CN1833359A - 具有较宽的输出功率动态范围的放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种放大器，包括经由适配装置(3)并行地连接到负载阻抗(2)的特定数目N个有源元件(11至1N)，所述适配装置(3)包括至少特定数目N个所涉及的电纳补偿电路(41至4N)。电纳补偿电路(41至4N)分别连接到N个有源元件(11至1N)的输出，以补偿这些有源元件的输出电纳，并且电纳补偿电路(41至4N)分别连接到电导组合和调整电路(5)，该电导组合和调整电路(5)具有分别连接到N个电纳补偿电路的输出的N个输入以及连接到放大器的负载阻抗(2)的一个输出。本发明可应用于具有较高输出功率动态范围的微波放大器。

Description

具有较宽的输出功率动态范围的放大器

技术领域

本发明涉及一种能够设定较高的输出功率动态范围并具有基本上恒定的额外功率效率的放大器。

本发明更特别地涉及得到一种用于微波信号、特别是用于卫星发射机的固态(solid state)功率放大器，其适合于在接近于例如30GHz的频率范围内工作，并且其包括通过适配器并行地对公共负载进行馈电的特定数目的有源元件，适配器包括由传播线路、电容器或电感器构成的微电路。

然而，本发明同样涉及得到具有冗余放大器级的放大器电路，其中放大器并非一定是功率放大器。

背景技术

在本领域中已知，使用具有电长度为λ/4的微波线路的两态(two-state)组合电路来得到固态功率放大器，其中λ为待放大的信号的波长。该电路对由四个有源元件供给的信号进行组合，并且作为组合的结果，根据启动了一个有源元件还是启动了四个有源元件而为两个输出功率电平配备恒定的额外功率比。

该电路的缺点是其只能提供两个功率电平，最大输出功率电平和比最大输出功率电平低6dB的输出功率电平。除此之外，电路的不对称意味着并非任意有源元件都能独立工作。

与以上基于采用多个有源元件来实现功率控制的实施例不同，称为Doherty放大器的另一个现有技术实施例通过根据输入功率来改变有源元件的负载电导而控制输出功率的动态范围。

这种类型的放大器的缺点是只对两个有源元件进行了组合并且不适合于需要冗余的应用。

在本领域中还已知，获得稍微地依赖于输出功率的额外功率效率以使有源元件的偏置点适应于输出功率。然而，这种解决方案难以实现，并且限制了输出功率的动态范围。

发明内容

本发明的一个目的是通过同时控制已启动的多个有源元件和这些有源元件的负载电导来控制固态放大器的输出功率，而不改变这些有源元件的负载电纳，同时使适配器中的损耗最小。

更准确地说，本发明的目的是得到一种能够根据已关断有源元件的百分比来有效地控制已启动的有源元件的负载电导值的适配器。

为实现这些目的，本发明的微波放大器的输出级的适配器包括特定数目N个电纳补偿器，其分别连接到N个有源元件的输出，以补偿这些有源元件的输出电纳，并且该适配器包括一个用于对电导进行组合和调整的电路，该电路具有分别连接到N个电纳补偿器的输出的N个输入以及连接到放大器的负载的一个输出。

根据最一般的一个实施例，用于对有源元件的负载电导进行组合和调整的电路包括部署在M个级上的特定数目的线路段，第1级经由N个相应的线路段连接到N个电纳补偿器的输出，这N个相应的线路段具有相等的电长度，其为λ/4的整数倍，并且第M级或者直接连接到放大器的负载，或者经由构成第M+1级的至少一个线路段或间接地连接到放大器的负载，该至少一个线路段的电长度为λ/4的整数倍。除第1级和第M+1级之外的每一级都包括特定数目的线路段，这些线路段具有相等的电长度，其为λ/2的整数倍。在这种配置中，第J级的线路段的数目少于其前一级即第J-1级的线路段的数目，并且一个级的每个线路段都可以连接到其前一级的一个或多个线路段。

如果已关断的有源元件结合其电纳补偿器向组合电路的输入端提供的阻抗为短路，则第一级的线路段的电长度必须等于λ/4的奇数倍，以便对第1级的节点形成开路。

如果已关断的有源元件结合其电纳补偿器向组合电路的输入端提供的阻抗为开路，则第一级的线路段的电长度必须等于λ/4的偶数倍，以便对第1级的节点形成开路。

为形成阻抗反转变换器(impedance inverter transformer)，将组合电路的输入连接到其输出的电长度的总和必须等于λ/4的奇数倍。

为使电路的工作对称，将一个级的每个线路段优选地连接到前一级的编号相同的线路段的相同节点。

为了增强适配器的阻抗变换器功能，可以将连接不同级的两个节点的电长度为λ/2的整数倍的线路分为电长度为λ/4的具有不同特征阻抗的多条线路。

在本发明的放大器的一个特定实施例中，有源元件的数目N＝4，并将组合和有源元件负载电导调整电路部署在两个级中，能够在只启动一个有源元件的配置和启动四个有源元件的配置之间实现12dB的功率动态范围。

通过增加有源元件的数目N，甚至可以获得更宽的动态范围。

此外，每个电纳补偿器包括两个线路段，这两个线路段经由电容器串行地连接在该电纳补偿器所连接的有源元件的输出与对应于该电纳补偿器的组合和电导调整电路的输入之间。通过这两个线路段和电容器来补偿有源元件的输出电纳，并且通过第三线路段来补偿有源元件的输出电纳，该第三线路段连接在位于所述电容器与连接到有源元件的输出的线路段之间的一个公共点和另一个具有固定电容的电容器的一个接线端之间，该具有固定电容的电容器通过其第二接线端连接到接地点，以施加在该具有固定电容的电容器的第一接线端上的偏压对该具有固定电容的电容器进行偏置。

当关断有源元件时，改变施加到电容器的偏压会改变该有源元件所提供的输出阻抗，其结果是对组合和调整电路的输入形成短路。

当关断有源元件时，同样可以考虑选择对组合和调整电路的输入形成开路的不同电纳补偿器布局。

同样可以通过空间功率组合技术来实现所述组合电路。

附图说明

通过阅读以下仅通过示例并参考附图而给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得很明显，其中：

图1是本发明的固态微波功率放大器的一个实施例的框图；

图2是图1的放大器的输出有源元件的电纳补偿器的一个实施例的示图；

图3是示出图1的组合和负载电导调整电路的一个实施例的框图；

图4示出了本发明的放大器的阻抗适配器的一个实施例，该适配器包括四个电纳补偿器；

图5至图7示出了图4的适配器的工作模式；

图8和图9示出了本发明的阻抗适配器的两个实施例，该适配器包括六个电纳补偿器。

具体实施方式

首先参考图1，其示出了本发明的固态微波功率放大器的一个实施例，该放大器包括N个输出有源元件11至1N，该输出有源元件经由在虚线框中示出的用于该输出有源元件的适配器3并行对公共负载2进行馈电。

适配器3包括特定数目N个电纳补偿器41至4N，其分别连接到N个有源元件11至1N的输出，以补偿这些有源元件的输出电纳，并且该适配器3包括一个用于对电导进行组合和调整的电路5，该电路5具有分别连接到N个电纳补偿器的输出的N个输入以及连接到放大器的负载2的一个输出。

图2示出，每个电纳补偿器41至4N包括两个线路段5和6，这两个线路段经由电容器7串行地连接在该电纳补偿器所连接的有源元件11至1N的输出与用于对对应于该电纳补偿器的电导进行组合和调整的电路3的输入之间。

通过这两个线路段和电容器以及第三线路段8来补偿该补偿器所连接的有源元件的输出电纳，该第三线路段8连接在一个公共点9与具有固定电容的电容器10的第一接线端之间，其中该公共点9位于电容器7与连接到有源元件的输出的线路段5之间，该电容器10通过其第二接线端连接到接地点11，以施加在该电容器10的第一接线端上的偏压对该电容器10进行偏置。

当(通过改变施加到电容器上的偏压)关断有源元件时，改变该有源元件所提供的输出阻抗的结果是对组合和调整电路的输入形成短路。

当关断有源元件时，同样可以考虑选择对组合和调整电路的输入形成开路的不同电纳补偿器布局。

图3中示出的用于对有源元件的负载电导进行组合和调整的电路5包括部署在M个级上的特定数目的线路段。

第1级经由N个相应的线路段L(1，1)至L(1，N)连接到N个电纳补偿器41至4N的输出，这N个相应的线路段具有相等的电长度，其为λ/4的整数倍，并且第M级或者直接连接到放大器的负载，或者经由构成第M+1级的至少一个线路段L(M+1，1)间接地连接到放大器的负载，该至少一个线路段的电长度为λ/4的整数倍。

除第1级和第M+1级之外的每一级都包括特定数目的线路段，这些线路段具有相等的电长度，其为λ/2的整数倍。

在这种配置中，一级的每个线路段都可以连接到前一级的一个或多个线路段，并且从第一级开始，每一级的线路段的数目随着级编号的增大而减小，因此第J级的线路段的数目通常少于该级之前的第J-1级的线路段的数目。

如果已关断的有源元件结合其电纳补偿器向组合电路的输入端提供的阻抗为短路，则第一级的线路段的电长度必须等于λ/4的奇数倍，以便对第1级的节点形成开路。

如果已关断的有源元件结合其电纳补偿器向组合电路的输入端提供的阻抗为开路，则第一级的线路段的电长度必须等于λ/4的偶数倍，以便对第1级的节点形成开路。

为形成阻抗反转变换器，将组合电路的输入连接到其输出的电长度的总和必须等于λ/4的奇数倍。

为确保电路的工作对称，将一级的每个线路段优选地连接到前一级的相同编号线路段的相同节点，并且第一级的线路段的数目N为偶数。

为了增强适配器的阻抗变换器功能，可以将连接不同级的两个节点的电长度为λ/2的整数倍的线路分为电长度为λ/4的具有不同特征阻抗的多条线路。

图4示出了根据这一原理的适配器的实施例，其包括连接到四个有源元件1a至1d的输出的四个电纳补偿器4a至4d以及两级的线路段。

第一级由特征阻抗为Z1且电长度为λ/4的四个线路段12a至12d构成，这些线路段的一端连接到电纳补偿器4a至4d的输出。

第二级由电长度为λ/2的两个线路段构成，每个线路段包括串行连接的电长度为λ/4的两个半线路段(half-line section)13a、13b和14a、14b，一个线路段的两个半线路段具有不同的特征阻抗Z2和Z3。

第一级和第二级之间的连接受到第一级的电长度为λ/4的线路段12a至12d的另一端的影响，一方面将线路段12a至12d中的两个线路段连接到第二级的电长度为λ/2的线路段13a、13b，并且另一方面将线路段12a至12d中的另外两个线路段连接到第二级的电长度为λ/2的线路段14a、14b的一端。将电长度为λ/2的线路段13a、13b和14a、14b的另一端一并连接到放大器的负载2(阻抗为Z_load-s)。

图5至图8示出了图4的适配器的工作，其中与图4的元件相应的元件具有相同的参考标号。

在这些图中，补偿器4a至4d由其等价电路表示，其引入了负电纳-SEA，可补偿有源元件的输出电纳。

在图5所示内容对应的配置中，放大器的所有有源元件1i均已启动，即每个有源元件1i都向补偿器4i的输入端施加幅度为U且波长为λ的相同正弦信号。

在这种配置中，适配器用作阻抗变换器，通过连续地对将适配器连接到负载阻抗Z的路径应用对经由补偿器从连接到适配器的负载Z到连接到有源元件所经过的以λ/4为单位的线路段的阻抗变换关系，可确定相对于适配器的每个输入的负载阻抗Z(负载2)。

由于由有源元件1a至1d所供给的功率是相等的，因此在适配器的输出端所获得的功率等于由一个有源元件所供给的功率的四倍。

相对于适配器的每个输入的负载阻抗是相等的，并且由下式确定：

$Z=\frac{1}{4}\·\frac{Z_1^2\·Z_3^2}{Z_2^2{\·Z}_{\mathrm{LOAD}-S}}---\left(1\right)$

通过设定

$Z_c=\frac{Z_1^2\·Z_3^2}{Z_2^2{\·Z}_{\mathrm{LOAD}-S}}---\left(2\right)$

相对于每个有源元件的负载阻抗Z为

$Z=\frac{Z_c}{4}---\left(3\right)$

用U表示施加到补偿器的每个输入上的电压幅度，并假定适配器没有损耗，则供给到负载的输出功率Ps为

$\mathrm{Ps}=4\·(\frac{1}{2}\·\frac{4\·u^2}{Z_c})=\frac{8\·u^2}{Z_c}---\left(4\right)$

在图6所示内容对应的配置中，分别地，一方面只有两个有源元件对电长度为λ/2的线路段13a、13b进行馈电，并且另一方面只有两个有源元件对电长度为λ/2的线路段14a、14b进行馈电。

在此情况下，电长度为λ/4的线路段12a、12b的一端由于短路而闭合，其另一端为开路，这意味着这些线路段可以与该电路的其余部分断开。

仅由有源元件1a和1d对一方面由半线路段13a、13b构成且另一方面由半线路段14a、14b构成的第二级的电长度为λ/2的两个线路段进行馈电。

在这种配置中，相对于已启动的每个有源元件的负载阻抗Z等于

$Z=\frac{Z_c}{2}---\left(5\right)$

供给到负载的输出功率Ps为

$\mathrm{Ps}=2\·(\frac{1}{2}\·\frac{2\·u^2}{Z_c})=\frac{2\·u^2}{Z_c}---\left(6\right)$

在图7所示内容对应的配置中，只有一个有源元件1a仅通过由半线路段13a和13b构成的电长度为λ/2的线路段对负载进行馈电。

在此情况下，电长度为λ/4的线路段12b、12c和12d的一端由于短路而闭合，其另一端为开路，这意味着这些线路段可以独立于该电路的其余部分。

由半线路段13a、13b构成的第二级的电长度为λ/2的线路段由有源元件1a进行馈电。

在这种配置中，相对于该仅有的已启动有源元件的负载阻抗Z为

Z＝Z_c    (7)

供给到负载的输出功率Ps为

$\mathrm{Ps}=1\·(\frac{1}{2}\·\frac{u^2}{Z_c})=\frac{u^2}{2{\·Z}_c}---\left(8\right)$

公式(3)和公式(5)示出了已启动的有源元件的负载电导随着已启动的有源元件的数目的减小而减小的变化关系。

同样，假定调整已启动的有源元件的激励级(excitation level)以获得恒定的输出电压U，并且假定适配器没有损耗，公式(4)、公式(6)和公式(8)粗略地表明了图5中四个已启动有源元件的配置与图7中的仅有一个已启动有源元件的配置之间的输出功率Ps的12dB的动态范围。从而使输出功率Ps与已启动的有源元件的数目直接相关联。

同样明显的是，在所有的情况下，对于每种配置，根据已启动的有源元件的特定数目而得到的功率电平都与第二级的线路段的特征阻抗Z2和特征阻抗Z3之间的比值的平方成正比，并且与第一级的线路段的特征阻抗Z1的平方成反比。

同样可以发现，已启动的有源元件的负载电纳与已关断的有源元件的数目无关。相应地，无论工作模式如何，即无论是一个、两个还是四个有源元件在工作，只要负载电纳不发生改变，额外功率效率都保持恒定。

得到包括四个有源元件的放大器的适配器的原理当然可以推广到包括任意数目的有源元件、使所获得的功率动态范围能够随着有源元件数目的增加而增大的放大器。

图8示出了放大器的适配器的一个实施例，该放大器包括分别连接到六个电纳补偿器的六个有源元件。

图8的实施例不同于图4的实施例，这不仅在于其包括六个电纳补偿器4a至4f，还在于经由第一级的线路段12a至12f将这些电纳补偿器(4a、4b、4c)和(4d、4e、4f)的输出中的每三个输出分别连接到第二级的线路段13a或14a的一端。

图9示出了图8的适配器的一种变型。

在该实施例中，经由第一级的线路段将电纳补偿器4a至4f的输出中的每两个输出分别连接到包括三个线路段的第二级的线路段的相应端，这三个线路段通过其公共的另一端连接到适配器的负载阻抗。

为实现本发明的放大器，可以通过本领域中已知的任意微电路微波技术来得到构成组合和调整电路5的线路段。

有源元件可以是单独的晶体管或晶体管组，例如共射共基放大器电路(cascode circuit)。

可以将有源元件、补偿器和组合电路集成在同一个单片电路上。然而，出于整体尺寸和成本的原因，同样可以用混合组件将组合电路与有源元件和电纳补偿器隔开。

假定减小启动有源元件的百分比通常引起保持启动的有源元件的负载电导减小而不会对负载电纳产生影响，则同样可以通过空间功率组合技术来得到组合电路。

Claims (13)

1.一种用于波长为λ的微波信号的放大器，包括经由适配器(3)并行地连接到负载阻抗的特定数目N个有源元件，所述适配器(3)包括：

特定数目N个电纳补偿器(41至4N；4a至4d)，其分别连接到N个有源元件(11至1N；1a至1d)的输出，以补偿这些有源元件(11至1N；1a至1d)的输出电纳；以及

一个用于对电导进行组合和调整的电路(5)，其具有分别连接到N个电纳补偿器(41至4N；4a至4d)的输出的N个输入以及连接到所述放大器的负载阻抗(2)的一个输出。

2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：

用于对所述有源元件的负载电导进行组合和调整的电路(5)包括部署在M个级上的特定数目的线路段，第1级经由N个相应的线路段(L(1，1)至L(1，N))连接到N个电纳补偿器(41至4N；4a至4d)的输出，这N个相应的线路段具有相等的电长度，其为λ/4的整数倍；以及第M级连接到所述放大器的负载，并且除第1级之外的每一级都包括特定数目的线路段，这些线路段具有相等的电长度，其为λ/2的整数倍，除第1级之外的级的每个线路段都可以连接到前一级的一个或多个线路段，并且从第一级开始，每一级的线路段的数目随着级编号的增大而减小。

3.根据权利要求1或2所述的放大器，其特征在于第M级的线路段经由构成第M+1级的至少一个线路段(L(M+1，1))连接到放大器的负载，该至少一个线路段的电长度为λ/4的整数倍。

4.根据权利要求2和3的任一所述的放大器，其特征在于将电长度为λ/2的整数倍的线路段分为电长度为λ/4的具有不同特征阻抗的多条线路。

5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于如果已关断的有源元件结合其电纳补偿器向所述组合电路的输入端提供的阻抗为短路，则第一级的线路段的电长度等于λ/4的奇数倍，以便对第1级的节点形成开路。

6.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于如果已关断的有源元件结合其电纳补偿器向所述组合电路的输入端提供的阻抗为开路，则第一级的线路段的电长度等于λ/4的偶数倍，以便对第1级的节点形成开路。

7.根据前述权利要求之任一所述的放大器，其特征在于将所述组合电路的输入连接到其输出的电长度的总和等于λ/4的奇数倍，以形成阻抗反转变换器。

8.根据前述权利要求之任一所述的放大器，其特征在于将除第1级之外的级的每个线路段连接到前一级的编号相同的线路段的相同节点。

9.根据权利要求1-8之任一所述的放大器，其特征在于将所述用于对所述有源元件的负载电导进行组合和调整的电路(5)部署在两个级上，以将所述放大器的负载适配到仅有的四个有源元件(1a、1b、1c、1d)，第一级包括电长度为λ/4的四个线路段(12a、12b、12c、12d)，并且第二级包括电长度为λ/2的两个线路段(13a、13b；14a、14b)，这两个线路段通过它们的一个公共端连接到所述放大器的负载阻抗，将电长度为λ/2的两个线路段(13a、13b；14a、14b)都分为电长度为λ/4的具有不同阻抗Z2和Z3的两个线路段。

10.根据前述权利要求之任一所述的放大器，其特征在于将所述用于对所述有源元件的负载电导进行组合和调整的电路(5)部署在两个级上，以将所述放大器的负载适配到仅有的六个有源元件(1a、1b、1c、1d、1e、1f)，第一级包括电长度为λ/4的六个线路段(12a、…、12f)，并且第二级包括电长度为λ/2的两个线路段(13a、13b；14a、14b)，这两个线路段通过它们的一个公共端连接到所述放大器的负载阻抗(2)，经由第一级的线路段(12a、12b、12c；12d、12e、12f)将所述电纳补偿器(4a、…、4f)的输出中的每三个输出分别连接到第二级的线路段(13a、13b；14a、14b)的与连接到所述放大器的负载阻抗(2)的一端相反的一端，将电长度为λ/2的两个线路段(13a、13b；14a、14b)都分为电长度为λ/4的具有不同阻抗Z2和Z3的两个线路段。

11.根据前述权利要求之任一所述的放大器，其特征在于将所述用于对所述有源元件的负载电导进行组合和调整的电路(5)部署在两个级上，以将所述放大器的负载(2)适配到仅有的六个有源元件(1a、1b、1c、1d、1e、1f)，第一级包括电长度为λ/4的六个线路段(12a、…、12f)，并且第二级包括电长度为λ/2的三个线路段(13a、13b；14a、14b；15a、15b)，这三个线路段通过它们的一个公共端连接到所述放大器的负载阻抗(2)，经由第一级的线路段(12a、12b；12c、12d；12e、12f)将电纳补偿器(4a、…、4f)的输出的每两个输出分别连接到第二级的线路段(13a、13b；14a、14b；15a、15b)的与连接到所述放大器的负载阻抗(2)的一端相反的一端，将电长度为λ/2的三个线路段(13a、13b；14a、14b；15a、15b)都分为电长度为λ/4的具有不同阻抗Z2和Z3的两个线路段。

12.根据前述权利要求之任一所述的放大器，其特征在于每个电纳补偿器(41至4N；4a至4d)包括两个线路段(5、6)，该两个线路段经由电容器(7)串行地连接在该电纳补偿器所连接的有源元件(11至1N；1a至1d)的输出以及所述用于对电导进行组合和调整的电路(5)的相应输入之间，并且包括第三线路段，该第三线路段一端连接到位于所述电容器(7)与连接所述有源元件(11至1N；1a至1d)的输出的线路段(5)之间的公共点(9)，另一端连接一个具有固定电容的电容器(10)的第一接线端，所述具有固定电容的电容器(10)通过其第二接线端连接到所述电路的接地点(11)，以施加在所述具有固定电容的电容器(10)的第一接线端上的偏压对该电容器(10)进行偏置，该偏压是根据为所述有源元件所选的工作状态来确定的。

13.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于通过空间功率组合技术来得到所述组合电路。

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