CN105379109B - 用于对大操作平均功率范围的有效功率放大的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
公开对大操作平均功率范围保持效率的多赫提功率放大器的实施例。在一个实施例中，多赫提功率放大器包括可重新配置主要和辅助输出匹配网络以及固定组合网络。可重新配置主要和辅助输出匹配网络能够重新配置，使得可重新配置主要输出匹配网络、可重新配置辅助输出匹配网络和固定组合网络共同提供多个不同补偿功率电平的适当负载调制。因此，多赫提功率放大器对扩展补偿功率电平范围保持高效率。
Description
相关申请
本申请要求2013年5月21日提交的美国临时专利申请序号61/825638以及2013年10月11日提交的美国专利申请序号14/051801的权益，通过引用将其公开完整地结合到本文中。
技术领域
本公开涉及多赫提功率放大器，以及具体来说涉及提供对大操作平均功率范围的有效功率放大的多赫提功率放大器。
背景技术
多赫提(Doherty)功率放大器在1936年首次由W.H. Doherty在其论文Doherty,W.H.“A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves”(Proceedingsof Institute of Radio Engineers，第1163-1182页，1936年9月)中提出。虽然多赫提功率放大器使用真空管放大器最初获得成功，但是随着固态晶体管的引入，多赫提功率放大器在二十世纪六十年代和七十年代开始基本上停止存在。具体来说，多赫提放大器要求主要与辅助放大器之间的精确匹配。但是，由于固态晶体管中的容差，主要与辅助放大器之间的所需匹配可能无法实现，这又使使用固态晶体管所实现的多赫提功率放大器停止如预期进行操作。
随着数字信号处理、具体是数字预失真的出现，多赫提功率放大器近来作为首选功率放大器再度出现，特别是对于蜂窝通信网络中的基站。具体来说，数字信号处理、例如数字预失真现在能够用来补偿主要与辅助放大器之间的失配。因此，多赫提功率放大器现在能够使用固态晶体管来实现。由于多赫提功率放大器的效率与其他功率放大器架构相比的显著改进，多赫提功率放大器现在是现代蜂窝通信标准的优选放大器，其具有高峰值对平均功率比(PAPR)。
现有多赫提功率放大器架构的一个问题在于，它们具有保持多赫提功率放大器的效率的有限补偿功率电平。通常，补偿功率电平为6-8分贝(dB)，使得多赫提功率放大器对于从其最大功率电平到低于其最大功率电平6-8 dB的功率电平是有效的。但是，当工作在显著低于其有限补偿功率电平时，现有多赫提功率放大器具有不良效率。
现有多赫提功率放大器中的有限补偿功率电平是成问题的，因为预计将来基站的平均功率在高达20 dB的范围中波动。如果使用具有6-8 dB的补偿功率电平的现有多赫提功率放大器，则这将在基站的传输时间的大部分期间引起低效功率放大。
在Darraji R.等人的论文“Digital Doherty Amplifier With EnhancedEfficiency and Extended Range”(IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，Vol. 59，No. 11，第2898-2909页，2011年11月)中，作者提出一种多赫提功率放大器，其利用扩展补偿功率电平范围的数控动态输入功率分布方案，其中多赫提功率放大器保持高效率。虽然这种技术最初设法减轻因载波和调峰（peaking）放大器的操作类的差引起的不完善负载调制机制，但是载波放大器的随之发生的过早饱和引起效率范围的最多3 dB的理论扩展。这个效率范围扩展对于处理输入平均功率电平的重要变化的显著效率退化是低效的。
在Gustafsson D.等人的论文“A Modified Doherty Power Amplifier withExtended Bandwidth and Reconfigurable Efficiency”(IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，Vol. 61，No. 1，第533-542页，2013年1月)中，作者提出一种多赫提功率放大器，其中功率补偿电平能够通过改变主要放大器的漏极-源极偏置来重新配置。但是，这种技术遭受三个性能问题和一个架构问题的影响。具体来说，关于性能问题，这种技术遭受以下影响：(1) 当重新配置用于高PAPR电平时的低功率利用因数，(2) 在降低的平均输入功率电平的低效率，以及(3) 强动态非线性度，其能够严重损害满足标准规范的能力。至于架构问题，这种技术要求两个独立RF输入，使得独立基带信号处理功能能够应用于各路径，以确保在不同频率的正确多赫提操作。从架构观点来看，附加RF输入引起附加复杂度。
根据以上所述，需要一种新的多赫提功率放大器，其具有扩展补偿功率电平，同时还保持效率。
发明内容
公开对大操作平均功率范围保持效率的多赫提功率放大器的实施例。在一个实施例中，多赫提功率放大器包括：输入功率分配器，具有输入和两个输出；主要功率放大器分支，具有耦合到输入功率分配器的第一输出的输入和输出；辅助功率放大器分支，具有耦合到输入功率分配器的第二输出的输入和输出；以及固定组合网络，具有耦合到主要功率放大器分支的输出的第一输入和耦合到辅助功率放大器分支的输出的第二输入。主要功率放大器分支包括：主要放大器，具有耦合到输入功率分配器的第一输出的控制输入；以及可重新配置主要输出匹配网络，具有耦合到主要功率放大器的输出的输入和耦合到固定组合网络的第一输入的输出。辅助功率放大器分支包括：辅助功率放大器，具有耦合到输入功率分配器的第二输出的控制输入；以及可重新配置辅助输出匹配网络，具有耦合到辅助功率放大器的输出的输入和耦合到固定组合网络的第二输入的输出。
在一个实施例中，可重新配置主要输出匹配网络和可重新配置辅助输出匹配网络是可配置的，使得对多个不同平均操作功率电平实现适当负载调制。适当负载调制是一种负载调制，其允许按照多赫提技术的预期效率增强的实现。在一个实施例中，对于多个预定义平均输入功率电平的每个，可重新配置主要输出匹配网络和可重新配置辅助输出匹配网络是可配置的，使得可重新配置主要输出匹配网络、可重新配置辅助输出匹配网络和固定组合网络对于预定义平均输入功率电平共同相当于多赫提功率放大器的最佳组合网络。
在一个实施例中，除了可重新配置主要和辅助输出匹配网络之外，多赫提功率放大器还包括配置成向辅助功率放大器的控制输入提供可变偏置的电路。在一个实施例中，电路是可配置的，以便对每个预定义平均输入功率电平向辅助功率放大器的控制输入提供对应偏置，其使辅助功率放大器开始以适当功率电平导通。预期功率电平的适当功率电平，在其之上多赫提技术的效率增强将开始。
在一个实施例中，可重新配置主要输出匹配网络和可重新配置辅助输出匹配网络在多赫提功率放大器的操作期间基于多赫提功率放大器的输入信号的实际平均输入功率电平动态地重新配置。
阅读以下结合附图对优选实施例的详细描述之后，本领域的技术人员将会理解本公开的范围以及认识其附加方面。
附图说明
结合在本说明书中并构成其组成部分的附图示出本公开的若干方面，并且连同描述一起用于说明本公开的原理。
图1示出常规多赫提功率放大器；
图2以图形方式示出按照本公开的一个实施例、与图1的常规多赫提功率放大器和图1的常规多赫提放大器的具有等效补偿功率电平的修改版本相比、具有扩展补偿功率电平的多赫提功率放大器的漏极效率与平均输入功率电平；
图3示出按照本公开的一个实施例、对大平均操作功率电平范围保持效率的多赫提功率放大器；
图4以图形方式示出按照本公开的一个实施例、图3的多赫提功率放大器的主要和辅助功率放大器对不同平均输入功率电平的电流简档；
图5示出按照本公开的一个实施例、图3的多赫提功率放大器的主要放大器的输出阻抗简档；
图6A和图6B以图形方式示出按照本公开的一个实施例、能够用以将图3的多赫提功率放大器的主要和辅助输出匹配网络设计成对于多个不同平均输入功率电平来提供适当负载调制的过程；
图7示出按照本公开的一个实施例、图3的多赫提功率放大器的效率增强；
图8是示出按照本公开的一个实施例、用于在操作期间动态配置图3的多赫提功率放大器的过程的流程图；以及
图9是示出按照本公开的一个实施例、用于设计图3的多赫提功率放大器的过程的流程图。
具体实施方式
下面提出的实施例代表使本领域的技术人员能够实施这些实施例的必要信息，并且示出实施这些实施例的最佳模式。通过根据附图阅读以下描述，本领域的技术人员将会理解本公开的概念，并且将会知道本文中没有具体指出的这些概念的应用。应该理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求书的范围之内。
公开对大操作平均功率范围保持效率的多赫提功率放大器的实施例。但是，在论述这些实施例之前，对如图1所示的常规多赫提功率放大器10的论述是有益的。常规多赫提功率放大器10包括如所示所连接的输入功率分配器12、主要功率放大器(PA)分支14、辅助功率放大器分支16和输出组合网络18。输入功率分配器12示为具有输入20、两个输出22和24以及连接在两个输出22与24之间的电阻器26。主要功率放大器分支14包括：主要输入匹配网络(IMNMAIN)28，具有耦合到输入功率分配器12的第一输出22的输入30和输出32；主要功率放大器34，其在这个实施例中是本文中可称作主要晶体管的单个晶体管，具有控制输入36和输出38；以及主要输出匹配网络(OMNMAIN)40，具有耦合到主要功率放大器34的输出38的输入42和输出44。类似地，辅助功率放大器分支16包括：辅助输入匹配网络(IMNAUX)46，具有耦合到输入功率分配器12的第二输出24的输入48和输出50；辅助功率放大器52，其在这个实施例中是本文中可称作辅助晶体管的单个晶体管，具有控制输入54和输出56；以及辅助输出匹配网络(OMNAUX)58，具有耦合到辅助功率放大器52的输出56的输入60和输出62。
输出组合网络18包括：第一阻抗逆变器64，其在所示实施例中是四分之一波传输线，具有耦合到主要输出匹配网络(OMNMAIN)40的输出44的第一端子66和第二端子68；第二阻抗逆变器70，其在所示实施例中是四分之一波传输线，具有耦合到辅助输出匹配网络(OMNAUX)58的输出62和第一阻抗逆变器64的第二端子68的第一端子72和第二端子74；以及电阻器76，具有耦合到第二阻抗逆变器70的第二端子74的第一端子78和耦合到地的第二端子80。
在主要功率放大器分支14中，主要功率放大器34经过AB类偏置并且经过匹配，以确保在预定ρ dB补偿的峰值效率，其对应于输入信号的峰值平均功率比(PAPR)(输入电压)，其中。在辅助功率放大器分支16中，辅助功率放大器52经过C类偏置，并且在开始导通。常规多赫提功率放大器10(其在本文中称作参考多赫提功率放大器)设计成对于峰值输入功率Pin,max与参考平均功率电平(瓦特)(其在以dBm所表达时相当于)之间的输入功率电平保持高效率。常规多赫提功率放大器10的电路参数RT和ZT1表示如下：
其中
选择成在主要功率放大器34的漏极(其经过AB类偏置)取得最大电压摆动，以及VDS,max和II,max表示主要功率放大器34的最大漏极偏置和主要功率放大器34的最大漏极电流。
如本领域完全理解，常规多赫提功率放大器10使用主要功率放大器34所看到的阻抗的负载调制作为遵循下列表达式的输入信号的函数对Pin,max至Pin,max-ρ(dB)的输入功率电平的范围保持高效率：
其中
如果输入信号的平均输入功率因例如网络负载变化而降低，则常规多赫提功率放大器10将产生低平均效率，因为负载调制仅在ρ(dB)补偿范围中(即，在Pin,max-ρ(dB)至Pin,max的输入功率范围中)才保持。这个效率降级在图2中通过标记为“平均功率=的参考多赫提PA”的曲线示出。为了改进平均效率，当平均输入功率低于时，必须对扩展补偿功率范围来保持适当负载调制。这样做的一种可设想方式是设计用于扩展补偿功率电平(即，将补偿功率电平从ρ增加到ρ+2γ)的常规多赫提功率放大器10。但是，又如图2所示，对于大于的平均输入功率电平，设计用于ρ+2γ的扩展功率补偿电平的常规多赫提功率放大器10具有比设计用于ρ的常规补偿电平的常规多赫提功率放大器10要低许多的效率。
公开一种对扩展补偿功率电平范围保持高效率的多赫提功率放大器的实施例。如以下详细论述，在一个实施例中，多赫提功率放大器有效地适配作为多赫提功率放大器的输入信号的平均输入功率的函数的多赫提功率放大器的电路参数RT和ZT1。如图2中通过标记为“工作在可变平均功率电平的合成多赫提PA”的曲线所示，多赫提功率放大器对于从扩展功率补偿电平(Pin,max-(ρ+nγ)，其中在图2的示例中n=2)至Pin,max的整个范围产生高效率。
在这点上，图3示出按照本公开的一个实施例的多赫提功率放大器82。多赫提功率放大器82包括如所示所连接的输入功率分配器84、主要功率放大器(PA)分支86、辅助功率放大器分支88和固定组合网络90。输入功率分配器84示为具有输入92、两个输出94和96以及连接在两个输出94与96之间的电阻器98。主要功率放大器分支86包括：可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100，具有耦合到输入功率分配器84的第一输出94的输入102和输出104；主要功率放大器106，其在这个实施例中是本文中可称作主要晶体管的单个晶体管，具有控制输入108和输出110；以及可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112，具有耦合到主要功率放大器106的输出110的输入114和输出116。另外，主要功率放大器分支86包括偏置电路118，其将漏极偏置电压VDS,MAIN)耦合到主要功率放大器106。
可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100包括如所示所连接的传输线120和122以及可变电容电路124。在一个实施例中，传输线120和122设计成提供参考平均输入功率电平的适当输入匹配。可变电容电路124提供可变电容，以便实现可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100的重新配置，以对平均输入功率电平提供主要以及辅助功率放大器分支86、88之间的适当相位匹配。在一个实施例中，可变电容电路124实现为固定电容器组和射频(RF)微机电(MEM)开关，其中MEM开关控制成通过连接到固定电容器组中的不同电容器来改变可变电容电路124的电容。
类似地，可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112包括如所示所连接的传输线126、128和130以及可变电容电路132。在一个实施例中，传输线126至130设计成提供参考平均输入功率电平的适当输出匹配。可变电容电路132提供可变电容，以便实现可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112的重新配置。在一个实施例中，可变电容电路132实现为固定电容器组和MEM开关，其中MEM开关控制成通过连接到固定电容器组中的不同电容器来改变可变电容电路132的电容。在这个实施例中，主要功率放大器分支86还包括谐波调谐短截线，其如所示连接在漏极偏置电压VDS,MAIN与传输线126之间。
类似地，辅助功率放大器分支88包括：固定辅助输入匹配网络(IMNAUX)134，具有耦合到输入功率分配器84的第二输出96的输入136和输出138；辅助功率放大器140，其在这个实施例中是本文中可称作辅助晶体管的单个晶体管，具有控制输入142和输出144；以及可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146，具有耦合到辅助功率放大器140的输出144的输入148和输出150。另外，辅助功率放大器分支88包括：偏置电路152，其将漏极偏置电压(VDS,AUX)耦合到辅助功率放大器140；以及可变电压源154，其向辅助功率放大器140的控制输入142(其在本例中为栅极)提供可变栅极偏置(VGS,AUX)。优选地，辅助功率放大器140经过C类偏置，而主要功率放大器106经过AB类偏置。
固定辅助输入匹配网络(IMNAUX)134包括如所示所连接的传输线156。可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146包括如所示所连接的传输线158、160和162以及可变电容电路164。在一个实施例中，传输线158至162设计成提供参考平均输入功率电平的适当输出匹配。可变电容电路164提供可变电容，以便实现可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146的重新配置。在一个实施例中，可变电容电路164实现为固定电容器组和MEM开关，其中MEM开关控制成通过连接到固定电容器组中的不同电容器来改变可变电容电路164的电容。
固定组合网络90包括：第一阻抗逆变器166，其在所示实施例中是四分之一波传输线，具有耦合到可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112的输出116的第一端子168和第二端子170；第二阻抗逆变器172，其在所示实施例中是四分之一波传输线，具有耦合到可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146的输出150和第一阻抗逆变器166的第二端子170的第一端子174和第二端子176；以及电阻器178，具有耦合到第二阻抗逆变器172的第二端子176的第一端子180和耦合到地的第二端子182。
最后，多赫提功率放大器82包括控制器184，其基于提供给多赫提功率放大器82的输入信号或者更具体来说是输入信号的输入功率(PIN)自适应地配置可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100、可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112、可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146和可变电压源154(并且因而配置辅助功率放大器140的可变栅极偏置(VGS,AUX))。控制器184实现为硬件(例如专用集成电路(ASIC))或者硬件和软件的组合(例如，处理器、例如中央处理单元(CPU)，其运行包括指令的软件，以控制处理器执行用于基于输入信号或者更具体来说是输入信号的输入功率(PIN)来自适应配置可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100、可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112、可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146和可变电压源154的预定算法)。
为了对补偿功率电平的扩展范围保持高效率，可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146是可重新配置的，以便对多个补偿功率电平(i=0, 1, …,n，其中，并且更优选地)提供适当负载调制。平均功率降低步长γ对应于输入信号Vin降低比率α，其中。比率α在本文中又称作功率降低比。具体来说，固定组合网络90的电路参数RT和ZT1是固定值，在这个实施例中设计成对于补偿功率电平(其在本文中又称作参考补偿功率电平)提供适当负载调制(并且因而提供最大效率)。因此，固定组合网络90的电路参数RT和ZT1通过上式(1)和(2)给出。但是，各补偿功率电平具有对应最佳电路参数和，其对那个补偿功率电平提供适当负载调制，定义为：
(5)
例如，使用作为示例，主要功率放大器106的漏极电流(I1)按照下式遵循输入信号Vin：
假定主要功率放大器106具有线性跨导(gm)。在的补偿功率电平，主要功率放大器106的漏极电流(I1)将降低到比率或因子α，因此。在这种情况下，将要求辅助功率放大器140以新阈值(其与的补偿功率电平直接相关)开始导通。图4示出对于在不同操作功率电平的适当负载调制的主要和辅助放大器106、140的预期电流简档。为了恢复的补偿功率电平的效率，由主要功率放大器106所看到的最佳负载阻抗必须从参考值改变成。
因此，基于等式(5)，通过对于各补偿功率电平配置可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146，使得可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112、可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146和固定组合网络90对主要功率放大器106提供最佳负载阻抗，来提供适当负载调制。换言之，通过对于各补偿功率电平配置可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146，使得可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112、可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146和固定组合网络90相当于那个补偿功率电平的最佳组合网络(其中且.)，来提供适当负载调制。另外，可变电压源154控制成提供辅助功率放大器140的适当栅极偏置，以便在给定补偿功率电平的适当输入功率电平接通。辅助功率放大器140接通的适当输入功率电平能够定义为：
因此，多赫提功率放大器82在高达比图1的常规或参考多赫提功率放大器10的平均补偿功率电平要大的平均补偿功率电平保持高效率。因此，对补偿功率电平的更宽范围来保持多赫提功率放大器82的高漏极效率。
除了重新配置可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112、可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146和可变电压源154之外，控制器148还重新配置可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100，以便提供主要与辅助功率放大器分支86、88之间的相位平衡。更具体来说，控制器184对各补偿功率电平重新配置可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100，以便提供那个补偿功率电平的适当相位校正。
图5示出按照本公开的一个实施例、图3的多赫提功率放大器82的输出阻抗的阻抗简档。如所示，通过重新配置可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146，主要功率放大器106的负载阻抗控制成提供适当负载调制，并且因此多赫提功率放大器82对扩展补偿功率电平范围保持高效率。具体来说，主要和辅助输出匹配网络(OMNMAIN和OMNAUX)112、146的重新配置确保如图3和图4所示的适当主要晶体管阻抗和电流简档，并且因此确保适当负载调制。通过提供适当负载调制，多赫提功率放大器82对扩展补偿功率电平范围保持高效率。
图6A和图6B以图形方式示出按照本公开的一个实施例、用于设计可重新配置主要和辅助输出匹配网络(OMNMAIN和OMNAUX)112、146的过程。一般来说，在给定平均输入功率(通过p所表示)的参考值和预期功率降低比α(其又确定相对参考负载阻抗的最佳负载阻抗的值集合)的情况下，一组闭式方程允许确定可重新配置主要和辅助输出匹配网络(OMNMAIN和OMNAUX)112、146的ABCD参数。
在这个分析中，与不同补偿功率电平对应的值集合根据下式(5)的项来描述。要注意，索引i是相对于参考补偿功率电平的补偿功率电平的索引。首先，图6A是按照本公开的一个实施例的图示，通过其得出多个表达式，以便推导可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112的ABCD参数。一般来说，对于低功率电平，可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和固定组合网络90的级联设计成相当于给定补偿功率电平的最佳组合网络。更具体来说，对于低功率电平，辅助功率放大器140关断(即，不导通)，使得主要功率放大器106所看到的输出阻抗是可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和固定组合网络90的级联。因此，对于低功率电平补偿，针对平均功率的多赫提功率放大器82的最佳组合级的ABCD参数能够根据索引i表达如下：
其中
是最佳阻抗逆变器的ABCD矩阵，
是最佳阻抗逆变器的ABCD矩阵，以及
是补偿功率电平的最佳组合网络的最佳电阻的ABCD矩阵。
为了保持适当负载调制，由可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和固定组合网络90所组成的级联输出级的ABCD矩阵应当保持为与等式(6)中所示的那些相等，其表示为：
其中
是等式(6)所给出的补偿功率电平的最佳组合网络的ABCD矩阵，以及
是固定组合网络90的ABCD矩阵。
因此，从等式(8)能够使用下式来推导补偿功率电平的可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112的电路参数：
接下来，图6B是按照本公开的一个实施例的图示，通过其得出多个表达式，以便推导可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)的ABCD参数。一般来说，对于高功率电平(即，辅助功率放大器140导通的功率电平)，可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112、可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146和固定组合网络90的组合设计成相当于给定补偿功率电平的最佳组合网络。更具体来说，在高功率电平，根据索引i，针对平均功率的多赫提功率放大器82的最佳组合网络的ABCD参数如下所述：
其中
是最佳阻抗逆变器的ABCD矩阵，
是最佳阻抗逆变器和负载阻抗的组合(即，包括图6B中的垂直阻抗逆变器的分支)的ABCD矩阵。
为了保持适当负载调制，由可重新配置主要和辅助输出匹配网络(OMNMAIN和OMNAUX)112、146和固定组合网络90所组成的级联输出级的ABCD矩阵应当保持为与等式(10)中所示的那些相等，使得：
将等式(9)代入等式(11)产生：
然后，对可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146的ABCD矩阵求解给出：
因此，可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146的电路参数能够使用下式来确定：
等式(9)和(14)是闭式方程，用于分别得到可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146的电路参数，以保持各补偿功率电平(对于i=0, 1, …, n)的适当负载调制。通过与补偿功率电平、参考平均功率电平(p)和参考最佳负载电阻对应的对应功率减量来表示电路参数。
图7以图形方式示出图3的多赫提功率放大器82的一个实施例的漏极效率改进。如所示，在这个示例中，参考补偿功率电平为大约21分贝-毫瓦(dBm)，第一扩展补偿功率电平为大约16 dBm，以及第二扩展补偿功率电平大约为11 dBm。在第一扩展补偿功率电平，多赫提功率放大器82具有优于图1的常规或参考多赫提功率放大器10的24%漏极效率改进。在第二扩展补偿功率电平，多赫提功率放大器82具有优于常规或参考多赫提功率放大器10的39%漏极效率改进。
图8是示出按照本公开的一个实施例、动态配置多赫提功率放大器82的控制器184的操作的流程图。首先，控制器184检测多赫提功率放大器82的输入信号Vin的平均输入功率(步骤1000)。随后，控制器184基于输入信号Vin的所检测平均输入功率来选择适当平均输入功率电平(步骤1002)。更具体来说，如果输入信号Vin的平均输入功率小于，则控制器184选择作为适当平均输入功率电平。否则，控制器184选择小于或等于输入信号Vin的平均输入功率的最高平均输入功率电平。适当平均输入功率电平的选择能够表达为：
如果， 则
，以及
否则，如果， 则
=满足的
一旦选择适当平均输入功率电平，则控制器184按照所选平均输入功率电平来配置多赫提功率放大器82(步骤1004)。更具体来说，控制器184配置可重新配置主要输出匹配网络(OMNMAIN)112和可重新配置辅助输出匹配网络(OMNAUX)146，以提供所选平均输入功率电平的适当负载调制，如上所述。另外，控制器184配置可变电压源154，以便对所选平均输入功率电平向辅助功率放大器140提供适当栅极偏置。控制器184仍然更进一步配置可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)100，以便对所选平均输入功率电平提供主要与辅助功率放大器分支86、88之间的相位平衡。该过程然后重复进行，使得控制器184基于输入信号Vin的平均输入功率来动态重新配置多赫提功率放大器82。这样，多赫提功率放大器82对于从至Pin,max的整个补偿功率电平范围保持高效率。
图9是示出按照本公开的一个实施例、用于设计多赫提功率放大器82的过程的流程图。首先，选择平均输入功率电平的预期集合(对于i=1,2,…,n)，并且推导对应值(步骤2000)。随后，推导各平均输入功率电平的最佳负载电阻(步骤2002)。随后，对各平均输入功率电平确定辅助功率放大器140的适当栅极偏置电压(步骤2004)。可重新配置主要和辅助输出匹配网络(OMNMAIN和OMNAUX)112、146然后按照等式(9)和(14)来设计，由此说明平均输入功率电平的RT和ZT1的最佳值的变化(步骤2006)。注意，虽然等式(9)和(14)表示用于确定可重新配置主要和辅助输出匹配网络(OMNMAIN和OMNAUX)112、146的电路参数的一个优选实施例，但是本公开并不局限于此。最后，可重新配置主要输入匹配网络(IMNMAIN)设计成对于不同平均输入功率电平保持主要与辅助功率放大器分支86、88之间的相位平衡(步骤2008)。
虽然不受任何特定优点限制或者并不局限于任何特定优点，但是本文所公开的多赫提功率放大器82具有若干优点。作为一个示例，在一个实现中，多赫提功率放大器82采用最少数量的电子可调谐装置(即，RF MEMS开关)。作为另一个示例，多赫提功率放大器82使用固定或者不可配置的组合网络90，其增强功率操控能力并且减小功率放大器电路的可调谐部分的尺寸。当多赫提功率放大器82使用集成电路技术来实现时，这是特别有益的。例如，在一个实施例中，可重新配置输入和输出匹配网络100、112和146连同主要和辅助功率放大器106、140一起在集成电路中实现。通过在集成电路上而不是在固定组合网络90中实现多赫提功率放大器82的可调谐部分，固定组合网络90的尺寸充分减小。
在本公开中通篇使用下列首字母缩写词。
• ASIC 专用集成电路
• dB 分贝
• dBm 分贝毫瓦
• CPU 中央处理单元
• MEM 微机电
• PA 功率放大器
• PAPR 峰值平均功率比
• RF 射频
本领域的技术人员将会知道对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这类改进和修改均被认为属于本文所公开的概念和以下权利要求书的范围之内。
Claims (19)
1.一种多赫提功率放大器(82)，包括：
• 输入功率分配器(84)，具有输入(92)、第一输出(94)和第二输出(96)；
• 主要功率放大器分支(86)，包括：
o 主要功率放大器(106)，具有耦合到所述输入功率分配器(84)的所述第一输出(94)的输入(108)和输出(110)；以及
o 可重新配置主要输出匹配网络(112)，具有耦合到所述主要功率放大器(106)的输出(110)的输入(114)和输出(116)；
• 辅助功率放大器分支(88)，包括：
o 辅助功率放大器(140)，具有耦合到所述输入功率分配器(84)的所述第二输出(96)的输入(142)和输出(144)；
o 可重新配置辅助输出匹配网络(146)，具有耦合到所述辅助功率放大器(140)的输出(144)的输入(148)和输出(150)；以及
o 配置成向所述辅助功率放大器(140)应用可变栅极偏置电压的可变电压源(154)，
• 固定组合网络(90)，具有耦合到所述可重新配置主要输出匹配网络(112)的输出(116)的第一输入和耦合到所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)的输出(150)的第二输入。
2.如权利要求1所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)对多个平均输入功率电平是可重新配置的。
3.如权利要求2所述的多赫提功率放大器(82)，其中，对所述多个平均输入功率电平的各平均输入功率电平，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)是可重新配置的，以便提供所述平均输入功率电平的适当负载调制。
4.如权利要求2所述的多赫提功率放大器(82)，其中，对于所述多个平均输入功率电平的各平均输入功率电平，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)是可重新配置的，使得所述可重新配置主要输出匹配网络(112)、所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)和所述固定组合网络(90)的组合相当于所述平均输入功率电平的最佳组合网络。
5.如权利要求4所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述固定组合网络(90)包括：
第一阻抗逆变器(166)，具有耦合到所述可重新配置主要输出匹配网络(112)的输出(116)的第一端子(168)和第二端子(170)；
第二阻抗逆变器(172)，具有第一端子(174)和第二端子(176)，所述第二阻抗逆变器(172)的所述第一端子(174)耦合到所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)的输出(150)和所述第一阻抗逆变器(166)的所述第二端子(170)；以及
电阻器(178)，具有耦合到所述第二阻抗逆变器(172)的所述第二端子(176)的第一端子(180)和耦合到地的第二端子(182)。
6.如权利要求5所述的多赫提功率放大器(82)，其中，电路参数RT和ZT1是在来自所述多赫提功率放大器(82)的最大输入功率电平Pin,max的预定义补偿电平ρ(dB)的参考平均输入功率电平的适当负载调制的最佳值，RT是所述第一阻抗逆变器(166)的负载电阻，ZT1是所述第二阻抗逆变器(172)的负载电阻。
7.如权利要求6所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述多个平均输入功率电平对于i=0,1,…,n定义为，其中。
8.如权利要求7所述的多赫提功率放大器(82)，其中：
所述可重新配置主要输出匹配网络(112)的ABCD矩阵定义为：
；以及
所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)的ABCD矩阵定义为：
其中p是通过等式所定义的任意功率电平降低比，是参考平均输入功率电平的最佳负载电阻，以及是第i平均输入功率电平的最佳负载电阻。
9.如权利要求1所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)、所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)和所述可变电压源(154)对多个平均输入功率电平是可重新配置的。
10.如权利要求1所述的多赫提功率放大器(82)，其中：
所述主要功率放大器分支(86)还包括主要输入匹配网络(100)，其具有耦合到所述输入功率分配器(84)的所述第一输出(94)的输入(102)和耦合到所述主要功率放大器(106)的所述输入(108)的输出(104)；以及
所述辅助功率放大器分支(88)还包括辅助输入匹配网络(134)，其具有耦合到所述输入功率分配器(84)的所述第二输出(96)的输入(136)和耦合到所述辅助功率放大器(140)的所述输入(142)的输出(138)。
11.如权利要求10所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述主要输入匹配网络(100)是可重新配置的。
12.如权利要求11所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述主要输入匹配网络(100)是可重新配置的，以便对多个平均输入功率电平保持所述主要功率放大器分支(86)与所述辅助功率放大器分支(88)之间的相位平衡。
13.如权利要求12所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)、所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)、所述主要输入匹配网络(100)和所述辅助功率放大器(140)的可变栅极偏置电压对多个平均输入功率电平是可重新配置的。
14.如权利要求1所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)的每个包括微机电MEM开关。
15.如权利要求1所述的多赫提功率放大器(82)，其中，所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)在操作期间基于提供给所述输入功率分配器(84)的输入(92)的输入信号动态配置。
16.一种配置包括可重新配置主要输出匹配网络(112)、可重新配置辅助输出匹配网络(146)和固定组合网络(90)的多赫提功率放大器(82)的方法，包括：
检测提供给所述多赫提功率放大器(82)的输入(92)的输入信号的输入功率；
基于所述输入信号的所述输入功率来选择多个平均输入功率电平其中之一；以及
基于根据所述输入信号的所述输入功率所选择的所述多个平均输入功率电平其中之一来配置所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)，
配置所述多赫提功率放大器(82)的辅助功率放大器(140)的可变栅极偏置电压，以便提供基于所述输入信号的所述输入功率所选择的所述多个平均输入功率电平其中之一的所述辅助功率放大器(140)的适当接通。
17.如权利要求16所述的方法，其中，配置所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)包括配置所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)，以提供基于所述输入信号的所述输入功率所选择的所述多个平均输入功率电平其中之一的适当负载调制。
18.如权利要求16所述的方法，其中，配置所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)包括配置所述可重新配置主要输出匹配网络(112)和所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)，使得所述可重新配置主要输出匹配网络(112)、所述可重新配置辅助输出匹配网络(146)和所述固定组合网络(90)的组合相当于基于所述输入信号的所述输入功率所选择的所述多个平均输入功率电平其中之一的所述多赫提功率放大器(82)的最佳组合网络。
19.如权利要求16所述的方法，还包括配置所述多赫提功率放大器(82)的可重新配置主要输入匹配网络(100)，以便对所述多赫提功率放大器(82)的主要功率放大器分支(86)和辅助功率放大器分支(88)进行相位平衡。
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