高效率功率放大器及其实现方法.pdf

本发明公开一种高效率功率放大器，包括级联的至少两级功放管，两级功放管依次对信号进行推进放大，该功率放大器还包括：耦合电路，从末级的功放管所输出的射频信号中耦合一路射频信号；功率检测电路，用于从所述耦合所得的射频信号中提取与功率大小相关的功率电压值；控制模块，对应所述功率电压值计算出至少一个功放管中将要进行重设的栅极电压值，依据该栅极电压值在相应的功放管的栅极施加电压。相应地，本发明还公开这种功率放大器的实现方法。本发明克服了现有功率放大器低输出功率处效率低下的缺点，使整体效率提高5％左右；此外，本发明还采取增益补偿的方式对功率放大器的效率进行强化；同时保持较低的成本。

1、  一种高效率功率放大器，包括级联的至少两级功放管，两级功放管依次对信号进行推进放大，其特征在于该功率放大器还包括：
耦合电路，从末级的功放管所输出的射频信号中耦合一路射频信号；
功率检测电路，用于从所述耦合所得的射频信号中提取与功率大小相关的功率电压值；
控制模块，对应所述功率电压值计算出至少一个功放管中将要进行重设的栅极电压值，依据该栅极电压值在相应的功放管的栅极施加电压。

2、  根据权利要求1所述的高效率功率放大器，其特征在于：所述控制模块存储至少一个主映射关系表格，该主映射关系表格表征所述功率电压值与至少一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系，供直接对应功率电压值使用栅极电压值。

3、  根据权利要求2所述的高效率功率放大器，其特征在于：所述控制模块存储的主映射关系表格的个数与功放管的级数相等，主映射关系表格表征所述功率电压值与其中一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系。

4、  根据权利要求1至3中任意一项所述的高效率功率放大器，其特征在于：所述控制模块与至少一个功放管之间串接有控制接口电路，该控制接口电路对控制模块所输出的电压实施稳压和整型，以便输出稳定的电压至相应的功放管。

5、  根据权利要求4所述的高效率功率放大器，其特征在于：该功率放大器还包括增益补偿电路，该控制模块根据所述功率电压值计算出增益补偿值，该增益补偿电路依据该增益补偿值对输入首级功放管的信号进行增益补偿。

6、  根据权利要求5所述的高效率功率放大器，其特征在于：所述控制模块还储存表征所述功率电压值与增益补偿值的辅映射关系表格，供直接对应功率电压值使用增益补偿值。

7、  根据权利要求6所述的高效率功率放大器，其特征在于：所述控制模块包括控制芯片、A/D变换器和D/A变换器，A/D变换器串接于控制芯片与所述功率检测电路之间，用于将所述功率检测电路检测出的功率电压值转换为数字信号并传输至控制芯片；控制芯片存储所述具有主、辅映射关系表格，并负责对应所述功率电压值计算出相应的栅极电压值和增益补偿值；所述D/A变换器串接于控制芯片与各功放管/增益补偿电路之间，将所述栅极电压值/增益补偿值转换为模拟信号并传输至相应的功放管/增益补偿电路。

8、  根据权利要求7所述的高效率功率放大器，其特征在于：所述控制芯片为单片机、DSP、FPGA和ARM中任意一种。

9、  一种高效率功率放大器的实现方法，其特征在于包括如下步骤：
1)耦合功率放大器自身输出的射频信号；
2)从耦合而得的射频信号中提取其功率电压值；
3)以功率电压值与至少一个功放管的栅极电压值的对应关系计算该相应的功放管将要进行重设的栅极电压值；
4)以该栅极电压值为基准，重置相应的功放管的栅极电压。

10、  根据权利要求9所述的高效率功率放大器的实现方法，其特征在于：功率电压值与栅极电压值已以主映射关系表格的形状被预设。

11、  根据权利要求9或10所述的高效率功率放大器的实现方法，其特征在于其还包括步骤：
5)以功率电压值计算对功率放大器自身的增益补偿值并实施增益补偿。

12、  根据权利要求11所述的高效率功率放大器的实现方法，其特征在于：功率电压值与增益补偿值已以辅映射关系表格的形状被预设。

高效率功率放大器及其实现方法
【技术领域】
本发明涉及移动通信系统中功率放大器的设计领域，尤其涉及一种高效率功率放大器及其实现方法。
【技术背景】
近年来，随着3G网络的大规模建设，为了降低CAPEX(设备投资)和OPEX(运营成本)，功率放大器效率的提高越来越成为运营商关注的焦点。功率放大器的核心问题是线性化和高效率，因此，新一代功率放大器线性化技术数字预失真(DPD)技术得到了极大的发展。而增强效率的技术发展相对比较滞后，可以提高功率放大器效率的技术常见的有：Doherty技术、包络跟踪(Envelope tracking)、包络消除再生技术(Envelope eliminationrestoration)、自适应偏置技术(adaptive bias)、峰值减小技术(Crest factorreduction)等。更高的效率不仅能够为运营商节省电费，还能节省电源等配套设施的投资，而且由于生产工艺的简化，降低了整机散热的要求，增加设备稳定性，使网络性能更好。
在功率放大器中，功率管的栅压作为一个可控制参数，它对功率放大器的效率起着举足轻重的作用。目前常见的栅压控制技术主要有两种：
第一种栅压控制技术采用的方案是：在功率放大器最大输出功率处，调整栅压，使功率放大器效率达到最大，并固定该栅压值。在这种技术中，固定的栅压值只保证了功率放大器在最大输出功率处效率最高，但是当功率放大器输出功率减小时，效率会很快降低。而功率放大器在实际工程应用中，功率放大器大部分工作时间在低输出功率处，这就导致了功率放大器在低输出功率时，浪费了大量的能源。
第二种栅压控制技术采用的方案是：如图1所示的原理图中，功率放大器的栅压控制电路采用模拟电路搭建，使功率放大器中放大管的栅压值随着输入功率变化而变化，从而提高功率放大器低输出功率处效率。这种方法中，采用和输入功率有关的栅压控制电路，虽然提高了功率放大器在低输出功率时效率，但是由于采用纯硬件的栅压控制电路，会导致功率放大器中末级功放管增益发生很大的波动，不能够增益补偿，而为了使增益波动满足系统指标，就必须牺牲功率放大器效率，因此效率提高有限。另外，由于一般功率放大器都是由几级功放管组成，而对效率起决定作用的是末级功放管，把输入功率作为栅压控制电路的参考量，在实际使用中不够精确，影响到效率提高指标。
【发明内容】
本发明的第一目的就是要克服上述两种栅压控制技术的不足，提高功率放大器的整体效率，而提出一种高效率功率放大器，同时，也作为本发明的第二目的，提供一种高效率功率放大器的实现方法。
为实现所述第一目的，本发明采用如下技术方案：
本发明高效率功率放大器，包括级联的至少两级功放管，两级功放管依次对信号进行推进放大，该功率放大器还包括：
耦合电路，从末级的功放管所输出的射频信号中耦合一路射频信号；
功率检测电路，用于从所述耦合所得的射频信号中提取与功率大小相关的功率电压值；
控制模块，对应所述功率电压值计算出至少一个功放管中将要进行重设的栅极电压值，依据该栅极电压值在相应的功放管的栅极施加电压。
所述控制模块存储至少一个主映射关系表格，该主映射关系表格表征所述功率电压值与至少一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系，供直接对应功率电压值使用栅极电压值。
所述控制模块存储的主映射关系表格的个数与功放管的级数相等，主映射关系表格表征所述功率电压值与其中一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系。
所述控制模块与至少一个功放管之间串接有控制接口电路，该控制接口电路对控制模块所输出的电压实施稳压和整型，以便输出稳定的电压至相应的功放管。
该功率放大器还包括增益补偿电路，该控制模块根据所述功率电压值计算出增益补偿值，该增益补偿电路依据该增益补偿值对输入首级功放管的信号进行增益补偿。
所述控制模块还储存表征所述功率电压值与增益补偿值的辅映射关系表格，供直接对应功率电压值使用增益补偿值。
所述控制模块包括控制芯片、A/D变换器和D/A变换器，A/D变换器串接于控制芯片与所述功率检测电路之间，用于将所述功率检测电路检测出的功率电压值转换为数字信号并传输至控制芯片；控制芯片存储所述具有主、辅映射关系表格，并负责对应所述功率电压值计算出相应的栅极电压值和增益补偿值；所述D/A变换器串接于控制芯片与各功放管/增益补偿电路之间，将所述栅极电压值/增益补偿值转换为模拟信号并传输至相应的功放管/增益补偿电路。
所述控制芯片为单片机、DSP、FPGA和ARM中任意一种。
适应本发明的第二目的，本发明高效率功率放大器的实现方法，包括如下步骤：
1)耦合功率放大器自身输出的射频信号；
2)从耦合而得的射频信号中提取其功率电压值；
3)以功率电压值与至少一个功放管的栅极电压值的对应关系计算该相应的功放管将要进行重设的栅极电压值；
4)以该栅极电压值为基准，重置相应的功放管的栅极电压。
其中，功率电压值与栅极电压值已以主映射关系表格的形状被预设。
此外，还包括步骤5)以功率电压值计算对功率放大器自身的增益补偿值并实施增益补偿。
同理，功率电压值与增益补偿值已以辅映射关系表格的形状被预设。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：本发明克服了现有功率放大器低输出功率处效率低下的缺点，使功率放大器的效率在整体上提高5％左右，不受多级功放管的影响；此外，本发明还采取增益补偿的方式对功率放大器的效率进行强化；同时，在硬件结构上，本发明保持了较低的成本。
【附图说明】
图1为传统的功率放大器的电路原理框图；
图2为本发明高效率功率放大器的电路原理框图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
请参阅图2，本发明高效率功率放大器，具体包括：增益补偿电路8、进行推动的首级功放管11、末级功放管12、控制接口电路71、控制接口电路72、A/D变换器4、D/A变换器61、D/A变换器62、D/A变换器63、MCU控制芯片5、功率检测电路3以及耦合电路2。其中，控制芯片5，A/D变换器4和各D/A变换器61，62，63组合成为本发明所述的控制模块。
工作原理：移动通信射频信号进入功率放大器后，先通过首级功放管11进行预放大，再输出至末级功放管12，经最后放大后，变为放大后的射频信号输出。在射频信号输出端，采用耦合电路2提取一部分信号进入功率检测电路3，功率检测电路3得到和射频信号输出功率有关的功率电压值，进入A/D变换器4，A/D变换器4采样该模拟信号，变为数字信号后，进入MCU控制芯片5，MCU控制芯片5根据数字化的输出功率电压值，采用提高功率放大器效率的栅压控制算法，计算出将要对各个功放管11，12的栅极电压进行重设的各个栅极电压值，把各个栅极电压值分别经过相应的D/A变换器61，62和控制接口电路71，72进行稳压整型等处理后，重置各个相应的功放管12，11的栅极电压，即末级功放管12和首级功放管11的栅极电压，从而提高功率放大器效率，另外，在调整末级功放管12栅极电压时，如果增益发生了变化，则MCU控制芯片5通过D/A变换器63，来控制增益补偿电路8，从而达到整个功率放大器增益补偿的目的。
如下介绍实际操作中本发明高效率功率放大器的实现方法的各个详细处理步骤：
步骤1：射频信号经过天线接收后，进入功率放大器的首级功放管11。这些信号可以是WCDMA、CDMA、TD-SCDMA、WiMax、GSM等等现有制式不同频段射频信号；
步骤2.射频信号经过步骤1的处理后，变为预放大后的信号，此处也可再经一级功放管(未图示)，视具体情况而定；
步骤3：经过步骤2后预放大的信号，进入功率放大器末级功放管12，进行最后放大变为放大后的射频信号输出；
步骤4：步骤3中放大后的射频信号，经过耦合电路2，提取一部分射频信号，进入功率检测电路3，本步骤中的耦合电路2可以采用微带线耦合的方法实现；
步骤5：步骤4中耦合的一部分射频信号进入功率检测电路3，得到与输出功率大小值相关的功率电压值，该部分耦合的射频信号功率值必须保证功率检测电路3中的芯片工作在线性区，具体功率检测电路3实现可以采用AD8362、AD8361、AD8310、AD8312等功率检测芯片；
步骤6：步骤5中得到的与输出功率有关的电压值，经过A/D变换器4，变为数字信号进入MCU控制芯片5；
步骤7：MCU控制芯片5，根据步骤6中得到的与输出功率相关的数字信号，基于预先存储在MCU控制芯片5中的表征功率电压值和末级功放管12的将要进行重设的栅极电压值的主映射关系表格，得到对应的栅极电压值，通过D/A变换器61，变为模拟栅极电压值。此处的MCU可以是单片机、DSP、FPGA、ARM等可编程器件；
步骤8：步骤7得到的模拟栅极电压值经过控制接口电路71进行稳压整型后，控制功率放大器中的末级功放管12重置其栅极电压；
步骤9：步骤7中的MCU控制芯片5，相应的基于预先存储在MCU控制芯片5中的表征功率电压值和首级功放管11的将要进行重设的栅极电压值的另一主映射关系表格，得出首级功放管11的将要进行重设的栅极电压值，经过D/A变换器62，变为模拟的栅极电压值，由于功率放大器中首级功放管11对效率影响很小，这里的栅极电压值可以是一个与输出功率无关的栅极电压值；
步骤10：步骤9中模拟栅极电压值通过控制接口电路72后，控制功率放大器中的推动级即首级功放管11的栅极电压进行重置；
步骤11：步骤8中控制功率放大器中的末级功放管12时，会影响到整个功率放大器增益值，此时MCU控制芯片5根据步骤6中得到的与输出功率相关的数字信号，基于预先存储在MCU中的表征功率电压值和增益补偿值的对应关系的辅映射关系表格，把对应的增益补偿值通过D/A变换器63，变为模拟增益补偿值，控制增益补偿电路8对输入至首级功放管11的信号进行增益补偿，从而达到了整个功率放大器增益补偿的目的；
步骤12：经过以上步骤1至11的过程后，会较大幅度的提高了功率放大器在低输出功率时的工作效率，从而提高功率放大器的整体效率。
另外，步骤7和步骤11分别提到了存储在MCU控制芯片5中的主映射关系表格和辅映射关系表格，这两个表格对本发明所提出的一种提高功率放大器效率装置及实现方法至关重要。尽管步骤9提到的推动级功放管的栅极电压与功率无关，但是本发明并不排除在末级功放管12的前置功放管应用主映射关系表格的可能性。此外，对于同一功放管的同一主映射关系表格，其数量也不局限于一张，可通过设置两张完全相同的主映射关系表格进行备份，以防止控制芯片5出现逻辑或物理损坏时可立即启动新的主映射关系表格。同理，对于多个功放管的不同主映射关系表格也可进行合并，将其合并于同一主映射关系表格中。
本发明所提出的高效率功率放大器及其实现方法，能够大大提高现有功率放大器的整体工作效率，具有较广阔的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。