CN105227146A - 一种前馈功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前馈功率放大器，包括功分器，第一矢量调节器，主放大器，第一耦合器，第一延迟线，功率合成器，第二矢量调节器，误差放大器，第二延迟线和第二耦合器。本发明提供的前馈功率放大器大大提高了功放的效率，在三阶互调优于-62dBc的前提下，整机效率达27％以上，很好的解决了前馈功率放大器的线性度和效率之间的矛盾，在高线性度信号放大领域有很大的实用价值。

Description

一种前馈功率放大器

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种前馈功率放大器。

背景技术

随着现代移动通信技术的不断发展，对功率放大器的线性度要求急剧提高，功率放大器的线性化技术已成为当今通讯领域的一个热门话题。利用功率回退换取线性度的方法会带来严重的资源浪费、效率低下以及无法获得更高的线性度。当今常用的线性化技术包括模拟预失真、数字预失真、负反馈技术及前馈线性化技术。模拟预失真电路结构简单，实现成本低，但只能获得较低的线性度；数字预失真技术实现方法复杂，但可以获得较高的线性度，同时数字处理板会消耗一定的功率；负反馈技术由于结构上的缺陷会导致带宽窄、效率低下。现有技术中的前馈技术可以使功率放大器获得最高的线性度，但是还是存在一定的效率损耗，其前馈功率放大器效率通常低于数字预失真技术处理的功率放大器，为10％左右。现有技术中，采用前馈技术和Doherty放大器的结合来解决前馈功率放大器的线性度和效率的问题，但是实现的效率较低。

因此，希望可以提出一种最优化效率的前馈功率放大器，其前馈功率放大器效率远高于普通前馈功率放大器，并能很好地解决前馈功率放大器的线性度和效率之间的矛盾。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种前馈功率放大器，可以远远提高前馈功率放大器的前馈功率放大器效率，由主放大器和误差放大器、耦合器、延迟线和环路构成；主放大器为带有预失真型的功放前馈功率放大器，包括模拟预失真或数字预失真方式；耦合器用于功率的分配与合成，延迟线保证前馈放大器可以在较宽的频道内稳定工作，环路用于保证信号与失真的正确抵消。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种前馈功率放大器，其特征在于，包括

功分器，用于将射频输入信号分成两路输出相等或不相等能量的第一路信号和第二路信号；

第一矢量调节器，用于调整第一路信号的幅度和相位；

主放大器，为带有预失真型的功放前馈功率放大器，用于接收和放大射频经过第一矢量调节器调整过的第一路信号；

第一耦合器，用于耦合经过主放大器的第一路信号；

第一延迟线，用来平衡功分器的第二路信号和第一耦合器耦合过的第一路信号的群延时；

功率合成器，用于合成第一耦合器耦合过的第一路信号和经过第一延迟线的延迟信号，并对消载波信号，留下误差信号；其中，载波信号为信号频谱的原始成分，信号经放大后除原始频谱外，还会产生误差频谱分量，即后述误差信号。

第二矢量调节器，用于调整误差信号的幅度、相位；

误差放大器，采用AB类功率放大器，用于对误差信号的线性放大；

第二延迟线，用于平衡主放大器的第一路信号与误差放大器处理过的信号的群延时；

第二耦合器，用于将调整、放大过的误差信号注入到主放大器的输出信号中，对消主信号中的失真；

其中，所述误差放大器根据1dB压缩点进行设定，第二耦合器的最佳耦合量根据前馈功率放大器的效率所确定。

所述的误差放大器的类型包括LDMOS管、GaN管。

所述主放大器采用Doherty放大器。

所述的第二矢量调节器调整误差信号的幅度和相位，使最终注入主信号中的误差信号与主信号中的失真分量在幅度上相等，相位上相反。

所述的功分器、第一矢量调节器、主放大器、第一耦合器、功率合成器、第一延迟线组成误差提取环路，用于对消主放大器输出信号中的载频成分，获取只包含主放大器非线性失真的误差信号；

所述的第一耦合器、第二延迟线、第二耦合器、误差放大器、第二矢量调节器和功率合成器组成误差对消环路，用于抵消主放大器引入的失真。

在所述误差提取环路和误差对消环路均引入温补衰减器。

所述的温度补偿衰减器为基于热敏电阻的π型衰减器。

本发明具有以下有益效果：

利用前馈技术提高了功放的线性度，利用Doherty技术大大提高功放的效率，而其效率的增加并不影响前馈功率放大器线性度的改善；前馈功率放大器效率远远高于普通前馈功率放大器。

附图说明

图1为本发明实施例的一种采用前馈和Doherty主功率放大器相结合的前馈功率放大器的结构图；

图2为本发明实施例的特定条件下第二耦合器的耦合量与前馈功率放大器效率之间的关系曲线图；

图3本发明实施例的前馈功率放大器中所用到的温度补偿衰减器的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本前馈功率放大器包括：

功分器101，全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。用于接收射频输入信号，并将射频输入信号分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。。

从信号的输入输出过程看，外部的射频输入信号(RF_in)经过功分器后，信号分为两路能量相等或不相等的输出信号。其中，射频输入信号具有平均工作振幅范围和在超过平均工作范围的峰值范围内的间歇信号峰值。射频输入信号包括诸如CDMA信号或WCDMA信号等扩频信号，具有随机出现的包括峰值范围的信号峰值。为简明起见，将其中的一路输出信号称为第一路信号，将另一路输出信号称为第二路信号。

矢量调节器，包括第一矢量调节器102和第二矢量调节器103。

具体地，经过第一矢量调节器后，功分器输出的第一路信号得到幅度、相位的调整。同样地，第二矢量调节器也是用于调整信号的幅度和相位。

主放大器104，采用Doherty放大器，用于接收和放大射频输入信号，主放大器在其整个工作范围内具有对应于输入信号的平均工作振幅范围的基本上线性的部分和对应于输入信号峰值范围的非线性部分。主放大器104采用的是现有技术中的Doherty功率放大器，其可以包括：至少一个载波放大器；至少一个峰值放大器；数个输入匹配电路，其中至少一电路分别连接到该载波放大器及峰值放大器的输入端；至少一阻抗控制电路，其每一电路连接到每个载波放大器的输出端，用以控制每个载波放大器的负载线阻抗；至少一输出匹配电路，其可直接或间接地连接到该阻抗控制电路及峰值放大器的输出端；及至少一延迟电路，用以匹配该载波放大器与峰值放大器之间的延迟。

从信号的输入输出看，功分器101输出的第一路信号经过第一矢量调节器进行幅度和相位的调整后，送入主放大器104，进行信号的放大。

耦合器，用于耦合信号中的一部分能量，其根据其与前馈功率放大器效率之间的关系进行设定。

具体地，耦合器包括第一耦合器105和第二耦合器106，用于耦合经过主放大器的信号。在前馈功率放大器中，各放大器的效率和延迟线的损耗都是可以确定并测量的，对效率来说，不能直接确定的是耦合器的耦合量，通过上述计算耦合量与前馈功率放大器总效率的关系式，可以得出在最大前馈功率放大器效率下，耦合器耦合量的大小。为提高前馈功率放大器效率，耦合器的插入损耗(由导体和介质带来的损耗)应当尽量小；为满足对消带宽，耦合器的带内平坦度应尽量高，其中，带内平坦度是指通带内的幅度变化情况，可用波纹(ripple)表示，任何微波器件的通带都不是平坦的，会有一定的高低起伏。

从信号的输入输出看，经过主放大器放大过的输出信号通过第一耦合器105处理，耦合出一部分能量的信号。

延迟线，用于提供延迟后的输出信号。

具体地，延迟线包括：第一延迟线107，用于延迟功分器的输出信号；第二延迟线108，用于延迟第一耦合器的输出信号。为了简明起见，将延迟线延迟过的输出信号简称为“延迟信号”。

功率合成器109，简称为合成器，其将两路或多路相等或不相等能量的信号合成一路信号。合路器位于第一延迟线、第一耦合器和第二矢量调节器的交点，用于将延迟线延迟过的射频输出信号分成两路或多路输出相等或不相等能量的射频信号。

从信号的输入输出看，经过第一耦合器耦合出的具有一部分能量的信号，进入合成器的第一输入端，而经过功分器处理过的第二路信号经过第一延迟线后，进入合成器的第二输入端。合成器将第一输入端和第二输入端的信号进行功率合成后，将载波信号进行对消，留下主放大器的误差信号。该误差信号经过第二矢量调节器进行幅度、相位的调整，使得最终注入到主信号中的误差信号与主信号中的失真分量在幅度上相等，相位上相反。具体地，由于放大器会产生失真，经主放大器放大后的信号可分解为两部分，一部分是输入信号的线性放大成分，另一部分是误差信号。信号是矢量，同频率的信号相位相差180度时(反相)，二者相加相当于两个自然数相减。

误差放大器110，所述误差放大器采用AB类功率放大器。

具体地，误差信号放大器的作用是对主放大器提取出来的误差信号进行放大，但误差放大器自身不可避免的也会产生一定的失真，误差放大器产生的失真将被注入到主信号里面形成新的误差信号，降低前馈的线性化效果。为保证误差放大器的线性度，应当使其具有一定的回退量，但误差放大器的引入又是导致前馈前馈功率放大器效率降低的重要原因。因此，通过计算推算出1dB压缩点，保证误差放大器一定的回退量，以满足前馈功率放大器线性度的要求。其中，1dB压缩点(P1dB)是输出功率的性能参数。压缩点越高意味着输出功率越高。P1dB是指与在很低的功率时相比增益减少1dB时的输入(或输出)功率点。

进一步，在误差放大器的工作模式上应当采用AB类工作模式使其具有较高的效率和较好的线性度，匹配方案上应当按最佳线性度进行匹配，同时注入两个频率信号测试的对两个频率信号2f₁-f₂和2f₂-f₁系数和为3，称为三阶互调，一般要求当在-40dBc以上，同时误差放大器的带宽要大，带内平坦度尽量高，使两路放大器的误差信号在很大的频率范围内相互抵消的要求。在放大管的选择上应当选用效率较高、线性度较好的管子类型(如LDMOS管、GaN管)。

由于现有的线性化技术对IMD(IntermodulationDistortion，互调失真)的校正能力小于30dB，而AB类功放经过6dB回退后，其IMD指标可以低于-40dBc，因此，6dB的回退量对误差放大器来说，已经足够。考虑到误差放大器放大的是所有误差信号的总和，因此取10dB回退量，再假设主功放输出的最大IMD为-30dBc，误差注入耦合器的耦合量为-10dB，若主功放最大输出功率为50dBm，那么可以算出误差放大器应当选择的1dB压缩点为：

P_1dB＝P_A1-IMD_max+F_B-C₂

＝50-30+10+10＝40dBm(1)

式中FB表示误差放大器选取的回退量。

从信号的输入输出看，误差信号经过第二矢量调节器进行幅度、相位的调整后，进入误差放大器，进行误差信号的放大，然后进入第二耦合器。其中，第二耦合器为误差耦合器，其将经过放大的误差信号注入到主放大的信号输出线路。而经过主放大器放大后的输出信号，经过第二延迟线后，也进入到第二耦合器，之后，第二耦合器将注入到主信号支路的信号与经过第二延迟线的延迟后的信号进行误差对消，得到纯净的载波信号。

其中，上文中的耦合器，是将通过计算前馈功率放大器的总效率和分析误差放大器、耦合器与前馈功率放大器效率之间的关系来确定的。计算过程如下：

首先，计算前馈功率放大器的总效率。

设主放大器104的输出功率为PA1(W)，效率为η₁，主路延时损耗LD(dB)，第一耦合器105和第二耦合器106的耦合量分别为C1，C2(dB)，误差放大器的输出功率为PA2(W)，效率为η₂。那么前馈功率放大器最后输出的总损耗功率为：

$P_o=P_{A1}*\[1-{10}^{(C_1/10)}\]*\[1/{10}^{(L_D/10)}\]*\[1-{10}^{(C_2/10)}\]---\left(2\right)$

前馈功率放大器消耗的总功率为：

$P_{DC}=\frac{P_{A1}}{h_1}+\frac{P_{A2}}{h_2}---\left(3\right)$

前馈功率放大器的总效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{P_o}{P_{DC}}=\frac{P_{A1}*{\mathrm{\η}}_1*{\mathrm{\η}}_2\[1-{10}^{(C_1/10)}\]*\[1-{10}^{(C_2/10)}\]}{(P_{A1}*{\mathrm{\η}}_2+P_{A2}*{\mathrm{\η}}_1)*{10}^{(L_D/10)}}---\left(4\right)$

然后，分析误差放大器、耦合器与前馈功率放大器效率之间的关系。

具体地，设第一耦合器的耦合量-20dB。那么主放大器的输出功率应当为：

$P_{A1}=\frac{P_o*{10}^{L_D/10}}{(1-{10}^{C_2/10})(1-{10}^{C_1/10})}=\frac{1.26P_o}{1-{10}^{C_2/10}}---\left(5\right)$

即 $P_o=0.794P_{A1}*(1-{10}^{C_2/10})---\left(6\right)$

设主放大器的效率为40％；误差放大器回退10dB，输出功率PA2(W)，效率为20％；则前馈功率放大器消耗功率为：

$P_{DC}=\frac{P_{A1}}{h_1}+\frac{P_{A2}}{h_2}=2.5P_{A1}+5P_{A2}---\left(7\right)$

再设主放大器输出的最大IMD为-30dBc，由误差对消关系可以得出误差放大器110的输出功率与第二耦合器的耦合量的关系为：

$P_{A2}=P_{A1}*{10}^{{\mathrm{IMD}}_{\max }/10}*{10}^{L_D/10}*{10}^{-C_2/10}=P_{A1}*{10}^{-3.9-C_2/10}---\left(8\right)$

接着，计算前馈功率放大器效率，得到：

$\begin{array}{c}h=\frac{P_o}{P_{DC}}=\frac{1.247P_{A1}*(1-{10}^{C_2/10})}{2.5P_{A1}+5*P_{A2}}\\ =\frac{1.247*(1-{10}^{C_2/10})}{2.5+5*{10}^{-2.9-C_2/10}}\end{array}---\left(9\right)$

最后，确定最佳耦合量的大小，根据上述(9)式，可分析前馈功率放大器的效率和第二耦合器的耦合量之间的关系，具体关系曲线如图2所示，该曲线是由公式(9)计算出来的，反映了在给定条件下，整个前馈放大器的最终效率与误差对消耦合器C2的耦合量大小之间的关系。耦合量为0dB表示误差信号经C2全部注入到了主信号中，那么依据互易性，此时主信号也会部注入到误差信号支路，负载得不到信号，耦合量为-10dB表示1/10的误差信号注入到主信号中，依据互易性主信号也会有1/10的信号注入到误差信号支路，其余输出给负载。耦合量越小，为了对消主信号中的误差成分，误差放大器要求的输出功率越大，这对系统来说是效率的损失；耦合量太大，主放大器的大量信号进入误差支路，负载分得的有用信号减少，对系统来说出是能量损失，只有取中间的合适值，系统效率才能达到最大。

如图3所示，当第二耦合器的耦合量过小的时候，为满足注入到主信号支路的所需误差信号的幅度，需要加大误差放大器的输出，此时误差放大器的消耗功率大大增加，导致前馈功率放大器效率比较低；当第二耦合器的耦合量过大的时候，主信号支路的能量过多的被耦合器分走，为满足额定的功率要求，需要提高主放大器的输出功率，导致主放大器消耗的功率大大增加，也导致前馈功率放大器效率比较低。只有第二耦合器的耦合量适当的时候，此时误差放大器不需要很大的输出功率，第二耦合器也不会从主信号支路分走过多的射频能量，才能保证最佳的前馈功率放大器效率。

在前馈功率放大器中，各放大器的效率和延迟线的损耗都是可以确定并测量的，对效率来说，不能直接确定的是耦合器的耦合量，通过上述计算耦合量与前馈功率放大器总效率的关系式，可以得出在最大前馈功率放大器效率下，耦合器耦合量的大小。为提高前馈功率放大器效率，耦合器的插入损耗(由导体和介质带来的损耗)应当尽量小；为满足对消带宽，耦合器的带内平坦度应尽量高。

因此通过上述计算确定最佳耦合量大小，进而确定耦合器。

上述前馈功率放大器结构中，由功分器、第一矢量调节器、主放大器、第一耦合器、合路器和第一延迟线组成的电路，称为误差提取环路，对消消除主功放输出取样信号中的载频成分，获得只包含主功放非线性失真产物的误差信号。

上述前馈功率放大器结构中，由第一耦合器、第二延迟线、第二耦合器、误差放大器、第二矢量调节器和合路器组成的电路，称为误差对消环，其将误差放大器的输出和第二延迟线的输出组合起来，以抵消主放大器引入的失真。具体地，将误差信号放大调整至与主功放输出信号中非线性失真信号幅度相等的电平，然后进行反相对消，消除主功放输出信号中的失真分量。

优选地，前馈功率放大器还包括温补衰减器(图1中未示出)。

具体地，前馈功率放大器在环境温度改变时，其前馈功率放大器的效率和线性度，通过第一矢量调节器和第二矢量调节器来完善。但是由于矢量调节器在完善时，其控制精度相对较低，因此，为了提高控制精度，保证不同环境温度下前馈功率放大器性能的一致性，在误差提取环路和误差对消环路中分别添加温度补偿衰减器。添加温度补偿衰减器后，相当于前馈功率放大器可通过温度补偿衰减器和矢量调节器两级来改善前馈功率放大器的效率和线性度，控制精度相对提高。

温度补偿衰减器可以利用基于热敏电阻的衰减器，也可以利用温度取样电路将温度变化转化为电压变化，用来控制电调衰减器进行增益补偿，同时温度取样电路还可以用来控制电调移相器对前馈功率放大器进行相位补偿。

优选地，本发明使用了基于热敏电阻的π型衰减器对不同温度进行增益补偿，其结构如图3所示。

由于串联电阻是负温度系数，温度升高电阻降低，而并联电阻是正温度系数，温度升高阻值增大，所以，这种电路在对增益进行了补偿的同时保证了电路的阻抗匹配，取不同参数的热敏电阻可以得到不同程度的增益补偿，通常温度补偿衰减器会对信号造成3～10dB的衰减，加入温度补偿衰减器后需要提高放大器的总增益，甚至增加一级驱动。

从信号的输入输出看，前馈功率放大器工作时，射频输入信号进入功分器后，分为直通信号和耦合信号，其中直通信号(由微波传输线直接连通过去的信号，这里占了输入信号的大部分能量)经第一矢量调节模块进入Doherty主放大器，由Doherty主放大器进行功率放大；耦合信号(通过微波的电磁耦合效应得到的一部分信号，占输入信号能量的一小部分)则经过第一延迟线送入合成器。主功放器输出的功率信号进入误差对消环后，经第一耦合器取样。误差对消环中，误差信号经过第二矢量调节器进行增益、效益的调节，再经过误差放大器，由第二耦合器进行耦合并进入主通道，与第一耦合器的直通信号，经过第二延迟线后传来的主功放输出信号进行对消，消除其中的非线性失真成分，得到高线性的大功率工作载频信号输出。

上文中的增益是指放大器电压或功率的增加，一般以dB为单位，且增益和电压增益、功率增益通常可以互换。

实践证明，本实施例所采用的前馈功率放大器在100w输出功率下，功放的实测IMD3(三阶互调失真)小于-62.5dBc，效率达27.2％。

本实施所采用的Doherty并不限于本发明所描述的结构，其还可以是现有技术中的任何符合本实施方案条件的Doherty结构，为了简明起见，在此不再一一列举。

与现有技术相比，本发明所提供的前馈功率放大器及其设计方法具有以下优点：

1)利用前馈技术结合Doherty放大器，改善前馈功率放大器的效率和线性度的同时，前馈功率放大器中还添加了误差放大器和误差耦合器，通过对误差放大器1dB压缩点和误差耦合器的耦合量的计算，可以使前馈功率放大器的效率达到最佳，且其效率的增加并不影响前馈功率放大器线性度的改善；

2)所设计的前馈功率放大器的前馈功率放大器效率远远高于普通前馈功率放大器，高达26％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种前馈功率放大器，其特征在于，包括

功分器，用于将射频输入信号分成两路输出相等或不相等能量的第一路信号和第二路信号；

第一矢量调节器，用于调整第一路信号的幅度和相位；

主放大器，为带有预失真型的功放前馈功率放大器，用于接收和放大射频经过第一矢量调节器调整过的第一路信号；

第一耦合器，用于耦合经过主放大器的第一路信号；

第一延迟线，用来平衡功分器的第二路信号和第一耦合器耦合过的第一路信号的群延时；

功率合成器，用于合成第一耦合器耦合过的第一路信号和经过第一延迟线的延迟信号，并对消载波信号，留下误差信号；

第二矢量调节器，用于调整误差信号的幅度、相位；

误差放大器，采用AB类功率放大器，用于对误差信号的线性放大；

第二延迟线，用于平衡主放大器的第一路信号与误差放大器处理过的信号的群延时；

第二耦合器，用于将调整、放大过的误差信号注入到主放大器的输出信号中，对消主信号中的失真；

其中，所述误差放大器根据1dB压缩点进行设定，第二耦合器的最佳耦合量根据前馈功率放大器的效率所确定。

2.根据权利要求1所述的一种前馈功率放大器，其特征在于，所述的误差放大器的类型包括LDMOS管、GaN管。

3.根据权利要求1所述的一种前馈功率放大器，其特征在于，所述主放大器采用Doherty放大器。

4.根据权利要求1所述的一种前馈功率放大器，其特征在于，所述的第二矢量调节器调整误差信号的幅度和相位，使最终注入主信号中的误差信号与主信号中的失真分量在幅度上相等，相位上相反。

5.根据权利要求1所述的一种前馈功率放大器，其特征在于，

所述的功分器、第一矢量调节器、主放大器、第一耦合器、功率合成器、第一延迟线组成误差提取环路，用于对消主放大器输出信号中的载频成分，获取只包含主放大器非线性失真的误差信号；

所述的第一耦合器、第二延迟线、第二耦合器、误差放大器、第二矢量调节器和功率合成器组成误差对消环路，用于抵消主放大器引入的失真。

6.根据权利要求5所述的一种前馈功率放大器，其特征在于，在所述误差提取环路和误差对消环路均引入温补衰减器。

7.根据权利要求1所述的一种前馈功率放大器，其特征在于，所述的温度补偿衰减器为基于热敏电阻的π型衰减器。