CN102549915B - 多尔蒂放大器 - Google Patents
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Abstract
多尔蒂放大器具有将输入信号分成两个信号的分配器、来自分配器的信号中的一个被输入至的载波放大器、来自分配器的信号中的另一个信号被输入至的峰值放大器、和用于将来自载波放大器和峰值放大器的输出信号合成的合成器。载波放大器具有化合物半导体器件，其中所述化合物半导体器件具有至少两个端子。峰值放大器具有单元素半导体器件。具有相同极性的偏置电压施加于化合物半导体器件的两个端子。
Description
技术领域
本发明涉及一种多尔蒂放大器(Doherty amplifier)，特别是涉及一种适宜于无线通信的放大器。
背景技术
近年来的宽带通信系统使用峰值功率与平均功率(PAR)的比值大约为10dB的信号。在这样的情况下，有必要使用高频放大器，所述高频放大器能够发送具有比在发送阶段的平均发送功率高至少10dB的峰值功率的信号。
通常，随着峰值功率与平均发送功率的比值(回退)增加，放大器功率效率降低。另一方面，环境意识趋势要求在无线电通信系统中功率消耗的降低。尤其是，期望提高高频放大器的效率，这起因于需要具有至少几十瓦的高输出功率的便携式电话的基站设备的大部分功率消耗。
已讨论过对于基站使用多尔蒂型放大器(Doherty-type amplifier)作为具有高效率及高回退的高频放大器。在多尔蒂型放大器中，在低输出功率区域中仅载波放大器工作，但是在高输出功率区域中载波放大器和峰值放大器都工作。
在峰值放大器开始工作的输出电平处效率能够达到最大。因此，能够实现更高的效率。而且，可以通过改变载波放大器与峰值放大器的饱和功率电平的比率来改变输出电平从而使得效率达到最大。
在传统技术中，用于便携式电话基站的高频放大器通常使用作为单元素半导体的硅(Si)材料的LD-MOSFET(横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)作为半导体器件。
近年来，由提供具有更高效率的半导体器件的由氮化镓代表的化合物半导体已用于半导体器件以提高用于便携式电话基站的多尔蒂型高频放大器的效率。因此，已实现了更高的效率。但是，存在化合物半导体比单元素半导体贵的问题。
能够应对这样问题的现有技术的实例包括JP-A 2008-193720(专利文献1)。专利文献1公开了包括使用GaAs FET的载波放大器和使用LD-MOSFET的峰值放大器的多尔蒂放大器以提高AM-PM特性(输出功率-输出相位特性)。
然而，一般来说，偏置电压的正电极应用于GaAs FET的漏极，偏置电压的负电极应用于GaAs FET的栅极。因此，正负极性都是电源所必要的。结果，存在用于向放大器供应偏置电压的电源的构造变得复杂的问题。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是提供一种技术以解决上述问题。提供具有用于供应偏置电压的电源的简化构造的多尔蒂放大器为本发明的目的。
解决问题的办法
本发明提供一种多尔蒂放大器，所述放大器具有：分配器，其用于将一个输入信号分成两个信号；载波放大器，所述信号中的一个信号从分配器输入至该载波放大器；峰值放大器，所述信号中的另一个信号从分配器输入至该峰值放大器；以及合成器，其用于将来自载波放大器和峰值放大器的输出信号合成。
所述载波放大器具有化合物半导体器件，其中所述化合物半导体器件具有至少两个端子。
所述峰值放大器具有单元素半导体器件。
具有相同极性的偏置电压施加于化合物半导体器件的两个端子。
发明的效果
根据本发明，能够提供具有用于供应偏置电压的电源的简化构造的多尔蒂放大器。
附图说明
图1为示出根据本发明的第一实施例的多尔蒂放大器的构造的图。
图2为示出根据本发明的第二实施例的多尔蒂放大器的构造的图。
图3为示出根据本发明的第三实施例的多尔蒂放大器的构造的图。
图4为示出在其内部提供载波放大器和峰值放大器的单一封装的状态(想象的内部)的图。
图5为示出根据本发明的第四实施例的多尔蒂放大器的构造的图。
图6为示出根据本发明的第五实施例的多尔蒂放大器的构造的图。
具体实施方式
下面将参考附图来说明本发明的实施例。
(第一实施例)
下面将参考图1说明根据本发明的第一实施例的多尔蒂放大器的构造。
根据本发明的第一实施例的多尔蒂放大器100具有高频信号输入端子1、分配器2、移相器3、载波放大器4、峰值放大器5、移相器6、合成器7、和高频信号输出端子8。
在多尔蒂放大器100中，在低输出功率区域中仅载波放大器4工作，而且在高输出功率区域中载波放大器4和峰值放大器5都工作。
载波放大器4由高效率的化合物半导体元件构成。另一方面，峰值放大器5由便宜的单元素半导体元件构成。
载波放大器4的化合物半导体器件可以是场效应晶体管或双极性晶体管。化合物半导体器件的实例包括增强型GaAs HEMT(高电子迁移率晶体管)、增强型氮化镓HEMT、硅锗HBT(异质结双极晶体管)、AlGaAs HBT和磷化铟基HBT。然而，化合物半导体器件不限于这些实例。
而且，载波放大器4具有化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10。具体地，载波放大器4由化合物半导体器件构成，并且在化合物半导体器件上设置化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10。
此外，在化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10之间连接电压转换电路11。例如，电压转换电路11是可工作而将约30V的电压转换为约1V的电压的电路。电压转换电路11由一般的稳压器IC或电阻式分压器电路(未图示)、或两者的组合来实现。
电源电压12经由电压转换电路11、化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10而施加于载波放大器4(化合物半导体器件)。因此，具有相同极性的偏置电压施加于由化合物半导体器件构成的载波放大器4的两个端子(化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10)。通常，偏置电压的极性为正极性。然而，在本发明的实施例中，偏置电压的极性不限于正极性，其可以是负极极性。
通常，在用于高频放大器的半导体器件(半导体晶体管)中，正电压施加于漏极(集电极)而源极(发射极)接地。正电压或负电压施加于栅极(基极)。例如，参考文献(MOTOROLA Freescale，Inc.SEMICONDUCTOR APPLICATION NOTE AN211A，摩托罗拉飞思卡尔半导体公司半导体使用说明AN211A)在图9中公开了其中负电压施加于栅极的耗尽型FET和其中正电压施加于栅极的增强型FET。通常，在此以前用作用于高频放大器的化合物半导体的GaAs基FET是其中负电压施加于栅极的耗尽型。
在本发明的第一实施例中，其中正电压施加于栅极的增强型FET用作化合物半导体的实例。在双极晶体管的情况下，例如，使用硅锗HBT、AlGaAs HBT、或磷化铟基HBT，并且相同的正极性应用于基极和集电极。
同时，由单元素半导体器件构成的峰值放大器5具有单元素半导体漏极/集电极电压施加端子13和单元素半导体栅极/基极电压施加端子14。具体地，峰值放大器5由单元素半导体器件构成，并且单元素半导体漏极/集电极电压施加端子13和单元素半导体栅极/基极电压施加端子14设置在单元素半导体器件上。预定的偏置电压施加在单元素半导体漏极/集电极电压施加端子13和单元素半导体栅极/基极电压施加端子14之间。
利用上述构造，来自高频信号输入端子1的高频信号输入到分配器2并由分配器2分割。来自分配器2的分割的信号之一由载波放大器4放大，然后由移相器3调整相位。来自分配器2的另一个分割的信号在通过移相器6之后，由峰值放大器5放大。之后，这些信号由合成器7进行合成，并从高频信号输出端子8输出。
在功率增益由于不同的半导体处理而在载波放大器4与峰值放大器5之间不同的情况下，改变分配器2的信号分配比来补偿。例如，当峰值放大器5的功率增益为载波放大器4的功率增益的两倍时，分配器2的信号分配比设置为如下，即，载波放大器∶峰值放大器＝2∶1。因此，使得从分配器2的输入到载波放大器4的输出的功率增益等于从分配器2的输入到峰值放大器5的输出的功率增益。
具体地，在普通多尔蒂放大器中，分配器的分配比设置为1∶1。在其中仅载波放大器工作的低输出功率区域中，从高频信号输入端子输入的高频信号的功率电平由分配器减半(减少3dB)。然后信号由载波放大器放大，并且在通过移相器和合成器之后，从高频输出端子输出。从而，多尔蒂放大器的从高频信号输入端子到高频输出端子的功率增益从载波放大器的功率增益减少了3dB。
相比之下，在根据本实施例的多尔蒂放大器100中，例如，当峰值放大器5的功率增益为载波放大器4的功率增益的两倍时(高3dB)，分配器2的分配比设置为载波放大器∶峰值放大器＝2∶1。在那时，在其中仅载波放大器4工作的低输出功率区域中，由高频信号输入端子1输入的高频信号的功率电平在分配器2处变成2/3，(减少1.8dB)。接着信号由载波放大器4放大，并且在其经过移相器3和合成器7之后，从高频信号输出端子8输出。因此，多尔蒂放大器100的从高频信号输入端子1到高频信号输出端子8的功率增益从载波放大器的功率增益仅减少约1.8dB。因此，相对于普通多尔蒂放大器，期望功率增益提高1.2dB。
此外，通过改变对载波放大器4和峰值放大器5的电源电压，调整多尔蒂放大器100，使得在多尔蒂放大器100的工作点效率达到最大。
根据本发明的第一实施例，相对于使用一般的Si-LDMOS的多尔蒂放大器，使用主导着多尔蒂放大器100的效率特性的用于载波放大器4的高效率化合物半导体器件，提高了放大器的效率。
此外，对于峰值放大器5使用便宜的单元素半导体器件防止了多尔蒂放大器100的价格更加。
此外，根据本发明的第一实施例，由于具有相同极性的偏置电压施加于由化合物半导体器件构成的载波放大器4的两个端子(化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10)，所以相对于需要正负两个极性作为电源的多尔蒂放大器，用于供给偏置电压的电源的构造能够简化。
如上所述，专利文献1公开了使用用于载波放大器的GaAs FET以及用于峰值放大器的LD-MOSFET(横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)以便提高AM-PM特性(输出功率-输出相位特性)的多尔蒂型放大器。
然而，一般来说，偏置电压的正电极施加于作为化合物半导体器件的GaAs FET的漏极，并且偏置电压的负电极施加于GaAs FET的栅极。因此，正负极性都是电源所必要的。结果，用于向多尔蒂放大器供给偏置电压的电源的构造变得复杂。
相应地，在本发明的第一实施例中，具有相同极性的偏置电压施加于构成载波放大器4的化合物半导体器件的两个端子9和10，以简化用于供给偏置电压的电源的构造。在那时，选择适宜于将具有相同极性的偏置电压供给给两个端子9和10的化合物半导体器件。例如，在正极性的偏置电压施加于两个端子9和10的情况下，优选地使用磷化铟基化合物半导体器件等作为化合物半导体器件。
因此，根据本发明的第一实施例，能够简化电源的构造。展现出高效性能的化合物半导体能够用于载波放大器4，并且便宜的单元素半导体能够用于峰值放大器5.
(第二实施例)
下面，将参考图2来说明根据本发明的第二实施例多尔蒂放大器的构造。
根据第二实施例的多尔蒂放大器200(反向的多尔蒂型)具有几乎与根据第一实施例的多尔蒂放大器100(见图1)相同的构造。但是，多尔蒂放大器200与根据第一实施例的多尔蒂放大器100的不同之处在于：移相器3配置在载波放大器4的上行侧，并且移相器6配置在峰值放大器5的下行侧。其它的配置与图1中所示的根据第一实施例的多尔蒂放大器100的相同，并在这里省略对其的解释。在图2中，与图1中所示的相同的元件用相同的参考数字表示。
对于上述构造，来自高频信号输入端子1的高频信号输入到分配器2，并由分配器2分割。来自分配器2的分割的信号之一由移相器3调整相位，然后由载波放大器4放大。来自分配器2的另一个分割的信号由峰值放大器5放大，然后由移相器6调整相位。此后，这些信号由合成器7合成，并从高频信号输出端子8输出。
根据本发明的第二实施例，电源构造能够和第一实施例一样简化。展现出高效性能的化合物半导体能够用于载波放大器4，并且便宜的单元素半导体能够用于峰值放大器5。
(第三实施例)
下面，将参考图3来说明根据本发明的第三实施例的多尔蒂放大器300。
根据第三实施例的多尔蒂放大器300具有几乎与根据第一实施例的多尔蒂放大器100(见图1)相同的构造。但是，多尔蒂放大器300与根据第一实施例的多尔蒂放大器100的不同之处在于：在单一封装30的内部提供载波放大器4和峰值放大器5。
在根据第三实施例的多尔蒂放大器300中，仅载波放大器4和峰值放大器5配置在单一封装30的内部。分配器2、移相器3、移相器6和合成器7配置在封装30的外部。
其它配置和工作与图1中所示的根据第一实施例的多尔蒂放大器100的相同，并且在这里省略对其的解释。在图3中，使用相同的参考数字来表示与图1中所示相同的元件。
将参考图4来说明在其内部提供载波放大器4和峰值放大器5的单一封装30的状态(想象的内部)。
化合物半导体器件401(其构成载波放大器4)、载波放大器输入匹配电路402、载波放大器输出匹配电路403、高频输入/栅极(基极)电压两用端子404以及高频输入/漏极(集电极)电压两用端子405配置在金属板400上。
此外，单元素半导体器件406(其构成峰值放大器5)、峰值放大器输入匹配电路407、峰值放大器输出匹配电路408、高频输入/栅极(基极)电压两用端子409以及高频输出/漏极(集电极)电压两用端子410配置在金属板400上。
通过键合线411或金属布图以高频方式将这些元件相连接。此外，通过钎料金属等将化合物半导体器件401和单元素半导体器件406连接到金属板400。
这里，构成载波放大器4的化合物半导体器件401和构成峰值放大器5的单元素半导体器件406可以具有不同的半导体线性膨胀系数。在那时，如果选择对于化合物半导体器件401的线性膨胀系数来说最佳的材料，并且用于上面安装着化合物半导体器件401和单元素半导体器件406的金属板400，则由于单元素半导体器件406和化合物半导体器件401之间的线性膨胀系数的大的差异，机械变形累积在化合物半导体器件401、单元素半导体器件406或金属板400上，从而长期使用的可靠性降低。
因此，在本实施例中，具有构成载波放大器4的化合物半导体器件401的线性膨胀系数与构成峰值放大器5的单元素半导体器件406的线性膨胀系统之间的中间值的线性膨胀系数的材料用于金属板400。由于此选择，能够减少机械累积变形，使得能够提高可靠性。
这里，金属板400不限于图4中所示的形式，并且可以是在印制电路板上或在内层中形成的金属板。
根据本发明的第三实施例，和第一实施例一样能够简化电源的构造。展现出高效性能的化合物半导体能够用于载波放大器4，并且便宜的单元素半导体能够用于峰值放大器5。
此外，根据本发明的第三实施例，由于在单一封装30内部提供载波放大器4和峰值放大器5，所以相对于在不同的封装上提供载波放大器4和峰值放大器5的情况，能够使多尔蒂放大器300在尺寸上更小。
(第四实施例)
下面，将参考图5来说明根据本发明的第四实施例的多尔蒂放大器500。
第四实施例为其中通过诸如F级或逆F级的谐波处理来提高载波放大器4的效率的实例。
根据第四实施例的多尔蒂放大器500具有几乎与根据第一实施例的多尔蒂放大器100(见图1)相同的构造。但是，多尔蒂放大器500与根据第一实施例的多尔蒂放大器100的不同之处在于载波放大器4和峰值放大器5的内部构造。
具体地，载波放大器4包括化合物半导体器件50、配置在化合物半导体器件50的上行侧的输入匹配电路51以及配置在化合物半导体器件50的下行侧的输出匹配电路52。输入匹配电路51具有谐波处理电路53，并且输出匹配电路52具有谐波处理电路54。
此外，峰值放大器5包括单元素半导体器件55、配置在单元素半导体器件55的上行侧的输入匹配电路56以及配置在单元素半导体器件55的下行侧的输出匹配电路57。
其它配置和工作与图1中所示的根据第一实施例的多尔蒂放大器100的相同，并且这里省略对它们的解释。在图5中，使用相同的参考数字表示与图1所示相同的元件。
根据本发明的第四实施例，和第一实施例一样能够简化电源的构造。展现出高效性能的化合物半导体能够用于载波放大器4，并且便宜的单元素半导体能够用于峰值放大器5。
此外，根据本发明的第四实施例，能够通过在载波放大器4上执行谐波处理能够进一步提高多尔蒂放大器500的效率。
(第五实施例)
下面，将参考图6来说明根据本发明的第五实施例的多尔蒂放大器600。
根据第五实施例的多尔蒂放大器600具有几乎与根据第一实施例的多尔蒂放大器100(见图1)相同的构造。但是，多尔蒂放大器600与根据第一实施例的多尔蒂放大器100的不同之处在于在移相器6的上行侧提供高频衰减器60。其它配置和工作与图1中所示的根据第一实施例的多尔蒂放大器100的相同，并且在这里省略对它们的解释。在图6中，使用相同的参考数字表示与图1中所示相同的元件。
根据本发明的第五实施例，和第一实施例一样能够简化电源的构造。展现出高效性能的化合物半导体能够用于载波放大器4，并且便宜的单元素半导体能够用于峰值放大器5。
此外，根据本发明的第五实施例，当载波放大器4的功率增益比峰值放大器5的功率增益大时，能够校正这些功率增益的差。
从而，已具体说明了本发明的实施例。本发明不限于上述实施例。基于本发明的技术思想能够做出各种修改。
例如，具有相同极性的偏置电压施加于由化合物半导体器件构成的载波放大器4的两个端子(化合物半导体漏极/集电极电压施加端子9和化合物半导体栅极/基极电压施加端子10)。这些偏置电压通常具有正极性，但也可以具有负极极性。
此外，具有相同极性(例如，正极)的偏置电压通常施加于由单元素半导体器件构成的峰值放大器5的两个端子(单元素半导体漏极/集电极电压施加端子13和单元素半导体栅极/基极电压施加端子14)。在那时，可以将施加于单元素半导体器件的两个端子13和14的偏置电压设置为具有与施加于化合物半导体器件的两个端子9和10的偏置电压相同的极性(例如，正极)。此配置能够提供具有用于供给偏置电压的电源的进一步简化构造的多尔蒂放大器。
工业实用性
本发明能够广泛地应用于用于诸如LTE(Long Term Evolution，长期演进)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)和第四代移动通信系统(IMT-Advanced，高级国际移动通信)的移动宽带通信的基站，以及广泛地应用于这些基站之间的通信。
本发明基于2009年9月28日提交的日本专利申请No.2009-222033，其公开通过引用的方式结合于此。
Claims (19)
1.一种多尔蒂放大器，包括：
分配器，其将输入信号分成两个信号；
载波放大器，其被提供来自所述分配器的信号中的一个；
峰值放大器，其被提供来自所述分配器的信号中的另一个；和
合成器，其将来自所述载波放大器和所述峰值放大器的输出信号合成，
其中所述载波放大器包括具有至少两个端子的化合物半导体器件，
所述峰值放大器包括单元素半导体器件，
所述化合物半导体器件具有高效率，所述载波放大器具有的效率相对主导所述多尔蒂放大器的效率，并且所述单元素半导体器件具有的效率不相对主导所述多尔蒂放大器的所述效率，并且
具有相同极性的偏置电压施加于所述化合物半导体器件的两个端子，
其中，当所述载波放大器的功率增益与所述峰值放大器的功率增益不同时，将用于所述载波放大器和所述峰值放大器的分配器的分配比设置为彼此不同。
2.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中所述化合物半导体器件为场效应晶体管，并且所述化合物半导体器件的两个端子为所述场效应晶体管的漏极端子和栅极端子。
3.如权利要求2所述的多尔蒂放大器，其中所述场效应晶体管为HEMT，并且所述单元素半导体器件为LD-MOSFET。
4.如权利要求3所述的多尔蒂放大器，其中所述HEMT为氮化镓基HEMT，并且所述LD-MOSFET为硅基LD-MOSFET。
5.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中所述化合物半导体器件为双极性晶体管，并且所述化合物半导体器件的两个端子为所述双极性晶体管的集电极端子和基极端子。
6.如权利要求5所述的多尔蒂放大器，其中所述双极性晶体管为HBT，并且所述单元素半导体器件为LD-MOSFET。
7.如权利要求6所述的多尔蒂放大器，其中所述HBT为磷化铟基HBT，并且所述LD-MOSFET为硅基LD-MOSFET。
8.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中当所述峰值放大器的功率增益比所述载波放大器的功率增益大时，将用于所述载波放大器的分配器的分配比设置为高于用于所述峰值放大器的分配器的分配比。
9.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中所述载波放大器和所述峰值放大器配置在单一半导体封装中。
10.如权利要求9所述的多尔蒂放大器，其中所述化合物半导体器件和所述单元素半导体器件连接到所述半导体封装的金属板，并且
所述金属板的材料的线性膨胀系数具有在所述化合物半导体器件的线性膨胀系数与所述单元素半导体器件的线性膨胀系数之间的中间值。
11.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中第一移相器配置在所述载波放大器的下行侧，并且第二移相器配置在所述峰值放大器的上行侧。
12.如权利要求11所述的多尔蒂放大器，其中高频衰减器配置在所述第二移相器的上行侧。
13.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中第一移相器配置在所述载波放大器的上行侧，并且第二移相器配置在所述峰值放大器的下行侧。
14.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中所述载波放大器还包括配置在所述化合物半导体器件的上行侧的输入匹配电路和配置在所述化合物半导体器件的下行侧的输出匹配电路。
15.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中所述峰值放大器还包括配置在所述单元素半导体器件的上行侧的输入匹配电路和配置在所述单元素半导体器件的下行侧的输出匹配电路。
16.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中通过改变所述载波放大器和所述峰值放大器的电源电压来调整所述多尔蒂放大器的效率以便使其在工作点达到最大。
17.如权利要求1所述的多尔蒂放大器，其中所述单元素半导体器件具有至少两个端子，并且具有相同极性的偏置电压施加于所述单元素半导体器件的两个端子。
18.如权利要求17所述的多尔蒂放大器，其中施加于所述单元素半导体器件的两个端子的偏置电压具有与施加于所述化合物半导体器件的两个端子的偏置电压相同的极性。
19.如权利要求18所述的多尔蒂放大器，其中施加于所述单元素半导体器件的两个端子的偏置电压和施加于所述化合物半导体器件的两个端子的偏置电压具有正极性。
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