CN101836357A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供功率放大器。在多赫尔蒂放大器中，为了防止在将载波放大器(12)和峰值放大器(13)的大小比设为7倍～10倍时，功率小的放大器即载波放大器(12)在信号功率大的情况下破损，设置限幅电路(14)，该限幅电路(14)在信号功率达到一定值以上时，将信号功率流入到地面。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及功率放大器。
背景技术
近年来，宽带无线系统正逐渐实用化，该调制解调系统采用利用多个载波的多载波(包括OFDM等)方式，以实现频率利用率高的系统。
该情况下，发送信号瞬间出现非常大的振幅，功率放大器为保持线性失真，一般使其输出信号失真。为了将该失真保持在容许范围内，需要使用具有高峰值输出功率的功率放大器。即，为了保持线性，必须取大的回退，这导致功率效率下降，尤其对于移动终端非常不便(导致通话时间变得非常短)。因此，希望能够实现一种从峰值功率到低功率(宽动态范围)，效率都不会下降的功率放大器。
在使用半导体元件的功率放大器中，为了以高电源效率工作，比较有效的方法是减少元件内部的损失。为此，一般需要以元件中产生内部损失的输出端子中的电流和电压之积的时间积分减小的方式工作。为此，饱和工作比较有效，而且，众所周知有几种使始终处于饱和工作的放大元件高效取出振幅被调制波的方法。饱和工作是指，使用放大器的整个动态范围来放大信号的工作。由于使用整个动态范围，无疏漏地使用放大器的可工作范围而进行放大，因此功率效率变好。
下面示出代表性的电路。LINC(Linear Amplification Using NonlinearComponents)、多赫尔蒂(Doherty)放大器以及包络跟踪放大器、包络消除与恢复(Envelope Elimination and Restoration，EER)放大器。各个放大器的概要如下。
图1A～图1C是示出现有技术的代表性的功率放大器的结构的图。
1.LINC(图1A)：将2台放大器以恒定且较大的振幅进行驱动，使它们进行饱和工作，将输出功率合成，并输出。改变各个输入的相位，从而改变输出振幅。
2.多赫尔蒂放大器(图1B)：具有由主放大器和辅放大器构成的两台放大器，将相比于主放大器的输入延迟了λ/4的信号输入到辅放大器，使主放大器的输出延迟λ/4，与辅放大器的输出合成。通常，主放大器以A～AB级工作，辅放大器以B级工作。若输入功率升高，则主放大器先开始饱和工作，赋予高效率。
3.ET、EER(图1C)：一边使放大器进行饱和工作，一边使电源电压变动，输出得到振幅调制信号。
上述的各个现有技术存在如下问题。
1.LINC：难以高效地将两台放大器的输出合成。
2.多赫尔蒂放大器：各放大器的输入/输出的功率匹配器、输出的功率合成器使用损失较低的线性电路。尽管如此，各放大器的输入输出阻抗和从输入至输出的相位·振幅传递特性因信号的大小而发生变化，尤其在为了提高小功率下的效率而减小偏置电流时，该变化增大。对于在此产生的输入输出阻抗和从输入至输出的相位·振幅传递特性的变化，线性的功率匹配器、输出的功率合成器无法进行追随，若信号功率改变，则效率下降。并且，还将小放大器和能够输出大功率的大放大器组合使用，该小放大器在宽功率范围内工作，因此在低输出功率时饱和，尽快获得高效率。此时，在大小放大器中使用的元件尺寸大不相同的情况下，即使输入到大小放大器的功率相同，也很有可能会导致小放大器的元件破损。
发明内容
本发明的课题在于，提供一种功率放大器，该功率放大器是多赫尔蒂放大器，具有防止小侧放大器破损的结构。
本发明的第一方面的功率放大器，其是多赫尔蒂型功率放大器，所述功率放大器包括：第一放大器；第二放大器，其与该第一放大器并联连接，输出功率比该第一放大器小；以及限幅单元，其设置于该第二放大器的输入侧，在向该第二放大器输入的输入信号的振幅为预定值以上的情况下，进行限幅。
本发明的第二方面的功率放大器，其是多赫尔蒂型功率放大器，所述功率放大器包括：第一放大器，其在信号振幅小时，输入阻抗与信号源的阻抗相同，随着信号振幅增大，输入阻抗逐渐增大；以及第二放大器，其与该第一放大器并联连接，且输入阻抗与信号源的阻抗相同。
附图说明
图1A是示出现有技术的代表性的功率放大器的结构的图(之一)。
图1B是示出现有技术的代表性的功率放大器的结构的图(之二)。
图1C是示出现有技术的代表性的功率放大器的结构的图(之三)。
图2是示出本发明的实施方式的基本结构的图。
图3是使用了平衡器(Balun)的合成电路。
图4示出其他实施方式。
图5A是示出其他实施方式的图(之一)。
图5B是示出其他实施方式的图(之二)。
图6是示出其他实施方式的图(之三)。
图7是示出其他实施方式的图(之四)。
图8是示出其他实施方式的图(之五)。
图9是说明图8的结构的工作的图(之一)。
图10A是说明图8的结构的工作的图(之二)。
图10B是说明图8的结构的工作的图(之三)。
图10C是说明图8的结构的工作的图(之四)。
图11是说明图8的结构的工作的图(之五)。
图12是说明图8的结构的工作的图(之六)。
具体实施方式
图2是示出本发明的实施方式的基本结构的图。
在多赫尔蒂型放大器中，若载波(主)放大器、峰值(辅)放大器的输出功率的大小比取几倍以上(7～10倍)，则可以扩大高效率功率范围，但是，当载波放大器侧的小晶体管处于过输入时，很有可能发生破损。在本实施方式中，对载波放大器输入进行限幅，从而保护放大器不因过输入而破损。即，设置载波放大器和峰值放大器，当输入较小时，载波放大器工作，当输入增大时，峰值放大器工作，若载波放大器与峰值放大器的输出功率的大小比增大，则由载波放大器负责的输入功率的大小和峰值放大器负责的输入功率的大小结合而得的宽度扩大，所以动态范围扩大。
载波放大器12是输出功率较小的小型放大器，峰值放大器13是输出功率较大的大型放大器。它们并联连接，峰值放大器13的输入侧设置有λ/4延迟线10，载波放大器12的输出上设置有λ/4延迟线11。载波放大器12的输入侧设置有限幅电路14。限幅电路14由二极管构成，施加预定电压以上的电压时，有电流流过，降低施加到载波放大器12的输入侧的电压。方向不同的二极管并联连接，在信号振幅为大正值的情况下和为大负值的情况下，进行限幅。限幅使用以二极管的符号表示的元件，但也可以使用很多其他的非线性元件。
图3示出使用了平衡器的合成电路。
由载波放大器12和峰值放大器13构成的多赫尔蒂电路，通常在装配基板上设置有由传送线路构成的阻抗转换器(λ/4延迟线10、11)，专有由该基板形状(厚度、设计方法(coplaner/microstrip-line等))、物理性质(介电常数)决定的一定面积，所以产生阻抗，尤其在用于移动设备时构成问题。在此，也可以使用平衡器对载波放大器12和峰值放大器13的输出进行功率合成。图3中示出作为功率合成器的平衡器、载波放大器12、峰值放大器13。对载波放大器12的输入1和对峰值放大器13的输入2是由图2中同一信号分支而得的，但也可以是分别生成且同步的相同信号。
图4～图8示出其他实施方式。
图4示出为防止在进行了强力限幅的情况下产生的反射波返回到输入端子而使用了隔离器(Isolator)15的例子。隔离器15设置在限幅电路14的输入侧。限幅电路14进行强力限幅时，限幅电路14本身就等同于电容，所以产生反射波。反射波通过隔离器15流入到地面。由此，反射波相对于输入保持相位差进行传递，从而能够避免给整个电路带来坏影响。
图5A中示出的例子是，替代隔离器，使用电气长度为λ/4的线路16，且对峰值放大器13的输入也设置了相当的线路。λ/4的线路16可以用集成元件(由电容和电感构成的阻抗转换电路)替换。被限幅电路14反射的反射波在输入到限幅电路14时，通过λ/4的延迟线16，所以相位与输入错开λ/4，反射而返回到输入方向时，再一次通过λ/4延迟线16，所以相位共改变λ/2，与输入抵消。即，反射波不会返回到输入侧。在此，峰值放大器13的输入侧也设置有λ/4延迟线17是为了使输入相位与载波放大器12侧一致。
图5B中，替代接峰值放大器13的输入的多赫尔蒂电路中的输入延迟线和图5A中追加在峰值放大器13侧的延迟线17，使用相位反转电路(阻抗转换电路(使相位改变λ/2)18，具体使用激励放大器。
图6示出替代隔离器15而使用了放大器19的例子。放大器19具有提高信号隔离的效果，所以可替代隔离器15来使用。
图7示出为了补偿峰值放大器侧的增益而使用了放大器21的例子。即，在载波放大器12的输入上设置了放大器19的图6的结构中，载波放大器12侧的放大率与峰值放大器13侧不平衡，所以也在峰值放大器13侧设置放大器21。
图8示出通过载波放大器12的前置放大器22的非线性(通过调整阻抗，根据输入信号振幅的大小而改变工作)进行限幅的例子，一并记述各个最大输出的例子。
图9～图12是说明图8的结构的工作的图。
图9所示的例子中，通过放大器的输入电路来防止载波放大器的过大功率破损(过电压/过电流)。图中，“C”表示载波放大器，“P”表示峰值放大器。载波放大器和峰值放大器的输入上分别设置有电容器c1、c2，输出上分别设置有电感le11、le21以及电容器ce11、ce21。并且，峰值放大器的输入侧λ/4延迟线为35Ω，载波放大器的输出侧λ/4延迟线为30Ω。电容c1、c2为DC模块，cel1、cel2、le11、le21为负载电路。
为了更详细地进行说明，将从信号输入路径的各部分观看放大器侧的阻抗示出图10A～图10C(能够通过简单的匹配电路获得该特性)。图10A示出载波放大器的输入阻抗。图10B示出峰值放大器的输入阻抗。图10C示出将载波放大器的输入阻抗和峰值放大器的输入阻抗合成的输入阻抗。
各图的史密斯图针对输入功率分别为-30dBm、0dBm、10dBm，示出(顺时针)2.3～2.7GHz的特性。
如图10A所示，载波放大器的输入阻抗，在输入功率较小时，约为50Ω，能够从50Ω的信号源高效地向载波放大器输入信号。输入信号功率增大时，输入阻抗变得更大，从而侵入到载波放大器的输入路径的信号功率的比率下降。因此，载波放大器的输入阻抗设计成，当输入功率较小时，设定为信号源的阻抗程度，随着输入功率增大，变得比信号源的阻抗大。
另一方面，如图10B所示，进入到峰值放大器侧的路径的阻抗能够与信号功率无关地调整到与信号源阻抗相等的50Ω左右。因此，输入信号能够始终高效地供给给峰值放大器，从而即使在等级c(class-c)的偏压以下，也能够实现平滑的升高。
图10C示出合成后的阻抗，是多赫尔蒂放大器的输入的阻抗的一例。为-30dBm时，阻抗最小，为0dBm、10dBm时，随着输入增大，阻抗也增大。这主要是由载波放大器的输入阻抗引起的变动。
如上所述，在信号功率增大时，降低侵入到载波放大器的信号功率的比率，从而防止载波放大器破损，并且将该剩余信号功率分配给峰值放大器，能够得到高功率附加效率$(Pout-Pin)/消耗功率。
此外，如图11所示构成多赫尔蒂放大器。载波放大器12和峰值放大器13并联连接，在峰值放大器的输入侧设置λ/4延迟线10，在载波放大器12的输出侧设置λ/4延迟线11。电源24和电源25分别对来自各自放大器的交流信号成分赋予直流成分。
图12中，(1)示出载波放大器的输入侧的阻抗，(2)示出峰值放大器的输入侧的阻抗。图12的斯密斯图内所示的箭头表示峰值放大器的输入侧的延迟线Z0的入口部分的阻抗。低、中、高的标记表示信号振幅小的情况、中等的情况、大的情况下的阻抗。在信号振幅小的情况下，载波放大器的输入侧的阻抗小，峰值放大器侧的阻抗大，所以信号主要输入到载波放大器。若信号振幅增大，则载波放大器的输入阻抗也增大，峰值放大器的输入阻抗减小，信号主要输入到峰值放大器。像这样，通过调整阻抗，能够切换信号的流向。
本实施方式中，能够在将元件尺寸之比设为7～10的同时，在大功率侧的宽功率范围内高效进行工作，并能够防止载波放大器的过输入，对于BS(base station，基站)、MS(mobile station，移动站)，能够实现节电、小型化、低成本、高可信度、低运行成本，对于MS，还能够对延长电池寿命以及电池的轻量化做出贡献。
即，通过以上的实施方式，能够提供消耗功率小、且具有高电源效率特性的宽带微米波～毫米波功率放大器，尤其将其用于移动机的情况下，能够实现使用小型轻量的电池长时间输出所需RF功率的装置。在用于固定站～基站的情况下，能够减少消耗功率和发热，能够对装置的小型化、高信赖化、长寿命化和装置的便利性的提高做出贡献。

Claims (10)

1.一种多赫尔蒂型功率放大器，其特征在于包括：
第一放大器；
第二放大器，其与该第一放大器并联连接，输出功率比该第一放大器小；以及
限幅单元，其设置于该第二放大器的输入侧，在向该第二放大器输入的输入信号的振幅为预定值以上的情况下，进行限幅。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述限幅单元由方向不同的二极管并联连接而成。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，在所述第二放大器的输入侧的所述限幅单元的前级具备隔离器。
4.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，在所述第二放大器的输入侧的所述限幅单元的前级具备用于使信号的相位延迟λ/4的λ/4延迟线。
5.根据权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，在所述第一放大器的输入侧具备使信号的相位延迟λ/4的第二λ/4延迟线。
6.根据权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，在所述第一放大器的输入侧，具备激励放大器来取代作为多赫尔蒂侧功率放大器设置的延迟线。
7.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，在所述第一放大器的输入侧的所述限幅单元的前级具备放大器。
8.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，在所述第二放大器的输入侧具备放大器。
9.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，使用平衡器来对所述第一放大器和第二放大器的输出进行合成。
10.一种多赫尔蒂型功率放大器，其特征在于包括：
第一放大器，其在信号振幅小时，输入阻抗与信号源的阻抗相同，随着信号振幅增大，输入阻抗逐渐增大；以及
第二放大器，其与该第一放大器并联连接，且输入阻抗与信号源的阻抗相同。
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