功率放大器線性化專利技術(shù)綜述

張俊

摘 要：微波電子系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟、軍事和日常生活中的各個領(lǐng)域。發(fā)射機是微波通信系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能優(yōu)劣嚴重影響著通信質(zhì)量。功率放大器在發(fā)射機的末端，為了獲取最高的效率，通常選用B或C類放大器，因為功率放大器具有非常明顯的非線性特性，因此，功率放大器線性化技術(shù)已成為當今微波通信、衛(wèi)星和空間技術(shù)中的一項關(guān)鍵的共性技術(shù)。本文從專利文獻的視角對功率放大器線性化技術(shù)的發(fā)展進行了全面的統(tǒng)計分析，總結(jié)了與功率放大器線性化相關(guān)的專利申請趨勢、主要申請人分布，介紹了功率放大器線性化技術(shù)的重點技術(shù)分支及其發(fā)展歷程，并分析了全球功率放大器線性化技術(shù)演進特點，并繪制了國內(nèi)重點申請人的技術(shù)發(fā)展路線圖。

關(guān)鍵詞：功率放大器；線性化；發(fā)展路線

1 主要的線性化技術(shù)

1.1 負反饋技術(shù)

負反饋是將放大器的輸出的非線性信號反饋到輸入端，與原輸入信號共同作為放大器的輸入信號，以減少放大器的非線性。根據(jù)反饋方式不同，可以將負反饋技術(shù)分為包絡負反饋、極坐標負反饋以及笛卡爾負反饋，包絡負反饋用來降低由幅度非線性所造成的失真，并且可以應用于單一的功率放大器或者整個發(fā)射機。坐標負反饋則通過對包絡反饋網(wǎng)絡中加入鎖相環(huán)解決了包絡反饋無法處理 AM-PM 失真的問題。笛卡爾負反饋法通過對正交調(diào)制的信號進行負反饋，解決了相位調(diào)制信號寬帶線性化問題。由于引入反饋，線性化的精度大大提高。

1.2 前饋技術(shù)

前饋線性化技術(shù)工作在射頻，其線性化思想是通過兩個環(huán)路的減法使交調(diào)信號被抵消，從而達到提高功放線性化的目的。在最基本的結(jié)構(gòu)中，前饋放大器由兩個功放（主功放與誤差功放）、定向耦合器、延遲線、環(huán)路控制器等組成。定向耦合器的作用是實現(xiàn)功率分配與合成，延遲線則保證了該款頻段的工作。由限幅器與移相器組成的環(huán)路控制器保證信號與失真在不同的前饋環(huán)路中互相抵消。前饋技術(shù)既提供了較高的精準度和絕對穩(wěn)定的優(yōu)點，又沒有帶寬受限的缺點，理論上可以完全消除互調(diào)干擾，但這些優(yōu)點是用高成本換來的。

1.3 預失真技術(shù)

預失真法是在功率放大器前加一個補償器（預失真器），并使其具有與功率放大器正好相反的非線性特性，以抵消放大器的非線性。預失真根據(jù)工作方式的不同，又可以分為數(shù)字預失真（Digital Predistortion）和模擬預失真（Analog Predistortion）。大多數(shù)預失真技術(shù)的工作帶寬要大于前饋法，而且預失真法具有結(jié)構(gòu)簡單，線性度提高較高的優(yōu)點。

2 功率放大器線性化專利申請數(shù)據(jù)分析

本章主要對全球和國內(nèi)功率放大器線性化專利申請情況以及國內(nèi)外專利重要申請人進行分析，從中得到技術(shù)發(fā)展趨勢，以及各階段專利申請人所屬的國家分布和主要申請人。其中以每個同族中最早優(yōu)先權(quán)日期視為該申請的申請日，一系列同族申請視為一件申請。

2.1 全球?qū)＠暾垹顩r

2.1.1 全球功率放大器線性化專利申請量

圖2-1-1展示了功率放大器線性化技術(shù)在全球?qū)＠暾埬甏植记闆r。從整體申請情況可以看出，自1971年第一件涉及功率放大器的線性化的專利申請開始，該領(lǐng)域的申請總量總體來說一直呈現(xiàn)上升發(fā)展趨勢，在1987年申請量達到兩位數(shù)以后，在1983年至1985年之間出現(xiàn)短暫的上升趨勢，在1985年達到18件申請量后明顯回落，從1997年之后又開始迅速增長，增長速度逐漸加大，2011年達到峰值。由于2013年后專利申請的公開數(shù)據(jù)不完整，導致總申請量下降，并不能因此判定該領(lǐng)域申請呈現(xiàn)出大幅下降趨勢。從申請量的角度看，近幾年該類申請發(fā)展態(tài)勢良好。

2.1.2 全球功率放大器線性化技術(shù)專利申請國家分布

圖2-1-2展示了功率放大器線性化技術(shù)申請量的國別分布。從圖中可以看出，在全球關(guān)于功率放大器的線性化技術(shù)的專利申請中，美國的申請量最大，為555件，其次是日本和中國，國際申請和歐洲申請量相當。從圖中可以反映出，美國在該領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢，中國和日本申請量均在400件左右，申請量基本持平，說明中國在該領(lǐng)域技術(shù)是存在一定的競爭力的。

2.2 中國專利申請狀況

本節(jié)主要對中國專利申請狀況的趨勢以及專利重要申請人進行分析，從中了解國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2.2.1 中國專利申請量趨勢

圖 2-2-1示出了功率放大器線性化技術(shù)在中國專利申請年代的分布情況，從圖中看出，涉及功率放大器的線性化技術(shù)的專利申請在中國的申請總量總體來說一直呈現(xiàn)上升的發(fā)展趨勢，1998年之前的申請?zhí)幱诿妊科?，申請量均以個數(shù)位計，1998年申請量達到兩位數(shù)，之后，申請量逐漸增多，在2002年出現(xiàn)了短暫的下降后，從2002年開始，申請量又出現(xiàn)了新的快速增長趨勢，在2010年到達頂峰。由于2013年后專利申請的公開數(shù)據(jù)不完整，導致總申請量下降，并不能因此判定該領(lǐng)域申請呈現(xiàn)大幅下降趨勢。所以預計，如果不存在技術(shù)變革，功率放大器線性化技術(shù)在今后的申請量仍將保持上升的趨勢。

2.2.2 國內(nèi)專利申請的申請人分析

本小節(jié)從國內(nèi)專利申請的申請人角度對該領(lǐng)域的專利申請做進一步分析，主要考慮申請人的地域分布、申請數(shù)量、以及申請人的類型。

從圖2-2-2以及主要申請人的分析中可以看出，在本領(lǐng)域中，國內(nèi)企業(yè)華為技術(shù)有限公司在該領(lǐng)域的專業(yè)申請量上占據(jù)著明顯的優(yōu)勢，排名第一位，高通股份有限公司和松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社位列第二和第三位。在該領(lǐng)域申請量排名前十的公司仍然以國外企業(yè)為主，雖然我國目前在該方面落后于國外，但是像華為技術(shù)有限公司這樣的國內(nèi)企業(yè)正以迅猛的趨勢在發(fā)展，在無線通信領(lǐng)域的專利也逐漸增多；而國內(nèi)的一些科研院校也加入了這方向上的研究投入。想必在今后國內(nèi)這方面的專利申請將會越來越多。

2.2.3 國內(nèi)重要申請人技術(shù)演進路線分析

圖2-2-3所示以華為技術(shù)有限公司為代表的功率放大器專利的技術(shù)發(fā)展路線，由于前饋線性功率放大技術(shù)在國內(nèi)外起步很早，技術(shù)也相對成熟，許多公司申請在早期都是利用前饋技術(shù)實現(xiàn)線性化，如美國的哈里公司提出的一種采用前饋修正的放大器線性方法（CN1195925A），之后又有些公司在前饋技術(shù)的基礎(chǔ)上做進一步改進實現(xiàn)線性化，如華為技術(shù)有限公司的專利文獻（公開號：CN1336719A）提出的一種前饋線性功率放大電路以及直接抵消載波信號中交調(diào)信號的方法，對三環(huán)前饋線性功率放大電路經(jīng)經(jīng)過LOOP1放大后交調(diào)分量的載波信號及經(jīng)LOOP2放大的交調(diào)分量，將它們耦合后輸出以得到一種純凈的載波信號和一種線性功率放大方法及其裝置（公開號：CN1390022A），該方法將預失真的矢量衰減器及前饋功率放大器的矢量衰減器合二為一，同時利用前饋環(huán)路的特點，對放大器的增益進行自動補償。并且預失真技術(shù)以及負反饋技術(shù)也同時在發(fā)展，其中華為技術(shù)有限公司涉及預失真的專利文獻是CN101022434A，該文獻中公開了一種預失真裝置及方法，通過獲取反饋通道的非理想性，計算預失真系數(shù)時扣除反饋通道的非理想性的影響，使整個發(fā)射通道的失真正好被預失真處理所補償和中興通訊股份有限公司也提出了一種魯棒的預失真參數(shù)獲取方法和裝置（公開號：CN102647379）；中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出了一種高效線性化射頻功率放大裝置及方法（公開號：CN102843108A）采用自適應極限環(huán)環(huán)路對開關(guān)型射頻功率放大器進行線性負反饋控制，實現(xiàn)了對任意射頻載波信號的幅度和相位調(diào)制，在保持高效低功耗的同時，還具有寬帶、大動態(tài)范圍的線性放大性能。此外，華為技術(shù)有限公司的另一個研究重點是預失真技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應用，于2013年申請的一篇專利（公開號：CN103441735A） 和2014年申請了一篇專利（CN103891137A）以解決外界信號影響反饋通道中的線性處理的性能的問題。

從以上的技術(shù)路線及其分析可以看出，以華為技術(shù)有限公司為代表的國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)進入了功率放大器線性化技術(shù)的主流技術(shù)的研究領(lǐng)域，同時高校、研究所等研究機構(gòu)也逐漸開始此方面的發(fā)明研究，盡管數(shù)量和覆蓋面有限，但是隨著與企業(yè)單位的合作，其研究也逐步由研究型轉(zhuǎn)向工業(yè)應用型，相信在不久的未來，國內(nèi)關(guān)于功率放大器線性化技術(shù)的發(fā)明將越來越多，技術(shù)也將越來越成熟。