CN100499624C - 一种载波功率放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载波功率放大系统，包括：载波发射装置，用于将多路信号合成为多载波信号；与所述载波发射装置连接的放大器，用于对接收到的多载波信号进行功率放大；与放大器连接的滤波装置，用于对所述放大器输出的信号进行滤波，去除所述放大器输出的信号的交调成分。由于本发明提供的载波放大系统仅需要一个滤波装置便能直接去除多载波信号中的交调信号，因此使得系统结构更加紧凑；同时，由于不必对信号进行合成处理，从而免去了现有的载波放大系统中的网络匹配单元，从而降低了成本。

Description

一种载波功率放大系统

技术领域

本发明涉及线性功率放大领域，尤其涉及无线通信系统中的利用功率放大器对载波信号进行功率放大的功率放大系统。

背景技术

在通信系统中，功率放大器应用十分普遍。功率放大器的任务是放大输入信号，使之达到足够高的功率电平，以满足发射天线或负载单元的要求。实际上功率放大器不仅应用在各种类型发射机中，许多电子设备如高频换流器及微波功率源等也广泛用到它。

随着通信技术的发展，特别是第三代通信系统的开发应用及蓝牙技术的研发涌现，要求功率放大器，特别是射频功率放大器有很好的线性特性，而通常用交调信号(IMD)的功率电平来作为表示线性特性的参数。这是由于功率放大器是一种非线性器件，不管其工作在线性区，还是在非线性区，都会产生非线性产物。通常，由于工作在线性区时，非线性产物功率电平较低，一般只考虑其三阶IMD分量；而当其工作在非线性区，其非线性产物功率电平就很高，此时，五阶IMD分量甚至七阶IMD分量都必须予以考虑。

如果一个通信系统的功率放大器的线性特性得不到提高，则会产生严重的IMD分量及频谱泄漏，带来信号间的相互干扰，影响通讯的质量及降低通讯系统的容量。如何提高系统的线性度是通信系统亟待解决的一个问题。

本发明的申请人在2001年6月29日提出了一种“线性功率放大装置及多载波功率放大系统”(申请号01122532.7)，该申请公开了一种单载波线性功率放大装置，仅包括一个功率放大器和一个滤波器就能够达到线性放大的目的，另外，在该申请中还提出了一种利用上述线性功率放大装置的多载波功率放大系统，包括多个调制器、数模转换器、发射机、放大器和滤波装置。调制器对数据进行调制。经过数模转换器(D/A)将已调数据转换为单载波信号。通常，由数模转换器输出的载波信号频率较低，需要通过发射机变换成不同的单载波射频信号。该单载波射频信号经过放大器放大，放大器所产生的交调产物由滤波装置去除，使得滤波装置的输出端只有有用信号通过。各路信号经过阻抗匹配合成器进行信号的合成，合成后的信号被送到天线上发射出去。

该线性功率放大装置及多载波功率放大系统将滤波器成功的应用在无线网络系统中，大大降低了系统的成本。但是该多载波功率放大系统处理多载波时，需要并联与多载波的数目相等的多个滤波器，因此使得系统的结构不够紧凑；另外，各个滤波器不能简单地并联在一起，必须增加匹配网络，而匹配网络的调试难度较大，需要依赖有经验的人员才能顺利完成，因此维护成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种无线通信系统中的功率放大系统，能够进一步降低成本，并能够使系统结构更加紧凑。

为解决上述技术问题，本发明提供一种载波功率放大系统，包括：

载波发射装置，所述载波发射装置包括：

至少一个调制器，用于对输入的信号进行调制；

混合器，用于对来自所述调制器的调制信号进行混合；

数模转换器，用于将来自混合器的混合后的信号转换为多载波信号；

多载波发射机，用于将所述多载波信号转换为多载波射频信号发射出去；

与所述载波发射装置连接的放大器，用于对接收到的多载波射频信号进行功率放大；

与放大器连接的滤波装置，用于对所述放大器输出的信号进行滤波，去除所述放大器输出的信号的交调成分。

其中，所述滤波装置为带阻滤波器。

另外，所述滤波装置还可以是包括固定陷波参数的子滤波器和可调陷波参数的子滤波器的滤波装置。

此时，所述的载波功率放大系统还包括：控制器，用于根据载波配置的变动，调整所述陷波参数。

所述固定陷波参数的子滤波器和可调陷波参数的子滤波器可以是包括相互串接的带阻滤波器的子滤波器；也可以是包括相互并接的带通滤波器的子滤波器。

其中，所述陷波参数包括陷波频率、带宽或衰减量。

其中，所述可调陷波参数的子滤波器的陷波参数通过变容二极管、或PIN管、或射频开关、或铁氧体、或机械可变介电常数、或电控可变介电常数、或YIG球进行调整。

其中，所述可调陷波参数的子滤波器通过导体空腔、或介质谐振器、或超导滤波器、或YIG球、或高Q值的LC元件来实现。

其中，所述可调陷波参数的子滤波器的形式包括波导、或同轴线、或平面微带线。

其中，所述平面微带线包括微带型、或悬置微带型、或带状线、或鳍线。

另外，所述载波功率放大系统，还包括：连接所述放大器和滤波装置的隔离器，用于阻止功率反向传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明充分利用移动通信系统中载波频谱宽度大以及移动通信协议对信号带内交调要求较低的特点通过将多载波信号直接送入放大器进行放大后，利用滤波装置除去放大器输出端的IMD信号。由于本发明提供的载波放大系统仅需要一个滤波装置便能直接去除多载波信号中的交调信号，因此使得系统结构更加紧凑；同时，由于不必对信号进行合成处理，从而免去了现有的载波放大系统中的网络匹配单元，从而降低了成本。

进一步，本发明还提供了一种包括可调参数的子滤波器和固定参数的子滤波器的可调滤波装置，该可调滤波装置在控制器的操控下，能根据载波配置的不同，自动调整陷波的频率和带宽，由此带来使得本发明能适用于任意配置载波信号的功率放大。该滤波装置具有高度的灵活性和通用性；在载波信号发生改变的情况下，也无需更换器件，节省资源和工作量；省去信号和IMD信号的反馈电路，节省器件和成本；结构简单，体积小，易于实现小型化。

附图说明

图1是现有技术中的载波功率放大系统结构框图；

图2是本发明中的载波功率放大系统的结构框图；

图3是本发明中第一实施例中滤波后的波形图；

图4是本发明中双模介质带阻滤波器的示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的频段A中各种载波组合模式及产生相应IMD信号的示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的适用于任意载波配置的功率放大器的结构图；

图7是根据本发明的一个实施例的载波配置变化前用可调陷波器进行陷波的示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的载波配置变化后用可调陷波器进行陷波的示意图；

图9是根据本发明的一个实施例的使用子滤波器和子陷波器串接成可调陷波器的示意图。

具体实施方式

在现代无线通讯系统中，为了降低成本和使系统结构更加紧凑，系统更加趋于采用多载波结构。本发明公开了一种载波功率放大系统，包括相互连接的载波发射装置、放大器、以及滤波装置。各路载波信号被载波发射装置转换为多载波信号后，输入到多载波放大器，然后经放大器对其进行功率放大后，被传送到与放大器连接的滤波装置，由所述滤波装置对其进行滤波，去除所述放大器输出的信号的交调成分。

以下是所述载波功率放大系统的工作原理。

图2为本发明所述的载波功率放大系统的原理图。如图所示，载波发射装置包含多个调制器230，混合器235、数模转换器240和多载波发射机(MTX)250，各元件之间依次串接，并且其输出端与放大器260和滤波装置270依次串联。每个调制器230对每路单载波信号进行调制；调制后的信号经混合器235进行混合后，经过数模转换器240将已调信号转换为多载波信号。通常，由数模转换器240输出的该多载波信号频率较低，需要通过多载波发射机250将低频段的多载波信号变换成多载波射频信号。该多载波射频信号经过放大器260放大，放大器260所产生的交调产物由滤波装置270去除，使得滤波装置270的输出端只有有用信号通过，并送到天线上发射出去。本方案滤波器270比较容易实现，且无需现有方案中的阻抗匹配合成器，因此结构紧凑，成本较低。

另外在放大器260的输出端通常有隔离器。

上述滤波装置本发明优选选用带阻滤波器。

带通滤波器与带阻滤波器有以下区别：相对于带通滤波器，在带阻滤波器中，信号能够流畅地从输入端传递到输出端，在需要陷波的干扰频率处，通过谐振元件把该干扰频率吸收或反射掉。通常，由于不同的谐振元件用来吸收或反射不同频率的干扰信号，因此彼此没有互相关联。此外，带阻滤波器需要调整的参数相对带通滤波器也大大减少。因此能够降低带阻滤波器调试的难度，从而使得载波功率放大系统的结构更加简单，进一步降低成本。

另外，由于带阻滤波器的通带通常是由传输线形成，因此在通带内插损很小，特别是在中心频率处插损更小。同时，由于无需像带通滤波器那样使用谐振腔去形成通带，因此可以省去带通滤波器中形成通带的谐振腔，由于带阻滤波器中仅仅需要形成陷波的谐振腔，因此体积可以减小。

基于上述带通滤波器与带阻滤波器的区别，本发明在此将带阻滤波器作为本发明的一个优选实施例。

第一实施例：图3是本发明中将带阻滤波器作为滤波装置进行滤波后的波形图。如图所示，320是经过放大器放大的多载波信号，包含1#载波、2#载波和3#载波。330是由于放大器非线性产生的对应于1#载波、2#载波和3#载波的交调信号，340是带阻滤波器的陷波特性曲线。340-1、340-2到340-n分别为带阻滤波器的阻带，分别对应需要削减的1#载波、2#载波和3#载波的交调。341-1、341-2、......、341-n分别是对应的带阻滤波器，各个带通滤波器之间相互串接。由于带阻滤波器和传输线342是耦合链接的，并且耦合是弱耦合，因此传输线上损耗很小。同时，由于340-1、340-2、......、340-n可以独立设计，并且带阻滤波器体积较小，多个带阻滤波器容易集成，因此总的体积较小。因此设计和调试要简单和容易实现，结构更加紧凑。

由于带阻滤波器是反射或吸收功率较小的有害交调分量，而大功率的信号基本上是直通，因此具有能够处理较大功率的特点，本发明充分利用该特点，将通常只能处理较小的功率的腔体、介质谐振器带阻滤波器超导波带阻滤波器和声表面(SAW)带阻滤波器应用于本发明的方案，从而进一步减少了通带边缘的损耗。

另外，本发明所述的带阻滤波器还可以采用双模带阻滤波器，能够进一步减少了带阻滤波器的成本和体积。

如图4是双模介质带阻滤波器的示意图，401为一个谐振器，它能产生两个正交兼并的谐振模401-1和401-1。因此如果采用一个双模形式的带阻滤波器，体积和重量可以节省大约一半。由于大部分实际使用的带阻滤波器都只需要用一个独立两级谐振器来实现某一频率处的陷波，因此调试非常方便。多模(超过双模)带阻滤波器能够节省更多的体积和重量，但是实现起来具有较大的难度。

在实际应用中的无线蜂窝网络中，无线网络是由大量基站组成，这些基站的频道配置大多是不相同的，例如在宽带码分多址(Wideband Code DivisionMultiple Access，简称＂WCDMA＂)系统中，发射频率对应2110MHz至2170MHz的频段，该频段又将分配给不同的运营商，每个运营商的大量的基站中的频率配置存在各种的组合，这些不同的频率配置通过放大器后将产生不同的IMD模式。为了消除IMD，就必须设计和生产很多各不相同的滤波装置，造成产品的品种过多、库存增加等问题。另外，在日常运作过程中，若同一基站的载频增加或进行调整时，使得工作频率发生变化，此时原有的滤波装置将不能继续使用，需要更换新的滤波装置，造成资源的浪费。

因此，针对上述由于原有滤波装置的阻带是固定的，导致使用这种滤波装置的功率放大器系统只能工作于单一固定的频率的问题，本发明将上述滤波装置进行了进一步的改进，使用可调的滤波装置取代原来只能工作在固定频率的滤波装置，并增加控制器，以根据载波配置的变动，调整所述滤波装置的陷波参数。在本发明中，陷波参数包含陷波频率、带宽或衰减量。以下是本发明中可调滤波装置在载波放大系统中的工作原理。

如前所述，当前无线蜂窝网络中，基站的频率配置存在多种组合。如图5所示，假设频段A中可使用1#载波、2#载波和3#载波，横坐标为频域，标号500至512表示IMD信号。当采用不同的载波组合时，将会产生不同频率的各种IMD信号。如使用1#载波时产生IMD信号500和501；使用2#载波时产生IMD信号502和503；使用3#载波时产生IMD信号504和502；使用1#载波和2#载波时产生IMD信号506和507；使用2#载波和3#载波时产生IMD信号508和509；使用1#载波和3#载波时产生IMD信号510、511和512。

为了抑制上述各种不同的IMD信号，可使用本发明所述的载波功率放大系统。如附图6所示，该载波功率放大系统由调制器230、混合器235、数模转换器240、多载波发射机(MTX)250、放大器260、可调滤波装置600和控制器610组成。其中，调制器230、混合器235、数模转换器240、MTX250、放大器260和可调滤波装置600是依次串联而成的；可调滤波装置600由一系列子滤波器组成，分别对不同频率位置的载波进行滤波；而控制器610用于收集载波的信息，与此同时它还和可调滤波装置600中的各个子滤波器相连，用于根据载波信息控制子滤波器的滤波频率。控制器的位置可以根据需要将其置于调制器230、混合器235的同一模块内，也可以位于滤波装置内。值得说明的是，该系统可能还需要诸如隔离器等辅助器件，它们可放置于放大器260或可调带阻滤波器600中，熟悉本领域的技术人员可以理解，这并不影响本发明的实质和范围。

下面说明本发明所述的可调滤波装置在载波功率放大系统中的动态工作过程。

当无线通信系统的载波配置出现不同时，载波的IMD信号出现的位置也会不同。控制器610将收集有关载波的信息，然后控制可调滤波装置600中的各个子滤波器，使得各个滤波点的频率根据需要进行移动，这样可调滤波装置600的各个阻带总是对准需要进行滤波的频率位置，从而适应载波配置变化。

下面结合附图7、附图8说明本发明的一个较佳实施例。

在某无线通信系统中，包含频段A、B、C。假设频段B可使用1#载波、2#载波和3#载波。在初始运行阶段，如图7所示，使用2#载波配置，产生IMD信号700和701。可调滤波装置600包含3个子滤波器6001、6002和6003。其中，子滤波器6002固定地用于抑制频段A和频段C的IMD信号；而子滤波器6001和6003则是受控可变的，它们根据控制器610的指示来调整陷波的频率位置、带宽等，以满足不同配置时的需求。因此，在初始运行阶段，子滤波器2001用于抑制1#载波所对应频段内的IMD信号700，子滤波器6003用于抑制3#载波所对应频段内的IMD信号701。然而，随着用户数量增加，需要在频段B中增加载波，并要调整载波配置为使用1#载波和3#载波，如附图8所示。此时子滤波器6002继续固定地抑制频段A和频段C的IMD信号；子滤波器6001则根据控制器610的要求，变为抑制2#载波所对应频段内的IMD信号703；子滤波器6003则可闲置或根据控制器610的要求抑制其他频段内的IMD信号。

值得说明的是，对于可调滤波器600可由固定参数的子滤波器和可变参数的子滤波器组合而成，固定参数的子滤波器只负责固定频段的滤波，可变子带阻滤波器则可根据控制器610的控制，改变滤波的频率和带宽。固定的子滤波器和可变的子滤波器的任何组合方式均不影响本发明的实质和范围。

对于上述子滤波器，对于带通滤波器和带阻滤波器均能达到同样的去除交调的效果。但是由于上文中所述的带通滤波器和带阻滤波器的区别，优选使用带阻滤波器。当选用带阻滤波器时，各子滤波器之间的连接关系是串接的。另外，可以也采用子滤波器来代替，此时需要各带通滤波器之间并接。值得指出的是，将带通滤波器和带阻滤波器结合使用，同样可以达到与其的效果。作为本发明的一个较佳实施例，图9中可调滤波装置600可由带阻滤波器6001和带阻滤波器6002以及带通滤波器900串联而成。带通滤波器900作为图7中子滤波器6002，用于固定地抑制频段A和频段C的IMD信号。也就是说，本发明所述的可调滤波装置对于带通滤波器的组合、带阻滤波器的组合、以及带通滤波器和带阻滤波器的组合均可适用。

对于可变带阻滤波器，它的陷波频率、带宽和衰减幅度等参数都是可变的。这些参数的改变可通过变容二极管(Varactor)、PIN管、射频开关、铁氧体可变(机械可变或电控可变)介电常数、或YIG球等实现，也可通过步进电机调整螺杆的进退或插片的旋转来实现。

熟悉本领域的技术人员可以理解，上述带阻器的形式包括但不限于有波导、同轴线和各种形式平面微带线如微带型、悬置微带型、带状线、鳍线等。可变带阻器可用导体空腔、介质谐振器、超导滤波器、YIG球和高Q值的LC元件等来实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1、一种载波功率放大系统，其特征在于，包括：

载波发射装置，所述载波发射装置包括：

至少一个调制器，用于对输入的信号进行调制；

混合器，用于对来自所述调制器的调制信号进行混合；

数模转换器，用于将来自混合器的混合后的信号转换为多载波信号；

多载波发射机，用于将所述多载波信号转换为多载波射频信号发射出去；

与所述载波发射装置连接的放大器，用于对接收到的多载波射频信号进行功率放大；

与放大器连接的滤波装置，用于对所述放大器输出的信号进行滤波，去除所述放大器输出的信号的交调成分。

2、根据权利要求1所述的载波功率放大系统，其特征在于，所述滤波装置为带阻滤波器。

3、根据权利要求1所述的载波功率放大系统，其特征在于：所述滤波装置包括：固定陷波参数的子滤波器和可调陷波参数的子滤波器。

4、根据权利要求3所述的载波功率放大系统，其特征在于，还包括：控制器，用于根据载波配置的变动，调整所述陷波参数。

5、根据权利要求4所述的载波功率放大系统，其特征在于：所述固定陷波参数的子滤波器和可调陷波参数的子滤波器包括相互串接的带阻滤波器。

6、根据权利要求4所述的载波功率放大系统，其特征在于：所述固定陷波参数的子滤波器和可调陷波参数的子滤波器包括相互并接的带通滤波器。

7.根据权利要求4或5或6所述的载波功率放大系统，其特征在于，所述陷波参数包括陷波频率、带宽或衰减量。

8.根据权利要求7所述的载波功率放大系统，其特征在于，所述可调陷波参数的子滤波器的陷波参数通过变容二极管、或PIN管、或射频开关、或铁氧体、或机械可变介电常数、或电控可变介电常数、或YIG球进行调整。

9.根据权利要求7所述的载波功率放大系统，其特征在于，所述可调陷波参数的子滤波器通过导体空腔、或介质谐振器、或超导滤波器、或YIG球、或高Q值的LC元件来实现。

10.根据权利要求9所述的载波功率放大系统，其特征在于，所述可调陷波参数的子滤波器的形式包括波导、或同轴线、或平面微带线。

11.根据权利要求10所述的载波功率放大系统，其特征在于，所述平面微带线包括微带型、或悬置微带型、或带状线、或鳍线。

12、根据权利要求11所述的载波功率放大系统，其特征在于，还包括：连接所述放大器和滤波装置的隔离器，用于阻止功率反向传输。

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