CN107579718B - 一种自适应功率放大的方法、装置和宽带功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应功率放大的方法、装置和宽带功率放大器，该方法包括：对输入的射频信号进行前级功率放大；使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；对每个所述分频信号进行功率放大；对经过功率放大的所有所述分频信号进行合频，输出合频信号。该方法可应用于任何频段、任何功率等级的宽带功率放大器中，应用范围广；利用该方法设计的宽带功率放大器，其输出功率、输出效率、增益等性能指标得到提高。

Description

一种自适应功率放大的方法、装置和宽带功率放大器

技术领域

本发明涉及功率放大领域，特别涉及一种自适应功率放大的方法、装置和宽带功率放大器。

背景技术

宽带功率放大器主要用于通信电子对抗、宽带接收及微波测试系统中。目前越来越多的电子系统都采用宽带方案，指标要求也越来越高，其性能的好坏对通信电子对抗等系统起着至关重要的作用。但是，宽带功率放大器的主要性能取决于功率器件的性能，功率器件经过长期的发展，性能指标已得到较大的提升，历经的产品包括硅基三极管、砷化镓场效应管及LDMOS管、GaN功率管等。

2006年“全国第十一届微波集成电路与移动通信学术年会论文集”“SiC微波功率管在固态宽带大功率发射机中的应用”一文较早提出应用新一代宽禁带功率器件研制宽带功率放大器，对其设计理论进行了分析，并给出了L频段宽带功率放大器的电路形式。

2013年“火控雷达技术”第42卷第1期“O.8—2GHz超宽带大功率放大器设计与研究”一文中，采用新一代功率器件，提出一种工作频率0.8-2GHz，输出功率100W，典型效率60％的超宽带功率放大器，并给出其设计方法。

但是在越来越高的要求中，即使是作为第三代产品的GaN功率管在宽带应用上有其先天的优势，器件的性能总是受限的。一般，输入的射频信号只是宽带功率放大器工作频段中的某几段，但是，传统的宽带功率放大器没有相对窄带的信号通道，射频信号只能通过宽带信号通道进行功率放大，造成宽带功率放大器的输出功率和输出效率较低。如何进一步提升宽带功率放大器的性能，是目前面临的问题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种自适应功率放大的方法、装置和宽带功率放大器。

根据本发明的一个方面，提供了一种自适应功率放大的方法，该方法包括：对输入的射频信号进行前级功率放大；

使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；

对每个所述分频信号进行功率放大；

对经过功率放大的所有所述分频信号进行合频，输出合频信号。

本发明还公开了一种自适应功率放大的装置，该装置包括：第一功放装置，用于对输入的射频信号进行前级功率放大；

分频装置，具有两个以上频段范围的预设窄带信号通道，以使经过前级功率放大后的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；

第二功放装置，用于对每个所述分频信号进行功率放大；

合频装置，用于对经过功率放大的所有所述分频信号进行合频，输出合频信号。

本发明还公开了一种宽带功率放大器，该放大器包括如上述的自适应功率放大的装置。

本发明通过对输入的射频信号进行前级功率放大、分频、功率再放大、合频后输出合频信号，从而获得合频信号。该方法使射频信号自适应选择与自身频段范围想对应的窄带信号通道，从而针对性地进行信号功率放大，对没有用到的工作频段无需进行信号功率放大，阻抗匹配度高，减少了能源浪费，提高了宽带功率放大器的输出功率、输出效率和增益等性能。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种自适应功率放大的方法；

图2为本发明一个实施例提供的一种采用多工器实现自适应功率放大的示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种采用开关组件实现自适应功率放大的示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种自适应L频段宽带功率放大器；

图5为本发明一个实施例提供的一种自适应功率放大的装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明的设计构思为：针对目前宽带功率放大器性能有限，无法达到宽带应用对输出功率和输出效率高要求的问题，本发明实施例提出首先了解输入的射频信号包含的频段范围和宽带功率放大器在系统中的应用频段，结合滤波器及末级功放模块设计参数，对宽带功率放大器的工作带宽进行分频，形成与射频信号相对应的窄带信号通道；对输入的射频信号进行前级功率放大；使射频信号自适应选择与其频段相对应的窄带信号通道，形成分频信号；对每个分频信号进行功率放大；对经过功率放大的所有分频信号进行合频，输出合频信号。主要利用分频双工器、分频多工器或分频开关组件实现分频，使得射频信号自适应地选择相对应窄带通道，进行信号放大，利用合频双工器、合频多工器或合频开关组件实现合频，提高了宽带功率放大器的输出功率、输出效率和增益等性能指标。

图1为本发明一个实施例提供的一种自适应功率放大的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S11：对输入的射频信号进行前级功率放大；

步骤S12：使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；具体地，使用第一分频双工器或多工器使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，得到初次分频信号，使用第二分频多工器使初次分频信号自适应选择与初次分频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，进行再次分频，输出分频信号。

步骤S13：对每个分频信号进行功率放大；

步骤S14：对经过功率放大的所有分频信号进行合频，输出合频信号；具体地，使用第一合频双工器或多工器使分频信号自适应选择与分频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，得到初次合频信号，使用第二合频多工器使初次合频信号自适应选择与初次合频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，进行再次合频，输出合频信号。

首先，在设置窄带信号通道过程中，需要综合考虑射频信号包含的频段范围和宽带功率放大器在系统中的应用频段，结合滤波器及末级功放模块设计参数，对宽带功率放大器的工作带宽进行分频，即将其整个工作带宽划分成多个频段，形成与射频信号相对应的窄带信号通道。在通信对抗系统中，一般在整个工作带宽内，并不是全部用到的，所以划分的多个频段可以是连续，也可以是不连续的。其次，要滤除射频信号中的带外信号，并对整个射频通路进行增益调节。

若划分的频段是不连续的，且满足滤波器设计的矩形系数条件，一般考虑矩形系数为1.5以上，则可考虑采用两组双工器或多工器来实现上述划分频段的自适应选择，其中一组双工器或多工器实现射频信号的分频，另一组双工器或多工器实现射频信号的合频。

图2为本发明一个实施例提供的一种采用多工器实现自适应功率放大的示意图，如图2所示，输入射频信号，经前级功放装置进行前级功率放大，输出至分频多工器，射频信号自适应选择对应的窄带信号通道，获得若干个分频信号。分频多工器包括第一分频多工器和第二分频多工器，其中第一分频多工器的输入端与前级功放装置的输出端相连，用于将射频信号初次分频，第二分频多工器的输入端与第一分频多工器的输出端相连，用于对初次分频的信号再次分频。例如，输入的射频信号中包含四个频段不连续的频段信号，通过与前级功放装置相连的第一分频多工器后初步获得两个分频信号，分别为频段一和频段二，这两个频段分别被输出至对应的第二分频多工器，频段一对应的多工器将其再次划分为频段1和频段2，频段二对应的多工器将其再次划分为频段3和频段4，频段1、频段2、频段3和频段4分别被输出至对应的末级功放装置，进行最终的功率放大，放大后的频段对应被输出至合频多工器。合频多工器包括第一合频多工器和第二合频多工器，其中第一合频多工器的输入端与末级功放装置的输出端相连，用于将初次分频的射频信号进行初次合频，第二合频多工器的输入端与第一合频多工器的输出端相连，用于对初次合频后的射频信号进行再次合频。合频多工器与分频多工器对称分布，将分频信号重新合波，得到合频信号。

在图2所示实施例中，采用了多个多工器进行分频，初次分频和再次分频中，每个多工器都是输出两个频段，所以多工器可以用双工器代替；若根据具体应用，可以找到合适的多工器，无需经过再次分频即可达到要求，则上述两组多工器即分频多工器和合频多工器可以分别只使用一个多工器来分频和合频；因为分频信号经过功率放大装置后功率增大，所以合频多工器的功率大于分频多工器的功率；根据具体应用，多工器可以是任何形式的，比如在短波或超短波频段，可以采用LC滤波器实现，在微波或更高频率，可以采用腔体或微带线滤波器实现；若划分的频段过多，则可采用级联多工器来实现。

若划分频段是连续的，则可考虑采用两组开关组件来实现划分频段的自适应选择。图3为本发明一个实施例提供的一种采用开关组件实现自适应功率放大的示意图，如图3所示，输入射频信号，经前级功放装置进行初级功率放大，输出至分频开关组件，射频信号自适应选择与其包含的频段范围相对应的窄带信号通道，被划分为n个频段，所划分频段对应被输出至末级功放装置，末级功放装置对每个频段信号进行功率放大后，将其输出至合频开关组件进行合频，得到合频信号，输出该射频信号。

该实施例与图2所示的实施例相比，无需进行再次分频；分频开关组件相对于合频开关组件功率较低，两者对称分布；根据具体应用，开关组件可以是电子开关，也可以是同轴开关。

一般地，功率较高的宽带功率放大器需要多级功放级联来实现，这时，对于如何选择小功率多工器或开关组件在级联功放中的位置，有一个原则，越靠后越好，最好是放在最后一级功放(即末级功放)之前，因为决定高功率放大器性能的，往往是末级功放，只需要将末级功放分频段设计即可达到目的，但如果宽带功率放大器的带宽太宽，给前级功放的设计带来压力，则小功率多工器的位置可以适当提前。

在本发明的各实施例中，自适应功率放大的方法还可以包括对功率放大后的分频信号进行合频后得到合频信号后，经过信号耦合，从而输出主信号和耦合输出信号。

图4为本发明一个实施例提供的一种自适应L频段宽带功率放大器，自适应L频段宽带功率放大器主要应用于GPS干扰系统，虽然其工作带宽是1.15GHz-1.65GHz，但根据其主要供包括1.15GHz-1.3GHz和1.55GHz-1.65GHz两个频段的射频信号使用，可将该自适应L频段宽带功率放大器划分为两个频段，L1频段:1.15GHz-1.3GHz和L2频段：1.55GHz-1.65GHz，采用腔体双工器实现频段自适应选择，该放大器是采用上述方法进行设计的。如图5所示，输入的射频信号先经过带通滤波器，滤除有害无用的带外信号，然后经过一个电调衰减器，电调衰减器实现对整个射频通路的增益调节。之后射频信号进行前级放大及推动级放大，获得40dBm左右的信号电平，通过小功率双工器的自适应选频，将L1频段和L2频段的信号送到相应的末级模块进行功率放大，获得53dBm的信号电平，再通过大功率双工器将信号引到同一个耦合器中，最后经由耦合器的主输出口输出。另外通过耦合器耦合出较小的射频信号再经衰减就得到耦合输出信号。

其中，所用的小功率双工器不但具有自适应选频的作用，还可以将前级产生的带外杂散信号滤除，对末级模块起到保护作用；大功率双工器除了具有合路作用外，还可以抑制带外谐波杂散；耦合器主要是为了检测耦合输出信号的输出幅度和相位，便于对功率放大器进行控制；为增加功放级联电路的稳定性，尽量在级间加入衰减器或隔离器；控制检测电路用于监测功放的各种工作状态以及每个功率管的工作状态，当功放出现各种需要被保护的现象时(如过热、过欠压、大驻波等)和功率管的工作状态不正常时，保护电路能快速保护，避免功率管损坏。需要注意的是，当宽带功率放大器工作在某一频段时，相对应的另一频段的末级放大装置应处于静噪状态，以防止形成带外信号回路，损坏宽带功率放大器。

图5为本发明一个实施例提供的一种自适应功率放大的装置，如图4所示，该装置包括：

第一功放装置501，用于对输入的射频信号进行前级功率放大；

分频装置502，具有两个以上频段范围的预设窄带信号通道，以使经过前级功率放大后的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；

第二功放装置503，用于对每个分频信号进行功率放大；

合频装置504，用于将经过功率放大的每个分频信号进行合频，输出合频信号。

其中，第一功放装置501包括前级放大装置和推动级放大装置，前级放大装置的输出端连接推动级放大装置的输入端。

分频装置502包括：分频双工器，包括两个不连续的预设窄带信号通道；或分频多工器，包括两个以上不连续的预设窄带信号通道；或分频开关组件，包括两个以上连续的预设窄带信号通道；其中，分频双工器、分频多工器或分频开关组件的输入端与第一功放装置的输出端连接，输出端与第二功放装置的输入端连接。

合频装置504包括：合频双工器，包括与分频双工器对应的两个不连续的预设窄带信号通道；或合频多工器，包括与分频双工器对应的两个以上不连续的预设窄带信号通道；或合频开关组件，包括与分频开关组件对应的两个以上连续的预设窄带信号通道；其中，合频双工器、合频多工器或合频开关组件的输入端与第二功放装置的输出端连接。

具体地，分频双工器包括第一分频双工器和第二分频双工器，合频双工器包括第一合频双工器和第二合频双工器；或分频多工器包括第一分频双工器和第二分频多工器，合频多工器包括第一合频多工器和第二合频多工器；其中，第一分频双工器的输入端与第一功放装置的输出端相连，输出端与第二分频双工器的输入端相连；第一合频双工器的输入端与第二功放装置的输出端相连，输出端与第二合频双工器的输入端相连；或第一分频多工器的输入端与第一功放装置的输出端相连，输出端与第二分频多工器的输入端相连；第一合频多工器的输入端与第二功放装置的输出端相连，输出端与第二合频多工器的输入端相连。

其中，合频双工器的功率大于分频双工器的功率；或合频多工器的功率大于分频多工器的功率；或合频开关组件的功率大于分频开关组件的功率。

图5所示装置还包括：带通滤波器和电调衰减器；带通滤波器用于在对输入的射频信号进行前级功率放大前，滤除射频信号中的带外信号；电调衰减器用于对射频通路进行增益调节；其中，带通滤波器的输出端连接电调衰减器的输入端。耦合器，用于对所述合频信号进行信号耦合后输出主信号和耦合输出信号；该耦合器的输入端连接合频装置的输出端。

本发明一个实施例还提供了一种宽带功率放大器，该放大器包括上述的自适应功率放大的装置。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例首先了解输入的射频信号包含的频段范围和宽带功率放大器在系统中的应用频段，结合滤波器及末级功放模块设计参数，从而选择具有合适窄带频段的分频装置，对宽带功率放大器的工作带宽进行分频，也即选择分频装置形成相应的窄带信号通道。根据具体的系统应用，选择合适的双工器或多工器或开关组件进行分频；对射频信号进行前期处理，滤除其中的带外信号，并对射频通路进行增益调节；然后对射频信号进行前级功率放大；使所述射频信号自适应选择与之相对应的窄带信号通道，形成分频信号；对每个分频信号进行功率放大；对经过功率放大的所有分频信号进行合频，经过耦合器耦合输出合频信号。该方法利用两组双工器或多工器或开关组件，使射频信号自适应选择相对应的窄带信号通道，进行信号放大，可应用于任何频段、任何功率等级的宽带功率放大器中，应用范围广；利用该方法设计的宽带功率放大器，阻抗匹配度高，有针对性地进行功率放大，避免能源浪费，提高了宽带功率放大器的输出功率、输出效率和增益等性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种自适应功率放大的方法，其特征在于，所述方法包括：

对输入的射频信号进行前级功率放大；

使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；

对每个所述分频信号进行功率放大；

对经过功率放大的所有所述分频信号进行合频，输出合频信号；

所述方法还包括：使用双工器和/或多工器形成预设窄带信号通道；

所述使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号包括：

使用第一分频双工器或多工器使经过前级功率放大的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，得到初次分频信号，使用第二分频多工器使初次分频信号自适应选择与所述初次分频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，进行再次分频，输出分频信号；

所述对经过功率放大的所有所述分频信号进行合频，输出合频信号包括：

使用第一合频双工器或多工器使分频信号自适应选择与所述分频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，得到初次合频信号，使用第二合频多工器使初次合频信号自适应选择与所述初次合频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，进行再次合频，输出合频信号。

2.一种自适应功率放大的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一功放装置，用于对输入的射频信号进行前级功率放大；

分频装置，具有两个以上频段范围的预设窄带信号通道，以使经过前级功率放大后的射频信号自适应选择与所述射频信号包括的频段范围相对应的预设窄带信号通道，输出分频信号；

第二功放装置，用于对每个所述分频信号进行功率放大；

合频装置，用于对经过功率放大的所有所述分频信号进行合频，输出合频信号；

所述分频装置包括：

分频双工器，包括两个不连续的预设窄带信号通道；或

分频多工器，包括两个以上不连续的预设窄带信号通道；

其中，所述分频双工器或所述分频多工器的输入端与所述第一功放装置的输出端连接，输出端与所述第二功放装置的输入端连接；

所述合频装置包括：

合频双工器，包括与分频双工器对应的两个不连续的预设窄带信号通道；或

合频多工器，包括与分频双工器对应的两个以上不连续的预设窄带信号通道；

其中，所述合频双工器或所述合频多工器的输入端与所述第二功放装置的输出端连接；

所述分频双工器包括第一分频双工器和第二分频双工器，所述合频双工器包括第一合频双工器和第二合频双工器；或

所述分频多工器包括第一分频多工器和第二分频多工器，所述合频多工器包括第一合频多工器和第二合频多工器；

其中，所述第一分频双工器的输入端与所述第一功放装置的输出端相连，输出端与所述第二分频双工器的输入端相连；所述第一合频双工器的输入端与所述第二功放装置的输出端相连，输出端与所述第二合频双工器的输入端相连；或

所述第一分频多工器的输入端与所述第一功放装置的输出端相连，输出端与所述第二分频多工器的输入端相连；所述第一合频多工器的输入端与所述第二功放装置的输出端相连，输出端与所述第二合频多工器的输入端相连。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述合频双工器的功率大于所述分频双工器的功率；或

所述合频多工器的功率大于所述分频多工器的功率。

4.一种宽带功率放大器，其特征在于，所述宽带功率放大器包括权利要求2-3中任一项所述的自适应功率放大的装置。

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