CN102694507B - 宽带多赫蒂放大器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了宽带多赫蒂放大器电路。一种放大器电路包括：信号求和节点；第一放大器，其被配置成操作在第一模式；阻抗逆变器；第二放大器，其被配置成操作在第二模式；以及宽带阻抗变换器。所述阻抗逆变器将所述第一放大器的输出耦合到所述信号求和节点。所述阻抗逆变器被配置成向所述第一放大器提供阻抗变换和负载调制。所述第二放大器具有耦合到所述信号求和节点的输出。所述宽带阻抗变换器具有耦合到所述信号求和节点的第一端以及形成终端节点的第二端。所述宽带阻抗变换器被配置成，在所述放大器电路的至少25％的射频带宽上，向所述第一放大器提供实阻抗。

Description

宽带多赫蒂放大器电路
技术领域
本发明涉及电路，尤其涉及放大器电路。
背景技术
典型的多赫蒂(Doherty)放大器具有主(载波)放大器和峰化(peaking)放大器，所述主(载波)放大器被偏置以操作在线性模式，例如AB类，所述峰化放大器被偏置以操作在非线性模式，例如C类。输入到所述多赫蒂放大器的信号被分裂到每个放大器，并且经放大的信号利用输出组合网络被重新组合。两个放大器在输入信号达到峰值时都是可操作的，并且均被提供实现最大功率输出的负载阻抗。随着输入信号的功率减小，所述峰化放大器关断，并且仅仅所述主放大器进行操作。在这些较低的功率电平，向所述主放大器提供实现较高的效率和增益的经调制负载阻抗。这对于放大在当前的和新兴的无线系统(举例来说，例如WCDMA(宽带CDMA)、CDMA2000、以及采用正交频分复用(OFDM)的系统(例如WiMAX(微波接入全球互通)以及UMTS(通用移动通信系统)标准的长期演进(LTE)增强))中采用的复调制方案产生了高效解决方案。
因为诸如1/4波长传输线之类的频率相关元件被用在输出组合网络中，所以传统的多赫蒂放大器架构在射频带宽上受到限制。因此，多赫蒂放大器典型地被设计成操作在特定的窄频带内。举例来说，在电信领域内，操作带宽典型地在RF信号频率的1-5％之间。然而，从载波角度来看，多频带放大器具有显著的成本效益。多频带放大器无法利用传统的多赫蒂实施来实现，这是因为频率受限元件存在于输出组合网络中。例如，多赫蒂组合器VSWR(电压驻波比)在Zmod条件下响应于操作频带的小变化而改变。因而，对于宽带应用必须使用几个传统的多赫蒂放大器，其中每个放大器被设计成用于在宽带频率范围内特定的窄带。
发明内容
根据放大器电路的一个实施例，所述放大器电路包括：信号求和节点；第一放大器，其被配置成操作在第一模式；阻抗逆变器(inverter)；第二放大器，其被配置成操作在第二模式；以及宽带阻抗变换器。所述阻抗逆变器将所述第一放大器的输出耦合到所述信号求和节点。所述阻抗逆变器被配置成向所述第一放大器提供阻抗变换和负载调制。所述第二放大器具有耦合到所述信号求和节点的输出。所述宽带阻抗变换器具有耦合到所述信号求和节点的第一端以及形成终端节点的第二端。所述宽带阻抗变换器被配置成在所述放大器电路的至少25％的射频带宽上向所述第一放大器提供实阻抗。
根据操作所述放大器电路的方法的对应实施例，所述方法包括：经由所述阻抗逆变器将所述第一放大器的输出耦合到所述信号求和节点，在第一模式操作所述第一放大器，以及经由所述阻抗逆变器向所述第一放大器提供阻抗变换和负载调制。所述方法还包括：将所述第二放大器的输出耦合到所述信号求和节点，在第二模式操作所述第二放大器，将所述宽带阻抗变换器的所述第一端耦合到所述信号求和节点，将所述宽带阻抗变换器的所述第二端耦合到终端阻抗，以及在所述放大器电路的至少25％的射频带宽上向所述第一放大器提供实阻抗。
根据放大器电路的另一实施例，所述放大器电路包括信号求和节点、主放大器、传输线、峰化放大器和宽带阻抗变换器。所述传输线将所述主放大器的输出耦合到所述信号求和节点。所述峰化放大器的输出也被耦合到所述信号求和节点，以及所述宽带阻抗变换器具有耦合到所述信号求和节点的较宽端和形成终端节点的较窄端。
根据操作所述放大器电路的方法的对应实施例，所述方法包括：经由所述传输线将所述主放大器的输出耦合到所述信号求和节点，在第一模式操作所述主放大器，以及将所述峰化放大器的输出耦合到所述信号求和节点。所述方法还包括：在第二模式操作所述峰化放大器，将所述宽带阻抗变换器的较宽端耦合到所述信号求和节点，将所述宽带阻抗变换器的较窄端耦合到终端阻抗，以及在所述放大器电路的至少25％的射频带宽上，在所述宽带阻抗变换器的所述端处存在的实阻抗之间进行变换。
本领域技术人员一阅读了下面的详细描述并且一查看了附图就将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图中的部件不一定是按比例的，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记表示对应的部分。在附图中：
图1示出包括宽带阻抗变换器的放大器电路的一个实施例。
图2是示出图1中所示的放大器电路的性能的曲线图。
图3示出宽带阻抗变换器的一个实施例。
图4示出宽带阻抗变换器的另一实施例。
图5示出宽带阻抗变换器的又一实施例。
图6示出包括宽带阻抗变换器的放大器电路的另一实施例。
具体实施方式
图1示出放大器电路100的一个实施例。放大器电路100包括第一放大器110和第二放大器120。第一放大器110被配置成操作在第一模式，以及第二放大器120被配置成操作在第二模式。在一个实施例中，第一放大器110是主(或者载波)放大器，其被偏置以操作在线性模式，例如AB类，以及第二放大器120是峰化放大器，其被偏置以操作在非线性模式，例如C类，并且因此放大器电路100根据这个实施例起多赫蒂放大器的作用。
施加具有所需的幅度和相位增量的信号输入(IN1，IN2)130、132以在求和结点140处提供最优的输出组合。阻抗逆变器150将第一放大器110的输出耦合到信号求和节点140。阻抗逆变器150具有与负载阻抗成反比的输入阻抗。因而，阻抗逆变器150向第一放大器110提供阻抗变换，以及当第二放大器120没有在操作时向第一放大器110提供负载调制。第二放大器120的输出同样被耦合到信号求和节点140。根据图1中所示的实施例，非反相(non-inverting)阻抗匹配网络160(例如2个1/4波长传输线)将第二放大器120的输出耦合到信号求和节点140。阻抗逆变器150可以是1/4波长传输线。在其他实施例中，阻抗逆变器150是集总LC逆变器。
阻抗逆变器150和非反相阻抗匹配网络160是频率相关元件，并且因此能够被认为是窄带，因为放大器电路响应将在宽的射频带宽上是可变的，除非频率相关元件的影响被减轻。频率相关可变性能够通过提供宽带阻抗变换器170而被降低，所述宽带阻抗变换器170向第一放大器110提供阻抗变换的大部分。阻抗逆变器150因此向第一放大器110提供阻抗变换的相对较小部分，从而大大降低放大器电路响应的频率可变性。
宽带阻抗变换器170具有耦合到信号求和节点140的第一端172以及形成放大器电路100的终端节点的第二端174。所述终端节点能够被耦合到终端阻抗180，例如50Ω或75Ω的负载。宽带阻抗变换器170在放大器电路100的至少25％的射频带宽上向第一放大器110提供实阻抗(例如假定回波损耗大于15dB)。例如，当所述放大器电路在数百MHz范围中操作时，宽带阻抗变换器170能够在至少200MHz或更多上向第一放大器110提供实阻抗。当所述放大器电路在多个GHz的范围中操作时，能够在至少1GHz或更多上提供实阻抗。在一些实施例中，宽带阻抗变换器170在放大器电路100的至少30％的射频带宽上提供实阻抗，。实阻抗能够被提供在如此宽的频带上是由于阻抗变换器170的宽带结构，其包括具有耦合到信号求和节点140的相对较宽的端172以及耦合到终端阻抗180的相对较窄的相对端174的锥形的形状。
宽带阻抗变换器170的较宽端172的截面宽度可以通过用来容纳或支持放大器电路100的介质的物理约束来限定。例如，宽带阻抗变换器170能够在与第一和第二放大器110、120相同的电介质中被制造，或者在支持放大器110、120的载体(例如印刷电路板、陶瓷基板、或电子封装)上被形成。在每种情况下，对应的设计规则和/或成本可能影响宽带阻抗变换器170的较大端172的最大尺寸。如果期望的话，电耦合在宽带阻抗变换器170的宽端172之间的阻抗逆变器150可被用于附加的阻抗变换。
图2用图形示出由宽带阻抗变换器170在宽的射频带宽上向第一放大器110所提供的实阻抗的效果，正如按照标准化(normalized)负载VSWR(电压驻波比)所衡量的那样。该曲线图示出在感兴趣的射频带宽上没有变化的理想VSWR、通过使用在这里描述的宽带阻抗变换器170而产生的VSWR、以及利用常规的输出组合网络而产生的VSWR。仿真结果显示，标准的对称多赫蒂组合器和匹配网络连同3欧姆设备导致Zopt实现3.9％的Zmod带宽，其中使用1.2的标准化负载VSWR作为规范极限。在相同的测试条件下，在这里公开的宽带多赫蒂组合器在给定相同的阻抗变换比、规范极限以及操作的中心频率的情况下实现33.4％的带宽。
通过使用宽带阻抗变换器170，VSWR在400MHz频率带宽上改变很少，这是因为宽带阻抗变换器170向第一放大器110提供阻抗变换的大部分，并且因此放大器电路响应的频率相关可变性被显著地降低。因而，与常规的多赫蒂放大器相比，将第一放大器110的输出耦合到信号求和节点140的阻抗逆变器150向第一放大器110提供较少的阻抗变换。这对宽带频率操作非常有益，因为阻抗逆变器150(例如1/4波长传输线)具有在宽带阻抗变换器170中不存在的频率限制。因此，在功率回退(back-off)期间(即当第二放大器不在操作时)，宽带阻抗变换器170向第一放大器110提供阻抗变换的大部分，同时阻抗逆变器150提供阻抗逆变以及阻抗变换的一些。在一个实施例中，宽带阻抗变换器170提供向第一放大器110所提供的总阻抗变换的至少90％，并且阻抗逆变器150提供剩余部分。在其上提供实阻抗的频率范围是宽带阻抗变换器170的几何结构的函数。
宽带阻抗变换器170可以如图1中所示的那样是锥形的，其中耦合到信号求和节点140的第一端172宽于第二端174，使得宽带变换器170提供所期望的实阻抗变换。在一个纯说明性且非限制性的实例中，宽带阻抗变换器170能够在功率回退期间将在其较窄端174处的实50Ω终端阻抗变换为在相对的较宽端172处的更低的实阻抗，以及在峰值功率期间(即在第一和第二放大器110、120都是可操作的时)由于来自峰化放大器120的电流贡献而变换为更高的有效实阻抗。
图3示出宽带阻抗变换器170的另一实施例。根据该实施例，宽带阻抗变换器170的锥形从宽带阻抗变换器170的较宽端172到较窄端174是渐变的。
图4示出宽带阻抗变换器170的又一实施例。宽带阻抗变换器170根据该实施例包括3个部分200、202、204，并且宽带阻抗变换器170的锥形在不同部分之间突然地变化。特别是，宽带阻抗变换器170的第一部分200是最宽端并且具有第一截面宽度(W1)。中间部分202是次最宽部分并且具有第二截面宽度(W2)。最窄部分204具有第三截面宽度(W3)。第一部分200的截面宽度W1大于中间部分202的截面宽度W2，并且中间部分202的截面宽度W2大于最窄部分204的截面宽度W3。另外，如图4所示，各部分之间的过渡是突然的。
图5示出宽带阻抗变换器170的又一实施例。宽带阻抗变换器170根据该实施例包括两个端部分300、302，并且宽带阻抗变换器170的锥形在各部分之间突然地变化。几何平均旋转体(rotator)304被插入在宽带阻抗变换器170的第一和第二部分300、302之间。几何平均旋转体304的长度(LR)小于宽带阻抗变换器170的中间部分的长度，并且因此提供阻抗旋转，但没有实质的实阻抗变换。一般而言，宽带阻抗变换器170能够利用多个不连续的梯级(step)制成，其中梯级的数量增大带宽。
图1的放大器电路100通过经由阻抗逆变器150将第一放大器110的输出耦合到信号求和节点140而被操作。根据一个实施例，阻抗逆变器150是1/4波长传输线，其具有在信号求和节点140处连接到宽带阻抗变换器170的较宽端172的第一端以及连接到第一放大器110的输出的相对端。第一放大器110操作在第一模式，例如AB类。一些阻抗变换通过阻抗逆变器150被提供给第一放大器110。阻抗逆变器150还在功率回退期间向第一放大器110提供负载调制。放大器电路100通过下述被进一步操作：将第二放大器120的输出耦合到信号求和节点140；在第二模式操作第二放大器120，例如C类；将宽带阻抗变换器170的较宽端172耦合到信号求和节点140；以及将宽带阻抗变换器170的较窄端174耦合到终端阻抗。
图6示出放大器电路400的另一实施例。图6中所示的实施例类似于图1中所示的实施例，除了第二放大器120的输出在信号求和节点140处被直接连接到宽带阻抗变换器170的较宽端172以外。因此，没有阻抗变换器被电插入在宽带阻抗变换器170和第二放大器120的输出之间。因而，用于峰化放大器120的阻抗匹配被吸收到宽带阻抗变换器170中。
放大器电路400根据一个实施例通过经由阻抗逆变器150将第一放大器110的输出耦合到信号求和节点140而被操作。第一放大器110操作在第一模式，例如AB类。经由阻抗逆变器150向主放大器110提供阻抗变换和负载调制。放大器电路400通过下述被进一步操作：将第二放大器120的输出耦合到信号求和节点140；在第二模式操作第二放大器140，例如C类；将宽带阻抗变换器170的较宽端172耦合到信号求和节点140；以及将宽带阻抗变换器170的较窄端174耦合到终端阻抗。如先前在这里所解释的那样，在放大器电路400的宽带射频带宽上，宽带阻抗变换器170在宽带阻抗变换器170的端172、174处存在的实阻抗之间进行变换。
在峰值功率操作期间，放大器110、120均看到由阻抗逆变器150提供的Zopt负载，其中每级的Zopt由来自这两个设备的变换器阻抗和电流贡献来确定。如果电流相同，则Zopt是如下所述的变换器阻抗的两倍。宽带阻抗变换器170在峰值功率时将在其较窄端174处存在的终端阻抗变换为在其较宽端172处的Zopt。在功率回退期间，第一放大器110看到由阻抗逆变器150提供的负载调制，并且第二放大器120是不可操作的。宽带阻抗变换器170在功率回退时将在其较窄端174处的终端阻抗变换为在其较宽端处的Zopt/y，其中y对应于在功率回退期间第一放大器110中的电流的倒数。在另一实施例中，y＝1+峰化放大器功率与主放大器功率的比。
在这里描述的实施例提供一种负载调制放大器，其没有在传统的多赫蒂放大器的输出匹配网络中所包括的频带限制元件中的几个。这些元件的不存在降低了输出组合网络的损耗，从而提供总的系统效率的增大。在一些情况下，宽带元件可以是有损的。在这里所描述的实施例还增大了预期的生产可重复性，这是因为用宽带结构代替了多个级联的窄带元件。此外，宽带阻抗变换器设置系统阻抗，并且在放大器电路的负载调制区域之外起作用。因此，在这里所描述的宽带阻抗变换器的结构可以被使用而不考虑在负载调制下的响应。
为了易于描述，诸如“在...之下”、“在...下面”、“较低的”、“在...之上”、“上部的”等等之类的空间相对术语被使用以解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语意图除了与在附图中所描绘的那些不同的取向之外还包括设备的不同取向。此外，诸如“第一”、“第二”等等之类的术语也被用来描述各种元件、区域、部分等等，并且也不打算是限制性的。相同的术语在整个说明书中指代相同的元件。
如在这里所用的那样，术语“具有”、“包含”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等等是开放式术语，其指示所陈述的元件或特征的存在，但是不排除附加的元件或特征。冠词“一”、“一个”以及“该”意图包括复数以及单数，除非上下文另有清楚地指示。
考虑到变化和应用的上述范围，应当理解，本发明不由前述的描述来限定，也不由附图来限定。代之以，本发明仅由后面的权利要求书及其法律等同物来限定。

Claims (24)

1.一种放大器电路，包括：
信号求和节点；
第一放大器，其被配置成操作在第一模式；
阻抗逆变器，其将所述第一放大器的输出耦合到所述信号求和节点，所述阻抗逆变器被配置成向所述第一放大器提供阻抗变换和负载调制；
第二放大器，其被配置成操作在第二模式，所述第二放大器具有耦合到所述信号求和节点的输出；以及
宽带阻抗变换器，其具有耦合到所述信号求和节点的第一端以及形成终端节点的第二端，所述宽带阻抗变换器被配置成在所述放大器电路的至少25％的射频带宽上向所述第一放大器提供实阻抗。
2.如权利要求1所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器是锥形的,其中耦合到所述信号求和节点的所述第一端宽于所述第二端。
3.如权利要求2所述的放大器电路，其中，所述锥形在所述宽带阻抗变换器的长度上是渐变的。
4.如权利要求1所述的放大器电路，还包括将所述第二放大器的输出耦合到所述信号求和节点的阻抗变换器。
5.如权利要求1所述的放大器电路，其中，所述第二放大器的输出在所述信号求和节点处被直接连接到所述宽带阻抗变换器的所述第一端。
6.如权利要求1所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器被配置成在所述放大器电路的至少30%的射频带宽上提供所述实阻抗。
7.如权利要求1所述的放大器电路，其中，所述阻抗逆变器是1/4波长传输线，其具有在所述信号求和节点处连接到所述宽带阻抗变换器的所述第一端的第一端以及连接到所述第一放大器的输出的第二端。
8.一种操作包括信号求和节点、第一放大器和第二放大器的放大器电路的方法，所述方法包括：
经由阻抗逆变器将所述第一放大器的输出耦合到所述信号求和节点；
在第一模式操作所述第一放大器；
经由所述阻抗逆变器向所述第一放大器提供阻抗变换和负载调制；
将所述第二放大器的输出耦合到所述信号求和节点；
在第二模式操作所述第二放大器；
将宽带阻抗变换器的第一端耦合到所述信号求和节点；
将所述宽带阻抗变换器的第二端耦合到终端阻抗；以及
在所述放大器电路的至少25%的射频带宽上，经由所述宽带阻抗变换器向所述第一放大器提供实阻抗。
9.如权利要求8所述的方法，包括：经由阻抗变换器将所述第二放大器的输出耦合到所述信号求和节点。
10.如权利要求8所述的方法，包括：将所述第二放大器的输出在所述信号求和节点处直接连接到所述宽带阻抗变换器的所述第一端。
11.如权利要求8所述的方法，包括：在所述放大器电路的至少30%的所述射频带宽上，经由所述宽带阻抗变换器提供所述实阻抗。
12.一种放大器电路，包括：
信号求和节点；
主放大器；
传输线，其将所述主放大器的输出耦合到所述信号求和节点；
峰化放大器，其具有耦合到所述信号求和节点的输出；以及
宽带阻抗变换器，其具有耦合到所述信号求和节点的较宽端和形成终端节点的较窄端，
其中所述宽带阻抗变换器被配置成在所述放大器电路的至少25％的射频带宽上向所述主放大器提供实阻抗。
13.如权利要求12所述的放大器电路，其中，所述主放大器和所述峰化放大器被配置成在全功率时经历负载Zopt，以及所述主放大器被配置成在功率回退时经历负载调制。
14.如权利要求13所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器被配置成在功率回退期间将在所述宽带阻抗变换器的所述较窄端处存在的终端阻抗变换为在所述较宽端处的Zopt/y，其中y对应于在功率回退期间所述主放大器中的电流的倒数。
15.如权利要求12所述的放大器电路，其中，所述传输线是1/4波长传输线，其具有连接到所述主放大器的输出的第一端以及在所述信号求和节点处连接到所述宽带阻抗变换器的较宽端的第二端。
16.如权利要求12所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器包括具有不同宽度的至少两个不同部分。
17.如权利要求12所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器包括具有不同宽度的相对的端部分和插入在所述端部分之间的几何平均旋转体。
18.如权利要求12所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器被配置成在所述放大器电路的射频带宽上在两个实阻抗之间进行变换。
19.如权利要求18所述的放大器电路，其中，所述宽带阻抗变换器被配置成在所述放大器电路的至少25%的射频带宽上在所述两个实阻抗之间进行变换。
20.一种操作包括信号求和节点、主放大器和峰化放大器的放大器电路的方法，所述方法包括：
经由传输线将所述主放大器的输出耦合到所述信号求和节点；
在第一模式操作所述主放大器；
将所述峰化放大器的输出耦合到所述信号求和节点；
在第二模式操作所述峰化放大器；
将宽带阻抗变换器的较宽端耦合到所述信号求和节点；
将所述宽带阻抗变换器的较窄端耦合到终端阻抗；以及
在所述放大器电路的至少25%的射频带宽上，在所述宽带阻抗变换器的所述较宽端和所述较窄端处存在的实阻抗之间进行变换。
21.如权利要求20所述的方法，包括：
使所述主放大器和所述峰化放大器在全功率时经受负载Zopt，以及
使所述主放大器在功率回退时经受负载调制。
22.如权利要求21所述的方法，包括：在功率回退期间将在所述宽带阻抗变换器的所述较窄端处存在的终端阻抗变换为在所述宽带阻抗变换器的较宽端处的Zopt/y，其中y=1+峰化放大器功率与主放大器功率的比。
23.如权利要求20所述的方法，包括：将所述传输线的第一端连接到所述主放大器的输出，以及将所述传输线的第二端在所述信号求和节点处连接到所述宽带阻抗变换器的所述较宽端。
24.如权利要求20所述的方法，包括：在所述放大器电路的至少30%的射频带宽上，在所述宽带阻抗变换器的所述端处存在的实阻抗之间进行变换。
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