CN105490645B

CN105490645B - 一种高效的多赫迪功率放大器

Info

Publication number: CN105490645B
Application number: CN201410469803.1A
Authority: CN
Inventors: 黎峰
Original assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: CN105490645A

Abstract

本发明公开了一种高效的多赫迪功率放大器，其包括：主功率放大器和辅功率放大器，其特征在于，还包括：可调功率分配器，所述可调功率分配器的第一输出端与所述主功率放大器的输入端相连接，所述可调功率分配器的第二输出端与所述辅功率放大器的输入端相连接；其中，所述可调功率分配器用于根据输入信号的包络的变化，来调节输入至所述主功率放大器和所述辅功率放大器的信号功率的分配比率。

Description

一种高效的多赫迪功率放大器

技术领域

本发明主要涉及通信技术领域，具体地，涉及一种高效的多赫迪功率放大器。

背景技术

在现有的射频拉远单元(RRU)或收发双工器模块(TRDU)中，多赫迪(Doherty)放大器成为在最后端放大下行信号的一种主流选择。因此，为了满足电信运营商日益增长的绿色能源和低运行开支的需求，急需改进多赫迪放大器的效率。本文公开了一种提高了效率的多赫迪放大器。

图1示出了现有的最成熟的多赫迪放大器的方案。该方案通过把预驱动放大器，驱动放大器和最后一级(Final stage)集成到一个多赫迪放大器中，从而改进了整个功率放大器的级联效率。传统多赫迪放大器中只有最后一级运行在负载调制上，并且预驱动放大器和驱动放大器仍然运行在甲乙类(Class AB)状态，与传统的多赫迪放大器相比，该方案可以使得辅放大器路径上的预驱动放大器和驱动放大器运行在乙类(Class B)甚至运行在丙类(Class C)从而进一步改进整个功放的级联效率。然而该方案存在着如下的缺点：

1)为了适应多赫迪放大器的结构，预驱动放大器和驱动放大器的数量必须翻倍，从而导致了成本的增加。

2)相比于在传统多赫迪中仅存在最后一级，由于预驱动放大器，驱动放大器与主(Carrier)/辅(Peaking)放大器的串联，这导致在主放大器和辅放大器的路径之间糟糕的振幅和相位的平衡，因此不得不加入相位偏移器和调幅器以补偿该失衡。毫无疑问这再次增加了级联的复杂度和成本。

因此，急需一种在避免上述缺点的前提下提高放大效率的多赫迪放大器。

发明内容

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面公开了一种高效的多赫迪功率放大器，其包括：主功率放大器和辅功率放大器，其特征在于，还包括：可调功率分配器，所述可调功率分配器的第一输出端与所述主功率放大器的输入端相连接，所述可调功率分配器的第二输出端与所述辅功率放大器的输入端相连接；其中，所述可调功率分配器用于根据输入信号的包络的变化，来调节输入至所述主功率放大器和所述辅功率放大器的信号功率的分配比率。

特别的，当所述输入信号的包络低于回退点的时候，所述可调功率分配器把输入信号的功率都分配到所述主功率放大器的输入端中；当所述输入信号的包络高于/等于回退点的时候，所述可调功率分配器把输入信号的功率按照特定分配比例分配到所述主功率放大器的输入端和所述辅功率放大器的输入端中。

特别的，根据所述主功率放大器和所述辅功率放大器的器件参数来确定所述回退点和所述特定分配比例。

特别的，当所述主功率放大器与所述辅功率放大器是相同型号的放大器时，所述回退点为所述放大器在额定输出功率点回退6dB后所对应的输入电压值。

特别的，所述可调功率分配器包括：威尔金森功率分配器，第一相位偏移器、第二相位偏移器和3dB 90°电桥；所述威尔金森功率分配器的第一输出端经由所述第一相位偏移器连接至所述3dB 90°电桥的第一输入端，所述威尔金森功率分配器的第二输出端经由所述第二相位偏移器连接至所述3dB 90°电桥的第二输入端。

特别的，所述威尔金森功率分配器用于把从其输入端获得的信号分成等幅同相的两路信号，并分别从其第一输出端和其第二输出端输入至所述第一相位偏移器和所述第二相位偏移器中。

特别的，所述威尔金森功率分配器的第一输出端和第二输出端之间有隔离电阻。

特别的，所述第一相位偏移器与所述第二相位偏移器分别根据所述输入信号的包络来确定相位的偏移量。

特别的，所述3dB 90°电桥用于把从其第一输入端获得的信号分成等幅正交的两路信号，并分别从其第一输出端和其第二输出端输出；并且从其第二输入端获得的信号分成等幅正交的两路信号，并分别从其第一输出端和其第二输出端输出。

特别的，所述可调功率分配器的第一输出端和第二输出端的电压传输函数满足以下公式：

|V₂₁|²+|V₃₁|²＝1

其中，φ₁是所述第一相位偏移器的相位偏移量，φ₂是所述第二相位偏移器的相位偏移量；V₂₁是所述可调功率分配器的第一输出端上的输出电压与所述可调功率分配器的输入端上的输入电压之比，V₃₁是所述可调功率分配器的第二输出端上的输出电压与所述可调功率分配器的输入端上的输入电压之比。

特别的，φ₁+φ₂等于常数；所述3dB 90°电桥的第一输出端的信号的相位与所述3dB 90°电桥的第二输出端的信号的相位相等，且都为常数。

特别的，所述可调功率分配器之前连接有预驱动放大器和驱动放大器。

特别的，所述主功率放大器之后连接有1/4波长的传输线，该1/4波长的传输线用于阻抗变换的作用。

特别的，所述辅功率放大器之前连接有1/4波长的传输线，该1/4波长的传输线用于相位对准的作用。

本装置的优点在于：本发明降低了现有多赫迪功率放大器的级联复杂度和生产成本。并且，相对于现有多赫迪功率放大器中为主功率放大器和辅功率放大器分配固定的功率分配比率的方案，本发明通过动态的向主功率放大器和辅功率放大器分配信号功率(即：当输入信号低于回退点时，信号功率将都被分配给主功率放大器；当输入信号高于/等于回退点时，信号功率将被按特定比率分配给主功率放大器和辅功率放大器)，从而使得：信号功率的利用率更加高效，放大器的放大性能更加优秀。

附图说明

通过下文对结合附图所示出的实施例进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同或相似的标号表示相同或相似的步骤；

图1示出了一种现有的多赫迪放大器的电路示意图；

图2示出了根据本发明所公开的一种高效的多赫迪功率放大器的电路示意图；以及

图3示出了现有的多赫迪放大器与本发明所公开的多赫迪放大器的仿真结果的比较。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的附图。附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。所示的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。需要说明的是，只要有可能，在所有附图中和相应的书面描述中将使用相同的附图标记来引用相同或相似的部件。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高效的多赫迪功率放大器，其基于输入信号的包络变化来动态地调节输入至主功率放大器和辅功率放大器的输入功率分配比率，从而使得驱动放大器能够在更低的输出功率上抵达回退点(Backoffpoint)(对于对称的多赫迪放大器，该回退点是主/辅功率放大器的额定输出功率点回退6dB后所对应的输入电压值)，并且使得主功率放大器和辅功率放大器的运行状态更接近于多赫迪放大器的理想值。下面结合图2对本发明作详细的描述。

需要指出的是：主功率放大器(Carrier)也称为载波功率放大器，辅功率放大器(Peaking)也称为峰值功率放大器，为了便于说明，以下将统一使用主功率放大器和辅功率放大器。

图2示出了根据本发明所公开的一种高效的多赫迪功率放大器的电路示意图。该多赫迪功率放大器包括：可调功率分配器100、主功率放大器200、辅功率放大器300、预驱动放大器及驱动放大器单元400。

该可调功率分配器100具有一个输入端1和两个输出端2、3。输入端1与预驱动放大器及驱动放大器单元400的输出端相连接，以接收预驱动放大器及驱动放大器单元400输出的信号。可调功率分配器100的输出端2与主功率放大器200的输入端相连接，可调功率分配器100的输出端3与辅功率放大器300的输入端相连接。

该可调功率分配器100用于根据输入至该多赫迪功率放大器的输入信号S_input的包络的变化，来调节输入至所述主功率放大器200和所述辅功率放大器300的信号的功率的分配比率。

该可调功率分配器100具体包括：功率分配器102、第一相位偏移器104、第二相位偏移器106和3dB 90°电桥108。

功率分配器102具有一个输入端，两个输出端。功率分配器102的输入端与可调功率分配器100的输入端1是同一个端口。功率分配器102的两个输出端跟别与第一相位偏移器104的输入端和第二相位偏移器106的输入端相连接。在功率分配器102的两个输出端之间设有隔离电阻110。所述功率分配器102用于把从其输入端获得的信号分成相等幅度并且相同相位的两路信号，并分别从其两个输出端输入至所述第一相位偏移器102和所述第二相位偏移器106中。

在一个优选的实施例中，所述功率分配器102是威尔金森(Wilkinson)功率分配器。

第一相位偏移器104和第二相位偏移器106把从功率分配器102的输出端获得的信号实施相位偏移，并分别输入到3dB 90°电桥108的输入端口a和输入端口b中。在本实施例中，第一相位偏移器104的相位偏移量为φ₁，第二相位偏移器106的相位偏移量为φ₂。其中，根据输入至该多赫迪功率放大器的输入信号S_input的包络来确定第一相位偏移器104和第二相位偏移器106的相位偏移量，从而使得：当输入信号S_input的包络低于回退点的时候，输入至3dB 90°电桥108的两端的信号能够都被分配到主功率放大器200的输入端中；当输入信号S_input的包络高于/等于回退点的时候，输入至3dB 90°电桥108的两端的信号能够被按照特定分配比例分配到主功率放大器200的输入端和辅功率放大器300的输入端中。

3dB 90°电桥108具有两个输入端a、b，和两个输出端2、3。由图2可知，3dB 90°电桥108的输出端2就是可调功率分配器100的输出端2；3dB 90°电桥108的输出端3就是可调功率分配器100的输出端3。该3dB 90°电桥108把从输入端a获得的信号分成相等幅度且相互正交的两路信号，一路信号从其输出端2输入至主功率放大器200中，另一路信号从其输出端3输入至辅功率放大器300中；同时，该3dB 90°电桥108把从输入端b获得的信号分成相等幅度且相互正交的两路信号，一路信号从其输出端2输入至主功率放大器200中，另一路信号从其输出端3输入至辅功率放大器300中。其中，从电桥108输入端a分出的两路信号和从电桥108输入端b中分出的两路信号分别在其输出端2、3上叠加。

在本实施例中，该可调功率分配器100的两个输出端2、3上的电压传输函数满足公式：

|V₂₁|²+|V₃₁|²＝1

从而使得当输入信号S_input的包络低于回退点的时候，可调功率分配器100把其在输入端1获得的信号功率都分配到主功率放大器200的输入端中；当输入信号S_input的包络高于/等于回退点的时候，可调功率分配器100把其在输入端1获得的信号功率按照特定分配比例分配到主功率放大器200的输入端和辅功率放大器300的输入端中。

其中，φ₁是第一相位偏移器104的相位偏移量，φ₂是第二相位偏移器106的相位偏移量；V₂₁是可调功率分配器100的输出端2上的输出电压与其输入端1上的输入电压之比，V₃₁是可调功率分配器100的输出端3上的输出电压与其输入端1上的输入电压之比；当φ₁+φ₂等于常数时，那么输出端2上的信号相位Phase₂₁和输出端3上的信号相位Phase₃₁相同，且都为常数。

在本实施例中，所述回退点和所述特定分配比例是根据主功率放大器200和辅功率放大器300的器件参数来确定的。

例如，在一个具体的实施例中，当主功率放大器200和辅功率放大器300选用相同的器件时，所述回退点为该类型放大器在额定输出功率点回退6dB后所对应的输入电压值。所述特定分配比例可以设定为1∶1，即：平均分配。相应的，此时，第一相位偏移器104和第二相位偏移器106可以被设定为：当输入信号S_input在回退点之下时：φ₁-φ₂＝-90°；当输入信号S_input在回退点之上时：φ₁-φ₂＝0°。

在一个具体的实施例中，主功率放大器200之后连接有1/4波长的传输线202，该1/4波长的传输线202用于阻抗变换的作用。辅功率放大器300之前(可调功率分配器100的输出端3与辅功率放大器300的输入端之间)连接有1/4波长的传输线302，该1/4波长的传输线302用于相位对准的作用。在该具体实施例的改进方案中，主功率放大器200和辅功率放大器300之后还分别连接有偏置线(Offset line)204、304，其用于信号相位的调节。

图3示出了现有的多赫迪放大器与本发明所公开的多赫迪放大器的仿真结果的比较，其中，图3-a是现有的多赫迪放大器的输入端与输出端的仿真结果；图3-b是本发明的多赫迪放大器的输入端与输出端的仿真结果；图3-c是现有的多赫迪放大器的放大效率与输出端的仿真结果；图3-d是本发明的多赫迪放大器的放大效率与输出端的仿真结果。通过比较可以发现：本发明所公开的多赫迪放大器放大效率明显高于现有的多赫迪放大器。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims

1.一种高效的多赫迪功率放大器，其包括：主功率放大器和辅功率放大器，其特征在于，还包括：

可调功率分配器，所述可调功率分配器的第一输出端与所述主功率放大器的输入端相连接，所述可调功率分配器的第二输出端与所述辅功率放大器的输入端相连接；

其中，所述可调功率分配器用于根据输入信号的包络的变化，来调节输入至所述主功率放大器和所述辅功率放大器的信号功率的分配比率；

所述可调功率分配器包括：

威尔金森功率分配器，第一相位偏移器、第二相位偏移器和3dB90°电桥；

所述威尔金森功率分配器的第一输出端经由所述第一相位偏移器连接至所述3dB 90°电桥的第一输入端，所述威尔金森功率分配器的第二输出端经由所述第二相位偏移器连接至所述3dB 90°电桥的第二输入端；

所述可调功率分配器的所述第一输出端和所述第二输出端的电压传输函数满足以下公式：

|V₂₁|²+|V₃₁|²＝1

其中，φ₁是所述第一相位偏移器的相位偏移量，φ₂是所述第二相位偏移器的相位偏移量；V₂₁是所述可调功率分配器的所述第一输出端上的输出电压与所述可调功率分配器的输入端上的输入电压之比，V₃₁是所述可调功率分配器的所述第二输出端上的输出电压与所述可调功率分配器的所述输入端上的输入电压之比。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：

当所述输入信号的包络低于回退点的时候，所述可调功率分配器把输入信号的功率都分配到所述主功率放大器的输入端中；

当所述输入信号的包络高于/等于回退点的时候，所述可调功率分配器把输入信号的功率按照特定分配比例分配到所述主功率放大器的输入端和所述辅功率放大器的输入端中。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于：根据所述主功率放大器和所述辅功率放大器的器件参数来确定所述回退点和所述特定分配比例。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于：

当所述主功率放大器与所述辅功率放大器是相同型号的放大器时，所述回退点为所述放大器在额定输出功率点回退6dB后所对应的输入电压值。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：

所述威尔金森功率分配器用于把从其输入端获得的信号分成等幅同相的两路信号，并分别从其第一输出端和其第二输出端输入至所述第一相位偏移器和所述第二相位偏移器中。

6.根据权利要求5所述的功率放大器，其特征在于：所述威尔金森功率分配器的第一输出端和第二输出端之间有隔离电阻。

7.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：所述第一相位偏移器与所述第二相位偏移器分别根据所述输入信号的包络来确定相位的偏移量。

8.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：

所述3dB 90°电桥用于把从其第一输入端获得的信号分成等幅正交的两路信号，并分别从其第一输出端和其第二输出端输出；并且从其第二输入端获得的信号分成等幅正交的两路信号，并分别从其第一输出端和其第二输出端输出。

9.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：

φ₁+φ₂等于常数；

所述3dB 90°电桥的第一输出端的信号的相位与所述3dB 90°电桥的第二输出端的信号的相位相等，且都为常数。

10.根据权利要求9所述的功率放大器，其特征在于：所述可调功率分配器之前连接有预驱动放大器和驱动放大器。

11.根据权利要求9所述的功率放大器，其特征在于：所述主功率放大器之后连接有1/4波长的传输线，该1/4波长的传输线用于阻抗变换的作用。

12.根据权利要求11所述的功率放大器，其特征在于：所述辅功率放大器之前连接有1/4波长的传输线，该1/4波长的传输线用于相位对准的作用。