CN1741373A - 用于多赫蒂放大器并行操作的电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电路，用于并行操作小尺寸和低成本的多赫蒂放大器，同时减少传输损耗以及避免窄带。这个电路具有多个多赫蒂放大器和信号组合器组成。向多个多赫蒂放大器的每一个施加分配的输入信号，由多赫蒂放大器放大并传送输入信号。信号组合器由传输线转换器构成，并且与多赫蒂放大器的输出及其输出端子相连。从多赫蒂放大器看过去，信号组合器具有表示用于多赫蒂放大器的最佳负载的阻抗，并且从输出端子看过去，具有与连接输出端子的传输线的特征阻抗相等的阻抗。信号组合器组合多赫蒂放大器的输出并从输出端子传送结果。

Description

用于多赫蒂放大器并行操作的电路
技术领域
本发明涉及一种多赫蒂放大器，对彼此不同操作类的载波放大器和峰值放大器的输出进行组合。
背景技术
在无线通信系统中使用的功率放大器要求提供线性和高效性。
此外，在近年来使用多值数字调制的通信系统中，经常需要处理其信号幅度的平均值不同于最大值的信号。为了放大这种信号，在传统放大器中，必须设置放大器的操作点，使得能够将无失真地将信号放大到最大值幅度。因此，在近饱和输出处，放大器不能操作，这使得放大器保持较高的效率。这种情况(即，放大器仅仅操作在饱和输出附近)迫使放大器以很低的效率操作。
为了解决这个问题，已经提出了各种技术来改进放大器的效率同时保持线性。其中一种技术就是多赫蒂放大器。目的在于改进高输出功率放大器效率的多赫蒂放大器传送操作类彼此不同的载波放大器和峰值放大器输出的组合。W.H.Doherty的“New High Efficient PowerAmplifier for Modulated Waves”，1936 Proc.of IRE，Vol.24，No.9，1163-1182页中公开了多赫蒂放大器的基本操作和参数，这是本领域公知的。
多赫蒂放大器进行操作，其中载波放大器在饱和输出功率附近维持饱和，即使多赫蒂放大器传送具有饱和功率中提供补偿(backoff)的输出，整体上也能够提供比一般的A类和AB类放大器更高的效率。补偿指平均输出功率和饱和功率之间的差值。因此，较大补偿状态表示一种平均输出功率比饱和功率小的状态。
多赫蒂放大器的一般操作原理是公知的，例如，根据SteveC.Cripps的文章“Advanced Technique in RF Power Amplifier”，ArtechHouse 2002，33-56页，与本发明有关的部分将在下面说明。
用于组合载波放大器输出和峰值放大器输出的组合器电路由变换器或阻抗转换器组成，并且在处理微波波段信号时经常包括四分之一波长的传输线。对于多赫蒂放大器的理想操作，当从输出组合点看过去时，典型地，将负载的阻抗设为Z0/2，其中z0代表传输线的特征阻抗。典型地，在高频电路中将z0设为50Ω。
为了实现阻抗匹配，作为覆盖从负载阻抗Z0/2到特征阻抗z0的电路，在高频波段中，在组合点和输出之间使用四分之一波长传输线。作为这种电路的一个实例，在R.J.McMorrow等的文章“THEMICROWAVEDOHERTY AMPLIFIER”1994 IEEE MIT-S Digest(TH3E-7)，1653-1656页发表了在微波波段实现的组合器电路。
越来越需要放大器产生更高功率，一般通过并行操作多个放大器以产生更高功率来满足这个要求。并行操作多个放大器的公知方法包括：使用Wilkinson分布式组合器的同相分布组合型、推挽型、利用混合电路的平衡型，等等。例如，Guillermo Gonzalez的文章“MICROWAVE TRANSISTOR AMPLIFIERS Analysis and Designsecond edition”，Prentice，1997，327-333页中，一种并行操作多个放大器的通用方法是采用使用混合电路的平衡型、Willkinson分布式混合器等。
根据以上所述，可以认为，高效地并行操作具有高效率的多赫蒂放大器，用于产生较高的输出，以便满足线性和高效率的要求并实现较高的输出。
如上所述，从多赫蒂放大器看过去，通常负载的理想阻抗与系统的特征阻抗Z0不同，而是特征阻抗的一半，即Z0/2。因此，为了在推挽配置或平衡配置中并行操作多个多赫蒂放大器，在输出处需要电路，以便将用于组合多个多赫蒂放大器的输出的组合器的阻抗z0转换为多赫蒂放大器的负载阻抗Z0/2。
作为并行操作的多赫蒂放大器的一个示例，Kyong-joon cho等的文章“RF HIGH POWER DOHERTY AMPLIFIER FOR INPROVINGTHE EFFICIENCY OF A FEEDFORWARD LINEAR AMPLIFIER”，2004 IEEE MTT-S文摘(WE6C-3)，847-850页中提出了一种平衡型放大器，其利用混合电路连接两个多赫蒂放大器，以便并行操作。图1是示出了用于并行操作多赫蒂放大器的传统电路的电路图。参考图1，在每一个多赫蒂放大器51、52的输出，连接了四分之一波长阻抗转换线53、54，用于将阻抗从Z0/2转换为z0。混合电路55连接在四分之一波长阻抗转换线53、54的输出，用于组合两个多赫蒂放大器51、52的输出。这些部件构成一个基于并行操作的多赫蒂放大器的平衡放大器。
但是，上述技术实例存在下面问题。
图1所示的传统组合器电路出现的问题在于，由于从每一个多赫蒂放大器到输出的延长传输线所导致的较大的信号传输损耗以及较低的放大器效率。
此外，由于阻抗变换线和例如混合电路的功率组合器均由四分之一波长传输线构成，限制了波段，从而只能在有限的窄带内能够执行希望的操作。
另外，在利用混合组合器的配置和利用Wilknson组合器的配置中，组合器都需要端接器(terminator)。因此，这种配置对缩减尺寸和成本是不利的，因为包括阻抗变换线在内的线部分较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于并行操作多赫蒂放大器的紧凑且低成本的电路，减小传输损耗并防止波段变窄。
为了实现所述目的，一种根据本发明的、放大输入信号以在输出端子传送已放大信号的多赫蒂放大器并行操作电路，包括多个多赫蒂放大器和信号组合器。
每一个多赫蒂放大器接收并放大分布输入信号，以便输出。信号组合器由传输线转换器构成，并且连接到多赫蒂放大器的输出和输出端子。从多赫蒂放大器看过去，信号组合器具有对于多赫蒂放大器表示最优负载的阻抗，从输出端子看过去，其具有与连接到输出端子的传输线的特征阻抗相匹配的阻抗。该信号组合器组合多赫蒂放大器的输出并从输出端子传送输出结果。
参考演示了本发明示例的附图，从以下说明中，本发明的以上及其它目的、特点及优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示出了用于并行操作多赫蒂放大器的传统电路的图；
图2是示出了根据本发明一个实施例的多赫蒂放大器并行操作电路的配置的图；
图3A到3C是用于描述传输线转换器的图；
图4是根据本发明另一个实施例的多赫蒂放大器并行操作电路的配置的图；以及
图5是根据本发明又一个实施例的多赫蒂放大器并行操作电路的配置的图。
具体实施方式
图2是示出了根据本发明一个实施例的多赫蒂放大器并行操作电路的配置的图。
如图2所示，本实施例的多赫蒂放大器并行操作电路包括：两个多赫蒂放大器11、12，信号分配器13，以及传输线转换器14。信号分配器13将来自输入端子15的信号分配输入信号到两个多赫蒂放大器11、12。多赫蒂放大器11包括：载波放大器111、峰值放大器112、分支电路113和组合器电路114。类似地，多赫蒂放大器12包括：载波放大器121、峰值放大器122、分支电路123和组合器电路124。作为示例，每一个分支电路113、123和组合器电路114、124均由四分之一波长传输线组成。
由传输线转换器14组合两个多赫蒂放大器11、12的输出，并从输出端子16传送给与其相连的传输线(未显示)。输入侧的信号分配器13是传统的通用型。
作为示例，由四分之一波长同轴线组成传输线转换器。作为另一个示例，传输线转换器可以由对等集总常数电路或并行的二线式线路(two-wire line)组成。本实施例中的传输线转换器14是一个特征阻抗是z0且长度是四分之一波长的同轴电缆，其中z0是传输线的特征阻抗。
图3A到3C是用于描述传输线转换器的图。如图3A所示，从端子T1看过去，传输线转换器阻抗是z0，从端子T2、T3看过去，阻抗是Z0/2。具体地，如图3B所示，假设T2、T3端的阻抗均为Z0/2，T1端的阻抗就为z0。如图3C所示，假设端子T1的阻抗为z0，端子T2、T3的阻抗均为Z0/2。通过在多赫蒂放大器11、12输入侧的信号分配器13处以相反相位分配信号，能够容易地实现对于阻抗为Z0/2的信号的反相条件。
因此，当传输线转换器14用于信号组合器来组合并行操作的多赫蒂放大器11、12的输出时，如图2所示，当从每个多赫蒂放大器11、12看负载时，阻抗是Z0/2。这对于多赫蒂放大器是理想或最佳的负载条件。另一方面，当从传输线转换器14的输出侧看图2的电路时，阻抗是z0，因此建立了与系统阻抗的匹配。
如上所述，在本实施例中，从每一个多赫蒂放大器11、12到输出的较短传输线减少了传输损耗，并因此提高放大效率。例如，本实施例的结构能够比图1所示阻抗转换器与混合组合器分离的传统电路减少近一半的传输损耗。
此外，由于本实施例电路去除了会导致输出侧波段限制的电路部分，相比于之前可以扩展波段。例如，在本实施例中，由单个传输线转换器14代替了由两个电路组成的部分，即，图1所示传统电路中的阻抗转换器和混合组合器。这导致可能引起波段限制的电路减至一半。
此外，由于本实施例的电路配置简单，只有设置在多赫蒂放大器11、12输出侧的传输线转换器14，可以简化电路并缩减尺寸。
此外，由于本实施例的电路去除了在传统电路中必需的端接器，可以缩减电路成本和尺寸。
此外，在前述实施例中，传输线转换器14具有与系统的特征阻抗相等的特征阻抗，因此，能够利用廉价的同轴电缆来构成传输线转换器14，从而缩减电路的成本。
总之，根据前述实施例，输入被信号分配器13分配到两个反相组件，并且将这两个组件分别应用于多赫蒂放大器11、12。由传输线转换器14组合多赫蒂放大器11、12的输出，14从多赫蒂放大器11、12看过去，所述传输线转换器14具有阻抗Z0/2，从输出侧看过去，具有阻抗z0。结果，结果的多赫蒂放大并行操作电路能够减少传输损耗和波段限制，并组合多赫蒂放大器的输出，同时满足小尺寸、廉价且简单配置的多赫蒂放大器的理想操作条件。
下面，将给出本发明的另一个实施例，其中示出了用于并行操作四个多赫蒂放大器的电路。
图4是示出了根据本发明另一个实施例的多赫蒂放大器并行操作电路的配置的方框电路图。参考图4，本实施例的多赫蒂放大器并行操作电路包括：四个多赫蒂放大器31～34和传输线转换器35、36。四个多赫蒂放大器31～34并行操作，传输线转换器35、36用作信号组合器。假设传输线转换器35、36的特征阻抗为 在图4中，省略信号分配器并因此未显示。
多赫蒂放大器31的输出与传输线转换器35的中心导体相连，而多赫蒂放大器33的输出与传输线转换器35的外部导体相连。类似地，多赫蒂放大器32的输出与传输线转换器36的中心导体相连，而多赫蒂放大器34的输出与传输线转换器36的外部导体相连。
同相驱动多赫蒂放大器31、32，还同相驱动多赫蒂放大器33、34。此外，以与多赫蒂放大器33、34相反的相位驱动多赫蒂放大器31、32。
在输出侧，传输线转换器36的中心导体与传输线转换器35的外部导体相连。传输线转换器35的中心导体和传输线转换器36的外部导体组成多赫蒂放大器并行操作电路的输出。
由于配置多赫蒂放大器并行操作电路以便按照与多赫蒂放大器31相反的相位来驱动多赫蒂放大器33，当从多赫蒂放大器31看负载时，阻抗是传输线阻抗z0的一半。类似的，当从剩余的每一个多赫蒂放大器32～34看负载时，阻抗也是传输线阻抗z0的一半。
此外，当以本实施例所示方式连接传输线转换器35、36时，当从传输线转换器35的输入侧看传输线转换器35时，阻抗是z0。类似地，当从传输线转换器36的输入侧看传输线转换器36时，阻抗是z0。
如上所述，当从多赫蒂放大器31～34看负载时，阻抗表现为Z0/2，这代表多赫蒂放大器的理想负载条件。另一方面，由于当从输出看传输线转换器35、36时，每个阻抗都是Zn/2，从输出侧看多赫蒂放大器并行操作电路，阻抗是z0，由此实现了与系统的阻抗匹配。
因此，根据前述实施例，由传输线35、36组成的信号组合器来组合多赫蒂放大器31-34的输出，当从多赫蒂放大器31-34看过去时，传输线35、36的阻抗是Z0/2，而当从输出侧看过去时，阻抗是z0，结果的多赫蒂放大并行操作电路能够减少传输损耗和波段限制，并组合多赫蒂放大器的输出，同时满足小尺寸、廉价且简单配置的多赫蒂放大器理想操作条件。
尽管前述实施例演示了由同轴线组成每一个传输线转换器的示例，每一个传输线转换器可以由对等集总常数电路或并行的二线式线路组成。
接下来，将给出本发明的另一个实施例，其中示出了用于并行操作k2(k是一个正偶数)个多赫蒂放大器的电路。
图5是示出了根据又一个本发明实施例的多赫蒂放大器并行操作电路的配置的方框电路图。参考图5，本实施例的多赫蒂放大器并行操作电路包括2n个多赫蒂放大器411～41n、421～42n以及n个传输线转换器431～43n，其中n＝k2/2。传输线转换器431～43n组成一个信号组合器。假设将传输线转换器431～43n的特征阻抗选择为 在图5中，省略了信号分配器并因此未显示。
每一个传输线转换器431～43n具有连接到每一个多赫蒂放大器411～41n的输出的中心导体，以及连接到每一个多赫蒂放大器421～42n的输出的外部导体。
同相驱动所有多赫蒂放大器411～41n，同时也同相驱动多赫蒂放大器421～42n。此外，按照与多赫蒂放大器421～42n相反的相位来操作所有多赫蒂放大器411～41n。
在输出侧，传输线转换器43i(I＝2-n)的中心导体与传输线转换器43(i-1)的外部导体相连。此外，传输线转换器431的中心导体和传输线转换器43n的外部导体组成多赫蒂放大器并行操作电路的输出。
由于配置多赫蒂放大器并行操作电路以便按照彼此相反的相位驱动多赫蒂放大器411～41n和多赫蒂放大器421～42n，当从多赫蒂放大器411～41n看负载时，阻抗是传输线阻抗z0的一半。类似的，当从多赫蒂放大器421～42n看负载时，阻抗也是传输线阻抗z0的一半。
此外，当以本实施例所示方式连接传输线转换器431～43n时，当从传输线转换器431～43n的输入侧看传输线转换器431～43n时，阻抗是z0。
如上所述，当从多赫蒂放大器431～43n看负载时，阻抗是z0/2，这表示多赫蒂放大器的理想负载条件。另一方面，由于当从输出看传输线转换器时，每个阻抗都是Z0/2，当从输出端看多赫蒂放大器并行操作电路时，阻抗是z0，由此实现与系统的阻抗匹配。
作为示例，对于具有特征阻抗是 的传输线转换器，优选使用提前如此设计并组装的传输线。或者，代替提前设计并制造传输线以得到特征阻抗是
Figure A20051009165300112
的传输线转换器，可以并联特征阻抗为z0的传输线转换器以组成用于具有特征阻抗
Figure A20051009165300113
的传输线转换器的传输线转换器。
作为示例，假设并行操作四个多赫蒂放大器，其中z0是50欧姆。在种情况下，由于n＝2，根据
Figure A20051009165300114
计算得到，传输线的特征阻抗可以选择为35.35欧姆。代替使用具有这种特征阻抗的所谓专用同轴线，可以并联作为通用廉价的标准件的两个75欧姆同轴线，以组成传输线转换器，其特征阻抗是35欧姆(＝75/2)。
尽管已经针对负载阻抗是Z0/2的多赫蒂放大器说明了每个实施例，本发明并不局限于这种多赫蒂放大器。本发明的多赫蒂放大器并行操作电路的内在技术理念可以应用于任何其它的负载条件下理想操作的多赫蒂放大器。
此外，在所述每个实施例中，以彼此相反的相位驱动形成一对并连接到同一传输线转换器的两个多赫蒂放大器。然而，本发明不局限于这个特定配置。不必以相反的相位驱动，通过调整其之间的相位关系以及与这些多赫蒂放大器的输出相连的传输线转换器的设计(当形成同轴线时的线长、阻抗等等)，可以并行操作两个多赫蒂放大器。
尽管已经利用特定项说明了本发明的优选实施例，这种说明只是为了演示。在不脱离下面的权利要求的思想或范围的前提下，可进行改变和变化。

Claims (8)

1、一种多赫蒂放大器并行操作电路，用于放大输入信号以便将放大的信号传送到其输出端子，所述电路包括：
多个多赫蒂放大器，每一个接收向其分配的输入信号以便放大输入信号并传送放大的信号；
由以传输线转换器构成的信号组合器，并与所述多赫蒂放大器的输出和输出端子相连，用于组合所述多赫蒂放大器的输出，以便从输出端子传送组合的输出，当从所述多赫蒂放大器看过去时，所述信号组合器呈现对于所述多赫蒂放大器表示最佳负载的阻抗，而当从输出端子看过去时，其阻抗与连接到输出端子的传输线的特征阻抗相匹配。
2、根据权利要求1所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于，
所述多赫蒂放大器数目是2，所述传输线转换器是1，所述传输线转换器的特征阻抗与所述传输线的特性阻抗相匹配；以及
所述两个多赫蒂放大器的输出在所述传输线转换器的输入侧分别连接两个端子。
3、根据权利要求2所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于，以彼此相反的相位驱动所述两个多赫蒂放大器。
4、根据权利要求1所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于
所述多赫蒂放大器数目是k2，其中k是正偶数，所述传输线转换器n，其中n＝k2/2，每个所述传输线转换器的特征阻抗是所述传输线特征阻抗的
每两个多赫蒂放大器组成一对，其输出在所述传输线转换器之一的输出侧分别连接两个端子；以及
所有所述传输线转换器的输出端子串联。
5、根据权利要求4所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于，以彼此相反的相位驱动组成一对的所述多赫蒂放大器，在所有对中，以所述多赫蒂放大器之一的相位驱动每一对中所述多赫蒂放大器之一。
6、根据权利要求1所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于，所述传输线转换器由长度等于输入信号的四分之一波长的同轴线组成。
7、根据权利要求1所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于，对于所述多赫蒂放大器的理想负载是所述传输线的特征阻抗的一半。
8、根据权利要求4所述的多赫蒂放大器并行操作电路，其特征在于，所述传输线转换器数目是2，所述传输线具有特征阻抗50欧，每一个所述传输线转换器由并联的两个同轴线组成，每一个所述同轴线具有特征阻抗75欧。
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