CN107210710B - 三路顺序功率放大器 - Google Patents

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Abstract

三路顺序功率放大器包含与主放大器、第1峰值放大器及第2峰值放大器连接的输入电路网络(600)，主放大器(503)、第1峰值放大器(504)及第2峰值放大器(505)还与三路输出电路网络(800)连接。用于输入电路网络(600)的输入端口(501)的输入信号是振幅随时间变化的宽带射频(RF)信号。输出电路网络(800)的输出端口(507)可以经由带通滤波器与天线(506)连接，以使带外频率衰减。

Description

三路顺序功率放大器
技术领域
本发明总的而言涉及射频(radio frequency，RF)功率放大器(PA)，更具体来说，涉及宽带RF信号用三路顺序功率放大器(SPA：sequential power amplifiers)。
背景技术
RF功率放大器
无线通信系统使用谱效率良好且复杂的调制，以实现非常高速的数据速度下的传输。然而，这样的调制的结果是生成非常高、例如高于6dB的峰值对平均功率比(PAPR)。其结果是，由于现有的PA被设计为利用较低PAPR的信号来工作，因此使用现有的射频(RF)功率放大器(PA)来传输具有较高的PAPR的RF信号将导致平均效率下降。因此，在现有的单端PA的情况下，功率效率(power effiency)显著下降。
Doherty功率放大器
作为在较大的功率电平(power level)范围内实现更高效率的PA架构之一是Doherty功率放大器(DPA)。DPA不仅在峰值功率下能够实现更高的效率，而且在PA以最高概率工作的回退(back-off)功率下也能够实现更高的效率。这样，使用DPA来传输PAPR较高的信号时具有较高的整体效率。
图1示出现有技术的Doherty PA。请参照专利文献1。该PA包含分配器102、载波放大器(CA)100、峰值放大器(PA)101以及合成器103。分配器提供用于CA和PA的输入，合成器合成CA和PA的输出。输入通常为RF信号105，输出可以与天线106连接。
图2示出具备最小限度的输出电路网络的现有技术的三路Doherty放大器。例如，请参照专利文献2。该三路Doherty放大器包含输入电路网络203、主放大器(M)200、第1峰值放大器(P1)201、第2峰值放大器(P2)202以及输出电路网络204。在该放大器中，输入经由采取微带(microstrip)205的形式的四分之一波长传输线路被直接送入放大器，输出电路网络则使用由三个传输线路构成的另外的简单的结构与输出连接。该DPA具有较大的功率回退，例如，在12dB具有较高的效率，具有优化的线性及整体效率。然而，该三路DPA具有更多的阻抗转换器，由此使得DPA的工作带宽大幅变窄。
窄带宽
DPA虽然具有在较高的动态功率电平范围内效率较高这样的优点，但是，也存在固有的窄带宽问题。DPA主要由于PDA内的作为取决于频率的构件的四分之一波长阻抗转换器的原因而可以仅在较窄的频带中工作。已知利用几个宽带DPA来克服窄带宽的制约的情况。然而，宽带DPA一般整体增益较低且更为复杂。因此，现有的DPA不适于众多的宽带无线应用例。
顺序功率放大器
双路顺序功率放大器(SPA)提供较高的平均功率利用系数。SPA通过适当地控制动作并对主放大器(在低功率和高功率双方的区域接通)和峰值放大器(在低功率区域断开，在高功率区域接通)的输出进行合成，由此能够高效地放大动态包络信号、即振幅随时间变化的信号。
图3示出包含输入耦合器303、主放大器301、峰值放大器302及输出耦合器304的现有的双路SPA。该耦合器具有比图2的DPA大的带宽。
关于输出耦合器的功率合成过程，可以从相位及振幅合成的观点出发进行分析。期望的合成需要输出端口处的同相合成(0°(度)相位差)和耦合端口处的反相抵消(180度差)。
SPA输出耦合器
图4示出对来自主放大器401及峰值放大器402的功率进行合成的双路SPA输出耦合器400的信号流。输出耦合器从主放大器的输入到输出403具有90度延迟，从峰值放大器的输入直到输出403具有180度延迟。在同相合成的情况下，来自主放大器的功率与来自峰值放大器的功率具有90度相位差。其结果，使得输出403处的相位为-180度。端口404处的信号相位与主放大器和峰值放大器相比，具有180度相位差。因此，在一个电压电平下振幅相同时，能够使信号完全抵消，即，信号具有相同的反相振幅，其结果是，能够在不发生损耗的情况下对功率进行合成。而在其它的电压电平下，由于不完全抵消，使得功率损耗始终作为热被散发。通过适当地选择耦合系数α和γ来控制端口401处的主放大器与端口402处的峰值放大器之间的功率比，由此使得输出合成器能够在一个特定的输入电压比下无损耗，这样的电压比与一个特定的输出功率电平对应。无损耗条件可以如以下这样来表示。
[式1]
Figure GDA0001363437210000031
其中，电压比(voltage ratio)表示来自主放大器的输出电压Vmain与来自峰值放大器的输出电压Vpeak之间的比，x为输出耦合器的耦合系数(在10dB耦合器的情况下，x＝10)。请注意要满足相位关系。来自主放大器的信号相对于来自峰值放大器的信号具有90度的相位延迟。上述无损耗条件示出输出合成器在所对应的功率电平下无损耗的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第8,736,375号说明书
专利文献2：美国专利第8,022,760号说明书
发明内容
发明要解决的课题
从在较大的频带范围内使相位及振幅准确匹配的观点出发，设计用于三路SPA的实用的无源合成电路网络是课题。
用于解决课题的手段
本发明的实施方式提供三路顺序功率放大器(SPA)。三路SPA结构用于克服现有的双路DPA的上述窄带宽制约。此外，提出的三路SPA对高PAPR信号提供较高的平均效率。
为了传输高PAPR信号而增大三路顺序功率放大器SPA的带宽和提高效率是本发明的重要特征。该三路SPA结构为了与现有的双路SPA相比对PAPR较高的信号提供较高的平均效率而在较高的功率回退电平下提供较高的效率。
SPA的较高性能这一课题，是通过设计一种在概率最高的功率电平下满足无损耗条件的输出电路网络内的输出耦合器而实现的。例如，为了设计具有8.5dB PAPR的LTE(长期演进)信号用的SPA，输出耦合器不仅必须在中度至较高的功率范围内降低合成损耗，而且还必须使得在8.5dB功率回退下无损耗。这样，能够将输出耦合器对PAPR较高的LTE信号的损耗作用抑制在最小限度。
附图说明
图1是现有的Doherty放大器的框图。
图2是现有的三路Doherty放大器的框图。
图3是现有的双路SPA的框图。
图4是用于双路SPA的现有的输出耦合器的框图。
图5是本发明的实施方式的三路SPA的框图。
图6是用于本发明的实施方式的图5的三路SPA的无源输入电路网络的概要图。
图7是在本发明的实施方式的三路SPA的输出电路网络中使用的宽带耦合器的概要图。
图8是在本发明的实施方式的三路SPA的输出电路网络中使用的无源电路网络的概要图。
图9是作为本发明的实施方式的漏极效率(drain efficiency)及功率回退的函数的三路SPA的仿真性能的曲线图。
具体实施方式
本发明的实施方式提供具有宽带动作、以及主放大器与两个峰值放大器之间的良好的绝缘性的三路顺序功率放大器(SPA)。因此，三路SPA可以用于长期演进(LTE)、4G(长期演进技术升级版)及全球微波互联接入(WiMAX：Worldwide Interoperability forMicrowave Access)那样的宽带无线通信。
此外，三路SPA的良好的绝缘特性还包含信号的振幅随时间变化的情况下的动态包络跟踪那样的其它效率的提高。作为另外的优点来讲，三路SPA能够在更大的PAPR范围、例如大于6dB的范围内维持较高的平均效率。这是基于如下的认识：由于输入放大器的功率恒定且未被使用的功率作为热被发散，因此，在接近最大值的振幅下使放大器工作是效率最高的。
图5是本发明的实施方式的三路SPA500的框图。三路SPA包含与主放大器503、第1峰值放大器(峰值1)504及第2峰值放大器(峰值2)505连接的三路输入电路网络600，这些放大器还与三路输出电路网络800连接。用于输入电路网络的输入端口501的输入信号是振幅随时间变化的宽带射频(RF)信号501。输出电路网络的输出端口507可以例如经由使带外频率衰减的带通滤波器与天线506连接。输出电路网络还包含耦合端口508和509。
三路SPA500的连接性如下。输入电路网络的输出包含：第1输出信号，其与主放大器连接，与输入信号相比具有-90°(度)的相位延迟；第2输出信号，其与第1峰值放大器连接，与输入信号相比具有-360度的相位延迟；以及第3输出信号，其与第2峰值放大器连接，与输入信号相比具有-270度的相位延迟。输出电路网络的输出包含作为来自主放大器、第1峰值放大器和第2峰值放大器的输出的同相合成的输出信号。第1耦合端口508具有来自主放大器和第1峰值放大器的输出的反相合成。第2耦合端口509具有来自主放大器、第1峰值放大器和第2峰值放大器的输出的反相合成。
偏置电压、例如-1V、-2V及-3V能够控制放大器接通或断开的时刻。例如，主放大器始终接通，峰值放大器如本说明书中说明的那样，根据输入信号的振幅而动态地切换为接通或断开。重要的是，为了使失真最小化而同等地放大低振幅信号和高振幅信号、以及最高效地放大达到最高概率的、例如达到时间的80％的中央振幅。这是通过如下方式来实现的：控制信号的相位，使得到达输出端口507的信号为同相而耦合端口508、509处的信号为反相。图5示出后面将更详细地进行说明的各种信号的例示性的功率分配及相位。本说明书中说明的与各种信号的振幅相关的功率分配一方面是基于对输入信号赋予特征的功率密度函数(PDF：power density function)。最终目标则是提供最高效的工作，换言之，是提供在具有最高概率密度的振幅下最少的功率损耗。
例如，在全部端口具有50Ω的阻抗的通常的蜂窝网络及微波的应用例的情况下，用于输入信号501的工作频率处于1GHz以上的范围。请认识到SPA能够在其它频率及阻抗下工作的情况。
请注意：截至目前，由于三路输入电路网络600和三路输出电路网络800的电路设计很复杂，因此没有图示、说明或公开三路SPA的实际的实施方式。换言之，到目前为止，还不知道实现输入电路网络和输出电路网络的电路的详细情况。这两个电路网络不仅在较大的频率范围内对放大器提供适当的功率分配，而且还必须提供主放大器与峰值放大器之间的准确的相位匹配。
因此，本发明的实施方式为了使三路SPA的实际的实施方式首次成为可能而提供电路网络600和800的电路的详细情况。
图6示出本发明的实施方式的例示性的三路输入电路网络600的详细情况。该电路网络包含第1输入耦合器601和第2输入耦合器602。这些耦合器的实际的功率比是由下述因素决定的：包括阻抗匹配电路网络内的微带603(四分之一波长传输线路)的几何学形状、微带的有效宽度、高度及长度、微带经蚀刻处理的基板的相对介电常数以及阻抗及相位延迟这样的耦合器的电气特性在内的设计参数、以及在特定的应用例中使用的晶体管功率器件。在优选的实施方式中，耦合器是3dB耦合器。
电路网络600的输出与主放大器503、第1峰值放大器504和第2峰值放大器505连接。图中示出功率及相位信息。例如，对电路网络的输入是0dB和0度的RF输入信号604。主放大器503具有-3dB功率和-90度相位的电压。两个3dB耦合器间的接合部605的功率和相位是-3dB和-180度。在第1峰值放大器504和第2峰值放大器505的情况下，电压的相位分别是-360度和-270度。
图7示出本发明的实施方式的三路SPA的输出电路网络中使用的例示性的宽带耦合器。宽带耦合器具有两个输入端口701和702。在耦合器的端口701与703之间，具有270度的相位延迟。为了对三路SPA使用该宽带耦合器，两个输入信号需要具有90度的相位差。例如，在端口701具有-90度相位、端口702具有0度的情况下，输出703具有0度的相位。在端口701具有0度的相位、端口702具有90度相位的情况下，输出703具有-270度的相位。耦合器具有耦合端口704。被送入端口704的信号具有180度的差，因此，合成信号为反相。在理想的10dB耦合器的情况下，α＝90％且γ＝10％。这意味着，来自端口701的功率的90％流向端口703，功率的10％与端口704耦合。
图8示出三路输出电路网络800。该电路网络包含第1输出耦合器806和第2输出耦合器809。这些耦合器具有较小的耦合系数，例如10dB。
主放大器503和峰值1放大器504分别与第1输出耦合器806的两个输入端口802和801连接。来自主放大器的相位是-90度，来自峰值1放大器的相位是-360度(或0度)，与输入相位相同。请注意：这些输入具有90度的相位差，该相位差满足三路SPA的适当的合成是端口804处的同相合成这一输出的相位要件。
耦合端口508是第1输出耦合器806的第1输出，耦合端口509是用于宽带耦合器809的耦合端口。端口804是第1宽带耦合器806的输出直接端口，具有-360度(或0度)的相位。端口803以-270度(或90度)的相位与峰值2放大器连接。输出端口507可经由带通滤波器与天线809连接。
本发明的一个见解在于，使输出端口507处的信号振幅最大化，端口508和509处的信号振幅最小化。这可以通过如下方式来实现：使端口507处的合成信号为同相，耦合端口508、509处的合成信号为反相。
SPA内的各放大器的输出电压振幅的设计参数和严格的耦合比，通过晶体管器件的功率电平的优化而以标准状态确定，实际由器件尺寸以及供给电压和信号统计方面、例如PAPR来确定。由偏置供给电压、输入功率电平和器件阈值电压来控制将峰值1放大器和峰值2放大器严格地切换为接通的位置。图6和图8示出用于满足三路SPA中的严格的相位关系的宽带耦合器的实施方式。
图9示出利用放大器设计用的通常的晶体管模型实现的、作为用于三路SPA的功率回退函数的漏极效率的实验结果。峰值1放大器和峰值2放大器被设计成，在从峰值功率回退9dB以及回退4dB处被切换为接通。例如，可以利用峰值1放大器和峰值2放大器的栅极偏置电压(gate bias voltage)来控制功率电平。这样，三路SPA在8.8dB功率回退下提供49％的效率，LTE信号具有高于8.5dB的PAPR要件，因此，该SPA适于放大器的LTE信号。
本发明以优选实施方式为例进行了说明，但是，请认识到，能够在本发明的宗旨及范围内实施各种其它适应方式及变更方式。因此，所附权利要求的目的包含落入本发明的真正的宗旨及范围内的全部变形方式及变更方式。
产业上的可利用性
本发明的三路顺序功率放大器(SPA)能够应用于多种领域的系统。

Claims (6)

1.一种三路顺序功率放大器，其中，所述三路顺序功率放大器具有：
输入电路网络，其是构成为对输入信号进行接收的输入电路网络，所述输入信号是振幅随时间变化的宽带射频信号；
主放大器；
第1峰值放大器；
第2峰值放大器；以及
输出电路网络，其与所述主放大器、所述第1峰值放大器和所述第2峰值放大器的输出连接，
所述输入电路网络的输出包含：
第1输出信号，其与所述主放大器连接，与所述输入信号相比具有-90度的相位延迟；
第2输出信号，其与所述第1峰值放大器连接，与所述输入信号相比具有-360度的相位延迟；以及
第3输出信号，其与所述第2峰值放大器连接，与所述输入信号相比具有-270度的相位延迟，
所述输出电路网络的输出包含第1耦合端口和第2耦合端口，其中，所述第1耦合端口具有作为来自所述主放大器、所述第1峰值放大器和所述第2峰值放大器的所述输出的同相合成的宽带输出信号、以及所述主放大器和所述第1峰值放大器的所述输出的反相合成，所述第2耦合端口具有来自所述主放大器、所述第1峰值放大器和所述第2峰值放大器的所述输出的反相合成。
2.根据权利要求1所述的三路顺序功率放大器，其中，
峰值对平均功率比大于8dB。
3.根据权利要求1所述的三路顺序功率放大器，其中，
所述输入电路网络还具有第1输入耦合器和第2输入耦合器，
对所述第1输入耦合器的输入是所述输入信号，所述第1输入耦合器的输出包含相对于所述输入信号具有-90度的相位延迟且与所述主放大器连接的输入以及相对于所述输入信号具有-180度的延迟的对第2输入耦合器的输入，
所述第2输入耦合器的输出包含相对于所述输入信号具有-360度的相位延迟的对所述第1峰值放大器的输入以及相对于所述输入信号具有-270度的延迟的对所述第2峰值放大器的输入。
4.根据权利要求1所述的三路顺序功率放大器，其中，
所述输出电路网络还具有第1输出耦合器和第2输出耦合器，
对所述第1输出耦合器的输入包含所述第1峰值放大器的输出以及所述主放大器的输出，所述第1输出耦合器的输出包含与第1耦合端口连接的反相信号以及相对于所述输入信号具有-360度的相位延迟的对所述第2输出耦合器的输入，
对所述第2输出耦合器的输入包含相对于所述输入信号具有-270度的延迟的所述第2峰值放大器的输出，所述第2输出耦合器的输出包含所述宽带输出信号以及与第2耦合端口连接的反相信号。
5.根据权利要求1所述的三路顺序功率放大器，其中，
所述主放大器始终接通，利用偏置电压来动态控制所述第1峰值放大器和所述第2峰值放大器。
6.根据权利要求1所述的三路顺序功率放大器，其中，
分配给所述主放大器、所述第1峰值放大器和所述第2峰值放大器的功率是依照对所述输入信号赋予特征的功率密度函数决定的。
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