一种射频功率放大器功率控制系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103312278 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103312278 A *CN103312278A* (21)申请号 201310172789.4 (22)申请日 2013.05.10 H03F 3/189(2006.01) H03F 3/20(2006.01) (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037 号 (72)发明人 陈晓飞 沈军 沈亚丁 邹雪城 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201 代理人 曹葆青 (54) 发明名称 一种射频功率放大器功率控制系统 (57) 摘要 本发明涉及。

2、功率放大器技术， 具体为一种结 合功率合成与动态负载的射频功率放大器功率控 制系统。 在单片射频收发器中， 功率控制常采用数 字控制的功率合成技术， 当功率放大器工作在非 最大输出功率水平时， 其效率会由于等效负载不 是最佳负载而降低。本发明系统由射频功率合成 单元、 动态负载单元和功率控制逻辑单元 ； 功率 控制逻辑单元接收功率控制信号从而控制加权的 功率放大器的组合， 通过查找表调节动态负载调 节电路状态， 从而有效提高各种功率输出水平时 的功率效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利。

3、要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103312278 A CN 103312278 A *CN103312278A* 1/1 页 2 1. 一种射频功率放大器功率控制系统， 包括由加权的射频功率放大器 X1、 X2、 X4、 X8 构 成的射频功率合成单元， 其特征在于， 该系统还包括动态负载单元和功率控制逻辑单元 ； 所述动态负载单元由动态负载调节电路构成， 用于通过调节负载匹配网络的参数来改 变功率放大器的等效负载阻抗， 使得在不同的功率水平下， 射频功率合成单元中的各射频 功率放大器的等效负载阻抗均近似为最佳负载阻抗 ； 所述功率控制逻辑单元根据外部功率控制信号。

4、解析出目标输出功率值， 控制射频功率 合成单元中的各加权的射频功率放大器的组合， 通过查找表调节动态负载调节电路状态， 以提高各种功率输出水平时的功率效率。 2. 根据权利要求 1 所述的射频功率放大器功率控制系统， 其特征在于， 所述功率控制 逻辑单元包括查找表、 输入控制逻辑电路， 动态负载选择逻辑电路， 以及加权功率控制电 路 ； 查找表用于存储一系列功率水平下动态负载单元的组合状态， 每个组合状态对应一种 功率输出水平 ； 输入控制逻辑电路将外部输入射频信号的功率值， 在查找表中查找到对应 的负载匹配网络配置， 并提供给动态负载选择逻辑电路 ； 同时还将功率值提供给加权功率 控制电路 。

5、； 动态负载选择逻辑电路将查找表中查找到的对应的功率下的负载配置， 通过动 态负载单元的使能控制线使能对应的负载匹配网络， 从而得到该功率水平下对应的近似最 优负载 ； 加权功率控制电路根据对应的功率水平使能对应的射频功率放大器配置， 从而得 到对应的功率输出水平。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的射频功率放大器功率控制系统， 其特征在于， 所述动态 负载调节电路包括第一至第十电容 C1、 C2、 C10， 电感 L 和第一至第八开关 K1、 K2、 K8， 其中， 第一至第十电容 C1、 C2、 、 C10 的电容值满足二进制加权， 输出端口接负载， 输入 端口接各射频功率放大器的功率。

6、合成输出点 ； 电感 L 的两端分别与输入和输出端口连接， 电容 C1、 C2、 C3、 C4 和 C5 的一端均与所述输入端口连接， 电容 C1 的另一端直接接地， 电容 C2、 C3、 C4 和 C5 的另一端分别通过连接开关 K1、 K2、 K3、 K4 后接地 ； 电容 C6、 C7、 C8、 C9 和 C10 的一端均与输出端口连接， 电容 C6 的另一端直接接地， 电容 C7、 C8、 C9 和 C10 的另一端 分别通过连接开关 K5、 K6、 K7、 K8 后接地。 权 利 要 求 书 CN 103312278 A 2 1/4 页 3 一种射频功率放大器功率控制系统 技术领域 。

7、0001 本发明涉及功率放大器技术， 具体涉及一种结合功率合成与动态负载的射频功率 放大器功率控制系统。 背景技术 0002 针对手持通信设备应用， 射频功率放大系统的能耗几乎占了通信系统总能耗的 50甚至更高， 为了延长电池寿命， 需要尽可能地提高射频功率放大器的效率。 功率放大器 的峰值效率， 也就是输出最大功率时的效率一般会比较高， 但是通信系统大部分时间工作 在低功率水平下， 因此， 提高射频功率放大器低功率水平时的效率从而获得高的平均效率 至关重要。 0003 使用控制加权功率合成实现功率控制的射频功率放大器， 等效负载一般设计为最 大功率输出时要求的最佳负载值。 低功率输出时， 由。

8、于电源电压固定， 而功率放大器的输出 电流能力有限， 此时其效率最佳等效负载比最大功率输出时要求的最佳负载值大， 假若不 作动态负载调节， 输出负载匹配网络是固定的， 此时功率放大器的效率相比于最大功率附 加功率效率会下降， 效率下降的幅度甚至达到一个数量级。 0004 图 1 为传统的功率控制功率合成射频功率放大器系统框图， 图中加权的功率放大 器由 X1、 X2、 X4 和 X8 构成， 这四个功率放大器的功率输出能力为二进制加权， X2 是 X1 的两 倍， X4 是 X2 的两倍， X8 是 X4 的两倍。微控制器通过四个使能控制端 PA_CTL0， PA_CTL1， PA_CTL2，。

9、 PA_CTL3 分别控制对应加权的射频功率放大器， 这四个使能控制端接收的是数字 信号， 可以构成十六种组合的功率输出， 从而达到功率控制的目的。 图中的负载匹配网络为 固定型， 将负载阻抗等效为功率放大器最大功率输出时的最佳阻抗， 从而在最大功率输出 时得到最高的效率。 0005 图 2 为传统的功率控制功率合成射频功率放大器的输出功率与效率的关系。从图 中可以看出， 在较大的功率水平上 ( 图中 211) 功放具有较高的效率 ； 当功率水平下降 ( 图 中 212) 时， 射频放大器的效率急剧下降， 最小功率输出时的效率跟最大功率输出时的效率 相比， 效率下降的幅度甚至达到一个数量级。 。

10、发明内容 0006 本发明提供一种射频功率放大器功率控制系统， 其目的在于提高功率合成射频功 率放大器的平均效率。 0007 本发明提供的一种射频功率放大器功率控制系统， 包括由加权的射频功率放大器 X1、 X2、 X4、 X8 构成的射频功率合成单元， 其特征在于， 该系统还包括动态负载单元和功率控 制逻辑单元 ； 0008 所述动态负载单元由动态负载调节电路构成， 用于通过调节负载匹配网络的参数 来改变功率放大器的等效负载阻抗， 使得在不同的功率水平下， 射频功率合成单元中的各 射频功率放大器的等效负载阻抗均近似为最佳负载阻抗 ； 说 明 书 CN 103312278 A 3 2/4 页 。

11、4 0009 所述功率控制逻辑单元根据外部功率控制信号解析出目标输出功率值， 控制射频 功率合成单元中的各加权的射频功率放大器的组合， 通过查找表调节动态负载调节电路状 态， 以提高各种功率输出水平时的功率效率。 0010 作为上述技术方案的改进， 所述功率控制逻辑单元包括查找表、 输入控制逻辑电 路， 动态负载选择逻辑电路， 以及加权功率控制电路 ； 查找表用于存储一系列功率水平下 动态负载单元的组合状态， 每个组合状态对应一种功率输出水平 ； 输入控制逻辑电路将微 控制器发送的二进制码流解码为对应的功率值， 在查找表中查找到对应的负载匹配网络配 置， 并提供给动态负载选择逻辑电路 ； 同时。

12、还将功率值提供给加权功率控制电路 ； 动态负 载选择逻辑电路将查找表中查找到的对应的功率下的负载配置， 通过动态负载单元的使能 控制线使能对应的负载匹配网络， 从而得到该功率水平下对应的近似最优负载 ； 加权功率 控制电路根据对应的功率水平使能对应的射频功率放大器配置， 从而得到对应的功率输出 水平。 0011 作为上述技术方案的进一步改进， 所述动态负载调节电路包括第一至第十电容 C1、 C2、 、 C10， 电感 L 和第一至第八开关 K1、 K2、 、 K8， 其中， 第一至第十电容 C1、 C2、 、 C10 的电容值满足二进制加权， 输出端口接负载， 输入端口接各射频功率放大器的功率。

13、合成 输出点 ； 电感 L 的两端分别与输入和输出端口连接， 电容 C1、 C2、 C3、 C4 和 C5 的一端均与所 述输入端口连接， 电容 C1 的另一端直接接地， 电容 C2、 C3、 C4 和 C5 的另一端分别通过连接 开关 K1、 K2、 K3、 K4 后接地 ； 电容 C6、 C7、 C8、 C9 和 C10 的一端均与输出端口连接， 电容 C6 的 另一端直接接地， 电容 C7、 C8、 C9 和 C10 的另一端分别通过连接开关 K5、 K6、 K7、 K8 后接地。 0012 在单片射频收发器中， 功率控制常采用数字控制的功率合成技术， 当功率放大器 工作在非最大输出功率。

14、水平时， 其效率会由于等效负载不是最佳负载而降低。为此， 本发 明提供一种可根据功率放大器输出功率水平而自动调节等效负载使其接近最佳负载的控 制方法， 从而有效提高各种功率输出水平时的功率效率。 具体而言， 本发明具有以下技术特 点 ： 0013 (1) 在使用功率合成技术控制输出功率的射频功率放大器系统中， 利用数字控制 的动态负载调节电路来提高低输出功率水平时的功率效率。 0014 (2) 使用数字控制加权的功率放大器单元实现。 0015 (3) 使用数字控制技术根据功率放大器输出功率水平动态改变等效负载。 0016 (4) 通过查表实现的。 附图说明 0017 图 1 为传统的功率控制功。

15、率合成射频功率放大器系统框图。 0018 图 2 为传统的功率控制功率合成射频功率放大器的输出功率与效率的关系示意 图。 0019 图 3 为本发明实例所述功率控制系统的结构框图。 0020 图 4 为本发明实例所述的动态负载调节电路的结构示意图。 0021 图 5 为使用本发明所述功率控制技术的功率放大器输出功率与效率的关系示意 图。 说 明 书 CN 103312278 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0022 本发明的原理是， 一种输出功率对应一种负载匹配网络， 这种对应关系存储在查 找表中。当选择一种输出功率时， 通过查找表找到对应的匹配网络组合， 动态改变等效负 载， 使得功率。

16、放大器在所有的输出功率水平下都可以得到近似最佳的等效负载匹配网络， 从而有效提高功率放大器平均效率。 0023 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是， 对于 这些实施方式的说明用于帮助理解本发明， 但并不构成对本发明的限定。 此外， 下面所描述 的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 0024 图 3 为本发明所述功率控制技术的系统框图， 由射频功率合成单元 1、 动态负载单 元 2 和功率控制逻辑单元 3 三部分组成。 0025 射频功率合成单元 1 由加权的功率放大器 X1、 X2、 X4、 X8 构成， 这些功率放大器具。

17、 有不同的功率输出等级， 通常情况下为二进制加权。 0026 动态负载单元 2 由动态负载调节电路构成， 主要的功能就是通过调节负载匹配网 络的参数来改变功率放大器的等效负载阻抗， 使得在不同的功率水平下， 功率放大器的等 效负载阻抗均近似为最佳负载阻抗。 0027 功率控制逻辑单元 3 接收来自微控制器的查找表配置信号和功率控制信号。微控 制器属于整个射频发送器部分， 不属于功率放大器部分。 在初始化阶段， 功率控制逻辑单元 3 利用查找表配置信号配置基于 SRAM 的查找表， 将一系列功率水平下的动态负载单元的组 合状态存储于查找表中。当微控制器需要改变射频功率放大器的功率输出水平时， 微。

18、控制 器对功率控制逻辑单元发送功率控制信号， 功率控制逻辑单元利用该信号解析出目标输出 功率值， 进而控制射频功率合成单元中的各加权的射频功率放大器的组合， 调节动态负载 调节电路状态， 以提高各种功率输出水平时的功率效率。 0028 本实例提供的功率控制逻辑单元 3 由查找表 31、 输入控制逻辑电路 32， 动态负载 选择逻辑电路 33， 以及加权功率控制电路 34 四部分构成。 0029 查找表 31 基于现有的 SRAM 技术， 以便于在不同的应用场合存储不同的匹配网络 配置。查找表 31 用于存储一系列功率水平下动态负载单元的组合状态， 每个组合状态对应 一种功率输出水平。 0030。

19、 输入控制逻辑电路 32 将输入的二进制码流译码为对应的功率值， 根据对应的功 率值， 在查找表 31 中查找到对应的负载匹配网络配置， 并提供给动态负载选择逻辑电路 33。 0031 输入控制逻辑电路 32 将输入的二进制码译码为对应的功率值， 并提供给加权功 率控制电路 34。 0032 动态负载选择逻辑电路 33 将查找表中查找到的对应的功率下的负载配置， 通过 动态负载单元的使能控制线 DL_CTL0， DL_CTL1， DL_CTL2， DL_CTL3 使能对应的负载匹配网 络， 从而得到该功率水平下对应的近似最优负载。 0033 加权功率控制电路 34 根据对应的功率水平使能对应的。

20、功率放大器配置， 从而得 到对应的功率输出水平。通过这种配置， 射频功率放大器在各个功率水平输出时均具有 近似的最佳负载匹配， 从而达到效率提升的目的。四个使能控制端 PA_CTL0， PA_CTL1， PA_ CTL2， PA_CTL3 分别控制对应加权的射频功率放大器 X1、 X2、 X4 和 X8。 说 明 书 CN 103312278 A 5 4/4 页 6 0034 图4为本发明中动态负载调节电路的一种实现方式， 该电路由第1至第十电容C1、 C2、 C10， 电感 L 和第 1 至第八开关 K1、 K2、 K8 构成， 具有输入和输出端口， 其中， 通 常各电容的电容值满足二进制加。

21、权， 例如 C5 8xC2， C4 4xC2， C3 2xC2， C10 8xC7， C9 4xC7， C8 2xC7， 输出端口接负载 ( 如天线 )， 输入端口接功率放大器的功率合成输 出点。电感 L 的两端分别与输入和输出端口连接， C1、 C2、 C3、 C4 和 C5 的一端均与输入端口 连接， C1 的另一端直接接地， C2、 C3、 C4 和 C5 的另一端分别通过连接开关 K1、 K2、 K3、 K4 后 接地 ； C6、 C7、 C8、 C9 和 C10 的一端均与输出端口连接， C6 的另一端直接接地， C7、 C8、 C9 和 C10 的另一端分别通过连接开关 K5、 K。

22、6、 K7、 K8 后接地。该网络为一个结合了动态调节的 型匹配网络， 动态调节是通过加权的电容 8xC2(C5)、 4xC2(C4)、 2xC2(C3)、 C2、 8xC7(C10)、 4xC7(C9)、 2xC7(C8)、 C7， 以及 K1、 K2、 K8 实现。电容值的加权通常为二进制加权， 不同 的开关状态对应不同的电容值接入电路， 从而得到不同的等效输入阻抗， 达到动态负载调 节的目的。 0035 动态负载调节电路接收动态负载选择逻辑电路 33 通过使能控制线 DL_CTL0， DL_ CTL1， DL_CTL2， DL_CTL3 发送的对应功率水平下动态负载的配置状态， 根据这个。

23、状态， 动态 负载调节电路闭合或者断开开关 K1、 K2、 K8， 将不同容量的电容值接入匹配网络中。 0036 动态负载调节电路的输入接射频功率放大器 X1， X2， X4， X8 的输出， 射频功率放大 器 X1， X2， X4， X8 的不同使能状态需要不同的负载配置才能达到最高的功率效率， 动态负载 调节电路就是射频功率放大器 X1， X2， X4， X8 的负载， 动态负载调节电路的负载特性由开关 K1、 K2、 K8 的状态决定。 0037 动态负载调节电路的输出接实际负载， 这个实际负载可以是天线， 也可以是另一 个匹配网络或者滤波网络。 0038 图 5 为使用本发明所述功率控制技术的功率放大器输出功率与效率的关系， 对比 图 2 可以看出， 在低功率输出水平时， 本发明所述的功率控制方式在功率效率上有明显的 提高。 0039 以上所述为本发明的较佳实施例而已， 但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改， 都落入本发明保 护的范围。 说 明 书 CN 103312278 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103312278 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103312278 A 8 。