CN106416062B - 放大器电路和方法 - Google Patents

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Abstract

RF放大器具有经由两级传输线路连接到输出端口的第一放大器和第二放大器以及经由传输线路连接到两级传输线路的中间节点的辅助放大器。

Description

放大器电路和方法
技术领域
本发明涉及一种放大器电路和方法，并且更具体地，涉及一种提供改进的效率的放大器电路和方法，例如至少包括被配置为以Chireix和Doherty操作模式操作的第一和第二放大器的放大器电路。
背景技术
在无线电基站和其他系统中，功率放大器经常被用来对具有高的峰均功率比(peak to average power ratio，PAR或PAPR)的宽带信号或信号组合进行放大。放大器随后必须能够在每个非常短的周期内反复输出非常高的功率，即使输出功率大部分是以明显更低的平均功率水平所生成。在具有许多信号(没有任何占主导信号)的随机相位组合的系统中，信号的振幅遵循瑞利(Rayleigh)分布。
常规的单晶体管功率放大器(例如，B、AB或F型的功率放大器)具有固定的射频(RF)负载电阻和固定的电压供应。B或AB型放大器中的偏差导致输出电流具有接近于半波整流的正弦电流脉冲的脉冲序列的形式。直流(DC)电流(以及因此的DC功率)因而大幅地与RF输出电流振幅(和电压)成比例。然而，输出功率与取其平方的RF输出电流成比例。效率—即输出功率除以DC功率—因此也与输出振幅成比例。因此，在对与最大要求的输出振幅(或功率)相比具有平均较低的输出振幅(或功率)—即高的PAR—的信号进行放大时，功率放大器的平均效率很低。
Chireix放大器(如在下文中所描述的：H.Chireix的“High power outphasingmodulation”，Proc.IRE，vol.23，no.11，pp.1370-1392，1935年11月)或Doherty放大器(如在下文中所描述的：W.H.Doherty的“A new high efficiency power amplifier formodulated waves”，Proc.IRE，vol.24，no.9，pp.1163-1182，1936年9月)是基于具有被动输出网络交互和组合的多个晶体管的放大器的第一示例。
它们针对具有高的峰均比(PAR)的振幅调制信号具有高的平均效率，这是因为它们在低振幅处具有来自晶体管的RF输出电流大小的明显更低的平均和值。这导致了高的平均效率，原因在于晶体管所获取到的DC电流大幅地与RF电流大小成比例。
来自Doherty放大器中的“峰化”(peaking)子放大器的RF输出电流需要在“变换点”从零起线性地上升至处于满振幅的全电流。“主要”子放大器具有完全线性的输出电流。这些电流的振幅之和远远偏离于(恒定效率放大器的)理想抛物线形状，从而上方振幅区域中的效率下降十分显著。另一种直观地取得相同结果的方式是观察到峰化子放大器处的RF电压在转换点处仅为中高水平，从而输出电流脉冲在这里将会经历跨晶体管的大幅压降。
Chireix放大器在上方振幅区域中具有高的效率，这是因为两个子放大器RF电压振幅都高，并且在相位上接近于相应的RF电流。由于输出振幅的变化由子放大器RF电压中的相移而得到补偿，所以这个操作模式被称作“异相”(outphasing)。在这个异相区域中，电流脉冲经历跨晶体管的低的压降。变换点处的RF电流增大非常平缓，并且RF电流振幅之和的整体形状明显比Doherty放大器更接近于理想的抛物线形状。使得两个RF电压都为高的缺陷在于：放大器的效率由于分流损耗而有所下降，上述分流损耗即表现为类似从晶体管输出耦合至接地端(依RF)的晶体管的损耗。利用低损耗晶体管，Chireix异相非常有效。
本申请人较早的专利申请WO2004/023647和WO2004/057755描述了包含一个或多个Chireix级的可扩展多放大器(具有3个或更多的子放大器)结构。同样属于本申请人的较早专利申请WO2010/074615描述了“准Chireix”放大器，其在3级和4级(以及更高)的变化形式中具有非常高的效率。
D.J.Perreault的标题为“A new power combining and outphasing modulationsystem for high-efficiency power amplification”(IEEE Proc.MWSCAS，2010，pp.441–444)的论文描述了层级式的Chireix放大器，其在采用非常低损耗的晶体管(具体是低的分流损耗)时具有比WO2004/023647和WO2010/074615的4级变化形式更高的效率。然而，Perreault的论文中的放大器仅针对4、8、16…等(2的幂)的子放大器而存在。
同样属于本申请人的较早专利申请WO2013/087232描述了非对称的层级式Chireix放大器，其能够在需要其他数目(诸如3、5、6、7、9…等)的晶体管时被使用。WO2004/057755的“Chireix-Doherty”3级放大器已经针对具有高分流损耗的晶体管而进行了改进，并且针对在同样属于本申请人的共同未决申请PCT/SE2013/050605中的具有非常高损耗的一个晶体管的情形也具有非常大的改进。
WO2004/057755的第一Chireix-Doherty放大器以及共同未决申请PCT/SE2013/050605中改进的变化形式都具有Chireix配对，该Chireix配对在中间振幅区域中以非常高效率而异相。在上方振幅区域(其比例由“峰化”子放大器的尺寸决定)，它们的表现类似于Doherty放大器的上方区域，并且因此在采用低分流损耗的晶体管时是次优的。
WO2010/074615中的放大器增加了异相行为的比例，并且存在于3级和4级版本之中，但是要求不同尺寸的子放大器并且在具有非常低损耗晶体管的情况下具有稍显次优的效率。
Perreault的4级放大器在具有非常低损耗晶体管的情况下非常接近于最优，但是对于具有3个子放大器级的电路而言并不存在。该最优性在采用不同尺寸的子放大器配对的情况下也基本上被打破。
WO2013/087232中的放大器存在于具有相等尺寸的子放大器的3级版本中，但是在最低变换点被置于过低振幅时在中间振幅区域中具有次优的效率。
发明内容
本发明的目标是提供一种排除或减少以上提及的至少一种或多种缺陷的方法和装置。
根据本发明的第一方面，提供了一种放大器电路，该放大器电路包括第一放大器，被配置为放大第一输入信号。第一放大器的输出经由第一传输线路耦合至输出节点。第一传输线路包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分。放大器电路进一步包括第二放大器，被配置为放大第二输入信号。第二放大器的输出经由第二传输线路耦合至输出节点。第二传输线路包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分。放大器电路进一步包括辅助放大器，被配置为放大第三输入信号。辅助放大器的输出经由辅助传输线路网络耦合至第一传输线路的第一部分和第二部分之间的第一交点并且耦合至第二传输线路的第一部分和第二部分之间的第二交点。针对第一传输线路和第二传输线路中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长，其中第一传输线路和第二传输线路的相应第一部分的长度之和为半波长，并且第一传输线路和第二传输线路的相应第二部分的长度之和为半波长。
根据本发明的另一个方面，提供了一种放大器电路中的方法。该方法包括以下步骤：使用第一放大器放大第一输入信号，并且将经放大的第一输入信号经由第一传输线路耦合至输出节点，第一传输线路包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分。该方法进一步包括以下步骤：使用第二放大器放大第二输入信号，并且将经放大的第二输入信号经由第二传输线路耦合至输出节点，第二传输线路包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分。该方法进一步包括以下步骤：使用辅助放大器放大第三输入信号，并且将辅助放大器的输出经由辅助传输线路网络耦合至第一传输线路的第一部分和第二部分之间的第一交点并且耦合至第二传输线路的第一部分和第二部分之间的第二交点，其中针对第一传输线路和第二传输线路中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长，并且其中第一传输线路和第二传输线路的相应第一部分的长度之和为半波长，并且第一传输线路和第二传输线路的相应第二部分的长度之和为半波长。
附图说明
为了更好地理解本发明的示例，并且更为清楚地示出这些示例如何实现，现在将仅通过示例参照以下附图，其中：
图1示出了根据本发明的第一实施例的放大器电路；
图2a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路；
图2b至图2f示出了涉及图2a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；
图3a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路；
图3b至图3f示出了涉及图3a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；
图4a示出了根据本发明另一个实施例的放大器电路；
图4b至图4f示出了涉及图4a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；
图5a示出了根据本发明另一个实施例的放大器电路；
图5b至图5f示出了涉及图5a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；
图6a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路；
图6b至图6f示出了涉及图6a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；
图7a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路；
图7b至图7f示出了涉及图7a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；
图8a示出了根据本发明另一个实施例的放大器电路；
图8b至图8f示出了涉及图8a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线；以及
图9示出了根据本发明的实施例的方法所执行的步骤。
具体实施方式
本发明的实施例旨在为非常低损耗的晶体管提供具有接近于最优效率的3级放大器。本发明的其他实施例旨在提供在采用不同尺寸的子放大器时也具有良好效率的接近于最优的4级放大器。
在晶体管中的低分流损耗的情况下，本发明的实施例旨在最小化串行损耗，包括由于电流脉冲期间跨晶体管的压降所导致的损耗。本发明的实施例通过使得在相应子放大器的输出节点处的RF电流和电压之间具有小幅相位差并且在拉动电流时具有高的RF电压摆动来实现该目标。在本发明的实施例中，在子放大器之间的实现这种行为的有益交互通过新的电气网络结构而成为可能，这些子放大器通过上述电气网络进行交互并且被连接至输出。
图1示出了根据本发明实施例的放大器电路。该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
该放大器电路还包括被配置为放大第三输入信号30的辅助放大器31(在本文中也被称作峰化放大器)。辅助放大器31的输出经由辅助传输线路网络331、332耦合至第一传输线路13的第一和第二部分131、132之间的第一交点17以及耦合至第二传输线路23的第一和第二部分231、232之间的第二交点27。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
例如，在图1的实施例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.2λ的第一部分131以及具有电气长度为0.3λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。第一部分131的特性阻抗高于第二部分132的特性阻抗，如传输线路的相对厚度所表示(厚度越小特性阻抗就越高，反之亦然，这还应用于如本文所描述的本发明的其他实施例)。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
例如，在图1的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即分别为0.2λ和0.3λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232之和、即0.3λ与0.2λ之和也为半波长。
还要注意的是，在图1的示例中，第一传输线路13的第一部分131的长度基本上等于第二传输线路23的第二部分232的长度，和/或其中第二传输线路23的第一部分231的长度基本上等于第一传输线路13的第二部分132的长度。
从图1的示例能够看出，辅助放大器31直接地(或者通过半波长线路)耦合至辅助结合点37，该辅助放大器31从辅助结合点37起分支(经由第一和第二辅助传输线路331和332)至Chireix配对中点结合点(即，第一和第二交点17、27)。第一和第二辅助传输线路331和332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分(即，传输线路中从该中点至输出的部分)的长度。
这样，从辅助放大器31通过任何路径到输出节点15的总长度等于四分之三波长(假设辅助放大器31直接地耦合至辅助结合点37)。
利用适当的尺寸设定，这些新的放大器将从低振幅始终去往最大振幅的Chireix异相操作扩展至宽阔且非常有效的区域。
注意，在图1的示例以及本文所描述的其他实施例中的输出网络的特征是将单个子放大器(或在4级情况下的Chireix配对)连接到沿着将两个其他放大器连接至输出的线路的多个点的分支结构。就此而言，它与共同未决申请PCT/SE2013/050605中所描述的放大器类似，但是其中不同的电气长度关系的选择导致了这些新的放大器具有完全不同的交互(正如Doherty和Chireix放大器之间的交互的差异仅是由两种不同的电气长度差异所导致)。
图2a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路的示例。
该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
该放大器电路还包括被配置为放大第三输入信号30的辅助放大器31(在本文中也被称作峰化放大器)。辅助放大器31的输出经由辅助传输线路网络331、332耦合至第一传输线路13的第一和第二部分131、132之间的第一交点17以及耦合至第二传输线路23的第一和第二部分231、232之间的第二交点27。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
例如，在图2a的实施例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.3046λ的第一部分131以及具有电气长度为0.1954λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图2a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.3046λ和第一部分231的0.1954λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和、即0.1954λ与0.3046λ之和也为半波长。
在图2a的实施例中，辅助传输线路网络包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将辅助放大器31分别耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点17、27。第一和第二辅助传输线路331、332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图2a的示例中，第一辅助传输线路331因此为0.5546λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.1954λ)。同样，第二辅助传输线路332因此为0.4454λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.3046λ)。
图2b至图2f示出了涉及图2a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线。注意，在图2d中，标记为111的曲线是在0至1的标度中的效率曲线，而曲线112是相同的效率曲线、但是其有所放大以助于对其特征进行图示。
在图2a的示例中，所有三个放大器(即，第一放大器11、第二放大器21和辅助放大器31)的尺寸基本相同。辅助放大器31是在最低振幅区域中活动的放大器。约1/3以上的整个上方区域由几乎完美的异相行为所组成，其中子放大器电流和电压之间具有极低的相位差。辅助放大器的RF电流振幅首先发生减小直至在振幅0.5处它开始再次增大。在高于满振幅的0.34的整个区域内，相对效率(线性模型)高于99.9％。
通过改变长度参数，可以改变效率峰值的位置。中间振幅区域中的效率并不像在效率“拐角”被置于较低振幅的情况下那样是最优的。第三子放大器的尺寸也能够在这个过程中有所变化。在图3a和图4a的实施例中，示出了电气长度参数与图2a的之前示例相比增加约0.01的示例，并且在图3a的示例中，辅助放大器的尺寸还是第一和第二放大器的尺寸的80％。注意，两个分支中的长度在图2a和图3a之间已经被“镜像”，从而使得“相同”部分(例如，图2a的第二传输线路23的第一部分231的0.1954λ)已经被增大为图3a的第一传输线路13的第一部分131中的0.21λ。还要注意，这些值仅是作为示例，并且可以使用其他数值而并不背离如所附权利要求中所限定的本发明的范围。
图3a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路。
该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
该放大器电路还包括被配置为放大第三输入信号30的辅助放大器31(在本文中也被称作峰化放大器)。辅助放大器31的输出经由辅助传输线路网络331、332耦合至第一传输线路13的第一和第二部分131、132之间的第一交点17以及耦合至第二传输线路23的第一和第二部分231、232之间的第二交点27。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
在图3a的示例中，第一放大器11和第二放大器21的尺寸基本相同，并且辅助放大器31与第一和第二放大器相比在尺寸上有所减小，例如是这些其他放大器的尺寸的80％。
例如，在图3a的实施例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.21λ的第一部分131以及具有电气长度为0.29λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图3a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.21λ和第一部分231的0.29λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和、即0.29λ与0.21λ之和也为半波长。
在图3a的实施例中，辅助传输线路网络包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将辅助放大器31耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点。第一和第二辅助传输线路331、332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图3a的示例中，第一辅助传输线路331因此为0.46λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.29λ)。同样，第二辅助传输线路332因此为0.54λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.21λ)。
图3b至图3f示出了涉及图3a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线。注意，在图3d中，标记为111的曲线是在0至1的标度中的效率曲线，而曲线112是相同的效率曲线，但是其有所放大以助于对其特征进行图示。
图4a示出了根据本发明的另一个实施例的放大器电路。
该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
该放大器电路还包括被配置为放大第三输入信号30的辅助放大器31(在本文中也被称作峰化放大器)。辅助放大器31的输出经由辅助传输线路网络331、332耦合至第一传输线路13的第一和第二部分131、132之间的第一交点17以及第二传输线路23的第一和第二部分231、232之间的第二交点27。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
在图4a的示例中，第一放大器11、第二放大器21和辅助放大器31的尺寸基本相同。
在图4a的示例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.21λ的第一部分131以及具有电气长度为0.29λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图4a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.21λ和第一部分231的0.29λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和、即0.29λ与0.21λ之和也为半波长。
图4b至图4f示出了涉及图4a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线。注意，在图4d中，标记为111的曲线是在0至1的标度中的效率曲线，而曲线112是相同的效率曲线、但是其有所放大以助于对其特征进行图示。
在图4a的实施例中，辅助传输线路网络包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将辅助放大器31耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点。第一和第二辅助传输线路331、332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图4a的示例中，辅助传输线路331因此为0.46λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.29λ)。同样，辅助传输线路332因此为0.54λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.21λ)。
在图5a的实施例中，辅助放大器31由Chireix配对311、312替换，从而形成有效的4级放大器。
因此，在图5a的示例中，辅助放大器31包括第一和第二辅助放大器311、312，并且其中第一辅助放大器311经由第三辅助传输线路333耦合至辅助结合点37，并且第二辅助放大器312经由第四辅助传输线路334耦合至辅助结合点37。第三辅助传输线路333和第四辅助传输线路334的长度之和为半波长。例如，在图5a的实施例中，第三辅助传输线路333的长度为0.13λ而第四辅助传输线路334的长度为0.37λ，从而相加为0.5λ。
如之前的3级配置的实施例，该辅助传输线路网络还包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将第一和第二辅助放大器311、312耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点。第一和第二辅助传输线路331、332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图5a的示例中，第一辅助传输线路331因此为0.46λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.29λ)。同样，第二辅助传输线路332因此为0.54λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.21λ)。
在图5a的示例中，第一放大器11、第二放大器21、第一辅助放大器311和第二辅助放大器312的尺寸基本相同。
Chireix配对311、312使得可能将高效率的区域扩展至较低振幅，这对于高PAR信号而言提高了效率。
如之前图4a中的实施例，在图5a的示例中，该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
在图5a的示例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.21λ的第一部分131以及具有电气长度为0.29λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图5a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.21λ和第一部分231的0.29λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和、即0.29λ与0.21λ之和也为半波长。
在图5a的示例中，在使用四个相等尺寸的子放大器时能够看到这个类型放大器的一种版本的特性。
图5b至图5f示出了涉及图5a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线。注意，在图5d中，标记为111的曲线是在0至1的标度中的效率曲线，而曲线112是相同的效率曲线，但是其有所放大以助于对其特征进行图示。
参考图6a的实施例，也可以具有使用不同尺寸的Chireix配对的放大器结构，即其中第一和第二辅助放大器311、312在尺寸上不同于第一和第二放大器11、21。
在图6a的示例中，第一放大器11和第二放大器21的尺寸基本相同，并且其中第一辅助放大器311和第二辅助放大器312的尺寸基本相同但是小于第一和第二放大器11、21。例如，第一辅助放大器311和第二辅助放大器312的尺寸是第一和第二放大器11、21的尺寸的约80％。注意，也可以使用其他比率。
在图6a的示例中，该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
在图6a的示例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.208λ的第一部分131以及具有电气长度为0.292λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图6a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.208λ和第一部分231的0.292λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232之和、即0.292λ与0.208λ之和也为半波长。
辅助传输线路网络包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将辅助放大器31耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点17、27。第一和第二辅助传输线路331、332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图6a的示例中，辅助传输线路331因此为0.458λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.292λ)。同样，辅助传输线路332因此为0.542λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.208λ)。
在图6a的示例中，如图5a那样，辅助放大器31包括第一和第二辅助放大器311、312，并且其中第一辅助放大器311经由第三辅助传输线路333耦合至辅助结合点37，并且第二辅助放大器312经由第四辅助传输线路334耦合至辅助结合点37。在该示例中，第三辅助传输线路333和第四辅助传输线路334的长度之和为半波长，其中第三辅助传输线路333的长度为0.118λ而第四辅助传输线路334的长度为0.382λ，从而相加为0.5λ。
因此，在图5a和6a的这些示例中，从辅助结合点37至输出节点15的长度是“恒定的”，例如这些实施例中为0.75λ，而从Chireix配对的第一和第二辅助放大器311和312至辅助结合点37的长度之和为0.5λ。
使用如图6a的示例中所示的不同尺寸的配对有时候能够针对具体信号振幅分布产生更高的效率。
图6b至图6f示出了涉及图6a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线。注意，在图6d中，标记为111的曲线是在0至1中标度中的效率曲线，而曲线112是相同的效率曲线，但是其有所放大以助于对其特征进行图示。
Chireix配对之间(即，第一和第二辅助放大器311/312和其他第一和第二放大器11/21之间)的反向尺寸关系也是可能的。在可用晶体管尺寸并未利用4等分尺寸设定来提供正确峰值功率时，不同尺寸的配对也是有用的。图7a中示出了反向配置的一个示例，其中放大器具有与子放大器的2比1的尺寸关系。根据这个示例的放大器电路已经针对更大的可能PAR值进行尺寸设定。
参考图7a，该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
在图7a的示例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.228λ的第一部分131以及具有电气长度为0.272λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图7a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.228λ和第一部分231的0.272λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232之和也为半波长，即0.272λ与0.228λ之和。
辅助传输线路网络包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将辅助放大器31耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点17、27。第一和第二辅助传输线路331、332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图7a的示例中，第一辅助传输线路331因此为0.478λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.272λ)。同样，第二辅助传输线路332因此为0.522λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.228λ)。
在图7a的示例中，如图5a和图6a那样，辅助放大器31包括第一和第二辅助放大器311、312，并且其中第一辅助放大器311经由第三辅助传输线路333耦合至辅助结合点37，并且第二辅助放大器312经由第四辅助传输线路334耦合至辅助结合点37。在图7a的示例中，第三辅助传输线路333的长度为0.164λ，并且第四辅助传输线路334的长度为0.336λ。第三辅助传输线路333和第四辅助传输线路334的长度之和为半波长。
因此，根据图7a的实施例，第一放大器11和第二放大器21的尺寸基本相同，并且其中第一辅助放大器311和第二辅助放大器312的尺寸基本相同但是大于第一和第二放大器11、21。例如，第一放大器11和第二放大器21的尺寸可以为第一和第二辅助放大器311、312的尺寸的约50％。
注意，以Chireix配对(即，第一和第二辅助放大器311和312)替代单个辅助放大器31并不是将本发明实施例的放大器扩展至更高阶的仅有的可能方式。
图8a示出了根据另一个实施例的示例，其中在类似于图1的放大器电路中，第四放大器41直接连接(或者通过半波长线路连接)至输出节点15。
在图8a中，该放大器电路包括被配置为放大第一输入信号10的第一放大器11。第一放大器11的输出经由第一传输线路13耦合至输出节点15。第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132。
该放大器电路还包括被配置为放大第二输入信号20的第二放大器21。第二放大器21的输出经由第二传输线路23耦合至输出节点15。第二传输线路23包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分231以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分232。
该放大器电路还包括被配置为放大第三输入信号30的辅助放大器31(在本文中也被称作峰化放大器)。辅助放大器31的输出经由辅助传输线路网络331、332耦合至第一传输线路13的第一和第二部分131、132之间的第一交点17以及第二传输线路23的第一和第二部分231、232之间的第二交点27。
该放大器电路还包括直接耦合(或者通过半波长线路连接)至输出节点15的第四放大器41。
针对第一和第二传输线路13、23中每一个，第一部分和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长。
此外，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度之和还等于半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和也等于半波长。
例如，在图8a的示例中，第一传输线路13包括具有电气长度为0.2λ的第一部分131以及具有电气长度为0.3λ的第二部分132，从而这些电气长度之和为0.5λ。
而且，在图8a的示例中，第一和第二传输线路13、23的相应第一部分131、231的长度—即第一部分131的0.2λ和第一部分231的0.3λ—之和为半波长，而第一和第二传输线路13、23的相应第二部分132、232的长度之和、即0.3λ与0.2λ之和也为半波长。
在图8a的实施例中，辅助传输线路网络包括第一和第二辅助传输线路331和332以用于将辅助放大器31耦合至第一和第二传输线路13、23的第一和第二交点17、27。第一和第二辅助传输线路331和332中每一个的长度是四分之三波长减去将该辅助传输线路连接至输出节点15的相应传输线路的第二部分132、232的长度。
在图8a的示例中，辅助传输线路331因此为0.45λ(即，0.75λ减去第一传输线路13的第二部分132的长度0.3λ)。同样，辅助传输线路332因此为0.55λ(即，0.75λ减去第二传输线路23的第二部分232的长度0.2λ)。
图8b至图8f示出了涉及图8a的实施例的相关联的RF电流、电压和效率曲线。注意，在图8d中，标记为111的曲线是在0至1的标度中的效率曲线，而曲线112是相同的效率曲线，但是其有所放大以助于对其特征进行图示。
注意，使用如以上在本发明实施例中描述的相同概念，可以使用另外的示例来配置四级和更高阶放大器。
图9示出了由根据本发明的另一个实施例的方法在放大器电路中执行的步骤
该方法包括步骤：使用第一放大器11放大第一输入信号10，并且将经放大的第一输入信号经由第一传输线路13耦合至输出节点15，第一传输线路13包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分131以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分132，步骤1001。该方法进一步包括步骤：使用第二放大器放大第二输入信号20，并且将经放大的第二输入信号经由第二传输线路耦合至输出节点，第二传输线路包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分，步骤1003。该方法进一步包括步骤：使用辅助放大器放大第三输入信号30，并且将辅助放大器的输出经由辅助传输线路网络耦合至第一传输线路的第一和第二部分之间的第一交点并且耦合至第二传输线路的第一和第二部分之间的第二交点，步骤1005。针对第一和第二传输线路中每一个，第一和第二部分组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长，步骤1007。第一和第二传输线路中的相应第一部分的长度之和为半波长，并且第一和第二传输线路中的相应第二部分的长度之和为半波长，步骤1009。
晶体管通常充当受控RF电流源，从而根据输出振幅的RF电流的振幅和相位(相对于输出)的形状还指示能够针对输入信号(栅极驱动电压)执行的所期望电压整形。实际形状可以考虑到晶体管中的电压至电流转换(跨导)或多或少是非线性的，并且RF电压摆动也会影响到输出电流(特别是在接近于上限时经由饱和而影响)。
注意，针对以上的示例实施例中所示出的所有传输线路，这些都能够被诸如集中元件的组合之类的等同电路所替换。例如，四分之一波线路能够被LC、pi或T型网络所替代，这些LC、pi或T型网络具有大小等于被替换的四分之一波线路的特性阻抗的电抗。也能够使用单独或级联的T型网络、L型网络，例如比四分之一波长稍短的线路能够由在每一侧具有分流电感器(耦合至RF接地端)的四分之一波长线路所合成，而比四分之一波长更长的线路则能够由在每一侧具有分流电容器的四分之一波长线路所合成。
根据本发明实施例的3级放大器电路在上方9.5dB振幅范围内在所有三个放大器(子放大器)之间提供了最优的Chireix异相，其具有优于99.9％的线性模型效率。根据本发明实施例的4级放大器电路在宽的振幅范围内而且在采用不同尺寸的子放大器配对时具有非常好的效率。
本发明的放大器电路在采用具有非常低的分流损耗的晶体管时特别适用，上述晶体管诸如处于相对低频率的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管，或者在较高频率下利用氮化镓(GaN)或砷化镓晶体管。
注意，在以上所描述的实施例中，如传输线路的相对厚度所表示的(厚度越小特性阻抗就越高，反之亦然)，传输线路的第一部分—例如131—的特性阻抗高于第二部分—例如132—的特性阻抗。第一传输线路的第一部分的特性阻抗可以基本为第一传输线路的第二部分的特性阻抗的N倍，和/或第二传输线路的第一部分的特性阻抗可以基本为第二传输线路的第二部分的特性阻抗的N倍。
应当注意的是，以上所提到的实施例是对本发明进行说明而非限制，并且本领域技术人员将能够设计出许多备选实施例而并不背离所附权利要求的范围。词语“包括”并不排除存在权利要求中所列出的那些要素或步骤之外的要素或步骤，“一个”并不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所记载的多个单元的功能。权利要求中的附图标记并不应当被理解为对其范围有所限制。

Claims (17)

1.一种放大器电路，包括：
第一放大器(11)，被配置为放大第一输入信号(10)，其中所述第一放大器(11)的输出经由第一传输线路(13)耦合至输出节点(15)，所述第一传输线路(13)包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分(131)以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分(132)；
第二放大器(21)，被配置为放大第二输入信号(20)，其中所述第二放大器(21)的输出经由第二传输线路(23)耦合至所述输出节点(15)，所述第二传输线路(23)包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分(231)以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分(232)；以及
辅助放大器(31；311，312)，被配置为放大第三输入信号(30)，其中所述辅助放大器(31；311，312)的输出经由辅助传输线路网络(331，332；333，334)耦合至所述第一传输线路(13)的所述第一部分(131)和所述第二部分(132)之间的第一交点(17)并且耦合至所述第二传输线路(23)的所述第一部分(231)和所述第二部分(232)之间的第二交点(27)；
其中针对所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)中每一个，所述第一部分(131，231)和所述第二部分(132，232)组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长；并且
其中所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)的相应第一部分(131，231)的长度之和为半波长，并且所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)的相应第二部分(132，232)的长度之和为半波长。
2.根据权利要求1所述的放大器电路，其中所述第一传输线路(13)的所述第一部分(131)的长度等于所述第二传输线路(23)的所述第二部分(232)的长度，和/或其中所述第二传输线路(23)的所述第一部分(231)的长度等于所述第一传输线路(13)的所述第二部分(132)的长度。
3.根据权利要求1或2所述的放大器电路，其中所述辅助传输线路网络包括第一辅助传输线路(331)和第二辅助传输线路(332)，以用于将所述辅助放大器(31)分别耦合至所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)的所述第一交点(17)和所述第二交点(27)，并且其中所述第一辅助传输线路(331)和所述第二辅助传输线路(332)中每一个的长度是四分之三波长减去将所述辅助传输线路连接至所述输出节点(15)的相应传输线路的所述第二部分(132，232)的长度。
4.根据权利要求1或2所述的放大器电路，其中通过任何路径从所述辅助放大器(31)到所述输出节点(15)的总长度等于四分之三波长。
5.根据权利要求1或2所述的放大器电路，其中所述第一放大器(11)、所述第二放大器(21)和所述辅助放大器(31)的尺寸相同。
6.根据权利要求1或2所述的放大器电路，其中所述第一放大器(11)和第二放大器(21)的尺寸相同，并且所述辅助放大器(31)与所述第一放大器(11)和第二放大器(21)相比在尺寸上有所减小。
7.根据权利要求6所述的放大器电路，其中所述辅助放大器(31)与所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)相比在尺寸上减小80％。
8.根据权利要求1或2所述的放大器电路，其中所述辅助放大器(31)直接地或者通过半波长传输线路耦合至所述辅助传输线路网络。
9.根据权利要求1所述的放大器电路，其中所述辅助放大器(31)包括第一辅助放大器(311)和第二辅助放大器(312)，并且其中所述第一辅助放大器(311)经由第三辅助传输线路(333)耦合至辅助结合点(37)并且所述第二辅助放大器(312)经由第四辅助传输线路(334)耦合至所述辅助结合点(37)。
10.根据权利要求9所述的放大器电路，其中所述第三辅助传输线路(333)和第四辅助传输线路(334)的长度之和为半波长。
11.根据权利要求9或10所述的放大器电路，其中所述第一放大器(11)、所述第二放大器(21)、所述第一辅助放大器(311)和所述第二辅助放大器(312)的尺寸相同。
12.根据权利要求9或10所述的放大器电路，其中所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)的尺寸相同，并且其中所述第一辅助放大器(311)和所述第二辅助放大器(312)的尺寸相同但是小于所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)。
13.根据权利要求12所述的放大器电路，其中所述第一辅助放大器(311)和所述第二辅助放大器(312)的尺寸为所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)的尺寸的80％。
14.根据权利要求9或10所述的放大器电路，其中所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)的尺寸相同，并且其中所述第一辅助放大器(311)和所述第二辅助放大器(312)的尺寸相同但是大于所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)。
15.根据权利要求14所述的放大器电路，其中所述第一放大器(11)和所述第二放大器(21)的尺寸为所述第一辅助放大器(311)和所述第二辅助放大器(312)的尺寸的50％。
16.根据权利要求1或2所述的放大器电路，进一步包括被配置为放大第四输入信号(40)的第四放大器(41)，其中所述第四放大器(41)的输出直接地或者经由半波长传输线路而耦合至所述输出节点(15)。
17.一种放大器电路中的方法，包括以下步骤：
使用第一放大器(11)放大第一输入信号(10)，并且将经放大的所述第一输入信号经由第一传输线路(13)耦合至输出节点(15)，所述第一传输线路(13)包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分(131)以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分(132)；
使用第二放大器(21)放大第二输入信号(20)，并且将经放大的所述第二输入信号经由第二传输线路(23)耦合至所述输出节点(15)，所述第二传输线路(23)包括具有第一特性阻抗和第一长度的第一部分(231)以及具有第二特性阻抗和第二长度的第二部分(232)；以及
使用辅助放大器(31；311，312)放大第三输入信号(30)，并且将所述辅助放大器(31；311，312)的输出经由辅助传输线路网络(331，332；333，334)耦合至所述第一传输线路(13)的所述第一部分(131)和所述第二部分(132)之间的第一交点(17)并且耦合至所述第二传输线路(23)的所述第一部分(231)和所述第二部分(232)之间的第二交点(27)，
其中针对所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)中每一个，所述第一部分(131，231)和所述第二部分(132，232)组成较高阻抗部分和较低阻抗部分，其组合长度为半波长；并且
其中所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)的相应第一部分(131，231)的长度之和为半波长，并且所述第一传输线路(13)和所述第二传输线路(23)的相应第二部分(132，232)的长度之和为半波长。
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