CN101488790A - 功率放大装置和发射机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种功率放大装置和发射机。其中所述功率放大装置包括功率放大电路，该功率放大电路包括并联连接的第一支路和第二支路；该第一支路包括主功率放大电路和第一阻抗变换电路；该第二支路包括辅助功率放大电路和第二阻抗变换电路；其中，该第一阻抗变换电路和该第二阻抗变换电路分别用于将该主功率放大电路的等效负载阻抗和该辅助功率放大电路的等效负载阻抗匹配到预设值，该功率放大电路的输出端用于串联连接负载网络，该功率放大电路的输出端与该负载网络之间不包括四分之一波长传输线。本发明实施例提供的功率放大装置和发射机提高功率放大装置在低输入功率情况下的效率，同时减小了电路的面积。

Description

功率放大装置和发射机

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种功率放大装置和发射机。

背景技术

多赫蒂(Doherty)功率放大器于1936年研发出来，成为提高传统的低平均效率的幅度调制效率的替代品。目前，由于数字预失真的兴起，多赫蒂功率放大器成为提高功率放大器效率的一种电路结构。

多赫蒂功率放大器具有两个功率放大器，一般称之为主功率放大器和辅助功率放大器，其中主功率放大器又称为载波功率放大器，其为甲类功率放大器或甲乙类功率放大器或乙类功率放大器，辅助功率放大器又称为峰值功率放大器，其为丙类功率放大器。当输入低功率时，辅助功率放大器处于截止状态，主功率放大器处于工作状态，此时，主功率放大器呈现高效率。随着输入功率的增加，当主功率放大器达到饱和状态时，主功率放大器的效率达到最佳状态并一直保持不变，辅助功率放大器开始导通，其输出电流逐渐增大，效率不断增大，但是仍然比主功率放大器的效率低，于是多赫蒂功率放大器的效率呈现出先下降后上升的趋势，而且该电流使得主功率放大器的等效负载阻抗降低。当输入功率增大到辅助功率放大器也达到饱和导通，辅助功率放大器的效率达到最佳，多赫蒂功率放大器的效率达到最佳状态。如图1所示，为现有技术中多赫蒂功率放大器的效率曲线图，其中，多赫蒂功率放大器中的主功率放大器具体为乙类功率放大器，可以看出，与单独的乙类功率放大器比较，多赫蒂功率放大器提高了低输入功率情况下的效率。

然而，为了实现阻抗变换，多赫蒂功率放大器的合路上仍有一段35Ω的λ/4传输线，该传输线不可避免地存在一定的损耗，从而降低了功率放大器的效率；另外，这段35Ω的λ/4传输线也将增加电路的面积。

发明内容

本发明实施例提供了一种功率放大装置和发射机，用以实现提高多赫蒂功率放大器在低输入功率情况下的效率，同时，减小电路的面积。

本发明实施例提供了一种功率放大装置，包括功率放大电路，所述功率放大电路包括并联连接的第一支路和第二支路；

所述第一支路包括主功率放大电路和第一阻抗变换电路；

所述第二支路包括辅助功率放大电路和第二阻抗变换电路；其中，

所述第一阻抗变换电路和所述第二阻抗变换电路分别用于将所述主功率放大电路的等效负载阻抗和所述辅助功率放大电路的等效负载阻抗匹配到预设值，所述功率放大电路的输出端用于串联连接负载网络，所述功率放大电路的输出端与所述负载网络之间不包括四分之一波长传输线。

本发明实施例还提供了一种发射机，包括数字信号处理模块、调制模块和功率放大模块，所述功率放大模块包括功率放大电路，所述功率放大电路包括并联连接的第一支路和第二支路；

所述第一支路包括主功率放大电路和第一阻抗变换电路；

所述第二支路包括辅助功率放大电路和第二阻抗变换电路；其中，

所述第一阻抗变换电路和所述第二阻抗变换电路分别用于将所述主功率放大电路的等效负载阻抗和所述辅助功率放大电路的等效负载阻抗匹配到预设值，所述功率放大电路的输出端用于串联连接负载网络，所述功率放大电路的输出端与所述负载网络之间不包括四分之一波长传输线。

本发明实施例提供的功率放大装置和发射机，将合路上的四分之一波长传输线去掉，还能保持正常的工作状态，并且减小了合路损耗，有利于提高功率放大装置在低输入功率情况下的效率，同时减小了电路的面积。

附图说明

图1为现有技术中多赫蒂功率放大器的效率曲线图；

图2为本发明功率放大装置第一实施例的结构示意图；

图3为本发明功率放大装置第二实施例的结构示意图；

图4为本发明功率放大装置第二实施例的电路图；

图5为本发明功率放大装置第二实施例中第二阻抗变换电路的电路图；

图6为本发明发射机第一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图2所示，为本发明功率放大装置第一实施例的结构示意图，具体可以包括功率放大电路30，功率放大电路30具体可以包括并联连接的第一支路31和第二支路32；第一支路31具体可以包括主功率放大电路311和第一阻抗变换电路312；第二支路32具体可以包括辅助功率放大电路321和第二阻抗变换电路322。

其中，第一阻抗变换电路312和第二阻抗变换电路322分别用于将主功率放大电路311的等效负载阻抗和辅助功率放大电路321的等效负载阻抗匹配到预设值；具体地，第一阻抗变换电路312将主功率放大电路311的等效负载阻抗匹配到预设值，从而使得主功率放大电路311在低输入功率情况下呈现高效率，在大功率输入情况下呈现高线性，第二阻抗变换电路322将辅助功率放大电路321的等效负载阻抗匹配到预设值，从而使得辅助功率放大电路321在低功率输入情况下呈现高阻抗，在大功率输入情况下处于高线性。

功率放大电路30的输出端33具体可以用于串联连接负载网络331，并且功率放大电路30与负载网络331之间不包括四分之一波长传输线。

其中，主功率放大电路311和辅助功率放大电路321具体可以为一个功率放大器，也可以为一个以上功率放大器级联形成的功率放大电路。负载网络331的等效阻抗R_L通常为50Ω，但不限于50Ω。

下面将该功率放大装置的工作过程分解成三个状态进行分析，分别是小功率输入、中功率输入和大功率输入。再参见图2，第一阻抗变换电路312的阻抗变换函数具体可以为：A＝F1(B)，第二阻抗变换电路322的阻抗变换函数具体可以为：A＝F2(B)。小功率输入时，因为输入信号小，辅助功率放大电路321处于截止状态，主功率放大电路311处于工作状态，此时，辅助功率放大电路321的输出电流I₂₁和第二阻抗变换电路322的输出电流I₂₂的大小为：I₂₁＝I₂₂＝0，辅助功率放大电路321的等效负载阻抗R₂₁和第二阻抗变换电路322的等效负载阻抗R₂₂的大小呈现为高阻抗：R₂₁＝R₂₂＝+∞Ω，第一阻抗变换电路312的等效负载阻抗R₁₂＝R_L，主功率放大电路311的等效负载阻抗R₁₁＝F1(R_L)Ω，主功率放大电路311在等效负载阻抗为R₁₁情况下处于高效率状态；在峰值功率输入时，主功率放大电路311和辅助功率放大电路321同时达到饱和输出功率，第一阻抗变换电路312和第二阻抗变换电路322的输出电流分别同时达到最大值I_12max和I_22max，第一阻抗变换电路312的等效负载阻抗 $R_{12}=\frac{I_{12\max }+I_{22\max }}{I_{12\max }}*R_L\mathrm{\Ω},$ 第二阻抗变换电路322的等效负载阻抗 $R_{22}=\frac{I_{12\max }+I_{22\max }}{I_{12\max }}*R_L\mathrm{\Ω},$ 主功率放大电路311的等效负载阻抗R₁₁＝F1(R₁₂)Ω，辅助功率放大电路321的等效负载阻抗R₂₁＝F2(R₂₂)Ω，主功率放大电路311和辅助功率放大电路321分别在其等效负载阻抗R₁₁和R₂₁情况下处于高线性状态；在中功率输入时，辅助功率放大电路321开始工作，等效负载阻抗R₂₂的变化为： $R_{22}\∝(+\∞,\frac{I_{12\max }+I_{22\max }}{I_{22\max }}*R_L)\mathrm{\Ω};$ 在辅助功率放大电路321的牵引下，等效负载阻抗R₁₂的变化为： $R_{12}\∝(R_L,\frac{I_{12\max }+I_{22\max }}{I_{12\max }}*R_L)\mathrm{\Ω};$ 主功率放大电路311的等效负载阻抗R₁₁的变化为：R₁₁∝(F₁(R_L)，

辅助功率放大电路312的等效负载阻抗R₂₁的变化为： $R_{21}\∝(+\∞,F_2(\frac{I_{12\max }+I_{22\max }}{I_{22\max }}*R_L))\mathrm{\Ω}.$

在辅助功率放大电路321的牵引过程中，主功率放大电路311一直处于饱和状态，其效率不变且一直处于最佳状态；而辅助功率放大电路321的输出电流在其达到峰值之前不断增大，因此辅助功率放大电路321的输出功率不断增加，随输出功率的增加，辅助功率放大电路321的效率不断增加，从而提高了该功率放大装置在低输入功率情况下的效率。

本实施例通过将合路上的四分之一波长传输线去掉，功率放大电路还能保持正常的工作状态，并且减小了合路损耗，有利于提高功率放大装置在低输入功率情况下的效率，同时减小了电路的面积。

如图3所示，为本发明功率放大装置第二实施例的结构示意图，为了使得第一支路31和第二支路32的输出功率的相位在功率放大电路30的输出端一致，进一步提高主功率放大电路311和辅助功率放大电路321的效率，在本实施例中，第一支路31还可以包括第一相位补偿电路313，与主功率放大电路311的输入端链接，和/或，第二支路32还可以包括第二相位补偿电路323，与辅助功率放大电路321的输入端链接。其中，第一相位补偿电路313和/或第二相位补偿电路323用于补偿第一支路31与第二支路32之间的相位差，使得第一支路31和第二支路32的输出功率的相位在功率放大电路30的输出端一致，不至于因为第一支路31和第二支路32的输出功率的相位不一致而降低功率放大电路30的输出端的输出功率，进一步提高了功率放大装置的效率。

另外，本实施例还可以包括功率分配电路34，其输出端分别与功率放大电路30的第一支路31和第二支路32的输入端连接，用于将输入功率按照设定的比例分别分配给第一支路和31第二支路32。具体地，功率分配电路34可以将输入功率等分给第一支路31和第二支路32，也可以将输入功率按照设定的比例分配给第一支路31和第二支路32，例如：m:n，从而可以灵活调整主功率放大电路311和辅助功率放大电路321的输入功率。

通常情况下，第一阻抗变换电路312和第二阻抗变换电路322具体可以采用一段λ/4传输线来实现阻抗变换，λ/4传输线的阻抗值可以根据实际情况确定。需要说明的是，该第一阻抗变换电路312和第二阻抗变换电路322还可以采用其他形式的阻抗变换电路来实现阻抗变换。第一相位补偿电路313和第二相位补偿电路323具体可以采用一段微带线实现相位补偿，微带线的长度可以根据实际的相位差确定。其中，辅助功率放大电路321具体可以为丙类功率放大器，只有在输入信号达到一定值后辅助功率放大电路321才会输出信号，主功率放大电路311具体可以为甲乙类功率放大器、甲类功率放大器或乙类功率放大器，其具有较高的效率。

下面通过一具体电路对本实施例进行阐述。如图4所示，为本发明功率放大装置第二实施例的电路图，功率分配电路具体可以为威尔金森(Wilkinson)功分器53，威尔金森功分器53将输入功率平均分配给功率放大电路的第一支路和第二支路，其中在第一支路上，主功率放大电路具体可以为一主功率放大器51，第一阻抗变换电路具体可以是特性阻抗Z₃＝70.7Ω的λ/4传输线L₃；在第二支路上，辅助功率放大电路具体可以为一辅助功率放大器52，并采用了一个特殊的第二阻抗变换电路。如图5所示，为本发明功率放大装置第二实施例中第二阻抗变换电路的电路图，包括电容C、第一八分之一波长传输线L₁和第二八分之一波长传输线L₂，第一八分之一波长传输线L₁的特性阻抗Z₁＝50Ω，第二八分之一波长传输线L₂的特性阻抗Z₂＝50Ω。电容C的一端与辅助功率放大器52的输出端连接，电容C的另一端分别与第一八分之一波长传输线L₁和第二八分之一波长传输线L₂的一端连接，第一八分之一波长传输线L₁的另一端与功率放大电路的输出端连接，第二八分之一波长传输线L₂的另一端与地连接。该第二阻抗变换电路的散射(S)参数为 $\left[\begin{array}{cc}-\frac{1}{3}& \frac{2\sqrt{2}}{3}\\ \frac{2\sqrt{2}}{3}& \frac{1}{3}\end{array}\right],$ 当输入端的阻抗为R时，输出端的阻抗为2*R，其实现了由R变换到2*R的阻抗转换且相位保持不变。此外，由于λ/4传输线L₃导致π/2的相位变化，因此第二相位补偿电路采用一段特性阻抗Z₄＝50Ω的λ/4的传输线L₄进行相位补偿，使主功率放大器51和辅助功率放大器52在功率放大电路的输出端上相位一致。另外，还可以在主功率放大器51的输入端采用一段一定长度的微带线进行相位补偿，使主功率放大器51和辅助功率放大器52的输出功率在合路上相位一致，或者主功率放大器51和辅助功率放大器52的输入端都采用一段一定长度的微带线进行相位补偿，使主功率放大器51和辅助功率放大器52的输出功率在合路上相位一致。负载网络的等效阻抗R_L＝50Ω。

下面介绍图4所示电路的工作过程，将功率放大装置的工作过程也分解成三个状态进行分析，分别是小功率输入、峰值功率输入以及中功率输入。在小功率输入时，因输入信号小，辅助功率放大器52处于截止状态，此时，L₃的等效负载阻抗R₁₂＝50Ω，主功率放大器51的等效负载阻抗 $R_{11}=\frac{Z_3*Z_3}{R_{12}}=\frac{70.7*70.7}{50}=100\mathrm{\Ω},$ 主功率放大器51在其等效负载阻抗为100Ω情况下处于高效率状态；在峰值功率输入时，主功率放大器51的输出电流I₁₁与辅助功率放大器52的输出电流I₂₁相等，即I₁₁＝I₂₁，此时L₃的等效负载阻抗R₁₂和第二阻抗变换电路的等效负载阻抗R₂₂分别为：R₁₂＝R₂₂＝2R_L＝100Ω，主功率放大器51的等效负载阻抗 $R_{11}=\frac{Z_3*Z_3}{R_{12}}=\frac{70.7*70.7}{100}=50\mathrm{\Ω},$ 辅助功率放大器52的等效负载阻抗 $R_{21}=\frac{R_{22}}{2}=\frac{100}{2}=50\mathrm{\Ω},$ 主功率放大器51和辅助功率放大器52在等效负载阻抗均为50Ω情况下处于高线性状态；在中功率输入时，主功率放大器51的等效负载阻抗R₁₁在辅助功率放大器52的牵引下，在100Ω-50Ω之间变化，主功率放大器51的效率不变且一直处于最佳状态，而辅助功率放大器52的等效负载阻抗R₂₁在+∞Ω-50Ω之间变化，辅助功率放大器52的效率不断增加。另外，当主功率放大器51、辅助功率放大器52呈现高阻时高线性、低阻时高效率时，可以将主功率放大器51、辅助功率放大器52进行交换。

本实施例通过将合路上的四分之一波长传输线去掉，减小了合路损耗，还能保持正常的工作状态，有利于提高功率放大装置在低输入功率情况下的效率，同时减小了电路的面积。

此外，主功率放大电路311和辅助功率放大电路312都有一个固定的阻抗，当主功率放大电路311和辅助功率放大电路312的固定阻抗与其等效负载阻抗匹配时，由于去掉了合路上的四分之一波长传输线，主功率放大电路311和辅助功率放大电路321能够将其最大额定功率全部传送到负载网络，避免了合路上的四分之一波长传输线的损耗，进一步地提高了功率放大装置的效率。

如图6所示，为本发明发射机第一实施例的结构示意图，该发射机具体可以包括数字信号处理模块61、调制模块62和功率放大模块63。其中，功率放大模块63具体可以包括功率放大电路30，功率放大电路30具体可以包括并联连接的第一支路31和第二支路32；第一支路31具体可以包括主功率放大电路311和第一阻抗变换电路312；第二支路32具体可以包括辅助功率放大电路321和第二阻抗变换电路322。

其中，第一阻抗变换电路312和第二阻抗变换电路322分别用于将主功率放大电路311的等效负载阻抗和辅助功率放大电路321的等效负载阻抗匹配到预设值；具体地，第一阻抗变换电路312将主功率放大电路311的等效负载阻抗匹配到预设值，从而使得主功率放大电路311在低输入功率情况下呈现高效率，在大功率输入情况下呈现高线性，第二阻抗变换电路322将辅助功率放大电路321的等效负载阻抗匹配到预设值，从而使得辅助功率放大电路321在低功率输入情况下呈现高阻抗，在大功率输入情况下处于高线性。

功率放大电路30的输出端33具体可以用于串联连接负载网络331，并且功率放大电路30与负载网络331之间不包括四分之一波长传输线。

其中，主功率放大电路311和辅助功率放大电路321具体可以为一个功率放大器，也可以为一个以上功率放大器级联形成的功率放大电路。负载网络331的等效阻抗R_L通常为50Ω，但不限于50Ω。

本实施例通过将合路上的四分之一波长传输线去掉，减小了合路损耗，还能保持正常的工作状态，有利于提高功率放大模块63在低输入功率情况下的效率，同时减小了电路的面积。

在图6所示技术方案的基础上，本发明实施例提供的发射机中的功率放大模块63还可以包括前述功率放大装置实施例中的任一模块，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种功率放大装置，其特征在于，包括功率放大电路，所述功率放大电路包括并联连接的第一支路和第二支路；

所述第一支路包括主功率放大电路和第一阻抗变换电路；

所述第二支路包括辅助功率放大电路和第二阻抗变换电路；其中，

所述第一阻抗变换电路和所述第二阻抗变换电路分别用于将所述主功率放大电路的等效负载阻抗和所述辅助功率放大电路的等效负载阻抗匹配到预设值，所述功率放大电路的输出端用于串联连接负载网络，所述功率放大电路的输出端与所述负载网络之间不包括四分之一波长传输线。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一支路还包括第一相位补偿电路，与所述主功率放大电路的输入端连接，用于补偿所述第一支路与所述第二支路之间的相位差。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二支路还包括第二相位补偿电路，与所述辅助功率放大电路的输入端连接，用于补偿所述第一支路与所述第二支路之间的相位差。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

功率分配电路，其输出端分别与所述功率放大电路的第一支路和第二支路的输入端连接，用于将输入功率按照设定的比例分配给所述第一支路和第二支路。

5、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一相位补偿电路包括微带线。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二相位补偿电路包括微带线。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一阻抗变换电路包括四分之一波长传输线。

8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二阻抗变换电路包括四分之一波长传输线。

9、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二阻抗变换电路包括电容、第一八分之一波长传输线和第二八分之一波长传输线，其中所述电容的一端与所述辅助功率放大电路的输出端连接，所述电容的另一端分别与所述第一八分之一波长传输线和所述第二八分之一波长传输线的一端连接，所述第一八分之一波长传输线的另一端与所述功率放大电路的输出端连接，所述第二八分之一波长传输线的另一端与地连接。

10、一种发射机，包括数字信号处理模块、调制模块和功率放大模块，其特征在于，所述功率放大模块包括权利要求1-9任一所述的功率放大装置。

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