CN101103524A - 功率放大器系统 - Google Patents

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Abstract

一种多输入多输出功率放大器系统，包括：多个主放大器(PA1-A，PA1-B，PA1-C)，用于放大相应的独立输入信号(A，B，C)。提供装置(22-C)，用于从独立输入信号形成复合信号。该复合信号被峰化放大器(PA2-C)放大，并被转送到输出网络，该输出网络将主放大器输出信号和被放大的复合信号组合成多功率放大器系统输出信号。

Description

功率放大器系统
技术领域
本发明涉及一种高效的多输入多输出功率放大器系统。
背景技术
在用于无线通信系统的发射机中，功率放大器(PA)通常必须同时放大多个无线电信道(频率)，该无线电信道(频率)在相当宽的带宽上扩展。它们还必须高效地完成这项工作，以便减小功耗并需要冷却。还要求高线性，因为非线性放大器将引起干扰信号能量泄漏到系统中的其他信道。
足够多的独立射频(RF)信道或多用户码分多址信号(CDMA信号)的混合的振幅概率密度，易于接近具有大的峰均功率比的Rayleigh分布。因为传统的RF PA通常具有与其输出振幅成比例的效率，因此对于这样的信号来说其平均效率非常低。
响应于传统线性PA的低效率，已经提出了许多方法。其中两个最有前景的方法是Chireix异相(outphasing)方法[1]和Doherty方法[2]，这些方法基于包括多于一个放大器的复合功率放大器。
用于无线通信系统的基站通常装配了几个发射机(并且因此装配了几个功率放大器)。原因在于，基站正服务于几个地理区域(“扇区”或“小区”)或者使用几个天线元件的阵列。在第一种情况下，独立发射机的数量通常是3个。这两种方法的组合也是可以的。
在3个扇区基站的情况下，该3个天线通常输出由3个分离功率放大器放大的完全独立信号(在特定扇区中到用户的信号的3个不同混合)。
在天线阵列的情况下，在一个扇区中的不同用户处于不同的位置，因此到该阵列中的各个天线的信号(到用户的信号相移版本的不同混合)通常是部分相关的。该相关对于用户的更低角度扩展(更窄扇区)以及天线之间更小的间隔来说通常更高。同时，在这种情况下单独的功率放大器也用于振列中的每个天线。
根据以上所述的现有技术状态，通过使每个复合放大器具有两个或更多独立控制的构成放大器(constituent amplifier)(晶体管)，功率放大器(Chireix和Doherty类型放大器)比B类放大器获得更高的效率。该方法的问题在于当放大器被用于多输入多输出应用(诸如多扇区基站或自适应天线阵列)时大量的控制路径(信号产生、上变换、放大，等等)。这是因为这样的事实，与非复合放大器相比，每个复合放大器需要至少两倍数量的控制路径。
发明内容
本发明的目的是利用比现有技术系统更少数量的控制路径来获得多输入多输出功率放大器系统的高效率。
该目的是根据所附权利要求来获得的。
简而言之，本发明基于这样的思想，控制路径可以由几个复合放大器共享。
附图说明
通过参考以下描述以及附图来很好理解本发明及其目的和优点。
图1是Chireix放大器的框图；
图2是具有由传输线实现的输出网络的Chireix放大器的框图；
图3是Doherty放大器的框图；
图4是典型的现有技术的多输入多输出功率放大器系统的框图；
图5是根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第一实施例的框图；
图6是根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第二实施例的框图；
图7是根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第三实施例的框图；
图8是根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第四实施例的框图。
具体实施方式
在以下本发明的详细描述中，相同的附图标记用于图中所示的相等或相似元件。
在详细描述本发明之前，将简要地阐述Chireix和Doherty放大器以及下述问题。
术语“异相”，其描述了在Chireix放大器中的关键方法，主要表示通过组合几种(通常是2种)相位调制恒定振幅信号而获得振幅调制的方法。如图1所示，这些信号在信号分量分离器10中产生，接下来，在通过RF链路12，14(D/A变换器，混和器、滤波器)和放大器PA1，PA2的上变换和放大之后，这些信号被组合以便在输出组合器网络20中形成放大的线性信号。这些恒定振幅信号的相位被选择以便使它们矢量求和的结果产生期望的振幅。在Chireix放大器的输出网络中的补偿电抗+jX和-jX被用来延伸高效区域到较低的输出功率电平。
通过改变电抗的尺寸(X)，Chireix放大器的优点就是能够改变效率曲线以便适合不同的峰均功率比。不考虑该调整，峰值输出功率在放大器之间被相等地分割，这意味着可以使用相等尺寸(相等的最大输出功率)放大器。Chireix放大器也可以通过缩短和加长λ/4线(参见[3])，同时保持在λ/2处的两条线之和，而不使用补偿电抗被构建。根据[3]的普通输出网络如图2所示。
Doherty放大器，其典型实施例如图3所示，该放大器使用一个线性和一个非线性放大器。公开的理论陈述了，第一放大器PA1(即，晶体管)，表示为“主”功率放大器，在B类中被线性驱动，而第二放大器PA2，表示为“峰化”或“辅助”功率放大器，具有非线性输出电流(通过C类操作或一些其他技术)，“调制”由主放大器PA1经由阻抗反相(impedance-inverting)四分之一波长(λ/4)线所看见的阻抗。因为辅助放大器PA2的非线性输出电流是零以下的在某一输出电压处的所谓变换点，因此该放大器在该点以下并不会带来功率损耗。
标准的Doherty放大器的变换点位于最大输出电压的一半处。使用该变换点，该效率曲线最适合于适度的峰均功率比，并且峰值功率在两个构成放大器之间被相等地分割。在Doherty放大器的变换点可以通过改变四分之一波长传输线(或等价电路)的阻抗而被改变。那么效率曲线可以被调整用于较高的峰均功率比，并且峰值输出功率将在放大器之间被不相等地分割。因此不同尺寸(输出功率容量)放大器将被需要用于最佳使用总的可用峰值功率。
现有技术的放大器通过使每个复合放大器具有两个或更多独立控制的晶体管而比B类放大器获得更高的效率。该方法的问题在于当放大器被用于多扇区基站或自适应天线阵列中时大量的控制路径(信号产生、上变换、放大)。这如图4所示，其中三个输入信号A，B，C被转送到3个独立的Doherty放大器，每个放大器连接到各个天线。如图4所示，每个构成放大器需要其自己的控制路径，如虚线长方形所示。实际上，该三个复合放大器完全独立。本发明解决的主要问题就是使用更少这样的控制路径来获得高效率。
图5是根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第一实施例的框图。该实施例基于Doherty原理，并且具有在几个峰化放大器PA2-A，PA2-B，PA2-C之上的公共控制22C。这解决了这样的问题，即需要分离的上变换器的许多独立控制路径。在本情况下，控制路径的数量可以从6(图4)减小到4(图5)。但是，应当理解的是，并不是所有峰化放大器必须连接到相同的控制路径。例如，PA2-B和PA2-C可以共享共同的控制路径，而PA2-A可以被配置为具有独立的控制路径，如图4所示。
由于共享的控制路径，因此峰化放大器信号总是指向同一个方向(或者指向不同的方向，该不同的方向之间具有相同的相位偏置)，因此当两个或更多输入信号A-C在变换点之上但是在相反的相位方向时就会存在额外的误差。为了极少发生这种情况(并且具有更小的误差)，变换点应当优选地被放置比在独立Doherty放大器中高。
虽然参考图5描述的实施例是所给出问题的解决方案，但是其他改进也是可以的。应当注意，其减小了控制路径的数量。但是，所需的峰化放大器的数量并不减少。图6是根据本发明的获得该进一步改进的多输入多输出功率放大器系统的第二实施例的框图。
图6的实施例基于一个新的输出网络，即“隔离支管(insulatingmanifold)”，其使得在几个Doherty放大器之间共享一个峰化放大器。让其工作的基本条件就是不同的输出信号极少需要同时并且在相反方向上、以RF电压的形式使用峰化放大器。(相同的条件应用到前面所述的图5的实施例中)。在图6所示的实施例中，前面使用的各个峰化放大器已经被单个峰化放大器PA2-C所代替，其输出连接到无源网络(隔离支管)，其将各种输出节点互相隔离，同时将(单个)峰化放大器电流分散到每个节点。
隔离支管通过使用输出和起到RF接地功能的公共点RFG之间的四分之一波长传输线将输出电压互相隔离。因为公共点是接地的，因此没有信号可以通过它，并且四分之一波长线将公共点上的0阻抗变换成在输出端的无限阻抗。峰化晶体管PA2-C本质上是具有无限阻抗的电流产生器。该阻抗由四分之一波长线变换成在公共点RFG处需要的0RF阻抗。在相反方向上，该电路呈现了一个电压，该电压是在其输入端的输出电压的缩放和。(通过使晶体管饱和或者通过适当地预处理信号)剪切(clip)该电压增加了效率。
图6实施例的另一个优点在于与图5的实施例相比，对于相同的可用功率容量的总量(即，晶体管尺寸和)来说，误差电平更低。
本发明的最佳操作优选地涉及信号的联合控制，包括具有最小结果误差的联合剪切。多载波或多用户信号的联合统计是用于较高的变换点电平，多个信号更极少地同时高于变换点。无论何时几个信号同时高于变换点并且这些信号基本上处于相反相位，那么由于单个峰化放大器不能在大于一个相位方向上传递电流所以将产生误差。适当的处理可以最小化和分散该误差，但是为了维持期望的误差电平，变换点位于足够高的电平也是重要的。这表示效率低于全部是最佳Doherty放大器构成的系统的效率。
峰值减小或剪切被用来减小位于主放大器晶体管PA1-A到PA1-C的信号的峰均比，并且几个信号的联合控制被用来剪切位于峰值晶体管PA2-C的电压。与常规的峰值减小或剪切相比，到主放大器的信号的剪切电平略微高于本发明。这是因为来自偶尔的“高于相反相位中变换点的电压”的误差添加到总的误差中。为了将总的误差保持在期望的水平，一些其他的误差源(在本情况下就是剪切误差)必须被减小。
与传统的系统(在传统的系统中，放大器被简单地定制尺寸用于最大功率，而剪切或峰值减小将峰均比尽可能地降低为线性规范允许的范围)相比，本发明中具有更多的自由度。这些额外的自由度是通过在主放大器中去耦合电流和电压波形来创建的，由于使用共享峰化放大器的Doherty行为，并利用在峰化放大器处的不同的联合信号统计。
与传统系统相比，因为在本发明中具有更多的误差源，因此由于剪切产生的误差应当优选地被减小。这是通过将主放大器的尺寸定制为最大输出电流来获得，这样它们对应于略微更高的剪切电平。然后峰化放大器输出电流被定制尺寸以便它可以抑制在一个主放大器中的电压为最大允许的电压，直到该值。如上所述，在峰化放大器PA2-C中的电压是所有输出电压的缩放和。这表示，它的振幅统计不同于那些输出电压的统计，通常是具有更高方差的似Rayleigh分布，这使得在该点的剪切或峰值减小是有利的。来自于此的相对小的误差也添加到总的误差中，并且优选地被相应地补偿。在峰化放大器本身的电压电平和在主放大器输出节点处的电压抑制量之间的折中是通过选择用于形成隔离支管的四分之一波长线的阻抗来执行的。
图5的实施例使用具有公共控制的不同峰化放大器，该实施例不可能剪切和信号，因此需要更高的总峰值放大器功率容量来获得与图6实施例相同的误差电平和相同的效率。
因为在图6实施例中的公共峰化放大器影响所有的主放大器输出节点电压，并且所有的输出(天线)电压影响公共峰化放大器输出节点电压，因此有一些事件应当优选地被处理：
1.当一个放大器输出节点电压高于变换电压时，该峰化放大器输出电流应当优选地被设置为完全补偿过电压(常规Doherty操作)。
2.如果该补偿引起另一个放大器高于其变换电压(到饱和状态)，或者如果两个放大器高于它们的变换电压，那么峰化放大器输出电流应该优选地被设置为最小振幅(也调整相位)，这使得两个放大器处于低于饱和状态。
3.如果该调整不可能，或者其引起第三个放大器进入饱和状态，那么峰化放大器输出电流应该优选地被设置为最小化过电压平方和(或峰值过电压，如果期望的话)。
在天线阵列中，到不同天线的信号通常是相关的。该相关改变了联合信号统计，这样重合峰值在相同方向上更普通。该峰化放大器然后就更经常地在变换点之上同时处理几个放大器，这表示该变换点可以被降低，从而实质上提高了效率。
通过使Chireix放大器或者最近刚刚发明的放大器[3]充分地(在优选实施例中极大地)非对称，本发明还可以使用Chireix放大器，或者最近刚刚发明的放大器[3]。从而，在峰化放大器中的公共信号量(非对称Chireix构成放大器的较小)被最小化。与所述的解决方案(其使用了Doherty放大器)相比，该非对称Chireix种类将具有更高的效率，但是在主放大器尺寸和峰化放大器尺寸之间也具有更大的差别。
图7是基于Chireix原理的根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第三实施例的框图。该实施例类似于图5的Doherty实施例在于，它使用公共RF链路14-C和单独的峰化放大器PA2-A，PA2-B，PA2-C。其还使用图2的输出网络20(虽然相移δ对于所有放大器对都是相同的，其还可以对所述对来说可能具有不同的相移)。在本实施例中，还存在复合输出信号从加法器26到主放大器PA1-A、PA1-B、PA1-C的相应输入的交叉耦合。优选地，这些交叉耦合的信号乘以具有幅度大约是1的因子KA，KB，KC(其可以相等或者不同)。在更复杂的实施例中，这些因子依赖于输出网络的阻抗，也依赖于频率。交叉耦合信号的相位是这样的使得在输出信号中消去峰值信号。(实际上在Doherty情况下相应的交叉耦合也是可能的，尽管在该例子中，因子幅度更低)。在非对称实施例中，该峰化放大器通常是更小的放大器。
图8是基于Chirex原理的根据本发明的多输入多输出功率放大器系统的第四实施例的框图。该实施例类似于图7的实施例，但是不同在于，和图6的实施例一样，其使用了单个的峰化放大器PA2-C和隔离支管。在非对称实施例中，该峰化放大器通常是更小的放大器。
通过将本发明与现有技术的系统(现有技术的系统包括3个复合放大器，每个都包括具有相应控制路径的2个功率放大器)相比，上述描述已经说明了本发明。但是应当理解，在被本发明替代的现有技术系统中的复合放大器的数量可以是两个或大于3个，并且该复合放大器可以包括具有相应控制路径的多于2个功率放大器(如[4]中所述)。复合放大器的数量越大，本发明可以获得的节约就越大。
在以下阐述本发明有效性的实例中，根据本发明的放大器系统与相等复杂性的参考系统相比较。具有9dB Rayleigh分布的振幅的3个独立信号在两种情况中被放大。两个系统都被设计具有相同的总误差电平-47dBc。在参考系统中，这全部是由剪切大于平均功率电平的9dB处的信号而引起的。在根据本发明的系统中，对于单个放大器的等价剪切电平(由非充分峰化放大器输出电流引起的)位于与9dB电平相比的1.05处。变换点位于9dB电平的0.73处(可以理解为，主放大器被设计为在0.695处具有变换点的Doherty放大器)。
参考系统使用2个B类放大器，和一个最佳两晶体管放大器，所有的具有最大输出功率1。最佳Doherty放大器是由具有0.38和0.62的最大输出功率的放大器制成。根据本发明的系统使用了具有最大输出功率为0.75的3个主放大器和具有最大输出功率为0.57的峰化放大器。控制路径(上变换器)的数量在两种情况(相同复杂度)下相同，都是4个。
根据本发明用于系统的输出功率总和在该情况下是参考系统的输出功率总和的94％，减小了6％。参考系统的平均效率是37.5％，因为其B类放大器具有31.4％的效率，而其Doherty放大器具有61.6％的效率。根据本发明的系统的效率是42.7％，是对参考系统显著的改善。因此在本实例中，我们比在参考系统中需要更小的总输出功率并获得更高的效率。
上述本发明具有几个优点，例如：
.对于相同硬件复杂度来说更高的效率
.需要更低的总输出功率
.可以在复杂性和有效性获得新的折中
.在天线阵列应用中效率非常高
本领域的技术人员应当理解，在不背离所附权利要求所限定的本发明的范围前提下，可以作出各种修改和改变。
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[3]WO03/061115A1
[4]WO04/057755A1

Claims (6)

1.一种多输入多输出功率放大器系统，包括：
多个主放大器(PA1-A，PA1-B，PA1-C)，用于放大相应的独立输入信号(A，B，C)；
装置(22-C)，用于从所述独立输入信号形成复合信号；
装置(PA2-A，PA2-B，PA2-C)，用于放大所述复合信号；和
输出网络，用于将主放大器输出信号和被放大的复合信号组合成多功率放大器系统输出信号。
2.根据权利要求1的放大器系统，其中所述用于放大的装置包括多峰化功率放大器(PA2-A，PA1-B，PA2-C)，每个放大器放大所述复合信号。
3.根据权利要求1的放大器系统，其中所述用于放大的装置包括用于放大所述复合信号的单个峰化功率放大器(PA2-C)。
4.根据权利要求3的放大器系统，其中所述输出网络包括连接到峰化功率放大器(PA2-C)的无线电频率隔离支管，所述隔离支管包括连接到多个四分之一波长传输线的四分之一波长传输线。
5.根据之前任何一个权利要求的放大器，包括所述复合信号的缩放版本到每个主放大器输入的交叉耦合。
6.一种射频隔离支管，包括连接到多个四分之一波长传输线的四分之一波长传输线。
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