一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法技术

本发明专利技术公开一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法，通过对射频功率放大器的栅‑源电压Vgs的自动控制实现实时调整射频功率放大器的静态工作点，将射频功率放大器的输入信号、输出信号进行耦合后混频、低通滤波，得到直流信号；单片机中的模数转换器实时采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极，实现实时调整射频功率放大器的栅‑源电压Vgs。其采用自动控制方法，实现了附加效率和误差矢量幅度的有效均衡。换言之，在保证输出误差矢量幅度情况下将附加效率调至最高，并且电路结构极为精简，适于广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法
本专利技术涉及射频功率放大器
，特别是一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法。
技术介绍
在无线通信或是雷达系统中，射频功率放大器的能耗一直占比居高不下，且效率偏低。例如，手机中射频功率放大器的能耗占整机的比例高达50％，成为通话时间长短的瓶颈。高阶、多载波和大带宽调制信号引起的高峰均比也导致功率放大器附加效率偏低，如工作在10dB的峰均比条件下的功率放大器按线性回退后的附加效率仅10％左右。为了提升功率放大器的附加效率和降低整机功耗，以及促进绿色通信的发展，业界一方面开发新型材质的器件如宽禁带半导体氮化镓来增加工作带宽和附加效率；另一方面则是采用预失真和包络跟踪的技术来提高附加效率。氮化镓功率放大器主要是优异的散热特性和高电子迁移率，因此其饱和工作点的附加效率高。预失真可分为模拟预失真和数字预失真两种，本质上是基于反馈和补偿的思想，最终将功率放大器的增益线性化，使其能接近饱和点工作，效率因此而提升。包络跟踪在民用手机中应用很普遍，大致原理是在功率放大器输出端耦合后进行幅度、相位检测，在不同的输出功率下配置不同的漏-源极工作电压，从而使得功率放大器在各种输出功率下均能保持较高的附加效率。目前这些解决方式虽取得了不少成效，但也有各自的弊端。氮化镓功率放大器基本都是耗尽型器件，负压偏置，且成本高，价格大约是同等功率硅基功率放大器的8-10倍。因此，它在高速开关切换和成本敏感的应用上难以推广。预失真需要反馈、幅相比较和补偿等，需增加不少的有源器件，特别是数字预失真，离不开下变频器、模数转换器和数字信号处理等单元，功耗和体积无法有效控制和平衡，因而它通常适用于大型基站，在小型化终端应用方面无法施展开来。包络跟踪主要应用于民用手机领域，尽管发射功率不大，但需要快速准确地调整漏‐源电压才能发挥既定作用，严格的电源布局布线要求令不少设计者望而却步。除此之外，漏‐源之间的电流大，电源控制难度也大，这也导致了包络跟踪技术难以推广应用到大功率放大器上。如图1所示，图1中的曲线表征了射频功率放大器的静态电流Id随偏置电压Vgs的关系。在现有的射频功率放大器设计中，通常用分压电阻或者可变电阻器将栅极电压调到一个固定值，比如V3静态电压工作点。这样，静态工作点是固定的，工作状态也是固定的，由于不能灵活地调节静态点，其存在的问题是在某一输出功率点的功放附加效率较高，在其他输出功率的工作点上效率偏低，如图2所示。
技术实现思路
针对射频功率放大器的能耗高且效率偏低的问题，为克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法。其采用自动控制方法，实现了附加效率和误差矢量幅度的有效均衡。换言之，在保证输出误差矢量幅度情况下将附加效率调至最高，并且电路结构极为精简，适于广泛应用。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于，通过对射频功率放大器的栅-源电压Vgs的自动控制实现实时调整射频功率放大器的静态工作点，方法如下：将射频功率放大器的输入信号、输出信号进行耦合后混频、低通滤波，得到直流信号；单片机中的模数转换器实时采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极，实现实时调整射频功率放大器的栅-源电压Vgs。本专利技术在射频功率放大器的不同输出功率下输出不同的栅-源电压Vgs，在射频功率放大器输出大功率信号时调高射频功率放大器的栅‐源电压Vgs，在射频功率放大器输出小功率信号时降低射频功率放大器的栅‐源电压Vgs。作为本专利技术的优选技术方案，本专利技术所述射频功率放大器的栅-源电压Vgs的控制通过模数转换器、数模转换器和运算放大器实现，方法如下：将射频功率放大器的输入信号、输出信号进行耦合后混频、低通滤波，得到直流信号；单片机中的模数转换器采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电阻R1，电阻R1接运算放大器的同相输入端，运算放大器的反相输入端接电阻R3后接地，运算放大器的输出端与运算放大器的反相输入端之间接有电阻R2，运算放大器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极，实现实时调整射频功率放大器的栅-源电压Vgs。所述数模转换器的作用是精密控制输出的电流进而达到输出精密的电压；运算放大器的作用是线性放大来自数模转换器的电压，使其输出的电压范围与射频功率放大器的栅‐源电压Vgs相匹配。电感L1的作用为扼流。作为本专利技术的另一技术方案，本专利技术提供了一种提高射频功率放大器效率的电路，包括输入端、输出端、射频功率放大器、输入端耦合器、输出端耦合器、混频器、单片机，输入端依次连接耦合器和电容C1后接入射频功率放大器的栅极，电源Vcc接电感L2后接射频功率放大器的漏极，射频功率放大器的源极接地，射频功率放大器的漏极接一电容C2后接输出端耦合器以及输出端。输入端耦合器和输出端耦合器将射频功率放大器的输入信号、输出信号分别进行耦合后接入混频器进行混频，混频输出的信号经直流滤波后得到的直流信号输入单片机中自带的模数转换器，模数转换器采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器，数模转换器用于输出相匹配的栅-源电压Vgs，数模转换器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极。其中电感L1的作用为扼流。作为本专利技术的另一技术方案，本专利技术提供的另一种提高射频功率放大器效率的电路，包括输入端、输出端、射频功率放大器、输入端耦合器、输出端耦合器、混频器、单片机以及运算放大器，输入端依次连接耦合器和电容C1后接入射频功率放大器的栅极，电源Vcc接电感L2后接射频功率放大器的漏极，射频功率放大器的源极接地，射频功率放大器的漏极接一电容C2后接输出端耦合器以及输出端。输入端耦合器和输出端耦合器将射频功率放大器的输入信号、输出信号分别进行耦合后接入混频器进行混频，混频输出的信号经直流滤波后得到的直流信号输入单片机中自带的模数转换器，模数转换器采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器，数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电阻R1，电阻R1接运算放大器的同相输入端，运算放大器的反相输入端接电阻R3后接地，运算放大器的输出端与运算放大器的反相输入端之间接有电阻R2，运算放大器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极。其中电感L1的作用为扼流。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：第一，电路中没有价格高昂的氮化镓器件和复杂的反馈控制电路，使用器件少，成本小、功耗低；第二，控制栅极的工作电压低、电流小、设计难度小。相对包络跟踪而言，对布局布线没有特别的要求；第三，模数转换器可精确采集射频功率放大器非线性响应经自混频后落在直流的电压幅度，且采样率要求低，功耗小；第四，数模转换器对栅‐源电压的控制精度高，在任意输出功率下总能找到附加效率和信号质量的最佳平衡点。附图说明图1为射频功率放大器的Id-Vgs典型曲线图；图2是现有技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于，通过对射频功率放大器的栅‑源电压Vgs的自动控制实现实时调整射频功率放大器的静态工作点，方法如下：将射频功率放大器的输入信号、输出信号进行耦合后混频、低通滤波，得到直流信号；单片机中的模数转换器实时采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极，实现实时调整射频功率放大器的栅‑源电压Vgs。

【技术特征摘要】
1.一种提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于，通过对射频功率放大器的栅-源电压Vgs的自动控制实现实时调整射频功率放大器的静态工作点，方法如下：将射频功率放大器的输入信号、输出信号进行耦合后混频、低通滤波，得到直流信号；单片机中的模数转换器实时采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极，实现实时调整射频功率放大器的栅-源电压Vgs。2.根据权利要求1所述的提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于，在射频功率放大器的不同输出功率下输出不同的栅-源电压Vgs，在射频功率放大器输出大功率信号时调高射频功率放大器的栅-源电压Vgs，在射频功率放大器输出小功率信号时降低射频功率放大器的栅-源电压Vgs。3.根据权利要求1所述的提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于，射频功率放大器的栅-源电压Vgs的控制通过模数转换器、数模转换器和运算放大器实现，方法如下：将射频功率放大器的输入信号、输出信号进行耦合后混频、低通滤波，得到直流信号；单片机中的模数转换器采集该直流信号的电压信息并将其与已知的理想值进行比较，比较后的差值提供给单片机中的数模转换器用于输出相匹配的电压，数模转换器的输出端接电阻R1，电阻R1接运算放大器的同相输入端，运算放大器的反相输入端接电阻R3后接地，运算放大器的输出端与运算放大器的反相输入端之间接有电阻R2，运算放大器的输出端接电感L1后接入射频功率放大器的栅极，实现实时调整射频功率放大器的栅-源电压Vgs。4.根据权利要求3所述的提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于，运算放大器型号是ADA4807-1，其静态电流1mA。5.根据权利要求4所述的提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于：射频功率放大器采用Freescale公司的AFT05MS004NT1，其是饱和输出功率为4W的LDMOS器件。6.根据权利要求4所述的提高射频功率放大器效率的自动控制方法，其特征在于：单片机型号是STM32L052x6，其运行功耗为88μA/MHz，单片机自带数模转换器以及模数转换器。7.一种提高射频功率放大器...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹海明，李卫军，汤伟，王桥飞，
申请(专利权)人：湖南智领通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43