CN1751434A - 利用减小的抵消带宽和小误差放大器的效率增强型前馈功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明申请公开了一种利用3个信号抵消环路的前馈功率放大器。环路1包括一个主放大器(215)，用来导出抵消了载波的主放大器输出取样。环路2包括一个误差放大器(400)，用来放大经环路1得到的抵消了载波的信号，以抵消由于主放大器(215)非线性特性而产生的失真结果。环路2还使用一个非常短的环路2延迟线(255)。由于降低了与环路2延迟线(255)相关的输出功率损耗，放大器效率得到明显提升。低输出损耗也导致了降低主放大器(215)产生的失真电平，这转而又降低了对误差放大器(400)大小和性能的要求。使用尺寸较小和效率较高的误差放大器(400)进而又提升了放大器系统的效率。所述前馈功率放大器还设有一个探测带外失真的寄生信号探测器(805)和一个相关联的用于环路1和环路2控制的微控制器(810)。在向寄生信号探测器(805)提供取样输出之前，一个第三信号抵消环路被用来对放大器输出进行取样并降低放大器输出取样信号中的载波电平。通过显著降低相对于失真功率电平的载波功率电平，所述前馈功率放大器可采用成本效益高的寄生信号探测器(805)。所述前馈功率放大器还在环路2抵消中提供了一个较快的变换时间，且由于寄生信号探测器(805)中DSP(817)的可用动态范围较大，带外失真抵消得到了增强。

Description

利用减小的抵消带宽和小误差放大器的 效率增强型前馈功率放大器
相关申请信息
本申请要求美国法典第35卷第119(e)条所规定的、2003年2月14号提交的序号60/447,772的美国专利临时申请案项下的权益，该专利的公开内容以参照方式结合于本申请。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及RF(射频)功率放大器和放大一种RF信号的方法。更具体的说，本发明涉及前馈放大器及相关方法。
2.现有技术和相关信息的描述
线性RF放大器被设计用来放大输入RF信号而又不引入不需要的失真，产生输出电平相当高的输出信号。如业内所知，放大器有很广泛的应用。放大器可以被加偏置而工作在众多的所谓的“类”中的一类。当加偏置工作在A类时，放大器对输入电压和输出电压提供一种线性关系。尽管A类放大器有很广泛的应用，但当需要和希望高功率输出和效率时，放大器有时加偏置而工作在A/B类。当偏置工作在A/B类时，A/B类放大器功率传输曲线25的线性不如A类放大器，如图1中扫描线15所示。为了提高效率，通信系统通常使放大器工作在非线性区域25中。然而，这样会在放大器输出信号中引入振幅和相位的失真分量。
又如业内所知，大多数通信系统有政府分配的以载波频率Fc为中心的频率带宽18(也就是说，带内频率)，如图2所示。例如一种CDMA(码分多址)IS-95通信系统信号具有一个预先确定的1.25MHz带宽。不同的CDMA通信频道在频谱中被分配在不同的频带。放大器就应用在这些系统中，并且通常偏置工作在A/B类。参考图1，通过工作在非线性区域25的放大器来进行的如放大等信号处理可能会在分配带宽18(图3)外产生失真频率“肩”22a-22b。(这些被称为带外频率。)这些带外频率分量会对分配到其他通信信号的带宽产生干扰。因此，世界上的管理机构都对带外频率分量有着严格的限制。
有许多技术可以降低带外失真，其中一种如图4所示，需要放大的信号22先输入至一个预失真单元24。预失真单元24具有功率传输特性23(图1)，它可以补偿由后级A/B类放大器26引入的失真。更明确地说，预失真单元24变换输入信号的电学特性(如增益和相位)使后级放大对输入信号的相位和频率特性提供线性放大。在一个实施例中，改变预失真放大器或A/B类主放大器的偏置参数可以影响信号补偿。有一种方法在美国专利6,046,635，题为DYNAMICPREDISTORTION COMPENSATION FOR A POWER AMPL接口IER(功率放大器的动态预失真补偿)有具体介绍，其完整内容通过引用与本申请相结合。根据对A/B类放大器非线性特性的先行测量来设置预失真单元24。不幸的是放大器特性(图1区域25中放大曲线10)随时间和温度而变化，使得进行有效预失真非常困难。例如当放大器温度升高时，其非线性区域25可能会变得更多或更少地线性，这就需要预失真单元24进行的变换有补偿改变。如图6所示，有些自适应预失真系统利用一个控制系统30根据环境因素如温度来改变预失真特性。典型做法是控制系统使用查询表，查询表中相应预计的情形对预失真器(predistorter；Pre-D)有预定控制设定。然而，不单只有环境因素能够决定放大器特性的改变，随着时间推移，由于放大器元件的老化，放大器特性的变化也会不可预测地变化。
另外一种减少放大器失真的方法是使用前馈补偿，如图5所示，其中包括一个前馈网络100用以降低带外失真。前馈放大器包括一个差分网络或合并器，一个主放大器20作为A/B类放大器，一个误差放大器35，延迟电路15和30，和一个合并器40。差分网络产生一个输出信号，该输出信号代表经工作在A/B类的主放大器20放大后的部分信号输出与放大器20放大前的输入信号之差。因此差分网络25输出信号的频率分量就是如图5所示的主放大器20引入的带外频率分量22a-22b。差分网络25的输出被误差放大器35放大以生成一个带外校正信号。差分网络25和误差放大器35产生的校正信号和与之有180度相位差的主放大器20延迟(经过延迟器30延迟)输出信号在合并器40被合并，因此降低了主放大器20信号输出的带外频率22a-22b能量。前馈网络100包括延迟器30以补偿误差放大器35中的延迟。值得注意的是这些元件的微小时序差别将会消弱前馈系统的有效性。虽然制造商在出货前对元器件做精确匹配，当前馈元器件老化时，如果不进行适当补偿，校正信号和被处理信号将会在时序上不匹配。这将会限制抵消带外失真的能力。与延迟器30相关的另一个问题是延迟要足够长以与误差放大器通道相匹配，这会造成相当大的输出功率损耗，而这种损耗是很不理想的。
因此需要有一个系统和一种方法，既可以放大RF信号，同时又可以把功率损耗和带外失真降到最低。
发明内容
从第一方面来讲，本发明提供一个前馈放大器，该前馈放大器包括一个用于接收RF信号的输入端和一个用于接收和放大RF信号的主放大器。所述前馈放大器还包括：一个主放大器输出取样耦合器；一个与输入耦合并提供延迟RF信号的第一延迟器；以及一个对第一延迟器的延迟RF信号输出和主放大器的取样输出进行连接的载波抵消合并器。所述前馈放大器又包括：一个用于接收和放大载波抵消合并器输出的误差放大器；一个连接到主放大器输出和一个误差耦合器的第二延迟器，其中误差耦合器对误差放大器的输出和经过第二延迟器的主放大器延迟输出进行合并以抵消主放大器引入的失真。输出取样耦合器被连接到误差耦合器输出并且提供被取样的输出信号。所述前馈放大器进一步包括：一个连接到输出取样耦合器的载波信号降低电路，以提供含有降低的载波分量的被取样的输出信号；以及一个连接到载波信号降低电路的寄生信号探测器，其中包括一个可变频率下变频器，用来探测经过降低的载波被取样的输出信号中的带外失真。
在一个优选实施例中，所述前馈放大器还可以包括一个控制器，该控制器被连接到寄生信号探测器，用以控制前馈放大器系统使寄生信号探测器探测到的失真最低。所述前馈放大器又可以包括一个连接在载波抵消合并器和误差放大器之间的增益调节器和相位调节器。所述控制器控制增益调节器和相位调节器使寄生信号探测器探测到的失真最低。所述前馈放大器再可以包括一个连接在输入和主放大器之间的增益调节器和相位调节器。所述控制器控制增益调节器和相位调节器使载波抵消合并器的输出信号降到最低。所述前馈放大器可进一步包括一个连接在输入和主放大器之间的预失真器。所述控制器控制该预失真器使寄生信号探测器探测到的失真最低。所述载波信号降低电路最好包括一个输入取样耦合器和一个第二载波抵消合并器，其中输入取样耦合器设置在第一延迟器和载波抵消合并器之间，用以对输入RF信号取样，而第二载波抵消合并器用以合并被取样的输出信号和被取样的输入信号来抵消被取样的输出信号中的载波分量。所述载波信号降低电路最好还包括一个输入延迟器和一个输出延迟器，其中输入延迟器在输入取样耦合器和第二载波抵消合并器之间，而输出延迟器在输出取样耦合器和第二载波抵消合并器之间。所述载波信号降低电路可进一步包括一个连接在输出取样耦合器和第二载波抵消合并器之间的增益调节器和相位调节器，该增益调节器和相位调节器由控制器控制，以使被取样的输出信号的载波分量降到最低。第二延迟器最好比途经误差放大器的信号通路引起的延迟小很多。另外，误差放大器最好比主放大器小很多，例如，误差放大器尺寸可以是主放大器的十分之一。所述载波信号降低电路提供的降低载波被取样的输出信号中的载波分量最好比输出取样耦合器提供的被取样的输出信号低15-20dB。可变频率下变频器最好包括一个可变频率信号发生器和混频器，该可变频率信号发生器由控制器控制，它被连接以接收可变频率信号和被取样的输出信号，用来将载波抑制被取样的输出信号的频率变换成一个较低频率的信号。所述寄生信号探测器最好进一步包括一个连接到下变频器输出的带通滤波器和一个连接到带通滤波器输出的数字信号处理器。所述寄生信号探测器也可进一步包括一个连接在带通滤波器和数字信号处理器之间的模数转换器。
从另一方面来讲，本发明提供了一个延迟失配前馈放大器，该前馈放大器包括一个用于接收RF输入信号的输入端和一个连接到该输入端的第一控制环路。第一控制环路包括一个主放大器、一个主放大器输出取样耦合器、一个延迟单元和一个第一载波抵消合并器。所述前馈放大器还包括与第一控制环路连接的第二控制环路，该第二控制环路包含一个第一信号通道和第二信号通道，其中第一信号通道接收主放大器输出，第二信号通道又含有一个用于接收第一载波抵消合并器输出的误差放大器。有一个误差注入耦合器将第一和第二信号通道耦合。第一和第二信号通道之间有延迟失配，第一信号通道的延迟比第二信号通道小的多。所述前馈放大器还包括一个连接到误差注入耦合器的输出和一个连接在输入输出之间的第三控制环路。第三控制环路包括一个对输入取样的第一耦合器、一个对输出取样的第二耦合器和一个第二载波抵消合并器。所述前馈放大器还包括一个失真探测器和一个控制器，其中，失真探测器连接到第二载波抵消合并器的输出端，控制器连接到失真探测器，用以控制第一和第二控制环路中的至少一个，以使失真探测器探测到的失真最低。
在一个优选实施例中，第一和第二信号通道之间的延迟失配大于3个RF输入信号周期。例如，第二信号通道的延迟可能为10-20ns，而第一信号通道的延迟可能小于大约3ns。更具体地说，第二信号通道的延迟可能大约为10ns，而第一信号通道的延迟可能大约为1.0-1.5ns。更一般地说，第一信号通道的延迟最好大约为第二信号通道的延迟的30％或更少。第三控制环路最好还包括一个延迟部件和增益与相位调节部件，前者提供被取样的输入信号和被取样的输出信号的信号延迟均衡，后者提供被取样的输出信号和被取样的输入信号的振幅均衡，以及在第二载波抵消合并器处的被取样的输出信号和被取样的输入信号的反相相加。所述控制器控制增益和相位调节部件，使第二载波抵消合并器信号输出中的载波分量电平最低。所述误差放大器最好比主放大器小很多，例如，误差放大器尺寸可能只有主放大器的十分之一。输入信号最好有一个5MHz或更窄的载波带宽。第二载波抵消合并器输出中载波分量的功率最好比第二耦合器取样的输出信号小很多。例如，第二载波抵消合并器的输出可能会比第二耦合器取样的输出信号功率低15-20dB。
从第三方面讲，本发明提供了一种控制一个放大器系统的方法。所述放大器系统有一个输入端和一个控制环路，其中，所述输入端用于接收含有载波的输入信号，所述控制环路包括一个控制环路输入、一个第一信号通道、一个第二信号通道和一个控制环路输出，第一和第二两个信号通道上的至少一个还包括一个放大器。所述控制方法包括这样的步骤：在控制环路输出端对信号取样并对输入信号取样，以及合并被取样的输入信号和被取样的输出信号而提供具有降低载波分量的合并信号。所述方法还包括这样的步骤：将可变频率发生器设在第一频率上，用第一频率对合并信号进行下变频，并测量经下变频的信号的能量。所述方法还包括这样的步骤：调节可变频率发生器的频率，在不同下变频频率上用测到的能量来探测失真，并用探测到的失真来控制放大器系统。
在一个控制放大器系统部件的优选实施例中，探测失真的过程包括通过在不同下变频频率上测量能量来探测载波信号频带，以及通测量载波信号频带外功率来探测带外失真。控制放大器的步骤最好包括控制第一和第二信号通道上至少一个通道的信号特性，以使探测到的失真最低。所述方法还包括调节被取样的输出信号和被取样的输入信号两者中至少一个的振幅，调节被取样的输入信号和被取样的输出信号两者中至少一个的相位，并反复调节振幅和相位直到在下变频频率测到的能量小于希望的中频阈值电平。在一个优选实施例中，阈值电平比载波抵消前被取样的输出信号的电平大约低15-20dB。
从第四方面讲，本发明提供了一种利用前馈补偿来放大一个RF输入信号的方法。该方法包括：接收一个RF输入并在主信号通道上提供该信号，利用主放大器在主信号通道上放大该信号，并对主放大器输出取样。所述方法还包括：被取样的RF输入信号，在一个第二信号通道上提供被取样的RF输入信号，在此第二信号通的取样输出端，用来抵消被取样的主放大器输出中至少一部分载波分量，并产生一个有失真分量的载波被抵消信号。所述方法还包括：用误差放大器放大此载波被抵消的信号以提供一个误差信号，以显著小于误差放大器的信号延迟的延迟量将主放大器的输出延迟，合并误差信号和经延迟的主放大器输出以抵消主放大器引入的失真并提供一个放大的RF输出。所述方法还包括：取样RF输出，合并取样放大RF信号和输入信号的反相取样以产生一个载波被减少的取样输出，用一个可变频率下变频信号对载波减少取样输出进行下变频，并用下变频信号探测带外失真。
在一个优选实施例中，所述方法还包括：调节给误差放大器的信号输入的增益和相位，以使探测到的带外失真最低。所述方法又可包括：调节被取样的放大RF输出和被取样的输入信号两者中至少一个的增益和相位，以使下变频信号中的载波分量降到一个所要的水平。通过误差放大器的信号延迟最好比主放大器输出的信号延迟大至少3个RF输入信号周期。例如，通过误差放大器的信号延迟可为约10-20ns，而主放大器输出的信号延迟小于约3ns。更具体地说，通过误差放大器的信号延迟可能大约为10ns，而主放大器输出的信号延迟最好小于大约1.5ns。更一般地说，主放大器输出的信号延迟最好小于通过误差放大器的信号延迟的约30％以下。另外，输入信号的载波带宽最好为约5Mhz或更小。
本发明的其他方面在随后的详细描述中阐明。
附图说明
图1是现有技术RF功率放大器中的典型功率传输曲线图。
图2是现有技术RF功率放大器中的典型频道带宽分配图。
图3是现有技术RF功率放大器中由于使用A/B类放大器而引起的典型互调失真(IMD)图。
图4是现有技术放大器利用预失真的方框示意图。
图5是基本现有技术前馈放大器的方框示意图。
图6是利用预失真的现有技术放大器中预失真控制系统的方框示意图。
图7是本发明优选实施例的前馈放大器系统的方框示意图。
图8是本发明优选实施例的寄生探测环路控制电路的示图。
图9是本发明优选实施例的前馈放大器系统的具体实施图。
图10是前馈放大器系统的输出频谱图。
图11是本发明优选实施例的前馈放大器系统输出频谱中载波降低的说明图。
图12是一个中频(接口)信号图，表示本发明优选实施例的前馈放大器系统输出频谱中的载波抑制。
图13是窄带环路抵消带宽对延迟失配周期数的关系图，用以说明本发明优选实施例中采用的延迟失配。
图14是A/B类放大器的调幅/调幅(AM/AM)曲线图。
图15是A/B类放大器的调幅/调相(AM/PM)曲线图。
图16是载波再注入曲线图。
本发明的详细描述
本发明通常指用于放大RF信号的前馈功率放大器，图7是一个优选实施例。本发明的各种特点可以用在其他放大器结构和实际应用中，下面描述的优选实施例是纯说明性的。
首先，参考图7描述本发明的一般结构和工作原理。在所述的优选实施例中揭示了利用3个信号抵消环路的前馈功率放大器。环路1包括主放大器块(或模块)215以及相关联的耦合器和内部连接，它用来在第一求和接点或(载波抵消合并器)315导出载波抵消信号。环路2包括误差放大器块(或模块)400以及相关联的耦合器和内部连接。环路2用于放大从环路1运行中导出的载波抵消信号，以抵消由于主放大器块215的非线性工作而产生的交互调制失真(IMD)结果。环路2也利用了一个非常短的环路2延迟线225。在传统设计的前馈放大器中环路2延迟线的标称长度由误差放大器模块及相关联的耦合器和内部连接的电学长度确定，以取得最大的抵消带宽。一个典型的环路2延迟线，或一些实际应用中的延迟滤波器，可以有13到20ns(纳秒)数量级的电延迟。在实际应用中，此类延迟线或延迟滤波器造成主放大器块215功率损耗的显著增加。这些功率损耗是极其不理想的，应该尽可能地降低。
为了解决这些功率损耗问题，本发明采用了一个非常短的延时线225，在环路2中的两个信号通道上有意引入了延迟失配。当与更传统的设计相比，采用短延迟线225导致了窄的IMD抵消带宽。然而，当用在窄带宽RF信号时，也就是说约5MHz或更窄，本发明所达到的IMD抵消性能可以与传统设计的前馈功率放大器相比。这里所揭示的前馈功率放大器结构的一个好处是可以显著提高效率，效率增加的部分原因是与短环路2延迟线225相关的输出功率损耗降低。较低的输出功率速损耗使得在一定的输出信号电平要求下可以采用较小的主放大器模块215。在主放大器模块215输出中降低损耗的另一个好处体现在主放大器模块215产生的IMD电平较低。这又会反过来降低对误差放大器模块400的尺寸和性能要求。因此，可以采用较小的和效率更高的误差放大器，从而提高前馈功率放大器的整体效率。
环路3包括一个连接到前馈放大器输入端和输出端的第二载波抵消合并器260。一个控制系统800被连接到第二载波抵消合并器的输出端。环路3和控制系统800的配置增强并简化了前馈功率放大器的工作。传统设计的前馈功率放大器系统通常利用导频载波控制方法连续调节和维持误差放大器环路的抵消作用。在授予French等人的美国专利6,140,874(以整体参照方式结合于本申请)描述的另一种方法中，一种寄生探测方法被用来控制环路2中的IMD抵消作用。本发明揭示了对这种技术的提高。第三信号抵消环路即环路3被用来降低出现在放大器输出端的取样端口235信号的载波电平。这个降低了载波的信号被加到控制系统800中的寄生信号探测器(或接收器)805。寄生信号探测器利用一个可变频率下变频器和一个DSP(数字信号处理器)来把带外IMD从载波带宽中区分出来。通过显著降低相对于IMD电平的载波电平就可用一个简单的多的寄生信号探测器。本发明的这一方面还考虑到环路2抵消中较快的变频时间和IMD结果的增强抵消作用，这是由于寄生信号探测器中使用的DSP有较大的有效动态范围。
随后将介绍图7中本发明优选实施例的特定结构和工作原理。如图7所示，RF信号被加至前馈功率放大器的输入端口101。通过传统布置的第一方向耦合器105，输入信号的耦合部分被送至第一增益和相位位移网络205的输入端。对于本技术领域的熟练技术人员非常明显，增益和相位位移网络可以通过各种电路和元件来实现。例如，可以利用一个电压可变衰减器(VVA)和一个可变相位调节器来提供所要的可控增益和相位调节。第一增益和相位位移网络205的输出连接到预失真电路210的输入。预失真电路210被用来补偿A/B类偏置的主放大器215的AM/AM(图14)和AM/PM(图15)特性中的非线性。预失真电路210的输出被连接到主放大器215的输入。主放大器215可以包括一个或多个放大器件，例如偏置在高效率类(如A/B类)的LDMOS(侧扩散金属氧化物半导体)放大器。在高功率RF应用中，通常多个放大器器件或放大器级会被设置在一个模块中使用。主放大器215的输出连接到传统布置的第二主放大器的输出取样耦合器220的输入端口。取样耦合器220的耦合系数取决于前馈功率放大器设计本身固有的许多因素，但是在传统设计中的耦合值通常可以在20到30dB之间。耦合器220的输出端口连接到延迟线225的输入端。延迟线225用来延迟主放大器215输出的放大信号。本领域中的熟练技术人员知悉，可以有许多方法实现延迟线225。例如，在要求低插入损耗的高功率应用中，延迟线可以通过使用低插入损耗的大直径同轴电缆或具有所要电学特性的延迟滤波器来实现。在增加插入损耗对系统性能不太关键的小功率应用中，可以使用较小直径的同轴电缆或集总电路元件来达到所要的电延迟。延迟线225的特定延迟特性将在下面讨论。延迟线225的输出端口连接到误差注入耦合器(或误差耦合器)230的输入端口。误差注入耦合器230的输出端口连接到输出取样耦合器235的输入端口。耦合器235的输出端口连接到输出隔离器240的端口1。输出隔离器240的端口2连接到放大器系统的输出连接器245。第一方向耦合器105的输出端口连接到第一延迟线115的输入端口。第一延迟线115的输出端口连接到第三方向耦合器310的输入端口。如下所述，耦合器310对输入信号取样并提供给环路3。耦合器310的输出端口连接到求和接点(载波抵消合并器)315的第一端口。求和接点315的第二端口连接到第一衰减器305的输出端。衰减器305的输入端连接到第二耦合器220的耦合端口。
延迟输入信号与被取样的主放大器输出信号相加时形成环路1。此外，第一耦合器105、第一增益和相位调节网络205、预失真电路210、主放大器215、主放大器输出取样耦合器220和第一衰减器305构成环路1中的有源部分。环路1的无源部分包括第一耦合器105、第一延迟线115和第三耦合器310。对于本领域中的熟练技术人员而言，很明显这两半部分共享一些公共元件：将输入信号中的需要部分发向环路1中的每一部分的第一方向耦合器105，以及用来合并延迟输入信号和主放大器215输出的取样的求和接点315。求和接点315的输出端口包含由于主放大器315传输函数的非线性而引起的IMD和衰减了的输入载波(22a和22b；图5)。通过监测第一求和接点315处的载波抵消信号的功率电平来控制环路1抵消。具体而言，一个传统布置的方向耦合器320连接到第一求和接点315的输出端。耦合器320的耦合端口连接到载波抵消探测器500的输入端。载波抵消探测器500向微控制器810提供适当的信号。微控制器810连同其他输入信号，连续调节第一增益和相位网络205的控制信号以使第一求和接点315输出端处的载波功率最低。在载波被完全抵消条件下，误差放大器块400的输入端处应只有IMD信号(22a和22b；图5)。然而，在一些应用中能够通过误差放大器插入或去掉附加的输入载波功率，这也是有利的。
图16描述了载波抵消探测器电压对环路1的VVA控制的关系。由图可知，当载波抵消探测器探测到最低输入功率105时，在VVA设置130上发生最大载波抵消。在这些条件下，所得的误差信号(图5；22a和22b)包括占大部分的IMD和占非常小部分的输入载波功率。在大多数情况下，这样的信号对在误差注入耦合器处的IMD抵消非常有用。然而，在某些工作条件下，使用这种误差信号并非最适宜。如果输入载波信号比取样的主放大器输出强，所得的合成信号将会降低这个输入信号的峰值对均值比率。这从图中偏离最低点的VVA设置140和载波功率100得到说明。这个合成输入信号被命名为正向再注入。这种信号类型通过在误差信号中加入一些载波功率来增加误差放大器的平均功率水平。从有利的方面讲，通过抵消转储到来自主放大器输出的注入的转储负载上的载波功率，这个合成信号降低了与注入耦合器相关的损耗。与此相反的，一个180度异相载波信号可以在误差放大器的输入端与误差信号合并。这个合成输入信号可以降低误差放大器通道上的峰值信号电平，它可以被定义为负向再注入。这从载波功率曲线与上述相反的部分中VVA设置135和载波功率110偏移得到说明。这种反向再注入降低了对误差放大器级处理平均功率的要求。虽然这种信号结构不会在注入耦合器转储负载中产生任何功率损耗补偿，但是它在误差放大器不能处理高峰值功率电平的场合可能有用。在这两种情形下，环路1的VVA控制传输函数特性都是已知的，所要的补偿量由微处理器算法控制。
再参考图7，环路2用来抵消主放大器215输出中的IMD。环路2由下面电路元件组成：第二方向耦合器220，主延迟线225和误差注入耦合器230，上述三个元件构成环路2的无源部分。环路2的有源部分包括：第二方向耦合器220，第一衰减器305，用做载波抵消合并器的求和接点315，用作前面所描述的载波抵消探测的第四方向耦合器320，第二增益和相位调节网络325，误差放大器400，以及误差注入耦合器230。如前面所提到的，本发明的一个方面是实施和采用了非常短的电延迟线225。在传统的前馈功率放大器中，延迟线长度选择成使从第二方向耦合器220输入端口通过环路2中有源部分和从第二方向耦合器220输入端口通过延迟线225到误差注入耦合器230输出端口的延迟相等。以波数为单位的任何延迟失配将导致抵消带宽变窄。例如，我们假设输入信号是占用带宽为5MHz并且工作在2140MHz的WCDMA(宽带码分多址)信号，我们将要考虑25MHz的瞬时抵消带宽，也就是说在WCDMA载波上下各10MHz。参考图13我们可以确定环路2中两部分之间的延迟失配周期数所能提供的抵消量。在本发明中，延迟线225所能提供的延迟比误差通道的延迟小，失配周期N＞3。在一个例子中，对于一个误差通道在大约10ns，相比传统设计的10ns，延迟225所提供的延迟将会在大约1到1.5ns。更一般地说，对于典型的10-20ns误差通道延迟，本发明在延迟线225中将提供小于3ns的延迟。换句话说，延迟失配为延迟线中的延迟小于误差通道延迟的30％。在主放大器中使用预失真电路带来的另一个好处是，预失真电路降低了主放大器215输出中的IMD电平。预失真电路使主放大器成线性，由于在主放大器215输出中降低了IMD22a和22b电平，环路2的瞬时抵消要求也被降低。
对于被设计工作在宽输入信号或频率间隔非常宽的多个载波的前馈放大器，宽带抵消是有优势的。尽管宽带宽解决方案普遍有益，但在只有单个CDMA载波的情况下，由于相对低效和带来的高成本，宽带前馈功率放大器解决方案并不是最佳。因此在单个载波或窄带宽信号应用中，本发明更具有优势。与宽带宽解决方案相比，窄带宽应用中的瞬时抵消带宽相对较小。因此，可以承受环路2两部分之间的延迟失配损失，而不会在所要求的抵消带宽中牺牲环路2的抵消能力。考虑到这些因素，窄输入信号和对环路2的瞬时抵消带宽要求一起，降低了对误差放大器400处理功率能力的要求。这里揭示的前馈功率放大器结构使用了一个比宽带前馈功率放大器解决方案中的其他结构小的误差放大器400。典型的宽带解决方案是利用只有主放大器四分之一大小的误差放大器400。本发明的一个特点是通过使用只有主放大器十分之一的较小的误差放大器所带来的较高效率。较小的放大器在实现过程中成本较低，在制造过程中也比较容易调整。
下面将描述本发明前馈功率放大器中的环路3。环路3包括一个第二载波抵消合并器260，环路3在前馈功率放大器输入和输出之间形成。本发明的一个特点是向寄生信号探测器(或接收器)805的输入端提供前馈功率放大器输出的载波抑制取样。输出信号被第五方向耦合器235取样，其输入端口连接到误差注入耦合器230的输出端口。因此，第五方向耦合器235的取样端口向第三延迟线250的输入端口提供：被放大信号的取样和残存的由于主放大器215非线性传输函数而产生的IMD(没有被环路2完全抵消)。第三延迟线的输出端口连接到第三增益和相位调节网络255的输入端口。第三增益和相位调节网络255的输出端口连接到第二求和接点(第二载波抵消合并器)260的第一输入端口。环路3的无源部分含有环路1的无源部分：第一方向耦合器105和第一延迟线115，其输入信号是由第三方向耦合器或输入取样耦合器310提供。第三方向耦合器310的耦合端口连接到第四延迟线330的输入端口。第四延迟线330的输出端口连接到第二求和接点260的第二输入端口。第二求和接点260的输出端口连接到寄生信号接收器805的输入端口。
环路3的功能是为了降低在寄生信号接收器805输入端处的相对于IMD电平的载波功率。更具体地说，延迟线250和延迟线330提供被取样的输入载波信号和被取样的主放大器输出信号之间的信号延迟均衡，以匹配这些延迟使得在合并器260能够进行载波抵消。增益和相位调节电路255提供输出耦合器235的被取样的输出信号和耦合器310的被取样的输入信号之间的振幅均衡，它也为在合并器260处进行被取样的输出信号和被取样的输入载波信号的反相相加提供相位调节。结果，合并器260的信号输出对应于载波分量被大幅降低的被取样的输出信号。这个载波被降低了的被取样输出信号被提供给寄生探测器805作为输入信号。
图10和图11说明了被取样的输出信号载波电平18如何可通过上述的环路3而大幅降至低电平28。例如，能够提供15至20dB的载波电平降低(图11；25)。降低了的载波功率扩展了寄生信号接收器的有效动态范围。因此，工作在降低了功率的下变频接口(中频)信号上的寄生信号接收器可以使用低价格电路元件来取得类似的接收器性能。这种下变频降低功率的接口信号在图12中有说明。
以下参照图8就控制系统800的详细实施例进行说明。如图所示，控制系统包括微控制器810和一个寄生信号探测器，后者包括：下变频混频器830，一个向混频器830提供可变频率信号(频率由微控制器810控制)的频率发生器835(可以包括一个合适的本机振荡器)，带通滤波器825，小增益放大级820，A/D(模数)转换器815，以及数字信号处理器(DSP)817。微控制器810调节频率发生器835的频率，DSP 817测量不同频率处的信号功率以确定载波带宽的中心频率。一旦确定了载波带宽，带外失真结果(22a，22b；图11和12)就可被识别，这些IMD也被监测以控制放大器使IMD最低。更具体地说，微控制器810用寄生信号探测器的输出来控制环路2的IMD抵消作用，并(可选地)控制环路1的预失真器210。在授予French等人的美国专利6,140,874(以引用方式结合于本申请)中，详细介绍了一种利用寄生信号探测器的控制系统，图8中控制系统和寄生信号探测器的工作可能用到了这种思路，因此这里不再详细描述。如图11和12所示，由于被取样的输出信号中的载波分量降低，图8中寄生信号接收器中的电路元件可以采用具有较小动态范围的电路元器件，因此寄生信号探测器可更低价地提供。
图9详细描述环路3和前馈结构中控制系统的实现。如前所述，第三信号抵消环路即环路3被用来降低放大器输出端取样端口235处信号中的载波电平。微控制器810控制该功能，并且控制环路1载波抵消和环路2误差(IMD)抵消。更具体地说，在环路3控制中，微控制器810首先将本机振荡器835的频率设为预定频率初值。混频器830的接口输出然后通过滤波器825带通滤波并被A/D转换器815转换成数字信号。DSP 817测量在中频处的能量。例如，DSP 817能够在接口处进行频率扫描和功率积分。微控制器810反复调节增益和相位调节电路255，并判断DSP 817在中频处测到的能量是否超过所要的中频阈值电平。微控制器810对增益和相位调节电路255的反复调节使得能够在合并器260处取得所要的第三环路载波抵消，这是通过监测接口功率电平以取得所需要的载波功率降低25(参考图10)来实现的。当环路3被控制在所要的降低载波电平上时，美国专利6,140,874中所介绍的方法可用在环路1和环路2的控制中。更具体地说，通过改变本机振荡器835的频率可以确定RF载波(比如CDMA载波)的频率。一旦确定了载波频率，DSP817利用一种类似频谱分析仪的处理来测量前馈放大器系统输出端的IMD结果电平。测到的IMD电平可以被微控制器810用来控制环路2，使放大器系统输出的IMD电平(22a-22b，图10)最低。这些测到的IMD电平也可被微控制器810用来控制环路1中的预失真器210，使因主放大器215非线性而产生的IMD最小。
总之，环路3载波电平的降低为控制系统的DSP与接口链元件的动态范围要求的降低创造了条件。本发明的这一方面可使得在环路2抵消作用中的变换时间更快和对IMD结果的抵消作用更强，这是因为DSP 817的可用的有效动态范围比较大。
本发明参照目前的优选实施例进行描述，然而，本领域的熟练技术人员应知可对本发明做很多改进(改进太多而以至不能一一罗列)，但这些改进仍然属于本发明的范畴。因此，上述的详细描述只能被看作是说明性的，并不对本发明构成限制。

Claims (40)

1.一种前馈放大器，包括：
一个用来接收RF信号的输入端；
一个用来接收和放大所述RF信号的主放大器；
一个主放大器输出取样耦合器；
一个连接到所述输入端的第一延迟线，用来提供被延迟的RF信号；
一个用来将来自第一延迟线的被延迟RF信号和被取样的主放大器输出耦合的载波抵消合并器；
一个接收并放大所述载波抵消合并器的输出的误差放大器；
一个连接到主放大器的输出端的第二延迟线；
一个为了抵消主放大器引入的失真而将误差放大器的输出和经第二延迟线延迟的主放大器输出合并的误差耦合器；
一个连接到误差耦合器的输出端并提供被取样的输出信号的输出取样耦合器；
一个连接到输出取样耦合器，用来提供具有降低的载波分量的被取样输出信号的载波信号降低电路；以及
一个连接到载波信号降低电路的寄生信号探测器，包括一个可变频率下变频器，用来探测降低了载波的被取样输出信号的带外失真。
2.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于，还包括一个连接到寄生信号探测器的控制器，用来控制前馈放大器系统以使寄生信号探测器探测到的失真最小。
3.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于，其中所述第二延迟比通过误差放大器的信号通道的延迟小得多。
4.如权利要求2所述的前馈放大器，其特征在于，还包括连接在载波抵消合并器和误差放大器之间的增益调节器和相位调节器，其中，所述控制器控制增益调节器和相位调节器以使寄生信号探测器探测到的失真最小。
5.如权利要求2所述的前馈放大器，其特征在于，还包括连接在输入端和主放大器之间的增益调节器和相位调节器，其中所述控制器控制该增益调节器和相位调节器以使载波抵消合并器的输出信号最小。
6.如权利要求2所述的前馈放大器，其特征在于，还包括连接在输入端和主放大器之间的预失真器，其中所述控制器控制该预失真器以使寄生信号探测器探测到的失真最小。
7.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于，所述载波信号降低电路还包括一个输入取样耦合器和一个第二载波抵消合并器，前者设在第一延迟线和载波抵消合并器之间对输入RF信号取样，后者用于合并被取样的输出信号和被取样的输入信号，以抵消所述被取样的输出信号中的载波分量。
8.如权利要求7所述的前馈放大器，其特征在于，所述载波信号降低电路还包括一个输入延迟线和一个输出延迟线，前者设在所述输入取样耦合器和所述第二载波抵消合并器之间，后者设在所述输出取样耦合器和所述第二载波抵消合并器之间。
9.如权利要求8所述的前馈放大器，其特征在于，所述载波信号降低电路还包括连接在所述输出取样耦合器和所述第二载波抵消合并器之间的增益调节器和相位调节器，所述控制器控制所述增益调节器和相位调节器，以使被取样的输出信号中的载波分量最小。
10.如权利要求3所述的前馈放大器，其特征在于，所述误差放大器显著小于所述主放大器。
11.如权利要求10所述的前馈放大器，其特征在于，所述误差放大器的大小约为所述主放大器的十分之一。
12.如权利要求1所述的前馈放大器，其特征在于，所述载波信号降低电路提供的降低了载波的被取样输出信号中的载波分量，比所述输出取样耦合器提供的被取样的输出信号低15-20dB。
13.如权利要求2所述的前馈放大器，其特征在于，所述可变频率下变频器包括一个由所述控制器控制的可变频率信号发生器和一个混频器，二者连接来接收可变频率信号和被取样的输出信号，用以将载波降低的被取样的输出信号的频率转换成一个较低频率的信号。
14.如权利要求13所述的前馈放大器，其特征在于，所述寄生信号探测器还包括一个连接到下变频器的输出端的带通滤波器和一个连接到该带通滤波器的输出端的数字信号处理器。
15.如权利要求14所述的前馈放大器，其特征在于，所述寄生信号探测器还包括一个连接在带通滤波器和数字信号处理器之间的模数转换器。
16.一个延迟失配前馈放大器，包括：
一个用来接收RF输入信号的输入端；
一个连接到该输入端的第一控制环路，它包括一个主放大器、一个主放大器输出取样耦合器、一个延迟单元以及一个第一载波抵消合并器；
一个连接到第一控制环路的第二控制环路，它包括一个用来接收主放大器输出的第一信号通道、一个包含用来接收第一载波抵消合并器输出的误差放大器的第二信号通道以及一个用来连接第一和第二信号通道的误差注入耦合器，所述第一和第二信号通道之间有延迟失配，所述第一信号通道的延迟显著小于所述第二信号通道；
一个连接到误差注入耦合器的输出端；
一个连接在所述输入端和输出端之间的第三控制环路，它包括一个用来对输入取样的第一耦合器、一个用来对输出取样的第二耦合器以及一个第二载波抵消合并器；
一个连接到第二载波抵消合并器的输出端的失真探测器；以及
一个连接到该失真探测器的控制器，用来控制第一和第二控制环路中的至少一个，以使失真探测器探测到的失真最小。
17.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，在所述第一和第二信号通道之间的所述延迟失配大于3个RF输入信号周期。
18.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，第二信号通道的延迟约为10-20ns，而第一信号通道的延迟小于约3ns。
19.如权利要求18所述的前馈放大器，其特征在于，第二信号通道的延迟约为10ns，而第一信号通道的延迟约为1.0-1.5ns。
20.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，第一信号通道延迟是第二信号通道延迟的约30％或更少。
21.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，所述第三控制环路还包括：
延迟部件，用来提供所述被取样的输入信号和所述被取样输出信号之间的信号延迟均衡；和
增益和相位调节部件，用来提供所述被取样的输出信号和所述被取样的输入信号之间的振幅均衡，并在所述第二载波抵消合并器上进行被取样输出信号和所述被取样的输入信号的反相相加。
22.如权利要求21所述的前馈放大器，其特征在于，所述控制器控制所述增益和相位调节部件，使第二载波抵消合并器信号输出中的载波分量电平最低。
23.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，所述误差放大器显著小于所述主放大器。
24.如权利要求23所述的前馈放大器，其特征在于，所述误差放大器的大小约为所述主放大器的十分之一。
25.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，所述输入信号的载波带宽约为5MHz或更窄。
26.如权利要求16所述的前馈放大器，其特征在于，所述第二载波抵消合并器的输出具有其功率显著低于由所述第二耦合器取样的输出信号的载波分量。
27.如权利要求26所述的前馈放大器，其特征在于，所述第二载波抵消合并器输出的功率比由所述第二耦合器取样的输出信号低约15-20dB。
28.一种控制放大器系统的方法，该系统设有一个接收含有载波的输入信号的输入端、一个包含一控制环路输入端的控制环路、一个第一信号通道、一个第二信号通道以及一个控制环路输出端，所述第一和第二信号通道中至少一个包含放大器，所述方法包括以下步骤：
在控制环路输出端对信号取样；
对输入信号取样；
合并被取样的输入信号和被取样的输出信号，以提供载波分量降低的合并信号；
将一个可变频率发生器设在第一频率上；
用该第一频率将合并信号向下变频；
测量下变频信号的能量；
调节该可变频率发生器的频率；
利用在不同的经下变频的频率上测得的能量来探测失真；以及
利用探测到的失真来控制放大器系统。
29.如权利要求28所述的控制放大器系统的方法，其特征在于，探测失真的步骤中包括：通过在不同的下变频频率上测量能量来探测载波信号频带，并通过测量该载波信号频带以外的功率来探测带外失真。
30.如权利要求28所述的控制放大器系统的方法，其特征在于，控制放大器的步骤中包括：控制所述第一和第二信号通道两者中至少一个的信号特性，以使探测到的失真最小。
31.如权利要求30所述的控制放大器系统的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
调节被取样的输出信号和被取样的输入信号两者中至少一个的振幅；
调节被取样的输出信号和被取样的输入信号两者中至少一个的相位；以及
反复进行所述振幅和相位调节，直到在下变频频率上测到的能量小于所要的中频阈值电平。
32.如权利要求31所述的控制放大器系统的方法，其特征在于，所述阈值电平比载波抵消前被取样的输出信号的电平低约15-20dB。
33.一种利用前馈补偿来放大RF输入信号的方法，包括以下步骤：
接收一个RF输入信号并向主信号通道提供所述信号；
对该RF输入信号取样并向第二信号通道提供被取样的RF输入信号；
用主放大器在所述主信号通道上放大信号；
对该主放大器的输出取样；
在第二信号通道上延迟被取样的RF输入信号；
将经延迟的RF输入信号连接到被取样的主放大器输出，以抵消所述被取样的主放大器输出中的至少一部分载波分量，并提供具有失真分量的载波抵消信号；
用误差放大器放大载波抵消信号来提供一个误差信号；
延迟主放大器输出，此延迟显著小于通过误差放大器的信号延迟；
合并该误差信号和经延迟的主放大器输出，以抵消由主放大器引入的失真，并提供一个放大的RF输出；
对所述放大的RF输出取样；
将被取样的放大RF输出与输入信号的反相取样合并，以提供载波降低的取样输出；
用一可变频率下变频信号对载波降低的取样输出进行下变频；以及
利用该下变频信号探测带外失真。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括调节给所述误差放大器的信号输入的增益和相位，使探测的带外失真最小的步骤。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括调节被取样的放大RF输出和被取样的输入信号两者中至少一个的增益和相位，使下变频信号中的载波分量降低到所要的电平的步骤。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于，通过误差放大器的信号延迟比主放大器输出的信号延迟大至少3个RF输入信号周期。
37.如权利要求33所述的方法，其特征在于，通过误差放大器的信号延迟约为10-20ns，而主放大器输出的信号延迟小于约3ns。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，通过误差放大器的信号延迟约为10ns，而主放大器输出的信号延迟小于约1.5ns。
39.如权利要求33所述的方法，其特征在于，主放大器输出的信号延迟小于通过误差放大器的信号延迟的约30％。
40.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述输入信号的载波带宽约为5MHz或更窄。
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