论文部分内容阅读
摘 要：微波电子系统已经广泛应用于国民经济、军事和日常生活中的各个领域。发射机是微波通信系统中的重要组成部分，其性能优劣严重影响着通信质量。功率放大器在发射机的末端，为了获取最高的效率，通常选用B或C类放大器，因为功率放大器具有非常明显的非线性特性，因此，功率放大器线性化技术已成为当今微波通信、卫星和空间技术中的一项关键的共性技术。本文从专利文献的视角对功率放大器线性化技术的发展进行了全面的统计分析，总结了与功率放大器线性化相关的专利申请趋势、主要申请人分布，介绍了功率放大器线性化技术的重点技术分支及其发展历程，并分析了全球功率放大器线性化技术演进特点，并绘制了国内重点申请人的技术发展路线图。
关键词：功率放大器；线性化；发展路线
1 主要的线性化技术
1.1 负反馈技术
负反馈是将放大器的输出的非线性信号反馈到输入端，与原输入信号共同作为放大器的输入信号，以减少放大器的非线性。根据反馈方式不同，可以将负反馈技术分为包络负反馈、极坐标负反馈以及笛卡尔负反馈，包络负反馈用来降低由幅度非线性所造成的失真，并且可以应用于单一的功率放大器或者整个发射机。坐标负反馈则通过对包络反馈网络中加入锁相环解决了包络反馈无法处理 AM-PM 失真的问题。笛卡尔负反馈法通过对正交调制的信号进行负反馈，解决了相位调制信号宽带线性化问题。由于引入反馈，线性化的精度大大提高。
1.2 前馈技术
前馈线性化技术工作在射频，其线性化思想是通过两个环路的减法使交调信号被抵消，从而达到提高功放线性化的目的。在最基本的结构中，前馈放大器由两个功放（主功放与误差功放）、定向耦合器、延迟线、环路控制器等组成。定向耦合器的作用是实现功率分配与合成，延迟线则保证了该款频段的工作。由限幅器与移相器组成的环路控制器保证信号与失真在不同的前馈环路中互相抵消。前馈技术既提供了较高的精准度和绝对稳定的优点，又没有带宽受限的缺点，理论上可以完全消除互调干扰，但这些优点是用高成本换来的。
1.3 预失真技术
预失真法是在功率放大器前加一个补偿器（预失真器），并使其具有与功率放大器正好相反的非线性特性，以抵消放大器的非线性。预失真根据工作方式的不同，又可以分为数字预失真（Digital Predistortion）和模拟预失真（Analog Predistortion）。大多数预失真技术的工作带宽要大于前馈法，而且预失真法具有结构简单，线性度提高较高的优点。
2 功率放大器线性化专利申请数据分析
本章主要对全球和国内功率放大器线性化专利申请情况以及国内外专利重要申请人进行分析，从中得到技术发展趋势，以及各阶段专利申请人所属的国家分布和主要申请人。其中以每个同族中最早优先权日期视为该申请的申请日，一系列同族申请视为一件申请。
2.1 全球专利申请状况
2.1.1 全球功率放大器线性化专利申请量
图2-1-1展示了功率放大器线性化技术在全球专利申请年代分布情况。从整体申请情况可以看出，自1971年第一件涉及功率放大器的线性化的专利申请开始，该领域的申请总量总体来说一直呈现上升发展趋势，在1987年申请量达到两位数以后，在1983年至1985年之间出现短暂的上升趋势，在1985年达到18件申请量后明显回落，从1997年之后又开始迅速增长，增长速度逐渐加大，2011年达到峰值。由于2013年后专利申请的公开数据不完整，导致总申请量下降，并不能因此判定该领域申请呈现出大幅下降趋势。从申请量的角度看，近几年该类申请发展态势良好。
2.1.2 全球功率放大器线性化技术专利申请国家分布
图2-1-2展示了功率放大器线性化技术申请量的国别分布。从图中可以看出，在全球关于功率放大器的线性化技术的专利申请中，美国的申请量最大，为555件，其次是日本和中国，国际申请和欧洲申请量相当。从图中可以反映出，美国在该领域具有明显的竞争优势，中国和日本申请量均在400件左右，申请量基本持平，说明中国在该领域技术是存在一定的竞争力的。
2.2 中国专利申请状况
本节主要对中国专利申请状况的趋势以及专利重要申请人进行分析，从中了解国内该技术的发展趋势。
2.2.1 中国专利申请量趋势
图 2-2-1示出了功率放大器线性化技术在中国专利申请年代的分布情况，从图中看出，涉及功率放大器的线性化技术的专利申请在中国的申请总量总体来说一直呈现上升的发展趋势，1998年之前的申请处于萌芽期，申请量均以个数位计，1998年申请量达到两位数，之后，申请量逐渐增多，在2002年出现了短暂的下降后，从2002年开始，申请量又出现了新的快速增长趋势，在2010年到达顶峰。由于2013年后专利申请的公开数据不完整，导致总申请量下降，并不能因此判定该领域申请呈现大幅下降趋势。所以预计，如果不存在技术变革，功率放大器线性化技术在今后的申请量仍将保持上升的趋势。
2.2.2 国内专利申请的申请人分析
本小节从国内专利申请的申请人角度对该领域的专利申请做进一步分析，主要考虑申请人的地域分布、申请数量、以及申请人的类型。
从图2-2-2以及主要申请人的分析中可以看出，在本领域中，国内企业华为技术有限公司在该领域的专业申请量上占据着明显的优势，排名第一位，高通股份有限公司和松下电器产业株式会社位列第二和第三位。在该领域申请量排名前十的公司仍然以国外企业为主，虽然我国目前在该方面落后于国外，但是像华为技术有限公司这样的国内企业正以迅猛的趋势在发展，在无线通信领域的专利也逐渐增多；而国内的一些科研院校也加入了这方向上的研究投入。想必在今后国内这方面的专利申请将会越来越多。
2.2.3 国内重要申请人技术演进路线分析 图2-2-3所示以华为技术有限公司为代表的功率放大器专利的技术发展路线，由于前馈线性功率放大技术在国内外起步很早，技术也相对成熟，许多公司申请在早期都是利用前馈技术实现线性化，如美国的哈里公司提出的一种采用前馈修正的放大器线性方法（CN1195925A），之后又有些公司在前馈技术的基础上做进一步改进实现线性化，如华为技术有限公司的专利文献（公开号：CN1336719A）提出的一种前馈线性功率放大电路以及直接抵消载波信号中交调信号的方法，对三环前馈线性功率放大电路经经过LOOP1放大后交调分量的载波信号及经LOOP2放大的交调分量，将它们耦合后输出以得到一种纯净的载波信号和一种线性功率放大方法及其装置（公开号：CN1390022A），该方法将预失真的矢量衰减器及前馈功率放大器的矢量衰减器合二为一，同时利用前馈环路的特点，对放大器的增益进行自动补偿。并且预失真技术以及负反馈技术也同时在发展，其中华为技术有限公司涉及预失真的专利文献是CN101022434A，该文献中公开了一种预失真装置及方法，通过获取反馈通道的非理想性，计算预失真系数时扣除反馈通道的非理想性的影响，使整个发射通道的失真正好被预失真处理所补偿和中兴通讯股份有限公司也提出了一种鲁棒的预失真参数获取方法和装置（公开号：CN102647379）；中国科学院上海微系统与信息技术研究所提出了一种高效线性化射频功率放大装置及方法（公开号：CN102843108A）采用自适应极限环环路对开关型射频功率放大器进行线性负反馈控制，实现了对任意射频载波信号的幅度和相位调制，在保持高效低功耗的同时，还具有宽带、大动态范围的线性放大性能。此外，华为技术有限公司的另一个研究重点是预失真技术在移动通信领域的应用，于2013年申请的一篇专利（公开号：CN103441735A） 和2014年申请了一篇专利（CN103891137A）以解决外界信号影响反馈通道中的线性处理的性能的问题。
从以上的技术路线及其分析可以看出，以华为技术有限公司为代表的国内企业已经进入了功率放大器线性化技术的主流技术的研究领域，同时高校、研究所等研究机构也逐渐开始此方面的发明研究，尽管数量和覆盖面有限，但是随着与企业单位的合作，其研究也逐步由研究型转向工业应用型，相信在不久的未来，国内关于功率放大器线性化技术的发明将越来越多，技术也将越来越成熟。
关键词：功率放大器；线性化；发展路线
1 主要的线性化技术
1.1 负反馈技术
负反馈是将放大器的输出的非线性信号反馈到输入端，与原输入信号共同作为放大器的输入信号，以减少放大器的非线性。根据反馈方式不同，可以将负反馈技术分为包络负反馈、极坐标负反馈以及笛卡尔负反馈，包络负反馈用来降低由幅度非线性所造成的失真，并且可以应用于单一的功率放大器或者整个发射机。坐标负反馈则通过对包络反馈网络中加入锁相环解决了包络反馈无法处理 AM-PM 失真的问题。笛卡尔负反馈法通过对正交调制的信号进行负反馈，解决了相位调制信号宽带线性化问题。由于引入反馈，线性化的精度大大提高。
1.2 前馈技术
前馈线性化技术工作在射频，其线性化思想是通过两个环路的减法使交调信号被抵消，从而达到提高功放线性化的目的。在最基本的结构中，前馈放大器由两个功放（主功放与误差功放）、定向耦合器、延迟线、环路控制器等组成。定向耦合器的作用是实现功率分配与合成，延迟线则保证了该款频段的工作。由限幅器与移相器组成的环路控制器保证信号与失真在不同的前馈环路中互相抵消。前馈技术既提供了较高的精准度和绝对稳定的优点，又没有带宽受限的缺点，理论上可以完全消除互调干扰，但这些优点是用高成本换来的。
1.3 预失真技术
预失真法是在功率放大器前加一个补偿器（预失真器），并使其具有与功率放大器正好相反的非线性特性，以抵消放大器的非线性。预失真根据工作方式的不同，又可以分为数字预失真（Digital Predistortion）和模拟预失真（Analog Predistortion）。大多数预失真技术的工作带宽要大于前馈法，而且预失真法具有结构简单，线性度提高较高的优点。
2 功率放大器线性化专利申请数据分析
本章主要对全球和国内功率放大器线性化专利申请情况以及国内外专利重要申请人进行分析，从中得到技术发展趋势，以及各阶段专利申请人所属的国家分布和主要申请人。其中以每个同族中最早优先权日期视为该申请的申请日，一系列同族申请视为一件申请。
2.1 全球专利申请状况
2.1.1 全球功率放大器线性化专利申请量
图2-1-1展示了功率放大器线性化技术在全球专利申请年代分布情况。从整体申请情况可以看出，自1971年第一件涉及功率放大器的线性化的专利申请开始，该领域的申请总量总体来说一直呈现上升发展趋势，在1987年申请量达到两位数以后，在1983年至1985年之间出现短暂的上升趋势，在1985年达到18件申请量后明显回落，从1997年之后又开始迅速增长，增长速度逐渐加大，2011年达到峰值。由于2013年后专利申请的公开数据不完整，导致总申请量下降，并不能因此判定该领域申请呈现出大幅下降趋势。从申请量的角度看，近几年该类申请发展态势良好。
2.1.2 全球功率放大器线性化技术专利申请国家分布
图2-1-2展示了功率放大器线性化技术申请量的国别分布。从图中可以看出，在全球关于功率放大器的线性化技术的专利申请中，美国的申请量最大，为555件，其次是日本和中国，国际申请和欧洲申请量相当。从图中可以反映出，美国在该领域具有明显的竞争优势，中国和日本申请量均在400件左右，申请量基本持平，说明中国在该领域技术是存在一定的竞争力的。
2.2 中国专利申请状况
本节主要对中国专利申请状况的趋势以及专利重要申请人进行分析，从中了解国内该技术的发展趋势。
2.2.1 中国专利申请量趋势
图 2-2-1示出了功率放大器线性化技术在中国专利申请年代的分布情况，从图中看出，涉及功率放大器的线性化技术的专利申请在中国的申请总量总体来说一直呈现上升的发展趋势，1998年之前的申请处于萌芽期，申请量均以个数位计，1998年申请量达到两位数，之后，申请量逐渐增多，在2002年出现了短暂的下降后，从2002年开始，申请量又出现了新的快速增长趋势，在2010年到达顶峰。由于2013年后专利申请的公开数据不完整，导致总申请量下降，并不能因此判定该领域申请呈现大幅下降趋势。所以预计，如果不存在技术变革，功率放大器线性化技术在今后的申请量仍将保持上升的趋势。
2.2.2 国内专利申请的申请人分析
本小节从国内专利申请的申请人角度对该领域的专利申请做进一步分析，主要考虑申请人的地域分布、申请数量、以及申请人的类型。
从图2-2-2以及主要申请人的分析中可以看出，在本领域中，国内企业华为技术有限公司在该领域的专业申请量上占据着明显的优势，排名第一位，高通股份有限公司和松下电器产业株式会社位列第二和第三位。在该领域申请量排名前十的公司仍然以国外企业为主，虽然我国目前在该方面落后于国外，但是像华为技术有限公司这样的国内企业正以迅猛的趋势在发展，在无线通信领域的专利也逐渐增多；而国内的一些科研院校也加入了这方向上的研究投入。想必在今后国内这方面的专利申请将会越来越多。
2.2.3 国内重要申请人技术演进路线分析 图2-2-3所示以华为技术有限公司为代表的功率放大器专利的技术发展路线，由于前馈线性功率放大技术在国内外起步很早，技术也相对成熟，许多公司申请在早期都是利用前馈技术实现线性化，如美国的哈里公司提出的一种采用前馈修正的放大器线性方法（CN1195925A），之后又有些公司在前馈技术的基础上做进一步改进实现线性化，如华为技术有限公司的专利文献（公开号：CN1336719A）提出的一种前馈线性功率放大电路以及直接抵消载波信号中交调信号的方法，对三环前馈线性功率放大电路经经过LOOP1放大后交调分量的载波信号及经LOOP2放大的交调分量，将它们耦合后输出以得到一种纯净的载波信号和一种线性功率放大方法及其装置（公开号：CN1390022A），该方法将预失真的矢量衰减器及前馈功率放大器的矢量衰减器合二为一，同时利用前馈环路的特点，对放大器的增益进行自动补偿。并且预失真技术以及负反馈技术也同时在发展，其中华为技术有限公司涉及预失真的专利文献是CN101022434A，该文献中公开了一种预失真装置及方法，通过获取反馈通道的非理想性，计算预失真系数时扣除反馈通道的非理想性的影响，使整个发射通道的失真正好被预失真处理所补偿和中兴通讯股份有限公司也提出了一种鲁棒的预失真参数获取方法和装置（公开号：CN102647379）；中国科学院上海微系统与信息技术研究所提出了一种高效线性化射频功率放大装置及方法（公开号：CN102843108A）采用自适应极限环环路对开关型射频功率放大器进行线性负反馈控制，实现了对任意射频载波信号的幅度和相位调制，在保持高效低功耗的同时，还具有宽带、大动态范围的线性放大性能。此外，华为技术有限公司的另一个研究重点是预失真技术在移动通信领域的应用，于2013年申请的一篇专利（公开号：CN103441735A） 和2014年申请了一篇专利（CN103891137A）以解决外界信号影响反馈通道中的线性处理的性能的问题。
从以上的技术路线及其分析可以看出，以华为技术有限公司为代表的国内企业已经进入了功率放大器线性化技术的主流技术的研究领域，同时高校、研究所等研究机构也逐渐开始此方面的发明研究，尽管数量和覆盖面有限，但是随着与企业单位的合作，其研究也逐步由研究型转向工业应用型，相信在不久的未来，国内关于功率放大器线性化技术的发明将越来越多，技术也将越来越成熟。