CN2514548Y - 一种宽带大功率线性功率放大装置 - Google Patents
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Abstract
一种宽带大功率线性功率放大装置,包括推动放大单元101、末前放大单元12和末级放大单元13,所述推动放大单元101包括输入隔离器和与之连接的射频功放模块,所述末前放大单元12包括LDMOS功率晶体管102以及输出隔离器103,所述末级放大单元13包括分路器、合路器以及连接在分路器与合路器之间的组合功率管。实施本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置,与现有技术相比,提高了功率放大单元的效率,改善了线性度,节省了能耗,从而为减小功率放大单元(乃至基站)的体积打下了基础,另外,该功率放大装置的带宽可达50MHz以上。
Description
技术领域
本实用新型属于移动通讯领域的基站发射机，尤其涉及一种可用于基站发射机的大功率线性功率放大装置。
背景技术
目前，实现线性功率放大单元的方法除采用功率回退法外还有预失真法和前馈法，其中，预失真法和前馈法中的主功率放大单元一般也采用功率回退法实现。对现有的功率回退法而言，在三阶交调(IMD3)为-40dBc时的效率基本上小于10％，这样势必影会响通讯质量，另一方面的不足在于增加了能耗而不利于基站体积的减小。根据检索的情况来看，尚未检索到相应的专利文献，可以解决线性功率放大单元存在的效率和能耗等方面的问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是如何实现高效的线性功率放大装置，可以满足移动通讯领域的基站发射机的应用要求。
本实用新型是这样解决上述技术问题的，构造一种宽带大功率线性功率放大装置，包括推动放大单元101、末前放大单元12和末级放大单元13，所述推动放大单元101包括输入隔离器和与之连接的射频功放模块，所述末前放大单元12包括LDMOS功率晶体管102以及输出隔离器103，所述末级放大单元13包括分路器、合路器以及连接在分路器与合路器之间的组合功率管。
在本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置中，所述末级放大单元中所述分路器包括其输入端连接末前级输出的第一分路器104，以及其输入端分别连接第一分路器104两个输出端的第二和第三分路器105和106，所述合路器包括第一、第二合路器111和112以及将第一和第二合路器合路的第三合路器113，所述组合功率管包括四个相同的高增益、超线性、高效率、热稳定性能好的双极型推挽式LDMOS功率晶体管107-110，其中两个功率晶体管107、108的输入端连接在第二分路器105的输出端，而输出端分别连接到第一合路器111，另两个功率晶体管109、110的输入端连接在第三分路器106的输出端，而输出端分别连接到第二合路器112，由第三合路器113将第一、第二合路器的输出合路输出。
在本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置中，所述组合功率管中的每个晶体管(107-110之一)为双极型推挽式LDMOS功率晶体管。
在本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置中，所述组合功率管中的每个晶体管(107-110之一)的输入和输出端分别连接有输入匹配单元203和输出匹配单元205，还包括与所述输入匹配单元203连接的温度补偿偏置电路202和平衡非平衡转换器201，与所述输出匹配单元205连接平衡非平衡转换器206。
在本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置中，所述输入匹配单元是25Ω与单个晶体管输入阻抗之间的阻抗变换比约为10的匹配，所述输出匹配单元是25Ω与单个晶体管输出阻抗之间的阻抗变换比约为7的匹配。
在本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置中，所述输入匹配单元和所述输出匹配单元采用两节低通滤波形式实现。
在本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置中，所述温度补偿偏置电路包括一个或多个串接晶体管输入与地之间的二极管。
实施本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置，与现有技术相比，提高了功率放大单元的效率，改善了线性度，节省了能耗，从而为减小功率放大单元(乃至基站)的体积打下了基础，另外该功率放大单元的带宽可达50MHz以上。
附图说明
图1是本实用新型的线性功率放大装置的电路结构图；
图2是图1中末级放大管之一的电路结构图；
图3是图2中末级放大管的输入/输出匹配电路图；
图4是图2中末前级、末级放大管温度补偿偏置电路图。
如图1所示，本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置包括三个部分：推动放大单元101、末前放大单元12和末级放大单元13。其中，推动放大单元101包括一个用于改善输入口驻波的输入隔离器和提供超线性推动信号的纯甲类超线性内匹配射频功放模块；末前放大单元12包括用于提供超线性、高效率、中功率信号的高增益、超线性、高效率、热稳定性能好的LDMOS功率晶体管102以及用于与其输出端连接的末级放大单元进行匹配的的输出隔离器103；末级放大单元13包括分路器、合路器以及连接在分路器与合路器之间的组合功率管，其中，所述分路器包括其输入端连接末前级输出的第一分路器104，以及其输入端分别连接第一分路器104两个输出端的第二和第三分路器105和106，合路器包括第一、第二合路器111和112以及将第一和第二合路器合路的第三合路器113，所述组合功率管包括四个相同的高增益、超线性、高效率、热稳定性能好的双极型推挽式LDMOS功率晶体管107-110，其中两个功率晶体管107、108的输入端连接在第二分路器105的输出端，而输出端分别连接到第一合路器111，另两个功率晶体管109、110的输入端连接在第三分路器106的输出端，而输出端分别连接到第二合路器112，由第三合路器113将第一、第二合路器的输出合路示出。实际上，每个功率晶体管还外接有输入输出平衡非平衡转换器外部元件，以及保证LDMOS功率管静态工作点相对稳定的温度补偿偏置电路。
按照本实用新型提供的宽带大功率线性功率放大装置采用系列化超线性、高效率、热稳定性能好的LDMOS功率晶体管来实现高效宽带大功率线性功率放大单元，其工作过程是这样的：如图1所示，射频输入信号(RF)首先进入推动放大单元101进行放大，推动放大单元101输出的小功率信号接着进入末前放大管102进行放大，末前放大管102输出的中功率信号经隔离器103进入末级放大单元13进行放大，最后在末级放大单元13中经第一、第二和第三合路器111～113合成后得到本实用新型所需要的大功率信号。在图1示出的根据本实用新型的最佳实施例的一个高效大功率线性功率放大装置的结构图中，推动放大单元101采用A类LDMOS超级线性功放模块，其主要指标如下：
工作频率 800MHz-925MHz
工作电压 28V
静态工作电流 770mA
增益 31dB
三阶交调点 50dBm
增益平坦度 +/-0.1dB
1dB压缩点功率 39dBm(8W)
经过推动放大单元101放大后的射频信号进入末前放大管102，末前放大管102可采用高增益、超线性、高效率、热稳定性能好的LDMOS功率晶体管来实现。该功率晶体管的主要指标如下：
工作频率 800MHz-895MHz
工作电压 27V
增益 17dB(min)
1dB压缩点功率 105W
IMD3 -31dBc(Vd＝28V，Idq＝700mA，
Pout＝90WPEP)
由于该功率晶体管在AB类放大状态下的超线性，为了兼顾线性度及效率的要求，末前放大管102采用AB类放大，做适度的功率回退；这样使电路得到简化，也增加了可靠性。
推动放大单元101和末前放大管102两级放大的作用是提供一个高增益、高线性的射频信号，其增益可达47dB、输出功率5W时的IM3可达-48dBc、功耗54W，效率为9.3％。
为了保证整个放大单元的带内平坦度及交调指标，在末前放大管102的输出端增加了一个隔离器103，以改变前后级之间的匹配。
末前放大单元102输出的射频信号经隔离器103进入第一分路器104，第一分路器104分出来的两路信号分别进入第二分路器105、第三分路器106，这样末前放大单元102输出的射频信号就被分成四路信号，这四路信号分别进入末级放大管107～～110。
末级放大单元采用四个相同的高增益、超线性、高效率、热稳定性能好的双极型推挽式LDMOS功率晶体管107～～110。每个功率晶体管的主要指标如下：
工作频率 865MHz-895MHz
工作电压 26V
输出功率(1dB压缩) 170W
增益 16dB(min)
IMD3 -31dBc(Vd＝26V，Idq＝1.4A，Pout＝170W PEP)
经四个末级放大管107～～110放大后的大功率信号分别进入第一合路器111、第二合路器112和第三合路器113，合路器对这四路信号进行两两合成后再合成，末级放大的增益可达15dB，最后得到输出功率100W，IM3可达-45dBc、功耗540W，效率为18.5％的大功率信号。
上述三级放大的总增益可达62dB，工作带宽可达50MHz，输出功率100W，IM3可达-45dBc、4载波ACPR≤-49dBc@±1.98MHz、增益平坦度≤±0.35dB、功耗为54+540＝594W，效率可达100/594＝16.8％。
图1实施例中所选用的分路器103～105及合路器111～112的参数如下：
工作频率 815MHz-960MHz
隔离度 22dB
插入损耗 0.23dB
驻波比 1.2∶1
幅度平衡 +/-0.3dB
相位平衡 3度
通过功率 150W(平均)
图1实施例中所选用的合路器113的参数如下：
工作频率 815MHz-960MHz
通过功率 200W(平均)
插入损耗 0.23dB
幅度平衡 +/-0.3dB
相位平衡 3度
隔离 20dB
驻波比 1.2∶1
图2是图1中末级放大管(107-110)之一的电路结构图，可以看出，每个末级放大管204的外围电路都是由BALUN(平衡非平衡转换器)201、206，输入匹配单元203、偏置电路202、输出匹配单元205这几部分构成。由于末级放大管204选用双极型推挽式LDMOS功率晶体管，对于推挽式的功放电路在其输入和输出需要设计平衡非平衡转换器201和206，它们在电路中主要起以下作用：1)提供平衡到非平衡的转换；2)在电路中提供180度的相移，以产生推挽式的功率合成效果；3)由于推挽式的效果，每个平衡口到地的阻抗为两个平衡口之间的阻抗的一半。这实际上等于降低了阻抗变换比，使得对大功率低阻抗的功率管的阻抗匹配难度减小；4)推挽式的效果还使放大单元输出端的偶次谐波大大降低；5)四分之一波长的平衡非平衡转换器往往也起阻抗变换的作用，其阻抗变换比取决于平衡非平衡转换器的特性阻抗，可根据工作带宽的需要决定平衡非平衡转换器的特性阻抗。
传统的微波平衡非平衡转换器一般有同轴电缆形式和微带形式，由于电缆形式的平衡非平衡转换器设计简单，所以被广泛采用。但它最大的缺点就是一致性稍差。目前有公司用陶瓷材料以微带形式研制出了表面安装平衡非平衡转换器器件，其最大的特点就是安装简单，使用方便，便于批量生产。另外，还有插损小、工作频带宽及平衡度优良等特点。本实用新型的功放中选用的平衡非平衡转换器主要指标如下：
工作频率 0.8-1.0GHz
反向损耗 10dB(Min)
插入损耗 0.3dB(Max)
幅度平衡 +/-0.4dB
相位平衡 +/-5.0度
通过功率 250W(平均)
平衡口到地阻抗 25Ω
非平衡口阻抗 50Ω
本功放推挽功率管的匹配实际是指25Ω与其中的每个单晶体管输入或输出阻抗之间的匹配。对于末级放大管其输入阻抗变换比约为10，输出阻抗变换比约为7。匹配网络选用两节低通滤波形式。之所以选择这种网络是考虑到带宽、带内平坦度、幅度平衡及相位平衡等诸多因素。
图3中的Z代表推挽式功放管中的每个单晶体管的输入或输出阻抗，25欧为平衡非平衡转换器的平衡端到地的阻抗。这种匹配方式是微波推挽式功放管常用的一种电路。C1和C2除了对Z到25欧的阻抗变换起作用外，对幅度或相位平衡也十分有益。这一点十分重要，电路的平衡对平衡非平衡转换器的插入损耗影响很大，对二次谐波的抑制也至关重要。匹配电路参数的选定比较复杂，首先要根据带宽的要求定出Q值，然后才能由大信号条件下测得的Z值按最佳匹配原则定出C1、C2及微带电路的参数及尺寸。这里必需强调的是，计算得到的数据只是个参考值，参数最后的确定必需要在带内增益平坦度、IMD3、增益及效率等之间取折衷通过实验来完成。例如，为了获得最大的增益平坦度，输入匹配电路需要作适度的失配(非最佳匹配)。输出电路与增益平坦度关系不大，但需要在IMD3、效率、增益及输出功率之间进行折衷。
LDMOS功率管的静态工作点的设置也需要在线性、效率及增益之间进行折衷以取得一个最佳的静态工作电流。然而，随着工作温度的变化，这个工作点会发生变化。对于AB类偏置来说，随着工作温度的升高LDMOS功率管的栅极静态工作电流也在升高。为了保证LDMOS功率管的静态工作点的相对稳定，在本实用新型中我们采用了图4所示温度补偿的偏置电路。
图4是图2中末前级、末级放大管的温度补偿偏置电路图，图中R2通过两只串联的二极管D1、D2接地。因此，Vg的大小与D1和D2的电导有关。随着温度的增加，其电导也随之增加，因而Vg也会减小，Vg减小导致LDMOS功率管的栅极静态工作电流也在减小，这样就保证了由于温度变化时LDMOS功率管的栅极静态工作电流的相对稳定，从而实现该电路对温度的部分跟踪。串两个或更多的二极管主要由其接入系数及跟踪的精度来定。
Claims (7)
1、一种宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于，包括推动放大单元(101)、末前放大单元(12)和末级放大单元(13)，所述推动放大单元(101)包括输入隔离器和与之连接的射频功放模块，所述末前放大单元(12)包括LDMOS功率晶体管(102)以及输出隔离器(103)，所述末级放大单元(13)包括分路器、合路器以及连接在分路器与合路器之间的组合功率管。
2、根据权利要求1所述宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于，所述末级放大单元中所述分路器包括其输入端连接末前级输出的第一分路器(104)，以及其输入端分别连接第一分路器(104)两个输出端的第二和第三分路器(105、106)，所述合路器包括第一、第二合路器(111)和(112)以及将第一和第二合路器合路的第三合路器(113)，所述组合功率管包括四个相同的高增益、超线性、高效率、热稳定性能好的双极型推挽式LDMOS功率晶体管(107-110)，其中两个功率晶体管(107、108)的输入端连接在第二分路器(105)的输出端，而输出端分别连接到第一合路器(111)，另两个功率晶体管(109、110)的输入端连接在第三分路器(106)的输出端，而输出端分别连接到第二合路器(112)，由第三合路器(113)将第一、第二合路器的输出合路输出。
3、根据权利要求1或2所述宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于，所述组合功率管中的每个晶体管(107-110)之一为双极型推挽式LDMOS功率晶体管。
4、根据权利要求1或2或3所述宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于，所述组合功率管中的每个晶体管(107-110)之一的输入和输出端分别连接有输入匹配单元(203)和输出匹配单元(205)，还包括与所述输入匹配单元(203)连接的温度补偿偏置电路(202)和平衡非平衡转换器(201)，与所述输出匹配单元(205)连接平衡非平衡转换器(206)。
5、根据权利要求4所述宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于，所述输入匹配单元是25Ω与单个晶体管输入阻抗之间的阻抗变换比约为10的匹配，所述输出匹配单元是25Ω与单个晶体管输出阻抗之间的阻抗变换比约为7的匹配。
6、根据权利要求5所述宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于，所述输入匹配单元和所述输出匹配单元采用两节低通滤波形式实现。
7、根据权利要求4所述宽带大功率线性功率放大装置，其特征在于， 所述温度补偿偏置电路包括一个或多个串接晶体管输入与地之间的二极管。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20030801 Address after: 518057 Department of law, Zhongxing building, South Science and technology road, Nanshan District hi tech Industrial Park, Shenzhen Patentee after: Zhongxing Communication Co., Ltd., Shenzhen City Address before: 200233 No. 396, Shanghai, Guilin Road Patentee before: Shanghai Inst. of No.2, Zhongxing Communication Co., Ltd., Shenzhen City |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: ZTE CO., LTD. Free format text: FORMER NAME OR ADDRESS: SHENZHENG CITY ZTE CO., LTD. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Patentee after: ZTE Corporation Patentee before: Zhongxing Communication Co., Ltd., Shenzhen City |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Expiration termination date: 20111214 Granted publication date: 20021002 |