高效调制射频放大器制造技术

本发明专利技术提供高效（如，硬限制或开关式）功率放大器的高效功率控制。通过仿效带有有源线性调节器的开关式转换器，降低所需调制的最高频率和开关式ＤＣ－ＤＣ转换器的操作频率之间的差值。线性调节器利用足够带宽控制功率放大器的操作电压，以再现所需的调幅波形。线性调节器抑制输入电压的变化，即使响应应用的控制信号改变输出电压。通过改变功率放大器的操作电压实现调幅。通过允许开关式ＤＣ－ＤＣ转换器改变其输出电压，以致以相对恒定的低电平保持通过线性调节器的电压降落，提高效率。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及RF放大器和信号调制。
技术介绍
在诸如蜂窝电话、寻呼机、无线调制解调器之类的无线通信设备中，非常关心电池寿命。特别地，射频传送消耗大量电源。此类功耗的作用因素是低效功率放大操作。无线通信的典型RF功率放大器的工作效率约为10％。毫无疑问，显著提高放大器效率的低成本技术将满足以上迫切需要。另外，大部分现代数字无线通信设备靠分组来运行。亦即，以一个或多个短脉冲串的形式发送传送的信息，其中发射机只在脉冲时间期间起作用，而在所有其他时间内不起作用。因此，需要以能源有效的方式控制脉冲触发和停止的控制，以便进一步延长电池寿命。将功率放大器划分为不同组甲类、乙类、甲乙类等。不同种类的功率放大器通常表示不同的偏压条件。在设计RF功率放大器时，通常在线性和效率之间进行折衷。不同种类的放大器操作为设计者提供平衡以上两个参数的不同方式。一般而言，将功率放大器划分为两种不同类别线性和非线性。线性放大器(如，甲类放大器和乙类推挽放大器)保持较高的线性度，导致在其输出端忠实再现输入信号，其原因在于输出信号与输入信号成线性比例。在非线性放大器(如，单端乙类和丙类放大器)中，输出信号不与输入信号成正比。输出信号上产生的振幅失真使得这些放大器非常适合没有振幅调制的信号(也称为恒定包络信号)。放大器输出效率定义为RF输出功率和输入(DC)功率之间的比率。功率放大器效率低的主要原因是在晶体管中耗散的功率。甲类放大器是低效的，原因在于电流连续不断地通过设备。按照惯例，为了增加效率，通过折衷线性度而提高效率。例如，在乙类放大器中，选择偏压条件以至在一半周期内切断输出信号，除非第二晶体管提供另一半(推挽)。因此，波形的线性度更低。通过使用储能电路或其他过滤器过滤较高和较低频率部分，仍能使输出波形为正弦波形。丙类放大器在不足50％的周期内导通，以便进一步提高效率；即，如果输出电流的导通角小于180度，则该放大器称为丙类放大器。以上操作模式的效率大于甲类或乙类放大器的效率，但通常其失真大于甲类或乙类放大器。在丙类放大器的情况中，当改变输入振幅时，输出振幅仍然有变化。其原因在于丙类放大器起恒定电流源作用—即使是一个短暂的电流源—而不是一个开关。其他种类的放大器通过仅仅使用晶体管作为开关，有利解决晶体管内的功率耗散。此类放大器的基本原理在于，理论上开关不消耗电源，因为或者零电压或者零电流通过。因为开关的V-I乘积总是零，所以该设备中没有耗散。戊类功率放大器使用一个晶体管，相反，丁类功率放大器使用两个晶体管。然而，实际上，开关并不完美。(开关具有开/关时间和接通电阻。)有关耗散降低效率。因此，现有技术一直寻找修改所谓“开关式”放大器(其中激励晶体管作为符合操作频率的开关，以便在晶体管导通电流时将耗散的功率降到最低程度)方法，以致在瞬间转换的非零时间间隔内开关电压为零，从而降低功率耗散。戊类放大器使用电抗输出网络，后者提供对开关电压进行整形的足够自由度，以便在开关接通时具有零值和零斜度，从而降低开关损耗。己类放大器是更进一步种类的开关式放大器。己类放大器生成比普通正弦波更方的输出波形。通过鼓励在输出网络中生成齐阶谐波(即，x3、x5、x7等)并抑制生成偶阶谐波(即，x2、x4等)，实现输出波形的“方脉冲形成”。图1表示蜂窝电话中使用的已知功率放大器的示例。例如，GSM蜂窝电话必须能够在30dBm的范围内规划输出功率。另外，必须准确控制发射机的接通和断开开工文件，以防止乱真发射。经由DAC(数模转换器)，由蜂窝电话的DSP(数字信号处理器)直接控制功率。在图1的电路中，信号GCTL驱动外部AGC放大器的栅极，后者将RF电平控制到功率放大器。经由定向耦合器反馈部分输出，用于闭环操作。图1的放大器不是开关式放大器。相反地，该放大器最多为进入饱和状态的甲乙类放大器，因此证明比较低的效率。图2表示美国专利3,919,656说明的已知戊类功率放大器的示例。通过导线1将RF输入信号连接到激励器2，后者经由通过导线3连接的信号控制有源设备5。实质上，当激励器2适当激励时，有源设备5作为一个开关。因此，将有源设备的输出端口表示为一个单刀单掷开关6。通过开关6串联组合DC电源7和负载网络9的输入端口。将负载网络9的输出端口连接到负载11。当按照所需的AC输出频率循环操作开关6时，以开关频度(以及其谐波)，将电源7的DC能量转换为AC能量。申请人为Sokal等的美国专利3,900,823说明了戊类功率放大器的反馈控制。需要反馈控制暗示不能完全表现设备特性，这又暗示实际背离作为真正开关的设备的操作。Sokal还说明了低功率电平的馈通功率控制问题的解决方案通过应用负反馈技术控制RF输入驱动等级，以控制一个或多个前级DC电源。需要反馈控制向系统强加反馈环动力约束。尽管理论上图2的戊类放大器结构能够实现高转换效率，但具有以下缺点，由于阻尼振荡而在有源设备的输出端出现较大的电压摆动。通常超过电源电压3倍的较大电压摆动，妨碍与某些具有低击穿电压的有源设备一起使用戊类电路。为了操作开关式的RF功率放大器，必须以重复方式在切断和全接通然后回到切断之间快速激励输出晶体管。实现上述快速切换的装置依赖于所选择的作为开关的晶体管的种类对于场效应晶体管(FET)，控制参数为栅极源电压，而对于双极晶体管(BJF、HBT)，控制参数为基发射极电流。然而，图2的RF放大器中的激励电路通常包括由调谐(谐振)电路组成的匹配网络。参照图3，在此类结构中，将RF输入信号连接到激励放大器，通常为甲类操作。通过匹配网络，将激励放大器的输出信号连接到开关晶体管(在图3中表示为FET)的控制终端。如同图2所示的负载网络的设计一样，正确设计匹配网络并不是一件易事。各种设计试图改善基础戊类放大器的不同方面。在作者为Choi等的基于物理分析模型的FET戊类功率放大器—最大PAE设计，IEEE微波理论和技术学报，Vol.47，No.9，1999年9月中说明了一种设计。该文献模拟各种非理想的FET开关，并且根据该模型，导出有利于戊类放大器设计的结论。对于选定的拓扑，在低于0.5W的功率电平出现约为55％的最大功率增加效率(PAE)。在较高功率，自动减少PAE，如，在2W时小于30％。根据实现最终输出功率所需的实现最后26dB增益所需的DC电源的数值，设置功率放大器的PAE。(在以上增益电平，通过激励信号输入到放大器的电源—不易测量—变为微不足道。)目前，还没有能够以射频生成1W以上输出功率并且提供至少26dB功率增益的已知放大设备。因此，必须在末级前提供一个或多个放大器，并且在确定全部PAE时必须包括此类放大器消耗的DC电源。常规设计实践要求放大器设计者阻抗匹配激励器输出阻抗与最终开关晶体管的输入阻抗。因此，根据进入开关部件的(通常较低的)有效深入阻抗所需的电压(或电流)，定义激励级需要的实际输出功率。开关晶体管的输入的具体阻抗是不可定义的，原因在于阻抗概念需要线性操作，而开关是非线性的。图4表示根据上述方法的RF放大器电路的示例。由电感L1、旁路电容C和电感L2组成的级间“T部分”，用于将激励级匹配到假定的50欧姆负载(即，末级)。以上常规实践将激励级和末级之间的级间视为线性网络，而级间并不是线性网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变输出ＲＦ功率放大器，包括： 电压调节装置，用于根据至少执行电平控制、脉冲串控制和调制之一的控制信号，生成某个电压范围内的特定电压；以及 一个功率放大器，该放大器包括一个末放大级，末放大级具有特定电压作为电源电压，并且具有一个激励信号，该信号无需在可感知的时间内在线性操作区域内操作放大器，就能在两种状态－硬接通状态和硬断开状态－之间重复激励末放大级； 其中在不需要连续或频繁反馈调整的情况下控制放大器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：温德尔桑德，小厄尔W麦丘恩，罗纳德A迈克，
申请(专利权)人：特罗皮亚恩公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]