CN102710220A - 一种基于预失真和Doherty的前馈功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种基于预失真和Doherty的前馈功率放大器，设有第一耦合器、预失真模块、主放大器、第二耦合器、第一延时器、第三耦合器、第二延时器、合路器及误差放大器，主放大器包括三级或以上功放管，末级功放管至少包含一个双路或多路Doherty；输入信号进入第一耦合器并分为两路，输入信号的直通信号输入预失真模块，预失真模块的输出连接主放大器的输入，主放大器输出的放大后射频信号接入第二耦合器，放大后射频信号的直通信号输入第一延时器，放大后射频信号的耦合信号输入合路器；输入信号的耦合信号输入第二延时器，第二延时器的输出接入合路器；合路器的输出接入误差放大器，误差放大器的输出和第一延时器的输出分别接入第三耦合器，第三耦合器输出信号。

Description

一种基于预失真和Doherty的前馈功率放大器

技术领域

本发明涉及移动通信系统中功率放大器设计领域，尤其涉及前馈功率放大器。

背景技术

近年来，随着3G网络的大规模扩建，多载波基站放大器的需求也日趋增加。其核心的多载波基站放大器功放，输出功率大，线性要求高。一方面功率放大器的非线性对于整个系统的影响巨大，另一方面，倡导低碳节能。因此，线性度和效率越来越成为运营商关注的焦点。如何在保证线性度要求下提高设备的效率成为各大设备厂商攻克的难点。目前，运用最多的线性化技术有预失真技术和前馈技术，预失真技术又包括模拟预失真和数字预失真，由于模拟预失真的线性改善度不高，数字预失真不支持跳频，前馈技术依旧是多载波基站放大器功放的主流的线性化技术。

前馈线性化技术的原理就是基于幅度相等、相位相差180℃的两路信号矢量合成相削的原理。如图1所示，包括功分器、主功放、耦合器1、2、延时线1、2、合成器、误差功放，传统双环前馈系统的原理：功分器、主功放、耦合器1、延时器1以及合路器构成信号抵消环路，通过信号抵消环路提取放大器的非线性失真信号，然后经过误差放大器放大，经过误差信号抵消环路实现与放大器的非线性失真信号抵消，从而最大程度的保证输出信号对输入信号的线性放大，保证功放的线性。前馈技术具有较高的线性化能力，能大大改善功放的线性度，通常改善大于30dB以上，但是由于多加了一路误差放大器功放，主放大器功放使用的是AB类功放，前馈功放本身的效率很差，通常效率只能做到15%-18%。

预失真线性化技术就是通过产生与输入信号互补的信号，来消除RF功放非线性失真的技术。预失真技术在电路中表现为增加了一个预失真器，此预失真器的作用是产生与放大器非线性特性矢量对称互补的信号。预失真技术也是目前常用的一种线性化技术，线性改善能力较高，通常配合Doherty技术，能大大改善模块的效率。预失真包括模拟预失真和数字预失真，数字预失真技术不支持跳频，在GSM和DCS频段使用的预失真通常为模拟预失真。

Doherty是业内运用最多的一种功率放大器高效率技术。Doherty本身的线性很差，必须配合预失真技术才能实现线性化的要求。Doherty技术是一种负载阻抗变换技术，如图2是一个双极Doherty原理框图，它由两路放大组成，通常简称为主放大和峰值放大。主放大G1工作在B类，峰值放大G2工作在C类。多路Doherty和不对称Doherty效率高于对称双极Doherty，目前在业内已经得到广泛的应用，但尚未应用到前馈功率放大器中。

发明内容

本发明目的是解决传统前馈技术效率低下问题。将预失真技术和Doherty技术应用于前馈功率放大器，能有效的提高功率放大器的效率。同时，大大提升前馈功率放大器功放对于环境的适应能力，简化前馈功放自适应设计。

本发明的技术方案为一种基于预失真和Doherty的前馈功率放大器，设有第一耦合器、预失真模块、主放大器、第二耦合器、第一延时器、第三耦合器、第二延时器、合路器及误差放大器，所述主放大器包括三级或以上功放管，其中末级功放管至少包含一个双路或多路Doherty；

输入信号进入第一耦合器并分为两路，一路为输入信号的直通信号，一路为输入信号的耦合信号，

输入信号的直通信号输入预失真模块，预失真模块的输出连接主放大器的输入，主放大器输出放大后射频信号，放大后射频信号接入第二耦合器并分为两路，一路为放大后射频信号的直通信号，一路为放大后射频信号的耦合信号；放大后射频信号的直通信号输入第一延时器，放大后射频信号的耦合信号输入合路器；

输入信号的耦合信号输入第二延时器，第二延时器的输出接入合路器；

合路器的输出接入误差放大器，误差放大器的输出和第一延时器的输出分别接入第三耦合器，第三耦合器输出信号。

而且，预失真模块采用串联二极管预失真器、变容二极管预失真器或 FET-Based预失真器。

而且，放大后射频信号的耦合信号和第二延时器的输出在合路器进行矢量合成，放大后射频信号的耦合信号和第二延时器的输出的时延、幅度相同，相位相差180℃。

而且，误差放大器的输出和第一延时器的输出在第三耦合器进行矢量合成，误差放大器的输出和第一延时器的输出的时延、幅度相同，相位相差180℃。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：和常规前馈放大器功放相比，通过引入预失真和Doherty，能显著提高前馈放大器功放的效率，一般效率可以优化3%以上。而且预失真技术的引入，两种线性化结合，大大提升了前馈功放的环境适应能力，由于环境变化而带来的链路相位幅度失配会得到很大的补偿，简化了前馈功放的自适应设计。

附图说明

图1为传统的双级前馈功率放大器原理框图。

图2为现有技术中的双极Doherty原理框图。

图3为本发明实施例的主放大器原理框图。

图4为本发明实施例的前馈功率放大器原理框图。

具体实施方式   

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图4，本发明实施例的前馈功率放大器具体包括：第一耦合器1、预失真模块2、主放大器3、第二耦合器4、第一延时器5、第三耦合器6、第二延时器7、合路器8、误差放大器9。

输入信号进入第一耦合器1并分为两路，一路为输入信号的直通信号，一路为输入信号的耦合信号，

输入信号的直通信号输入预失真模块2，预失真模块2的输出连接主放大器3的输入，主放大器3输出放大后射频信号，放大后射频信号接入第二耦合器并分为两路，一路为放大后射频信号的直通信号，一路为放大后射频信号的耦合信号；放大后射频信号的直通信号输入第一延时器5，放大后射频信号的耦合信号输入合路器8；

输入信号的耦合信号输入第二延时器7，第二延时器7的输出接入合路器8；

合路器8的输出接入误差放大器9，误差放大器9的输出和第一延时器5的输出分别接入第三耦合器6，第三耦合器6输出信号。

以下详细说明各部分：

主放大器3，包括级联的至少三级功放管，对输入的信号进行放大，功率放大器的输出功率就是通过主放大器3放大输出，会产生非线性失真分量。实施例的主放大器3如图3，包括三级功放管，依次为小信号放大管、推动放大管、末级放大管。具体实施时，根据增益的需要，可以调整小信号放大管的数量。而主放大器3的输出功率（Pout）主要是通过末级放大管放大输出，末级放大管的效率直接影响整个放大器的工作效率。末级放大管运用Doherty技术，至少包含一个双路或多路Doherty，可以采用偶数个双路或多路Doherty对称合路输出。具体实施时，本领域人员可根据需要设置。

预失真模块2，预失真模块2放在主放大器3的前面，射频信号经过预失真器后产生一个和主放大器3失真互补的信号，以提高主放大器3的线性。具体实施时，预失真模块2可以是串联二极管预失真器、变容二极管预失真器、 FET-Based预失真器等等由二极管、BJT或MOSFET搭建的模拟预失真器。也可以是基于一些预失真芯片设计的预失真模块2。

第一耦合器1，从预失真模块2的输入射频信号（RFin）中耦合一路射频信号，输入第一延时器5。输入信号未经过预失真模块2和主放大器3放大，因此耦合信号只含有输入载波信号，不含有非线性失真信号。

第二耦合器4，从主放大器3输出射频信号中耦合一路射频信号，输入合路器8。主放大器3输出信号产生了非线性失真分量，因此耦合信号含有放大的载波信号和非线性失真信号。

第二延时器7，为第一耦合器1产生的耦合信号提供一定的时延。

合路器8，第一耦合器1产生的耦合信号经过第二延时器7后和第二耦合器4产生的耦合信号（即放大后射频信号的耦合信号）在合路器8处功率合成，两路信号在合路器8处幅度、时延相等，相位相差180℃，因此出现矢量合成抵消，抵消掉载波信号，保留了非线性失真信号。

误差放大器9，由合路器8提取的非线性失真信号经过误差放大器9放大，输出放大后的失真信号。

第一延时器5，为主放大器3的输出信号提供一定的时延。

第三耦合器6，误差放大器9输出放大后的失真信号通过第三耦合器6耦合到经过第一延时器5,产生的一定时延的主放大输出信号，两者幅度、时延相等，相位相差180℃，矢量合成抵消。输出高线性的放大信号（RFout）。

以上前馈功率放大器设置加了预失真模块2的主放大器3，配合一个误差放大器9，运用一个双环前馈系统，前馈技术和预失真技术相结合，两种线性化技术相互作用，大大提升线性度改善能力。前馈功率放大器的工作原理：移动通信信号进入实施例所提供前馈功率放大器后，先通过第一耦合器1，将输入信号耦合一部分出来，然后经过预失真模块2，产生一个和主放大器3失真互补的信号输入到主放大器3，经主放大器3放大后，输入到第二耦合器4，第二耦合器4耦合的信号输入到合路器8，作为合路器8的一路输入信号。第一耦合器1耦合的一部分信号经过第二延时器7产生时延后，输入到合路器8，作为合路器8的另一路输入信号。两路信号在合路器8抵消，提取出失真信号，再经过误差放大器9放大，输入到第三耦合器6。主信号经过第二耦合器4后，经过第一延时器5产生一定的时延，然后输入到第三耦合器6，两路信号在第三耦合器6处抵消后输出。

为便于实施参考起见，以下介绍本发明实施例的前馈功率放大器基于输入信号的详细处理步骤：

步骤1：输入的射频信号进入功率放大器后，进入第一耦合器1。这些信号可以是GSM、CDMA、WCDMA等等现有制式不同频段的信号；

步骤2：射频信号经过步骤1处理后，被分为两路信号，一路为直通信号，一路为耦合信号。第一耦合器1的耦合度视具体情况而定。信号未经过预失真模块2和主放大器3放大，因此耦合信号只含有输入载波信号，不含有非线性失真信号。

步骤3：步骤2中的直通信号，经过预失真模块2，产生一个和主放大器3失真互补的信号。

步骤4：步骤2中的耦合信号，进入第二延时器7，变成了经过一定延时的信号。其中第二延时器7的时延要根据主功放链路的时延而定。

步骤5：步骤3中产生的和主放大器3失真互补的信号，经主放大器3放大，变成了放大后射频信号，放大后射频信号经过了预失真的补偿，线性度得到一定程度的补偿，通常可以改善15dB-20dB。放大后射频信号中含有失真信号。主放大的末级放大管运用Doherty技术，至少包含一个双路或多路Doherty，和传统回退AB类功放相比，大大提高了主放大器3的效率。

步骤6：步骤5中放大后的射频信号，经过第二耦合器4，被分成两路信号，一路直通信号，一路耦合信号。第二耦合器4的耦合度视具体情况而定。

步骤7：步骤6中的直通信号，进入第一延时器5，产生一定的时延输出。延时器一般为腔体的延时滤波器。

步骤8，步骤4中的延时信号和步骤6中的耦合信号，进入合路器8，在合路器8处时延、幅度相同，相位相差180℃矢量合成，输出抵消后的信号。步骤4中的延时信号是只包含载波信号的信号，步骤6中的耦合信号包含了载波信号和失真信号，两路信号在合路器8处抵消掉载波信号，提取出失真信号。

步骤9：步骤8中的抵消后输出的失真信号，进入误差放大器9，输出放大的失真信号。

步骤10：步骤7中的经过延时的放大信号和步骤9中放大的失真信号，输入到第三耦合器6，在第三耦合器6处时延、幅度相同，相位相差180℃矢量合成，将放大信号中含有的失真信号抵消掉，输出线性度很高的射频放大信号。

综上所述，本发明包括一个双极的前馈功率放大器系统，一路主信号放大器，一路误差信号放大器。第一级抵消环路：主信号放大输出信号耦合一部分和输入耦合信号进行抵消，提取误差信号。第二级抵消环路，提取的误差信号放大后和主信号放大输出抵消，抵消掉误差信号，实现功放的线性化。第一级环路中的主放大器末级功放管运用Doherty技术，以提升主放大器的效率，至少包含一个双路或多路Doherty。运用了Doherty技术，整个功放的效率可以提升3%以上，但是Doherty功放本身线性非常差，单靠前馈技术无法实现非常高的线性，因此在主放大器的前面加一个预失真模块，用于对主放大器的线性进行一定程度的补偿。整个功率放大器，经过步骤1-步骤10，输出线性度很高的射频放大信号。

在实际应用中发现，预失真技术的引入，不仅对主放大器的线性提供一定程度的补偿，而且两种线性化技术发生了互补，大大提升了前馈功放的环境适应能力，由于环境变化而带来的链路相位幅度失配会得到很大的补偿，整个前馈功放表现出了对环境很强的适应性，简化了前馈功放的自适应设计。

Claims (4)

1.一种基于预失真和Doherty的前馈功率放大器，其特征在于：设有第一耦合器、预失真模块、主放大器、第二耦合器、第一延时器、第三耦合器、第二延时器、合路器及误差放大器，所述主放大器包括三级或以上功放管，其中末级功放管至少包含一个双路或多路Doherty；

输入信号进入第一耦合器并分为两路，一路为输入信号的直通信号，一路为输入信号的耦合信号，

输入信号的直通信号输入预失真模块，预失真模块的输出连接主放大器的输入，主放大器输出放大后射频信号，放大后射频信号接入第二耦合器并分为两路，一路为放大后射频信号的直通信号，一路为放大后射频信号的耦合信号；放大后射频信号的直通信号输入第一延时器，放大后射频信号的耦合信号输入合路器；

输入信号的耦合信号输入第二延时器，第二延时器的输出接入合路器；

合路器的输出接入误差放大器，误差放大器的输出和第一延时器的输出分别接入第三耦合器，第三耦合器输出信号。

2.根据权利要求1所述基于预失真和Doherty的前馈功率放大器，其特征在于：预失真模块采用串联二极管预失真器、变容二极管预失真器或 FET-Based预失真器。

3.根据权利要求1或2所述基于预失真和Doherty的前馈功率放大器，其特征在于：放大后射频信号的耦合信号和第二延时器的输出在合路器进行矢量合成，放大后射频信号的耦合信号和第二延时器的输出的时延、幅度相同，相位相差180℃。

4.根据权利要求1或2所述基于预失真和Doherty的前馈功率放大器，其特征在于：误差放大器的输出和第一延时器的输出在第三耦合器进行矢量合成，误差放大器的输出和第一延时器的输出的时延、幅度相同，相位相差180℃。

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