[发明专利]高效率线性功率放大

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及适用于发射机，例如，丙类CPFSK(连续相位频移键控)发射机的线性功率放大器和线性放大的方法。

相关技术的讨论

用于无线通信的信号属于以下三类中的一类：(i)纯幅度调制(AM)；(ii)纯角度调制或恒定包络信号，例如频率调制(FM)或相位调制(PM)；或(iii)具有AM和FM分量的复合调制，例如单边带(SSB)。

缩写AM，FM和SSB在历史上是指用模拟方式的语音波形对无线电波的调制。近来，用数字数据信号的调制已发现有更大的重要性。数字调制信号会占用很宽的频带，除非使用一些装置以抑制发送的频谱。一方面，对于使用数据信号的恒定包络调制能把频谱限制到什么程度是有限制的。另一方面，使用非恒定包络调制则要求这样的线性发射机功率放大器，它能保持由它所放大的信号的幅度和相位，而这样的装置比恒定包络功率放大器的效率要低。

现有技术根据要被放大的信号类型而认可各种类别的功率放大器。

甲类放大器在整个信号波形周期内都有信号电流导通，它是线性最好的放大器。甲类放大器适用于幅度可能变化的信号，放大器对供电源(例如电池)的功率消耗是恒定的而与信号电平无关，至少在信号电平不超过最大功率能力或饱和点时是这样。在可变幅度信号低于饱和功率输出电平的时间内甲类放大器是很浪费功率的。这一点在乙类放大器时得以改善。

乙类放大器仅在输入信号波形的半周期内有信号电流导通。在推挽式乙类放大器中，一个器件在一半周期内导通，而另一个器件在其余的半个周期内导通。乙类放大器从供电源消耗的电流变化量正比于瞬时输出功率电平的平方根。虽然乙类放大器在不送出输出功率时不消耗电流，且放大器在零和饱和之间的中间功率电平时其效率比甲类放大器好，但是乙类放大器的效率在较低输出功率时仍然比饱和时低，所以在信号有变化的幅度时其平均效率比在饱和输出功率时的最大效率要低。

丙类放大器在小于全信号周期的一半时间内导通，它主要用于其负载被调谐到信号频率的射频放大器。丙类放大器只适用于恒定包络信号，且在全部时间内以完全饱和的效率工作。如果试图用丙类功率放大器放大非恒定包络信号，那么信号包络起伏将不能真实地再现，而将被截波或导致失真。

现有技术也包括为改进乙类和丙类放大器的线性度的各种电路结构，这些大致可分类为反馈，前馈或包络再调制。

作为反馈方法的一个例子，已制成这样的放大器，其中幅度检测器检测输出幅度，并把它和输入信号所希望的幅度相比较。该误差用来产生反馈信号，它增加或降低功率放大器的增益，或朝纠正幅度的方向改变偏压或其它某些参量。

反馈方法在现有技术中也已被描述过，其中使用了幅度和相位反馈，后者也消除了被称作AM到PM变换的非线性的来源。

在熟知的反馈方法中，幅度和相位角都不被检测，而是检测复数矢量分量，并把它们和应当得到的结果相比较，产生两个误差信号，反馈回去使每个分量调整到希望的值。这被称为笛卡尔坐标环路反馈，而幅度和相位反馈方法被称为极坐标环路。

技术上熟知的前馈方法包括从输入信号的一部分中减去功率放大器输出信号的一部分以得出误差信号，放大此误差信号，然后从功率放大器输出信号中减去误差信号。这通常仅当误差信号在功率放大器的输出中已经很小时，即当放大器已基本是线性时才在技术上是有利的。

非线性常常借助于所谓的双音测试法来测量，其中两个在频率上相近的信号f1和f2被相加以产生非恒定包络测试信号。功率放大器输出中的其它频率的出现显露出非线性的存在，特别是在2f1-f2和2f2-f1处，这被称作为三阶互调产物。一般而言，好的线性功率放大器在没有上述电路结构时互调电平低于测试音电平达30到35dB，而前馈可使此性能提高到比测试音电平低60dB。

被称为预失真的方法也属于前馈方法类，其中使用非线性输入输出变换函数的知识进行预先计算以修正输入信号，并用此信号来驱动功率放大器以产生想要的输出信号。

在丙类功率放大器中可使用包络再调制，以恢复丙类放大器通常不能重现的幅度变化。包络再调制的最有效的方式是改变供给功率放大器的电源电压。这被称之为高电平幅度调制(AM)，并可用脉冲宽度调制来最有效地完成。然而，高电平AM的所有形式都需要使用大量元件。

CPFSK(连续相位频移键控)是一种恒定包络调制，即一种纯相位调制，其相位轨线被大大地平滑化以控制相邻信道的能量。CPFSK的优点在于，它可以使用丙类发射功率放大器来放大。