CN101394387A - 一种支持ofdm信号发射的功率放大模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持OFDM信号发射的功率放大模块，其包括：功分器，用于将射频输入信号按功率等分为N路等分信号，其中N≥2；N个功率放大器，分别用于放大所述N路等分信号，并输出N路放大信号，所述N个功率放大器均工作在线性区域；以及合路器，用于将N路放大信号合成一路作为射频输出信号输出。本发明的功率放大模块能显著提高发射功率的线性度且成本较低。

Description

一种支持OFDM信号发射的功率放大模块

技术领域

本发明涉及无线通信系统的发射机中的功率放大结构，特别是涉及一种支持OFDM信号发射的功率放大模块。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的调制方式有着频谱利用率高，抗衰落，抗码间串扰等诸多优点。目前这种技术正在被广泛的应用于无线通信领域。OFDM符号是由多个独立的经过调制的正交子载波信号相加而成，这样的合成信号有可能产生高的峰均比(PAR)，当这种高峰均比信号通过线性度不足够的功率放大器(PA)时会产生严重的失真，使子载波间的正交性破坏，产生载波间串扰，从而降低OFDM信号质量。而且，信号通过非线性功放时会造成频谱展宽，产生难以消除的邻道干扰。可见，功率放大器的线性是制约OFDM技术发展的一个重要因素。但是，从功率放大器选择的角度，对于各种类型的功放产品，随着功放线性指标的增加，功放的价格会以指数方式急剧增加。一个高线性度功放的价格经常高于多个低线性度功放的价格之和，因此，如何能创设一种具有高线性度且价格低廉的功率放大模块，实属当前重要研发课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种支持OFDM信号发射的功率放大模块，它能显著提高发射功率的线性度且成本较低。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种支持OFDM信号发射的功率放大模块，其包括：功分器，用于将射频输入信号按功率等分为N路等分信号，其中N≥2；N个功率放大器，分别用于放大所述N路等分信号，并输出N路放大信号，所述N个功率放大器均工作在线性区域；以及合路器，用于将N路放大信号合成一路作为射频输出信号输出。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的功率放大模块，所述N个功率放大器为同种型号功率放大器。

前述的功率放大模块，所述功分器输出的N路等分信号之间的相位和/或幅度一致。

前述的功率放大模块，所述功分器和N个功率放大器之间的N条功分器走线的电长度均相等。

前述的功率放大模块，所述合路器和N个功率放大器之间的N条合路器走线的电长度均相等。

前述的功率放大模块，当N＝2时，N个功率放大器分为第一功率放大器和第二功率放大器，所述第一功率放大器与所述功分器之间的走线为第一走线，所述第二功率放大器和所述功分器之间的走线为第二走线，所述第一走线与第二走线对称分布，且所述第一功率放大器和所述第二放大器对称分布。

前述的功率放大模块，当N>2时，N条功分器走线长度均相同，且所述N条功分器走线的拐角数目相同，所述功分器走线拐角的几何形状也相同。

前述的功率放大模块，所述第一功率放大器与所述合路器之间的走线为第三走线，所述第二功率放大器和所述合路器之间的走线为第四走线，所述第三走线与所述第四走线对称分布。

前述的功率放大模块，N个合路器走线长度均相同，且所述N条合路器走线的拐角数目相同，所述合路器走线拐角的几何形状也相同。

由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：本发明在无线通信发射系统中，利用多个线性度不足够的功率放大器，实现了线性度明显提高的功率放大模块，从而支持OFDM高峰均比信号的发射。而且相比单个的高线性功放，本发明所采用的功率放大模块具有明显的成本优势。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1为本发明支持OFDM信号发射的功率放大模块的示意图；

图2为Wilkinson两路功率分配单元结构图。

图3为本发明较佳实施例的功率放大模块的原理图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

请参阅图1所述，其为本发明支持OFDM信号发射的功率放大模块的示意图。该功率放大模块1包括：功分器11、N个功率放大器(即功放)12和合路器13。其中，功分器11，用于将射频输入信号按功率等分为N路等分信号，其中N≥2；N个功率放大器，分别用于放大N路等分信号，并输出N路放大信号，N个功率放大器为同种型号功率放大器且均工作在线性区域；以及合路器，用于将N路放大信号合成一路作为射频输出信号输出。

其中，N为功分系数，且其取值视现有功放的线性和功率放大模块所要求的线性度而定。理想情况下，如不考虑功分器、合路器造成的合成功率损耗，在N路等分的情况下，整个功率放大模块的线性度比单个功率放大器提高10lgNdB。可据此在留有足够余量的前提下，大致推算N的取值，以达到该功率放大模块的线性要求。

功分器11可以采用集成的功分器件，或搭建如N路输出的Wilkinson等专门设计的器件。不论是集成功分器还是专门设计功分器，除了考虑输入输出匹配、隔离度、幅度不平衡、功率容限等通用指标，还主要考量以下主要指标：

a.功分器各输出支路相位不平衡度。各输出支路的相位不平衡相当于人为引入多径效应，会使信号质量恶化。因此，在功分器的选择上，要尽量保证功分器各输出支路的相位一致性，即该N路等分信号之间的相位差不超过5度。

b.功分器插损。对于多路并行的该功率放大模块，其中功放12的增益并没有增加，相反由于功分器11和合路器13的引入，增益还会略有减少，输入功率压缩点也会随之减少。因此功分器11的插入损耗要尽量小，以保持足够的增益和线性。

射频输入信号经功分器11分为N路等分信号后，每一路经过同型号的功率放大器12放大，产生N路放大信号。这里的功放12工作在线性区域，且需采用同型号的功能放大器，以保证功放相位和幅度的一致性。本领域的技术人员可以知道，为实现功放相位和幅度的一致，可以使用同一批次的的功放、保持功放外围器件的一致性、功放电路部分电路输入输出的最佳匹配等。

N个由功放12输出的放大信号需要使用合路器13将多路信号合成一路输出。合路可以看作是功分的逆过程，因此合路器13的选择与功分器相对应。另外，等分信号由于经过功放12的放大后再输入合路器，因此合路器13需要的功率容限更大。

本发明中，功分器11输出的N路等分信号之间的相位及幅度的一致性，以及功放12输出的N路放大信号之间的相位及幅度的一致性均与该功率放大模块1的布局布线有很大关系，尤其是相位一致性，很容易受到布局布线形式的影响。为控制各支路的相位及幅度不均衡，可采用以下技术方案：

功分器11和N个功放之间的N条功分器走线的电长度均相等。合路器13和N个功放12之间的N条合路器的走线长度均相等。

另外，器件及走线尽量保持对称分布，这样对称支路上的输出相位和幅度可以基本保证一致。详细地，当N＝2时，N个功率放大器分为第一功率放大器和第二功率放大器，第一功率放大器与功分器11之间的走线为第一走线，第二功率放大器和功分器11之间的走线为第二走线，第一走线与第二走线对称分布，且所述第一功率放大器和所述第二放大器对称分布。第一功率放大器与合路器13之间的走线为第三走线，第二功率放大器和合路器13之间的走线为第四走线，第三走线与第四走线对称分布。

对于3个以上支路的情况，理论上不可能任一支路都能与其他所有支路对称。于是，需要控制每一支路的走线，让每一路走线的长度尽量保持相同，且保证每个支路上的拐角数目相同，每个拐角的几何形状尽量相同。这样使得不对称支路间的相位幅度不均衡也降到最低。详细地，当N>2时，N条功分器走线长度均相同，且所述N条功分器走线的拐角数目相同，所述功分器走线拐角的几何形状也相同。N个合路器走线长度均相同，且所述N条合路器走线的拐角数目相同，所述合路器走线拐角的几何形状也相同。

下面通过一实施例来详细介绍本发明一种支持OFDM信号发射的功率放大模块。

在本实施例中，选用Wilkinson两路功率分配/合成单元作为功分器和合路器，选用Anadigics公司的WLAN高增益高线性功率放大器AWL6153作为功率放大器。

请参阅图2及图3所示，其中图2为Wilkinson两路功率分配单元结构图，功率合成单元的结构图与功率分配单元结构图相对应，只是信号的输入输出与功率分配单元相反。图3为本发明较佳实施例的功率放大模块的原理图。

如图2所示，由于对称性，射频输入信号的输入功率将平均分配于功率合成单元的两个输出端，得到同相同模的等分信号。相应的，同相同模的等分信号经放大为放大信号后输入至功率合成单元，由该功率合成单元合并为放大信号两倍的功率作为射频信号输出。就功率合成单元而言，根据Wilkinson功分器原理，若要实现输入与输出负载都等于传输线特性阻抗Z₀，且要保证良好的匹配以及隔离效果，则隔离电阻和支线的特征阻抗值为：

$Z_{01}=\sqrt{2}{Z}_0$

R＝2Z₀

将传输线的特性阻抗代入上面的设计公式中可得，Wilkinson两路分配/合成单元的支线阻抗Z₀₁和隔离电阻R分别为Z₀1＝70.7Ω，R＝100Ω。

如图3所示，功率分配单元31中，Z0＝50Ω，Z1＝Z2＝70.7Ω，R12＝100Ω；功率合成单元33中，相应的Z3＝50Ω，Z4＝Z5＝70.7Ω，R13＝100Ω。采用本实施例的电路配置，可以较好的实现功率分配单元31和第一功率放大器321之间的电长度等于功率分配单元31和第二功率放大器322之间的电长度，第一功率放大器321和功率合成单元33之间的电长度等于第二功率放大器322和功率合成单元33之间的电长度。另外，第一功率放大器321与功率分配单元31之间的第一走线与第二功率放大器322和功率分配单元31之间的走线对称分布，且第一功率放大器321和第二放大器322对称分布，第一功率放大器321与功率合成单元33之间的第三走线与第二功率放大器322和功率合成单元33之间的第四走线对称分布。

功率放大器AWL6153的1dB压缩点P_1db＝31dBm。由于OFDM信号的高峰均比的缺点，其线性最大功率输出只能达到25dBm(64QAM，54Mbps速率)。为了得到更高的线性输出功率，本实施例中采用两管合成放大器结构，理想状态下输出功率为25dBm+10lg2dB＝28dBm。考虑到功率分配器/合成器及线路损耗，会略小于28dBm。经测试，线性最大功率输出达到27.5dBm(64QAM，54Mbps速率)。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1、一种支持OFDM信号发射的功率放大模块，其特征在于，包括：

功分器，用于将射频输入信号按功率等分为N路等分信号，其中N≥2；

N个功率放大器，分别用于放大所述N路等分信号，并输出N路放大信号，所述N个功率放大器均工作在线性区域；以及

合路器，用于将N路放大信号合成一路作为射频输出信号输出。

2、根据权利要求1所述的功率放大模块，其特征在于，所述N个功率放大器为同种型号功率放大器。

3、根据权利要求2所述的功率放大模块，其特征在于，所述功分器输出的N路等分信号之间的相位和/或幅度一致。

4、根据权利要求2所述的功率放大模块，其特征在于，所述功分器和N个功率放大器之间的N条功分器走线的电长度均相等。

5、根据权利要求2所述的功率放大模块，其特征在于，所述合路器和N个功率放大器之间的N条合路器走线的电长度均相等。

6、根据权利要求4所述的功率放大模块，其特征在于，当N＝2时，N个功率放大器分为第一功率放大器和第二功率放大器，所述第一功率放大器与所述功分器之间的走线为第一走线，所述第二功率放大器和所述功分器之间的走线为第二走线，所述第一走线与第二走线对称分布，且所述第一功率放大器和所述第二放大器对称分布。

7、根据权利要求4所述的功率放大模块，其特征在于，当N>2时，N条功分器走线长度均相同，且所述N条功分器走线的拐角数目相同，所述功分器走线拐角的几何形状也相同。

8、根据权利要求6所述的功率放大模块，其特征在于，所述第一功率放大器与所述合路器之间的走线为第三走线，所述第二功率放大器和所述合路器之间的走线为第四走线，所述第三走线与所述第四走线对称分布。

9、根据权利要求7所述的功率放大模块，其特征在于，N个合路器走线长度均相同，且所述N条合路器走线的拐角数目相同，所述合路器走线拐角的几何形状也相同。

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