CN104471853A

CN104471853A - 放大器组件

Info

Publication number: CN104471853A
Application number: CN201380031781.4A
Authority: CN
Inventors: 雷纳托·内格拉; 艾哈迈德·阿里夫
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: KR20150022979A; KR102075813B1; US9240759B2; DE102012210249A1; EP2862271A2; EP2862271B1; US20150194938A1; WO2013189793A2; CN104471853B; WO2013189793A3

Abstract

本发明公开了一种放大器组件，所述组件包括一个接收（I、Q、A、φ）输入信号的输入装置；一个信号分量分离器，所述信号分量分离器SCS基于所述输入装置的输入信号（I、Q；A、φ）产生第一复合中间输出信号（S₁）和第二复合中间输出信号（S₂）；所述信号分离器提供多个振幅电平，选择所述多个振幅电平使所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间信号（S₂）的总和与所述（I、Q；A、φ）输入信号相适应，并且所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间输出信号（S₂）之间具有相位角；一个放大装置：用于放大所述信号高频段；以及一个组合装置：其用于组合所述信号。

Description

放大器组件

技术领域

本发明涉及一种放大器组件。

背景技术

在通信工程的许多领域中，传输过程的线性度是一项关键要求。特别是，对于数字传输系统这是极为重要的。

发射机中的非线性促使了不希望看到的发射，这削弱了其他参与者或其它传输服务器的链接质量。此外，非线性引起失真，对链接本身的质量产生负面影响。

到目前为止，该问题已经通过将相对于平均输出功率的高频输出段进行限幅处理而被解决。因此，例如，10db或更多的输出功率作为储备（“回退”）并不罕见，以确保所需的线性度。

系统过大具有许多缺点。首先，制造成本较高。另一方面，功率效率低，即，发射机的效率随着增加回退快速下降。随着效率降低，功率损耗增加。必须提供相应的冷却系统，以消散所产生的废热。

因此，例如，冷却系统必须安装在基站，基站的持续运行进一步恶化基站的功率平衡，此时应考虑所需的冷却功率。出于此原因，现代基站的效率的典型值通常位于单位数百分比范围。

一般来说，使用具有对应数字预失真的对称或非对称的多尔蒂放大器（Doherty amplifiers）作为移动基站发射机的结构。在这种线性传输装置中，必须对功率放大器以及在信号路径中的所有其它子组件关于具有最大线性可能的传输特点的简单的预失真进行设计。

然而，在大多数情况下，这是在信号上段动态范围内唯一以效率为代价的方法。利用传统数字化预失真的具有高波峰因数信号的多尔蒂放大器，在AB类操作中可以获得相对于输出功率级更高的效率。

为了提供最高可能的效率，需要开发非常复杂的放大器模型，以实时实现数字预失真。这也必须考虑老化影响和环境变量。由于太过复杂，多尔蒂概念的潜能不能被充分地利用。

其它概念，例如LINC原理（具有非线性组件的线性放大器），这是一种使用非线性放大器实现放大调幅信号的技术，是一种低效率以及高复杂度的多级LINC系统。

由于使用了电源电压调制器，通过所使用的电压调节器可以降低整体设计的损耗。因此，为了限制损耗，需要限制电压电平，理想地固定以及预定义那些电压。因此，在多标准多频带发射机中所需的灵活性和高效率的组合是很难实现（如果实现的话）。

两个相位调制信号现在可以用高效率饱和或转换放大器处理，并且可以利用这些放大器的高效率。源自先前技术的相应LINC发射机的框图如图2所示。因此，对于峰值输出功率，该放大器结构组成了一种非常有效的设计。

如图3所示，然而随着峰值因数的增加，输入信号的效率迅速下降。与线性放大器设计（如A类操作或者AB类操作的功率放大器）相比，LINC设计的能量效率随着回退的增加而以相当快的速度降低。这可归因于以下事实：输出端的功率合成器从具有最大输出功率的两个信号中合成了一种低功率信号。在此情况下，功率合成器消耗了过量的功率。从而导致了低输出功率下的低的系统效率。

而非隔离合成器的使用能够使效率增加，这仅仅以低线性为代价的情况下才有可能实现。

一种补救措施是提供如图4所示的多级LINC设计。在此，附加输出级被引入用于两个放大器，为了在低功率下输出信号的合成期间保持移相角度尽可能小，并由此使功率组合器中的损耗最小。以图5中的相位图为例，说明了该原理。该相位图针对的是具有三个输出级的多级LINC系统。

正如从图6可以看出，通过调整多级LINC（ML-LINC）系统中输出级的输出功率，整体效率和动态范围均提高，相对于具有高波峰因数的信号放大器的纯LINC系统架构。

可以使用不同技术来产生所需的附加输出级。

输出功率的调节方式依赖于在任何给定时刻获得的输入功率，例如，通过粗略跟踪具有或不具有输入功率的调节的饱和输出阶段的供电电压，或者通过动态缩放输出晶体管的有效范围，或者通过负载调制。在该过程中，LINC系统的两个路径同时并以相同的方式按比例缩小，即，使用对称的功率级，使得该设计可以保持非常简单。

此外，尽管以更高的系统复杂度为代价，但是使用不对称的功率级仍能具有更好的效率。

然而，输出功率调节与多级LINC系统中相对应的相位调节信号的正确时间巧合对于信号的线性度和质量是重合极为重要的。由于不同的信息部分需要被制在不同的系统途径，必须采取措施使得两个信息部分在输出时再次结合，使信号失真最小化，这可能导致不需要的发射。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的在于提供一种新的放大器组件，其具有高效率以及低复杂度。此外，本发明进一步目的是所提供的一种新的放大器组件，其使得即使对于不同种类的调制也可以单独地重新配置线性度和能量效率。

权利要求1实现了本发明的目的一种放大器组件。从属权利要求是本发明进一步的优选方案。

下文将参考附图对本发明进行更详细的解释。

附图说明

图1，相量示意图；

图2，根据现有技术的LINC发射机的示意框图；

图3，根据现有技术的作为系统输出功率函数的LINC设计的效率示意图；

图4，根据本发明的一个实施例的多级LINC发射机的示意框图；

图5，根据现有技术的多级LINC发射机的相量示意图；

图6，一种通过使用多级LINC发射机中的多级的效率提升示意图；

图7，使用多级函数的WCDMA信号可测量相邻信道的功率和效率示意图；

图8，根据使用的级数WCDMA信号的可测量的输出光谱示意图；

图9，使用多级函数的20MHz LTE信号可测量的相邻信道功率和效率示意图；

图10，示例性多尔蒂放大器的可测量漏极效率及其效率示意图；

图11，是本发明放大器组件实施例逻辑框图示意图。

具体实施方式

本发明的放大器组件使得在实现放大数字调制信号的所需线性度和可达到的效率与低的系统复杂度之间的有利折衷成为可能。在所提出的放大器组件中，将LINC概念中的非常好的线性特性与多尔蒂放大器的高效率相结合。

当输出级在系统级上产生相当大的效益时，使用多尔蒂放大器代替转换放大器，从而明显的简化了整个系统。

另外，尽管或确切的说由于低的系统复杂度有了这些改良，因此可以省去所有关键系统的方面（例如两个不同的信号路径的时间调整），而保留ML-LINC系统的优点。

图11所示的是本发明的放大器组件逻辑框图，此处组件示出了用于接收输入信号I、Q；A、φ的输入装置IN。在该过程中，仅需要获得：例如I和Q。然后从I和Q当中的一个可以借助正交-极坐标转换器创建相应的振幅信号A（t）和相位信号φ（t）。

此外，根据本发明的放大器组件具有信号分量分离器SCS，其中，所述信号分量分离器SCS基于输入信号表示I、Q；A、φ产生第一复合中间输出信号S₁和第二复合中间输出信号S₂。

在图中，基于振幅信号A（t）和相位信号φ（t）通过相应的信号处理从I分量和Q分量产生相应的中间输出信号。

所述信号分量分离器提供多个振幅电平，其中，选择所述多个振幅电平使得第一复合中间输出信号S₁和第二复合中间信号S₂的总和与I，Q；A，φ输入信号相对应、适应，并且所述第一复合中间输出信号S₁和所述第二复合中间输出信号S₂之间具有较小的相位角。

为此，提供了一种多级系统，其中，由于提供了多个振幅电平，因此可保持较小角度。在随后组合期间降低了功率损耗，并且提高了总效率。

此外，所述放大器组件还具有用于放大信号高频段中的一个或多个放大装置PA、PA₁、PA₂。如图11所示，该放大装置可以应用于信号高频段中的中间输出信号中的每一个，或放大装置也可以应用到信号高频率段中的组合的中间输出信号。

此外，所述放大器组件还具有用于组合信号的组合装置CO。

在本发明特别优选的实施例中，放大装置为多尔蒂配置。

组合装置CO优选为独立的组合装置。或者，提供使用非独立组合装置CO。虽然这样可以提高效率，但是必须将一定的线性度的损耗作为其中的考虑因素。

为了不限制本发明的通用性，放大装置可以是对称或非对称的多尔蒂放大器组件。在对称的多尔蒂放大器设计中，所使用的（两个）晶体管的参数相同，然而在非对称的多尔蒂放大器组件中，所使用的（两个）晶体管的参数不同。一般而言，使用对称的多尔蒂放大器组件可以获得稳定的效能达6dB左右，然而在非对称的多尔蒂放大器组件中也可以获得稳定的效能达6dB左右。非对称的多尔蒂放大器组件允许效能或动态范围的改进。

此外或另外，放大装置还可以具有一个或多个多路径或多级多尔蒂放大器。

在本发明的一个实施例中，放大器组件具有用于基于第一复合中间输出信号S₁和第二复合中间输出信号S₂产生向上发送转换信号的转换装置UP，转换装置UP为向上发送信号的混频器，并且从放大装置PA；PA₁、PA₂获得向上转发的转换信号。

在本发明的可选实施例中，放大器组件具有用于基于第一复合中间输出信号S₁和第二复合中间输出信号S₂产生向上转换信号的转换装置，转换装置具有相位调制器，相位调制器具有一个元件，元件具有可变增益或可变衰减。

在本发明的一个实施例中，信号分量分离器SCS还提供了限幅器对第一复合中间输出信号S₁和第二复合中间输出信号S₂的最大振幅和/或最小振幅的限制。这样，可以避免失真和提高总功效。特别是，限制所述小振幅的线性以及功效是重要的。通过引入最小振幅，防止了穿过零线并且从而降低了信号带宽。此外，扩大了动态范围。

在本发明的一个实施例中，所述放大器组合件还提供了一种预失真。预失真使得可以补偿现有非线性并且从而保持所需的线性度。由于在未补偿操作非线性中的功效的高水平方面通常可以允许高于传输系统，因此这样可以提高功效。

在本发明的一个实施例中，信号分量分离器SCS还提供用于控制放大装置PA；PA₁、PA₂的动态增益的信号。由于信号分量分离器SCS可以确定在其振幅上要实现的目标信号，所以也可以这种方式有效地调节放大装置PA；PA₁、PA₂。由于可以调节放大装置PA；PA₁、PA₂，所以放大装置PA；PA₁、PA₂的功效可以维持在具有高的线性度和效率的良好的范围内，保证了总的放大器组件的较高的总效率和较高的线性度。

在本发明的一个实施例中，所述信号分量分离器SCS提供所述第一复合中间输出信号S₁和第二个复合中间输出信号S₂的至少部分不同的振幅电平，振幅电平可以扩大动态范围。

从具有分离组合器的常规LINC系统的高线性度和低效率开始，可以通过增加多级LINC发射机的级数以线性度为代价提升能量效率。

图7示出作为示例的3.8MHz WCDMA信号。使用的放大器的峰值效率是55%。

图8示出作为优化级数的函数的相同信号的测得的“遥远噪声”。

用相同的配置，通过调整系统参数，也可处理其它移动无线电标准，即，放大器组件是高度灵活的，并且因此可以用于传输系统的多重性。图9示出了测量的相邻信道功率和效率随20MHz LTE信号的信号统计的优化级数的变化。此处也是一样，使用的放大器的峰值效率为55%。

在图7至图9中的每一个中，必须考虑到这些不是基于相位-相干向上的混合。这样做的效果特别显著，这是因为过量的宽带信号（例如图9测量所使用的20MHz LTE信号）的相邻信道噪声的效果。通过使用相位-相干频率转换，即使对于大量的所选电平，宽带信号的光谱发射掩模被保持。

因此，根据所提出的设计，可以实现具有高的效率水平的宽带柔性多标准和多频带发射机。

如果比较图10中的多尔蒂放大器的效率，那么下曲线对应效率，即，功率附加效率，而上曲线对应相同放大器的漏极效率。可以看出，获得的作为相对于55%的多尔蒂输出级的峰值效率测得的平均效率非常高。

因此，本发明能够使用高效的多尔蒂放大器作为多级LINC设计中的输出和/或驱动器级。

以这种方式，借助LINC结构提供整个传输链的数字线性化。

由于该方法，可以保留这两项技术的优点，而无须处理各自的缺点。因此，所提出的放大器组件提供了结合对称的/非对称的多尔蒂放大器的提高的效率的传统LINC或多级LINC发射机的线性度。

同时，由于根据基于多尔蒂的有源负载调制的原则可以连续调整输出功率控制，所以通过使用多尔蒂放大器可降低系统复杂度。

辅助放大器，其可以是多尔蒂配置的一部分，借助于在输入端的信号出现，可以调节整个设计中的输出功率。初级放大器可以在电压饱和模式运行超过最大可能的动态范围（对称的设计的动态范围为6dB，不对称的设计的动态范围高达12dB和更多）并且其负载可以被适配成使得初级放大器中正好驱动足够的电流到所需要的输出功率的负载。从而，实现基本效率的提升。

当用这样的有源负载调制控制输出功率时，该振幅信息和相位信息一起直接进入功率放大器的输入端。因此，振幅和相位信号在完全相同的路径行进并在两个信号之间不会产生时间延迟。因此不需要可编程延迟元件和特殊的电压供给调制器，依次产生更大的系统带宽。

系统在图11所示的方式中是简化的。代替相位调制器，传统的向上混频器UP可用于本系统，用于振幅调制信号和相位调制信号的频率转换。由限幅器和数字预失真限制输入信号的振幅可实施为在数字范围内，为了进一步改善系统性能。这实质上简化了与之对比的具有整个线性的子组件的发射机的预失真，因为只有两种路径中的相位和振幅响应的几个离散的点需要被均衡。在所选点之间，系统是通过移相（即通过LINC）进行线性化。

另外，因为该系统可以使用多尔蒂放大器来代替转换放大器，所以提出的放大器组件实现了同样的线性度的相当高的效率。尽管多尔蒂放大器比饱和放大器和转换放大器具有较低的峰值效率，但是到目前为止仍使用在移相系统中，它们在很大的动态范围内具有更高效率。

通过使用不对称的多尔蒂设计和/或多路径多尔蒂放大器设计，此外，还可以实现效率的增加，因为这些放大器设计具有远大于6dB的动态范围的高效率。这样，所提出放大器组件实现了具有相对低的系统复杂度的数字调制宽带信号的高的平均效率水平。

与传统系统相比，所提出的放大器组件实现了大大降低系统的复杂度。与已知系统相比，所提出的放大器组件改善了线性度和效率，特别是对于具有高波峰因数宽带信号。此外，所提出的放大器组件实现了系统的简单的修改，系统用于放大不同传输标准以及使用的特定传输标准的效率和线性度的动态优化。此外，所提出的放大器组件允许简化多尔蒂放大器设计并且实现了增加的动态范围，特别是相比于已知的LINC发射机。在所提出的放大器组件中，此外，系统灵敏度的降低到两种路径之间的振幅和相位响应的偏差（不匹配）。因此，OPEX和CAPEX良好的节省以及相对于传统系统效率的显著增加是可能的。

所提出的发明可用于大多数不同的设备中。例如，能够将本发明使用在移动电话基站以及移动电话站本身，以及在广播无线电台。特别是，本发明适用于在软件定义无线电应用中使用。

Claims

1.放大器组件，其特征在于，所述组件具有：

a. 一个输入装置：用于接收由（I、Q、A、φ）表示的输入信号；

b. 一个信号分量分离器，所述信号分量分离器SCS基于所述输入装置的输入信号（I、Q；A、φ）产生第一复合中间输出信号（S₁）和第二复合中间输出信号（S₂）；

c. 其中，所述信号分离器提供多个振幅电平，

d.选择所述多个振幅电平使所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间信号（S₂）的总和与所述（I、Q；A、φ）输入信号相适应，并且所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间输出信号（S₂）之间具有相位角；

e. 一个放大装置：用于放大所述信号高频段；以及

f. 一个组合装置：其用于组合所述信号。

2.根据权利要求1所述的放大器组件，其特征在于，所述放大装置为多尔蒂式设计的放大装置。

3.根据权利要求1或2所述的放大器组件，其特征在于，所述组合装置是一种独立的组合装置。

4.根据权利要求1或2所述的放大器组件，其特征在于，所述组合装置为非独立组合装置。

5.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述放大装置具有不对称的多尔蒂放大器组件。

6.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述放大装置具有多路径多尔蒂放大器或多级多尔蒂放大器。

7.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述放大器组件具有一个转换装置，所述转换装置基于所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间输出信号（S₂）产生向上的转换信号，所述转换装置是一个具有向上的混频器和所述向上转换信号被放大装置。

8.根据前述权利要求1-6之一所述的放大器组件，其特征在于，所述放大器组件具有用于基于所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间输出信号（S₂）产生向上转换信号的转换装置，所述转换装置具有相位调制器，所述相位调制器具有一个元件，所述元件具有可变增益或可变衰减。

9.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述信号分量分离器还提供了所述第一复合中间输出信号（S₁）和所述第二复合中间输出信号（S₂）的最大振幅和/或最小振幅的限制。

10.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述放大器组件还提供了一种预失真。

11.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述信号分量分离器还提供了用于控制所述放大装置的动态增益信号。

12.根据前述权利要求之一所述的放大器装置，其特征在于，所述信号分量分离器提供所述第一复合中间输出信号（S₁）和第二复合中间输出信号（S₂）的至少部分不同的振幅电平。