阅读说明：本技术 宽带大功率放大器 (Broadband high-power amplifier ) 是由 托马斯·维特 弗洛里安·奥尼穆斯 乌韦·达利斯达 沃尔弗拉姆·蒂策 安德烈亚斯·安德烈 雷 于 2019-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种宽带大功率放大器,它包括用于接收输入信号的信号输入、用于放大接收的输入信号的至少一个放大器级、用于输出由所述至少一个放大器级放大的信号作为输出信号的信号输出、用于监测所述输入信号和所述输出信号的信号特征的监测单元、以及用于在取决于由所述监测单元监测的当前信号特征的最佳操作点操作所述至少一个放大器级的控制单元。(The present invention relates to a broadband high power amplifier comprising a signal input for receiving an input signal, at least one amplifier stage for amplifying the received input signal, a signal output for outputting a signal amplified by said at least one amplifier stage as an output signal, a monitoring unit for monitoring signal characteristics of said input signal and said output signal, and a control unit for operating said at least one amplifier stage at an optimal operating point depending on a current signal characteristic monitored by said monitoring unit.)

宽带大功率放大器

技术领域

本发明涉及宽带大功率放大器和用于操作该宽带大功率放大器的方法。

背景技术

宽带功率放大器可以被广泛使用，尤其用于测试目的。在实验室产品开发期间、在电子产品生产中以及为了所生产的电子装置的质量监测，常常使用宽带大功率放大器执行测试，尤其执行验证测试和确认测试。典型的测试包括互调测试、多音测试和峰均比测试以及老化测试或撞击测试。这些测试的子集也可以在生产期间作为质量保证过程的一部分执行。在传统的测试装备中，因为宽带大功率放大器在固定的操作点操作，所以它们常常未关于输出功率、信号质量和效率最佳操作。

传统上，大功率放大器被配置为使其操作点位于其线性功率放大范围的中心。其原因是在传统装备中通常存在很少的所接收的输入信号被宽带大功率放大器放大的先验知识。在传统装备中，功率放大器根据它们的最大输出功率制定尺寸因此常常以低于它们的最大功率能力使用。传统的宽带功率放大器需要处理不同的激励频率、功率电平、信号类型、调制带宽和负载条件。传统的宽带功率放大器在由工作电压和工作电流定义的固定操作点操作，其中操作点被设置为实现用于不同操作情形的或多或少满意的折衷。在传统装备中，宽带放大器包括独立于宽带放大器的期望输出功率而设置的预配置的偏置工作电流。在低输出功率的情况下，宽带放大器的整体功率不会去往宽带放大器的信号输出并且最终必须被耗散，即宽带功率放大器的功耗或多或少恒定而不管宽带功率放大器应用于其所连接的负载的输出功率大小。结果，传统宽带大功率放大器的功率效率可能非常低。

发明内容

由此，本发明的目标是提供一种宽带大功率放大器，其操作可以根据其环境的要求被优化，尤其根据测试环境的要求被优化。

此目标根据本发明的第一方面由包括权利要求1的特征的宽带大功率放大器实现。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种宽带大功率放大器，它包括用于接收输入信号的信号输入、用于放大接收的输入信号的至少一个放大器级、用于输出由所述至少一个放大器级放大的信号作为输出信号的信号输出、用于监测所述输入信号和所述输出信号的信号特征的监测单元、以及用于在取决于由所述监测单元监测的当前信号特征的最佳操作点操作所述至少一个放大器级的控制单元。

根据第二方面，本发明还提供了一种用于操作宽带大功率放大器的方法，该方法包括权利要求13的特征。

根据第二方面，本发明提供了一种用于操作宽带大功率放大器的方法，所述宽带大功率放大器具有一个或多个放大器级，所述方法包括如下步骤：

监测在所述宽带大功率放大器的放大器级的信号输入处接收的输入信号的信号特征和在所述宽带大功率放大器的所述放大器级的信号输出处输出的输出信号的信号特征；以及

控制所述宽带大功率放大器的所述至少一个放大器级以在取决于监测的信号特征的最佳操作点进行操作。

根据另一方面，本发明还提供了一种电磁兼容EMC测试装备，它包括：根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器，所述宽带大功率放大器用于放大连续波或脉冲RF测试信号。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的可能实施方式中，所述控制单元用于在最佳操作点操作所述至少一个放大器级，所述最佳操作点实现至少一个预定义的或选择的优化准则。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率的另一可能实施方式中，所述控制单元用于连续或以预设增量调节所述至少一个放大器级的至少一个晶体管或至少一个功率管的工作电流和/或工作电压以在所述最佳操作点操作所述放大器级。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述控制单元用于连续或以预设增量调节所述至少一个放大器级的至少一个晶体管或至少一个功率管的静态电流和/或供电电压以在所述最佳操作点操作所述放大器级。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述监测单元用于在所述宽带大功率放大器的所述放大器级的所述信号输入处监测所述接收的输入信号的如下信号特征的至少一个：

所述输入信号的平均输入功率、所述输入信号的峰值输入功率、所述输入信号的频率、以及所述输入信号的带宽。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述监测单元用于在所述宽带大功率放大器的所述信号输出处监测所述输出信号的如下信号特征的至少一个：

平均前向功率、峰值前向功率、前向信号的相位、平均反射功率、峰值反射功率、以及反射信号的相位。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，由所述控制单元应用以调节所述至少一个放大器级的所述操作点的所述优化准则包括：使进入与所述宽带大功率放大器的所述信号输出连接的负载的前向功率最大化、使所述宽带大功率放大器的功率效率最大化、以及使所述宽带大功率放大器的功率耗散最小化。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述放大器级的所述最佳操作点设置在所述放大器级的线性操作范围内或所述放大器级的所述线性操作范围外。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述放大器级包括包含功率晶体管的固态放大器级。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述放大器级包括包含功率管的功率管放大器级。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述放大器级包括开关放大器级。

在根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的又一可能实施方式中，所述放大器级包括导通角放大器级。

附图说明

本发明的不同方面的可能实施方式参考附图进行更详细的描述。

图1示出了根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的可能示例性实施方式的框图。

图2示出了根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器的另一可能示例性实施方式的框图。

图3A、图3B示出了用于说明与传统宽带大功率放大器相比的宽带大功率放大器的操作的信号图。

图4示出了根据本发明的第二方面的用于操作宽带大功率放大器的方法的可能示例性实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器1的可能示例性实施方式的框图。宽带大功率放大器1包括信号输出2和信号输出3。信号输出2经由信号线5从信号源4接收信号。宽带大功率放大器1包括至少一个放大器级6，放大器级6用于放大接收的输入信号并在宽带大功率放大器1的信号输出3输出放大的信号。如从图1可见，外部负载7连接至宽带大功率放大器1的信号输出3。

宽带大功率放大器1包括监测单元8，监测单元8用于监测施加于放大器级6的输入信号的信号特征和由放大器级6生成的放大的输出信号的信号特征。如图1所示，监测单元8用于将监测的信号特征提供给宽带大功率放大器1的控制单元9。宽带大功率放大器1的控制单元9用于在最佳操作点OP操作宽带大功率放大器1的至少一个放大器级6。操作点OP由控制单元9根据从监测单元8接收的当前信号特征来确定。控制单元9用于在由控制单元9设置的最佳操作点操作放大器级6以实现至少一个预定义的或选择的优化准则C。控制单元9能够连续或以预设增量调节功率放大器级6内的至少一个电子部件的工作电流Ioc和/或工作电压Vop，以在根据从监测单元8接收的监测的当前信号特征而设置的当前最佳操作点OP操作放大器级6。

放大器级6可以包括固态放大器级，该固态放大器级包括功率晶体管。这些功率晶体管可以包括双极晶体管或MOSFET。在此实施方式中，控制单元9可以连续或以预设增量调节固态放大器级6内的至少一个晶体管的工作电流和/或工作电压。在可能实施方式中，控制单元9可以调节放大器级6中集成的至少一个晶体管的静态电流和/或供电电压。

在又一可能实施方式中，放大器级6还可以包括功率管放大器级，该功率管放大器级包括功率管。在此实施方式中，控制单元9可以用于连续或以预设增量调节功率管放大器级6内的管的工作电流和/或工作电压。

在可能实施方式中，包括功率晶体管和/或功率管的放大器级6具有无源或有源冷却装置，无源或有源冷却装置被调节以冷却对应的放大器级6。冷却装置可以包括空气或液体冷却装置。在可能实施方式中，与放大器级6附接的有源冷却装置还可以由控制单元9根据接收的由监测单元8检测的信号特征进行控制。

如图1的实施方式所示，放大器级6可以包括特定的放大器类别。放大器级6可以包括开关放大器级和/或导通角放大器级。开关放大器级使用数字电路和脉宽调制PWM不断地在将输出信号驱动至放大器级的晶体管的饱和区域与截止区域的全开与全关之间切换信号。导通角放大器由输出波形一部分上的导通状态的长度限定使得输出级晶体管操作位于全开与全关之间的某个状态。

宽带大功率放大器1的监测单元8用于监测信号输入2的如下信号特征的至少一个：输入信号的平均输入功率、输入信号的峰值输入功率、输入信号的频率和/或输入信号的带宽。

监测单元8还用于在信号输出3处监测如下信号特征的至少一个：平均前向功率、峰值前向功率、前向信号的相位、平均反射功率、峰值反射功率和/或反射信号的相位。

由控制单元9应用的调节放大器级6的操作点OP的优化准则C可以由用户或测试装备控制器预定义或选择。优化准则C可以包括进入与宽带大功率放大器1的信号输出3连接的负载7的前向功率的最大化。此外，由控制单元9应用的调节放大器级6的操作点OP的至少一个优化准则C还可以包括使宽带大功率放大器1的功率效率最大化。在又一可能实施方式中，由控制单元9应用的调节放大器级6的操作点OP的优化准则C还可以包括使宽带大功率放大器1的功率耗散最小化。由控制器单元9响应于接收的由监测单元8检测的信号特征而设置的最佳操作点OP可以位于放大器级6的线性操作范围内或位于放大器级6的线性操作范围外。

由信号源4供给宽带大功率放大器1的信号输入2的信号可以包括RF信号、尤其RF测试信号。RF测试信号可以包括连续波或脉冲RF测试信号。如图1所示的宽带大功率放大器1可以形成电磁兼容EMC测试装备的一部分。

图2示出了根据本发明的第一方面的宽带大功率放大器1的又一可能示例性实施方式的框图。在所示的示例性实施方式中，宽带大功率放大器1包括串联连接在宽带大功率放大器1的信号输入2与信号输出3之间的若干放大器级6A、6B、6C。放大器级6A、6B、6C的每个由相关联的监测单元8A、8B、8C监测，监测单元8A、8B、8C将检测的信号特征提供给控制单元9，控制单元9用于在最佳操作点OP_A、OP_B、OP_C操作各个放大器级6A、6B、6C，其中每个操作点OP实现至少一个预定义的或选择的优化准侧C。由此，每个放大器级6A、6B、6C可以根据相同的优化准则或不同的优化准则***作。优化准则C可以根据对应的放大器级6A、6B、6C的能力被预定义和选择。宽带大功率放大器1的放大器级6A、6B、6C可以包括不同类的放大器级，尤其是诸如D类放大器级的开关放大器级和/或诸如A类、B类、AB类和C类放大器级的非开关导通角放大器。由控制单元9用于一个或若干放大器级6A、6B、6C的不同准则可以本地存储在宽带大功率放大器1的存储器10中。在可能实施方式中，被应用于定义特定放大器级的操作点OP的优化准则C可以由施加于宽带大功率放大器1的选择输入11的选择信号SEL来选择。选择信号SEL可以从外部控制器被施加到选择输入11，例如从测试装备的测试装置的外部控制器被施加到选择输入11。此外，选择信号可以由用户经由用户装备的用户接口UI施加。存储在宽带大功率放大器1的本地存储器10中的准则C可以包括进入与宽带大功率放大器1的信号输出3连接的负载的前向功率的最大化。此外，准则C还可以包括由控制单元9控制的对应放大器级的功率效率的最大化。此外，存储在本地存储器10中的优化准则C还可以包括使宽带大功率放大器1的对应放大器级的功率耗散最大化。在宽带大功率放大器1的又一可能实施方式中，宽带大功率放大器1还可以包括配置存储器12，如图2的实施方式所示。在可能实施方式中，配置存储器12可以指示宽带大功率放大器1中集成的不同放大器级6A、6B、6C的放大器类别。在可能实施方式中，控制单元9可以针对每个功率放大器级6A、6B、6C读取如在配置存储器12中指定的相关联的放大器类别，从而根据对应放大器级的放大器类别并且根据响应于所施加的选择信号SEL针对对应的放大器级而选择的至少一个优化准则C，针对对应的放大器级6A、6B、6C设置最佳操作点OP。由控制单元9设置的操作点OP可以位于对应放大器级的线性操作范围内或位于对应放大器级的线性操作范围外。控制单元9可以调节对应的放大器级6A、6B、6C的至少一个晶体管或管元件的静态或偏置电流和/或供电电压以在确定的最佳操作点OP操作对应的放大器级6A、6B、6C。静态或偏置电流和/或供电电压的调节可以由宽带大功率放大器1的控制单元9连续或以预设增量执行。在图2说明的示例性实施方式中，每个放大器级6A、6B、6C包括相关联的内部监测单元8A、8B、8C，内部监测单元8A、8B、8C用于监测对应的放大器级6A、6B、6C的信号输入和信号输出处的信号特征。在替代的实施方式中，宽带大功率放大器1包括信号监测单元，所选择的放大器级6A、6B、6C的信号输入2和信号输出3通过控制单元9控制的多路器被切换至信号监测单元。在此实施方式中，单个信号监测单元8可以检测所选择的放大器级的信号特征。

在可能实现中，被施加到宽带大功率放大器1的选择控制信号SEL可以识别可用放大器级6A、6B、6C分组内的特定放大器级，还可以针对所选择的放大器级指示相关联的优化准则C。

如图2所示的宽带大功率放大器1中集成的不同放大器级的数量和类别可以根据宽带大功率放大器1的应用和使用情况改变。

在如图2的实施方式所示的宽带大功率放大器1的可能实施方式中，放大器级6A、6B、6C可以由***式放大器级形成，在可能实现中可以通过宽带大功率放大器1的接收槽来接收***式放大器级。在可能实现中，第一类放大器级可以被***宽带大功率放大器1的第一接收槽中以限定第一放大器级6A。相同或不同的放大器类别的第二放大器级可以被***宽带大功率放大器1的第二接收槽中以提供宽带大功率放大器1的第二放大器级6B等。此外，在配置存储器12中，***的放大器级的不同类别和性能规范可被存入存储器中且由控制单元9使用以计算最佳操作点OP。在可能实现中，存储在配置存储器12中的配置数据还可以经由宽带大功率放大器1的配置接口被输入。

在图2说明的实施方式中，不同的放大器级6A、6B、6C串联连接至彼此。在替代的实施方式中，放大器级也可以串联和/或并联连接至彼此。如图1、图2的实施方式中所示的宽带大功率放大器1可以在电磁兼容EMC测试装备中使用。宽带大功率放大器1可以用于放大连续波或脉冲RF测试信号。电磁兼容EMC被定义为装置和系统在无损它们的功能和无故障的情况下在电磁环境中操作的能力，反之亦然即装置和系统确保操作不影响电磁环境达到其它装置和系统不被不利影响的程度的能力。EMC测试是验证装置和系统能力的一种手段。干扰源可以包括自然源(大气噪声、静电放电)和技术源。干扰技术源可以包括例如电信系统或诸如导航系统或微波炉的其它系统的有意图的RF信号生成。技术源还可以包括提供宽带低RF能量的非意图的RF生成源。这些RF生成源可以包括功率电子装置、计算机、能量分配装置、点火系统等。

电子部件或装置必须满足某些电磁敏感(EMS)和/或电磁干扰(EMI)规范。作为EMC测试程序的一部分，敏感测试可以在被测装置DUT上执行。在所述测试期间，被测装置DUT经历了电磁场。被测装置DUT被检查以确定它是否仍然正确地操作因而是否对例如来自广播发送器或移动电话基站的信号的外部源的扰动免疫。电磁场可以由宽带功率放大器生成，宽带功率放大器传输所需的输出功率并且对不匹配具有鲁棒性。在可能实施方式中，测试装备中使用的宽带大功率放大器1由控制单元9调谐以提供被应用于至少一个放大器级6的最佳操作点OP。控制单元9可以考虑所选择的从存储器10读取的优化准则、从配置存储器12读取的对应级的放大器类别和从宽带大功率放大器1的集成监测单元8接收的对应放大器级6的当前信号特征。在可能实施方式中，宽带放大器1可以生成放大的信号，尤其约9kHz与6GHz之间的频率范围内的放大的测试信号。

图3A、图3B说明了与传统宽带大功率放大器相比的根据本发明的宽带大功率放大器1的操作。图3A说明了传统宽带大功率放大器的操作点OP，其中传统宽带大功率放大器具有固定的偏置电流以在固定操作点OP操作其集成的放大器级。与之相比，如图3B所示，宽带大功率放大器1包括操作点由控制单元9控制的放大器级。控制单元9例如可以在操作期间动态改变至少一个放大器级的偏置或静态电流I_偏置，如图3B所示。例如，偏置电流可以根据由监测单元8检测的当前信号特征从100％降至30％，如图3B所示。

图4示出了根据本发明的另一方面的用于操作宽带大功率放大器1的方法的可能示例性实施方式的流程图。

在图4说明的实施方式中，该方法包括两个主要步骤。在第一步骤S1中，例如由如图1所示的监测单元8监测在信号输入处接收的输入信号的信号特征和由宽带大功率放大器1的放大器级的信号输出输出的输出信号的信号特征。

在另一步骤S2中，控制宽带大功率放大器1的至少一个放大器级6以在取决于监测的信号特征的最佳操作点OP进行操作。在步骤S2中，连续或以预设增量调节宽带大功率放大器1的放大器级6的至少一个晶体管或管的工作电流和/或工作电压以在最佳操作点OP操作对应的放大器级6，其中最佳操作点OP根据至少一个预定义的或选择的优化准则C响应于监测的信号特征被确定。

图4中说明的方法可以用于优化宽带大功率放大器1的用于EMC抗扰测试(产品确认测试、无线通信和/或撞击测试)的操作。对于EMC测试装备，存在对于水平或内容的良好先验知识和调制方案，例如馈入宽带大功率放大器1的信号输出的信号形状。控制单元9使用此知识，从而通过密切监测不同的参数或信号特征，并且通过根据至少一个优化准则C调节对应放大器级6的偏置电流和/或供电电压，来不断地围绕理想操作点或至少在理想操作点附近操作至少一个放大器级。放大器级6的操作参数的持续监测和适配进一步导致任意时候的宽带大功率放大器1的良好过载保护。通过在调节的操作点OP操作至少一个大功率放大器1，能够降低放大器级6的能耗和/或热耗散。

基于检测和监测的信号特征、相对于最大可能输出功率的输出功率和/或频率和/或负载条件，操作点OP可以由控制单元9通过自适应和连续动态调节固态放大器级的一个或多个晶体管的静态电流和/或通过自适应和连续调节固态放大器级的一个或多个晶体管的电压尤其漏极电压来调节。通过降低功率放大器级的能耗，可以实现附加的优点，例如由于较少需要用冷却风扇冷却放大器级6因而减小了声噪声。此外，延长了宽带大功率放大器1的工作寿命。

至少一个功率放大器级6的操作点OP由控制单元9根据功率、频率、信号特征和负载条件优化，以实现包括使进入负载的前向功率最大化的优化准则C的一个或多个、实现最优可能带内和带外信号质量和使功率效率最大化(尤其使功率减少)、以及实现功率耗散的降低，其中功率耗散降低的优点是降低了冷却风扇的风扇速度和/或减小了由宽带大功率放大器1产生的噪声。在可能实施方式中，宽带大功率放大器1应用的信号还可以包括语音和/或视频信号。在另一可能实施方式中，应用于宽带大功率放大器1的信号可以包括测试信号、尤其在测试装备中用于测试电子装置的RF测试信号。根据本发明的宽带大功率放大器1可以包括相同或不同的放大器类别的放大器级6。每个放大器级6的操作点OP可以由控制单元9通过测试的特征即基于宽带大功率放大器1的当前操作状态来优化。在可能实施方式中，宽带大功率放大器1可以被集成到用于测试被测装置DUT的测试或测量装置中。控制单元9可以包括至少一个处理器，至少一个处理器用于生成控制信号以调节宽带大功率放大器1内的至少一个放大器级的工作电流和/或工作电压。

在可能实施方式中，控制单元9访问其它配置参数和用于设置不同放大器级的操作点OP相关的其它信息，例如与宽带大功率放大器1的输出终端3连接的负载7的电阻和/或与宽带大功率放大器1的信号输入2连接的信号源4有关的信息。