專利名稱：Rf功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及RF功率放大器。
背景技術：
多單元天線陣列如相控陣列的每個單元應由相應的功率單元、單 個功率放大器進行激勵(drive)，這是通常的要求，特別是對于航天 衛(wèi)星通信應用。每個天線的放大的功率信號相對于其他天線單元在幅 度和相位方面應當,皮準確地控制。通常，為此目的采用固態(tài)功率放大 器(SSPA)，但該放大器必須滿足有源天線陣列工作所需的嚴格線性、 效率和增益/相位跟蹤性能。
通過仔細選擇偏置條件，可在給定RF輸出功率對放大器的增益 壓縮、效率和線性的程度進行優(yōu)化。然而，當放大器激勵減小時，放 大器補償和增益變得壓縮較小，導致效率降級。線性改進了，但在許 多情況下，這不是應用要求。當工作在有源天線陣列時，會導致其中 一些或所有放大器以小于最優(yōu)效率運行，該最優(yōu)效率取決于傳輸負載 和波束指向條件(其可將幅度"錐體"施加在陣列上，其中放大器在陣列 上具有逐漸減小的輸出幅度)。
為了避免疑義，上面所用的術語具有如下含義
增益壓縮:例如可定義為由放大器傳輸特性的非線性所引起的 "差分"或"斜率"增益的減小。當放大器以最大放大接近其飽和特性 時，增益壓縮可理解為偏離線性放大的程度。
補償(back off):當放大器工作點沿其工作特性遠離高功率條 件向較低功率條件移動時，輸入功率和輸出功率減小的量。
效率:用于傳輸?shù)腞F輸出功率與電源提供的DC輸入功率的比率。線性:如本文所描述，有各種線性量度，但通常的量度是載波互 調比(C/1比——多載波系統(tǒng)的主體信道中的功率與相鄰信道中的功率 "漏泄"之比)。
在"Recent developments in solid state power amplifier technology and their applicability to third generation mobile space segment systems" (pages 264-268, Fourth International Conference on Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation; October 1988)中，公開了對于結合硅雙極晶體管的功率放大器，自動 調整放大器偏置以用補償來最小化效率降級。這種技術是模擬技術， 涉及調整雙極輸出晶體管的基極發(fā)射級電壓。這種技術不可能使之與 采用場效應晶體管(FET)的放大器一起工作，并因此嚴重限制了當前 使用的放大器。
其他較復雜的技術是公知的——著名的Chireix異相(LINC)放大 器和Doherty放大器。這些布置要求將輸入信號分成兩個并聯(lián)放大路 徑，然后隨后組合放大的信號。這種技術建立起來是復雜的，并且主 要意于在給定補償使效率最大化，其中放大器必須顯示出非常高的線 性。
上述技術都沒有解決工作在現(xiàn)代有源陣列天線中的放大器的要 求。這種放大器的基本前提是，它們必須在增益和傳輸相位上彼此跟 蹤，并在許多情況下，放大器工作在不同的激勵電平和溫度。
在"L Band Power Amplifier Solutions for the INMARSAT
Space Segment"(IEE Seminar on Microwave and RF Power Amplifiers, 7 December 2000， D. Seymour, pages 6/1 -6/6)中，公開了這 樣一種系統(tǒng)，用于控制固態(tài)功率放大器(SSPA)增益、增益斜率和相位， 使得這些特性準確地保持恒定，并相對于大量SSPA的陣列中的其他 SSPA被跟蹤。該系統(tǒng)包含電子功率調節(jié)器(EPC)，其是適合于用在航 天應用中的電源?？刂艫SIC接收放大器溫度信號和放大器輸入功率 信號，并存取保存在EEPROM中的數(shù)字補償數(shù)據(jù)，用于根據(jù)所接收 的信號，提供用于控制放大器的增益、增益斜率和相位的適當模擬控制信號。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種可在寬動態(tài)范圍顯著改進放大器特性 的放大器系統(tǒng)。
在第一方面，本發(fā)明提供一種用于驅動(power)天線單元的放 大器系統(tǒng)，該放大器系統(tǒng)包括
RF放大器裝置，具有信號放大路徑，所述路徑至少包含功率輸
出級；
電源裝置，用于提供至少驅動所述RF放大器裝置的所述功率輸 出級的DC電壓可變值；
控制裝置，用于接收所述RF放大器裝置的輸入功率信號作為控 制輸入，以響應于所述控制輸入，向所述電源裝置提供電壓控制信號， 來確定所述DC電壓值；
并且所述控制裝置布置成到所述功率輸出級的所述DC電壓值 被改變，以便控制用于改變所述輸入功率值的所述RF放大裝置的增 益壓縮，以便調節(jié)所述RF放大器裝置的放大器線性、放大器效率和 熱耗散中的至少一項。
在第二方面，本發(fā)明提供一種用于驅動天線單元的放大器系統(tǒng)， 所述放大器系統(tǒng)包括
RF放大器裝置，具有信號放大路徑，所述路徑至少包含功率輸
出級；
電源裝置，用于提供至少驅動所述RF放大器裝置的所述功率輸 出級的DC電壓可變值；
控制裝置，用于從所述RF放大器裝置接收輸入功率信號作為控 制輸入，以響應于所述控制輸入，向所述電源裝置提供電壓控制信號， 來確定所述DC電壓值；
并且所述控制裝置包含存儲裝置，所述存儲裝置保存定義用于改 變所述輸入功率值的所述電壓控制信號輸出值的控制字集合，由此改
8變所述DC電壓值，并因此控制所述RF放大裝置的預定參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的放大器系統(tǒng)可饋送單個單元天線，進行基于航天、 航空或地面的傳輸。然而，該放大器系統(tǒng)特別適合于激勵用于航天器 的多單元天線或天線陣列的相應單元。由此提供了多個這種放大器系 統(tǒng)，來激勵例如便于布置為矩陣功率放大器(MPA)的相應天線單元。
該放大器系統(tǒng)優(yōu)選為適合于航天應用的固態(tài)功率放大器 (SSPA)，其包含RF放大器、電子功率調節(jié)器和控制部分。控制部分 可與RF放大器部件安裝在同一電路板上，或與之集成。RF放大器具 有放大路徑，該路徑通常包含前置放大器、激勵放大器和功率放大器 或功率輸出級。根據(jù)需要，功率輸出級可包括布置在串聯(lián)/并聯(lián)陣列中 的多個放大器單元。
輸出級可包含一個或多個功率晶體管。如用當前技術所優(yōu)選的， 功率晶體管是FET,但它們可以是雙極晶體管，或在通常商業(yè)使用中 尚未用過的晶體管。存在各種類型的晶體管，都被看作FET，例如 HFET、 PHEMT。功率晶體管是高質量GaAs或GaN或者諸如Si、 SiGe、 SiC、金剛石、塑料等其他材料。不排除熱離子器件，諸如TWTA。
放大器系統(tǒng)的電源裝置包括電子功率調節(jié)器(EPC)，其適合于用 在航天應用中，并從航天器電源總線接受功率，并且提供受控的DC 供電電壓(主次電壓)，用于驅動RF放大器裝置和控制裝置。對于具 有FET的放大器，DC電壓表示FET漏極電壓。根據(jù)本發(fā)明，提供 給RF放大器輸出級的DC供電電壓的大小根據(jù)從控制裝置到電源的 控制輸入進行控制。優(yōu)選的是，提供給RF放大器激勵級的DC供電 電壓的大小同樣地進行控制。
在釆用SSPA的情況下，控制裝置可以是與RF放大器安裝在統(tǒng) 一電路板上的集成電路；備選地，它可以與放大器分開形成。這種控 制裝置從放大器接受控制輸入，主要是輸入功率和溫度，并提供控制 輸出以控制所選擇的放大器參數(shù)，例如增益、傳輸相位和增益斜率(通 過調整前置放大器特性)。根據(jù)本發(fā)明，控制裝置向電源裝置提供控制 輸出，以便改變到功率放大器輸出功率級的DC供電電壓，從而控制
9所選擇的放大器參數(shù)。用于控制的主要參數(shù)是線性和效率。然而，也
可以控制其他參數(shù)，例如熱耗散。如上所述，線性的重要量度是C/1 比——然而，也可以采用其他量度，諸如噪聲功率比(NPR)或相鄰信 道功率比(ACPR)。 C/I比通常用于多載波系統(tǒng)，但是ACPR可用于單 載波系統(tǒng)，其中單載波旁瓣中的功率可相對于主瓣中的功率來確定。
期望的控制方法是保持線性(載波互調比(C/I))恒定，或在期望的 限度內，同時將效率保持在可接受的限度內，以便在RF功率輸出值 的期望范圍改變放大器輸入值。備選地，熱耗散或效率也可以保持恒 定。為了做到這點，本發(fā)明控制增益壓縮，以便通過改變到RF放大 器功率輸出級的DC供電電壓來改變輸入功率電平。
對于控制，至少部分通過數(shù)字和模擬電路并通過遙控指令信號來 提供上述控制方法，是有可能的?？梢匀魏畏奖愕男问絹硖峁┛刂蒲b 置的電路，例如，發(fā)現(xiàn)ASIC是方便的。優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明，提 供EEPROM或其他非易失性存儲裝置，其以控制字陣列形式保存數(shù) 據(jù)，這些控制字定義控制輸出值，以便實現(xiàn)期望的放大器輸出條件。 由此，如果期望在期望范圍上保持線性恒定，以便改變RF輸入功率 值，則控制字將包括表示用于改變RF輸入功率的DC功率電壓的陣 列。在提供了諸如溫度等其他輸入和諸如RF輸出功率和相位等其他 輸出的情況下，會相應地增加陣列的維數(shù)和控制字部分的數(shù)量。
為了提供控制字，執(zhí)行放大器系統(tǒng)的初始特征化過程，其中放大 器的期望參數(shù)諸如線性通過測試設備以數(shù)字方式操控到恒定值，同時 在工作要求的整個范圍上改變輸入功率。以數(shù)字方式操控DC供電電 壓，將放大器輸出級的增益壓縮保持在所需值，以便保持線性恒定。 記錄控制字，該控制字表示輸入功率值的DC供電電壓的適當值?？?存儲控制字的限制集合(方位基點)，并且可執(zhí)行內插過程，以定義中 間輸入/輸出值的控制字。
由此，本發(fā)明至少以其優(yōu)選形式集成在板上、自主和/或可遙控 指令的控制技術，其中通過耦合到含有數(shù)據(jù)(從地面測試獲得)的電子 存儲器的混合模擬和數(shù)字電子電路， 線性，以及
功率增加的效率
與固態(tài)功率放大器的任何或所有參數(shù)一起 增益
增益vs.頻率響應 傳輸相位
同時自動保持在(接近)恒定水平，并高于預定閾值，而放大器在輸出 功率電平的寬范圍上被激勵，并經受溫度方面的改變。
本發(fā)明可包括集成在板上的控制技術，其中通過控制放大器的增 益壓縮程度，可在輸出功率電平的寬范圍上顯示出放大器效率方面的 顯著改進。達到這一點的能力對于不同放大器類型和應用具有各種含 義，并且本發(fā)明的功能可擴展到同時控制放大器的其他參數(shù)，如果需 要的話。在用于航天器的情況下，在有效負荷水平，本發(fā)明是實現(xiàn)靈 活地面覆蓋的高性能有源天線陣列的啟動因子，并提供了消除有損和 昂貴輸出網(wǎng)絡的潛力。
本發(fā)明提供了獨一無二的放大器靈活度，因為與放大器增益存在 可能有問題的交互作用，對于任何實際應用，這都將是不可接受的， 并且通過模擬方式實現(xiàn)起來極其困難/不切實際。這在將針對溫度工作 的典型要求考慮進去的時候，被進一步加重了。
在本發(fā)明的備選形式中，實現(xiàn)放大器增益壓縮和效率控制的方法 是通過遙控指令。在這種情況下，放大器會顯示出所需的增益壓縮和 效率，但僅僅在離散、遙控指令的輸出功率設置方面。


現(xiàn)在將參照附圖來描迷本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中
圖l是本發(fā)明優(yōu)選實施例中采用的示范控制裝置的示意圖2是本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的示意框圖3是本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的示意框圖4是例示現(xiàn)有技術SSPA的性能特性的圖表；圖5是例示用本發(fā)明預期的性能特性的圖表；
圖6是例示對于在輸出級中采用GaN功率晶體管的多載波系統(tǒng)， 用本發(fā)明預期的性能特性的圖表；
圖7是例示對于在輸出級中采用GaN功率晶體管的單載波系統(tǒng)， 用本發(fā)明預期的性能特性的圖表；
圖8是本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的示意框圖9是圖l控制裝置的更詳細視圖；以及
圖IO是本發(fā)明放大器系統(tǒng)的概念框圖，示例為SSPA。
具體實施例方式
首先參考圖10,本發(fā)明的放大器系統(tǒng)以一種示范形式實現(xiàn)為固 態(tài)功率放大器(SSPA)，其中電源部分包括電子功率調節(jié)器(EPC) 10， RF放大器部分12具有放大路徑，該路徑包含前置放大器14、激勵放 大器16(激勵級)和功率放大器18(輸出級)。控制部分包括數(shù)字控制方 案(DCS)20，其向前置放大器14和EPC10提供控制輸出。具體地， DCS20在線22上向EPC IO提供模擬控制信號，在線24上向前置放 大器14中的相位控制26提供數(shù)字信號(備選地，也可使用模擬相位控 制)，在線28上向增益斜率控制30提供模擬控制信號，并在線32上 向前置放大器14中的增益控制34提供模擬控制信號。EPC 10向輸 出級18和激勵級16提供可變DC供電電壓36(漏極電壓或漏源電壓)。
參考圖1和圖9， DCS 20由混合模擬/數(shù)字信號控制ASIC 40和 電可擦除只讀存儲器(EEPROM) 42組成?？刂艫SIC具有兩個^^擬輸 入?yún)⒖级丝?44、 46和三個模擬(22、 28、 32)加上一個串聯(lián)數(shù)字(24)輸 出控制端口供用戶使用。實質上，輸入?yún)⒖?4、 46(正常是溫度和放 大器輸入功率)在A/D轉換器48中進行數(shù)字化，并且操控控制ASIC 的數(shù)字處理單元49讀取保存在EEPROM中的有關控制字。方便的是， 控制字50可存儲成矩陣形式，圖示為行用于功率輸入，而列用于溫 度輸入。所存取的控制字接著由ASIC進行處理，并在D/A轉換器52 中進行數(shù)字化，以在其輸出端口 22-32提供控制信號?？刂艫SIC 40具有I2C編程接口 54(也可采用其他標準接口)，由此可在放大器建立 或特征化過程中尋址、加載和讀取EEPROM 42。
對于本文描述的所有實施例，DCS20的工作原理是，作為部分 生產過程，放大器在其工作要求——具體是輸入功率范圍和溫度的整 個范圍進行特征化。在此特征化過程期間，需要被控制的那些參數(shù)通 過與DCS對接的軟件和測試設備，以數(shù)字方式操控到所記錄的期望 值和由此導出的數(shù)字"控制字"。這樣，收集了數(shù)字控制字50或"方位 基點"的陣列。軟件可內插在方位基點之間，以到達加載在EEPROM 42中的整個"校正陣列"。備選地，只有方位基點存儲在EEPROM 42 中，其中內插由ASIC 40實時進行。在這兩種方案中，結果是， EEPROM數(shù)據(jù)通過ASIC中的電路用于激勵放大器設計中包含的校 正單元，來實現(xiàn)必要的性能。
圖2例示本發(fā)明的第一實施例，圖1、 9和10的類似部分用相同 附圖標記表示(并用于所有隨后的附圖)。在這種情況下，DCS20提供 有來自RF放大器12的單個輸入?yún)⒖?6,其是與其輸入功率相關的 電壓。DCS模擬輸出中只有一個輸出22被使用了，并且其與EPC10 對接，以控制到激勵FET 16和輸出FET漏極18的主電壓供給36。 在特征化過程中，放大器在其整個輸入功率動態(tài)范圍上并通過上面提 到的軟件和測試設備進行訓練，EPC主輸出電壓36以數(shù)字方式進行 操控，將RF放大器激勵級16和輸出級18保持在所需的增益壓縮， 以便保持恒定的C/I比。
圖2的實施例是最低限度配置。實際上，當調整到激勵FET和 輸出FET的漏極供給時，可改變放大器增益，并且會存在可能不得 不處理的溫度效應。圖3中所示的第二實施例因此例示實際使用的本 發(fā)明的配置，其中DCS 20還用于在工作動態(tài)范圍和溫度上將放大器 的總增益保持在恒定水平。第二參考輸入44現(xiàn)在從安裝在放大器板 上的溫度傳感器60提供給DCS 22，并且第二模擬輸出32用于激勵 RF鏈中的可變衰減器34(或者其他數(shù)字或模擬可變增益/損耗器件)。 現(xiàn)在特征化過程在其整個輸入功率動態(tài)范圍和工作溫度范圍訓練放大器。這樣，收集數(shù)據(jù)不僅用輸入激勵調整增益壓縮，而且使增益壓 縮中的任何不需要的變化清零，并用溫度調整絕對增益。
圖4和圖5中給出了對于特定輸出功率要求而優(yōu)化的固定類A/B 偏置放大器的性能與用本發(fā)明預期的性能之間的比較。該放大器采用 GaAs激勵FET和輸出FET，并且包含前置放大器部分來放大增益。 圖4例示固定偏置情況，其中偏置條件，特別是漏極電壓供給，在這 種情況下已被調整和固定了 ，以在正常工作點(NOP)，在這種情況下 剛好在12.0dBW以下，實現(xiàn)最優(yōu)性能?？梢钥吹?，在20dB的相關聯(lián) 三音載波與互調比(C/1)處實現(xiàn)了 31%的峰值效率；對于移動功率放大 器，這個值是典型的品質因數(shù)。然而，當放大器被補償時，效率降級 得相當迅速；在C/I方面有所改進，但這通常不是系統(tǒng)要求。因為這 個放大器配備有配置為在動態(tài)范圍控制總放大器增益的DCS,所以掩 蓋了放大器在NOP被2dB增益壓縮的事實。
圖5例示結合到圖3實施例中的相同放大器的增強性能。在這種 情況下，DCS 20的功能擴展為在剛好在3dB以上的輸出功率動態(tài)范 圍自動將放大器C/I保持在20dB的水平?？刂圃鲆鎵嚎s以實現(xiàn)這一 點被同時還控制總放大器增益的DCS掩蓋了。將會立即看到，對于 固定偏置情況，盡管峰值效率不太高，但是補償?shù)男蕵O大改進了， 在輸出功率范圍10.5W到22W優(yōu)于30%。能夠實現(xiàn)這種性能的動態(tài) 范圍取決于所需的最小可接受線性(C/1)，但是最終受激勵FET和輸出 FET的可接受電壓限度的限制。
應該注意，本發(fā)明同樣可適用于在給定動態(tài)范圍實現(xiàn)恒定的效 率，乃至恒定的耗散特性。
本發(fā)明可適用于結合了氮化鎵(GaN)寬帶隙技術的FET，并且能 實現(xiàn)更寬的動態(tài)范圍，因為用這些部分允許更大的漏極電壓范圍。
圖6示出在多載波工作中單個GaN輸出級的預期性能，并且本 發(fā)明適用于將C/I保持恒定在20dB。在這種情況下，在接近4dB (63W 到26W)的輸出功率動態(tài)范圍保持優(yōu)于45%的效率。
圖7例示在單栽波工作中相同GaN輸出級的預期性能，其中在
14這種情況下，增益壓縮已被控制為恒定2dB?？梢钥吹剑?26W到 52W的輸出功率范圍保持優(yōu)于56%的效率。
圖8例示本發(fā)明的第三實施例，其中DCS20被擴展到其整個能 力，適用于工作在移動衛(wèi)星傳輸相控陣列天線的^L大器。這里，放大 器都需要在溫度上在增益和傳輸相位方面彼此跟蹤，同時工作在不同 的RF激勵電平。由此，相比圖3的第二實施例，提供了控制相位26 和增益斜率30的控制線24、 28。 DCS現(xiàn)在用于實現(xiàn)圖5到7中所示 的性能，同時在所需的動態(tài)范圍和溫度上控制放大器。
總增益
傳輸相位
幅度vs.頻率響應
在本發(fā)明的變型中，實現(xiàn)放大器增益壓縮和效率控制的方法是通 過遙控指令。在這種情況下，放大器顯示出所需的增益壓縮和效率， 但僅僅在離散、遙控指令的輸出功率設置方面。響應于到EPC 10的 遙控指令輸入，EPC 10將到RF放大器12的漏極供電電壓36改為預 定值。可以指令幾個這樣的值。這會給出近似的控制形式，其在某些 情形下可能是可接受的。
實際上，在指令的漏極電壓改變時，放大器增益會改變，并且這
可能必須進行補償。而且，可能需要增益的溫度補償。因此，這種遙 控指令備選方案最好可包含DCS 20，該DCS 20包含用于補償增益改 變的EEPROM 42。如果需要放大器顯示出工作在相控陣列所需的恒 定增益和相位性能，那么可使用類似于圖8中的DCS,對于每個遙控 指令的電平，存儲EEPROM數(shù)據(jù)校正矩陣。
權利要求
1. 一種用于驅動天線單元的放大器系統(tǒng)，所述放大器系統(tǒng)包括RF放大器裝置，具有信號放大路徑，所述路徑至少包含功率輸出級；電源裝置，用于提供至少驅動所述RF放大器裝置的所述功率輸出級的DC電壓可變值；控制裝置，用于接收所述RF放大器裝置的輸入功率信號作為控制輸入，以響應于所述控制輸入，向所述電源裝置提供電壓控制信號，來確定所述DC電壓值；并且所述控制裝置布置成到所述功率輸出級的所述DC電壓值被改變，以便控制用于改變所述輸入功率值的所述RF放大裝置的增益壓縮，從而調節(jié)所述RF放大器裝置的放大器線性、放大器效率和熱耗散中的至少一項。
全文摘要
一種用于驅動多單元天線的單個單元的固態(tài)功率放大器(SSPA)，該SSPA包括RF放大器，具有信號放大路徑，該路徑包含前置放大器、激勵放大器(16)和功率輸出級(18)；電子功率調節(jié)器(EPC)，用于提供驅動RF放大器的功率輸出級(18)的DC電壓可變值；控制ASIC(40)，用于接收向EPC提供電壓控制信號以確定DC電壓值的RF放大器的輸入功率信號(46)，該控制ASIC尋址EEPROM(42)，該EEPROM(42)保存定義用于改變所述輸入功率值的控制輸出信號輸出值的控制字集合，使得到功率輸出級(18)的DC電壓(36)的值被改變，以便控制用于改變輸入功率值的RF放大器的增益壓縮，從而保持恒定的放大器線性。
文檔編號H03F1/32GK101485081SQ200780021757
公開日2009年7月15日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權日2006年5月5日
發(fā)明者C·D·西摩 申請人:阿斯特里姆有限公司