專利名稱：一種寬帶大功率線性功率放大裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于移動通訊領域的基站發射機，尤其涉及一種可用于基站發射機的大功率線性功率放大裝置。
本實用新型是這樣解決上述技術問題的，構造一種寬帶大功率線性功率放大裝置，包括推動放大單元101、末前放大單元12和末級放大單元13，所述推動放大單元101包括輸入隔離器和與之連接的射頻功放模塊，所述末前放大單元12包括LDMOS功率晶體管102以及輸出隔離器103，所述末級放大單元13包括分路器、合路器以及連接在分路器與合路器之間的組合功率管。
在本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置中，所述末級放大單元中所述分路器包括其輸入端連接末前級輸出的第一分路器104，以及其輸入端分別連接第一分路器104兩個輸出端的第二和第三分路器105和106，所述合路器包括第一、第二合路器111和112以及將第一和第二合路器合路的第三合路器113，所述組合功率管包括四個相同的高增益、超線性、高效率、熱穩定性能好的雙極型推挽式LDMOS功率晶體管107-110，其中兩個功率晶體管107、108的輸入端連接在第二分路器105的輸出端，而輸出端分別連接到第一合路器111，另兩個功率晶體管109、110的輸入端連接在第三分路器106的輸出端，而輸出端分別連接到第二合路器112，由第三合路器113將第一、第二合路器的輸出合路輸出。
在本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置中，所述組合功率管中的每個晶體管(107-110之一)為雙極型推挽式LDMOS功率晶體管。
在本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置中，所述組合功率管中的每個晶體管(107-110之一)的輸入和輸出端分別連接有輸入匹配單元203和輸出匹配單元205，還包括與所述輸入匹配單元203連接的溫度補償偏置電路202和平衡非平衡轉換器201，與所述輸出匹配單元205連接平衡非平衡轉換器206。
在本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置中，所述輸入匹配單元是25Ω與單個晶體管輸入阻抗之間的阻抗變換比約為10的匹配，所述輸出匹配單元是25Ω與單個晶體管輸出阻抗之間的阻抗變換比約為7的匹配。
在本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置中，所述輸入匹配單元和所述輸出匹配單元采用兩節低通濾波形式實現。
在本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置中，所述溫度補償偏置電路包括一個或多個串接晶體管輸入與地之間的二極管。
實施本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置，與現有技術相比，提高了功率放大單元的效率，改善了線性度，節省了能耗，從而為減小功率放大單元(乃至基站)的體積打下了基礎，另外該功率放大單元的帶寬可達50MHz以上。
如

圖1所示，本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置包括三個部分推動放大單元101、末前放大單元12和末級放大單元13。其中，推動放大單元101包括一個用于改善輸入口駐波的輸入隔離器和提供超線性推動信號的純甲類超線性內匹配射頻功放模塊；末前放大單元12包括用于提供超線性、高效率、中功率信號的高增益、超線性、高效率、熱穩定性能好的LDMOS功率晶體管102以及用于與其輸出端連接的末級放大單元進行匹配的的輸出隔離器103；末級放大單元13包括分路器、合路器以及連接在分路器與合路器之間的組合功率管，其中，所述分路器包括其輸入端連接末前級輸出的第一分路器104，以及其輸入端分別連接第一分路器104兩個輸出端的第二和第三分路器105和106，合路器包括第一、第二合路器111和112以及將第一和第二合路器合路的第三合路器113，所述組合功率管包括四個相同的高增益、超線性、高效率、熱穩定性能好的雙極型推挽式LDMOS功率晶體管107-110，其中兩個功率晶體管107、108的輸入端連接在第二分路器105的輸出端，而輸出端分別連接到第一合路器111，另兩個功率晶體管109、110的輸入端連接在第三分路器106的輸出端，而輸出端分別連接到第二合路器112，由第三合路器113將第一、第二合路器的輸出合路示出。實際上，每個功率晶體管還外接有輸入輸出平衡非平衡轉換器外部元件，以及保證LDMOS功率管靜態工作點相對穩定的溫度補償偏置電路。
按照本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置采用系列化超線性、高效率、熱穩定性能好的LDMOS功率晶體管來實現高效寬帶大功率線性功率放大單元，其工作過程是這樣的如圖1所示，射頻輸入信號(RF)首先進入推動放大單元101進行放大，推動放大單元101輸出的小功率信號接著進入末前放大管102進行放大，末前放大管102輸出的中功率信號經隔離器103進入末級放大單元13進行放大，最后在末級放大單元13中經第一、第二和第三合路器111～113合成后得到本實用新型所需要的大功率信號。在圖1示出的根據本實用新型的最佳實施例的一個高效大功率線性功率放大裝置的結構圖中，推動放大單元101采用A類LDMOS超級線性功放模塊，其主要指標如下工作頻率 800MHz-925MHz工作電壓 28V靜態工作電流 770mA增益 31dB三階交調點50dBm增益平坦度+/-0.1dB1dB壓縮點功率 39dBm(8W)經過推動放大單元101放大后的射頻信號進入末前放大管102，末前放大管102可采用高增益、超線性、高效率、熱穩定性能好的LDMOS功率晶體管來實現。該功率晶體管的主要指標如下工作頻率 800MHz-895MHz工作電壓 27V增益 17dB(min)1dB壓縮點功率 105WIMD3 -31dBc(Vd＝28V，Idq＝700mA，Pout＝90WPEP)由于該功率晶體管在AB類放大狀態下的超線性，為了兼顧線性度及效率的要求，末前放大管102采用AB類放大，做適度的功率回退；這樣使電路得到簡化，也增加了可靠性。
推動放大單元101和末前放大管102兩級放大的作用是提供一個高增益、高線性的射頻信號，其增益可達47dB、輸出功率5W時的IM3可達-48dBc、功耗54W，效率為9.3％。
為了保證整個放大單元的帶內平坦度及交調指標，在末前放大管102的輸出端增加了一個隔離器103，以改變前后級之間的匹配。
末前放大單元102輸出的射頻信號經隔離器103進入第一分路器104，第一分路器104分出來的兩路信號分別進入第二分路器105、第三分路器106，這樣末前放大單元102輸出的射頻信號就被分成四路信號，這四路信號分別進入末級放大管107～～110。
末級放大單元采用四個相同的高增益、超線性、高效率、熱穩定性能好的雙極型推挽式LDMOS功率晶體管107～～110。每個功率晶體管的主要指標如下工作頻率865MHz-895MHz工作電壓26V輸出功率(1dB壓縮) 170W增益16dB(min)IMD3-31dBc(Vd＝26V，Idq＝1.4A，Pout＝170W PEP)經四個末級放大管107～～110放大后的大功率信號分別進入第一合路器111、第二合路器112和第三合路器113，合路器對這四路信號進行兩兩合成后再合成，末級放大的增益可達15dB，最后得到輸出功率100W，IM3可達-45dBc、功耗540W，效率為18.5％的大功率信號。
上述三級放大的總增益可達62dB，工作帶寬可達50MHz，輸出功率100W，IM3可達-45dBc、4載波ACPR≤-49dBc@±1.98MHz、增益平坦度≤±0.35dB、功耗為54+540＝594W，效率可達100/594＝16.8％。
圖1實施例中所選用的分路器103～105及合路器111～112的參數如下工作頻率 815MHz-960MHz隔離度22dB插入損耗 0.23dB駐波比1.2∶1幅度平衡 +/-0.3dB相位平衡 3度通過功率 150W(平均)圖1實施例中所選用的合路器113的參數如下工作頻率 815MHz-960MHz通過功率 200W(平均)插入損耗 0.23dB幅度平衡 +/-0.3dB相位平衡 3度隔離 20dB
駐波比1.2∶1圖2是圖1中末級放大管(107-110)之一的電路結構圖，可以看出，每個末級放大管204的外圍電路都是由BALUN(平衡非平衡轉換器)201、206，輸入匹配單元203、偏置電路202、輸出匹配單元205這幾部分構成。由于末級放大管204選用雙極型推挽式LDMOS功率晶體管，對于推挽式的功放電路在其輸入和輸出需要設計平衡非平衡轉換器201和206，它們在電路中主要起以下作用1)提供平衡到非平衡的轉換；2)在電路中提供180度的相移，以產生推挽式的功率合成效果；3)由于推挽式的效果，每個平衡口到地的阻抗為兩個平衡口之間的阻抗的一半。這實際上等于降低了阻抗變換比，使得對大功率低阻抗的功率管的阻抗匹配難度減小；4)推挽式的效果還使放大單元輸出端的偶次諧波大大降低；5)四分之一波長的平衡非平衡轉換器往往也起阻抗變換的作用，其阻抗變換比取決于平衡非平衡轉換器的特性阻抗，可根據工作帶寬的需要決定平衡非平衡轉換器的特性阻抗。
傳統的微波平衡非平衡轉換器一般有同軸電纜形式和微帶形式，由于電纜形式的平衡非平衡轉換器設計簡單，所以被廣泛采用。但它最大的缺點就是一致性稍差。目前有公司用陶瓷材料以微帶形式研制出了表面安裝平衡非平衡轉換器器件，其最大的特點就是安裝簡單，使用方便，便于批量生產。另外，還有插損小、工作頻帶寬及平衡度優良等特點。本實用新型的功放中選用的平衡非平衡轉換器主要指標如下
工作頻率0.8-1.0GHz反向損耗10dB(Min)插入損耗0.3dB(Max)幅度平衡+/-0.4dB相位平衡+/-5.0度通過功率250W(平均)平衡口到地阻抗 25Ω非平衡口阻抗50Ω本功放推挽功率管的匹配實際是指25Ω與其中的每個單晶體管輸入或輸出阻抗之間的匹配。對于末級放大管其輸入阻抗變換比約為10，輸出阻抗變換比約為7。匹配網絡選用兩節低通濾波形式。之所以選擇這種網絡是考慮到帶寬、帶內平坦度、幅度平衡及相位平衡等諸多因素。
圖3中的Z代表推挽式功放管中的每個單晶體管的輸入或輸出阻抗，25歐為平衡非平衡轉換器的平衡端到地的阻抗。這種匹配方式是微波推挽式功放管常用的一種電路。C1和C2除了對Z到25歐的阻抗變換起作用外，對幅度或相位平衡也十分有益。這一點十分重要，電路的平衡對平衡非平衡轉換器的插入損耗影響很大，對二次諧波的抑制也至關重要。匹配電路參數的選定比較復雜，首先要根據帶寬的要求定出Q值，然后才能由大信號條件下測得的Z值按最佳匹配原則定出C1、C2及微帶電路的參數及尺寸。這里必需強調的是，計算得到的數據只是個參考值，參數最后的確定必需要在帶內增益平坦度、IMD3、增益及效率等之間取折衷通過實驗來完成。例如，為了獲得最大的增益平坦度，輸入匹配電路需要作適度的失配(非最佳匹配)。輸出電路與增益平坦度關系不大，但需要在IMD3、效率、增益及輸出功率之間進行折衷。
LDMOS功率管的靜態工作點的設置也需要在線性、效率及增益之間進行折衷以取得一個最佳的靜態工作電流。然而，隨著工作溫度的變化，這個工作點會發生變化。對于AB類偏置來說，隨著工作溫度的升高LDMOS功率管的柵極靜態工作電流也在升高。為了保證LDMOS功率管的靜態工作點的相對穩定，在本實用新型中我們采用了圖4所示溫度補償的偏置電路。
圖4是圖2中末前級、末級放大管的溫度補償偏置電路圖，圖中R2通過兩只串聯的二極管D1、D2接地。因此，Vg的大小與D1和D2的電導有關。隨著溫度的增加，其電導也隨之增加，因而Vg也會減小，Vg減小導致LDMOS功率管的柵極靜態工作電流也在減小，這樣就保證了由于溫度變化時LDMOS功率管的柵極靜態工作電流的相對穩定，從而實現該電路對溫度的部分跟蹤。串兩個或更多的二極管主要由其接入系數及跟蹤的精度來定。
權利要求1.一種寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于，包括推動放大單元(101)、末前放大單元(12)和末級放大單元(13)，所述推動放大單元(101)包括輸入隔離器和與之連接的射頻功放模塊，所述末前放大單元(12)包括LDMOS功率晶體管(102)以及輸出隔離器(103)，所述末級放大單元(13)包括分路器、合路器以及連接在分路器與合路器之間的組合功率管。
2.根據權利要求1所述寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于，所述末級放大單元中所述分路器包括其輸入端連接末前級輸出的第一分路器(104)，以及其輸入端分別連接第一分路器(104)兩個輸出端的第二和第三分路器(105、106)，所述合路器包括第一、第二合路器(111)和(112)以及將第一和第二合路器合路的第三合路器(113)，所述組合功率管包括四個相同的高增益、超線性、高效率、熱穩定性能好的雙極型推挽式LDMOS功率晶體管(107-110)，其中兩個功率晶體管(107、108)的輸入端連接在第二分路器(105)的輸出端，而輸出端分別連接到第一合路器(111)，另兩個功率晶體管(109、110)的輸入端連接在第三分路器(106)的輸出端，而輸出端分別連接到第二合路器(112)，由第三合路器(113)將第一、第二合路器的輸出合路輸出。
3.根據權利要求1或2所述寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于，所述組合功率管中的每個晶體管(107-110)之一為雙極型推挽式LDMOS功率晶體管。
4.根據權利要求1或2或3所述寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于，所述組合功率管中的每個晶體管(107-110)之一的輸入和輸出端分別連接有輸入匹配單元(203)和輸出匹配單元(205)，還包括與所述輸入匹配單元(203)連接的溫度補償偏置電路(202)和平衡非平衡轉換器(201)，與所述輸出匹配單元(205)連接平衡非平衡轉換器(206)。
5.根據權利要求4所述寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于，所述輸入匹配單元是25Ω與單個晶體管輸入阻抗之間的阻抗變換比約為10的匹配，所述輸出匹配單元是25Ω與單個晶體管輸出阻抗之間的阻抗變換比約為7的匹配。
6.根據權利要求5所述寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于，所述輸入匹配單元和所述輸出匹配單元采用兩節低通濾波形式實現。
7.根據權利要求4所述寬帶大功率線性功率放大裝置，其特征在于， 所述溫度補償偏置電路包括一個或多個串接晶體管輸入與地之間的二極管。
專利摘要一種寬帶大功率線性功率放大裝置,包括推動放大單元101、末前放大單元12和末級放大單元13,所述推動放大單元101包括輸入隔離器和與之連接的射頻功放模塊,所述末前放大單元12包括LDMOS功率晶體管102以及輸出隔離器103,所述末級放大單元13包括分路器、合路器以及連接在分路器與合路器之間的組合功率管。實施本實用新型提供的寬帶大功率線性功率放大裝置,與現有技術相比,提高了功率放大單元的效率,改善了線性度,節省了能耗,從而為減小功率放大單元(乃至基站)的體積打下了基礎,另外,該功率放大裝置的帶寬可達50MHz以上。
文檔編號H03F3/00GK2514548SQ0127430
公開日2002年10月2日 申請日期2001年12月14日 優先權日2001年12月14日
發明者馬寶良, 陳化璋, 李俊虎, 楊金鵬 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所