CN104283573B - 一种改进linc发射机效率的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进LINC发射机效率的方法及其装置，属于无线通信技术领域。包括以下步骤：1)对基带信号进行多门限信号分离和相位调制，使其转换成两路等幅调相信号；2)信号分离和相位调制后得到的两路等幅信号进入多路Doherty功率放大器进行信号放大，然后采用隔离合成器作为功率合成模块，放大后的两路等幅信号通过隔离合成器合成为一路信号。本发明由于采用多门限信号等幅度的分离，其异相角较小，在合成器上消耗的功率降低，既改进了隔离合成器的效率问题，又避免了采取非隔离合成器线性度差的缺陷；既能保持LINC发射机有较高的线性度，又能改善现有LINC发射机效率低的问题。

Description

一种改进LINC发射机效率的方法及其装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种改进LINC发射机效率的方法及其装置。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，要求移动通信系统具有更大的数据传输率和数据容量。此外在频谱日渐拥挤的情况下，为了提高频谱利用率，往往采用复杂的恒包络调制方式，使得移动信号都具有高的峰均功率比。单就功率放大器来说，单管功放的最大效率一般都在饱和处实现，针对高峰均比的非恒包络信号不能充分发挥其高效率的优势，随之而来的问题就是需要用更复杂的技术来同时保证线性与效率。

Doherty功率放大器技术是目前提高射频功率放大器效率的主要技术之一，Doherty功率放大器最早是W.H.Doherty于1936年提出的，随着多年不懈地研究与拓展，Doherty功率放大器技术在当今已变得更加成熟。尤其针对高峰均比现代及未来无线通信信号，Doherty功率放大器能够在整个回退区内实现较高的效率因此能提高功放的平均效率，目前已成为商用功率放大器中的常见结构。

LINC(线性化使用非线性元件)，又称Outphasing(异相放大器)技术，LINC理论最早来自于Chireix在1935年的著作中，主要思想是将调幅调相信号经信号分离器转化为两路恒包络信号，两路恒包络信号上变频为射频信号，再由高效率的非线性放大器进行放大，最后通过功率合成器合成两路信号，恢复原来信号。LINC结构理论上既能够实现高效又能保证高的线性度。随着近几十年数字器件、数字算法以及射频集成电路的高速发展，LINC技术的可行性越来越高，理论也越来越完备，与此同时它的优越性体现的越发明显，已成为国际上的研究热点。传统LINC结构的线性虽然很好，但是由于其异向合成，在合成器的热损耗较大使得整体效率较低。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种改进LINC发射机效率的方法及装置，本发明采用多门限信号分离器将原有信号分成多层次等幅调相信号，降低了异相角，并将Doherty功率放大器应用到功率放大模块中，降低了合成器上消耗的功率，提高了效率。

本发明的技术方案如下：

一种改进LINC发射机效率的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据信号幅度分布特征对基带信号进行多门限信号分离和相位调制，使其转换成两路等幅调相信号；

步骤2：信号分离和相位调制后得到的两路等幅信号进入多路Doherty功率放大器进行信号放大，然后采用隔离合成器作为功率合成模块，放大后的两路等幅信号通过隔离合成器合成为一路信号。

其中，所述多路Doherty功率放大器的制作过程为：首先根据步骤1得到的等幅信号的幅值的个数来确定Doherty功率放大器的路数；确定主路功率放大器，根据各支路Doherty功率放大器的功率回退值和主路功率放大器在1dB功率压缩点回退到回退值时的输入功率来确定支路功率放大器的开启电压；依次将每一路功率放大器通过功率合成器连接。

进一步地，所述Doherty功率放大器的功率回退值采用α＝-20log(A_i/A_N)计算，其中A_i为多门限分离器的第i个门限值，A_N为最大的门限值，N为门限值的个数。

一种实现改进LINC发射机效率的方法的装置，包括信号分离模块、相位调制模块、功率放大模块和功率合成模块，其特征在于，所述信号分离模块为多门限信号分离器，用于将基带信号分离为两路等幅信号，所述功率放大模块为多路Doherty功率放大器，所述功率合成模块为隔离合成器。

其中，所述多路Doherty功率放大器的制作过程为：首先根据等幅信号的幅值的个数来确定Doherty功率放大器的路数；确定主路功率放大器，根据各支路Doherty功率放大器的功率回退值和主路功率放大器在1dB功率压缩点回退到回退值时的输入功率来确定支路功率放大器的开启电压；依次将每一路功率放大器通过功率合成器连接。

进一步地，所述Doherty功率放大器的功率回退值采用α＝-20log(A_i/A_N)计算，其中A_i为多门限分离器的第i个门限值，A_N为最大的门限值，N为门限值的个数。

本发明的有益效果为：本发明采用多门限信号分离器将原有信号分成多层次等幅调相信号，降低了异相角，并利用Doherty功率放大器的特点，巧妙的应用在LINC发射机结构中的功率放大模块，能够在一个较宽的输入信号功率范围内保持较高的效率，并通过隔离合成器进行功率合成。本发明由于采用多门限信号等幅度的分离，其异相角较小，在合成器上消耗的功率降低，既改进了隔离合成器的效率问题，又避免了采取非隔离合成器线性度差的缺陷；既能保持LINC发射机有较高的线性度，又能改善现有LINC发射机效率低的问题。

附图说明

图1为本发明提供的LINC发射机的原理图；

图2为功率合成时效率与异相角的关系曲线图

图3为信号矢量分解示意图；

图4为Doherty功率放大器的原理图；

图5为多路Doherty功率放大器的回退功率与效率曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的介绍和说明。

图1为本发明提出的改进LINC发射机效率的装置的原理图，包括信号分离模块、相位调制模块、功率放大模块和功率合成器，所述信号分离器为多门限信号分离器，所述功率放大器为多路Doherty功率放大器，所述功率合成模块为隔离合成器。基带信号S(t)信号通过多门限信号分离器后变成了两路等幅调相的信号S₁(t)和S₂(t)，两路等幅信号经过上变频后经过多路Doherty功率放大器放大，这两路被放大的信号经过威尔金森功率合成器后合为一路信号S_o(t)。

所述功率合成器的类型为隔离合成器，这是由于隔离合成器一般是通过在合成支路上放置电阻来增加隔离度，例如威尔金森合成器，此时合成器具有较高的隔离度，两支路不会相互干扰，能保证功率合成时的线性。但由于合成的两路信号通常不是等幅度的，为异相合成，因此有很大一部分能量会消耗在隔离电阻上。合成效率为：

${\mathrm{\η}}_c=\frac{{(A_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+A_2\cos {\mathrm{\θ}}_2)}^2}{2(A_1^2+A_2^2)}---\left(1\right)$

式(1)中，θ₁,θ₂表示两个不同向量与合成向量的夹角，异相角可表示为θ＝|θ₁-θ₂|，A₁,A₂表示向量幅度。对上式(1)进行求导取极值后得出结论：当θ₁,θ₂的角度相等时，其效率最高，所以信号分离时需要得到的是异相角小的两路信号。改进后的公式可以写为：

${\mathrm{\η}}_c={\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right),0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(2\right)$

式(2)中θ为向量与合成向量之间的夹角，θ越大，合成效率越低(参见图2)。

本发明采用多门限信号分离，能有效的降低异相角，其具体的过程如下：输入的基带信号S(t)信号为：

S(t)＝E(t)e^jφ(t),0≤E(t)≤E_max (3)

式(3)中，E(t)代表信号的幅度信息，φ(t)代表相位信息。经过多门限信号分离后得到的等幅度的两路信号S₁(t)和S₂(t)为：

$S_1\left(t\right)=\frac{1}{2}(S\left(t\right)+e\left(t\right))=\frac{E_{\mathrm{Ai}}}{2}{e}^{j(\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\θ}\left(t\right))}---\left(4\right)$

$S_2\left(t\right)=\frac{1}{2}(S\left(t\right)-e\left(t\right))=\frac{E_{\mathrm{Ai}}}{2}{e}^{j(\mathrm{\φ}\left(t\right)-\mathrm{\θ}\left(t\right))}---\left(5\right)$

其中的参量e(t)，θ(t)，E_Ai分别为：

$e\left(t\right)=\mathrm{jS}\left(t\right)\sqrt{\frac{{\mathrm{Ai}}^2}{E{\left(t\right)}^2}-1}---\left(6\right)$

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arccos \left(\frac{E\left(t\right)}{E_{\mathrm{Ai}}}\right)---\left(7\right)$

$E_{\mathrm{Ai}}=\left\{\begin{array}{c}{A}_1,0<E\left(t\right)<A_1\\ A_2,0<E\left(t\right)<A_2\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ A_N,A_{N-1}<E\left(t\right)\&le;A_N=E_{\max }\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，A_i为多门限分离器的第i个门限值，E_Ai/2为多门限信号的幅值。

多门限信号的分离过程如公式(4)和(5)所示，两路信号在原信号S(t)的基础上分别加上e(t)和-e(t)后再乘以1/2所得，e(t)的确定不仅仅与原信号本身有关，其参量中的A_i值还与信号幅度概率分布函数有关，具体计算方法将在后文详细描述。

式(8)表明信号的幅度值可由多个数值组成，其具体数值要根据信号在不同时间的幅度而定，但是经过多门限信号分离后的两路信号幅值一定要相等。经过调制的信号幅度值并不是固定在某一个值，这表明经过功率放大器的信号功率值有一定的范围，而放大器的设计也与之密切相关。

图3则是通过坐标系的方式展示了双门限信号分离的分解过程(多门限信号分离的分解过程类似)，图中每个圆都代表了一个恒定的幅度，所以分解所得两路信号都是恒包络的，并且幅值也是相同的。并且：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t) (9)

LINC发射机的效率不仅与功率合成器的效率有关，而且还和功率放大器的效率有关，LINC发射机的整体效率为：

η_LINC＝η_PA·η_C (10)

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{LINC}}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{PA}-i}\left(t\right)\&CenterDot;<{\mathrm{\&eta;}}_{C-i}\left(t\right)>=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{PA}-i}\left(t\right)\mathrm{\&rho;}\left(E\left(t\right)\right)\mathrm{dE}\left(t\right)\\ =\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{PA}-i}\left(t\right)\&CenterDot;{\&Integral;}_{A_i}^{A_{i+1}}{\left(\frac{E\left(t\right)}{A_i}\right)}^2\mathrm{\&rho;}\left(E\left(t\right)\right)\mathrm{dE}\left(t\right)\end{array}---\left(11\right)$

其中η_LINC,η_PA,η_C分别表示LINC发射机整体的效率、功率放大器的效率以及功率合成器的效率。ρ(E(t))则为信号幅度概率分布函数，为了得到(A₁,A₂,…,A_N)的取值，可以根据对上式(11)求偏导后的公式来计算。

一般的单管功放其效率会随着输入信号功率的降低而明显下降，但采用Doherty结构的功率放大器(参见图4)则可避免上述问题。N是幅值的个数

多路Doherty功率放大器的制作过程为：多路Doherty功率放大器的结构可根据(A₁,A₂,…,A_N)的值来确定，根据N的值确定Doherty结构的路数，再通过A_N的数值来计算Doherty的功率回退值α＝-20log(A_i/A_N)；首先确定主路功率放大器，再根据所确定的Doherty的功率回退值和主路功率放大器在1dB功率压缩点回退到回退值时的输入功率来确定支路功放的开启电压，具体方式是通过调整栅极电压直到功率放大器有输出为止；最后依次将每一路功率放大器完成后通过功率合成器连起来，得到多路Doherty功率放大器。其中A_i为多门限分离器的第i个门限值，A_N为最大的门限值，N为门限值的个数。

Doherty功放结构有很多，图5给出了B类、传统Doherty、非对称Doherty以及三级Doherty效率曲线的比较。图中可以看出，随着Doherty功率放大器的阶数增加效率曲线会出现更多的峰值。峰值的出现是由于峰值功放的输出功率达到接近饱和，此时峰值功放的效率也比较高，使得功率放大器整体效率保持一个高水平，因而一个较宽输入功率范围的信号保持着高的效率。所以，采用Doherty结构能够使得整个LINC系统效率提高。

Doherty功率放大器对不同幅度的输入信号有不同的状态，但各种状态都能兼顾信号的高线性与高效率。而由于信号分解后是恒定包络调相信号，且两路信号的包络值是相等的，所以在功率合成时热损耗也会减少，整体LINC发射机结构的效率不会降低。

Claims (6)

1.一种改进LINC发射机效率的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据信号幅度分布特征对基带信号进行多门限信号分离和相位调制，使其转换成两路等幅调相信号S₁(t)和S₂(t)，

其中，

$S_2\left(t\right)=\frac{1}{2}\left(S\right(t)-e(t\left)\right)=\frac{E_{Ai}}{2}{e}^{j\left(\mathrm{\&phi;}\right(t)-\mathrm{\&theta;}\left(t\right))}$

其中的参量e(t)，θ(t)，E_Ai分别为：

$e\left(t\right)=jS\left(t\right)\sqrt{\frac{{\mathrm{Ai}}^2}{E{\left(t\right)}^2}-1}$

$\mathrm{\&theta;}\left(t\right)=arccos\left(\frac{E\left(t\right)}{E_{Ai}}\right)$

$E_{Ai}=\left\{\begin{array}{c}{A}_1,0<E\left(t\right)<A_1\\ A_2,0<E\left(t\right)<A_2\\ .\\ .\\ .\\ A_N,A_{N-1}<E\left(t\right)\&le;A_N=E_{max}\end{array}\right.$

E(t)代表信号的幅度信息，φ(t)代表相位信息，A_i为多门限分离器的第i个门限值，E_Ai/2为多门限信号的幅值；

步骤2：信号分离和相位调制后得到的两路等幅信号进入多路Doherty功率放大器进行信号放大，然后采用隔离合成器作为功率合成模块，放大后的两路等幅信号通过隔离合成器合成为一路信号。

2.根据权利要求1所述的改进LINC发射机效率的方法，其特征在于，所述多路Doherty功率放大器的制作过程为：首先根据步骤1得到的等幅信号的幅值的个数来确定Doherty功率放大器的路数；确定主路功率放大器，根据各支路Doherty功率放大器的功率回退值和主路功率放大器在1dB功率压缩点回退到回退值时的输入功率来确定支路功率放大器的开启电压；依次将每一路功率放大器通过功率合成器连接。

3.根据权利要求2所述的改进LINC发射机效率的方法，其特征在于，所述Doherty功率放大器的功率回退值采用α＝-20log(A_i/A_N)计算，其中A_i为多门限分离器的第i个门限值，A_N为最大的门限值，N为门限值的个数。

4.一种实现如权利要求1所述方法的装置，包括信号分离模块、相位调制模块、功率放大模块和功率合成模块，其特征在于，所述信号分离模块为多门限信号分离器，用于将基带信号分离为两路等幅信号，所述功率放大模块为多路Doherty功率放大器，所述功率合成模块为隔离合成器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多路Doherty功率放大器的制作过程为：首先根据等幅信号的幅值的个数来确定Doherty功率放大器的路数；确定主路功率放大器，根据各支路Doherty功率放大器的功率回退值和主路功率放大器在1dB功率压缩点回退到回退值时的输入功率来确定支路功率放大器的开启电压；依次将每一路功率放大器通过功率合成器连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述Doherty功率放大器的功率回退值采用α＝-20log(A_i/A_N)计算，其中A_i为多门限分离器的第i个门限值，A_N为最大的门限值，N为门限值的个数。