[发明专利]使用有源偏置的高效线性功率放大器及其实现方法

说明书

一般地说，本发明涉及线性功率放大器，更确切地说涉及使用有源偏置的微波功率放大器。

对于RF功率放大器以高效的方式线性地放大RF信号是所需要的。然而，在最大效率和高线性之间存在着权衡。效率一般是与输入驱动电平成正比的，且通常是不能获得高效率的，除非放大器接近其最大输出功率，而这又与线性操作不相一致。例如，杜赫蒂型放大器实现了超过标准级AB和级B放大器接近峰值功率的效率优点，部分地是由于其载波放大器的负载线的瞬时调制随RF输入电平变化。换句话说，杜赫蒂型放大器在输入驱动电平与效率之间展示了较良好的关系，因为放大器的负载线被不断地修改以随输入驱动电平变化保持高效率。此外，杜赫蒂型放大器的偏置功率被大大地降低至标准级AB和级B放大器以下。

高线性一般通过非线性互调产品的低电平表示。在许多情况下，卫星通信系统中需被放大的RF信号包括多个遍布于很大的瞬时带宽的载波频率，而这些多载波信号的噪声状特性使得以线性方式放大这些信号是困难的。

在放大器的设计中，当输入RF驱动电平增加时，RF输出驱动电平也增加直至放大器接近饱和。然而，如果RF驱动电平在电平上是足够的大，则载波放大器将在其栅/基极上产生一个负电压(由于该RF信号的整流，作为栅-源结被驱动进入前向偏置的结果)。如果该负电压出现在有源装置实现其全FT输出功率能力之前，则该载波放大器将被“夹断”，且将过早地出现FR功率饱和。

因此所需要的是一种用于杜赫蒂型放大器的偏置电路，它能防止在峰值放大器中出现负的“夹断”电压，使得能够实现RF输出功率中的改进，以及增加能够实现高效操作的动态RF输入驱动范围。

本发明由所附的权利要求具体地限定。然而，结合附图通过参考详细的描述和权利要求可以对本发明有更全面的理解。

图1示出了按照本发明具有有源偏置的杜赫蒂型放大器的方框图。

这里给出的示例说明了本发明的一个优选实施例，且该示例并不构成对任何其他方式的限制。

本发明尤其提供一种使用有源电路线性放大的高效功率放大器，它提供一种手段，电性地确定有源装置诸如场效应晶体管(FET)，或双极晶体管的RF驱动电平。已知的RF驱动电平提供了一种手段，利用该手段可以使用电子电路以对功率放大器的DC到RF的转换效率进行改进和/或确定复合输入信号的RF包络。

本发明使用了固态物理的FET和/或双极晶体管，其特征在于各自器件的栅/源结和基/发射结形成了PN结，在反向偏置的条件下，该PN结呈现出由下式给出的漏电流：

I_二极管＝I_s{e^qv/(nkT)-1}

其中：

I_二极管＝器件的栅源区域(即对于FET)的PN结中的电流；

V＝施加到栅/基结的反向偏置电压；

q＝电荷(1.602×10^-19)；

T＝绝对温度(25℃＝297°K)；

n＝计算二极管结中空间电荷复合的理想因数；

K＝波尔兹曼常数(1.380×10^-23焦尔/°K)；和

I_s＝二极管结的反向饱和电流。

根据RF驱动条件，上述等式变为：

I_二极管＝I_s{e^{qvgsin(ωt)/(nkT)}-1}

其中：

VgSin(ωt)＝围绕栅压改变RF驱动电压的时间。

该式在一时间期间的积分产生该期间的平均栅电压。

如果一电阻与FET或双极器件的DC栅极电压或DC基极电压以串联连接，则可以测量在栅/基极的DC电压和通过该电阻为所施加RF驱动电平的函数的电流。

然后，在控制电路中可以使用引起电压和电流的这种RF驱动，控制电路的功能是要确定最佳偏置条件，用于实现RF功率放大器的最大RF输出功率和DC到RF转换效率，该RF功率放大器中使用着由此获得控制电压和电流的器件。

因为一个增加的RF输入信号会导致增加RF输出功率，直到该放大器接近饱和。然而，如果该RF驱动电平在电平上足够的大，载波放大器将在其栅/基极上产生一负电压(由于该RF信号的整流，作为栅-源结被驱动进入前向偏置的结果)。如果该负电压出现在有源装置实现其全FT输出功率能力之前，则该载波放大器将被“夹断”，且将过早地出现FR功率饱和。

在本发明中，能防止在峰值放大器中出现负的“夹断”电压，使得能够实现RF输出功率中的改进，以及增加能够实现高效操作的动态RF输入驱动范围。