一种用于射频功率放大器的动态电源系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于射频功率放大器的动态电源系统及控制方法，其包括包络检测模块、包络映射模块、S类功率放大器、映射建立模块和反馈解调模块。包络映射模块根据映射关系将发射信号的包络转换为控制电压，由S类功率放大器高效地产生正比于控制电压的动态电源电压，向射频功放供电，提高射频功放的效率。包络映射关系由映射建立模块提供。映射建立模块通过组合调整发射通路增益和最高供电电压，可使射频功放工作在预定的压缩状态，并在此基础上以恒增益准则建立包络映射关系。本发明专利技术可以在大工作带宽、复杂工作环境下向射频功放提供动态供电，有效提升射频功放效率，并具有优异的杂散和近载波噪声抑制能力。散和近载波噪声抑制能力。散和近载波噪声抑制能力。

【技术实现步骤摘要】
一种用于射频功率放大器的动态电源系统及控制方法


[0001]本专利技术属于射频大功率发射
，特别地涉及一种用于射频功率放大器的动态电源系统及控制方法。

技术介绍

[0002]射频功率放大器(以下简称射频功放)是无线电发射系统的重要组成部分，用来增强所发射射频信号的功率，以实现所需要的传输距离和传输质量。对于涉及包络调制的无线信息发射系统，信号幅度随时间变化，为保证最高幅度不发生失真，功放需要预留相应的输出能力以满足峰值包络的输出功率，这样虽然保证了功率放大的线性度，但在峰值包络以外的时间上由于功放未达到满功率输出而具有较低的功率转换效率。功放效率的降低不仅增加耗电(从而增加运营成本)，而且带来散热需求高、体积大、可靠性下降等一系列问题。降低射频功放输出能力会提高效率，但又会带来线性度的下降。
[0003]近年来，随着无线通信技术的发展，射频功放线性和效率之间的矛盾越来越突出，解决矛盾的需求也越来越迫切。目前已经有Doherty技术和包络跟踪(ET)技术用于提高射频功放的效率，结合数字预失真(DPD)技术改善线性度，在移动通信、无线互联网以及卫星通信等领域已有成熟应用，如专利公开号为CN102299689B公开的一种基于包络跟踪技术的高效率双频功率放大器的设计方法。两种技术体制各有优缺点：Doherty系统组成相对简单，功率容量大，但是可工作带宽受限(典型相对带宽约10％)，多用于功率等级在百瓦量级的基站发射端；包络跟踪技术多用于发射功率在瓦级以下的移动终端，其性能从原理上不受载波频率的限制，可工作带宽宽，需要复杂的包络调制电源，在信号带宽达到MHz以上时，包络调制电源需要线性放大器提供高频响应，线性放大器的效率低，影响功放系统总体效率的提升。
[0004]包络跟踪属于动态电源技术的一种。动态电源技术通过向射频功放提供动态变化的供电电压来提高射频功放效率。依据电源对射频功放输出幅度的影响程度，动态电源技术可细分为不同种类：当射频功放输出幅度基本不依赖动态供电电压时，即为包络跟踪技术；当射频功放输出幅度完全由动态供电电压确定时，为包络消除恢复(EER)技术；介于二者之间时，可称为动态电源技术。事实上，目前工程使用的部分“ET”技术中，射频功放的输出幅度一定程度会受电源电压影响，因此称为动态电源技术更为准确。
[0005]目前已有ET(或动态电源)技术主要应用于UHF、L以及S频段，在短波无线发射领域应用较少。一个重要原因是，动态电源技术的性能与峰值包络输入时射频功放的增益压缩状态有关。在现有应用中，射频功放的工作带宽相对较小，频带内特性基本平稳，天线负载条件较好，因此可以在设计阶段和出厂设置时，初步选定峰值包络对应的功放压缩点，即使工作过程中环境条件变化导致工作点出现偏差，对动态电源技术的性能不会有严重的影响。而短波发射频率范围是1.6MHz～30MHz，跨越4个倍频程，如此大的带宽内功放特性、天线负载驻波比等随频率变化剧烈(例如全频段内天线驻波比的波动会达到2.5)，并且系统特性还会受周边电磁环境及天气条件的影响，增益压缩情况会随频率和工作状态而明显变
化，如不能根据工作条件自动调整，则会造成动态电源系统的性能恶化，不具备工程实用性。
[0006]另外，已有动态电源技术的开关功率放大器多采用定频PWM方案，存在开关频率相关的杂散分配量，并且近载波噪声不易控制。由于短波频段的最低载波频率低，与电源开关频率的间距小，抑制开关频率杂散难度大，并且近载波噪声会对远距离电离层通信性能造成负面影响。一些采用开关频率随机化的措施复杂度高，并且没有解决近载波噪声问题。
[0007]另一方面，宽带大功率短波通信系统具有采用动态电源技术的迫切需求。因为该类信号体制中有较大比例采用幅度调制，传统AB类功放效率低，系统功耗大，能耗高，设备难以小型化。Doherty技术不能满足工作带宽要求，采用动态电源技术是最佳选择。另外，由于短波通信系统信号相对带宽小(不超过几十kHz)，动态电源系统可以不用针对高频包络的线性放大器，更加有利于系统效率的改善。
[0008]因此，存在将动态电源技术应用于宽带大功率射频功率放大系统，实现功放效率稳定提升的需求。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种用于射频功率放大器的动态电源系统，能够在大工作带宽和复杂环境下均能实现射频功放效率的提升，并且具有优异的杂散和近载波噪声性能。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]一种用于射频功率放大器的动态电源系统，其包括：
[0012]包络检测模块，该包络检测模块具有与外部基带信号发生器连接的同相正交(I/Q)基带信号输入端子，并且被配置为检测该I/Q输入基带信号的幅度，以及输出基带信号幅度值V
e
(即包络信号)的输出端子；
[0013]包络映射模块，所述包络映射模块具有与包络检测模块输出端子连接的包络信号输入端子，与S类功率放大器控制电压输入端连接的控制电压输出端子；该包络映射模块被配置为将输入的包络信号V
e
转换为S类功率放大器的控制电压V
c
，该V
e
到V
c
的映射关系保证采用所述S类功率放大器作为供电电源的射频功率放大器具有不随包络V
e
变化的恒定增益；
[0014]S类功率放大器，所述S类功率放大器具有控制电压输入端子，该控制电压输入端子连接于包络映射模块的控制电压输出端子，连接于外部直流电源的直流供电输入端子，以及与射频功率放大器供电输入端连接的动态电源输出端子；所述S类功率放大器被配置为采用Delta
‑
Sigma调制器高效率地将直流供电电压转换为跟随输入控制电压变化的动态输出电压V
d
，为射频功率放大器供电；该动态电源输出端子直接与射频功率放大器功率管的漏极或集电极连接；
[0015]映射建立模块，所述映射建立模块包括连接至外部基带信号发生器的原始I/Q信号输入端子，连接至反馈解调模块解调输出端的反馈I/Q信号输入端子，以及连接至发射通路增益调整单元的增益控制输出端子；该映射建立模块被配置为，一方面调整并确定动态输出电压V
d
的最大值V
dmax
，以及射频通路的增益G
p
，使射频功放在额定峰值功率处满足所设定的增益压缩条件，令一方面，根据反馈信号计算射频功放增益，调整包络信号V
e
到S类功
放控制电压V
c
的映射关系，使该射频功放增益保持恒定；
[0016]反馈解调模块，所述反馈解调模块包括射频反馈输入端子、本振信号输入端子以及反馈I/Q信号输出端子；该射频反馈输入端子与外部射频功放输出端的定向耦合器连接，本振信号输入端子与外部发射通路的本振源连接，反馈I/Q信号输出端子连接于所述映射建立模块的反馈I/Q信号输入端子；该反馈解调模块被配置为将射频反馈信号正交下变频为基带I/Q信号。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于射频功率放大器的动态电源系统，作用于包含有射频功率放大器的发射通路，其特征在于：其包括包络检测模块、包络映射模块、S类功率放大器、映射建立模块以及反馈解调模块；所述包络检测模块的输入端接收所述发射通路的I/Q基带信号，检测该I/Q基带信号的幅度，并将检测得到的包络信号V
e
输出至所述包络映射模块；所述反馈解调模块接收所述发射通路的功放输出耦合信号和正交本振信号LO，将正交下变频得到的所述反馈I/Q基带信号输出至所述映射建立模块；所述映射建立模块的输入端接收所述I/Q基带信号和所述反馈I/Q基带信号，向所述包络映射模块输出映射关系，并向所述发射通路的可变增益放大器输出增益控制信号G
p
，使所述射频功率放大器在额定峰值功率处满足所设定的增益压缩条件，并具有恒定增益；所述包络映射模块接收所述包络信号V
e
和所述映射关系，将V
e
映射得到的控制电压信号V
c
输出至所述S类功率放大器；所述S类功率放大器用于产生正比于所述控制电压信号V
c
的动态供电电压V
d
，为所述射频功率放大器供电。2.如权利要求1所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述包络检测模块输出的包络信号其中I为I/Q基带信号的同相分量；Q为I/Q基带信号的正交分量。3.如权利要求1所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述包络映射模块采用多项式函数将所述包络信号V
e
转换为所述控制电压信号V
c
，所述多项式函数为：其中M为M≥1的整数，表示多项式阶数，b
m
为多项式系数，由所述映射建立模块提供。4.如权利要求1所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述包络映射模块采用查找表方式将所述包络信号V
e
转换为所述控制电压信号V
c
；所述查找表方式包括若干个数据对，每一个数据对包括索引号和控制信号；查找时，索引号的计算为将包络信号V
e
按设定比例缩放并取整后得到，与该索引号对应的控制信号即为要输出给所述S类功率放大器的控制电压信号V
c
。5.如权利要求1所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述S类功率放大器包括内插滤波器、Dleta
‑
Sigma调制器、开关功率放大器、低通滤波器、反馈通路以及采样时钟电路；所述内插滤波器，将所述控制电压信号V
c
进行采样率转换，得到采样率为f
s
的控制信号V
c
′
，并输出至所述Dleta
‑
Sigma调制器，该频率f
s
由所述采样时钟电路提供；所述Delta
‑
Sigma调制器接收所述控制信号V
c
′
和所述反馈通路输出的反馈信号V
f
，通过内部计算后输出开关信号V
sw
至所述开关功率放大器；所述内部计算包括：计算控制信号V
′
c
与反馈信号V
f
差的积分＝∑[V
c
′
(n)
‑
V
f
(n)]，当L>阈值时输出V
sw
＝1，否则输出V
sw
＝0；所述开关功率放大器与外部直流电源连接，并在所述开关信号V
sw
控制下，通过开关器件间断性地将外部直流电源输入的直流功率输出，并形成开关信号V
h
输出至所述低通滤波器和所述反馈通路中；
所述反馈通路包括采集所述开关功率放大器输出端电压的电压取样电路、以及ADC，所述ADC将所述电压取样电路采集的采样电压转换为数字反馈信号V
f
并传输给所述Delta
‑
Sigma调制器；所述低通滤波器接收开关信号V
h
，滤除开关频率及其各次谐波分量后，输出正比于控制电压信号V
c
的动态供电电压V
d
；所述采样时钟电路提供频率为f
s
的时钟信号给所述内插滤波器和所述反馈通路的ADC。6.如权利要求1
‑
5中任一所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述包络映射模块包括数字模拟转换器，将映射产生的数字域控制信号V
c
转换为模拟信号输出；所述S类功率放大器还包括将所述模拟信号转换为数字量的ADC。7.如权利要求5所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述开关功率放大器采用BUCK型电路，其包括开关驱动器和两只MOSFET管V1、V2；所述开关驱动器接收所述开关信号V
sw
，产生与V
sw
同相但电平不同的驱动信号Q
+
、与V
sw
反相且电平不同的驱动信号Q
‑
；所述MOSFET管V1的栅极连接于所述驱动信号Q
+
，V1的漏极与所述外部直流电源连接，接收外部直流供电，V1的源极与所述MOSFET管V2的漏极连接，且连接点作为所述开关功率放大器的开关功率输出端子，输出开关信号V
h
；所述第二只MOSFET V2的栅极连接于所述驱动信号Q
‑
，V2的源极接地。8.如权利要求5所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述低通滤波器包括K个电感和K
‑
1个电容，其中K≥2且为整数；该K个电感依次串联；第一个电感L1的第一端子作为所述低通滤波器的输入端，与所述开关功率放大器的开关功率输出端连接；第K个电感L
K
的第二端子作为所述低通滤波器的输出端，输出动态供电电压V
d
；所述K
‑
1个电容的连接方式是：第k(1≤k≤K
‑
1)个电容C
k
的第一端子与第k个电感L
k
、第k+1个L
k+1
之间的连接端连接，该第k个电容C
k
的第二端子接地。9.如权利要求8所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述低通滤波器的第K个电感L
K
安装于所述射频功率放大器功率管的漏极或集电极处，为所述低通滤波器提供所需的感抗，同时为所述射频功率放大器功率管提供射频扼流电感。10.如权利要求8所述的用于射频功率放大器的动态电源系统，其特征在于：所述低通滤波器的第K个电感L
K
包括两部分，分别是电感L
K1
和电感L
K2
；所述电感L
K2
安装于所述射频功率放大器功率管的漏极或集电极处，所述L
K2
通过供电导线与电感L
K1
串联；电感L
K1
、电感L
K2
以及所述供电导线共同为所述低通滤波器提供所需的感抗；所述电感L
K2
同时还为所述射频功率放大器功率管提供射频扼流电感。11....

【专利技术属性】
技术研发人员：余锋，王智，刘亮，毋明旗，刘宁，
申请(专利权)人：昆山九华电子设备厂，
类型：发明
国别省市：