線性功率放大裝置的製作方法

2023-07-27 18:35:46

專利名稱：線性功率放大裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及通信領域的電子技術，尤其涉及通信領域的功率放大技術。
技術背景現代無線通信的迅猛發展日益朝著增大信息容量，提高信道的頻譜利用率 以及提高線性度的方向發展。
一方面，廣泛採用工作於甲乙類狀態的大功率微波電晶體來提高傳輸功率和利用效率；另一方面，無源器件及有源器件的引入， 多栽波配置技術的採用等，都將導致輸出信號的互調失真。因此，在設計射頻 功率放大器時，必須對其進行線性化處理，以便使輸出信號獲得較好的線性度。 一般常用的線性化技術包括功率回退、預失真、前饋等，其中，功率回退技 術能有效的改善窄帶信號的線性度，而預失真技術和前饋技術，特別是前饋技 術，由於其具有髙校準精度，高穩定度以及不受帶寬限制等優點，成為了改善 寬帶信號線性度時所採用的主要技術。預失真線性化方法主要是在功率放大器之前插入預失真部件，造成功率放 大器的輸入信號已經預先失真畸變，而其失真特性正好與功放器件非線性性能 相反，從而達到在系統輸出端出現一個幅度增加許多，其他特性與輸入信號基 本相同的線性功率放大效果。為保證一定的線性化帶寬，需要外加監控電路， 結合預失真部件，仿真功率放大器的AM-AM (調幅-調幅)和AM-PM (調幅-調相)的非線性特徵。但是，精確仿真功放管在各種環境、饋電電壓、工作頻 率、功率電平等條件下的AM-AM、 AM-PM特性是非常困難的，所以，實現的 線性化指標、自適應工作帶寬不甚理想。因此，目前此類線性功率放大器仍處 於實驗室和小批量生產階段，或者作為前饋式線性功率放大器的輔助實現手段。前饋線性化方法主要是指前饋線性放大器通過耦合器、衰減器、合成器、 延時線、功分器等組成兩個環路。射頻信號輸入後，經功分器分成兩路。 一路 進入主功率放大器，由於其非線性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號外， 還有三階交調幹擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號，通過環路1抵消放大 器的主栽頻信號，使其只剩下反相的三階交調分量。三階交調分量經輔助放大 器放大後，通過環路2抵消主放大器非線性產生的交調分量，從而了改善功放 的線性度。這種方法受環境溫度，工作電壓等因素影響較小，線性化指標較高， 工作帶寬較寬。但是，這種技術雖然較為成熟，但是對於中小功率的功放，採 用這種方法成本較高，調試相對麻煩，不利於大規模生產。功率回退是比較簡單易行的線性化手段，應用也非常普遍。其原理很簡單， 即選用大功率器件降額使用，使功率管工作在線性度最好的狀態。輸入功率減 小ldB時，三階交調係數改善2dB。這時候的輸出功率都會遠4氐於功放管的ldB 壓縮點。但是由於使用這種方法獲得較好的線性，需要較多的功率回退，所以 對於大功率功放線性功放的實現上就有較大的瓶頸，大大限制了大功率線性功 放的開發。
綜上所述，在中小功率功放的實現上，有必要設計一種成本更低，模塊復 雜度更低，可靠性更高，生產效率較高，更加適合作為規才莫化生產的功率功放裝置。

實用新型內容
有鑑於此，本實用新型提供一種線性功率放大裝置，使得成本更低，模塊 複雜度更低，可靠性更高，生產效率較高，更加適合作為規^莫化生產。
一種線性功率放大裝置，包括兩大功能電路射頻放大電路，檢測和控制 電路，其中，所述射頻放大電路包括依次串連的第一功率放大器，溫補電阻、 第二功率放大器、數控衰減器、第三功率放大器、第四功率放大器和環形器， 射頻放大電路通過四個功率放大器將輸入的射頻信號進行線性放大，同時數控 衰減器加入數控衰減，從而配合整機需要調整增益；所述的檢測和控制電路包 括檢波電路和具有自動增益控制功能的第一級放大管組成的ALC控制迴路，以 對整個電路的最大輸出功率進行控制；分別與環形器輸入端和反向輸出端耦合 的輸出功率檢測電路和反射功率檢測電路，以對輸出功率及反射功率進行檢測。
所述輸出功率檢測電路包括依次串連的單片機、放大管、檢波管、負栽電 阻，檢波管至負栽電阻之間與第四功率放大器至環形器耦合，通過耦合得到耦 合輸出信號，通過檢波管得出一組與輸出功率變化相對應的線性的一組電壓值， 然後通過放大管放大，去耦送入單片機，實現對輸出功率的準確監控。
所述反射功率檢測電路包括依次串連的單片機、放大管、檢波管與第一負 載電阻，環形器與第二負栽電阻相連，檢波管至第一負栽電阻之間與環形器至 第二負栽電阻之間耦合，通過耦合得到耦合輸出信號，通過檢波管得出一組與 輸出功率變化相對應的線性的一組電壓值，然後通過放大管放大，去耦送入單 片機，實現對輸出反射功率的準確監控。
從所述檢波管出來的電壓經過運放放大，然後通過一個比較器，調整門限 電壓，當功率超過額定值時，比較器的電壓超過門限電壓，比較器輸出電平變 化，單片機自動切斷柵壓，同時輸出過功告警信號；或，在所述單片機中使用 軟體設置過功門限，單檢測輸出功率值大於門限功率值得時候，單片機自動切 斷柵壓，同時輸出過功告警倌號。
所述檢測和控制電路具體包括依次串連的分流器、比較放大電路、單片機， 在電壓輸入端後串接一個大功率小阻值的電阻，分流器取其兩端壓差，通過處
理，得到一個線性變化的電壓輸出，然後再通過比較放大電路調整放大倍數調 整輸出值，去耦後送到單片機，在單片機中通過軟體設置一個門限，當送過來 電壓超過這個門限的時候，單片機降切斷柵極電壓的供給，同時發出告警信號。所述檢測和控制電路具體包括依次串連單片機、數模轉化晶片、運放、功 放管柵極，單片機設置輸出柵壓值，單片機輸出通過一個數模轉化晶片輸出不 同的電壓經過一個運放將其按一定比例放大，送至功放管的柵極。所述檢測和控制電路具體包括依次溫度傳感器、運放、單片機，溫度傳感 器檢測第四功率放大器的溫度，並轉換為輸出電壓得到一組與溫度對應的線性 的電壓，然後通過運放放大，最後送到單片機實現監控。所述ALC控制迴路包括與放大管相連的比較放大穩壓電路，所述檢波管與 一負載電阻相連，檢波管至負載電阻之間與第四功率放大器至環形器耦合，通 過耦合得到耦合輸出信號，將輸出功率檢測電路所得到的與輸出功率相對應的 電壓值經過一組放大，然後送到放大管的控制電壓出入腳，從而實現對輸出功 率的控制，當輸出功率比額定功率高出預設值時，在放大管內部將根據輸出功 率檢測電壓值衰減該高出部分，從而保證功放的輸出功率保持設計所需的額定 功率值。一種線性功率放大裝置，其中，該線性功率放大裝置的PCB設計為兩層板 第一層(頂層)微波面板，銅箔厚度為0.0035mm,主要用於射頻布線和數字電 路的主要布線以及部分電源線；第二層(底層)為接地板，銅箔厚度為 0.0035mm,主要用於部分電源線和部分數字電路的布線。所述整個PCB板在布局方面分為三個可獨立屏蔽的腔進行布線第一個腔 體包括第一功率放大器、第二功率放大器、溫度補償電路、ALC控制電路和數 控衰減器、溫度檢測電路，單片機數字電路和電流檢測電路以及輸出功率檢測 電路和反向功率檢測電路；第二個腔體為是第三功率放大器；第三個腔體為第 四功率放大器。與現有技術相比，本實用新型所提供之線性功率放大裝置由於電路設計上 以及PCB板結構上進行了一定設計，使得成本更低，模塊複雜度更低，可靠性 更高，生產效率較高，更加適合作為規模化生產。


圖1為本實用新型較佳實施方式一種射頻放大電路示意圖；圖2為本實用新型較佳實施方式的一種檢測和控制電路示意圖；圖3為本實用新型較佳實施方式的輸出功率檢測及過功告警電路示意圖；圖4為本實用新型較佳實施方式反射功率檢測示意圖；圖5為本實用新型較佳實施方式的過流告警電路示意圖；圖6為本實用新型較佳實施方式的柵壓控制電路示意圖7為本實用新型較佳實施方式的柵壓ALC控制電路示意圖。
具體實施方式

為使本實用新型之目的、技術方案、優點更加明確、清楚，以下結合具體 實施方式、附圖對本實用新型之技術方案作進一步詳細的說明。
本實用新型笫一較佳實施方式的中功率線性功率放大器主要由兩大功能電 路組成射頻放大電路ll，檢測和控制電路12。
如圖1所示，所述的射頻放大電路11進一步包括功率放大器110、 111、 112、 113，數控衰減器114，隔離器115，環形器116，溫補電阻117。
如圖2所示，所述的檢測和控制電路12進一步包括單片機120,數模轉化 晶片121，檢波管122,檢波管123,溫度檢測晶片124，分流器125，此外，根 據功能的檢測和控制電路12可以包括不同的單元以及連接結構，如檢測和控制 電路12可以包括依次串連的分流器，比較放大電路、單片機，至於其它的結構 可以如下所述。
所述的射頻放大電路ll負責將所RF輸入接口 100輸入的射頻信號進行線 性放大，同時加入數控衰減，從而配合整機需要調整增益，在從RF輸出接口 118輸出。所述的檢測和控制電路12負責對輸出功率，放射功率，溫度，電流， 進行檢測；對柵壓，功率門限，電流門限進行控制；並通設置門限制對功放進 行過功，過流的保護。
本較佳實施方式在器件選擇上，各個放大管的輸出功率均低於其ldB壓縮 點並通過推算，在其線性較好的功率點。同時在選擇末級功率放大管(功率放 大器113)和推動放大管(功率放大器112)的時候選擇了工作電流較小的器件， 用以提高效率。同時考慮到對器件在高低溫下存在不小的增益變化，因此在該 裝置中採用了硬體溫補和軟體溫補相結合，同時對功放管增益隨溫度的變化進 行補償。另外，出於配合整機增益要求，在功放模塊射頻通路上增加了數控衰 減器114,從而通過單片機120可以控制功放模塊的總增益，在充分考慮數控衰 減器114對模塊整體的噪聲和線性的影響，確定其放置於第一級放大器(功率 放大器IIO)之後，這樣可以使得噪聲係數和線性指標所受影響都不太大。
如圖1所示，本較佳實施方式之中功率線性功率^L大器的射頻放大電路部 分使用四級放大，第一級選用具有自動增益控制功能的第一級放大管VGA (功 率放大器IIO)，配合ALC組成控制迴路，控制整個功放的輸出功率恆定，以對 整個電路的最大輸出功率進行控制。最後一級功放管(功率放大器113)，主要 是考慮其輸出功率，能夠在輸出額定輸出功率的時候線性指標略好於設計要求， 倒數第二級作為功放的推動級(功率放大器112)，其輸出功率根據最後一級的 增益和功放的額定輸出功率而定。第二級(功率放大器111 )的設計是比較容易 的，由於選擇比較多，而且在這個功率等級上面ACPR值一般餘量是比較大。
如圖2所示，檢測和控制電路12負責對輸出功率，放射功率，溫度，電流， 進行檢測；對柵壓，功率門限，電流門限進行控制；並通設置門限制對功放進 行過功，過流的保護，具體可以如下所述。
為檢測輸出功率，本較佳實施方式的輸出功率檢測及過功告警電路可以如 圖3所示，該檢測項的實現是通過微帶線耦合輸出信號，也即射頻信號從功率 放大器113傳到環形器116時，通過該過程微帶線，檢測和控制電路12的衰減 器126、 50歐姆負栽127間的耦合輸出信號，通過檢波管122得出一組與輸出 功率變化相對應的線性的一組電壓值，然後通過放大管131放大，去耦送入單 片機120。然後，通過通信功能晶片以外部連接，同過一併聯的比較器128實現 對輸出功率的準確監控，並輸出過功告警信號。
過功告警是根據輸出功率檢測所檢測檢波管122出來的電壓經過運放放大， 然後通過一個比較器128,調整門限電壓，當功率超過額定值時，比較器128 輸XJ^的電壓將超過門限電壓，這個時候，比較器128輸出電平變化，單片機 120自動切斷柵壓，同時輸出過功告警信號。同時也可以在單片機中使用軟體設 置過功門限，單檢測輸出功率值大於門限功率值得時候，單片機120自動切斷 柵壓，同時輸出過功告警信號。
反射功率檢測，可以參考圖4，為本較佳實施方式之反射功率檢測電路示意 圖。該檢測項的實現方法和檢測輸出功率的方法大致相同，只是其耦合路徑不 同，反射功率信號通過輸出端的環形器116第三腳輸出通過衰減器126後進入 檢波管122,即衰減器126相連50歐姆負載127，環形器116相連50歐姆負栽 130,它們相連部分進行耦合，得到耦合輸出信號。
溫度檢測，該檢測項是為檢測模塊末級功放管功率放大器113的溫度，用 以外部監控，但是更重要的作用是根據這個溫度檢測，可以通過單片機120實 現對功放在不同溫度下增益和柵壓進行補償。以保證功放在全溫度段增益的恆 定以及良好的線性指標。其實現方法就是通過一個溫度傳感器檢測功率放大器 113的溫度，溫度傳感器將溫度信息轉換為輸出電壓得到一組與溫度對應的線性 的電壓，然後通過運放放大，提高其靈敏度，最後送到單片機120實現監控，
上述描述的為本較佳實施方式之中功率線性功率放大器工作過程中，輸出 功率檢測、反射功率檢測、溫度檢測的檢測過程，下述再詳細描述其它一些檢 測過程以及相應的告警過程。
如圖5所示，為過流告警電路示意圖，包括依次串連的+28V電壓輸入端151、 大功率小電阻值取樣電阻152、被供電系統(+28V)153;依次串連的分流器125、 比較放大電路154、單片機120,其中取樣電阻152和分流器125並聯。該檢測 項檢測的電流指的是28V供電的電流，其實現方法是在28V輸入端151以後串 接一個大功率小阻值的取樣電阻152,然後分流器125取其兩端壓差，通過處理， 得到一個線性變化的電壓輸出，然後再通過比較放大電路154運放調整放大倍數調整輸出值，去耦後送到單片機120,在單片機120中通過軟體設置一個門限， 當送過來電壓超過這個門限的時候，單片機120降切斷4冊極電壓的供給，同時 發出告警信號。
如圖6所示，為^t壓控制電路示意圖，該柵壓控制主要是用來控制幾個功 放管(功率放大器110、 111、 112、 113)的柵壓，其實現方法是通過外部監控 向單片機120設置輸出柵壓值，單片機120輸出通過一個數模轉化晶片(DAC) 121輸出不同的電壓經過一個運放161將其按一定比例放大，送至功放管的柵極 162。
如圖7所示，為柵壓ALC控制電路示意圖，該柵壓控制電路主要實現整個 功放的輸出功率很定，結合圖1,在圖7中，中間電路170替代圖1的溫補電阻 117至隔離器115的電路，其實現方法是將輸出功率檢測電路(如圖3)所得到 的與輸出功率相對應的電壓值經過一組放大，然後送到放大管131的控制電壓 出入腳，從而實現對輸出功率的控制。當輸出功率比額定功率高出設定值XdB 的時候，在放大管131內部將根據輸出功率檢測電壓值衰減XdB，通過比較、 放大、穩壓電路172從而保證功放的輸出功率保持設計所需的額定功率值，而 不會增加。
本較佳實施方式所提供的功放模塊，PCB設計為兩層板板材採用Rogers 的R04350,第一層(頂層)微波面板，銅箔厚度為0.0035mm，主要用於射頻 布線和數字電路的主要布線以及部分電源線；第二層(底層)為接地板，銅箔 厚度為0.0035mm，主要用於部分電源線和部分數字電路的布線.為防止電路通 過空間形成正反饋，後級大信號對前級功放管的輸入造成影響，並充分考慮盒 體限定尺寸以及力求使得各部分電路相互影響最小，整個PCB板在布局方面分 為3個可獨立屏蔽的腔進行布線第一個腔體包括前兩亂故大電路、溫度補償 電路、ALC控制電路和數控衰減器、溫度檢測電路，單片機數字電路和電流檢 測電路以及輸出功率檢測電路和反向功率檢測電路；第二個腔體為是第三級率 功率放大管；第三個腔體為末級主功放。
該功放的調試主要過程為首先通過對各級柵壓設置，使功放管工作於其 最佳工作點上，然後微調匹配電容的位置，基本可以得到較好的射頻指標。另 外在高低溫的時候通過軟體可以對柵壓和增益進行有效的補償，使得線性，增 益等指標在全溫度範圍內保持較好的狀態。
雖然本實用新型已參照當前較佳實施方式進行了描述，但本技術領域的普 通技術人員應當認識到，上述較佳實施方式僅用來說明本實用新型，並非用來 限定本實用新型的保護範圍，任何在本實用新型的精神和原則範圍之內，所做 的任何修飾、等效替換、改進等，均應包含在本實用新型的權利保護範圍之內。
權利要求1.一種線性功率放大裝置，包括兩大功能電路射頻放大電路，檢測和控制電路，其特徵在於，所述射頻放大電路包括依次串連的第一功率放大器，溫補電阻、第二功率放大器、數控衰減器、第三功率放大器、第四功率放大器和環形器，射頻放大電路通過四個功率放大器將輸入的射頻信號進行線性放大，同時數控衰減器加入數控衰減，從而配合整機需要調整增益；所述的檢測和控制電路包括檢波電路和具有自動增益控制功能的第一級放大管組成的ALC控制迴路，以對整個電路的最大輸出功率進行控制；分別與環形器輸入端和反向輸出端耦合的輸出功率檢測電路和反射功率檢測電路，以對輸出功率及反射功率進行檢測。
2. 如權利要求1所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，所述輸出功率檢測電 路包括依次串連的單片機、放大管、檢波管、負載電阻，檢波管至負栽電阻 之間與第四功率放大器至環形器耦合，通過耦合得到耦合輸出信號，通過檢波管得出一組與輸出功率變化相對應的線性的一組電壓值，然後通過放大管 放大，去耦送入單片機，實現對輸出功率的準確監控。
3. 如權利要求1所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，所述反射功率檢測電 路包括依次串連的單片機、放大管、4全波管與第一負栽電阻，環形器與第二 負栽電阻相連，檢波管至第 一 負栽電阻之間與環形器至第二負栽電阻之間耦 合，通過耦合得到耦合輸出信號，通過檢波管得出一組與輸出功率變化相對 應的線性的一組電壓值，然後通過放大管放大，去耦送入單片機，實現對輸 出反射功率的準確監控。
4. 如權利要求2或3所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，從所述檢波管出 來的電壓經過運放放大，然後通過一個比較器，調整門限電壓，當功率超過 額定值時，比較器的電壓超過門限電壓，比較器輸出電平變化，單片機自 動切斷柵壓，同時輸出過功告警信號；或，在所述單片機中使用軟體設置過 功門限，單檢測輸出功率值大於門限功率值得時候，單片機自動切斷柵壓， 同時輸出過功告警信號。
5. 如權利要求1所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，所述檢測和控制電路 具體包括依次串連的分流器、比較放大電路、單片機，在電壓輸入端後串接 一個大功率小阻值的電阻，分流器取其兩端壓差，通過處理，得到一個線性變化的電壓輸出，然後再通過比較放大電路調整放大倍數調整輸出值，去耦 後送到單片機，在單片機中通過軟體設置一個門限，當送過來電壓超過這個 門限的時候，單片機降切斷柵極電壓的供給，同時發出告警信號。
6. 如權利要求1所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，所述檢測和控制電路 具體包括依次串連單片機、數模轉化晶片、運放、功放管柵極，單片機設置 輸出柵壓值，單片機輸出通過一個數模轉化晶片輸出不同的電壓經過一個運 放將其按一定比例放大，送至功放管的柵極。
7. 如權利要求1所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，所述檢測和控制電路 具體包括依次溫度傳感器、運放、單片機，溫度傳感器檢測第四功率放大器 的溫度，並轉換為輸出電壓得到一組與溫度對應的線性的電壓，然後通過運 放放大，最後送到單片機實現監控。
8. 如權利要求2或3所述的線性功率放大裝置，其特徵在於，所述ALC控制回 路包括與放大管相連的比較放大穩壓電路，所述檢波管與 一 負栽電阻相連， 檢波管至負載電阻之間與第四功率放大器至環形器耦合，通過耦合得到耦合 輸出信號，將輸出功率檢測電路所得到的與輸出功率相對應的電壓值經過一 組放大，然後送到放大管的控制電壓出入腳，從而實現對輸出功率的控制， 當輸出功率比額定功率高出預設值時，在放大管內部將根據輸出功率檢測電 壓值衰減該高出部分，從而保證功放的輸出功率保持設計所需的額定功率 值。
專利摘要一種線性功率放大裝置，包括兩大功能電路射頻放大電路，檢測和控制電路，其中，射頻放大電路包括依次串連的第一功率放大器，溫補電阻、第二功率放大器、數控衰減器、第三功率放大器、第四功率放大器和環形器，射頻放大電路通過四個功率放大器將輸入的射頻信號進行線性放大，同時數控衰減器加入數控衰減，從而配合整機需要調整增益；檢測和控制電路包括檢波電路和具有自動增益控制功能的第一級放大管組成的ALC控制迴路，以對整個電路的最大輸出功率進行控制；分別與環形器輸入端和反向輸出端耦合的輸出功率檢測電路和反射功率檢測電路，以對輸出功率及反射功率進行檢測。此外，還公開了該裝置的PCB板結構，使得成本更低，模塊複雜度更低，可靠性更高，生產效率較高。
文檔編號H03F3/20GK201015188SQ20062001529
公開日2008年1月30日 申請日期2006年10月18日 優先權日2006年10月18日
發明者賈旭峰, 星 趙 申請人:深圳國人通信有限公司