CN111034036A - 射频功率放大器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于放大射频(RF)信号的射频功率放大器系统。本发明还涉及一种包括这种射频功率放大器系统的电信基站和固态烹饪装置，以及一种用于放大射频信号的方法。本发明提出根据实际大信号增益与期望大信号增益之间的比较来调节功率放大器输出的功率。

Description

射频功率放大器系统

技术领域

本发明涉及一种用于放大射频(radio-frequency，RF)信号的RF功率放大器系统。本发明还涉及一种包括这种RF功率放大器系统的电信基站和固态烹饪装置，以及一种用于放大RF信号的方法。

背景技术

RF功率放大器系统在本领域中是已知的。这些系统包括配置为对RF信号进行放大的RF功率放大器。该放大器通常被封装并且包括有源管芯，该有源管芯具有布置在其上的RF功率晶体管。另外，阻抗匹配电路可以包括在封装内部。

可以使用多个性能参数来表征RF功率放大器。重要参数有最大输出功率和给定输出功率下的功率附加效率。功率附加效率可以定义为(Prf,out-Prf,in)/Pdc，其中Prf,out是RF输出功率的水平，Prf,in是RF输入功率的水平，Pdc是直流功率的供应水平。RF输出功率的水平取决于负载与RF功率放大器之间的阻抗匹配。为了获得高的效率值，对于给定的功率水平，提供给RF功率放大器的负载要接近理想负载，这一点很重要。

在一些应用中，提供给RF功率放大器并且特别是提供给RF功率晶体管的阻抗是相对恒定的。但是，对于固态烹饪，这不成立。由于要加热的食物的种类繁多，以及在烹饪过程中这些食物的转变，RF功率晶体管可能会出现较大的失配。当在相对高的功率下运行时，较大的失配可能会对RF功率晶体管或RF功率放大器系统中的其他部件造成永久性损坏。

通过在强的回退下运行RF功率放大器，可以避免RF功率晶体管的永久性损坏，但这严重妨碍了要实现的良好效率值。另一个已知的解决方案是在RF功率晶体管的输出端实现隔离器。隔离器使得从烹饪腔反射回来的功率波消散，而不是让反射波到达RF功率放大器。但是，隔离器是昂贵的部件，并且极大地增加了整个解决方案的占地面积。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种RF功率放大器系统，该RF功率放大器系统在降低对RF功率放大器系统的部件的永久性损坏的风险的同时能够在相对高的输出功率下运行。

根据本发明，使用如权利要求1所述的用于放大第一RF信号的RF功率放大器系统来实现该目的。该RF功率放大器系统包括配置为对第二RF信号进行放大的RF功率放大器和用于对第二RF信号的功率水平进行控制的控制回路。根据本发明，该控制回路包括：RF输出功率确定单元，用于确定放大后的第二RF信号的功率水平；增益确定单元，用于根据所确定的放大后的第二RF信号的功率水平和第二RF信号的功率水平来确定实际的大信号增益。该控制回路还包括衰减器，该衰减器用于根据所确定的实际的大信号增益与期望的大信号增益之间的差来使第一RF信号衰减，并且用于将经衰减的第一RF信号作为第二RF信号提供给RF功率放大器。

根据本发明，RF功率放大器的输出功率根据实际的大信号增益与期望的大信号增益之间的差而改变。

增益确定单元可以进一步配置为用于根据第二RF信号的功率水平来确定期望的大信号增益。在一个实施例中，增益确定单元可以使用存储在存储器中的相关表，该相关表具有第二RF信号的功率电平和期望的大信号增益之间的相关性。可替选地，使用数学方程式来计算期望的大信号增益。为此，RF功率放大器系统可以包括用于执行计算的处理单元。该处理单元可以合并在增益确定单元中。

衰减器可以配置为当实际的大信号增益小于期望的大信号增益减去第一阈值时，增加衰减器的衰减。因此，当限制大信号增益的大的失配发生时，RF功率放大器的输出功率将降低。第一阈值可以设置为零。当实际的大信号增益与期望的大信号增益之间的差适中时，可以使用正非零值的第一阈值来防止改变衰减。类似地，衰减器可以配置为当实际的大信号增益大于期望的大信号增益加上第二阈值时，减小衰减器的衰减。这里，第二阈值可以设置为零或正非零值。同样，当实际的大信号增益与期望大信号增益之间的差适中时，使用正非零值的第二阈值来防止改变衰减。

可以使用RF输入功率确定单元来确定第二RF信号的功率水平。这样的单元可以例如配置为基于衰减器的衰减和第一RF信号的功率水平来确定功率水平。可替选地，RF输入功率确定单元可以包括用于确定第二RF信号的功率水平的传感器。这种传感器的示例是与pin二极管结合的定向耦合器，或其他用于测量电压和/或电流的装置。另外，可以使用查找表，该查找表列出了随所测量的电流和/或电压变化的功率水平。由于朝向RF功率放大器看的输入阻抗在很大程度上并不依赖于输出端的阻抗失配这一事实，因此这种功率确定是可能的。

RF输出功率确定单元可以包括检测系统，该检测系统用于对提供给RF功率放大器的直流(Direct Current，DC)功率进行检测，并用于估算由RF功率放大器耗散的功率。RF输出功率确定单元可以进一步包括功率估算单元，该功率估算单元用于根据所检测到的直流功率和所估算的耗散功率来估算放大后的第二RF信号的功率水平。由于应保持能量平衡，因此可以说，至少当在输入的RF信号的几个周期上平均时，提供给RF功率放大器的DC功率和RF功率之和应等于输出的RF功率和耗散功率。当RF功率放大器的增益足够大时，可以忽略RF输入功率。但是，当增益低或可以低时，如上所述，优选地，功率估算单元被配置为根据所检测到的DC功率、所估计的耗散功率和第二RF信号的功率水平来估算放大后的第二RF信号的功率水平。

为了确定提供给RF功率放大器的DC功率，检测系统可以配备有用于对提供给RF功率放大器的DC电流进行检测的DC电流检测器，和用于根据所检测到的DC电流和施加到RF功率放大器的电源电压来确定DC功率的DC功率确定单元。

为了估算耗散功率，检测系统可以配备有用于确定RF功率放大器的温度的热单元，和用于根据所确定的RF功率放大器的温度来估算耗散功率的耗散功率估算单元。

申请人发现，通过监视半导体管芯的温度的初始快速升高，可以提供对耗散功率的足够准确的估算。更具体地，耗散功率估算单元可以配置为根据当前确定的RF功率放大器的温度、一个或多个先前确定的RF功率放大器的温度和/或所确定的温度的时间导数来估算耗散功率。

热单元可以包括具有与温度相关的电压-电流特性的温度敏感部件。例如，RF功率放大器可以包括布置在半导体管芯上的RF功率晶体管，并且温度敏感部件可以布置在半导体管芯上。温度敏感部件可以包括二极管或晶体管。这样的已知半导体部件可以布置在半导体管芯上靠近RF功率晶体管的位置。可替选地，对RF功率晶体管本身的一部分的I-V特性进行监视以确定半导体管芯的温度。

RF功率放大器可以包括封装的RF功率晶体管，其中封装的RF功率晶体管包括设置有凸缘的封装，其中RF功率晶体管安装在所述封装内部的凸缘上。在操作期间，凸缘的温度将在比半导体管芯的温度的时间尺度大得多的时间尺度上变化。因此，耗散功率的突然增加将导致半导体管芯的温度的非常迅速的初始升高，并且随后导致半导体管芯的温度的缓慢得多的升高，这与凸缘的缓慢加热有关。

热单元可以进一步配置为确定凸缘的温度。可替选地，RF功率放大器系统可以包括用于确定凸缘的温度的另一热单元。耗散功率估算单元可以配置为根据所确定的凸缘温度来估算耗散功率。例如，当凸缘处于相对高的温度时，例如由于RF功率放大器中的耗散功率导致的发热或由于环境条件，半导体管芯的温度随时间变化的行为可能与凸缘处于较低温度时不同。在一个实施例中，耗散功率估算单元包括将凸缘温度和/或半导体管芯温度和/或温度的时间导数与耗散功率相关的校准。

技术人员将理解，凸缘温度取决于在凸缘上测量温度的位置。同样适用于半导体管芯的温度。但是，因为局部确定的温度与相关温度(例如给定半导体结处的平均温度或温度)之间的关系通常是固定的，因此发现局部确定的温度可以提供足够准确的结果。

在确定耗散的RF功率之前，可以使用校准步骤。这样的校准步骤可以包括在不存在耗散的RF功率的情况下确定半导体管芯的温度。在这种情况下，假定可以使用预定时间量之后的半导体管芯的温度和/或使用半导体管芯的时间导数来确定凸缘的温度。

作为对使用热测量来估算耗散功率的替选，RF功率放大器系统还可以包括定向耦合器。该定向耦合器具有耦接到RF功率放大器的输出的输入端口、耦接到负载的发送端口、耦接端口和隔离端口。如果RF功率放大器进一步包括布置在发送端口和负载之间的隔离器和用于测量耦接端口处的功率水平的第一功率传感器，则可能是有利的。通过使用隔离器，将不会有功率反射回到RF功率放大器。因此，可以使用单个功率传感器来确定RF功率放大器输出的功率，该单个功率传感器配置为用于测量耦接端口的功率水平。

可替选地，可以使用两个功率传感器来测量耦接端口处和隔离端口处的功率水平。在那种情况下，可以使用耦接端口处和隔离端口处的功率之差来确定放大后的第二信号的功率。

可以使用诸如电阻器之类的已知部件来实现衰减器。

本发明还提供了一种包括如上所述的RF功率放大器系统的电信基站或固态烹饪装置。

根据另一方面，本发明还涉及一种使用如上所述的具有热单元的RF功率放大器系统来放大第一RF信号的方法。该方法包括以下步骤：

a)在没有第二射频信号和实质的直流功率提供给射频功率放大器的情况下执行校准步骤，所述校准步骤包括确定凸缘温度；

b)将所述第二射频信号和直流功率施加到所述射频功率放大器，以放大所述第二射频信号；

c)根据所确定的凸缘温度、当前确定的所述射频功率放大器的温度，以及一个或多个先前确定的所述射频功率放大器的温度和/或所确定温度的时间导数，估算所述射频功率放大器耗散的功率；

d)确定提供给所述射频功率放大器的所述直流功率；

e)根据所检测到的直流功率和所估算的耗散功率，估算放大后的第二射频信号的功率水平；

f)根据所估算的放大后的第二射频信号的功率水平和所述第二射频信号的功率水平，确定所述射频功率放大器的实际大信号增益；

g)将所确定的大信号增益与期望大信号增益进行比较；以及

h)根据所述比较来控制所述衰减器。

附图说明

接下来，将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的RF功率放大器系统的实施例；

图2示出了根据本发明的RF功率确定单元的实施例；

图3示出了根据本发明的RF功率确定单元的不同实施例；以及

图4示出了响应于耗散功率的突然增加和减小，有源管芯的温度变化和凸缘的温度变化。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的RF功率放大器系统的实施例。该RF功率放大器系统包括放大器1，该放大器1的输出耦接到RF功率确定单元2。放大器1配置为将放大后的RF信号输出到负载3。RF功率确定单元2配置为确定或估算被馈送到负载3的放大后的第二RF信号的功率水平。

图1示出了连接到RF功率确定单元2的负载3，表明放大后的RF信号经过RF功率确定单元2。作为示例，RF功率确定单元2可以包括定向耦合器，该定向耦合器的发送端口连接到负载3。可替选地，可以将放大的RF信号分成馈送到RF功率确定单元2的一小部分和直接馈送到负载3的很大一部分。图1涉及这两种情况，并且RF功率确定单元2和放大器1之间的连接仅表示由放大器1输出的功率是由RF功率确定单元2测量或分析的。对于将在后面讨论的RF功率确定单元6的连接，存在类似的考虑。

将由放大器1放大的信号被提供作为第一RF信号。该信号被馈送到衰减器5。衰减后的信号作为第二RF信号被馈送到放大器1的输入。RF功率确定单元6配置为确定或估算馈送到放大器1的第二RF信号的功率水平。

基于放大器1的实际大信号增益与放大器1的期望大信号增益之间的差来确定由衰减器5引入的衰减。期望增益和实际增益都可以由增益确定单元4来确定。该单元从RF功率确定单元2接收放大的第二RF信号的功率水平的估算，并从RF功率确定单元6接收第二RF信号的功率水平的估算。

增益确定单元4可以配置为仅基于第二RF信号的功率水平来确定期望大信号增益。可替选地，该信息被馈送到增益确定单元4。该信息也有可能从第一RF信号的功率水平和衰减器5的衰减中得出。

根据本发明，当确定放大器1的大信号增益与期望增益有太大偏差时，增加衰减器5的衰减以减小放大器1输出的功率。例如，降低输出功率可导致放大器1内部的电压水平降低或耗散功率降低。对于连接到放大器1的输出的其他部件(例如匹配网络或隔离器)，情况也可能如此。通常，降低输出功率会降低系统受到永久性损坏的风险。

增益确定单元4将实际的大信号增益与期望的大信号增益进行比较，并根据该比较来控制衰减器5。可以定义适当的阈值以调节增益确定单元4的控制行为。例如，增益确定单元4可以配置为：仅当实际的大信号增益比期望的大信号增益减去第一阈值低时或者当实际的大信号增益比期望的大信号增益加上第二阈值高时，改变衰减器5的衰减。

放大器1通常包括封装的RF功率放大器。封装的RF功率放大器包括其中有源半导体管芯布置在凸缘上的封装。在半导体管芯上布置有RF功率晶体管，例如横向扩散金属氧化物半导体(laterally diffused metal-oxide-semiconductor，LDMOS)晶体管或高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)。半导体管芯可以包括硅或氮化镓管芯。

在同一封装内，可以设置阻抗匹配网络，用于在RF功率晶体管的输出与负载3之间、或者在RF功率晶体管的输入与第一RF信号的源或衰减器5的输出之间提供阻抗匹配。通常，这些阻抗匹配网络执行部分匹配，其中剩余的阻抗匹配在封装外部执行。甚至所有阻抗匹配都可能在封装外部执行。

本发明不限于RF功率确定单元2的特定布置。例如，RF功率确定单元2可以至少部分地布置在封装内部。RF功率确定单元2可以是RF功率放大器晶体管和负载3之间的阻抗匹配网络的一部分。可替选地，可以在RF功率确定单元2与负载3之间和/或在RF功率确定单元2与RF功率晶体管之间布置阻抗匹配网络。对于RF功率确定单元6，存在相同的考虑。

衰减器5可以布置在封装内部。衰减器5可以是输入匹配网络的一部分，也可以布置在输入阻抗网络的前面或后面。衰减器5也可以布置在封装的外部，例如在第一RF信号的源中。

通常，增益确定单元4配置为执行计算以确定实际的大信号增益和/或期望的大信号增益。这可以通过布置在封装内部的合适的模拟电路来实现，例如使用有源半导体管芯上的集成电路来实现。

对于大多数应用来说，第一RF信号由驱动器(未显示)提供。通常，驱动器以已知功率水平输出第一RF信号。可以在该驱动器上提供其他功能，例如预失真或线性化。增益确定单元4可以至少部分地布置在驱动器内部。例如，增益确定单元4可以配置为基于由驱动器输出的第一RF信号的已知的或可推导的功率水平以及衰减器5的衰减来确定期望的大信号增益。增益确定单元4也可以配置为接收所需的参数来确定实际的大信号增益，这将在后面进行描述。可以使用布置在系统内部各个位置的专用传感器或电路来获得这些参数，这具体取决于参数和确定该参数的方式。驱动器还可以包括衰减器5，使得衰减后的信号被输出到放大器1和/或输入阻抗网络。

衰减器5可以包括用于衰减RF信号的已知部件，例如电阻器。可替选地，可以使用驱动器中的可变增益放大器来实现衰减器5。在这种情况下，驱动器本身输出衰减的第一RF信号作为第二RF信号。

图2示出了根据本发明的RF功率确定单元2的实施例。该RF功率确定单元2包括具有输入端口21A、发送端口21B、耦接端口21C和隔离端口21D的定向耦合器21。这种定向耦合器，也称为双向耦合器，在本领域中是公知的。

输入端口21A可选地经由阻抗匹配网络连接到放大器1的输出。发送端口21B可选地经由阻抗匹配网络连接到负载3。端口21C和21D连接到相应的功率传感器22和23，这些传感器用于感测在那些端口出现的功率。功率传感器与相应的端口匹配，使得几乎没有功率反射回这些端口。端口21A优选地是阻抗匹配的，使得定向耦合器的引入不会将不期望的RF信号的反射引入到放大器中。对于端口21B同样如此，端口21B优选地与理想负载或与阻抗匹配网络阻抗匹配。代替直接连接到负载3(实线)，定向耦合器21可以经由隔离器24连接到负载3(虚线)。隔离器24防止信号反射回到定向耦合器21，而是将这些信号耗散在负载25中。

功率传感器22配置为确定传输到定向耦合器21中的功率，即所谓的正向功率，而功率传感器23配置为确定从负载3传输回定向耦合器21中的功率，即所谓的反射功率。该反射可能是由于负载3的阻抗与目标阻抗之间的不匹配所致。RF功率确定单元2可以将放大器1输出的RF功率计算为正向功率减去反射功率。该计算由功率估算单元26执行。

RF功率确定单元2的RF功率被提供给增益确定单元4。该增益确定单元4将实际的大信号增益计算为放大器1输出的RF功率与输入到放大器1的RF功率之比。为了确定输入到放大器1中的功率，可以使用合适的传感器，例如pin二极管、热传感器、电压和/或电流传感器，或者查找表。这里应注意，一般而言，RF功率晶体管的输入阻抗随负载处的阻抗失配的变化显著小于RF功率晶体管的输出阻抗的变化。因此，放大器1的输入端处的电压峰值与输入功率之间比放大器1的输出端处具有更大的相关性。这使得能够使用相对简单的技术来确定输入功率，例如峰值电压检测。

如果已知第一RF信号的功率水平，则结合衰减器5的衰减，也可以确定输入功率。

增益确定单元4可以使用输入到放大器1的RF信号(称为第二RF信号)的功率水平，以及放大器1输出的RF信号(称为放大后的第二RF信号)的估算功率水平，来确定实际的大信号增益。增益确定单元4还可以基于第一RF信号的功率水平或第二RF信号的功率水平来确定期望的大信号增益。

图2示出了环行器形式的隔离器24，该隔离器可选地连接到定向耦合器21。由于负载处的阻抗失配而被反射回放大器1的功率会在连接到环行器的或布置在环行器中的负载25中耗散。当隔离器24被连接时，几乎没有功率会反射回端口21B。而且，放大器1朝负载3方向看到的阻抗将不会取决于或不会很大程度上取决于负载处的阻抗失配，并且应理想地与最佳阻抗对应。因此，在大多数情况下，所确定的大信号增益将对应于期望的大信号增益。但是，当遭受大的阻抗失配时，尽管放大器1的大信号增益等于期望的大信号增益，但是隔离器24或负载25可能受到永久性损坏。

为了解决这个问题，可以确定负载25中耗散的功率。该负载通常是纯电阻性的，从而允许使用常规技术例如峰值电压检测器来计算负载25中耗散的功率。该功率可以与由传感器22测量的功率结合以确定大信号增益。更具体地，可以使用由传感器22测量的功率来确定正向功率，而可以使用负载25中耗散的功率来确定反射功率。以这种方式计算大信号增益基本上等于确定放大器1和隔离器24的组合的大信号增益。同样可以将该增益与期望增益进行比较。如果实际增益比期望增益小得多，则可以通过降低输入的第二RF信号的功率水平来降低放大器1的输出功率。这将导致负载25中耗散的功率降低，并且将降低永久损坏隔离器24或负载25的风险。

图3示出了RF功率确定单元2的不同实施例。该RF功率确定单元2包括检测系统210，该检测系统210用于检测提供给放大器1的DC功率，并且用于检测由放大器1耗散的功率。为此，检测系统210包括DC电流检测器211和DC功率确定单元212。DC电流检测器211对提供给放大器1的DC电流进行测量。这样的电流检测器211在本领域中是公知的，不需要进一步的详细说明。DC功率确定单元212通过将所测量的电流与放大器1的电源电压相乘来确定提供给放大器1的DC功率。为了测量电源电压，可以使用电压检测器。

为了估算由放大器1耗散的功率，可以提供热单元213。该单元可以包括温度敏感部件。这种部件的示例是温度传感器或具有随温度变化的电流-电压特性的电子部件。例如，热单元213可以包括布置在有源管芯上的二极管，该二极管紧邻RF功率晶体管放置。可替选地，RF功率晶体管自身的一部分可以用作热单元。例如，RF功率晶体管的一小部分可以连接到固定阻抗，例如电阻性负载。在没有RF信号的情况下，通过检查流经该负载的电流随相关电压(例如栅极-源极偏置和/或源极-漏极偏置)的变化，可以确定相关半导体结的温度。该温度代表有源管芯的温度。

检测系统210还包括耗散功率估算单元214，该耗散功率估算单元214用于基于由热单元213确定的温度来估算由功率放大器1耗散的功率。与图2中所示的RF功率确定单元2相比，图3中所示的RF功率确定单元2间接地确定输出的RF功率。代替测量功率，而是使用放大器1的能量平衡。更具体地，功率估算单元215将输出的RF功率确定为从所提供的DC功率和输入的RF功率之和减去耗散功率之后剩余的功率。如前所述，可以使用已知技术确定或测量所提供的RF功率。但是，对于大多数应用而言，实际的大信号增益足够高，使得与所提供的DC功率相比，可以忽略输入的RF功率。

根据所确定的温度来估算耗散功率。更具体地，使用当前确定的温度、一个或多个先前确定的温度和/或所确定温度的时间导数来确定耗散功率。

在一个实施例中，放大器1包括其上布置有RF功率晶体管的有源管芯。该有源管芯安装到导热凸缘。凸缘的热容和导热系数比有源管芯的热容和导热系数大得多。凸缘和有源管芯的组合将导致如图4所示的热行为。

图4示出了响应于在t＝t0时耗散功率的突然增大和在t＝t3时耗散功率的突然减小，有源管芯的温度(T_管芯)的变化和凸缘的温度(T_凸缘)的变化。增大可能是由于负载处的阻抗突然变化或放大器系统的接通引起的，而减小可能是由于负载处的阻抗匹配的突然变化引起的。

如图4所示，在t＝t0和t＝t1之间的时间范围内，有源管芯的温度将快速升高，而凸缘的温度将保持基本恒定，这是因为凸缘的热容比有源半导体管芯的热容高得多，在此时间范围内有源管芯传递的热能不足以显著加热凸缘。

由于有源管芯的温度的升高，传递到凸缘的热功率也将增加。在给定的时刻，在有源管芯中耗散的功率将基本上等于从有源管芯传输走的热功率。从有源管芯传输走的热功率基本上等于传递到凸缘的热功率。当这种平衡情况发生时，有源管芯的温度将不再像之前那样迅速地升高。这种情况标记为图4中的t＝t1。

传递到凸缘的热功率将导致凸缘温度的升高。因为凸缘也在被冷却，所以即使经过更长的时间，在此也将达到热平衡。图4中将该平衡标记为在t＝t2时达到。在t1和t2之间的时间段内，凸缘温度将略微升高。这种升高将导致有源管芯温度的相应升高。

在t＝t3处，耗散功率突然减小。这将导致管芯温度在t3和t4之间急剧降低，而凸缘温度在此时间范围内变化不大。在t＝t5处，凸缘和管芯都达到了稳定的温度。

无论凸缘的温度如何，有源管芯的热行为都将显示相似的行为。此外，t＝t2或t＝t5处的最终温度可以与有源管芯中耗散的功率相关。对于给定的应用，可以执行校准以确定最终温度和耗散功率之间的相关性。这种相关性还可以考虑凸缘起始温度的差异。例如，当RF放大器系统在相对热的环境(例如烤箱)中运行时，凸缘温度的升高将在有源管芯的最终温度中引起明显影响。

可以通过等待直至已经达到稳定温度来确定最终温度。对于某些应用，这个时期可能太长。

为了更快地响应耗散功率的突然增加，有利的是不仅在预定的时间量之后测量单个温度，而且记录多个温度值，特别是在t＝t0和t＝t1之间的时间段内的温度。这些值可以用在曲线拟合过程中，在该过程中，有源管芯的热行为随时间的变化是通过数学曲线建模的。在此，凸缘的起始温度可以作为输入参数，也可以计算作为曲线拟合过程的结果。可替选地或附加地，可以使用所测量的温度来计算温度的时间导数。这些导数可以与所测量的温度结合使用，以估算有源管芯的最终温度和/或估算在有源管芯中耗散的功率。

为了使各种测量的温度与最终温度和/或耗散功率相关联，可以构建查找表。为了构建该查找表，RF功率放大器只能在DC条件下运行。在这些条件下，可以通过偏置电流和偏置电压的乘积来计算耗散功率。因此，可以根据所测量的温度和/或所测量温度的导数来确定对耗散功率的突然增加的热响应。例如，对于给定的耗散功率和给定的起始凸缘温度，可以测量t＝t1和t＝t2时的温度。如果需要，可以在t＝t0之后的预定时间点处测量更多温度点。对于不同的起始凸缘温度，可以重复此过程，例如，通过在烤箱或其他可以设置环境温度的装置中执行这些测量。

如上所述，在耗散功率突然增加之前，最终温度通常取决于凸缘温度。RF功率放大器系统可以包括温度传感器或其他确定该温度的装置。但是，也可以间接确定该温度。后一种方法基于以下事实：如果没有DC功率和RF功率提供给RF功率晶体管(除了如有必要用于操作热单元的DC功率之外)，则有源管芯中的耗散功率将基本为零。因此，有源管芯的温度将基本上由凸缘的温度确定。因此，通过在这些情况下测量温度，可以确定凸缘温度的基线值。

本发明尤其适合于检测耗散功率的突然变化。在这种变化之前，凸缘的基线温度将基本恒定，并且可以如上所述容易地被确定。因此有利的是，可以停止RF功率放大器的运行，以便执行凸缘的温度测量。在某些应用中，例如固态烹饪，可以间歇性地运行放大器。在放大器对信号进行放大的周期之间，可以确定凸缘温度。

尽管已经使用本发明的详细实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明不限于此，而是保护范围由所附权利要求及其等同物确定。例如，RF功率放大器系统可用于多种应用中，例如固态烹饪、等离子发生器、回旋加速器、加速器、RF加热、移动基站、广播站和核磁共振扫描仪。

Claims (18)

1.一种用于放大第一射频信号的射频功率放大器系统，包括：

射频功率放大器，配置为对第二射频信号进行放大；

控制回路，用于控制所述第二射频信号的功率水平，包括：

射频输出功率确定单元，用于确定放大后的第二射频信号的功率水平；

增益确定单元，用于根据所确定的放大后的第二射频信号的功率水平和所述第二射频信号的功率水平来确定实际的大信号增益；

衰减器，用于根据所确定的实际的大信号增益和期望的大信号增益之间的差来使所述第一射频信号衰减，并且用于将经衰减的第一射频信号作为所述第二射频信号提供给所述射频功率放大器。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器系统，其中，所述射频输出功率确定单元包括：

检测系统，用于对提供给所述射频功率放大器的直流功率进行检测，并估算由所述射频功率放大器耗散的功率；

功率估算单元，用于根据所检测的直流功率和所估算的耗散功率来估算放大后的第二射频信号的功率水平。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器系统，其中，所述功率估算单元配置为用于根据所检测的直流功率、所估算的耗散功率和所述第二射频信号的功率水平来估算放大后的第二射频信号的功率水平。

4.根据权利要求2或3所述的射频功率放大器系统，其中，所述检测系统包括：

直流电流检测器，用于对提供给所述射频功率放大器的直流电流进行检测；以及

直流功率确定单元，用于根据所检测的直流电流和施加到所述射频功率放大器的电源电压来确定所述直流功率。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的射频功率放大器系统，其中，所述检测系统包括：

热单元，用于确定所述射频功率放大器的温度；

耗散功率估算单元，用于根据所确定的所述射频功率放大器的温度来估算所述耗散功率。

6.根据权利要求5所述的射频功率放大器系统，其中，所述耗散功率估算单元配置为根据当前确定的所述射频功率放大器的温度、一个或多个先前确定的所述射频功率放大器的温度和/或所确定的温度的时间导数来估算所述耗散功率。

7.根据权利要求6所述的射频功率放大器，其中，所述热单元包括具有温度相关的电压-电流特性的温度敏感部件。

8.根据权利要求7所述的射频功率放大器系统，其中，所述射频功率放大器包括布置在半导体管芯上的射频功率晶体管，以及其中，所述温度敏感部件布置在所述半导体管芯上，所述温度敏感部件优选地包括二极管或晶体管。

9.根据权利要求8所述的射频功率放大器系统，其中，所述射频功率放大器包括封装的射频功率晶体管，所述封装的射频功率晶体管包括设置有凸缘的封装，其中所述射频功率晶体管安装在所述封装内部的所述凸缘上。

10.根据权利要求9所述的射频功率放大器系统，其中，所述热单元还配置为确定所述凸缘的温度，或者其中，所述射频功率放大器系统包括用于确定所述凸缘的温度的另一热单元，其中所述耗散功率估算单元配置为根据所确定的凸缘温度来估算所述耗散功率。

11.根据前述权利要求中任一项所述的射频功率放大器系统，其中，所述增益确定单元还配置为用于根据所述第二射频信号的功率水平来确定期望的大信号增益。

12.根据前述权利要求中任一项所述的射频功率放大器系统，其中，所述衰减器配置为：当所述实际的大信号增益小于所述期望的大信号增益减去第一阈值时，增加所述衰减器的衰减。

13.根据权利要求12所述的射频功率放大器系统，其中，所述衰减器配置为：当所述实际的大信号增益大于所述期望的大信号增益加上第二阈值时，减小所述衰减器的衰减。

14.根据前述权利要求中任一项所述的射频功率放大器系统，还包括射频输入功率确定单元，所述射频输入功率确定单元用于确定所述第二射频信号的功率水平。

15.根据权利要求14所述的射频功率放大器系统，其中，所述射频输入功率确定单元包括以下中的至少一个：定向耦合器、pin二极管、以及结合查找表的电压或电流传感器。

16.一种电信基站，所述电信基站包括根据前述权利要求中任一项所述的射频功率放大器系统。

17.一种固态烹饪装置，所述固态烹饪装置包括根据权利要求1至15中任一项所述的射频功率放大器系统。

18.一种使用根据权利要求10所述的射频功率放大器系统来放大第一射频信号的方法，包括以下步骤：

a)在没有第二射频信号和实质的直流功率提供给射频功率放大器的情况下执行校准步骤，所述校准步骤包括确定凸缘温度；

b)将所述第二射频信号和直流功率施加到所述射频功率放大器，以放大所述第二射频信号；

c)根据所确定的凸缘温度、当前确定的所述射频功率放大器的温度、以及一个或多个先前确定的所述射频功率放大器的温度和/或所确定温度的时间导数，估算由所述射频功率放大器耗散的功率；

d)确定提供给所述射频功率放大器的所述直流功率；

e)根据所检测的直流功率和所估算的耗散功率，估算放大后的第二射频信号的功率水平；

f)根据所估算的放大后的第二射频信号的功率水平和所述第二射频信号的功率水平，确定所述射频功率放大器的实际的大信号增益；

g)将所确定的大信号增益与期望的大信号增益进行比较；以及

h)根据所述比较来控制所述衰减器。

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