CN107547056B - 放大射频信号的方法和doherty-chireix组合放大器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种放大射频RF信号的放大器和方法。被配置成放大RF信号的放大器包括功率组合器电路。功率组合器电路包括Chireix组合器，Chireix组合器包括连接在第一RF输入端与求和节点之间的第一支路以及连接在第二RF输入端与求和节点之间的第二支路。第一支路和第二支路中的每一个包括阻抗变换器。Chireix组合器被配置成向第一RF输入端和第二RF输入端呈递Chireix负载调制阻抗响应。功率组合器电路还包括补偿元件，补偿元件被配置成以Doherty放大器模式至少部分地补偿Chireix组合器电路的电抗，在Doherty放大器模式下，向第一RF输入端施加信号并且第二RF输入端电开路。

Description

放大射频信号的方法和DOHERTY-CHIREIX组合放大器
技术领域
本申请涉及RF(射频)放大器电路，并且特别涉及高效的功率回退模式放大器设计。
背景技术
RF功率放大器用于各种应用中，例如用于无线通信系统等的基站。由RF功率放大器放大的信号通常包括具有频率在400兆赫兹(MHz)到4千兆赫(GHz)范围内的高频调制载波的信号。调制载波的基带信号通常处于相对较低的频率，并且根据应用可以高达300MHz或更高。
用于RF功率放大器的器件封装可以包括晶体管裸芯(例如，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)、HEMT(高电子迁移率晶体管))以及并入其中的输入阻抗匹配电路和输出阻抗匹配电路。输入阻抗匹配电路和输出阻抗匹配电路通常包括LC网络，其提供被配置成将晶体管裸芯的阻抗匹配到固定值的阻抗匹配电路的至少一部分。器件封装还可以包括被配置成滤除基频中的高阶谐波分量以提高放大器效率的调谐电路。
电信领域内的RF功率架构聚焦于在从Psat(即当放大器被驱动为深度饱和时的平均输出功率)显著功率回退处实现高的DC-RF(直流-射频)效率。这是由于所发送的诸如W-CDMA(宽带码分多址)、LTE(长期演进)和WiMAX(全球微波接入互操作性)这样的数字信号的高的峰均比(PAR)。
目前采用的一种流行的功率放大器架构是Doherty放大器。Doherty放大器首先由William H.Doherty在1936年提出，并且被描述在1936年9月的Proc.IRE的第24卷第1163-1182页的“A new high efficiency power amplifier for modulated waves”中，其全部内容通过引用并入本文。Doherty放大器采用在所有功率电平下提供放大的主放大器，以及在高功率电平下接通的峰值放大器。通过从峰值放大器对主放大器进行负载调制而提高了效率。
目前采用的另一种流行的功率放大器架构是Chireix放大器。Chireix放大器由H.Chireix于1935年首次提出，并且被描述在1935年11月Proc.IRE的第23卷第11号第1370-1392页的“High power outphasing modulation”中，其全部内容通过引用并入本文。Chireix放大器利用异相技术来放大两个相移恒定的包络信号。Chireix放大器提供高效且线性的放大而不失真。
虽然Doherty放大器和Chireix放大器各自为振幅调制信号提供高回退效率，但每种设计都有局限性。一般来说，与Doherty放大器相比，Chireix放大器在接近峰值功率的回退范围内提供较高的效率，但是在低功率电平处提供较低的效率。此外，Doherty放大器通常在高功率回退区中具有效率下降(即两个峰值之间的较低效率的区域)，而Chireix放大器在高功率回退区中提供更加线性的效率。尽管可以利用另外的电路和/或控制技术来解决每个放大器的这些缺陷中的一些缺陷，但是已知的解决方案显著地增加了成本和电路复杂性，并且成果有限。
发明内容
公开了一种被配置成放大RF信号的放大器。根据实施方式，放大器包括功率组合器电路。功率组合器电路包括Chireix组合器，Chireix组合器具有连接在第一RF输入端与求和节点之间的第一支路以及连接在第二RF输入端与求和节点之间的第二支路。第一支路和第二支路中的每一个支路包括阻抗变换器。Chireix组合器被配置成向第一RF输入端和第二RF输入端呈递Chireix负载调制阻抗响应。功率组合器电路还包括补偿元件，补偿元件被配置成以Doherty放大器模式至少部分地补偿Chireix组合器电路的电抗，在Doherty放大器模式下，向第一RF输入端施加信号并且第二RF输入端电开路。
公开了一种放大RF信号的方法。该方法包括提供具有第一放大器、第二放大器以及连接至第一放大器和第二放大器的功率组合器电路的放大器电路。功率组合器电路包括被配置成呈递Chireix负载调制阻抗响应的Chireix组合器以及补偿元件。该方法还包括针对等于或低于预定阈值的RF信号的幅值、以Doherty放大器模式操作放大器电路。以Doherty放大器模式操作放大器电路包括：利用第一放大器生成第一放大版本的RF信号，同时关断第二放大器；将第一放大版本的RF信号施加至功率组合器电路的第一输入端；以及利用补偿元件来补偿Chireix组合器的电抗。该方法还包括针对高于预定阈值的RF信号的幅值、以Chireix放大器模式操作放大器电路。以Chireix放大器模式操作放大器电路包括：利用第一放大器生成第一放大版本的RF信号；利用第二放大器生成第二放大版本的RF信号，第二放大版本的RF信号与第一放大版本的RF信号异相；以及利用Chireix组合器来将第一放大版本的RF信号与第二放大版本的RF信号组合并且调制从第一放大器和第二放大器跨第一放大版本的RF信号和第二放大版本的RF信号的不同功率电平而看到的阻抗。
公开了一种利用放大器来放大RF信号的方法，该放大器包括第一放大器器件和第二放大器器件以及连接至第一放大器和第二放大器的功率组合器电路，功率组合器电路包括被配置成呈递Chireix负载调制阻抗响应的Chireix组合器以及补偿元件。根据实施方式，该方法包括：当RF信号的振幅等于或低于预定阈值时，以Doherty放大器模式操作放大器。以Doherty放大器模式操作放大器电路包括：利用第一放大器器件放大RF信号，同时关断第二放大器器件；利用功率组合器电路从第一放大器器件提取第一放大RF信号；以及利用补偿元件来补偿Chireix组合器的导纳，以提高放大器电路的效率。该方法还包括当RF信号的振幅高于预定阈值时，以Chireix放大器模式操作放大器。以Chireix放大器模式操作放大器电路包括：利用第一放大器器件和第二放大器器件放大RF信号；以及利用功率组合器电路从第一放大器器件提取第一放大的RF信号并且从第二放大器器件提取第二放大的RF信号。
附图说明
附图中的元素不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部件。可以组合各种所示实施方式的特征，除非它们彼此排斥。实施方式在附图中示出，并且在下文中详细描述。
包括图1A和图1B的图1描绘了根据一个实施方式的Doherty放大器以及Doherty放大器的负载调制阻抗响应；
包括图2A、图2B和图2C的图2描绘了根据一个实施方式的Chireix放大器以及Chireix放大器的负载调制阻抗响应；
图3示出了根据一个实施方式的、在功率回退电平处Doherty放大器和Chireix放大器的效率比较；
图4示出了根据一个实施方式的、在功率回退电平处Doherty放大器、Chireix放大器和组合的Doherty-Chireix放大器的效率比较；
图5示出了根据一个实施方式的组合的Doherty-Chireix放大器的示意；。
包括图6A、图6B和图6C的图6描绘了根据一个实施方式的、在低功率模式下Doherty-Chireix放大器的等效电路，Doherty-Chireix放大器的负载调制阻抗响应，以及在功率回退时Doherty-Chireix放大器的效率曲线；
包括图7A、图7B、图7C和图7D的图7描绘了根据一个实施方式的、Doherty-Chireix放大器的第一放大器和第二放大器在功率回退时的漏电流以及Doherty-Chireix放大器在功率回退时的相应效率曲线；
包括图8A、图8B、图8C和图8D的图8描绘了根据一个实施方式的、在低功率模式下具有电抗补偿的Doherty-Chireix放大器的等效电路，Doherty-Chireix放大器的负载调制阻抗响应，以及在功率回退时Doherty-Chireix放大器的效率曲线；
图9描绘了根据一个实施方式的、不对称异相对功率组合器电路的负载调制阻抗响应的影响；
包括图10A和图10B的图10描绘了关于以不对称异相工作的Doherty-Chireix放大器的负载调制阻抗响应以及在功率回退时的效率曲线；
包括图11A、图11B和图11C的图11描绘了根据一个实施方式的、针对具有优化的转换点和针对第二放大器的接通控制的Doherty-Chireix放大器的第一放大器和第二放大器而调整Doherty模式与Chireix模式之间的转换点、效率曲线和漏电流的影响；
图12示出了根据一个实施方式的Doherty-Chireix放大器的功率组合器电路；
图13示出根据一个实施方式的组合Doherty-Chireix放大器。
具体实施方式
本文描述的实施方式包括Doherty-Chireix组合放大器以及操作Doherty-Chireix组合放大器的相应方法。可以控制Doherty-Chireix组合放大器，以在各个区域提供Doherty和Chireix二者的有利回退特性。Doherty-Chireix组合放大器包括被配置成接收和放大RF信号的第一功率放大器器件和第二功率放大器器件。Doherty-Chireix组合放大器还包括连接至第一功率放大器器件和第二功率放大器器件的功率组合器电路。功率组合器电路被配置成将来自由第一放大器器件生成的放大版本的RF信号的RF功率与来自由第二放大器器件生成的放大版本的RF信号的RF功率组合。功率组合器电路的拓扑包括Chireix组合器，Chireix组合器包括两个阻抗变换器并且被配置成呈递Chireix负载调制阻抗响应。功率组合器电路的拓扑还包括电抗补偿元件，电抗补偿元件被配置成当Doherty-Chireix组合放大器以Doherty放大器模式工作时，消除Chireix组合器的电抗。
放大器电路可以根据RF信号的输入振幅以两种不同的模式操作。如果RF信号的输入振幅等于或低于预定阈值，则放大器电路以Doherty放大器模式工作，在Doherty放大器模式下，第二放大器器件关断并且所有放大由第一放大器器件提供。当RF信号的输入振幅达到或超过预定阈值时，放大器电路以Chireix放大器模式工作。在Chireix放大器模式下，第一放大器器件和第二放大器器件都被接通，并且功率组合器电路被用于在求和节点处将第一放大版本的RF信号与第二放大版本的RF信号组合。在Chireix放大器模式下，Doherty-Chireix组合放大器执行异相操作，由此第一放大版本的RF信号与第二放大版本的RF信号异相，并且其中相位差表示包含在原始RF信号内的振幅信息。因此，Doherty-Chireix组合放大器在低功率电平处作为Doherty放大器工作，并且在高功率电平处作为Chireix放大器工作。
本文描述的实施方式包括若干技术和电路拓扑调整，其用于增强关于放大器输出功率的线性度、功率效率以及在Doherty放大器模式与Chireix放大器模式之间的平滑过渡。第一示例性技术涉及在功率组合器电路中包含电抗补偿元件。这些电抗补偿元件补偿了Doherty放大器中的放大器效率降低，这归因于Chireix组合器的电抗。第二示例性技术涉及在Chireix放大器模式期间调整第一放大信号和第二放大信号的幅值。这种技术由于在功率组合器电路中存在电抗补偿元件而补偿了Chireix组合器的阻抗的有害偏移，从而以Chireix放大器模式提高了效率。第三种示例性技术涉及当放大器电路从Doherty放大器模式转换到Chireix放大器模式时第二放大器的接通控制。通过控制与RF信号的输入振幅有关的第二放大器电路的接通时间和第二放大器电路的接通速率，可以提高电路的线性度和功率效率，并且可以实现Doherty与Chireix放大器模式之间的平滑过渡。
参照图1A，描绘了根据一个实施方式的Doherty放大器100。Doherty放大器100被配置成利用两个放大器器件中的至少一个放大器器件来放大RF信号(例如，振幅调制(AM)信号)。这两个放大器器件可以由任何类型的RF晶体管器件提供，包括诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、DMOS(双扩散金属氧化物半导体)晶体管、GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)、GaN MESFET(氮化镓金属半导体场效应晶体管)、LDMOS晶体管等的功率晶体管。
Doherty放大器100包括连接至第一放大器104和第二放大器106的Doherty组合器102。Doherty组合器102包括连接在第一放大器104与求和节点110之间的第一支路108，以及连接在第二放大器106与求和节点110之间的第二支路112。阻抗变换器114，具体为四分之一波长传输线与第一支路108串联连接。Doherty放大器100可以包括另外的电路(未示出)，包括输入控制电路、输入阻抗匹配网络、输出阻抗匹配网络等。第一放大器104和第二放大器106可以一起设置或者单独设置在分立封装的器件中。包括Doherty组合器102的一些或全部另外的电路组件可以由电感接合线提供，并且可以将芯片电容器并入封装中。或者，这些组件中的一些或全部可以位于器件封装外部，例如在电路板级利用微带线与表面可安装组件组合。
图1A的Doherty放大器100以两种不同的模式工作。在低功率模式下，仅第一放大器104激活并且第二放大器106被关断。在高功率模式下，第二放大器106接通。通过Doherty组合器102将由第一放大器104生成的RF信号的输出功率与由第二放大器106生成的RF信号的输出功率组合。从低功率模式到高功率模式的转换可以基于RF信号的输入振幅。例如，当输入RF信号达到最大信号振幅的50％时，Doherty放大器100转换到高功率模式。
参照图1B描绘了Doherty组合器102的标称阻抗响应的史密斯图。史密斯图绘制了遍及(across)负载调制而被呈递给第一放大器104和第二放大器106的Doherty组合器102的阻抗。负载调制范围从左侧的高功率到右侧的低功率。如可以看出的，Doherty组合器102遍及整个功率回退而标称地用作电阻器。也就是说，在功率回退时，Doherty组合器102的标称阻抗响应没有无功分量。
参照图2A，描绘了根据一个实施方式的Chireix放大器200。Chireix放大器200被配置成利用两个放大器器件放大RF信号(例如，振幅调制(AM)信号)。这两个放大器器件可以包括任何类型的RF晶体管器件，包括诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、DMOS(双扩散金属氧化物半导体)晶体管、GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)，GaNMESFET(氮化镓金属半导体场效应晶体管)、LDMOS晶体管等的功率晶体管。
Chireix放大器200包括连接至放大器的Chireix组合器202。Chireix组合器202包括连接在第一放大器206与求和节点208之间的第一支路204，以及连接在第二放大器212与求和节点208之间的第二支路210。第一支路204包括串联连接在第一放大器206与求和节点208之间的第一阻抗变换器214。第二支路210包括串联连接在第二放大器212与求和节点208之间的第二阻抗变换器216。在图2A的实施方式中，第一阻抗变换器214和第二阻抗变换器216是被配置成在RF信号的中心频率处提供阻抗反演的四分之一波长传输线。除了四分之一波长的传输线，可以由例如电感器和电容器来提供等效的阻抗变换。
Chireix组合器202还包括针对第一支路204以并联配置布置的第一无功效率补偿组件218和针对第二支路210以并联配置布置的第二无功效率补偿组件220。在图1的实施方式中，第一无功效率补偿组件218是电感器，而第二无功效率补偿组件220是电容器。然而可以使用提供等效电抗的替选组件。
图2B描绘了Chireix组合器202的一个替选实施方式。在该实施方式中，第一无功效率补偿组件218和第二无功效率补偿组件220已经从电路中被消除。第一无功效率补偿组件218和第二无功效率补偿组件220的等效电抗已经被并入第一阻抗变换器214和第二阻抗变换器216中。在该实施方式中，第一阻抗变换器214和第二阻抗变换器216具有不对称的长度，并且从RF信号的中心频率的四分之一波长偏移如下量：在RF信号的中心频率处产生第一无功效率补偿组件218和第二无功效率补偿组件220的电抗。
图2A和图2B的Chireix组合器202均被配置成产生将在下面进一步详细讨论的在图2C中所描绘的Chireix负载调制阻抗。不同的配置和等效电路可以代替参照图2A和图2B描述的特定实施方式，只要实现图2C中所描绘的Chireix负载调制阻抗即可。
与Doherty放大器100不同，Chireix放大器200利用在所有功率回退电平下工作的第一放大器206和第二放大器212来工作。Chireix放大器200利用第一放大器206生成第一放大版本的RF信号，并且利用第二放大器212生成第二放大版本的RF信号。第一放大版本的RF信号和第二放大版本的RF信号是恒定包络信号。也就是说，第一放大版本的RF信号和第二放大版本的RF信号总是具有相同的振幅。Chireix放大器200采用了一种异相技术，由此第一放大版本和第二放大版本彼此相移。在第一放大版本的RF信号与第二放大版本的RF信号之间的相移的程度与馈送到Chireix放大器200的输入端的RF信号的原始振幅信息相对应。
参照图2C描绘了由Chireix组合器202呈递给第一放大器206和第二放大器212的标称阻抗响应的史密斯图。史密斯图绘制了Chireix组合器202遍及不同功率电平的阻抗。从左到右，高功率模式阻抗转换到低功率模式阻抗。如可以看出的，Chireix组合器202遍及不同的功率电平呈递负载调制阻抗响应。也就是说，根据Chireix放大器200正在工作的功率电平，向第一放大器206和第二放大器212呈递不同的阻抗。在高功率电平下，Chireix组合器202的电抗较小。在低功率电平下，Chireix组合器202的电抗较大。如本文所使用的，Chireix负载调制阻抗响应是指图2C所描绘的阻抗响应。该阻抗响应是关于Chireix放大器200的回退效率的标称阻抗响应。
参照图3，描绘了Doherty放大器100和Chireix放大器200的6dB回退效率曲线。6dB回退被用作示例。然而，本文所描述的电路和技术可以相应地适用于其他的回退效率优化。回退效率曲线描绘了每个放大器的漏极效率百分比与RF信号的归一化输入振幅的关系曲线，RF信号的归一化输入振幅的范围是从最小归一化输入振幅0到最大归一化输入振幅1.0。如可以看出的，每个放大器在某些区域提供比其他放大器更好的回退效率。Chireix放大器200在0.3至1.0的归一化输入振幅的高功率回退区中提供更好的回退效率。在该区域中，Chireix放大器200的效率在0.5的归一化输入振幅下接近78.5％的理想B类峰值效率。此外，Chireix放大器200的效率在大约在0.45的归一化输入振幅与最大1.0的归一化输入振幅之间的理想值下保持一致。相比之下，Doherty放大器100在该高功率回退区中包含两个峰值效率点，一个在0.5的归一化输入振幅处，而另一个在1.0的归一化输入振幅处。在这两个值之间存在显著的效率下降，其中Doherty放大器100的效率低于理想值并且小于其Chireix对应物。然而，在约0.4至0.0的归一化输入振幅之间的较低功率回退区中，Doherty放大器100表现地优于其Chireix对应物。当Chireix放大器200回退到该区域中时，其效率迅速下降。此外，Chireix放大器200在0.2的归一化输入振幅附近展现出显著的效率下降。相比之下，Doherty放大器100在回退到较低的回退期间展现出不那么显著的效率而没有下降。在约0.3的归一化输入振幅附近，Doherty放大器100变得比Chireix放大器200更有效率。
参照图4，描绘了Doherty-Chireix组合放大器的回退效率曲线400。通过使用根据下面要描述的装置实施方式的电路拓扑并且通过根据下面将描述的方法实施方式来操作该电路拓扑，来实现Doherty-Chireix组合放大器的回退效率曲线400。为了进行比较，提供了参照图3所述的Doherty放大器100和Chireix放大器200的效率曲线。如可以看出的，Doherty-Chireix组合放大器提供了每个放大器的关于回退效率的有益方面。也就是说，在大约在0.45至1.0的归一化输入振幅之间的高功率回退区中，Doherty-Chireix组合放大器提供与Chireix放大器200相当的性能。在0.45至0的归一化输入振幅之间的低功率区中，Doherty-Chireix组合放大器提供与Doherty放大器100相当(实际上略好)的性能。总体而言，Doherty-Chireix组合放大器几乎遍及整个功率回退范围表现地等于或好于其Doherty和Chireix对应物，并且因此提供了比参照图1描述的Doherty放大器100或参照图2描述的Chireix放大器200改善的回退效率。此外，Doherty-Chireix组合放大器在低功率区和高功率区之间提供平滑的过渡。
参照图5，描绘了Doherty-Chireix组合放大器500。Doherty-Chireix组合放大器500包括均被配置成放大诸如AM信号这样的RF信号的第一放大器器件502和第二放大器器件504。第一放大器器件502和第二放大器器件504可以包括任何类型的RF晶体管器件，包括诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、DMOS(双扩散金属氧化物半导体)晶体管、GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)、GaN MESFET(氮化镓金属半导体场效应晶体管)、LDMOS晶体管等的功率晶体管。Doherty-Chireix组合放大器500还包括功率组合器506。功率组合器506被配置成在求和节点508处将由第一放大器器件502生成的放大RF信号的RF功率与由第二放大器器件504生成的放大RF信号的RF功率组合。
Doherty-Chireix组合放大器500被配置成根据由第一放大器器件502和第二放大器器件504接收到的RF信号的幅值而以两种模式工作。当接收到的RF信号的振幅等于或低于预定阈值时，Doherty-Chireix组合放大器500以Doherty放大器模式工作。在Doherty放大器模式下，利用第一放大器器件502放大RF信号，同时关断第二放大器器件504。当接收到的RF信号高于预定阈值时，Doherty-Chireix组合放大器500以Chireix放大器模式工作。在Chireix放大器模式下，Doherty-Chireix组合放大器500利用第一放大器器件502和第二放大器器件504来放大RF信号并且执行如参照图2所描述的Chireix放大器200的异相操作。
参照图6，描绘了Doherty-Chireix组合放大器500的性能分析。在该实施方式中，功率组合器506与参照图2描述的Chireix组合器202相同。Doherty-Chireix组合放大器500针对在0至0.5的归一化的输入振幅之间的RF信号输入振幅值而以Doherty放大器模式工作，并且针对在0.5至1.0的归一化的输入振幅之间的RF信号输入振幅值而以Chireix放大器模式工作。图6A描绘了关于在Doherty放大器模式(即，第一放大器器件502激活而第二放大器器件504关断)下Doherty-Chireix组合放大器500的等效电路。图6B描绘了在两种工作模式下被呈递给放大器502的功率组合器506的阻抗的史密斯图。图6C描绘了以与参照图3和图4描述的曲线相似的方式示出了漏极效率与输入振幅之间关系的回退效率曲线。
如从图6C可以看出的，在0.55至1.0的归一化输入振幅之间的高功率回退区中，Doherty-Chireix组合放大器500提供与Chireix放大器200的性能相当的性能。这是可以预见的，因为Doherty-Chireix组合放大器500被配置成与参照图2描述的Chireix放大器200相同并且以与Chireix放大器200相同的方式工作。然而，在0.55至0.0的归一化输入振幅之间的低功率回退区中，观察到几个缺点。这些缺点涉及功率组合器506呈递如图2所示的标称Chireix负载调制阻抗响应这一事实。该阻抗响应被认为是就放大器效率而言针对Chireix放大器的标称阻抗响应，但是不是针对Doherty组合器102的标称阻抗响应。功率组合器506的无功损耗负面地影响放大器效率。一个显著的缺点是在Doherty模式与Chiriex模式之间的突然的效率转变。如图6C所示，在0.50至0.55的归一化输入振幅之间的效率变化率很大。这对应于第二放大器器件504接通的工作区域。另一个显著的缺点是在0.50至0.0的归一化输入振幅之间的区域中的效率降低。再次参照图3和图4，可以看出，Doherty放大器100在0.0至0.5的归一化输入振幅之间展现出近似线性的效率增加，并达到约78.5％的最大效率。通过比较，图6C的效率曲线表明对于0.5的归一化输入振幅，Doherty-Chireix组合放大器500达到约60％的最大效率。现在将描述解决这些缺点的技术。
参见图7，描述了放大器切换控制和Doherty放大器模式与Chireix放大器模式之间转换的影响。图7A和7B绘制了根据输入放大器振幅变化的第一放大器502和第二放大器504各自的漏电流700、702。图7C描绘了关于如在图7A中所描绘的那样工作的Doherty-Chireix组合放大器500的漏极效率。图7D描绘了关于如在图7B中所描绘的那样工作的Doherty-Chireix组合放大器500的漏极效率。Doherty放大器模式与Chireix放大器模式(即当第二放大器器件504开始接通时)之间的转换发生在RF输入信号的0.5的归一化输入振幅处。如图7A和图7B所描绘的，在该点处，第二放大器器件的漏电流开始上升。在图7A的实施方式中，第二放大器器件504被快速转变，使得漏电流在大约0.55的归一化输入振幅处匹配于第一放大器器件502的漏电流。结果，在Doherty放大器模式与Chireix放大器模式之间的转变处，发生漏极效率的突然转变。相比之下，在图7B的实施方式中，第二放大器器件504缓慢地转变，使得第二放大器的漏电流与第一放大器的漏电流不匹配，直到约0.70的归一化输入振幅为止。因此，消除了Doherty放大器模式与Chireix放大器模式之间的漏极效率的突然转变。因此，通过控制第二放大器器件504的接通时间，实现了Doherty-Chireix组合放大器500的平滑效率曲线。可以利用各种技术以所描绘的方式控制第二放大器器件504的增益，这包括控制第二放大器器件504的栅极电压。或者，可以调整第二放大器器件504的器件参数以获得合适的增益。
参照图8，描绘了具有修改的功率组合器506的Doherty-Chireix组合放大器500的性能分析。图8A和图8B描绘了在Doherty放大器模式(即，第一放大器器件502激活而第二放大器器件504关断)下的Doherty-Chireix组合放大器500的等效电路。图8C描绘了在两种工作模式下由修改的功率组合器506呈递给第一放大器器件502和第二放大器器件504的阻抗的史密斯图。图8D描绘了展现漏极效率与输入振幅之间关系的回退效率曲线。
修改的功率组合器506包括参照图2A描述的Chireix组合器202。在图8A的实施方式中，Chireix组合器202对应于参照图2A描述的包括第一无功效率补偿组件218和第二无功效率补偿组件220的Chireix组合器202。在图8B的实施方式中，Chireix组合器202对应于参照图2B描述的将第一无功效率补偿组件218的电抗和第二无功效率补偿组件220的电抗并入第一阻抗变换器214和第二阻抗变换器216中的Chireix组合器202。除了Chireix组合器202之外，两个修改的功率组合器506还包括电抗补偿元件。特别地，修改的功率组合器506包括针对Chireix组合器202的第一支路204以并联配置布置的第一电抗补偿元件800和针对Chireix组合器202的第二支路以并联配置布置的第二电抗补偿元件802。第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802可以是任何无功部件，例如取决于哪个支路被驱动而包括电感器和电容器。
根据以下等式1，表示Chireix组合器202的输入导纳YL：
等式1：
Figure BDA0001333392740000121
其中，R0＝第一阻抗变换器214和第二阻抗变换器216的特征阻抗，RL＝求和节点电阻器RSUM的电阻，以及B是Chireix效率补偿元件的电纳。根据以下等式2，表示Chireix组合器202的效率η：
等式2：
Figure BDA0001333392740000122
其中，YL＝输入导纳。
由于第一无功效率补偿组件218和第二无功效率补偿组件220(图8A)或者被配置为不同长度的传输线的第一阻抗变换器214和第二阻抗变换器216(图8B)的电抗，Chireix组合器202的输入导纳YL包含虚部。利用一个示例来求解等式(1)，假设6dB的回退、20Ohm的求和节点阻抗(RL)以及8Ohm的峰值功率阻抗(Rp)，则特征阻抗R0为17.9Ohm。这意味着根据等式(2)的计算，组合器效率仅为75.593％。假设具有78.5％的峰值效率的理想B类操作，可达到的效率仅为59.37％，这比理想的B类操作低19.1％。换言之，与纯电阻功率组合器相比，Chireix组合器202的电抗降低了Chireix组合器202的效率。
第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802被配置成在Doherty放大器模式下补偿Chireix组合器202的电抗。换言之，第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802共同地使由修改的功率组合器506呈递的阻抗更靠近图1A所描绘的理想Doherty组合器响应。这通过选择消除(在图8A的情况下的)第一无功效率组件和第二无功效率组件的电抗或者(在图8B的情况下的)第一不同长度传输线和第二不同长度传输线的电抗的第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802的参数值来完成。可以选择这些参数值以完全消除Chireix组合器202的电抗，使得在RF信号的中心频率处，修改的功率组合器506是纯电阻的。可以导出三次方程来找到使导纳的虚部为零的解。或者，可以有效地使用利用计算机辅助设计(CAD)系统的优化。
图8C和8D示出了利用第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802来补偿Chireix组合器202的电抗的效果。如从图8C与图6B的比较可以看出，Doherty放大器区域(史密斯图右侧)中的修改的功率组合器506的阻抗朝着实轴偏移。从图8D与图6C的比较可以看出，在0.50至0.0的归一化输入振幅之间的低功率回退区实现了效率的显著提高。在该区域中，放大器效率呈线性增加并且达到78.5％的理想B类效率。因此，通过在修改的功率组合器506中包括第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802，Doherty-Chireix组合放大器500可以在低功率回退电平处实现与Doherty放大器100的效率相当的效率。
然而，图8C和图8D还显示，在没有任何其他调整的情况下，第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802在Chireix放大器模式下有害地影响了Doherty-Chireix组合放大器500的性能。如从图8D中可以看出，Doherty-Chireix组合放大器500在0.70至1.0的归一化输入振幅之间具有降低的效率。这种降低是由于第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802被并入修改的功率组合器电路506中引起的。
如从图8C与图6B的比较可以看出，在Chireix放大器区域(史密斯图左侧)中的修改的功率组合器506的阻抗朝着电感轴偏移。这表明由修改的功率组合器506呈递的阻抗从标称的Chireix负载调制阻抗响应朝着更加电感性的阻抗响应偏移。现在将参照图9讨论补偿第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802在Chireix放大器模式下的影响的方法。
参照图9，提供了描述信号振幅变化对功率组合器506的阻抗响应的影响的史密斯图。史密斯图包括三个不同的负载调制阻抗响应曲线。第一负载调制阻抗响应曲线900示出了Chireix组合器202的负载调制阻抗响应，其中第一放大RF信号与第二放大RF信号的振幅相等。这对应于参照图2A描述的标称Chireix负载调制阻抗响应。第二负载调制阻抗响应曲线902示出了向上(即，更加电感性)调整的负载调制阻抗响应，这对应于(由第一放大器器件502生成的)第一放大RF信号的振幅相对于(由第二放大器器件504生成)第二放大RF信号的振幅增加30％的情况。第三负载调制阻抗响应曲线904示出了向下(即，更加电容性)调整的负载调制阻抗响应，这对应于第一放大RF信号的振幅相对于第二放大RF信号的振幅下降30％的情况。如可以看出的，通过适当地设定第一放大RF信号与第二放大RF信号的振幅差，负载调制阻抗响应可以沿着期望的方向偏移。该原理用于Doherty-Chireix组合放大器500的实施方式中，以补偿如上所述第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802对标称Chireix负载调制阻抗响应的影响。
参照图10，描绘了根据一个实施方式的Doherty-Chireix组合放大器500的性能分析。在这种情况下，Doherty-Chireix组合放大器500包括经修改的功率组合器506，其被配置成消除Chireix组合器202的电抗，如参照图8所描述的那样。此外，应用如参照图9所描述的补偿第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802的电抗的非对称振幅调整。
图10A描绘了在两种工作模式下由修改的功率组合器506呈递给第一放大器器件502和第二放大器器件504的阻抗的史密斯图。如可以看出的，呈递给第一放大器器件502和第二放大器器件504的调制阻抗已经借由非对称异相振幅调整而被调整为非常类似于标称Chireix负载调制阻抗响应。
图10B描绘了表明漏极效率与输入振幅的关系的回退效率曲线。如可以看出的，在对应于Chireix放大器模式的0.70至1.0的归一化输入振幅之间的范围内，Doherty-Chireix组合放大器500的效率与在相应的回退区中的Chireix放大器200的效率非常相似。
参照图11，描绘了对第二放大器器件504的接通时间的调整效果。在这种情况下，Doherty-Chireix组合放大器500包括修改的功率组合器506，并且如前文所述利用非对称振幅调节来工作。图11A描绘了表明针对在Doherty模式与Chireix模式之间的各个转变点(即，第二放大器器件504接通的点)的漏极效率与输入振幅的关系的回退效率曲线。第一曲线900描绘了在RF信号的0.5的最大输入振幅处、在Doherty放大器模式与Chireix放大器模式之间转换的效率。第二曲线902描绘了在RF信号的0.44的最大输入振幅处、在Doherty模式与Chireix模式之间转换的效率。第三曲线904描绘了在RF信号的0.33的最大输入振幅处、在Doherty模式与Chireix模式之间转换的效率。如可以看出的，通过调整转换点，可以有利地实现Doherty放大器模式下的效率提高，而不会对Chireix模式下的操作产生不利影响。
图11B和图11C通过将参照图11A描述的转换时间接通改善与参照图7描述的第二放大器器件504的受控接通相组合，来描绘回退效率的优化。在这种情况下，Doherty-Chireix组合放大器500包括修改的功率组合器506，并且如前文所述利用非对称振幅调节来工作。图11B描绘了第一放大器502和第二放大器504各自的漏电流700、702随输入放大器振幅的变化，其中，在Doherty模式与Chireix模式之间的转换发生在RF信号的0.44的最大振幅处。图11C描绘了对应于参照图4描绘的效率曲线400的最终效率曲线400。有利地，本文描述的电路和方法在所有回退区中产生高效率，并且具有在单放大器模式(即，Doherty放大器模式)与双放大器模式(即，Chireix放大器模式)之间的平滑过渡。
参照图12，描绘了根据一个实施方式的功率组合器506。功率组合器包括连接至Doherty-Chireix组合放大器500的第一放大器器件502和第二放大器器件504的第一RF输入端1200和第二RF输入端1202。功率组合器506包括参照图2描述的Chireix组合器202。Chireix组合器202被配置成向第一RF输入端1200和第二RF输入端1202呈递Chireix负载调制阻抗响应。此外，功率组合器506包括如参照图8描述的第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802。第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802至少部分地补偿了在Doherty放大器模式下的Chireix组合器202的电抗，并且如前文所述可以被配置成完全消除Doherty-Chireix组合放大器500的电抗，使得当向第一RF输入端1200和第二RF输入端1202施加RF信号时，在第一RF输入端1200和第二RF输入端1202处看到的阻抗是电开路的。
此外，功率组合器506包括连接至第一支路和第二支路的DC抽头1204、1206。DC抽头1204、1206使得能够在Doherty-Chireix组合放大器500以Chireix放大器模式工作时，如参照图9和图10所描述的那样对第一放大RF信号和第二放大RF信号进行振幅调整。第一DC阻断电容器1208和第二DC阻断电容器1210与功率组合器506的第一支路204和第二支路210串联连接。第一DC阻断电容器1208和第二DC阻断电容器1210去除由DC抽头1204、1206提供的振幅调整中的DC分量。或者，代替DC抽头1204、1206以及DC阻断电容器1208和DC阻断电容器1210，可以根据各种其他技术实现如参照图9和图10所描述的对第一放大RF信号和第二放大RF信号的振幅调整。例如，可以针对非对称操作来调整第一放大器器件502和第二放大器器件504的参数。作为另一示例，施加至第一放大器器件502和第二放大器器件504的控制信号可被配置成用于非对称操作。
参照图13，描绘了根据一个实施方式的Doherty-Chireix组合放大器500。在该实施方式中，Doherty-Chireix组合放大器500包括功率组合器506，其除了从功率组合器506中省略了第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802之外，与参照图12描述的功率组合器506相同。Doherty-Chireix组合放大器500还包括体现为MOSFET的第一放大器器件502和第二放大器器件504。Doherty-Chireix组合放大器500还包括连接在第一放大器器件502与功率组合器506的第一支路204之间的第一输出匹配网络1300，和连接在第二放大器器件504与功率组合器506的第二支路210之间的第二输出匹配网络1302。第一输出匹配网络1300和第二输出匹配网络1302是被配置成使第一放大器器件502和第二放大器器件504的输出阻抗与固定值相匹配的集成输出阻抗匹配的一部分。第一输出匹配网络1300和第二输出匹配网络1302可以由纳入包括第一放大器器件502和第二放大器器件504的器件封装中的芯片电容器和电感接合线来提供。在该实施方式中，第一电抗补偿元件800和第二电抗补偿元件802的电抗已经被并入第一输出匹配网络1300和第二输出匹配网络1302中。也就是说，第一输出匹配网络1300和第二输出匹配网络1302被配置成除了阻抗匹配之外还以先前描述的方式补偿Chireix组合器202在Doherty放大器模式下的电抗。
如本文所使用的诸如“相同”、“匹配”和“相匹配”的术语旨在意味着相同，几乎相同或近似，使得在不背离本发明的精神的情况下设想一些合理的变化量。术语“恒定”表示不改变或不发生变化，或者稍微改变或稍微变化，从而在不背离本发明的精神的情况下设想一些合理的变化量。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语被用于描述各种元件、区域、区段等，并且也不旨在限制。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元素。
术语“直接电连接”或“电连接”描述了电连接元件之间的永久低欧姆连接，例如相关元件之间的有线连接。相比之下，术语“电耦合”意味着在电合接元件之间设置有被配置成以某种有形方式影响电信号的一个或更多个中间元件。这些中间元件包括诸如晶体管的有源元件，以及诸如电感器、电容器、二极管、电阻器等的无源元件。
使用诸如“下”、“之下”、“下方”、“上方”、“之上”等之类的空间相关的术语来方便说明一个元件相对于第二元件的定位。除了不同于附图中的取向之外，这些术语旨在还包括器件的不同取向。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也被用于描述各种元件、区域、区段等，并且也不旨在限制。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元素。
如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是指示所述元件或特征的存在但不排除另外的元件或特征的开放式术语。单数形式旨在包括复数和单数，除非上下文另有明确指出。
考虑到上述变化范围和应用，应当理解，本发明不受前述描述的限制，也不受附图的限制。而是，本发明仅由所附权利要求及其合法等同物限制。

Claims (20)

1.一种被配置成放大射频RF信号的放大器，所述放大器包括：
功率组合器电路，所述功率组合器电路包括：
Chireix组合器，所述Chireix组合器包括连接在第一RF输入端与求和节点之间的第一支路、以及连接在第二RF输入端与所述求和节点之间的第二支路，所述第一支路和所述第二支路中的每一个包括阻抗变换器，其中，所述Chireix组合器被配置成对所述第一RF输入端和所述第二RF输入端呈递Chireix负载调制阻抗响应；以及
补偿元件，所述补偿元件被配置成以Doherty放大器模式至少部分地补偿所述Chireix组合器的电抗，在所述Doherty放大器模式下，向所述第一RF输入端施加信号并且所述第二RF输入端电开路。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述补偿元件包括：
针对所述第一支路以并联配置布置的第一电抗补偿元件；以及
针对所述第二支路以并联配置布置的第二电抗补偿元件。
3.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述补偿元件被配置成对于所述RF信号的中心频率完全消除所述Chireix组合器的电抗，使得所述功率组合器电路在所述Doherty放大器模式下具有纯电阻阻抗。
4.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述第一支路和所述第二支路的所述阻抗变换器由与所述第一支路串联连接的第一传输线和与所述第二支路串联连接的第二传输线提供。
5.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述第一传输线和所述第二传输线具有与所述RF信号的中心频率的四分之一波长相对应的相等长度，其中，所述Chireix组合器还包括分别针对所述第一支路和所述第二支路以并联配置布置的第一无功效率补偿组件和第二无功效率补偿组件，并且其中，所述补偿元件被配置成以所述Doherty放大器模式在所述RF信号的中心频率处完全消除所述第一传输线和所述第二传输线的电抗以及所述第一无功效率补偿组件和所述第二无功效率补偿组件的电抗。
6.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述第一传输线和所述第二传输线具有彼此不同并且与所述RF信号的中心频率的四分之一波长不同的长度，其中，所述第一传输线和所述第二传输线共同呈递所述Chireix负载调制阻抗响应，并且其中，所述补偿元件被配置成完全消除所述第一传输线和所述第二传输线在所述RF信号的中心频率处的电抗。
7.根据权利要求1所述的放大器，还包括：
连接至所述功率组合器电路的所述第一RF输入端的第一放大器，所述第一放大器被配置成放大RF信号；
连接至所述功率组合器电路的所述第二RF输入端的第二放大器，所述第二放大器被配置成放大RF信号；
其中，所述放大器被配置成根据所述RF信号的幅值以Doherty放大器模式或Chireix放大器模式工作，
其中，所述放大器被配置成以Doherty放大器模式来：仅利用所述第一放大器生成第一放大版本的RF信号；以及将所述第一放大版本的RF信号施加至所述第一RF输入端，以及
其中，所述放大器被配置成以Chireix放大器模式来：利用所述第一放大器生成第一放大版本的RF信号；利用所述第二放大器生成与所述第一放大版本的RF信号异相的第二放大版本的RF信号；将所述第一放大版本的RF信号施加至所述第一RF输入端；以及将所述第二放大版本的RF信号施加至所述第二RF输入端。
8.根据权利要求7所述的放大器，其中，所述放大器被配置成以Chireix放大器模式来生成所述第一放大版本的RF信号，所述第一放大版本的RF信号具有与所述第二放大版本的RF信号的振幅不同的振幅。
9.一种放大射频RF信号的方法，所述方法包括：
提供一种放大器电路，所述放大器电路包括第一放大器、第二放大器以及连接至所述第一放大器和所述第二放大器的功率组合器电路，所述功率组合器电路包括被配置成呈递Chireix负载调制阻抗响应的Chireix组合器以及补偿元件；
针对等于或低于预定阈值的RF信号的幅值，以Doherty放大器模式操作所述放大器电路，其中，以所述Doherty放大器模式操作所述放大器电路包括：
利用所述第一放大器生成第一放大版本的RF信号，而所述第二放大器关断，
将所述第一放大版本的RF信号施加至所述功率组合器电路的第一RF输入端，以及
利用所述补偿元件来补偿所述Chireix组合器的电抗；
针对高于所述预定阈值的RF信号的幅值，以Chireix放大器模式操作所述放大器电路，其中，以所述Chireix放大器模式操作所述放大器电路包括：
利用所述第一放大器生成第一放大版本的RF信号，
利用所述第二放大器生成第二放大版本的RF信号，所述第二放大版本的RF信号与所述第一放大版本的RF信号异相，以及
利用所述Chireix组合器将所述第一放大版本的RF信号与所述第二放大版本的RF信号组合并且调制从所述第一放大器和所述第二放大器跨所述第一放大版本的RF信号和所述第二放大版本的RF信号的不同功率电平所看到的阻抗。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括当所述RF信号的振幅达到所述预定阈值时，将所述放大器电路从所述Doherty放大器模式转换到所述Chireix放大器模式，其中，将所述放大器电路从所述Doherty放大器模式转换到所述Chireix放大器模式包括控制第二放大器的接通操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述第二放大器的接通操作包括控制所述第二放大器的转换时间，以便降低放大器功率在从所述Doherty放大器模式到所述Chireix放大器模式的转换之间的变化率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述第二放大器的接通操作包括选择与在所述Doherty放大器模式下提供改善的效率的RF信号的输入振幅相对应的预定阈值。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述补偿元件包括针对第一支路以并联配置布置的第一电抗补偿元件以及针对第二支路以并联配置布置的第二电抗补偿元件，其中，所述第一电抗补偿元件和所述第二电抗补偿元件被配置成在所述Doherty放大器模式期间补偿所述Chireix组合器的导纳。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述放大器电路以所述Doherty放大器模式工作，使得所述功率组合器电路具有纯电阻阻抗。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，以所述Chireix放大器模式操作所述放大器电路还包括生成具有非对称振幅的第一放大版本的RF信号和第二放大版本的RF信号，以便使所述功率组合器电路的阻抗向标称Chireix负载调制阻抗响应偏移。
16.一种利用放大器来放大射频RF信号的方法，所述放大器包括第一放大器和第二放大器以及连接至所述第一放大器和所述第二放大器的功率组合器电路，所述功率组合器电路包括被配置成呈递Chireix负载调制阻抗响应的Chireix组合器以及补偿元件，所述方法包括：
当所述RF信号的振幅等于或低于预定阈值时，以Doherty放大器模式操作所述放大器，其中，以所述Doherty放大器模式操作所述放大器包括：
利用所述第一放大器放大所述RF信号，而所述第二放大器关断，
利用所述功率组合器电路从所述第一放大器提取第一放大的RF信号，以及
利用所述补偿元件来补偿所述Chireix组合器的导纳，以便提高所述放大器的效率；
当所述RF信号的振幅高于所述预定阈值时，以Chireix放大器模式操作所述放大器，其中，以所述Chireix放大器模式操作所述放大器包括：
利用所述第一放大器和所述第二放大器放大所述RF信号，
利用所述功率组合器电路从所述第一放大器提取第一放大的RF信号并且从所述第二放大器提取第二放大的RF信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，补偿所述Chireix组合器的导纳包括使用连接至所述Chireix组合器的第一支路的第一电抗补偿元件和连接至所述Chireix组合器的第二支路的第二电抗补偿元件，并且其中，所述放大器以所述Doherty放大器模式工作，使得所述功率组合器电路具有纯电阻阻抗。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述放大器还包括连接在所述第一放大器与所述功率组合器电路之间的第一输出匹配网络以及连接在所述第二放大器与所述功率组合器电路之间的第二输出匹配网络，并且其中，补偿所述Chireix组合器的导纳包括使用所述第一输出匹配网络和所述第二输出匹配网络的电抗，并且其中，所述放大器以所述Doherty放大器模式工作，使得所述功率组合器电路具有纯电阻阻抗。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，以所述Chireix放大器模式操作所述放大器包括生成具有非对称振幅的第一放大的RF信号和第二放大的RF信号，并且其中，所述第一放大的RF信号与所述第二放大的RF信号之间的振幅差异使所述功率组合器电路的阻抗向标称Chireix负载调制阻抗响应偏移。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括当所述RF信号的振幅达到所述预定阈值时，使所述放大器从所述Doherty放大器模式转换到所述Chireix放大器模式，其中，使所述放大器从所述Doherty放大器模式转换到所述Chireix放大器模式包括控制所述第二放大器的接通时间以及选择所述预定阈值的幅值以提高效率并且降低在功率回退电平处的功率变化率。
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