張俊

摘 要：微波電子系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事和日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域。發(fā)射機(jī)是微波通信系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能優(yōu)劣嚴(yán)重影響著通信質(zhì)量。功率放大器在發(fā)射機(jī)的末端，為了獲取最高的效率，通常選用B或C類放大器，因?yàn)楣β史糯笃骶哂蟹浅Ｃ黠@的非線性特性，因此，功率放大器線性化技術(shù)已成為當(dāng)今微波通信、衛(wèi)星和空間技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵的共性技術(shù)。本文從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)功率放大器線性化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了與功率放大器線性化相關(guān)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人分布，介紹了功率放大器線性化技術(shù)的重點(diǎn)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(jìn)特點(diǎn)，并繪制了國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)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(fù)反饋技術(shù)

負(fù)反饋是將放大器的輸出的非線性信號(hào)反饋到輸入端，與原輸入信號(hào)共同作為放大器的輸入信號(hào)，以減少放大器的非線性。根據(jù)反饋方式不同，可以將負(fù)反饋技術(shù)分為包絡(luò)負(fù)反饋、極坐標(biāo)負(fù)反饋以及笛卡爾負(fù)反饋，包絡(luò)負(fù)反饋用來降低由幅度非線性所造成的失真，并且可以應(yīng)用于單一的功率放大器或者整個(gè)發(fā)射機(jī)。坐標(biāo)負(fù)反饋則通過對(duì)包絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)中加入鎖相環(huán)解決了包絡(luò)反饋無法處理 AM-PM 失真的問題。笛卡爾負(fù)反饋法通過對(duì)正交調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋，解決了相位調(diào)制信號(hào)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(gè)環(huán)路的減法使交調(diào)信號(hào)被抵消，從而達(dá)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(gè)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(shí)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(hào)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(zhǔn)度和絕對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又沒有帶寬受限的缺點(diǎn)，理論上可以完全消除互調(diào)干擾，但這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來的。

1.3 預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真法是在功率放大器前加一個(gè)補(bǔ)償器（預(yù)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(yù)失真根據(jù)工作方式的不同，又可以分為數(shù)字預(yù)失真（Digital Predistortion）和模擬預(yù)失真（Analog Predistortion）。大多數(shù)預(yù)失真技術(shù)的工作帶寬要大于前饋法，而且預(yù)失真法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度提高較高的優(yōu)點(diǎn)。

2 功率放大器線性化專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)分析

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

2.1 全球?qū)＠暾?qǐng)狀況

2.1.1 全球功率放大器線性化專利申請(qǐng)量

圖2-1-1展示了功率放大器線性化技術(shù)在全球?qū)＠暾?qǐng)年代分布情況。從整體申請(qǐng)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(qǐng)開始，該領(lǐng)域的申請(qǐng)總量總體來說一直呈現(xiàn)上升發(fā)展趨勢(shì)，在1987年申請(qǐng)量達(dá)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(shì)，在1985年達(dá)到18件申請(qǐng)量后明顯回落，從1997年之后又開始迅速增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度逐漸加大，2011年達(dá)到峰值。由于2013年后專利申請(qǐng)的公開數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致總申請(qǐng)量下降，并不能因此判定該領(lǐng)域申請(qǐng)呈現(xiàn)出大幅下降趨勢(shì)。從申請(qǐng)量的角度看，近幾年該類申請(qǐng)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。

2.1.2 全球功率放大器線性化技術(shù)專利申請(qǐng)國(guó)家分布

圖2-1-2展示了功率放大器線性化技術(shù)申請(qǐng)量的國(guó)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(qǐng)中，美國(guó)的申請(qǐng)量最大，為555件，其次是日本和中國(guó)，國(guó)際申請(qǐng)和歐洲申請(qǐng)量相當(dāng)。從圖中可以反映出，美國(guó)在該領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)和日本申請(qǐng)量均在400件左右，申請(qǐng)量基本持平，說明中國(guó)在該領(lǐng)域技術(shù)是存在一定的競(jìng)爭(zhēng)力的。

2.2 中國(guó)專利申請(qǐng)狀況

本節(jié)主要對(duì)中國(guó)專利申請(qǐng)狀況的趨勢(shì)以及專利重要申請(qǐng)人進(jìn)行分析，從中了解國(guó)內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.1 中國(guó)專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

圖 2-2-1示出了功率放大器線性化技術(shù)在中國(guó)專利申請(qǐng)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(qǐng)?jiān)谥袊?guó)的申請(qǐng)總量總體來說一直呈現(xiàn)上升的發(fā)展趨勢(shì)，1998年之前的申請(qǐng)?zhí)幱诿妊科?，申?qǐng)量均以個(gè)數(shù)位計(jì)，1998年申請(qǐng)量達(dá)到兩位數(shù)，之后，申請(qǐng)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(qǐng)量又出現(xiàn)了新的快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2010年到達(dá)頂峰。由于2013年后專利申請(qǐng)的公開數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致總申請(qǐng)量下降，并不能因此判定該領(lǐng)域申請(qǐng)呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)。所以預(yù)計(jì)，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(qǐng)量仍將保持上升的趨勢(shì)。

2.2.2 國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人分析

本小節(jié)從國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人角度對(duì)該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)做進(jìn)一步分析，主要考慮申請(qǐng)人的地域分布、申請(qǐng)數(shù)量、以及申請(qǐng)人的類型。

從圖2-2-2以及主要申請(qǐng)人的分析中可以看出，在本領(lǐng)域中，國(guó)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(qǐng)量上占據(jù)著明顯的優(yōu)勢(shì)，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(huì)社位列第二和第三位。在該領(lǐng)域申請(qǐng)量排名前十的公司仍然以國(guó)外企業(yè)為主，雖然我國(guó)目前在該方面落后于國(guó)外，但是像華為技術(shù)有限公司這樣的國(guó)內(nèi)企業(yè)正以迅猛的趨勢(shì)在發(fā)展，在無線通信領(lǐng)域的專利也逐漸增多；而國(guó)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(guó)內(nèi)這方面的專利申請(qǐng)將會(huì)越來越多。

2.2.3 國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人技術(shù)演進(jìn)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(guó)內(nèi)外起步很早，技術(shù)也相對(duì)成熟，許多公司申請(qǐng)?jiān)谠缙诙际抢们梆伡夹g(shù)實(shí)現(xiàn)線性化，如美國(guó)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(jìn)一步改進(jìn)實(shí)現(xiàn)線性化，如華為技術(shù)有限公司的專利文獻(xiàn)（公開號(hào)：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(hào)中交調(diào)信號(hào)的方法，對(duì)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(hào)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(hào)和一種線性功率放大方法及其裝置（公開號(hào)：CN1390022A），該方法將預(yù)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(shí)利用前饋環(huán)路的特點(diǎn)，對(duì)放大器的增益進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。并且預(yù)失真技術(shù)以及負(fù)反饋技術(shù)也同時(shí)在發(fā)展，其中華為技術(shù)有限公司涉及預(yù)失真的專利文獻(xiàn)是CN101022434A，該文獻(xiàn)中公開了一種預(yù)失真裝置及方法，通過獲取反饋通道的非理想性，計(jì)算預(yù)失真系數(shù)時(shí)扣除反饋通道的非理想性的影響，使整個(gè)發(fā)射通道的失真正好被預(yù)失真處理所補(bǔ)償和中興通訊股份有限公司也提出了一種魯棒的預(yù)失真參數(shù)獲取方法和裝置（公開號(hào)：CN102647379）；中國(guó)科學(xué)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(hào)：CN102843108A）采用自適應(yīng)極限環(huán)環(huán)路對(duì)開關(guān)型射頻功率放大器進(jìn)行線性負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意射頻載波信號(hào)的幅度和相位調(diào)制，在保持高效低功耗的同時(shí)，還具有寬帶、大動(dòng)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(gè)研究重點(diǎn)是預(yù)失真技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，于2013年申請(qǐng)的一篇專利（公開號(hào)：CN103441735A） 和2014年申請(qǐng)了一篇專利（CN103891137A）以解決外界信號(hào)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(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)進(jìn)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(shí)高校、研究所等研究機(jī)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(yīng)用型，相信在不久的未來，國(guó)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。