用于子阵波束成形系统的功放电路和子阵波束成形系统的制作方法

本申请涉及通信技术，尤其涉及一种用于子阵波束成形系统的功放电路和子阵波束成形系统。

背景技术：

为了满足第五代新无线电(5-generationnewradio，简称：5gnr)数据速率和通信容量高速增长的需求，越来越多的研究表明子阵波束成形系统由于具有出色的性能、低功耗和低硬件复杂度等优点而被考虑用于克服5gnr中自由损耗大的问题。

在子阵波束成形系统中，为了满足系统有效全向辐射功率(effectiveisotropicradiatedpower，简称：eirp)的要求，通常每一个子阵列天线配置一个功率放大器，因此在整个系统中包含很多功率放大器，而为了保证系统的可靠性和散热效率，高效率功放是必不可少的。传统的子阵波束成形系统中采用ab类功放，为了保证系统的高线性度要求，功放必须在深功率回退区工作，但是ab类功放在功率回退区内效率非常低。

技术实现要素：

本申请提供一种用于子阵波束成形系统的功放电路和子阵波束成形系统，以提高子阵波束成形系统的功放效率。

第一方面，本申请提供一种用于子阵波束成形系统的功放电路，子阵波束成形系统包括多个发射通道，发射通道包括依次连接的信号预处理模块、第一数模转换器、射频链路及子阵模块，子阵模块包括至少一个天线阵列模块；功放电路包括多个功放子电路，功放子电路包括依次连接的包络信号生成电路、电源调制模块及功放单元，功放单元包括至少一个功率放大器；多个功放子电路与多个发射通道一一对应；针对各个发射通道，对应功放子电路中的包络信号生成电路的输入端连接至发射通道中的连接点，连接点设置于信号预处理模块的输出端、第一数模转换器的输出端或者射频链路的输出端，对应功放子电路中的至少一个功率放大器分别设置于发射通道中的各天线阵列模块的输入端；其中，发射通道上的信号预处理模块对预编码后的基带信号进行预处理后传输至连接的第一数模转换器和对应功放子电路上的包络信号生成电路，第一数模转换器将预处理后的基带信号转换为模拟信号后传输至连接的射频链路，射频链路对模拟信号进行上变频、信号放大及滤波处理后生成射频调制信号并传输至至少一个天线阵列模块，包络信号生成电路根据预处理后的基带信号生成包络信号后传输至连接的电源调制模块，电源调制模块在包络信号的控制下生成跟随包络信号动态变化的输出电压，并将输出电压传输至连接的至少一个功率放大器，功率放大器在输出电压的调制下对射频调制信号进行功率放大，天线阵列模块实现模拟波束成形、信号发射。

本申请中，子阵波束成形系统包括多个并列的发射通道，每一个发射通道包含一个子阵模块，每个子阵模块内包含多路天线阵列模块，一个发射通道对应一个功放子电路，发射通道中子阵模块内一个天线阵列模块对应一个功率放大器，不同发射通道的子阵模块对应的功放单元采用不同的电源调制模块和不同的包络信号生成电路，以实现每个发射通道的功放单元单独包络信号生成，而同一个发射通道的子阵模块内的所有天线阵列模块对应的功率放大器采用相同的电源调制模块和相同的包络信号生成电路，可以根据不同的实际需求，对各发射通道的包络信号进行不同的处理，使包络跟踪功放工作在不同的状态，达到不同的效果，提高了子阵波束成形系统的功放效率，而且整个设计过程中，不需要改动系统的硬件结构，实现最大程度的现有技术兼容。

在一种可能的实现方式中，包络信号生成电路包括依次连接的包络成形模块和第二数模转换器，包络成形模块的输入端与信号预处理模块的输出端连接，第二数模转换器的输出端与电源调制模块的输入端连接。

在一种可能的实现方式中，包络信号生成电路包括包络检波模块，包络检波模块的输入端连接至第一数模转换器的输出端或者射频链路的输出端，包络检波模块的输出端与电源调制模块的输入端连接。

在一种可能的实现方式中，包络信号生成电路还包括依次连接的包络成形模块和第二数模转换器，功放子电路还包括第一开关和第二开关，包络成形模块的输入端与信号预处理模块的输出端连接，第二数模转换器的输出端、包络检波模块的输出端及电源调制模块的输入端之间连接有第一开关，第一开关在第二数模转换器的输出端和包络检波模块的输出端之间切换；第一数模转换器的输出端、射频链路的输出端及包络检波模块的输入端之间连接有第二开关，第二开关在第一数模转换器的输出端和射频链路的输出端之间切换。

第二方面，本申请提供一种子阵波束成形系统，包括：多个发射通道和多个功放子电路，多个功放子电路与多个发射通道一一对应；发射通道包括依次连接的信号预处理模块、第一数模转换器、射频链路及子阵模块，子阵模块包括至少一个天线阵列模块；功放子电路包括依次连接的包络信号生成电路、电源调制模块及功放单元，功放单元包括至少一个功率放大器；针对各个发射通道，对应功放子电路中的包络信号生成电路的输入端连接至发射通道中的连接点，连接点设置于信号预处理模块的输出端、第一数模转换器的输出端或者射频链路的输出端，对应功放子电路中的至少一个功率放大器分别设置于发射通道中的各天线阵列模块的输入端；其中，发射通道上的信号预处理模块对预编码后的基带信号进行预处理后传输至连接的第一数模转换器和对应功放子电路上的包络信号生成电路，第一数模转换器将预处理后的基带信号转换为模拟信号后传输至连接的射频链路，射频链路对模拟信号进行上变频、信号放大及滤波处理后生成射频调制信号传输至至少一个天线阵列模块，包络信号生成电路根据预处理后的基带信号生成包络信号后传输至连接的电源调制模块，电源调制模块在包络信号的控制下生成跟随包络信号动态变化的输出电压，并将输出电压传输至连接的至少一个功率放大器，功率放大器在输出电压的调制下对射频调制信号进行功率放大，天线阵列模块实现模拟波束成形、信号发射。

本申请中，子阵波束成形系统可以采用相移子阵结构、固定子阵结构或者相移固定子阵结构的子阵模块，每一个发射通道包含一个子阵模块，每个子阵模块内包含多路天线阵列模块，一个发射通道对应一个功放子电路，发射通道中子阵模块内一个天线阵列模块对应一个功率放大器，不同发射通道的子阵模块对应的功放单元采用不同的电源调制模块和不同的包络信号生成电路，以实现每个发射通道的功放单元单独包络信号生成，而同一个发射通道的子阵模块内的所有天线阵列模块对应的功率放大器采用相同的电源调制模块和相同的包络信号生成电路，可以根据不同的实际需求，对各发射通道的包络信号进行不同的处理，使包络跟踪功放工作在不同的状态，达到不同的效果，提高了子阵波束成形系统的功放效率，而且整个设计过程中，不需要改动系统的硬件结构，实现最大程度的现有技术兼容。

在一种可能的实现方式中，包络信号生成电路包括依次连接的包络成形模块和第二数模转换器，包络成形模块的输入端与信号预处理模块的输出端连接，第二数模转换器的输出端与电源调制模块的输入端连接。

在一种可能的实现方式中，包络信号生成电路包括包络检波模块，包络检波模块的输入端连接至第一数模转换器的输出端或者射频链路的输出端，包络检波模块的输出端与电源调制模块的输入端连接。

在一种可能的实现方式中，包络信号生成电路还包括依次连接的包络成形模块和第二数模转换器，功放子电路还包括第一开关和第二开关，包络成形模块的输入端与信号预处理模块的输出端连接，第二数模转换器的输出端、包络检波模块的输出端及电源调制模块的输入端之间连接有第一开关，第一开关在第二数模转换器的输出端和包络检波模块的输出端之间切换；第一数模转换器的输出端、射频链路的输出端及包络检波模块的输入端之间连接有第二开关，第二开关在第一数模转换器的输出端和射频链路的输出端之间切换。

在一种可能的实现方式中，子阵模块还包括至少一个移相器，一个移相器的输出端连接对应功放子电路中的一个功率放大器。

在一种可能的实现方式中，子阵模块还包括一个移相器，移相器的输出端连接对应功放子电路中的至少一个功率放大器。

在一种可能的实现方式中，还包括：基带预编码模块，基带预编码模块的输出端与各个发射通道上的信号预处理模块的输入端连接。包括：

附图说明

图1为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例一的结构示意图；

图2为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例二的结构示意图；

图3为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例三的结构示意图；

图4为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例四的结构示意图；

图5为本申请子阵波束成形系统实施例一的结构示意图；

图6为本申请子阵波束成形系统实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例一的结构示意图，如图1所示，子阵波束成形系统包括多个发射通道(11、……和1n)，功放电路包括多个功放子电路(21、……和2n)，每个发射通道对应设置一条功放子电路(即发射通道11和功放子电路21对应，……，发射通道1n和功放子电路2n对应)，功放子电路用于对与其对应的发射通道进行功率放大处理。

示例性的，发射通道11包括依次连接的信号预处理模块31、第一数模转换器(digitalanalogconverter，简称：dac)41、射频链路51及子阵模块，子阵模块包括至少一个天线阵列模块(611、……和61m)。功放子电路21包括依次连接的包络信号生成电路71、电源调制模块81及功放单元，功放单元包括至少一个功率放大器(911、……和91m)。每个天线阵列模块对应设置一个功率放大器(即天线阵列模块611和功率放大器911对应，……，天线阵列模块61m和功率放大器91m对应)。包络信号生成电路71的输入端连接至信号预处理模块31的输出端，功率放大器911设置于天线阵列模块611的输入端，……，功率放大器91m设置于天线阵列模块61m的输入端。可选的，包络信号生成电路71的输入端还可以连接至第一数模转换器41的输出端或者射频链路51的输出端。发射通道11上的信号预处理模块31对预编码后的基带信号进行预处理，其可以采用削峰(crestfactorreduction，简称：cfr)，数字预失真(digitalpre-distortion，简称：dpd)、时间对齐等算法实现，信号预处理模块31将预处理后的基带信号传输至连接的第一dac41和对应功放子电路21上的包络信号生成电路71。第一dac41将预处理后的基带信号转换为模拟信号后传输至连接的射频链路51。射频链路51对模拟信号进行上变频、信号放大及滤波处理后生成射频调制信号传输至天线阵列模块611、……和61m。包络信号生成电路71可以实现发射通道11上子阵模块中的所有天线阵列模块(611、……和61m)共用的包络信号的产生，包络信号生成电路71根据预处理后的基带信号生成包络信号后传输至连接的电源调制模块81。电源调制模块81实现功放单元的供电电压的包络跟随，在包络信号的控制下生成跟随包络信号动态变化的输出电压，并将动态变化的输出电压传输至连接的功率放大器911、……和91m，即其漏极(或集电极)作为漏极(或集电极)电压。功率放大器911在动态变化的输出电压(即漏极(或集电极)电压)的调制下对输送给连接的天线阵列模块611的射频调制信号进行放大处理，……，功率放大器91m在动态变化的输出电压(即漏极(或集电极)电压)的调制下对输送给连接的天线阵列模块61m的射频调制信号进行放大处理。天线阵列模块611、……和61m实现模拟波束成形、信号发射。本申请相较于基于恒定电压供电的功放技术，所有功率放大器都工作在包络跟踪模式下，因此极大提升了系统功放的平均效率。

其他发射通道的结构与发射通道11的结构类似，此处不再赘述。本申请中不同发射通道对应的包络信号生成电路可以根据系统的要求选择不同的包络成形算法，继而各发射通道可以采用不全相同的包络信号来控制电源调制模块生成跟随包络信号动态变化的输出电压，实现不同发射通道上的不同功率放大，从而达到性能的最优化。

本申请中，子阵波束成形系统包括多个并列的发射通道，每一个发射通道包含一个子阵模块，每个子阵模块内包含多路天线阵列模块，一个发射通道对应一个功放子电路，发射通道中子阵模块内一个天线阵列模块对应一个功率放大器，不同发射通道的子阵模块对应的功放单元采用不同的电源调制模块和不同的包络信号生成电路，以实现每个发射通道的功放单元单独包络信号生成，而同一个发射通道的子阵模块内的所有天线阵列模块对应的功率放大器采用相同的电源调制模块和相同的包络信号生成电路，可以根据不同的实际需求，对各发射通道的包络信号进行不同的处理，使包络跟踪功放工作在不同的状态，达到不同的效果，提高了子阵波束成形系统的功放效率，而且整个设计过程中，不需要改动系统的硬件结构，实现最大程度的现有技术兼容。

以下以功放子电路21为例，对图1所示用于子阵波束成形系统的功放电路的技术方案进行详细说明。

图2为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例二的结构示意图，如图2所示，包络信号生成电路包括依次连接的包络成形模块711和第二dac712，包络成形模块711的输入端与信号预处理模块31的输出端连接，第二dac712的输出端与电源调制模块81的输入端连接。

本申请中，包络成形模块711可以在数字域内实现每一个发射通道上子阵模块共用包络信号的产生，不同发射通道对应的包络信号生成电路可以根据系统的要求选择不同的包络成形算法，从而达到性能的最优化，第二dac712将数字包络信号转换为模拟包络信号。信号预处理模块31通常采用cfr，dpd等算法对基带信号进行预处理，然后再结合包络成形模块711中的包络成形算法，实现数字包络信号的产生，然后由第二dac712转换成模拟包络信号。本申请可以通过在基带采用时间对齐算法，实现包络信号和发射通道上的射频信号的时间对齐，从而在数字域，一方面省去了延迟线和模拟包络检波，另一方面降低了包络调制器的设计要求，将大部分包络信号处理转移到数字基带中，具有更大的灵活性。

图3为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例三的结构示意图，如图3所示，包络信号生成电路包括包络检波模块713，包络检波模块713的输入端可以连接至第一dac41的输出端，可选的，包络检波模块713的输入端还可以连接至射频链路51的输出端，包络检波模块713的输出端与电源调制模块81的输入端连接。

本申请中，由于在发射通道上的任何位置都有包络信号，因此可以在发射通道的不同位置设置包络检波模块713，包络检波模块713直接产生模拟包络信号，其容易实现，无需额外的基带算法和dac，可以直接供电源调制模块使用。

图4为本申请用于子阵波束成形系统的功放电路实施例四的结构示意图，如图4所示，包络信号生成电路是图2和图3所示包络信号生成电路的结合，其包括包络成形模块711、第二dac712和包络检波模块713，功放子电路21还包括第一开关101和第二开关111，包络成形模块711的输入端与信号预处理模块31的输出端连接，第二dac712的输出端、包络检波模块713的输出端及电源调制模块81的输入端之间连接有第一开关101，第一开关101在第二dac712的输出端和包络检波模块713的输出端之间切换；第一dac41的输出端、射频链路51的输出端及包络检波模块713的输入端之间连接有第二开关111，第二开关111在第一dac41的输出端和射频链路51的输出端之间切换。

本申请中，如果要如图2所示的产生数字包络信号，则通过第一开关101连通第二dac712的输出端和电源调制模块81的输入端，如果要如图3所示的产生模拟包络信号，则通过第一开关101连通包络检波模块713的输出端和电源调制模块81的输入端，通过第二开关111在第一dac41的输出端和射频链路51的输出端之间切换。借由第一开关101和第二开关111可以实现数字域和模拟域包络信号的切换，还可以实现发射通道上不同位置的包络检波，方便且灵活。

在一种可能的实现方式中，本申请提供一种子阵波束成形系统，该系统的结构可以如图1所示，其包括功放电路，该功放电路可以采用图1-图4任一所示的功放电路结构。子阵波束成形系统中的子阵模块可以采用于固定子阵结构、相移子阵结构或相移固定子阵结构等。以下以发射通道11和功放子电路21为例，对图1所示子阵波束成形系统的技术方案进行详细说明。

图5为本申请子阵波束成形系统实施例一的结构示意图，如图5所示，该系统基带预编码模块131，该基带预编码模块131的输出端与发射通道11、……和1n上的信号预处理模块的输入端连接，其实现对信息流进行数字预编码处理。发射通道11的子阵模块还包括至少一个移相器1211、……和121m，移相器1211的输出端连接功率放大器911，……，移相器121m的输出端连接功率放大器91m。

本申请中，子阵波束成形系统采用相移子阵结构的子阵模块，每一个发射通道包含一个子阵模块，每个子阵模块内包含多路天线阵列模块，一个发射通道对应一个功放子电路，发射通道中子阵模块内一个天线阵列模块对应一个功率放大器，不同发射通道的子阵模块对应的功放单元采用不同的电源调制模块和不同的包络信号生成电路，以实现每个发射通道的功放单元单独包络信号生成，而同一个发射通道的子阵模块内的所有天线阵列模块对应的功率放大器采用相同的电源调制模块和相同的包络信号生成电路，可以根据不同的实际需求，对各发射通道的包络信号进行不同的处理，使包络跟踪功放工作在不同的状态，达到不同的效果，提高了子阵波束成形系统的功放效率，而且整个设计过程中，不需要改动系统的硬件结构，实现最大程度的现有技术兼容。

图6为本申请子阵波束成形系统实施例二的结构示意图，如图6所示，发射通道11的子阵模块还包括一个移相器121，该移相器121的输出端连接功率放大器911，……和91m。

本申请中，子阵波束成形系统采用相移固定子阵结构的子阵模块，每一个发射通道包含一个子阵模块，每个子阵模块内包含多路天线阵列模块，一个发射通道对应一个功放子电路，发射通道中子阵模块内一个天线阵列模块对应一个功率放大器，不同发射通道的子阵模块对应的功放单元采用不同的电源调制模块和不同的包络信号生成电路，以实现每个发射通道的功放单元单独包络信号生成，而同一个发射通道的子阵模块内的所有天线阵列模块对应的功率放大器采用相同的电源调制模块和相同的包络信号生成电路，可以根据不同的实际需求，对各发射通道的包络信号进行不同的处理，使包络跟踪功放工作在不同的状态，达到不同的效果，提高了子阵波束成形系统的功放效率，而且整个设计过程中，不需要改动系统的硬件结构，实现最大程度的现有技术兼容。

需要说明的是，图1、图5和图6所示的子阵波束成形系统中的功放电路可以采用图1-图4中任一所示的功放电路的结构，本申请对此不做具体限定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。