一种宽带高效率功率放大器的制作方法

本实用新型属于射频信号功率放大器技术领域，涉及一种宽带高效率功率放大器。

背景技术：

宽带高效率功率放大器的研究主要集中于基于单管设计的饱和类功率放大器和在针对复杂调制的高峰均比信号的宽带Doherty功放上。宽带高效率单管功率放大器主要基于功放工作在饱和状态实现高效率特性，适合于恒包络发射机系统，或者应用于先进发射机结构中，包括包络跟踪(Envelop Tracking：ET)、LINC(Linear Amplification with Nonlinear Component)发射机、包络删除与恢复(Envelope Elimination and Restoration：EER)、极坐标发射机等，另外还可作为宽带Doherty功放单元。故宽带功放对于日益增长的需求有着极大的实际意义。

另外射频功率放大器民用领域作为收发信机(特别是作为基站)的主要耗能模块，其工作效率的提高对“节能减排”，实现绿色通信，减小运营商的运营成本等均具有重要的意义。在军用领域上对无线手持式，背负式通信，移动雷达探测，干扰等高效率需求设备应用影响较大。而且功率放大器的工作效率直接与散热装置和电源技术要求息息相关，甚至影响着整个系统的稳定性。因此同时覆盖多个频带的高效率射频功率放大器成为研究的热点。

现有技术中对宽带放大器的效率提升，主要的方法是将放大器工作在功率饱和区，而对线性区中的效率控制度不够。造成了大功率情况下效率高，小功率条件下效率低的缺点。

另外在有些宽带放大器中，对电压的调节主要集中在栅极电源上。并且调整电压的方式是采取纯硬件的方式进行(类似反馈)。这造成了电压调整方式单一，末级放大器输出增益波动较大，出现调整不准确的情况。故如何实现宽带高效率放大器是急需解决的问题。

技术实现要素：

发明所要解决的课题是，克服现有技术的不足，解决功率放大器在宽带工作时效率不高的问题。提出一种宽带高效率功率放大器，能够使得大部分放大器在宽带，小功率输出等情况下效率不足的问题得到较好的改善。

用于解决课题的技术手段是，本实用新型提出一种宽带高效率功率放大器，调整栅极漏极电压，使整个电路输出最大的效率。

本实用新型提出的一种宽带高效率功率放大器，包括宽带射频电路和功率控制电路，其中宽带射频电路包括驱动放大器和末级放大器、耦合器，所述功率控制电路包括检波电路、A/D转换电路、控制电路、电流检测电路、D/A转换电路、调整电路；将输入信号经驱动放大器输入末级放大器放大后输出，经耦合器输出耦合电压信号；所述检波电路对耦合电压信号采集得到检波信号，并经A/D转换电路转换成检波数字信号后输入控制电路；所述控制电路根据电流检测电路检测的末级放大器输出电流和检波数字信号，计算得到高效率值所对应的末级放大器栅极和漏极电压值并据此生成数字控制信号，且经D/A转换电路转换成模拟控制信号，由调整电路根据模拟控制信号分别对末级放大器的栅极和漏极电压进行调整。

进一步地，作为本实用新型的一种优选技术方案，所述功率控制电路还包括用于对输入信号进行补偿的增益补偿电路。

进一步地，作为本实用新型的一种优选技术方案，所述控制电路包括控制器和存储器。

进一步地，作为本实用新型的一种优选技术方案，所述控制电路采用FPGA控制芯片。

发明效果为：

本实用新型的宽带高效率功率放大器，相较于传统的电压调节，本实用新型不单单对放大器工作的栅极电压进行控制调整，还对和效率最相关的漏极电压进行同步调节，通过对外围控制电路的设计，将输出功率，效率做了平衡分析，确保在功率一定的情况下，调整栅极，漏极电压，使整个电路输出最大的效率。通过功率控制电路实现了对比出在输出功率一定的情况下，效率高点对应的栅极电压和漏极电压的值。让放大器在该电压值下进行工作。此时，功率放大器会一直工作在高效率状态下，达到宽带放大器高效率设计的目的。可满足民用，军用领域产品对放大发射部组件的高效率要求。

附图说明

图1为本实用新型宽带高效率功率放大器的结构示意图。

图2为本实用新型L波段下增益及稳定性示意图。

图3为传统未加入功率控制电路的仿真输出功率及对应的效率曲线图。

图4为本实用新型加入功率控制电路的仿真输出功率及对应的效率曲线图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本实用新型进行详细地说明。

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由实用新型人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“控制电路”的引用包括硬件控制，软件控制或单一硬件，单一软件，软硬件结合的引用。

如图1所示，本实用新型设计了一种宽带高效率功率放大器，主要包括宽带射频电路和功率控制电路。本实施例可以基于Load-pull/Soure-pull设计了一款L波段的功率放大器。

所述宽带射频电路包括驱动放大器和末级放大器、耦合器，所述功率控制电路包括检波电路、A/D转换电路、控制电路、电流检测电路、D/A转换电路、调整电路。还包括用于对输入信号进行补偿的增益补偿电路。

具体地，将输入信号经驱动放大器输入末级放大器，所述末级放大器对输入信号放大后输出至耦合器，由耦合器输出耦合电压信号；所述检波电路对耦合电压信号采集得到检波信号，并经A/D转换电路转换成检波数字信号后输入控制电路；所述控制电路根据电流检测电路检测的末级放大器输出电流和检波数字信号，计算得到高效率值所对应的末级放大器栅极和漏极电压值并据此生成数字控制信号，且经D/A转换电路转换成模拟控制信号，由调整电路根据模拟控制信号分别对末级放大器的栅极和漏极电压进行调整。且可以根据模拟控制信号对增益补偿电路进行控制。

所述宽带射频电路，基于宽带信号匹配的常规方式进行，和常规方式有所区别的是将常规方式中选择的功率点阻抗变为选择负载点阻抗。确定下来源阻抗和负载阻抗中对应最大效率阻抗点。通过对该阻抗的史密斯原图的阻抗变换，在考虑到宽带宽高效率的前提下，导出输出，并输入微带线提供于后续设备。宽带射频电路可采用单管输入匹配和输出匹配单独匹配的方式进行，在合并放大器模型进行总的宽带匹配工作。所述功率控制电路，基于射频放大电路中的输出耦合的信号来进行调整，控制等工作。其主体可以由硬件单独构成，目的就是对功率放大器的输出耦合信号进行检测分析，达到控制功率放大器栅压和漏压电压的目的，以此来提升整个放大器电路的工作效率。其中，控制电路可以包括控制器和存储器，集成了类似FPGA控制芯片,ARM存储器等高速芯片。对A/D转换电路中的检波信号进行计算，存储，比较等较高复杂程度的计算。对比出在输出功率一定的情况下，效率高点对应的栅极电压和漏极电压的值。让功率放大器在该电压值下进行工作。此时，放大器会一直工作在高效率状态下。达到宽带放大器高效率设计的目的。

基于上述结构，本实用新型的工作原理如下：

当设计类似一个L波段8W的宽带功率放大器，+28V供电。当将输入信号经宽带射频电路的驱动放大器输入末级放大器，末级放大器对输入信号放大后输出至耦合器，由耦合器输出耦合电压信号。当最大输出为8W功率时，检测到此时的输出耦合电压为Max V，此时，将该电压值输入到功率控制电路中。首先，检波电路对耦合电压信号采集得到检波信号，并经A/D转换电路转换成检波数字信号后输入控制电路，控制电路标定该值为最大输出检波电压值。控制电路记录下该检波电压下，输出的栅极电压和漏极电压，并将该电压分别设定为其初始参考值存储到ROM中。同时控制电路通过调整栅极电压和漏极电压的值，再检测记录下输入的检波电压。在保证检波电压不变的情况下，调整栅极和漏极电压，设定末级放大器的栅极电压为A1，漏极电压为B1,经过电流检测电路得出此时输出电流为C1。忽略输入信号，此时末级效率＝Pout/B1*C1，控制电路中存储器记录下该状态值为η1。通过对A1，B1的快速调整会产生A1，A2……An，B1，B2……Bn,C1，C2……Cn,η1，η2……ηn。通过带入预设公式可计算得出最大时的ηn对应的A1，B1。由此，计算得到高效率值所对应的末级放大器栅极和漏极电压值A1，B1并据此生成数字控制信号，且经D/A转换电路转换成模拟控制信号，由调整电路分别对末级放大器的栅极和漏极电压进行调整至A1，B1。通过电压调节将放大器电压设置在高效率值，达到高功率输出条件下效率高效设计的目的。

当功率放大器的输出功率没到要求输出8W时，检测到此时宽带射频电路输出的耦合电压为M V，由于该电压值为超出最大耦合电压Max V，末级放大器的漏极控制电压调整电路将不会被调整。唯一调整的是末级放大器的栅极电压。设定此时的栅极电压为a1,漏极电压不进行改变。经过电流检测电路得出此时末级放大器的输出电流为c1。忽略输入信号，此时末级效率＝Pout/28*c1，控制电路中存储器记录下该状态值为θ1。通过对a1的快速调整会产生a1，a2……an，c1，c2……cn，θ1，θ2……θn。通过带入预设公式可计算得出最大时的ηn对应的a1。由此，计算得到状态值所对应的末级放大器栅极电压a1，并据此生成数字控制信号，且经D/A转换电路转换成模拟控制信号，由调整电路分别对末级放大器的栅极调整至a1。通过电压调节将放大器电压设置在高效率值，达到低功率输出条件下效率高效设计的目的。

上述末级放大器的栅极和漏极电压调整可以是正压调节，也可是负压调节，根据实际使用的功率放大器供电电压确定。

如图2所示，给出本实用新型的功率放大器在L波段下增益及稳定性示意图，通过本实用新型的控制，实现了对末级放大器的栅极电压和漏极电压实时调整，以提高输出效率，增强了增益补偿和放大器的稳定性能。

如图3所示，为传统未加入功率控制电路的仿真输出功率及对应的效率曲线图，如图4所示，为本实用新型加入功率控制电路的仿真输出功率及对应的效率曲线图。对比图3和图4可以获知，传统方式造成了电压调整方式单一，末级放大器输出增益波动较大，出现调整不准确的情况；而本实用新型通过对放大器工作的栅极电压和漏极电压进行同步调节，确保在功率一定的情况下，调整栅极，漏极电压，使整个电路输出最大的效率，并且确保无论功率输出的大小，都处于较高的工作效率之下。

本实用新型中均采用电子硬件模块，利用现有技术中公知的技术采集、传输、转换和处理、输出。并未对电子硬件模块本身作出改进，也未还有特定的方法流程。本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的电路上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

以及，需要说明的是，以上说明仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本实用新型技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本实用新型的保护范围内。