CN100431264C - 具有增大的补偿功率和功率附加效率的n路射频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在宽功率范围放大射频信号的具有改进的效率的射频功率放大器包括用于在第一功率范围放大射频信号并且功率饱和电平低于宽范围功率最大值的主放大器(20)。多个辅助放大器(21、22、23)与主放大器并联，并且每个辅助放大器(21、22、23)被偏置为当主放大器(20)接近饱和时顺序提供放大后的输出信号。输入信号通过信号分配器(32)被输送到主放大器(20)及多个辅助放大器(21、22、23)，并且接收被主放大器(20)及多个辅助放大器(21、22、23)放大了的输出信号的输出端包括阻性负载R/2。被分割的信号通过90°变压器(30)加到主放大器(20)，并且辅助放大器(21、22、23)的输出通过90°变压器(24、25、26)加到输出负载(28)。当工作点低于饱和时，主放大器(20)输送功率给负载2R，并且主放大器(20)输送给负载的电流为最大功率及放大器饱和时的一半。

Description

具有增大的补偿功率和功率附加效率的N路射频功率放大器
发明的背景
本发明一般地涉及射频(RF)功率放大器，更具体地说，本发明涉及适用于现代无线通信系统的射频功率放大器，所述无线通信系统在使用数字调制的基站中需要宽范围的输出功率。
基站中的功率放大器通常工作在比峰值功率低很多的输出功率电平。遗憾的是，补偿功率(back-off power)电平降低了发送器中功率放大器的效率。在传统的放大器中，效率与输入驱动电平之间有直接的关系。因此，在射频输入功率电平达到足够高以驱使放大器进入饱和状态之前无法得到高效率(直流(DC)到射频(RF)的转换效率)。由于在多载波通信系统中放大器必须尽可能地保持线性，所以，无法使用所述高效率工作区域。
提供改善的补偿功率电平效率的传统功率放大器设计是多赫尔蒂(Doherty)放大器，所述放大器把来自主放大器和来自辅助或峰值放大器的功率组合起来。参见多赫尔蒂(W.H.Doherty)在无线电工程师学会学报1936年24卷9期1163页至1182页(Proc.IRE Vol.24，No.9，pp.1163-1182，1936)发表的”用于调制波的新型高效率功率放大器”。在传统的多赫尔蒂结构中，载波放大器10及峰值放大器12设计成以最佳效率向负载R输送最大功率，如图1(A)所示。主放大器或载波放大器为普通的乙类放大器，而峰值放大器被设计成只放大超出某个最小阈值的信号。对于横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率三极管，这样的设计可通过将三极管的直流偏置设置在低于其夹断电压，使其工作于类似丙类放大器来实现。这两个放大器的输出通过四分之一波长传输线连接到阻抗R，并且为最佳负载R一半的负载连接到峰值放大器的输出端。射频输入功率在峰值放大器输入端的四分之一波长延迟器被分成相等的两份，因此保证了两个放大器的输出功率在负载R/2处相位相同。
多赫尔蒂放大器通过将乙类主放大器工作于等于其最优负载两倍的负载阻抗而在压缩之前实现了高效率。所述放大器压缩并在其最大功率的一半处达到峰值效率。第二个或峰值放大器只有在输入信号的峰值时才被启动并被用于调制在主放大器输出端的视在负载阻抗。最大效率也是在第二放大器输出满功率时实现的。因此，对于输出功率的6dB范围，第一个放大器被保持在接近于饱和并能够保持接近峰值的效率。
当输入到多赫尔蒂放大器的输入射频功率不足以接通峰值放大器时，所有的输出功率都由主放大器或载波放大器提供。当峰值放大器断开时，其输出阻抗很高，因而载波放大器的输出功率全部输送给负载R/2，如图1(B)所示。实际上经过四分之一波长传输线呈现在载波放大器上的负载为2R。因此所述装置的电流是当电压饱和时输送最大功率时电流的一半。这就导致所述装置输送其最大输出功率的一半。因为所述电流中射频与直流分量都是其峰值的一半，这时的效率便在其峰值，此时输送给负载的功率为载波放大器的最大输出功率的一半，并且此时载波放大器具有最大的线性效率。
当提供了足够的输入射频功率而使得峰值放大器达到饱和时，如图1(A)所示，两个并联的放大器同样地输送最大输出功率给负载R/2。每个放大器的视在负载为最优负载R，而所述负载在四分之一波长传输变压器的两端均保持为R。峰值放大器被设计成当载波放大器刚开始饱和时便开始工作。在此点便获得了最大线性效率。当输入射频驱动进一步增加时，峰值放大器开始启动并向负载输送输出功率。由峰值放大器提供的附加电流具有增加四分之一波长变压器输出端的负载阻抗的效果。变压器的载波放大器端的有效变化是视在负载阻抗的降低，因而使载波放大器能够在其电压保持饱和的情况下输送更多的功率。极限值之间的效率只比最高效率略微下降一点，因为峰值放大器的占空系数相对较低。
人们为拓展多赫尔蒂放大器的高效率工作的范围作了很多尝试。例如，岩本(Iwamoto)等人提出了一种12dB补偿电路，所述补偿电路在载波及峰值放大器中使用多个比例三极管或不同大小的三极管以及输入端的非均匀信号分配器。参见岩本等人发表在2001年电子与电气工程师学会微波理论及技术分会(IEEE MTT-S)在亚利桑那州菲尼克斯(Phoenix，AZ)会议文摘中的论文”在宽功率范围内具有高效率的扩展型多赫尔蒂放大器”。这项技术显然在总体输出功率较低(小于10瓦)运作良好，然而当输出功率在10-100瓦的载波范围内只有有限的改进。
本发明为射频功率放大器提供了扩展的高效率的工作范围。
发明概要
依照本发明，射频功率放大器包括用于最大补偿功率操作的主放大器或载波放大器以及多个被适当地偏置为根据增加了的功率要求而顺序地开始工作的辅助或峰值放大器。每一个峰值放大器能在保持峰值效率的功率范围内提供6dB的增量。因为需要N路信号分配器以提供输入信号给主放大器及N-1个峰值放大器，因此，分配器的有限功率损耗会引起些许的效率下降。
在最佳实施例中，提供4路放大器，所述4路放大器包括全部由一个4路功率分配器驱动的主放大器和3个峰值放大器。理论上，这个放大器拓展的高效功率输出范围为18dB。这样的高效功率范围扩展在使用诸如宽带码分多址(W-CDMA)或正交频分复用(OFDM)调制方案的数字通信系统中非常重要，因为在那些方案中峰值功率与平均功率的比率可高达13dB。与2路放大器的配置相比，所述4路配置还提供3dBm的总功率增量。因此，120瓦的峰值放大器可以用4路配置来提供，其中每一路(载波及3个峰值放大器)都使用30瓦的三极管。
本发明及其目的与特征将会因以下参考附图的详细说明及所附的权利要求书而显而易见。
附图的简单说明
图1(A)及图1(B)为传统多赫尔蒂放大器的原理图。
图2为依据本发明一个实施例的4路功率放大器的原理图。
图3为图2的4路放大器的更加详细的原理图。
图4为图解说明经计算机仿真的图2及图3的功率放大器的功率输出与功率输入及功率附加效率的关系曲线的曲线图。
发明的详细说明
本发明可以被当作对多赫尔蒂功率放大器的修改，增加了多个峰值放大器并为主载波放大器与N-1个峰值放大器提供了N路分配器。为了便于实际构成所述放大器，在峰值放大器输入端的传统多赫尔蒂放大器的四分之一波长变压器与在载波放大器输出端的四分之一波长变压器被调换了位置，但并不影响性能。在载波放大器的输入端只需单独的90°(四分之一波长)相位长度，因此，容易通过多路功率分配器来实现多个峰值放大器。
图2为依据本发明的功率放大器的一个实施例的功能方块图，其中包括载波放大器20和三个峰值放大器21、22、23，同时峰值放大器通过90°变压器24、25、26连接到负载28。单一的90°变压器30将4路分配器32与载波放大器20连在一起。通过将每个峰值放大器的直流偏压设置成适当的数值，所述附加的峰值放大器使多赫尔蒂作用可以得到扩展。对于附加在前一个放大器之上的每一个峰值放大器，将会有在保持峰值效率的功率范围内的6dB的相应增长。因为N路分配器中的有限损耗，效率会有些许的降低。所述4路放大器扩展了理论值为18dB的高效功率范围。如前所述，这样的扩展对使用调制方案的数字通信系统非常重要，在那些方案中，峰值与平均功率的比率可能高达13dB。所述4路配置与传统的2路多赫尔蒂电路相比，提供了3dBm的总功率增长。因此，可以用每一路(载波及3个峰值放大器)使用30瓦三极管的4路多赫尔蒂装置来提供120瓦峰值放大器。
图3为图2放大器的更详尽的原理图，所述电路已经利用30瓦横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(LDMOSFET)功率三极管进行仿真，所述功率三级管来自美国Ultra RF受让人，包括主放大器三极管40和3个峰值放大器三极管41-43。4路输入信号的分配由2路分配器44、46及48提供。主三极管放大器40包括将分配器46连接到输入匹配电路52的90°变压器50。在分相器46和包括变压器64及阻性负载65的输出端62之间，栅极偏置54、漏级偏置56、输出匹配电路58和补偿微带相位长度60与放大器串联连接。每一个峰值放大器都有90°变压器66将放大器电路与负载连接起来，如图2所示。谐波终端器，举例来说，接地电感器和电容器，可被包括在输出匹配电路58中以便将输出谐波反射回三极管输出端并因此提高峰值效率。每一个峰值放大器电路有类似的输入及输出电路，当输入信号强度增加时，栅极偏压电路使所述各峰值放大器顺序起动。
图3中的4路放大器是利用安捷伦(Agilent)的高级设计系统(ADS)仿真器在通用移动电信系统(UMTS)波段(2110-2170MHz)对输出功率、功率附加效率(PAE)及增益来进行仿真的。图4展示了输入射频功率与输出射频功率以及功率附加效率之间在输入功率从23dBm到43dBm(200毫瓦到20瓦)，同时饱和输出接近150瓦(52dBm)的范围内的关系。当把输出功率电平补偿到42dBm(10dB补偿)时的功率附加效率为46％。传统的放大器在同样的补偿功率下将只有小于10％的功率附加效率。而传统的2路多赫尔蒂放大器也将相应地只有23％的功率附加效率。峰值放大器偏压的选择非常重要，以便能使三极管在正确的工作点顺序接通，以便在放大器的整个动态范围内保持增益的线性度。
表1展示了传统2路多赫尔蒂放大器，如岩本等人描述的具有非均匀功率分割的2路多赫尔蒂放大器，依照本发明的某个实施例的3路(主放大器与2个峰值放大器)放大器及4路分割(主放大器与3个峰值放大器)放大器之间的比较结果。值得注意的是4路放大器取得了超过传统方法2倍的功率附加效率的改进。
  配置   稳态增益dB   1dB压缩点dBm   1dB压缩点处的功率附加效率，％   7dB补偿下的功率附加效率，％   10dB补偿下的功率附加效率，％   电路复杂性
 180瓦2路多赫尔蒂放大器非均匀功率分割   13.5   52   65   31.5   20.3   中等
 3x 60瓦2路多赫尔蒂放大器厄普顿(Upton)相位长度   11   53.2   55   32   23   高
2x 90瓦3路多赫尔蒂放大器 11 52.4 62 45 35 高
 2x 120瓦4路多赫尔蒂放大器   11   53.9   63   52   44 高
依据本发明的N路多赫尔蒂放大器为线性功率放大器在宽范围输入/输出功率电平情形下提供了主要的功率附加效率的改进。所述放大器特别适用于高功率放大器因为每个三极管的功率要求与功率三极管的个数成反比。在传统的2路多赫尔蒂结构中，每个三极管的峰值功率要求必须为总输出功率的一半。这样的条件导致载波及峰值放大器的输入及输出阻抗非常低，并导致在实践中难以具体实现。利用本发明，每个三极管只需其峰值功率要求为1/N的输出功率，因此当N大于2时可获得较高的输入及输出阻抗。另外，由于放大器中其余的无用功率所产生的热量也因使用多个较小的三极管而分配给较大的物理空间，因此减小了总体热阻。
虽然已经参考特定的4路实施例来说明本发明，但是，本发明的这种描述是说明性的，并不能解释为是对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可能出现各种各样的修改和应用，而这些修改和应用并不背离由所附权利要求书界定的本发明的真实精神与范围。

Claims (8)

1.一种用于在宽功率范围放大射频信号的高功率射频功率放大器，所述高功率射频放大器适用于无线通信基站，所述高功率射频放大器包括：
a)主放大器，所述主放大器包括横向双扩散金属氧化物半导体三极管，用于在第一功率范围放大射频信号，并且功率饱和电平低于宽功率范围的最高值，
b)多个与所述主放大器并联的辅助放大器，所述辅助放大器包括横向双扩散金属氧化物半导体三极管，每个所述辅助放大器被偏置为当所述主放大器接近饱和时顺序地提供放大后的输出信号，
c)信号分配器，用来分割输入信号并将分割后的输入信号输送到所述主放大器及所述多个辅助放大器，所述信号分配器包括连接到所述主放大器的输入端的四分之一波长变压器，以及
d)输出端，用来接收并合并来自所述主放大器和所述多个辅助放大器的放大后的输出信号，所述输出端包括连接到所述主放大器的输出端、并通过四分之一波长变压器连接到每个辅助放大器的输出端的阻性负载。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：每个所述辅助放大器将高效功率放大作用扩展了6dB。
3.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：所述多个辅助放大器为3个峰值放大器并且所述扩展的高效功率放大作用是大约18dB。
4.如权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：所述信号分配器包括连接到所述主放大器输入端的四分之一波长变压器，并且所述输出端包括连接到所述主放大器输出端、并通过四分之一波长变压器连接到每个所述辅助放大器输出端的阻性负载。
5.一种用于在宽功率范围放大射频信号的射频功率放大器，所述射频功率放大器包括：
a)主放大器，用于在第一功率范围放大射频信号，并且功率饱和电平低于宽功率范围的最高值，
b)多个与所述主放大器并联的辅助放大器，每个所述辅助放大器被偏置为当所述主放大器接近饱和时顺序地提供放大后的输出信号，其中所述多个辅助放大器为3个峰值放大器并且拓展的高效功率放大作用为大约18dB，所述主放大器和辅助放大器的每一个包括横向双扩散金属氧化物半导体三极管，
c)信号分配器，用来分割输入信号并将分割后的输入信号输送到所述主放大器及所述多个辅助放大器，其中所述信号分配器包括连接到所述主放大器的输入端的四分之一波长变压器，以及
d)输出端，用来接收并合并来自所述主放大器和所述多个辅助放大器的放大后的输出信号，所述输出端包括连接到所述主放大器的输出端的R/2的阻性负载并且每个辅助放大器通过阻抗R的四分之一波长传输线连接到所述负载。
6.如权利要求5所述的射频功率放大器，其特征在于：所述主放大器在未饱和时提供电流给2R的负载，因此电流为所述放大器饱和时的最大功率电流的一半。
7.一种用于在宽功率范围放大射频信号的射频功率放大器，所述射频功率放大器包括：
a)主放大器，用于在第一功率范围放大射频信号，并且功率饱和电平低于宽功率范围的最高值，
b)多个与所述主放大器并联的辅助放大器，每个所述辅助放大器被偏置为当所述主放大器接近饱和时顺序地提供放大后的输出信号，
c)信号分配器，用来分割输入信号并将分割后的输入信号输送到所述主放大器及所述多个辅助放大器，以及
d)输出端，用来接收并合并来自所述主放大器和所述多个辅助放大器的放大后的输出信号，所述输出端包括连接到所述主放大器的输出端的R/2的阻性负载并且每个辅助放大器通过阻抗R的四分之一波长传输线连接到所述负载。
8.如权利要求7所述的射频功率放大器，其特征在于：所述主放大器在未饱和时提供电流给2R的负载，因此电流为所述放大器饱和时的最大功率电流的一半。
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