率功率放大器

技术领域

本发明实施例涉及半导体、微电子和通信技术领域，尤其涉及一种高效率功率放大器。

背景技术

效率是通信系统核心的指标之一。通讯系统绝大部分的能耗来自于通信系统的核心模块的功率放大器。如何提高功率放大器的效率已经成为工业界亟待解决的问题。对于机载、舰载、车载等通讯系统而言，能够携带的燃油和电池有限，因此功率放大器的效率至关重要。

现有技术中，功率放大器效率提升技术主要包括：Doherty功率放大器和包络跟踪技术。

Doherty功率放大器为有源负载调制技术，整个功放由两路功放电路构成。其中载波功放工作于AB类，峰值功放工作于B类或C类。输入信号的大小自动实现C类功放管的开启程度，从而实现两路功放管负载的变化，提高功率放大器在在功率回退时的效率。其缺点在于：

一、Doherty功放只有在特定功率下(饱和输出和特定输出功率下)才能达到最大值效率值；

二、需要两只功放管，增加成本；

包络跟踪技术为电源调制技术，不同的输入信号下，实时调节功放漏极电源电压，使功放工作于电压饱和状态，降低功放热功耗，从而提高功放效率。为了保证功放具有恒定的效率和增益，功放漏极电压与输入信号之间必须要满足一定的函数关系。实际上由于功放管寄生参数及膝区电压的存在，难以做到，常常导致低功率下，效率提升效率不理想，同时造成增益下降。

发明内容

本发明提供一种高效率功率放大器，在不同的输出功率下均能工作于饱和状态，大大提高功放效率。

本发明实施例提供了一种高效率功率放大器，该功率放大器包括依次电连接的增益控制电路、输入匹配网络、放大模块和输出匹配网络，以及数字信号处理模块和电源模块；数字信号处理模块的第一输出端与电源模块电连接，数字信号处理模块的第二输出端与增益控制电路电连接；

其中，输出匹配网络为电压调节的可调匹配网络，用于放大模块输出匹配，数字信号处理模块接收并处理控制信号，由数字信号处理模块的第一输出端输出电压调控指令，电源模块接收电压调控指令并输出调控电压，通过调控电压来调节输出匹配网络的阻抗值；由数字信号处理模块的第二输出端输出控制指令，增益控制电路接收控制指令，调节增益控制电路增益，从而调节传输到输入匹配网络信号的大小并输出信号，输入匹配网络用于放大模块输入匹配，减小增益控制电路输出信号与放大模块之间的反射，确保将增益控制电路的输出信号到达放大模块。

进一步的，还包括：耦合器，延时电路和检波器；

其中，耦合器的输入端用于接收输入信号，耦合器的第一输出端与检波器的输入端电连接，耦合器的第二输出端与延时电路的输入端电连接；

延时电路的输入和输出端分别与耦合器的第二输出端和增益控制电路电连接，用于对输入信号进行延时处理；

检波器的输入和输出端分别与耦合器的第一输出端和数字信号处理模块电连接，用于检测输入信号的功率大小，并将其转换为控制信号传输给数字信号处理模块。

进一步的，输出匹配网络至少包括一级可调匹配网络，一级可调匹配网络至少包含一个可调电容器。

进一步的，输出匹配网络包括依次串联第一微带线、第一隔直电容器、第二微带线、和第二隔直电容器，第一微带线的输入端与放大模块的输出端电连接，可调电容器与第二微带线和第二隔直电容器电连接，输出匹配网络与电源模块电连接。

进一步的，可调电容器为铁电薄膜电容器。

进一步的，放大模块为晶体管管芯、晶体管管芯构成的放大电路或具有封装管壳的功放管

本发明提供的高效率功率放大器，通过依次电连接的增益控制电路、输入匹配网络、放大模块和输出匹配网络，以及数字信号处理模块和电源模块；数字信号处理模块的第一输出端与电源模块电连接，数字信号处理模块的第二输出端与增益控制电路电连接；其中，输出匹配网络为电压调节的可调匹配网络，用于放大模块输出匹配，数字信号处理模块接收并处理控制信号，由数字信号处理模块的第一输出端输出电压调控指令，电源模块接收电压调控指令并输出调控电压，通过调控电压来调节输出匹配网络的阻抗值；由数字信号处理模块的第二输出端输出控制指令，增益控制电路接收控制指令，调节增益控制电路增益，从而调节传输到输入匹配网络信号的大小并输出信号，输入匹配网络用于放大模块输入匹配，减小增益控制电路输出信号与放大模块之间的反射，确保将增益控制电路的输出信号到达放大模块。本发明提供的高效率功率放大器解决了传统功率放大器在输出功率下降后，功放效率降低的问题，实现了功率放大器在不同的输出功率下均能工作于饱和状态，大大提高功放效率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种高效率功率放大器的电路结构图；

图2是本发明实施例一提供的一种高效率功率放大器的输出匹配网络示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种高效率功率放大器的负载调制原理图；

图4是本发明实施例一提供的一种高效率功率放大器与传统的AB类功率放大器在不同输出功率下的效率曲线图；

图5是本发明实施例二提供的一种高效率功率放大器的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种高效率功率放大器的电路结构图。本实施例提供的放大器能够提供不同的输出功率，且在不同的输出功率下均能工作饱和状态。本发明提供的高效率功率放大器的工作类型可以是A类、B类、AB类、C类功率放大器。

如图1所示，该功率放大器包括依次电连接的增益控制电路10、输入匹配网络11、放大模块12和输出匹配网络13，以及数字信号处理模块14和电源模块15；数字信号处理模块14的第一输出端与电源模块15电连接，数字信号处理模块14的第二输出端与增益控制电路10电连接；

其中，输出匹配网络13为电压调节的可调匹配网络，用于放大模块12输出匹配，数字信号处理模块14接收并处理控制信号，由数字信号处理模块14的第一输出端输出电压调控指令，电源模块15接收电压调控指令并输出调控电压，通过调控电压来调节输出匹配网络13的阻抗值；由数字信号处理模块14的第二输出端输出控制指令，增益控制电路10接收控制指令，调节增益控制电路10的增益，从而调节传输到输入匹配网络信号的信号大小并输出信号，输入匹配网络11用于放大模块12的输入匹配，减小增益控制电路10输出信号与放大模块12之间的反射，确保将增益控制电路10的输出信号到达放大模块12。

具体的，该功率放大器为无源负载调制的功率放大器，其中，增益控制电路10，用于调节功放输入功率大小，防止由于输入功率过大导致放大模块因为过压缩损坏。输入匹配网络11用于减小增益控制电路10输出信号与放大模块12之间的反射，确保将增益控制电路10的输出信号到达放大模块12。放大模块12为放大器的核心部件，用于将信号进行放大。其中，放大模块12可选晶体管管芯、晶体管管芯构成的放大电路或具有封装管壳的功放管。晶体管可选氮化镓高电子迁移率晶体管、砷化镓高电子迁移率晶体管、横向扩散金属氧化物半导体晶体管或金属氧化物场效应晶体管。

数字信号处理模块14包括记录了功率放大器在不同输出功率下输出匹配网络13负载阻抗值、可调电容器C3容值、电源模块15的调控电压及放大模块12增益数据之间的对应关系。电源模块15，用于输出调控电压。

输出匹配网络11至少包括一级可调匹配网络，该一级可调匹配网络至少包含一个可调电容器。

为描述描述方便，示例性的以输出匹配网络只有一级可调匹配网络，且该可调匹配网络只有1个可调电容进行举例说明。

图2为本发明实施例一提供的一种高效率功率放大器的输出匹配网络示意图。输出匹配网络13包括一级可调匹配网络，可调匹配网络包含一个可调电容器C3。输出匹配网络依次串联第一微带线131、第一隔直电容C1、第二微带线132、和第二隔直电容C2，第一微带线131的输入端与放大模块12的电连接，可调电容器C3与电源模块15和第二隔直电容器C2电连接。

此外，在输出匹配网络13和电源模块15之间连接有扼流圈L1，其作用是防止射频信号进入电源模块15，导致电源模块15损坏，同时防止电源模块15对输出匹配网络13的特性造成干扰。同时第一微带线131与放大模块12的供电电源16之间接有扼流圈L2扼流圈为射频电路供电时常用技术，其作用于扼流圈L1相同。

具体的，可调电容器C3可选铁电薄膜电容器，铁电薄膜电容器可以为钛酸锶钡铁电薄膜电容器，该电容器具有高调谐率、高Q值、高调节速度及高击穿电压等特性。在不同的控制电压下，铁电薄膜的介电常数不同，电容调谐率可达50％以上。非常适合可调匹配网络制备。

第一微带线131和第二微带线132是在PCB介质基板上导电金属构成的微带线。

另外，数字信号处理模块14的第二输出端与增益控制电路10电连接，增益控制电路10接收控制指令调节增益控制电路增益，从而调节传输到输入匹配网络11信号的大小并输出信号。增益控制电路10可以根据需要实时调节功率放大器的输入信号的功率。

该功率放大器的工作原理如下：

根据需求的特定输出功率，将其转换为相应的控制信号。根据不同的输出功率，数字信号处理模块14接收根据预设控制信号，通过数字信号处理模块14的第一输出端给电源模块15，用于控制电源模块15的输出控制电压的变化，当输出控制电压的变化，可调电容器C3的容值发生变化，导致输出匹配网络13的阻抗值发生变化。功率放大器的工作状态也发生相应的变化。

图3是本发明实施例一提供的高效率功率放大器的无源负载调制原理图。其中，放大模块12为一款氮化镓高电子迁移率晶体管芯片。

氮化镓高电子迁移率晶体管在不同输出功率下的负载线，如图3所示。图中I_max为氮化镓高电子迁移率晶体管的最大饱和输出电流，V_knee为氮化镓高电子迁移率晶体管的膝区电压，V_gs为氮化镓高电子迁移率晶体管栅极电压，V_ds为氮化镓高电子迁移率晶体管漏极工作电压，I_ds为氮化镓高电子迁移率晶体管漏极工作电流。a为氮化镓高电子迁移率晶体管高功率输出时的负载线；b为氮化镓高电子迁移率晶体管中等功率输出时的负载线，c为氮化镓高电子迁移率晶体管低功率输出时的负载线。负载线的斜率的倒数代表负载值得大小。当功率放大器的输出功率下降时，数字信号处理模块14调节输出匹配网络13的控制电压，提高输出匹配网络13阻抗值，从而降低氮化镓高电子迁移率晶体管负载线斜率，提高晶体管负载阻抗，使氮化镓高电子迁移率晶体管芯片工作于高阻状态，实现功率饱和，提高功放管的效率值。

为了更清楚的看出本实施例中的功率放大器与传统功率放大器的效率。图4给出了本发明实施例一提供的高效率功率放大器与传统的AB类功率放大器在不同输出功率下的效率曲线图。该功率放大器的工作频率为1.3GHz。如图4所示，本实施例中效率放大器与传统的AB类功放在具有相同输出功率的情况下，效率得到大大提升。例如，功率回退6dB后传统的AB类功放效率值只有39％；而基于本发明的效率放大器在功率回退6dB后，效率仍然高达68％。与传统的AB类功放相比，功率回退6dB后，绝对效率提升29个百分点。

本发明的提供的实施例通过依次电连接增益控制电路、输入匹配网络、放大模块和输出匹配网络，以及数字信号处理模块和电源模块，输出匹配网络外可调匹配网络。其中，输出匹配网络为电压调节的可调匹配网络，数字信号处理模块接收控制信号，通过数字信号处理模块的第一输出端给电源模块的输出控制电压，电源模块的输出端与输出匹配网络电连接，且通过控制电压来调节输出匹配网络的阻抗值。使功率放大器在输出功率下降时，保证放大模块的核心元件氮化镓高电子迁移率晶体管工作于高组状态，功率放大器工作于饱和状态，大大提高了功率放大器在输出功率下降后的效率。本实施例一提供的高效率放大器解决了传统功率放大器在输出功率降低后，功放效率迅速下降的问题，实现了在不同的输出功率下均能工作于饱和状态，大大提高功放效率。

实施例二

图5是本发明实施例二提供的一种高效率功率放大器的电路结构图。该放大器根据输入信号的功率大小，自动调节输出匹配网络的阻抗值，使功率放大器在不同的输出功率小均工作于饱和状态。本实施例以实施例一为基础，该功率放大器还包括：耦合器16，延时电路17和检波器18；

耦合器16的输入端用于接收输入信号，耦合器16的第一输出端与检波器18的输入端电连接，耦合器16的第二输出端与延时电路17的输入端电连接；

延时电路17的输入和输出端分别与耦合器16的第二输出端和增益控制电路10电连接，用于对输入信号进行延时处理；

检波器18的输入和输出端分别与耦合器16的第一输出端和数字信号处理模块14电连接，用于检测输入信号的功率大小，并将其转换为控制信号传输给数字信号处理模块。

本实施例中功率放大器的工作原理如下：

耦合器16的输入端用于接收输入信号。将输入信号通过耦合器的第一输出端传给检波器18，检波器18用于检测输入信号的功率大小，并将其转换为控制信号传输给数字信号处理模块14，数字信号处理模块14对控制信号进行分析。然后数字信号处理模块14控制增益控制电路10和控制电源模块15。增益控制电路10接收控制指令，调节增益控制电路增益，从而调节传输到输入匹配网络11的信号大小并输出信号。电源模块15输出合适的调控电压，来调节输出匹配网络13的阻抗值，为放大模块提供合适的负载阻抗值，保证功率放大器在不同输出功率下均能工作在饱和状态，提高功率放大器功率下降时的效率。

本实施例提供的高效率放大模块通过在实施例一的基础上添加耦合器，延时电路和检波器，实现了功率放大器实时检测输入功率大小，并调节输出匹配网络的阻抗值，保证功率放大器能够实时通过检测输入功率大小，自动调节输出匹配网络的阻抗值，保证功率放大器在不同的输出功率下均能工作于饱和状态，大大提高功放在输出功率下降时的效率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种高效率功率放大器，其特征在于，包括依次电连接的增益控制电路、输入匹配网络、放大模块和输出匹配网络，以及数字信号处理模块和电源模块；所述数字信号处理模块的第一输出端与所述电源模块电连接，所述数字信号处理模块的第二输出端与增益控制电路电连接；

其中，所述输出匹配网络为电压调节的可调匹配网络，用于所述放大模块输出匹配，所述数字信号处理模块接收并处理控制信号，由所述数字信号处理模块的第一输出端输出电压调控指令，所述电源模块接收所述电压调控指令并输出调控电压，通过所述调控电压来调节所述输出匹配网络的阻抗值；由所述数字信号处理模块的第二输出端输出控制指令，所述增益控制电路接收所述控制指令，调节所述增益控制电路增益，从而调节传输到所述输入匹配网络信号的大小并输出信号，所述输入匹配网络用于放大模块输入匹配，减小所述增益控制电路输出信号与放大模块之间的反射，确保将所述增益控制电路的输出信号能够传输到放大模块。

2.根据权利要求1所述的高效率功率放大器，其特征在于，还包括：耦合器，延时电路和检波器；

其中，所述耦合器的输入端用于接收输入信号，所述耦合器的第一输出端与所述检波器的输入端电连接，所述耦合器的第二输出端与所述延时电路的输入端电连接；

所述延时电路的输入和输出端分别与耦合器的第二输出端和增益控制电路电连接，用于对所述输入信号进行延时处理；

所述检波器的输入和输出端分别与耦合器的第一输出端和数字信号处理模块电连接，用于检测所述输入信号的功率大小，并将其转换为控制信号传输给数字信号处理模块。

3.根据权利要求1或2任一所述的高效率功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络至少包括一级可调匹配网络，所述一级可调匹配网络至少包含一个可调电容器。

4.根据权利要求3所述的高效率功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络包括依次串联第一微带线、第一隔直电容器、第二微带线、和第二隔直电容器，所述第一微带线的输入端与放大模块的输出端电连接，所述可调电容器与所述第二微带线和所述第二隔直电容器电连接，所述输出匹配网络与电源模块电连接。

5.根据权利要求4所述的高效率功率放大器，其特征在于，可调电容器为铁电薄膜电容器。

6.根据权利要求1或2所述的高效率功率放大器，其特征在于，所述放大模块为晶体管管芯、晶体管管芯构成的放大电路或具有封装管壳的功放管。