CN103151992A

CN103151992A - 选择电路及包括该选择电路的放大器

Info

Publication number: CN103151992A
Application number: CN2011104027993A
Authority: CN
Inventors: 黎峰
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN103151992B; WO2013084066A1

Abstract

为了解决现有的功率放大器的效率随输出功率变化而变化的问题，本发明涉及一种选择电路及包括该选择电路的放大器，该选择电路包括：至少一个功分相移模块，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，并且用于将输入第一输入端和/或第二输入端的信号分成两路正交、等幅的信号，分别从第一输出端和第二输出端输出，并且功分相移模块包括至少一个3dB 90°桥；第一传输线模块，用于连接第一输入端和所述选择电路的第一输入；第二传输线模块，用于连接第二输入端和选择电路的第二输入；第三传输线模块，用于连接第一输出端和第二输入端；第一开关模块，用于将第二输入接地；第二开关模块，用于将第一输出端接地。使用本发明的选择电路，可以减少功率损失。

Description

选择电路及包括该选择电路的放大器

技术领域

本发明涉及功率器件，特别涉及一种可减少功率损失的选择电路及包括该选择电路的放大器。

背景技术

功率放大器的效率总是随着其输出功率小于其额定功率而降低。为了根据输出功率的变化而优化功率放大器的效率，当功率放大器的输出功率低于其额定功率时，常用的办法是降低的漏极/集电极电压和电流以某种方式补偿其效率的恶化。但是由于功率放大器的性能会限制偏置电压和电流的下降的程度，所以这种方式并不能完全解决上述问题。

目前，常用的Doherty功率放大器(DPA)，尤其是不对称的DPA和多级DPA在发生高回退功率水平的情况下可以维持可接受的功率放大器效率。但是DPA也存在上述相同的问题，即DPA的效率也随着输出功率小于额定功率而不断恶化，设计难度较高(高回退)和成本(多路DPA)也使得其解决上述问题困难重重。

发明内容

本发明提出了一种解决上述问题的方法，即涉及一种可减少功率损失的选择电路及包括该选择电路的放大器。

根据本发明第一个方面，提供了一种选择电路，其中包括：至少一个功分相移模块，该功分相移模块具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，并且用于将输入第一输入端和/或第二输入端的功率信号分成两路正交、等幅的信号，分别从第一输出端和第二输出端输出，并且所述功分相移模块包括至少一个3dB 90°桥；第一传输线模块，该第一传输线模块用于连接第一输入端和选择电路的第一输入；第二传输线模块，该第二传输线模块用于连接第二输入端和选择电路的第二输入；第三传输线模块，该第三传输线模块用于连接第一输出端和第二输入端；第一开关模块，该第一开关模块用于将第二输入接地；第二开关模块，该第二开关模块用于将第一输出端接地。

使用本发明的选择电路，可以根据输出功率的变化动态地选择一个功率放大器或两个功率放大器工作，这样可以保持几乎恒定的功率放大器效率，并且不会影响功率放大器的性能。

本发明的选择电路可以工作在第一工作状态和第二工作状态两种工作状态下。

在第一工作状态下，第一输入接收第一功率信号，第二输入接收第二功率信号，其中第一功率信号和第二功率信号为正交、等幅的信号，并且第一开关模块被断路，第二开关模块被短路，此时第一功率信号通过第一传输线模块，第二功率信号通过第二传输线模块，第一功率信号输入功分相移模块的第一输入端，第二功率信号输入功分相移模块的第二输入端，并在功分相移模块的第二输出端输出叠加的信号作为电路输出功率信号，而功分相移模块的第一输出端无信号输出。

在第一工作状态下，若外部功率需求是满功率需求，即外部功率需求约等于第一功率信号和第二功率信号的叠加，则此时电路可充分利用第一功率信号和第二功率信号，减少功率损失。

在第二工作状态下，第一输入接收第一功率信号，并且第一开关模块被短路，第二开关模块被断路，此时第一功率信号通过第一传输线模块，并输入功分相移模块的第一输入端，其中至少输入的第一功率信号的一部分通过第三传输线模块反馈至功分相移模块的第二输入端，并在功分相移模块的第二输出端输出功率信号作为电路输出功率信号。

在第二工作状态下，若外部功率需求是半功率需求，即外部功率需求约等于第一功率信号或第二功率信号时，在现有技术中，会在功分相移模块与传输线连接的输出端接上负载以吸收在该输出端输出的功率，而本发明对此进行了改进，将现有技术中的负载变为用传输线连接功分相移模块的输出端和输入端的反馈回路，该反馈回路将在现有技术中会被负载吸收的在功分相移模块的输出端上输出的功率信号不断地反馈回到功分相移模块的输入端，并最终在功分相移模块的另一个输出端输出被放大后的第一路功率信号，从而避免了被负载吸收的那部分的功率损失。

优选地，其中第一开关模块和第二开关模块包括至少一个PIN二极管，二极管作为半导体器件，具有体积小，成本低的优点，PIN二极管尤其在高频信号应用中具有比较理想的开关特性。

优选地，传输线模块为四分之一波长传输线，四分之一波长传输线尤其适合高频应用场景。

优选地，其中选择电路的第一输入和第二输入用于接收高频功率信号。该实施方式能够应用在例如通信设备的高频功放中，获得较高的放大器效率。

根据本发明第二个方面，提供了一种放大器电路，其中包括：根据本发明第一个方面的选择电路；第一放大器，该第一放大器的输出端用于与选择电路的第一输入相连；第二放大器，该第二放大器的输出端用于与选择电路的第二输入相连；其中，选择电路用于选择第一放大器的输出或第一放大器和第二放大器的输出的叠加作为放大器电路的输出。

使用本发明的放大器电路，可以根据输出功率的变化动态地选择一个功率放大器或两个功率放大器工作，这样可以保持几乎恒定的功率放大器效率，并且不会影响功率放大器的性能。

根据本发明第三个方面，提供了一种放大器装置，其中包括：根据本发明第二个方面的放大器电路；功分相移模块，该功分相移模块具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端用于接入待放大的信号，第一输出端用于连接第一放大器的输入端，第二输出端用于连接第二放大器的输入端。

使用本发明的放大器装置，可以根据输出功率的变化动态地选择一个功率放大器或两个功率放大器工作，这样可以保持几乎恒定的功率放大器效率，并且不会影响功率放大器的性能。

根据本发明第四个方面，提供了一种放大器系统，其中包括至少两个并联的根据本发明第三个方面的放大器装置。

使用本发明的放大器装置，可以根据输出功率的变化动态地选择一个功率放大器或2^N(N＝1，2，3......)个功率放大器工作，这样可以保持几乎恒定的功率放大器效率，并且不会影响功率放大器的性能。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，能够更容易地理解本发明的特征、目的和优点。其中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的装置。

图1示出了根据本发明第一个实施例的放大器装置工作在第一工作状态下的电路拓扑图；

图2示出了根据本发明第一个实施例的放大器装置工作在第二工作状态下的电路拓扑图；

图3示出了根据本发明的第二个实施例的放大器系统的电路拓扑示意图。

具体实施方式

下面具体描述实现本发明的具体实施例。

图1示出了根据本发明第一个实施例的放大器装置工作在第一工作状态下的电路拓扑图，它也示出了该实施方式的放大器装置100的结构，包括：三个传输线160、170和180、两个3dB桥120和130、两个功率放大器140和150以及两个PIN二极管190和191。其中，3dB 90°桥130具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，并且用于将输入第一输入端和/或第二输入端的功率信号分成两路正交、等幅的信号，分别从第一输出端和第二输出端输出；传输线160连接第一输入端和功率放大器140的输出；传输线170连接第二输入端和放大器170的输出；传输线180连接第一输出端和第二输入端；PIN二极管190将第二输入接地，PIN二极管191将第一输出端接地；3dB 90°桥120具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端用于接入待放大的信号，第一输出端连接放大器140的输入端，第二输出端连接放大器150的输入端。

当需要输出的功率等于额定功率时，本发明的放大器装置100工作在第一工作状态，此时两个放大器140和150都工作，高频功率信号S1从输入端口110输入，经过3dB桥120，在3dB桥120的两个输出端分成两路正交、等幅的信号，这两路功率信号分别输入两个功率放大器140和150的输入端，被放大后在它们的输出端输出被放大后的两路功率信号。由于此时PIN二极管190断路，PIN二极管191短路，又由于传输线的短路断路特性，使得传输线180的一端被PIN二极管191短路，而传输线180的另一端相当于开路，即相当于通过传输线180接在3dB桥130的输入端和输出端之间的反馈回路不存在。此时，被放大后的两路正交、等幅功率信号分别通过传输线160和170后依旧保持两路功率信号正交、等幅，然后分别输入3dB 90°桥130的两个输入端，并在输出端口111输出这两路功率信号的合成功率。

在第一工作状态下，两个功率放大器140和150都工作，外部功率需求约等于在输出端口111输出的两路放大器功率信号的合成功率，可以保持较高的功率放大器效率，并且由于使用的是在高频下依然具有良好开关性能的PIN二极管作为开关器件，功率放大器的性能也不会受到影响。

图2示出了根据本发明第一个实施例的放大器装置工作在第二工作状态下的电路拓扑图。当需要输出的功率是额定功率的一半时，本发明第一个实施例的放大器装置工作在第二工作状态下。本实施例的放大器装置100包括：三个传输线160、170和180、两个3dB 90°桥120和130、两个功率放大器140和150以及两个PIN二极管190和191。当需要输出的功率是额定功率的一半时，本发明的放大器装置100工作在第二工作状态，此时只有一个放大器工作，即放大器140工作，而放大器150断路。高频功率信号S2从输入端口110输入，经过3dB 90°桥120，在3dB桥120的两个输出端分成两路正交、等幅的功率信号，这两路功率信号中的第一路输入功率放大器140的输入端，第二路被部分反射回3dB 90°桥的输入端而被消耗，由于此时功率信号并未被放大，因此此功率损耗非常有限。第一路功率信号被放大器140放大后在其输出端输出放大后的功率信号。由于此时PIN二极管190短路，PIN二极管191断路，又由于传输线的短路断路特性，使得传输线170与PIN二极管190连接的一端被短路，而传输线170的另一端相当于开路，即相当于传输线180接通3dB 90°桥130的输入端和输出端之间的反馈回路。此时，被放大后的第一路功率信号通过传输线160后又输入3dB 90°桥130的一个输入端，在3dB 90°桥130的两个输出端输出，而在与传输线180连接的输出端输出的功率信号会通过传输线180不断地反馈回到输入端，并最终在输出端口111输出被放大后的第一路功率信号。

在第二工作状态下，只有一个功率放大器140工作，在现有技术中，会在3dB 90°桥130与传输线180连接的输出端112接上负载以吸收在该输出端输出的功率，而本发明对此进行了改进，将现有技术中的负载变为用传输线180连接输出端112和输入端113的反馈回路，该反馈回路将在现有技术中会被负载吸收的在输出端112上输出的功率信号不断地反馈回到输入端113，并最终在输出端口111输出被放大后的第一路功率信号，从而避免了被负载吸收的那部分的功率损失。此时，本发明的放大器装置仍能保证外部功率需求约等于在输出端口111输出的功率信号，从而保持较高的功率放大器效率，并且由于使用的是在高频下依然具有良好开关性能的PIN二极管作为开关器件，功率放大器的性能也不会受到影响。

值得提出的是，本实施例并不仅仅限于对高频功率信号放大，对于中频、低频功率信号也适用，只需要对电路中具体器件的选取做出相应调整。并且，本实施例中选取的具体器件也并不是本发明唯一的实现方式，例如，3dB 90°桥可以被实施为功分器和90°相移器组合或其它具有分配功率和90°相移的功能的分立电路等，PIN二极管可以实施为其它开关器件或开关电路，如晶体管或大功率开关或其它具有开关功能的集成或分立电路等。

图3示出了根据本发明的第二个实施例的放大器系统的电路拓扑示意图。放大器系统300包括2^N(N＝1，2，3......)个功率放大器，每2个功率放大器构成一个基本放大器装置一级单元310，2个基本放大器装置单元310又可构成一个包括四个功率放大器的二级单元320，2个二级单元进一步构成一个包括八个功率放大器的三级单元330，依次类推，2个N-1级单元可构成包括2^N(N＝1，2，3......)个功率放大器的N级单元，其中放大器装置单元310的具体拓扑可以是实施例1中的放大器装置。由包括2^N(N＝1，2，3......)个功率放大器的N级单元构成的放大器系统有N+1(N＝1，2，3......)种工作状态，分别可以有1，2，4......2^N个功率放大器工作。例如，当外部功率需求恰好是一个功率放大器工作时输出的功率P时，放大器系统只需要1个功率放大器工作，就可以满足外部功率需求，并能维持较高的放大器效率；当外部功率需求变为2P时，放大器系统需要2个功率放大器工作，来满足外部功率需求，仍能维持较高的放大器效率；同理，当外部功率需求变为4P时，放大器系统需要4个功率放大器工作，来满足外部功率需求，依旧可维持较高的放大器效率；......当外部功率需求变为2^N*P(N＝1，2，3......)时，放大器系统需要2^N(N＝1，2，3......)个功率放大器工作，才能满足外部功率需求，并维持较高的放大器效率。由于在这个过程中，几乎能始终保证外部功率需求约等于放大器系统的额定功率，因此也几乎能始终保证恒定的较高的放大器效率。并且，由于使用的是在高频下具有良好开关性能的PIN二极管开关器件，放大器的性能也不会受到影响。并且，显而易见地，本实施例的放大器系统具有很好的适应性和灵活性，可以根据具体应用环境来设计N值和/或选取功率放大器。

虽然已经参考目前考虑到的实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围符合最广泛解释，以便包含所有这样的修改及等同结构和功能。

Claims

1.一种选择电路，其中包括：

至少一个功分相移模块，所述功分相移模块具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，并且用于将输入第一输入端和/或第二输入端的信号分成两路正交、等幅的信号，分别从第一输出端和第二输出端输出，并且所述功分相移模块包括至少一个3dB90°桥；

第一传输线模块，所述第一传输线模块用于连接第一输入端和所述选择电路的第一输入；

第二传输线模块，所述第二传输线模块用于连接第二输入端和所述选择电路的第二输入；

第三传输线模块，所述第三传输线模块用于连接第一输出端和第二输入端；

第一开关模块，所述第一开关模块用于将所述第二输入接地；

第二开关模块，所述第二开关模块用于将所述第一输出端接地。

2.权利要求1中所述的选择电路，其特征在于，所述第一输入用于接收第一功率信号，所述第二输入用于接收第二功率信号，其中所述第一功率信号和所述第二功率信号为正交、等幅的信号，

当第一开关模块被断路，第二开关模块被短路时，所述第一功率信号通过所述第一传输线模块，所述第二功率信号通过所述第二传输线模块，

所述第一功率信号输入所述功分相移模块的第一输入端，并在所述功分相移模块的第二输出端输出第一输出功率信号；

所述第二功率信号输入所述功分相移模块的第二输入端，并在所述功分相移模块的第二输出端输出第二输出功率信号；

所述相移模块的第二输出端输出所述第一输出功率信号和所述第二功率信号的叠加的功率信号，并且所述功分相移模块的第一输出端无信号输出。

3.权利要求1中所述的选择电路，其特征在于，所述第一输入用于接收第一功率信号，

当第一开关模块被短路，第二开关模块被断路时，所述第一功率信号通过所述第一传输线模块，

所述第一功率信号输入所述功分相移模块的第一输入端，其中至少输入的所述第一功率信号的一部分通过第三传输线模块反馈至功分相移模块的第二输入端，并在所述功分相移模块的第二输出端输出功率信号。

4.如权利要求1中所述的选择电路，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块包括至少一个PIN二极管。

5.如权利要求1中所述的选择电路，其特征在于，所述传输线模块为四分之一波长传输线。

6.如权利要求1中所述的选择电路，其特征在于，所述选择电路的第一输入和第二输入用于接收高频功率信号。

7.一种放大器电路，其特征在于，包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的选择电路；

第一放大器，所述第一放大器的输出端用于与所述选择电路的第一输入相连；

第二放大器，所述第二放大器的输出端用于与所述选择电路的第二输入相连；

所述选择电路用于选择第一放大器的输出或第一放大器和第二放大器的输出的叠加作为放大器电路的输出。

8.一种放大器装置，其特征在于，包括：

根据权利要求7所述的放大器电路；

功分相移模块，所述功分相移模块具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端用于接入待放大的信号，第一输出端用于连接所述第一放大器的输入端，第二输出端用于连接所述第二放大器的输入端。

9.一种放大器系统，其特征在于，包括至少两个并联的根据权利要求8所述的放大器装置。