CN106877828B - 变压器正交合成功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，具体为一种变压器正交合成功率放大器。本发明的功率放大器包括晶体管级有源部分和基于变压器合成的无源网络部分；其中，有源部分采用线性或非线性、纯模拟或全数字类型的功率放大器实现；无源网络部分采用变压器实现正交信号的合成、阻抗变换以及差分到单端的转换。与目前较多采用的极坐标功率放大器相比，本发明省去了信号分解及幅度、相位调制处理等模块，对于宽带应用，不需要实现远高于信号带宽的通带处理能力，能够在简化电路复杂度的情况下，实现较高的发射效率，尤其适用于宽带应用。此外，本发明提出的功率放大器容易扩展到N个相同单元功率合成的结构中，从而满足不同宽带应用对高数据率和高输出功率的要求。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种功率放大器电路。
背景技术
无线通信技术的迅速发展极大地改变了人们的生活，目前支持3G/4G（3GPP/LTE）移动通信、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WiMAX）等应用的智能手机和平板电脑已经成为人们日常生活的标准配置。为了满足大量用户对高清图像、视频传输的需求，这些通信标准通常采用正交频分复用（OFDM）调制方式来提高传输数据率和频谱利用率。但是，OFDM调制方式会引入高峰均比（PAPR）问题，为了保证峰值功率下的线性度，功率放大器通常工作在功率回退的状态，造成发射效率严重下降。此外，这些通信标准对最大发射功率提出了较高要求，例如，WCDMA最大发射功率为33dBm，LTE最大发射功率为23dBm，WLAN最大发射功率为22dBm。
功率放大器是射频前端芯片中的关键电路模块，也是整个芯片中最消耗功耗的模块。随着CMOS工艺向深亚微米和纳米尺寸缩小，射频前端芯片已经逐步与数字基带芯片实现全集成，使得整个系统的成本显著降低。但是，受限于CMOS工艺的高衬底损耗、低电源电压、低击穿电压等问题，高效率高线性度的功率放大器集成一直是业界的研究难点，使得整个通信系统的电池寿命和封装热处理也都受到了影响。
目前，国内外学术界和工业界在高效率高线性度的功率放大器方面提出了多种解决方案，例如包络消除与恢复、电源调制、负载调制、数字预失真校正技术等，但是这些研究成果大多数基于极坐标架构。极坐标架构将正交的基带信号分解为幅度和相位信息，然后再利用高效率的非线性类型的功率放大器进行重新组合，从而获得较高的效率。但是极坐标架构并不适合宽带应用，因为信号的分解会使频谱展宽高达5倍以上，幅度和相位调制支路必须提供更宽的信号带宽，需要复杂的信号校准过程，这样不但增加发射机的复杂度，而且系统的整体效率显著下降。相比而言，正交架构的功率放大器不需要进行信号分解，适合于宽带应用且容易实现调制方式、工作频点的灵活配置。
针对宽带应用的功率放大器存在的上述问题，本发明提出一种基于变压器正交合成的功率放大器结构。与极坐标架构相比，本发明提出的功率放大器架构无需信号分解电路以及超宽带的幅度和相位调制支路，能够实现较高的发射效率，尤其适合于宽带应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种发射效率高、适合于宽带应用的变压器正交合成的功率放大器。
本发明提供的变压器正交合成的功率放大器，采用变压器实现正交信号的合成、阻抗变换以及差分到单端的转换，电路结构上不需要进行信号分解及相应调制处理，有效降低了整个系统的功耗，并且能够实现较低的幅度对幅度和幅度对相位失真，具有较高的线性度。本发明尤其适用于宽带应用。
本发明所述功率放大器由晶体管级有源部分和基于变压器合成的无源网络部分组成，其中有源部分采用线性或非线性、纯模拟或全数字类型的功率放大器实现。该功率放大器有两种正交合成方式：
第一种正交合成方式，有源部分由差分正交的四条支路（110、111、112、113）组成，无源网络部分由两个变压器（210、211）和两个匹配电路元件（310、311）组成，两个匹配电路元件（310、311）接输出负载（410）。其中，I路包含一对差分支路（110、111），Q路包含一对差分支路（112、113）；两个变压器（210、211）的初级线圈实现差分信号的合成，次级线圈完成I/Q正交信号的合成，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗。
第二种正交合成方式，有源部分由差分正交的四条支路（110、112、111、113）组成，这四条支路交叉排布，无源网络部分由两个变压器（210、211）和两个匹配电路元件（310、311）组成，两个匹配电路元件（310、311）接输出负载（410）；变压器的初级线圈实现I/Q正交信号的合成，次级线圈完成差分信号的合成，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗。
此外，第一种和第二种正交合成方式还可以扩展到N个相同单元功率合成的结构中，从而提高功率放大器的输出功率，满足3GPP/LTE、WLAN、WiMAX等宽带应用的高发射功率要求。
本发明提出的功率放大器架构，参见图5所示，包含：信号处理模块（510），预失真校准模块（520），功率放大器有源部分（530），基于变压器正交合成的无源匹配网络（540），输出负载（550）及频率综合器（560）：
其中，信号处理模块（510）用于对基带I/Q正交信号的裁剪限幅、滤波、上采样等处理；预失真校准模块（520）用于校正功率放大器的幅度对幅度和幅度对相位失真，进一步提高系统的线性度；频率综合器（560）用于给功率放大器提供本地振荡信号。其信号的流转过程为：
首先，基带I/Q正交信号经过信号处理模块（510）的裁剪限幅、滤波、上采样信号处理后，送入预失真校准模块（520），用以校正功率放大器的幅度对幅度和幅度对相位失真；预失真校准模块（520）的I/Q输出信号将灌入到功率放大器的有源部分（530），接着在无源匹配网络（540）的变压器处实现正交信号的合成和差分到单端的转换；其中，有源电路（530）可采用线性或非线性、纯模拟或全数字类型的功率放大器实现。
有益效果
本发明提出的功率放大器采用变压器来实现正交信号的合成、阻抗变换以及差分到单端的转换，系统结构简洁，有效提高了发射效率，并且能够实现较低的幅度对幅度和幅度对相位失真，具有较高的线性度，尤其适用于宽带应用。
本发明的优点在于与目前较多采用的极坐标功率放大器相比，省去了信号分解及幅度、相位调制处理等模块，对于宽带应用，不需要实现远高于信号带宽的通带处理能力，能够在简化电路复杂度的情况下，实现较高的发射效率。此外，本发明提出的功率放大器容易扩展到N个相同单元功率合成的结构中，从而满足不同宽带应用对高数据率和高输出功率的要求。
附图说明
图1：第一种正交合成的功率放大器结构图。
图2：第二种正交合成的功率放大器结构图。
图3：基于第一种正交合成方式的的N个相同单元功率合成的功率放大器结构图。
图4：基于第二种正交合成方式的的N个相同单元功率合成的功率放大器结构图。
图5：变压器正交合成功率放大器的应用举例。
图6：变压器正交合成功率放大器的幅度对幅度和幅度对相位特性。
图7：变压器正交合成功率放大器的调制信号星座图。
图8：变压器正交合成功率放大器的效率曲线。
具体实施方式
如图1所示，第一种正交合成方式由有源部分和无源部分组成。其中，有源部分由差分正交的四条支路组成（110、111、112、113），无源网络部分由两个变压器（210、211）和匹配电路元件（310、311）组成，410为输出负载。其中，I路包含一对差分支路（110、111），Q路包含一对差分支路（112、113）。变压器（210、211）的初级线圈实现差分信号的合成，次级线圈完成I/Q正交信号的合成，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗。
如图2所示，第二种正交合成方式由有源部分和无源部分组成。其中，有源部分由差分正交的四条支路组成（110、112、111、113），这四条支路交叉排布，无源网络部分由两个变压器（210、211）和匹配电路元件（310、311）组成，410为输出负载。变压器的初级线圈实现I/Q正交信号的合成，次级线圈完成差分信号的合成，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗。
如图3和图4所示，上述两种正交合成方式还可以扩展到N个相同单元功率合成的结构中，从而提高功率放大器的输出功率，满足3GPP/LTE、WLAN、WiMAX等宽带应用的高发射功率要求。
实施举例
图5给出了本发明提出的变压器正交合成功率放大器的应用实施举例。它包含信号处理模块（510），预失真校准模块（520），功率放大器有源部分（530），基于变压器正交合成的无源匹配网络部分（540），输出负载（550）及频率综合器（560）等多个组成部分。首先，基带I/Q正交信号经过裁剪限幅、滤波、上采样等信号处理（510）之后，送入预失真校准模块（520），用以校正功率放大器的幅度对幅度和幅度对相位失真，进一步提高系统的线性度；然后，预失真校准模块的I/Q输出信号将灌入到功率放大器的有源部分（530），接着在无源匹配网络（540）的变压器处实现正交信号的合成和差分到单端的转换。其中，有源电路（530）可采用线性或非线性、纯模拟或全数字类型的功率放大器实现；此外，频率综合器（560）用于给功率放大器提供本地振荡信号。
如图6所示，本发明提出的变压器正交合成功率放大器可以实现较好的线性度性能。随着输入功率逐渐增大，输出功率呈现线性增长，幅度对相位失真小。
图7（a）给出了一个64QAM调制信号的星座图，该输入调制信号十分理想。图7（b）给出了该调制信号经过功率放大器之后的星座图，由于本发明提出的功率放大器具有较好的线性度，其输出星座点与理想信号星座点之间仅存在微小偏离，解调EVM为3.5%，满足常见通信系统的设计指标要求。
图8给出了本发明提出的变压器正交合成功率放大器的效率等高线。从图中可以看出，随着I/Q正交输入信号的减小，发射效率并没有急剧下降，在大部分发射功率情况下，功率放大器均能够维持较高的效率。
因此，本发明提出了一种变压器正交合成功率放大器，它采用变压器来实现正交信号的合成、阻抗变换以及差分到单端的转换，系统结构简洁，有效提高了发射效率，并且能够实现较低的幅度对幅度和幅度对相位失真，具有较高的线性度。与目前较多采用的极坐标功率放大器相比，省去了信号分解及幅度、相位调制处理等模块，对于宽带应用，不需要实现远高于信号带宽的通带处理能力，能够在简化电路复杂度的情况下，实现较高的发射效率，尤其适用于宽带应用。此外，本发明提出的功率放大器容易扩展到N个相同单元功率合成的结构中，从而满足不同宽带应用对高数据率和高输出功率的要求。
Claims (2)
1.一种变压器正交合成功率放大器，其特征在于，包括晶体管级有源部分和基于变压器合成的无源网络部分；其中，有源部分采用线性或非线性、纯模拟或全数字类型的功率放大器实现；无源网络部分采用变压器实现正交信号的合成、阻抗变换以及差分到单端的转换；
功率放大器有两种正交合成方式：
第一种正交合成方式，有源部分由差分正交的四条支路（110、111、112、113）组成，无源网络部分由两个变压器（210、211）和两个匹配电路元件（310、311）组成，两个匹配电路元件（310、311）接输出负载（410）；其中，I路包含一对差分支路（110、111），Q路包含一对差分支路（112、113）；两个变压器（210、211）的初级线圈实现差分信号的合成，次级线圈完成I/Q正交信号的合成，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗；
第二种正交合成方式，有源部分由差分正交的四条支路（110、112、111、113）组成，这四条支路交叉排布，无源网络部分由两个变压器（210、211）和两个匹配电路元件（310、311）组成，两个匹配电路元件（310、311）接输出负载（410）；变压器的初级线圈实现I/Q正交信号的合成，次级线圈完成差分信号的合成，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗；
功率放大器架构包含：信号处理模块（510），预失真校准模块（520），功率放大器有源部分（530），基于变压器正交合成的无源匹配网络（540），输出负载（550）及频率综合器（560）：
其中，信号处理模块（510）用于对基带I/Q正交信号的裁剪限幅、滤波、上采样处理；预失真校准模块（520）用于校正功率放大器的幅度对幅度和幅度对相位失真，进一步提高系统的线性度；频率综合器（560）用于给功率放大器提供本地振荡信号；其信号流转如下：
首先，基带I/Q正交信号经过信号处理模块（510）的裁剪限幅、滤波、上采样信号处理后，送入预失真校准模块（520），用以校正功率放大器的幅度对幅度和幅度对相位失真；预失真校准模块（520）的I/Q输出信号将灌入到功率放大器的有源部分（530），接着在无源匹配网络（540）的变压器处实现正交信号的合成和差分到单端的转换。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，两种正交合成方式均可以扩展到N个相同单元功率合成的结构中，从而提高功率放大器的输出功率，以满足3GPP/LTE、WLAN、WiMAX等无线通信应用的高发射功率要求。
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