CN107241073B - 一种提高线性度的并行结构功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高线性度的并行结构功率放大器。不等分功率分配器将较大功率的上路信号输出至上路可调相移网络，将较小功率的下路信号输出至下路可调相移网络。上路可调相移网络将上路信号进行相位调整后输出至上路放大单元。下路可调相移网络将下路信号进行相位调整后输出至下路放大单元。处于A类偏置状态的上路放大器将上路信号放大后输出至不等分合路器的上路输入端。处于B类偏置状态的下路放大器将下路信号放大后输出至不等分合路器的下路输入端。本发明通过调整上路和下路信号相位和幅度特性，抵消信号中的非线性特性，进而增强功率放大器的线性度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体来说，涉及一种提高线性度的并行结构功率放大器。
背景技术
射频功率放大器是无线通信系统的核心器件，一般位于发射链路末端，即发射天线的前级电路。考虑到无线传输会有较大链路衰减，无线通信过程中需要发射端发射的无线信号具有足够大的能量，才能实现远距离无线通信。因此，功率放大器的作用就是把发射信号的功率放大到足够大，并馈送到天线上辐射出去。功率放大器的输出功率指标对整个无线发射机的性能产生重要的影响。此外，为了避免产生带外杂散和带内失真，功率放大器的线性度也是设计过程中关注的重要指标。因此，提高功率放大器的功率和线性度已经成为如今无线通信领域的热点课题。
平衡式功率放大器是实际工程中广泛使用的提高功率放大器输出功率的技术。该技术将多个相同的功率放大器的输出通过合路器进行功率合成，从而增加输出功率。传统的两路平衡式功率放大器如图1所示，包括对称功率分配器、上路放大器，下路放大器和对称合路器，其基本原理为：输入功率由对称功率分配器等分为上路信号和下路信号，上路信号和下路信号分别由偏置状态相同的上路放大器和下路放大器放大后，以相同相位输出至对称合路器进行叠加，从而产生功率提高的效果。
然而，发明人在研究中发现，对于传统平衡式功率放大器，上路放大器和下路放大器偏置状态相同，使得平衡式放大器的增益特性与单个上路或者下路放大器相同，同样存在增益压缩的现象，使得线性度较差。平衡式功率放大器在提高输出功率的同时，并未对功率放大器的增益平坦度和线性度产生改善。因此，如何增强平衡式功率放大器的线性度对于提高无线通信系统性能，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高线性度的并行结构功率放大器，以提高功率放大器的线性度。
为了解决以上技术问题，本发明并行结构功率放大器在将上路信号和下路信号合路以提高放大器输出功率的同时，通过调整上路信号和下路信号的相位和幅度特性，抵消合路以后信号中的非线性特性，从而提高功率放大器的线性度，具体技术方案如下：
一种提高线性度的并行结构功率放大器，包括不等分功率分配器(10)、上路可调相移网络(20)、上路放大单元(30)、下路可调相移网络(40)、下路放大单元(50)和不等分合路器(60)；其特征在于：输入信号连接所述不等分功率分配器(10)的输入端，不等分功率分配器(10)的上路输出端顺序连接所述上路可调相移网络(20)和上路放大单元(30)的输入端，不等分功率分配器(10)的下路输出端顺序连接所述下路可调相移网络(40)和所述下路放大单元(50)的输入端，上路放大单元(30)和所述下路放大单元(50)的输出端分别连接所述不等分合路器(60)的上路和下路输入端；所述上路放大单元(30)包括上路放大器(301)和上路偏置状态控制器(302)，所述下路放大单元(50)包括下路放大器(501)和下路偏置状态控制器(502)，所述上路偏置状态控制器(302)与所述上路放大器(301)电源端相连，所述上路偏置状态控制器(502)与所述上路放大器(501)电源端相连。
所述不等分功率分配器(10)将较大功率的上路信号输出至上路可调相移网络(20)，将较小功率的下路信号输出至下路可调相移网络(40)。
所述上路可调相移网络(20)包括上路50欧姆微带传输线(201)、上路第一并联变容管(202)和上路第二并联变容管(203)；所述上路第一并联变容管(202)与所述上路50欧姆微带传输线(201)的输入端并联，所述上路第二并联变容管(203)与所述上路50欧姆微带传输线(201)的输出端并联。
所述下路可调相移网络(40)包括下路50欧姆微带传输线(401)、下路第一并联变容管(402)和下路第二并联变容管(403)；所述下路第一并联变容管(402)与所述下路50欧姆微带传输线(401)的输入端并联，所述下路第二并联变容管(403)与所述下路50欧姆微带传输线(401)的输出端并联。
所述上路可调相移网络(20)和下路可调相移网络(40)用于调整上路信号和下路信号的相位，使两者在合路器(60)的上路输入端和下路输入端保持同相位。
所述上路偏置状态控制器(302)用于控制上路放大器(301)处于A类偏置状态，所述下路偏置状态控制器(502)用于控制下路放大器(501)处于B类偏置状态，通过调整偏置状态，使上路和下路信号中的非线性特性在合路器(60)的输出端抵消。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果。
(1)提高了线性度。对于传统平衡式功率放大器，上路放大器和下路放大器偏置状态相同，使得平衡式放大器的增益变化特性与单个上路或者下路放大器相同。上路或者下路放大器的增益压缩特性使得放大器线性度显著降低。本发明采用了可调相移网络和偏置状态控制器，可以对上路信号和下路信号的相位和幅度特性进行调整，从而抵消合路以后信号中的非线性特性，提高功率放大器的线性度。
(2)提高了输出功率。传统平衡式功率放大器中，上路和下路放大器中信号的相移是固定的，理论上在合路器实现上路和下路信号的同相叠加，从而实现最大功率输出。但是，实际应用中，由于功放管的差异和加工的误差，上路和下路信号的相位存在一定的偏差，无法实现理想的同相叠加，影响了输出功率。本发明在上路和下路中均使用了可调相移网络，可以根据上路和下路信号的实际相移来进行调整，使得两路信号在合路器中实现真正的同相叠加，从而有效地提高了输出功率。
(3)实现简单、成本低。相比其他使用复杂电路来改善功率放大器线性度及三阶互调失真的技术，本发明无需额外器件，仅通过偏置电压及相位的调整就可以提高并行结构功率放大器的线性度，降低了功率放大器的成本，提高了功率放大器的产品的生产效率。
附图说明
图1传统的平衡式功率放大器的结构框图。
图2本发明的提高线性度的并行结构功率放大器的结构框图。
图3本发明实施例中不同偏置状态下的功放管增益随输出功率变化的示意图
图4本发明实施例中上路可调相移网络的结构框图。
图5本发明实施例中下路可调相移网络的结构框图。
图6本发明实施例的并行结构功率放大器增益与输出功率的关系图。
图7本发明实施例的并行结构功率放大器三阶互调失真与输出功率的关系图。
图中：不等分功率分配器10、上路可调相移网络20、上路50欧姆微带传输线201、上路第一并联变容管202、上路第二并联变容管203、上路放大单元30、上路放大器301、上路偏置状态控制器302、下路可调相移网络40、下路50欧姆微带传输线401、下路第一并联变容管402、下路第二并联变容管403、下路放大单元50、下路放大器501、下路偏置状态控制器502和不等分合路器60。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1所示为传统的平衡式功率放大器的结构框图。输入功率由对称功率分配器等分为上路信号和下路信号，上路信号和下路信号分别由偏置状态相同的上路放大器和下路放大器放大后，以相同相位输出至对称合路器进行叠加。但是，对于传统平衡式功率放大器，上路放大器和下路放大器偏置状态相同，使得平衡式放大器的增益特性与单个上路或者下路放大器相同，同样存在增益压缩的现象，使得线性度较差。
图2所示为本发明的一种提高线性度的并行结构功率放大器，包括不等分功率分配器10、上路可调相移网络20、上路放大单元30、下路可调相移网络40、下路放大单元50和不等分合路器60。其特征在于，所述上路放大单元30包括上路放大器301和上路偏置状态控制器302。所述下路放大单元50包括下路放大器501和下路偏置状态控制器502。
在上述的并行结构功率放大器中，不等分功率分配器10将功率放大器的输入信号不等分地分配为两路信号，即上路信号和下路信号。上路信号的功率大于下路信号的功率。上路信号通过上路可调相移网络20调整相位后输出至上路放大器301，经过上路放大器301放大后输出至不等分合路器60的上路输入端。下路信号通过下路可调相移网络40调整相位后输出至下路放大器501，经过放大后输出至不等分合路器60的下路输入端。
在上述的并行结构功率放大器中，上路可调相移网络20包括上路50欧姆微带传输线201、上路第一并联变容管202和上路第二并联变容管203。通过调整变容管202和变容管203的电容值，实现对上路信号相移的调整。
在上述的并行结构功率放大器中，下路可调相移网络40包括上路50欧姆微带传输线401、下路第一并联变容管402和下路第二并联变容管403。通过调整变容管402和变容管403的电容值，实现对下路信号相移的调整。
在上述的并行结构功率放大器中，通过上路可调相移网络20和下路可调相移网络40调整上路信号和下路信号的相位，使两路信号在不等分合路器60的上路和下路输入端实现同相。
在上述的并行结构功率放大器中，通过上路偏置状态控制器302控制上路放大器301处于A类偏置状态，通过下路偏置状态控制器502控制下路放大器501处于B类偏置状态。通过调整偏置状态，使上路和下路信号中的非线性特性在合路器60的输出端抵消，从而提高功率放大器的线性度。
本发明的工作原理是：通过不等分功率分配器10将较大功率的上路信号输出至上路可调相移网络20，将较小功率的下路信号输出至下路可调相移网络40，通过相移的调整，使两路信号在不等分合路器60的上路和下路输入端同相叠加，提高总体输出功率。通过上路偏置状态控制器302和下路偏置状态控制器502分别控制上路放大器301和下路放大器501的偏置状态，产生不同的增益特性，使得上路和下路信号中的非线性特性相互抵消，从而提高并行结构功率放大器整体的线性度。
下面例举一个实施例。
本实施例中的并行结构功率放大器工作频率为1635MHz，上路放大器301和下路放大器501的功放管均采用CREE的HEMT功放管CGH40010。主路放大器301偏置在A类，下路放大器501偏置在B类。不等分功率分配器输出的上路信号和下路信号的功率比为2:1。
图3是不同偏置状态下的功放管增益随输出功率变化的示意图。从图中可以看出，偏置在A类的上路放大器301的增益压缩特性与偏置在B类的下路放大器501的增益特性趋势相反。通过上路偏置状态控制器302和下路偏置状态控制器502分别控制调整上路放大器301和下路放大器501的偏置状态，从而使得两者增益特性相互补偿，实现更为平坦的增益特性，改善并行结构功率放大器的线性度。
由于功放管处于不同偏置时的相移会产生偏差，因此会影响上路和下路信号的相位，在不等分合路器60的输入端无法实现两路信号理想的同相叠加，从而影响放大器的输出功率。图4和图5所示为本发明实施例中的上路可调相移网络20和下路可调相移网络40。通过调整上路第一并联变容管202、上路第二并联变容管203、下路第一并联变容管402和下路第二并联变容管403，实现对上路和下路信号相移的调整，实现两路信号在不等分合路器60中的同相叠加，提高放大器输出功率。
图6是本实施例的提高线性度的并行结构功率放大器的增益与输出功率关系图。其中，带有空心方形的线条表示本实施例的并行结构功率放大器的增益与输出功率的关系线条，带有实心方形的线条表示的传统平衡式功率放大器的增益与输出功率的关系线条。从图中可以看出，本实施例的并行结构功率放大器的增益特性比传统平衡式功率放大器更为平坦。图7是本实施例的提高线性度的并行结构功率放大器的三阶互调失真与输出功率的关系图。其中，带有空心圆圈的线条表示本实施例的并行结构功率放大器的三阶互调失真与输出功率的关系线条，带有实心圆圈的线条表示的传统平衡式功率放大器的三阶互调失真与输出功率的关系线条。从图7可知，本实施例的并行结构功率放大器的三阶互调失真在整个输出功率范围内均比传统平衡式功率放大器低，最大改善程度在25dBc，本实施例的并行结构功率放大器提高了功率回退时功率放大器的线性度。
Claims (1)
1.一种提高线性度的并行结构功率放大器，包括不等分功率分配器(10)、上路可调相移网络(20)、上路放大单元(30)、下路可调相移网络(40)、下路放大单元(50)和不等分合路器(60)；其特征在于：输入信号连接所述不等分功率分配器(10)的输入端，不等分功率分配器(10)的上路输出端顺序连接所述上路可调相移网络(20)和上路放大单元(30)的输入端，不等分功率分配器(10)的下路输出端顺序连接所述下路可调相移网络(40)和所述下路放大单元(50)的输入端，上路放大单元(30)和所述下路放大单元(50)的输出端分别连接所述不等分合路器(60)的上路和下路输入端；所述上路放大单元(30)包括上路放大器(301)和上路偏置状态控制器(302)，所述下路放大单元(50)包括下路放大器(501)和下路偏置状态控制器(502)，所述上路偏置状态控制器(302)与所述上路放大器(301)电源端相连，所述上路偏置状态控制器(502)与所述上路放大器(501)电源端相连；
所述上路可调相移网络(20)包括上路50欧姆微带传输线(201)、上路第一并联变容管(202)和上路第二并联变容管(203)；所述上路第一并联变容管(202)与所述上路50欧姆微带传输线(201)的输入端并联，所述上路第二并联变容管(203)与所述上路50欧姆微带传输线(201)的输出端并联；
所述下路可调相移网络(40)包括下路50欧姆微带传输线(401)、下路第一并联变容管(402)和下路第二并联变容管(403)；所述下路第一并联变容管(402)与所述下路50欧姆微带传输线(401)的输入端并联，所述下路第二并联变容管(403)与所述下路50欧姆微带传输线(401)的输出端并联；
所述上路可调相移网络(20)和下路可调相移网络(40)用于调整上路信号和下路信号的相位，使两者在合路器(60)的上路输入端和下路输入端保持同相位；
所述上路偏置状态控制器(302)用于控制上路放大器(301)处于A类偏置状态，所述下路偏置状态控制器(502)用于控制下路放大器(501)处于B类偏置状态，通过调整偏置状态，使上路和下路信号中的非线性特性在合路器(60)的输出端抵消；
通过不等分功率分配器(10)将大功率的上路信号输出至上路可调相移网络(20)，将小功率的下路信号输出至下路可调相移网络(40)，通过相移的调整，使两路信号在不等分合路器(60)的上路和下路输入端同相叠加，提高总体输出功率；通过上路偏置状态控制器(302)和下路偏置状态控制器(502)分别控制上路放大器(301)和下路放大器(501)的偏置状态，产生不同的增益特性，使得上路和下路信号中的非线性特性相互抵消，从而提高并行结构功率放大器整体的线性度。
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| GR01 | Patent grant | ||
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