[发明专利]功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及射频功率放大器，其使用串联连接的F类和逆F类放大器级(amplifier stage)，以F类操作其中一个放大器级，以逆F类操作另一个放大器级。

背景技术

因为高功率效率，所以经常使用射频功率放大器。F类操作是指将放大器级作为开关放大器进行操作，其中将放大器级和/或其部件驱动至接近饱或饱和。这产生了载波和带有信息的子带的谐波失真。可以通过称作谐波陷波器(harmonic trap)的滤波器去除该谐波失真。

F类通过在输出网络中使用谐波共振器对漏极波形进行整形，提高效率和输出。电压波形包括一个或更多个奇次谐波并且近似于方波，而电流包括偶次谐波并近似于半正弦波。备选地，就在逆F类中而言，电压能够近似于半正弦波，电流近似于方波。随着谐波的数目增加，理想功率放大器的效率从50％(A类)向单位1(D类)增长，利用因子(utilization factor)从1/8(A类)向1/2π(D类)增长。在原理上，通过晶体管的电流源操作，能够产生所需要的谐波。然而在实际中，在RF周期的一部分中将晶体管驱动至饱和，与饱和C类相类似的自调整机制产生谐波。谐波电压的使用要求在漏极处产生高阻抗(在实际中典型地是负载阻抗的大约3至10倍)，而谐波电流的使用要求低阻抗(在实际中典型地是负载阻抗的大约1/3至1/10)。虽然F类要求比其它功率放大器更复杂的输出滤波器，但是仅在少数特定频率处阻抗必须是正确的。在低频处使用集总元件陷波器(trap)，在微波频率处使用传输线。典型地，将短路短截线(shorting stub)放置在远离漏极四分之一或半波长处。因为针对不同谐波的短截线(stub)相互作用，并且必须在漏极电容和接合线(bond-wire)电感之前的“虚拟漏极”(virtual drain)处产生开路或短路，所以合适网络的实现是带有一点技术性。然而，从MF直到Ka频带都成功地实现了F类功率放大器。

在C、E和F类之间可以有多种操作模式。最大可达到效率取决于谐波的数量，(对于1至5个谐波分别是0.5，0.707，0.8165，0.8656，和0.9045)。利用因子取决于谐波阻抗并且对于理想F类操作是最高的。

在谐波阻抗方面规定了F类操作，这样相对容易了解如何使用传输线网络。必须在通过如漏极电容、接合线/引线电感等一组寄生元件与输出网络分离开的虚拟理想漏极处产生所要求的阻抗。典型地，在漏极与负载之间的传输线提供期望值的基频(fundamental frequency)漏极阻抗。在有关谐波处为四分之一波长且在一端为开路的短截线在相对端提供短路。短截线放置在沿主传输线距离漏极四分之一或半波长处，以在漏极处产生开路或短路。通过在电源端上旁路(bypass)的半波长线，或备选地利用集总元件扼流圈(choke)，将供给电压馈送至漏极。在使用多个短截线时，将针对最高受控谐波的短截线放置在最接近漏极处。将针对较低谐波的短截线放置在逐渐更远处，并调整短截线的长度和阻抗，以允许相互作用。“开路”是指相对高的阻抗，典型地是基频阻抗的3至10倍，“短路”是指相对低的阻抗，典型地是基频阻抗的1/10至1/3。

通常认为F类放大器是非常高效率的RF放大器，其中，通过使用谐波陷波器(L-C滤波器或四分之一波长传输线)为非线性操作产生的谐波提供合适的终止端(开路或短路)，从而获得高效率。由此产生理想化的方波漏极电压以及相对于漏极电压呈180度异相的峰值半正弦曲线漏极电流。在这样的理想情况下，因为在任何给定时间都只有漏极电压或漏极电流存在，所以放大器中的功率损耗是零，理论上得到100％的效率。在实际中，效率要低一些的。这种非常高的效率值通常引起较差的线性性。

另一方面，线性功率放大器的失真较小，但是具有相对低的能量效率。较差的能量效率直接影响操作成本，引起基站发射机中的热发热问题，并缩短移动站发射机中的电池寿命。因此，功率放大器设计者被迫在线性性和效率之间权衡。

逆F类操作的缺点是，在特定非线性水平上接近饱和的、能够保持高效率操作的动态范围较窄。在放大器级使用诸如场效应晶体管(例如GaAs FET和LDMOST器件)之类的压控元件的情况下，理想输入信号是矩形电压波，而像双极型结式晶体管等流控器件需要矩形输入电流，以为逆F类产生所要求的矩形输出电流波形。

在输入信号的宽动态范围上实现逆F类操作的主要问题在于：保持输入信号电压/电流波的所要求的形状与功率电平无关。输入信号中RF载波的所期望谐波的存在对于获得高效率和期望的输出电压波形来说是至关重要的。

发明内容