CN1152212A - 使用有源偏置的高效线性功率放大器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种适于卫星电信系统中使用的杜赫蒂型有源偏置功率放大器(90)提供对具有遍布于一个大瞬时带宽的多载波的噪声形RF输入信号(100)的线性放大。当到达有源偏置功率放大器(90)的RF输入信号增加时，防止在载波放大器(115)中出现通常引起栅/基极上负电压产生的负夹断电压，从而实现了RF输出功率的改进以及增加了能够实现高效率工作的动态RF输入驱动范围。为了实现最大RF效率操作，有源偏置为峰值放大器(135)提供了合适的偏置点。

Description

使用有源偏置的高效线性功率放大器及其实现方法

一般地说，本发明涉及线性功率放大器，更确切地说涉及使用有源偏置的微波功率放大器。

对于RF功率放大器以高效的方式线性地放大RF信号是所需要的。然而，在最大效率和高线性之间存在着权衡。效率一般是与输入驱动电平成正比的，且通常是不能获得高效率的，除非放大器接近其最大输出功率，而这又与线性操作不相一致。例如，杜赫蒂型放大器实现了超过标准级AB和级B放大器接近峰值功率的效率优点，部分地是由于其载波放大器的负载线的瞬时调制随RF输入电平变化。换句话说，杜赫蒂型放大器在输入驱动电平与效率之间展示了较良好的关系，因为放大器的负载线被不断地修改以随输入驱动电平变化保持高效率。此外，杜赫蒂型放大器的偏置功率被大大地降低至标准级AB和级B放大器以下。

高线性一般通过非线性互调产品的低电平表示。在许多情况下，卫星通信系统中需被放大的RF信号包括多个遍布于很大的瞬时带宽的载波频率，而这些多载波信号的噪声状特性使得以线性方式放大这些信号是困难的。

在放大器的设计中，当输入RF驱动电平增加时，RF输出驱动电平也增加直至放大器接近饱和。然而，如果RF驱动电平在电平上是足够的大，则载波放大器将在其栅/基极上产生一个负电压(由于该RF信号的整流，作为栅-源结被驱动进入前向偏置的结果)。如果该负电压出现在有源装置实现其全FT输出功率能力之前，则该载波放大器将被“夹断”，且将过早地出现FR功率饱和。

因此所需要的是一种用于杜赫蒂型放大器的偏置电路，它能防止在峰值放大器中出现负的“夹断”电压，使得能够实现RF输出功率中的改进，以及增加能够实现高效操作的动态RF输入驱动范围。

本发明由所附的权利要求具体地限定。然而，结合附图通过参考详细的描述和权利要求可以对本发明有更全面的理解。

图1示出了按照本发明具有有源偏置的杜赫蒂型放大器的方框图。

这里给出的示例说明了本发明的一个优选实施例，且该示例并不构成对任何其他方式的限制。

本发明尤其提供一种使用有源电路线性放大的高效功率放大器，它提供一种手段，电性地确定有源装置诸如场效应晶体管(FET)，或双极晶体管的RF驱动电平。已知的RF驱动电平提供了一种手段，利用该手段可以使用电子电路以对功率放大器的DC到RF的转换效率进行改进和/或确定复合输入信号的RF包络。

本发明使用了固态物理的FET和/或双极晶体管，其特征在于各自器件的栅/源结和基/发射结形成了PN结，在反向偏置的条件下，该PN结呈现出由下式给出的漏电流：

I_二极管＝I_s{e^qv/(nkT)-1}

其中：

I_二极管＝器件的栅源区域(即对于FET)的PN结中的电流；

V＝施加到栅/基结的反向偏置电压；

q＝电荷(1.602×10^-19)；

T＝绝对温度(25℃＝297°K)；

n＝计算二极管结中空间电荷复合的理想因数；

K＝波尔兹曼常数(1.380×10^-23焦尔/°K)；和

I_s＝二极管结的反向饱和电流。

根据RF驱动条件，上述等式变为：

I_二极管＝I_s{e^{qvgsin(ωt)/(nkT)}-1}

其中：

VgSin(ωt)＝围绕栅压改变RF驱动电压的时间。

该式在一时间期间的积分产生该期间的平均栅电压。

如果一电阻与FET或双极器件的DC栅极电压或DC基极电压以串联连接，则可以测量在栅/基极的DC电压和通过该电阻为所施加RF驱动电平的函数的电流。

然后，在控制电路中可以使用引起电压和电流的这种RF驱动，控制电路的功能是要确定最佳偏置条件，用于实现RF功率放大器的最大RF输出功率和DC到RF转换效率，该RF功率放大器中使用着由此获得控制电压和电流的器件。

因为一个增加的RF输入信号会导致增加RF输出功率，直到该放大器接近饱和。然而，如果该RF驱动电平在电平上足够的大，载波放大器将在其栅/基极上产生一负电压(由于该RF信号的整流，作为栅-源结被驱动进入前向偏置的结果)。如果该负电压出现在有源装置实现其全FT输出功率能力之前，则该载波放大器将被“夹断”，且将过早地出现FR功率饱和。

在本发明中，能防止在峰值放大器中出现负的“夹断”电压，使得能够实现RF输出功率中的改进，以及增加能够实现高效操作的动态RF输入驱动范围。

图1示出了按照本发明具有有源偏置的杜赫蒂型放大器的方框图。有源偏置功率放大器90接收RF输入信号100，该RF输入信号100具有已调多载波信号诸如要在通信系统中传输的话音数据，寻呼数据或其他已调数据的特征。功率分离器105将RF输入数据分裂成一个表示为同相信号110的第一信号和单独的第二信号。功率分离器105对单独的第二信号实施90度相移得到一正交相位信号130。功率分离器105可作为传输线通过使用利用本领域公知结构的诸如Wilkenson功率分离器或Lange耦合器的微波传输线实现。由于分离，同相信号110和正交相位信号130在幅度上比RF输入信号100小3dB。

载波放大器115和峰值放大器135响应有源偏置电路80，以确定指定放大器等级的有效过渡。载波放大器115放大与载波放大偏置输入117相关的同相信号110。载波放大器115耦合到功率分离器105。载波放大器115想要以低输入信号功率电平工作。载波放大器115最好是一个双极性结晶体管，或场效应管(FET)，最好是一个假晶高电子迁移晶体管(PHEMT)。也可使用MESFET，异质结构场效应管(H-FET)，HFET，和其他三端器件。载波放大器115最好按级“B”放大器或级“AB”放大器偏置。

载波放大偏置输入117(也称作第一参考电压)耦合到载波放大器115并确定传导周期和载波放大器115的分类。载波放大偏置输入117耦合到一个具有差分输入端的运算放大器200，差分输入端之一被偏置到偏置电源电压215，本优选实施例中其范围大约为-2.1v。运算放大器200的另一输入端传感电阻210两端载波放大偏置输入117的变化。运算放大器200产生一第二参考电压输出用于驱动一运算放大器220。电阻210和205决定运算放大器200的增益。第二运算放大器220根据从运算放大器200的输出摆动所作的检测响应载波放大偏置输入117的变化。电阻225和235利用偏置电源电压230为运算放大器220设定静态偏置电压，而电阻240和235设定运算放大器220的增益。在如所示的单级杜赫蒂型放大器中电阻245是任选的，但在多级杜赫蒂型放大器中，电阻245执行与电阻210类似的功能，通过提供一个作为驱动电平函数的变化的栅/基极电压用于对后级的第二载波放大器进行偏置。峰值放大偏置输入137确定峰值放大器135的作用时间。峰值放大器135最好是在相对于载波功率放大器115工作所处的功率电平要高的输入信号功率电平接通。在本优选实施例中，峰值放大器135是相同的类型并基本上与载波功率放大器115一致。最好地，峰值放大器135与载波放大器115相匹配，并可由相同的die lot制作。峰值放大器135最好以类似于级“C”放大器偏置。由于这种偏置条件，峰值放大器135在低信号电平关闭，且其输出看上去像开路，并且其输出阻抗是无限大或很大。本领域的普通技术人员清楚如何对器件进行设计以实现具有上述特性的放大器。

载波放大器115的输出耦合到一个合并器或相移器和阻抗倒相器125，相移器和阻抗倒相器125对作为由载波放大器115放大的同相信号110的相位进行相移，以便使该通路在相位上恰当地与作为由峰值放大器135放大的正交信号130的相位相一致。然后，两信号彼此同相地被送到负载145。

这样，就描述了一种使用器件物理学实现与输入RF驱动信号幅度成比例的电压的功率放大器。这一电压然后以实现一个或多个所需效果(诸如线性的改进，更高的DC到RF的转换效率，额外的RF输出功率)的方式被应用，并作为确定将被放大的RF信号的复包络的手段。这种功率放大器适合使用在基于卫星的通信系统中，在这种系统中由于有限的电池和太阳能功率，效率是至关重要的。此外，这种功率放大器适合在使用沿大的瞬时带宽遍布的多载波频率的蜂窝电信系统中使用。

本发明克服了特有的缺点并实现了某些与现有技术方法和原理相关的优点。例如，没有必要再使用较复杂的诸如RF输入信号的取样和检测，然后对其以实现所需结果的方式施以影响的电路。

上述特定实施例的描述将会全面地揭示本发明的总的性质，从而人们通过利用现有的知识而不脱离一般的概念能够容易地对上述实施例进行改进和/或用于各种应用，因而，在所公开实施例的同等意义和范围内这种应用和改进应该并将是能够被理解的。

很清楚，这里使用的措辞和术语只是为了说明的目的而不受限制。因此，本发明是要包括所有落在所附权利要求的精神和范围内的所有的替换，改进，等同物和改变。

Claims (10)

1.一种具有有源偏置的功率放大器，其特征在于包括：

一个与一RF输入信号耦合的功率分离器，用于根据所述RF输入信号产生一同相信号和一正交信号；

一个载波放大器，用于放大来自所述功率分离器的所述同相信号；

一个峰值放大器，用于放大来自所述功率分离器的所述正交信号；

一个与所述载波放大器的输出和所述峰值放大器的输出耦合的合并器，所述合并器用于以附加相位合并所述载波放大器的输出和所述峰值放大器的输出；和

一个与所述载波放大器和所述峰值放大器二者耦合的有源偏置电路，所述有源偏置电路根据所述RF输入信号变化确定最佳的偏置条件和实现最大的RF输出功率，以及所述载波放大器和所述峰值放大器的最大转换效率。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述载波放大器被偏置以便以低功率电平提供对所述RF输入信号的放大，以及所述峰值放大器被偏置以便当所述RF输入信号处于较高功率电平时开始放大。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于所述有源偏置电路包括：

一个第一运算放大器，用于根据所述RF输入信号中变化的结果检测所述载波放大器的载波放大器偏置输入，所述第一运算放大器还将所述载波放大器偏置输入与第一偏置电源电压比较并产生一参考电压；和

一个第二运算放大器，用于再次将来自所述第一运算放大器的所述参考电压与一第二偏置电源电压比较并产生一峰值放大器偏置输入，以控制所述峰值放大器。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于当所述RF输入信号变化时，所述峰值放大器偏置输入也改变所述峰值放大器的放大的开始。

5.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于所述有源偏置电路包括：

一个用于根据由所述RF输入信号的增加导致的负电荷增加的结果检测所述载波放大器的饱和和夹断状态的装置；

一个用于首次将所述负电荷增加与一第一偏置电源电压比较以产生一参考电压的装置；

用于再次将所述参考电压与一第二偏置电源电压比较以产生一峰值放大器偏置输入的装置；

用于改变所述峰值放大器的放大开始的装置。

6.一种使用包括有源偏置的功率放大器放大RF输入信号的方法，用于当所述RF输入信号在信号电平方面变化时改进效率，所述方法的特征在于包括下列步骤：

将所述RF输入信号分离成一同相信号和一正交信号；

使用一载波放大器首次放大所述同相信号以产生一第一放大信号；

改变与所述RF输入信号有关的载波放大器偏置输入；

利用与所述载波放大器偏置输入有关的一峰值放大器偏置输入偏置一峰值放大器；

当所述正交信号压倒所述峰值放大器偏置输入时，再次放大所述正交信号以产生一第二放大信号；和

同相合并所述第一放大信号与第二放大信号，以产生一输出信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的偏置步骤包括以下步骤：

根据由所述RF输入信号的增加导致的负电荷增加的结果检测所述载波放大器的饱和和夹断状态；

首次将所述负电荷增加与一第一偏置电源电压比较以产生一参考电压；

再次将所述参考电压与一第二偏置电源电压比较以产生一峰值放大器偏置输入；和

相对于所述峰值放大器偏置输入改变所述峰值放大器的放大开始。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的分离步骤包括以下步骤：

将所述RF输入信号分离成一同相信号和一第二信号；和

将所述第二信号相移成一正交相位信号。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的合并步骤包括以下步骤：

相移所述第一放大信号以形成一被相移的第一放大信号；和

将所述被相移的第一放大信号与所述第二放大信号合并，以形成一输出信号。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述RF输入信号是一多载波信号。

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