线性射频功率放大器电路及其优化方法

专利名称：线性射频功率放大器电路及其优化方法
技术领域：
本发明涉及一种射频功率放大器电路，尤其是一种线性射频功率放大 器电路。本发明还涉及这种线性射频功率放大器电路的优化方法。
背景技术：
射频功率放大器是无线通讯系统模拟电路的重要组成部分，在基站中
它的成本可以占到30%左右。它被用来对射频信号进行放大，以便于传输。 其主要参数是线性和效率。
线性是表征射频功率放大器能否真实地放大信号的参数。无线通讯系 统中如果线性差，会增加误码率、增加临道干扰(ACPR增大)，从而影响通 讯系统的工作质量。由于ACPR大部分是由射频功率放大器产生的，所以实 际应用中用它的值来衡量射频功率放大器的线性度。3G协议上对基站ACPR 的要求一般是-45dBc左右，目前普遍采用的数字预失真(DPD)技术对射频 功率放大器线性的改善一般为20 25dB，这就要求射频功率放大器本身线 性需优于-25dBc。研发中一般要求该值为-35dBc，以留出生产等方面的余
效率是表征射频功率放大器把多少输入能量(包含信号输入和直流输 入)转化成被放大了的信号而输出的参数。高的效率是无线通讯系统射频 功率放大器的重要指标，直接影响到系统的受热程度、可靠性和成本。所 以在满足线性的前提下，要求效率越高越好。
3G无线通讯系统(如WCDMA系统)的信号普遍都有高的峰均比(PAR)， 即对于某一均值功率的信号，瞬间的峰值功率高达10倍以上。为了使信号 在峰值功率处尽量减少失真，射频功率放大器都工作于回退状态。如要求 射频功率放大器的输出平均功率为40dBm，信号峰均比为10dB，那么射频 功率放大器应该有50dBm左右的输出能力，这样信号才不会失真，但却会 导致效率的降低，因为对于输出能力确定的射频功率放大器，实际工作功 率越低，即回退越多，效率就越低。如果没有合适的50dBm输出能力的功 率管，就需要采用两路或者多路并联的形式，这会进一步降低效率。
目前常用的线性射频功率放大器电路如图1所示，包括两个相同类型 的放大器，所述两个射频功率放大器的输入端分别接到一个第一 3db电桥 的两个输出端，所述第一 3db电桥的一个输入端接输入信号，另一个输入 端串联一个50Q电阻后接地，所述两个射频功率放大器的输出端分别接到 一个第二 3db电桥的两个输入端，所述第二 3db电桥的一个输出端作为信 号输出端，另一个输出端串联另一个50Q电阻后接地。该电路中的两个射 频功率放大器需要兼顾效率和线性，因此一般采用AB类射频功率放大器。 这种结构的射频功率放大器电路，其虽然兼顾了线性和效率，但是线性和 效率都不会很高，难以符合越来越高的技术要求。因此需要采用一些特殊 技术来改善高效率线性射频功率放大器电路的性能。
目前用来改善射频功率放大器线性性能的线性化技术主要有前馈技术 和数字预失真技术。前馈技术可以获得高的ACPR改善量(25dB以上)，已 是一种成熟的技术；数字预失真技术随着数字信号处理器速度的加快而得
到快速发展，ACPR改善量已经能够达到20dB以上，成为前馈技术外的又一 重要的线性化技术选择。这两种技术能够使射频功率放大器基本满足3G基 站的ACPR要求。
近年，提高射频功率放大器效率的技术越来越受到业内的重视，大量 许多年前提出的理论得到发展，有的已经实际得到使用，有的很多人正在 参与讨论、研发。目前提高效率的射频功率放大器技术主要有多哈特 (Doherty)技术、F类射频功率放大器、包络跟踪技术、包络削减恢复(EER) 技术。但是都有自身的缺点。
Doherty射频功率放大器，电路形式简单，在回退6dB左右可以得到较 多的效率改善，是目前常用的提高效率的电路形式。如图2所示，Doherty 电路中包括两个不同类型的射频功率放大器， 一个工作在A类或AB类模式， 另一个工作在B类或C类模式，在每个射频功率放大器的输入端和输出端 各串联有一段50Q微带线，与两个射频功率放大器的输入端连接的两段50 Q微带线连接到一个3db电桥的两个输出端上，所述电桥的一个输入端串 联一个50Q的电阻后接地，另一个输入端连接输入信号，与两个射频功率 放大器的输出端连接的两段50Q微带线的另外一端通过一个Ag/4线相连 接，并且由与所述A类或AB类射频功率放大器连接的50Q微带线的一端作 为电路的信号输出端。在Doherty功放的性能优化过程中，需要对图中的 50Q微带线的长度进行调整，从而影响功放的输入、输出阻抗，以得到最 佳性能。所以在研发中需要做不同长度的多个版本，以得到最佳性能。生 产中由于功率管的差异，往往需要微调这些线的长度，由于这些50Q微带
线在电路内部，因此难以实现。同时Doherty电路对其输出端四分之波长 传输线(、/4线)的精度要求较高，这也影响了其带宽和使用范围。
F类射频功率放大器工作于开关状态，效率可以得到改善，但效率的改 善主要集中在饱和功率处，所以应用在移动终端设备上的较多。基站功放 一般不工作在饱和状态，所以该类放大器在基站上使用需要和其他技术结 合，这会导致电路结构更加复杂。
包络跟踪技术、EER技术的电路整体上分为两路射频支路及和射频信 号包络对应的电源支路。这两种技术对电源支路的带宽和两路之间的同步 要求较高，所以较难实现，目前尚在研发阶段。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种线性射频功率放大器电路，以 及该线性射频功率放大器电路的优化方法，能够有很好的线性和效率，而 且结构简单，调试方便。
为解决上述技术问题，本发明线性射频功率放大器电路的技术方案是， 包括两个不同类型的射频功率放大器，所述两个不同类型的射频功率放大 器的输入端分别接到一个第一射频电桥的两个输出端，所述第一射频电桥 的一个输入端接输入信号，另一个输入端串联一个第一 50Q微带线和一个 第一复数阻抗电路后接地，所述两个不同类型的射频功率放大器的输出端 分别接到一个第二射频电桥的两个输入端，所述第二射频电桥的一个输出 端作为信号输出端，另一个输出端串联一个第二 50Q微带线和一个第二复 数阻抗电路后接地。
本发明线性射频功率放大器电路的优化方法的技术方案是，对所述第
一 50Q微带线的长度、第一复数阻抗电路的复数阻抗以及第二 50Q微带线 的长度、第二复数阻抗电路的复数阻抗，总共4个参数值进行优化，使得
所述线性射频功率放大器电路的效果评价参数达到最佳，所述线性射频功 率放大器电路的效果评价参数为所述线性射频功率放大器电路的效率或者 线性或者效率和线性的综合水平。
本发明通过采用两个不同类型的射频功率放大器，使得在工作中两个 射频功率放大器的优点能够互补，从而提高整个射频功率放大器电路的线
性和效率；由于两段50Q微带线被设置于两个射频电桥外面，所以更加便 于调节。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明 图1为现有的线性射频功率放大器电路的电路图； 图2为Doherty射频功率放大器电路的电路图； 图3为本发明线性射频功率放大器电路的电路图； 图4为本发明线性射频功率放大器电路两个不同类型的射频功率放大 器的失真相互抵消的示意图。
具体实施例方式
本发明线性射频功率放大器电路的结构可参见图3所示，包括两个不 同类型的射频功率放大器，这两个不同类型的射频功率放大器一个可以是A 类、AB类或者B类中的一种，另一个可以是B类或者C类中的一种，并且
所述两个不同类型的射频功率放大器的功率不同；所述两个不同类型的射 频功率放大器的输入端分别接到一个第一射频电桥的两个输出端，所述第
一射频电桥的一个输入端接输入信号，另一个输入端串联一个第一 50 Q微
带线和一个第一复数阻抗电路后接地，所述两个不同类型的射频功率放大 器的输出端分别接到一个第二射频电桥的两个输入端，所述第二射频电桥
的一个输出端作为信号输出端，另一个输出端串联一个第二 50Q微带线和 一个第二复数阻抗电路后接地。所述射频电桥可以是3dB 10dB耦合度电 桥中的任意一种。
如图3所示，两路射频功率放大器的工作状态不再统一，而是一个工 作于线性较好的模式，如A类、AB类、B类， 一个工作于效率较高的模式， 如B类、C类。从这一点来看，本发明类似于Doherty射频功率放大器，但 是本发明中的电路形式更方便，也更灵活，而且由于两个射频功率放大器 的功率可以不同，因此可以让效率较高的射频功率放大器负载更大的功率， 从而可以更进一步地提高整个电路的效率。
以AB类射频功率放大器和C类射频功率放大器的组合为例，由于效率 较高的C类射频功率放大器的存在，使射频功率放大器的效率得到很大地 提高。但是它的引进， 一般情况下会导致线性的下降。但是如果设置得当， 可以让它的失真和线性较好的AB类射频功率放大器的失真相互抵消，达到 较好的线性，如图4合成后的虚线所示。C类功放只有在输入功率达到一定 的大小之后才开始工作，所以在图4中，当AB类射频功率放大器工作于饱 和点(P-wB压縮点附近)以后，即线性变差时，C类射频功率放大器才以非
线性状态开始工作，其非线性相位和AB类由于压縮产生的非线性相反，从 而得到线性较好的射频功率放大器。
所谓的设置得当， 一方面是AB类和C类工作状态需要设置得当，使C 类功放打开的时机很好，得到好的线性。另一方面是指两路射频功率放大 器的输入、输出负载需要设置合适，使电路的效率和线性最优，如果和线 性化技术结合(如和DPD技术结合)，还要使电路能够输出尽可能大的功率。 因此本发明还提供了一种上述射频功率放大器电路的优化方法，其包括对 所述第一 50 Q微带线的长度、第一复数阻抗电路的复数阻抗以及第二 50 Q 微带线的长度、第二复数阻抗电路的复数阻抗，总共4个参数值进行优化， 使得所述线性射频功率放大器电路的效果评价参数达到最佳，所述线性射 频功率放大器电路的效果评价参数为所述线性射频功率放大器电路的效率 或者线性或者效率和线性的综合水平。第一复数阻抗电路中的复数阻抗包 括电阻R1和电抗X1，电抗可以是容抗或者感抗；第一复数阻抗电路中的复 数阻抗包括电阻R1和电抗X1，电抗可以是容抗或者感抗。在整个优化的过 程中，由于线性的最佳值和效率的最佳值往往不会同时出现，因此就会出 现例如效率还在升高，而线性己经开始下降的情况发生。在实际使用中， 有的场合对于射频功率放大器电路的效率会有更高的要求，而对线性的要 求不会非常苛刻，这样就可以尽量地提高射频功率放大器电路的效率，使 其达到最大值；而有的场合对线性有很高的要求，而不太在意效率，因此 就可以尽量使线性达到最佳值；还有的场合对线性和效率都有要求，这样 就对电路的各参数进行优化，可能线性和效率都不会达到最高值，但是可
以保证线性和效率都符合要求。本发明中，即使效率或者线性其中的一个 达到了最佳值，与其他电路相比，其另外一个参数也会更令人满意。
在上述调试过程中，在对一个参数进行优化时，要保持其他参数不变， 先对该参数向任意一个方向变化，如果所述线性射频功率放大器电路的效 果评价参数降低，则向另外一个方向变化该参数，如果所述线性射频功率 放大器电路的效果评价参数变优，则继续按照该方向变化该参数，直到所 述线性射频功率放大器电路的效果评价参数不再变优为止，之后优化其它 的参数。
先对所述第一复数阻抗电路的电阻Rl、电抗XI和第一 50Q微带线的 长度进行优化，然后再对所述第二复数阻抗电路的电阻R2、电抗X2和第二 50Q微带线的长度进行优化。相比之下，所述第二复数阻抗电路的电阻R2、 电抗X2和第二50Q微带线的长度这三个参数对整个电路的线性和效率的影 响要大于所述第一复数阻抗电路的电阻Rl、电抗XI和第一 50Q微带线的 长度，因此以上述顺序进行优化更加利于提高调试的效率。
在对相互串连的复数阻抗电路的电阻Rl、电抗XI和50Q微带线的长 度进行优化时，先对所述复数阻抗电路的复数阻抗进行优化，再对所述50 Q微带线的长度进行优化。例如，在优化第一复数阻抗电路和第一 50Q微 带线时，先对所述第一复数阻抗电路的电阻Rl和电抗XI进行优化，然后 对所述第一 50 Q微带线的长度进行优化。这是因为所述第一 50 Q微带线的 长度对电路的线性和效率的影响要大于所述第一复数阻抗电路的电阻R1和 电抗X1。所述第二复数阻抗电路和第二 50Q微带线也是同样道理。
在输入、输出端射频电桥的隔离端的复数阻抗前加50Q微带线，优化 这段微带线的长度，将会影响该射频功率放大器的性能。射频功率放大器
对50Q微带线的敏感程度超过了 Rl + jXl和R2 + jX2。它的长度合适，可 以使射频功率放大器得到最优的性能。因此，在Rl + jXl和R2 + jX2的值 确定之后，只要改变50Q微带线的长度即可让每块射频功率放大器都得到 最优性能，非常方便。这也是先调节复数阻抗后调节50Q微带线能达到更 好的调节效果的原因。
对所述需要进行优化的各参数按照一定的顺序进行多次循环优化。例 如，在优化第一复数阻抗电路和第一 50Q微带线之后，使得线性射频功率 放大器电路的效果评价参数在此时达到最高，又优化了第二复数阻抗电路 和第二 50Q微带线，使得线性射频功率放大器电路的效果评价参数又达到 一个新的最高值，这时如果再次优化第一复数阻抗电路和第一 50Q微带线， 有可能还会进一步提高线性射频功率放大器电路的效果评价参数；如果在 此之后继续优化第二复数阻抗电路和第二 50Q微带线，还可能提高线性射 频功率放大器电路的效果评价参数，但是越往后线性射频功率放大器电路 的效果评价参数提升的幅度就越小。通过对所述需要进行优化的各参数按 照一定的顺序进行多次循环优化，可以进一步提高线性射频功率放大器电 路的效果评价参数，即线性和效率，当线性和效率已经无法再提高了，或 者己经达到了技术或标准的要求了，就可以不再继续循环。
在对所述第一50Q微带线的长度、第一复数阻抗电路的复数阻抗R1十 JX1以及第二50Q微带线的长度、第二复数阻抗电路的复数阻抗R2 + jX2，
总共4个参数值进行优化的同时，还对输入信号的幅度进行优化，保证所 述线性射频功率放大器电路的输出功率稳定在某一值，便于对效果评价参 数进行评价。
在本发明线性射频功率放大器电路中，改变第一复数阻抗电路的复数
阻抗Rl + jXl以及第二复数阻抗电路的复数阻抗R2 +jX2很容易实现，可
以用集总元器件，也可以采用分布参数的形式实现。在实际操作中，如果 需要微调两者的值使射频功率放大器的性能更优，也可以方便地进行。这
比较于Doherty功放有很大的优势，其可操作性显然要强很多。同时输入 输出都用电桥的形式，从而简化了设计四分之波长线的麻烦和不确定性， 更加简洁，同时带宽也会略宽。
Rl + jXl和R2 + jX2的值根据两路射频功率放大器的工作状态和功率 值而定，如果两路是相同功率、相同工作状态的射频功率放大器，则两个 负载都应该是50Q电阻，这是一种特殊情况。对于两路射频功率放大器特 定工作状态和功率大小，设置它们合适的值会使射频功率放大器得到较好 的性能。
为了提高效率，图3所示电路的两个支路的功率分配可以不是1: 1， 让效率较高射频功率放大器支路的输出功率高于线性较好射频功率放大器 支路的功率输出，可以进一步地提高效率。本发明中需使用两个电桥，实 验中发现，这种电路在电桥耦合度的选择上比较灵活。就是说不论两个支 路的功率如何分配，电桥可以选用3dB 10dB耦合度的电桥中的一种，例 如采用3dB电桥、4dB电桥、5dB电桥、6dB电桥等多种形式，其对性能的影响很小，可见这种电路形式非常灵活。
在实施中，使用一种50W功率管和一种IOOW功率管作为本发明线性放
大器电路的两个支路放大器的功率管，分别用一种3dB电桥、 一种5dB电 桥、 一种6dB电桥做射频功率放大器输入和输出端的射频电桥实现的电路， 都得到很好的性能，已经完全可以应用在WCDMA系统的基站上，并且能够 满足系统要求。电路中50W支路的射频功率放大器工作在AB类状态，100W 支路的射频功率放大器工作在C类状态。和DPD技术结合，使其线性性能 得到提高。由于DPD技术对射频功率放大器的线性和最大输出功率能力都 有要求，所以在射频功率放大器的调试中为了兼顾以上两者，需要牺牲一 些效率。最终得到的效率仍有40%@47dBm。 47dBm的平均功率输出，对应 于该电路的54dBm的最大输出功率能力，回退了7dB。在这种情况下，传统 的并联AB类射频功率放大器的效率有28%左右，而Doherty功放的效率有 34%左右。可见该发明的电路在简单、可调试性高的基础上效率比传统的 并联AB类射频功率放大器提高了约12个百分点，由于采用了 C类射频功 率放大器支路输出功率更大的不平衡形式，所以效率比Doherty射频功率 放大器也要高。本发明高效率线性射频功率放大器电路和DPD联调后，输 入为三载波WCDMA信号，输出功率是47dBm时，其性能为5MHzACPR优于 -55dBc， 10MACPR优于-57dBc，和3GPP标准5區CPR优于-45dBc、 10MACPR 优于-50dBc的要求相比，有很大的余量。
综上所述，本发明通过采用两个不同类型的射频功率放大器，使得在 工作中两个射频功率放大器的优点能够互补，从而提高整个射频功率放大
器电路的线性和效率；由于50Q微带线被设置于两个射频电桥外面，所以 更加便于优化。
权利要求
1.一种线性射频功率放大器电路，其特征在于，包括两个不同类型的射频功率放大器，所述两个不同类型的射频功率放大器的输入端分别接到一个第一射频电桥的两个输出端，所述第一射频电桥的一个输入端接输入信号，另一个输入端串联一个第一50Ω微带线和一个第一复数阻抗电路后接地，所述两个不同类型的射频功率放大器的输出端分别接到一个第二射频电桥的两个输入端，所述第二射频电桥的一个输出端作为信号输出端，另一个输出端串联一个第二50Ω微带线和一个第二复数阻抗电路后接地。
2. 根据权利要求1所述的线性射频功率放大器电路，其特征在于，所 述两个不同类型的射频功率放大器中， 一个为A类、AB类或者B类中的一 种，另一个为B类或者C类中的一种。
3. 根据权利要求1所述的线性射频功率放大器电路，其特征在于，所 述两个不同类型的射频功率放大器的功率不同。
4. 根据权利要求1所述的线性射频功率放大器电路，其特征在于，所 述射频电桥为3dB 10dB耦合度的电桥中的一种。
5. —种如权利要求1所述的线性射频功率放大器电路的优化方法，其 特征在于，对所述第一 50Q微带线的长度、第一复数阻抗电路的复数阻抗 以及第二50Q微带线的长度、第二复数阻抗电路的复数阻抗，总共4个参 数值进行优化，使得所述线性射频功率放大器电路的效果评价参数达到最 佳，所述线性射频功率放大器电路的效果评价参数为所述线性射频功率放 大器电路的效率或者线性或者效率和线性的综合水平。
6. 根据权利要求5所述的线性射频功率放大器电路的优化方法，其特征在于，在对一个参数进行优化吋，要保持其他参数不变，先对该参数向 任意一个方向变化，如果所述线性射频功率放大器电路的效果评价参数变 差，则向另外一个方向变化该参数，如果所述线性射频功率放大器电路的 效果评价参数变优，则继续按照该方向变化该参数，直到所述线性射频功 率放大器电路的效果评价参数不再变优为止，之后优化其它的参数。
7. 根据权利要求5所述的线性射频功率放大器电路的优化方法，其特征在于，先对所述第一复数阻抗电路的复数阻抗和第一 50Q微带线的长度 进行优化，然后再对所述第二复数阻抗电路的复数阻抗和第二 50Q微带线 的长度进行优化。
8. 根据权利要求5所述的线性射频功率放大器电路的优化方法，其特 征在于，在对相互串连的复数阻抗电路的复数阻抗和50Q微带线的长度进 行优化时，先对所述复数阻抗电路的复数阻抗进行优化，再对所述50Q微 带线的长度进行优化。
9. 根据权利要求5所述的线性射频功率放大器电路的优化方法，其特 征在于，对所述需要进行优化的各参数按照一定的顺序进行多次循环优化。
全文摘要
本发明公开了一种线性射频功率放大器电路，包括两个不同类型的射频功率放大器，两个不同类型的射频功率放大器的输入端和输出端接各接有一个射频电桥，两个射频电桥均有一端串联一段50Ω微带线和一个复数阻抗电路后接地，还有一端作为电路的输入端或者输出端。本发明还公开了一种线性射频功率放大器电路的优化方法，对所述50Ω微带线的长度、复数阻抗电路的复数阻抗的参数值进行优化，使得线性射频功率放大器电路的效果评价参数达到最高。本发明通过采用两个不同类型的射频功率放大器，使得在工作中两个射频功率放大器的优点能够互补，从而提高整个射频功率放大器电路的线性和效率；由于50Ω微带线被设置于两个射频电桥外面，所以更加便于调节。
文档编号H03F1/02GK101106358SQ20071009399
公开日2008年1月16日 申请日期2007年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者刘林涛, 瑜 夏 申请人:锐迪科无线通信技术(上海)有限公司