CN1329772A - 固定增益、固定相位射频功率组件 - Google Patents

固定增益、固定相位射频功率组件 Download PDF

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Abstract

一种例如用于一个RF放大器装置的固定增益、固定相位RF功率组件。在一个优选实施例中,功率组件包括一个与一个RF功率晶体管器件配合定位于一个共同的散热片上的DC至DC电源电路。电源电路具有作为一个输入的一个变化的DC电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压。功率器件具有作为输入的固定的供电电压和固定的偏置电压,并且还构造为接收和放大RF信号。电源电路最好包括一个用于设置固定的供电电压的第一激光可调电阻和一个用于设置偏置电压的第二激光可调电阻。以此方式,在功率组件器件的装配期间,可以容易地将固定的供电电压和偏置电压调谐至一个期望的电平。输入和放大的RF信号各与一个例如大约为五十欧姆的相对高的阻抗相匹配。

Description

固定增益、固定相位射频功率组件
本发明一般地涉及功率晶体管的领域，更特别地，涉及用于提供一种固定增益、固定相位射频功率晶体管组件的方法和装置，用于例如在一个高频无线通信网络中的基站接收机。
在无线通信网络中将射频(RF)功率晶体管用作例如放大器是众所周知的。由于近期在例如个人通信服务(PCS)的无线服务方面的需求的显著增长，无线网络的工作频率已急剧地增加并且现已进入千兆赫兹(GHz)的水平。在这样高的频率的情况下，RF功率晶体管放大器器件的一致的性能特性变得越来越复杂。
特别地，RF放大器的要求需要高度线性的性能，以满足新的数字系统的需要，例如CDMA，HDTV，WCDMA，GSM，等等。蜂窝系统对此特别需要，因为即使在主电源下降以及接通后备DC电池的情况下，也希望功率晶体管器件保持相同的输出特性。这就会带来问题，因为由这种后备DC电池提供的电压可以有很大的变化。
RF功率晶体管的基于大规模的生产也是一个问题，因为器件工艺中存在着天然的可变性。特别地，晶体管器件在输出增益和信号相位偏移方面具有天然的变化，特别是对于变化的输入电压而言。于是在商业实施方面，需要相当的时间和努力，以便首先使每一个RF晶体管在所期望的工作电压的范围内具备特性，然后试图“调谐”该器件以表现出一个期望的输出增益和相位。然而，由于晶体管会在相同的工作电压改变的条件下经常显示出不同的增益和/或相位变化，所以成功地调谐晶体管器件的能力就受到限制。
一种已知的技术是将晶体管输出与一个较高的阻抗即50欧姆相匹配，这样会极大地减小由于被设置在不同的放大器电路结构中而导致的增益或相位方面的变化的可能性。虽然这种技术可以极大地减少在检验不同的晶体管器件的固定性能增益和相位延迟输出的过程中的问题，但它并不能完全解决问题。这是因为，如果取样范围足够大的话，所有的RF晶体管对于任何具体的电压都具有增益和相位延迟变化。这种变化可以使先进的RF放大器的大规模生产极为消耗时间又极具成本。而且，如果提供给放大器的工作电压改变的话，例如当一个基站失掉主电源并且采用后备电池，没有消耗时间和昂贵的单个的“接通和断开”的调谐，器件中的增益和相位延迟改变将是无从得知的。
由图可知，即使两个RF晶体管器件可以在各自相同的放大器电路中被“调谐”到在输入电压为直流28v的情况下具有11dB增益、6度相位改变的输出增益，输入电压中的一个降至直流27.5v的下降将在各RF晶体管中导致不同的结果，即，一个的输出改变至10.9dB和6度相位延迟，另一个则改变至10.7dB和5.8度相位延迟。晶体管器件之间的在工作特性上的这种不同对于RF晶体管的制造者和使用者来说就会带来问题。
于是，提供在一个输入电压的宽的变化范围的情况下具有一个固定增益和相位延迟输出的RF功率晶体管放大器器件，会是很有益的。
根据一个第一方面，本发明提供一种例如用于一个RF放大器装置的固定增益、固定相位RF功率组件。在一个优选实施例中，功率组件包括一个具有作为一个输入的一个变化的DC电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压的DC至DC电源电路。在接近该电源电路处提供一个功率晶体管电路，该功率晶体管电路具有作为输入的固定的电源电压和固定的偏置电压，并且还构造为接收和放大RF信号。
根据本发明的另一个方面，该电源电路包括用于设置供电电压电平和偏置电压电平的装置。在一个优选实施例中，提供一个用于设置供电电压的第一激光可调电阻，用于设置偏置电压的第二激光可调电阻。以此方式，在功率组件器件的装配期间，可以容易地将固定的供电电压和偏置电压调谐至一个期望的电平。在一个选用的实施例中，供电电压和偏置电压各由电压表设置。
根据本发明的又一个方面，电源电路既可包括一个双向(sepic)变换器(即，它既可以升高又可以降低输入电压)，又可包括一个前向变换器(即，它降低输入电压)。
根据本发明的再一个方面，输入和放大的RF信号各与一个相对高的阻抗相匹配，例如，在一个优选实施例中大约为五十欧姆。
在另一个实施例中，本发明提供一种放大器装置，包括一个散热片。一个具有作为一个输入的一个变化的DC电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压的DC至DC电源电路包括一个固定到该散热片上的变压器外壳。一个具有作为输入的固定的供电电压和固定的偏置电压的功率晶体管器件包括一个固定到该散热片上的安装凸缘。根据本发明的另外一个方面，变压器外壳和凸缘彼此靠近地附加到散热片上。
以下内容将使本发明的其它和另外的方面对本领域的普通技术人员变得清晰。
参照附图以举例方式来解释本发明的优选实施例，但并不局限于这种方式，附图中同样的部件对应同样的参考标号，其中：
图1是根据本发明所提供一个固定增益、固定相位RF功率组件的简化的方框图；
图2是优选的一个固定增益、固定相位延迟RF功率组件的原型设计的局部侧视图，以便解释采用一个共同的散热片以用于功率组件的各直流/直流变换器和RF晶体管部件；
图3是解释用于图2的RF功率组件的一个优选的DC/DC变换器电路的示意图；和
图4是解释用于图2的RF功率组件的一个优选的RF放大器电路的示意图。
参见图1，一个优选的固定增益、固定相位延迟RF功率组件20通常包括一个具有作为一个输入的一个变化的DC电压26和作为输出的一个固定的供电电压28和一个固定的偏置电压30的DC至DC电源电路22。电源电路22可以是一个升高、降低、或者一个双向变换器，即，它既能够升高又能够降低输入电压26，以产生输出供电电压28。
举例而言，在一个优选实施例中，电源电路22包括一个可从一个可在九至三十六伏特直流的范围变化的输入电压26而提供一个大约二十八伏特直流的固定输出电压的双向变换器。另举一例，在另一个优选实施例中，电源电路22包括一个降低变换器，它可从一个可在三十六至七十二伏特直流的范围变化的输入电压26而提供一个大约二十八伏特直流的固定输出电压。对于本领域的普通技术人员是很明显的，即根据在一个给定的应用中将遇到的特定的输入电压范围和所需要的输出供电电压28，可以采用任何数量的变换器布局，包括多重变换器布局。
RF功率组件20通常也包括一个RF功率晶体管电路24，该电路分别具有作为输入的固定的供电电压28和固定的偏置电压30。功率晶体管电路24构造为接收作为另一个输入的RF信号输入32，其中功率晶体管电路24对RF信号32进行放大并输出34。
为了使通常工作于一个相对低的阻抗的晶体管电路24更好地稳定，在一个优选实施例中，使RF输入信号32和(放大的)输出信号两者与一个相对高的阻抗即50欧姆相匹配。
采用一个第一激光可调电阻40以设置供电电压，并采用一个第二激光可调电阻42以设置偏置电压。以此方式，在装配期间，通过各电阻40和42的一部分的激光烧蚀可调整(或“调谐”)供电电压输出28和偏置电压输出30。在一个供选用的优选实施例(未示出)中，供电和偏置电压可各由电压表没置。
RF功率组件20的相对于现有技术的一个优点是，RF输出信号34的增益和相位延迟可在输入电压26的一个宽的范围内保持固定。在将RF功率组件20设置在一个放大器装置中之前，最好调谐(即，通过烧蚀各电阻40和42的一部分)各供电和偏置电压28和30，以向放大的RF信号34提供一个期望的增益和相位延迟。因为(如上所述)每一个RF功率晶体管将具有稍微不同的性能特征，各输入电压28和30也可变化，以在器件之间达到相同的增益和相位延迟输出。换言之，通过调整“看得见”的电压来补偿一个给定的RF功率晶体管中的变化。
举例而言，两个示例的RF功率组件(指定为20和20’)可具有以下的特征：对于组件20来说，为了达到一个固定的11dB的输出增益和6.2度相位延迟，分别将输入供电电压和偏置电压调谐至28.2v和3.5v。对于组件20’来说，为了达到相同的固定的11dB的输出增益和6.2度相位延迟，要分别将输入供电电压和偏置电压调谐至27.9v和3.3v。然而，本发明在这方面的一个优点是，一旦调谐了初始输入电压(28和30)，对于不同的器件和在一个宽的输入电压范围来说，将有基本上相同的输出增益和相位。
参见图2，本发明的另一个方面将解释如下：
包括一个RF功率组件50的一个放大器器件包括有一个例如由铜或铝制成的金属散热片52。结合在散热片顶部的是一个印刷电路(pc)板58。散热片52的其它部分保持裸露，带有在散热片中形成的器件井(well)55和57，以分别适用于RF功率组件50的一个变压器外壳54和RF功率晶体管器件56。具体地，变压器外壳54的一个底表面53被附加(例如，通过焊接、螺丝钉固定、或一些其它可接受的方法)到器件井55中的散热片表面。晶体管器件56的一个安装凸缘51的一个底表面59类似地附加到器件井57中的散热片表面。
变压器外壳54具有的导线62和64和晶体管器件56具有的导线66和68均耦合至pc板58，其中各导线62，64，66，68仅为了解释目的而示出。实际上，根据具体的实施情况，每一个器件54和56将有耦合至pc板的多个其它的导线。功率组件50还包括电源控制电路70，它设置在pc板58上并且经一个或多个导线62和64耦合至变压器外壳54中的一个变压器(未示出)。偏置控制电路72设置在pc板上处于变压器外壳54和RF晶体管器件56之间，并且经一个或多个导线62和64连接至变压器，并经一个或多个导线66和68连接至晶体管器件。而且，RF信号处理电路74也经一个或多个导线66和68耦合至功率晶体管器件56。
对于本领域的普通技术人员将是很明显的，即根据其中使用了RF功率组件的具体的应用，可采用其它的电源结构技术，例如，举例而言，平面或集成磁技术。
与RF功率晶体管器件类似，变压器(以及因此的外壳54)产生显著的热量，并且需要一个直接的散热片接触点。将两个器件54和56配合地定位在同一个散热片52上，会显著地节省成本，因为散热片52在一个典型的RF装置的成本中占有一个重要的部分。
图3和图4是目前优选的RF功率组件20的示意图，并且用于更好地解释本发明的图1所示的优选实施例，其中，同样的部件给予相同的参考标号。通常，电源电路包括一个带有一个初级绕组82和一个或多个次极绕组84的变压器80。电源的工作受到一个由PWM控制电路88操作的初级绕组晶体管开关86的控制。输出偏置电压通过晶体管90设置。
在一个供选用的实施例中，所期望的是通过例如根据器件的实际增益和相位延迟的反馈监视来调整PWM控制器88的占空比来动态地控制供电和偏置电压。虽然这样一种系统对用于功率组件的增益和相位延迟的更位精细的控制来说是允许的，但实施起来会较昂贵。
已经示出并说明了固定增益、固定相位延迟RF功率组件的优选实施例和应用，对于本领域的普通技术人员来说是很显然的，即在不脱离本发明的概念的条件下，可有许多改进和应用。
因此，已公开的本发明的范围将遵从后附的权利更求书的限定。
按照条约第19条的修改
1.一种固定增益、固定相位延迟射频增益组件，包括：
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压；和
一个射频功率晶体管电路，它具有作为输入的供电和偏置电压，并且还构造为接收和放大射频信号。
2.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个双向变换器。
3.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个降低变换器。
4.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个升高变换器。
5.一种放大器装置，包括：
一个散热片，
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压，所述电源电路包括一个固定到所述散热片上的变压器外壳；
一个射频功率晶体管器件，它具有作为输入的供电电压和偏置电压，所述功率晶体管器件包括一个靠近所述变压器外壳地固定到所述散热片上的凸缘。
6.根据权利要求5所述的放大器装置，其特征在于，所述功率晶体管器件：
接收作为另一个输入的射频信号，
放大所述射频信号，并且
提供作为一个输出的所述放大的射频信号。
7.根据权利要求6所述的放大器装置，其特征在于，所述输入和输出射频信号各与一个高的阻抗相匹配。
8.根据权利要求6所述的放大器装置，其特征在于，所述输入和输出射频信号各与一个大约五十欧姆的阻抗相匹配。
9.根据权利要求6所述的放大器器件，其特征在于，所述电源电路还包括用于调谐所述供电电压的装置和用于调谐所述偏置电压的装置。
10.根据权利要求9所述的放大器器件，其特征在于，所述用于调谐所述供电和偏置电压的装置包括
一个用于设置所述供电电压的第一激光可调电阻，和
一个用于设置所述偏置电压的第二激光可调电阻。
11.一种放大器装置，包括：
一个散热片，
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压，所述电源电路包括
用于设置所述供电电压的装置，
用于设置所述偏置电压的装置，和
一个固定到所述散热片上的外壳；
一个射频功率晶体管器件，它具有作为输入的固定的供电电压和固定的偏置电压，所述功率晶体管器件包括一个固定到所述散热片上的凸缘，并且还构造为：
接收作为另一个输入的射频信号，
放大所述射频信号，并且
提供作为一个输出的所述放大的射频信号，
其中，所述输入和输出射频信号各与一个相对高的阻抗相匹配。
12.根据权利要求11所述的放大器装置，其特征在于，所述输入和输出射频信号各与一个大约五十欧姆的阻抗相匹配。
13.根据权利要求11所述的放大器器件，其特征在于，所述电源外壳和凸缘彼此靠近地附加到所述散热片上。
14.一种固定增益、固定相位延迟射频增益组件，包括：
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压；
一个射频功率晶体管电路，它具有作为输入的供电和偏置电压，并且还构造为接收和放大射频信号；并且
其中，所述电源电路包括一个用于设置所述供电电压的第一激光可调电阻和一个用于设置所述偏置电压的第二激光可调电阻。
15.一种固定增益、固定相位延迟射频增益组件，包括：
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压；
一个射频功率晶体管电路，它具有作为输入的供电和偏置电压，并且还构造为接收和放大射频信号；并且
其中，所述功率晶体管电路输出所述放大的射频信号，并且，其中，所述输入和输出射频信号各与一个高的阻抗相匹配。

Claims (16)

1.一种固定增益、固定相位延迟射频增益组件，包括：
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压；和
一个射频功率晶体管电路，它具有作为输入的供电和偏置电压，并且还构造为接收和放大射频信号。
2.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个双向变换器。
3.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个降低变换器。
4.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个升高变换器。
5.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述电源电路包括一个用于设置所述供电电压的第一激光可调电阻和一个用于设置所述偏置电压的第二激光可调电阻。
6.根据权利要求1所述的射频增益组件，其特征在于，所述功率晶体管电路输出所述放大的射频信号，并且其中所述输入和输出信号各与一个相对高的阻抗相匹配。
7.一种放大器装置，包括：
一个散热片，
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压，所述电源电路包括一个固定到所述散热片上的变压器外壳；
一个射频功率晶体管器件，它具有作为输入的供电和偏置电压，所述功率晶体管包括一个固定到所述散热片上的凸缘。
8.根据权利要求7所述的放大器装置，其特征在于，所述功率晶体管器件：
接收作为另一个输入的射频信号，
放大所述射频信号，并且
提供作为一个输出的所述放大的射频信号。
9.根据权利要求8所述的放大器装置，其特征在于，所述输入和输出射频信号各与一个相对高的阻抗相匹配。
10.根据权利要求8所述的放大器装置，其特征在于，所述输入和输出射频信号各与一个大约五十欧姆的阻抗相匹配。
11.根据权利要求7所述的放大器器件，其特征在于，所述电源电路还包括用于调谐所述供电和偏置电压的装置。
12.根据权利要求11所述的放大器器件，其特征在于，所述用于调谐所述供电和偏置电压的装置包括
一个用于设置所述供电电压的第一激光可调电阻，和
一个用于设置所述偏置电压的第二激光可调电阻。
13.根据权利要求7所述的放大器器件，其特征在于，所述变压器外壳和凸缘彼此靠近地附加到所述散热片上。
14.一种放大器装置，包括：
一个散热片，
一个直流至直流电源电路，它具有作为一个输入的一个变化的直流电压和作为输出的一个固定的供电电压和一个固定的偏置电压，所述电源电路包括
用于设置所述供电电压的装置，
用于设置所述偏置电压的装置，和
一个固定到所述散热片上的外壳；
一个射频功率晶体管器件，它具有作为输入的固定的供电电压和固定的偏置电压，所述功率晶体管器件包括一个固定到所述散热片上的凸缘，并且还构造为：
接收作为另一个输入的射频信号，
放大所述射频信号，并且
提供作为一个输出的所述放大的射频信号，
其中，所述输入和输出射频信号各与一个相对高的阻抗相匹配。
15.根据权利要求14所述的放大器装置，其特征在于，所述输入和输出射频信号各与一个大约五十欧姆的阻抗相匹配。
16.根据权利要求14所述的放大器器件，其特征在于，所述电源外壳和凸缘彼此靠近地附加到所述散热片上。
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