CN1855698A - 多赫蒂微波放大器及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多赫蒂微波放大器及其信号处理方法，该微波放大器具有主放大器(1)和峰化放大器(2)，分配和输入一个输入信号到主放大器和峰化放大器，以通过组合主放大器的输出和峰化放大器的输出来获取一个输出信号，该多赫蒂微波放大器包括：第一耦合器(21)，其分支并输出所述输入信号的一部分；第二耦合器(22)，其分支并输出所述输出信号的一部分；以及偏置控制单元(5)，其基于在从第一耦合器分支并输出的信号的电平与从第二耦合器分支并输出的信号的电平之间的差值，反馈控制到峰化放大器的偏置信号。

Description

多赫蒂微波放大器及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种多赫蒂微波放大器(在下文中称为多赫蒂放大器)及其信号处理方法。

背景技术

多赫蒂放大器作为一种具有高效率的放大器是众所周知的。多赫蒂放大器配备主放大器来执行线性放大，并且配备峰化放大器(peaking amplifier)来补偿在更高输出范围中的主放大器的线性恶化。由于多赫蒂放大器能够由低功率获取大输出，所以其已经被用于甚至高频的范围例如微波(参考，例如，R.J.McMorrow，D.M.Voton和P.R.Malonney的“多赫蒂微波放大器”，1994，IEEEMTTS Digest，TH3-E，1994)。

图1是示出了一种现有的多赫蒂放大器的示例性框图。图1中的多赫蒂放大器具有主放大器100、峰化放大器200、输出负载300、分配器400以及偏置控制器500。分配器400将输入到该多赫蒂放大器的信号分配给主放大器100和峰化放大器200。

图2是示出了在图1中的多赫蒂放大器的输入/输出特性的示例图。图2示出了主放大器100的输入对输出的操作线ML和峰化放大器200的输入对输出的操作线PL。峰化放大器200从S点开始其输出，在S点处，来自主放大器100的输出开始饱和。

偏置控制器500检验多赫蒂放大器的输入信号电平，以在该输入信号电平超过在S点处的输入电平时输出偏置控制电压给峰化放大器200。峰化放大器200补偿在来自主放大器100的输出中的恶化，以输出一个放大信号给输出负载300。结果，如图2中虚线部分所示，可以在输出负载300处获得与来自主放大器100的输出组合的线性信号输出[参考，例如，日本专利申请公报No.2004-173231(第8页，图2)]。

但是，在图1的结构中，在峰化放大器200开始工作的S点处的输入电平是一个预先设定的固定电平。因此，在主放大器100和峰化放大器200的增益以及主放大器100的饱和开始的输入电平由于温度而导致的变化使得现有的放大器不可能精确地执行线性补偿。并且现有多赫蒂放大器变得不可能精确地执行线性补偿还取决于主放大器100中的个体差异。

发明内容

现有多赫蒂放大器监测其输入信号电平，并调节偏置信号的电压用以控制来自峰化放大器的输出。因此，多赫蒂放大器中温度变化成者个体差异的影响导致不能获得精确的线性的问题。

本发明的一个目的是，获得一个具有高效率的高频放大器，其可以获得精确的线性，以及其信号处理方法。

根据本发明的一个方面，提供一种多赫蒂微波放大器，其具有主放大器和峰化放大器，分配和输入一个输入信号到主放大器和峰化放大器，以便通过组合主放大器的输出和峰化放大器的输出来获取一个输出信号，其特征在于包括：第一耦合器(21)，其分支并输出输入信号的一部分；第二耦合器(22)，其分支并输出输出信号的一部分；以及偏置控制单元(5)，其基于在从第一耦合器分支并输出的信号的电平与从第二耦合器分支并输出的信号的电平之间的差值，反馈控制到峰化放大器的偏置信号。

根据本发明，由于峰化放大器的偏置信号的电压是受控的，以使得通过比较多赫蒂放大器的输入与输出来固定其增益，从而可以获得具有精确线性的高频多赫蒂放大器。

本发明的另外的优点将在后续的说明中陈述，一部分将会是通过说明显而易见的，或者可以通过本发明的实践被获知。通过下文中特别指出的手段和组合将可以实现和获得体本发明的优点。

附图说明

并入并且构成说明书的一部分的附图图解了本发明的实施例，并且与上面给出的一般说明和下面给出的对实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1是示出传统多赫蒂微波放大器(在下文中称为多赫蒂放大器)的示例性框图；

图2是示出图1中的多赫蒂放大器的输入/输出特性的示例图；

图3是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第一实施例的示例性框图；

图4是示出图3中的多赫蒂放大器的输入/输出特性的示例图；

图5是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第二实施例的示例性框图；

图6是示出图5中的多赫蒂放大器的输入/输出特性的示例图；

图7是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第三实施例的示例性框图；

图8是示出图7中的可变移相器的示例性框图；

图9是示出关于本发明第三实施例的多赫蒂放大器的另一个实例的示例性框图；

图10是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第四实施例的示例性框图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图说明本发明的实施例。

(第一实施例)

图3是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第一实施例的示例性框图。图4是示出图3中的多赫蒂放大器的输入/输出特性的示例图。将参考图3和4说明关于本发明的第一实施例的多赫蒂放大器的配置和工作情况。

在图3中，多赫蒂放大器包括主放大器1、峰化放大器2、分配器3、1/4波长阻抗变换器4a、1/4波长阻抗变换器4b、偏置控制单元5、延迟单元10和温度补偿衰减器11。该偏置控制单元5包括检波器6、检波器7、电平比较器8和限幅器9。给输入和输出配置耦合器21和22以便分别将每个信号分支给电平比较器8。

在关于第一实施例的多赫蒂放大器中，电平比较器8通过比较输入和输出处的信号电平来检验多赫蒂放大器的增益。然后限幅器9向峰化放大器2输出偏置信号Vgg，该信号恒定地保持该增益，即恒定地保持线性。在下文中，将说明多赫蒂放大器的每部分配置的工作情况。

主放大器1是高输出放大器，诸如具有极好线性的AB类放大器。峰化放大器2是高输出放大器，诸如C类放大器，峰化放大器2具有提供给信号输入端以便控制工作点的偏置信号Vgg的输入端。

通过温度补偿衰减器11将输入给多赫蒂放大器的信号输入给分配器3，以对主放大器1和峰化放大器2的增益的温度变化进行补偿。通过分配器3将输入信号分为两个分支，一个输入到主放大器1，另一个输入到峰化放大器2。通过1/4波长阻抗变换器4a将主放大器1的输出端连接到峰化放大器2的输出端。此外，将另一个1/4波长阻抗变换器4b连接到峰化放大器2的输出端，并且组合分别由主放大器1和峰化放大器2放大的信号，并从多赫蒂放大器输出。

耦合器21分出部分输入信号，提取并通过延迟单元10将其输出给偏置控制单元5的检波器6。检波器6检测输入信号以生成例如被转换为DC电流的输入电平信号Vi。将输入电平信号Vi输出给电平比较器8的一个输入端。在输出侧由耦合器22对该组合输出信号进行分支，由偏置控制单元5的检波器7将其转换为输出电平信号Vo，并输入到电平比较器8的另一个端子。

如果输入信号电平为低的话，则主放大器1线性工作，以便将峰化放大器2带入截止状态。例如，如果用FET构成峰化放大器2，则从偏置控制单元5将偏置信号Vgg提供给峰化放大器2的FET的栅极，以使得FET的漏极电流变为零。当输入信号电平变高继而来自主放大器1的输出开始饱和时，则峰化放大器2开始工作。在这样的状态下，偏置控制单元5控制偏置信号Vgg，以使得多赫蒂放大器输出线性输出，并且获得恒定增益。

电平比较器8测量输出电平信号Vo和输入电平信号Vi以检验线性。并且如果规定的增益恶化(相应于在图4中的输出开始饱和时的S点)的话，电平比较器8通过限幅器9将偏置信号Vgg输出给峰化放大器2。为了检测该恶化，在其中增益保持恒定的区域中，衰减器等(未示出)预先调整以使得输出电平信号Vo和输入电平信号Vi变为彼此相等的电平。

当主放大器1饱和时，输出电平信号Vo变为一个比输入电平信号Vi的值低的值。电平比较器8检测该差值以通过限幅器9将偏置信号Vgg输出给峰化放大器2，以使得输出电平信号Vo和输入电平信号Vi彼此相等。

在峰化放大器2中，将偏置信号Vgg提供给其栅极，馈送已经处于截止状态的漏极电流，以便补偿来自饱和的主放大器1的输出，并继而开始输出。将来自峰化放大器2的输出与来自主放大器1的输出相组合。于是，通过从电平比较器8输出偏置信号Vgg的电压以便恒定地保持增益来保证多赫蒂放大器的线性。

已经说明了通过借助电平比较器8控制偏置信号，增益变为恒定，以使得输出电平信号Vo和输入电平信号Vi在电平上变得相同。然而，电平比较器8可以执行输出电平信号Vo和输入电平信号Vi的数值转换，以通过使用在电平信号Vo和Vi之间的数值比率获得多赫蒂放大器的增益，并可以控制偏置电压以便使得增益恒定。

传统多赫蒂放大器仅测量输入信号电平，并且当输入信号电平达到假定开始饱和的点时将规定的偏置信号输出给峰化放大器2。即，传统多赫蒂放大器是通过执行开环控制来控制增益的，这使得如果主放大器1和峰化放大器2的工作与已经设置的条件不同的话，那么该多赫蒂放大器不能保证精确的线性。

另一方面，本发明的第一实施例通过限幅器9的工作监视偏置信号Vgg的电压，并限制偏置信号Vgg的最大值，以使得当提供过度输入时峰化放大器2不超出额定值输出。峰化放大器2由此可以被保护，还可以精确设置它的工作范围。且多赫蒂放大器的线性在工作范围内被有效且精确地保持。在第一实施例中，如果主放大器1和峰化放大器2的最大输出功率分别被设置为M瓦特和P瓦特，则(M+P)瓦特就成为多赫蒂放大器的最大输出功率。

温度补偿衰减器11被设置在分配器3的输入侧，以便补偿因主放大器1和峰化放大器2的增益等随温度变化而导致的工作变化。结果，因为抑制增益改变量和输出开始饱和的点处的温度变化可以减少峰化放大器2上的负担，由此通过防止其中无效的功耗改善了多赫蒂放大器的稳定性。

(第二实施例)

图5是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第二实施例的示例性框图。图6是示出图5中的多赫蒂放大器的输入/输出特性的示例图。图5中的多赫蒂放大器包括峰化放大器2a和2b。偏置控制单元5包括电平比较器8a和8b、限幅器9a和9b以及1/4波长阻抗变换器4c。

1/4波长阻抗变换器4c连接到来自峰化放大器2b的输出，并被进一步添加到峰化放大器2a的1/4波长阻抗变换器4b的输出。因此，多赫蒂放大器的输出变为主放大器1和两个峰化放大器2a和2b的组合输出。

在第二实施例中，将该组合输出通过检波器7输入给电平比较器8b。当主放大器1被带入饱和状态时，电平比较器8b通过限幅器9b将栅极电压Vggb输出给峰化放大器2b并输出到电平比较器8a的一个输入端。

限幅器9b输出偏置信号Vggb，以便补偿主放大器1的输出恶化，直到输入电压到达图6的A点。然而，如果在A点上的峰化放大器2b的输出(此处设置为P瓦特)是峰化放大器2b的额定输出的话，那么不少于P瓦特的输出会使峰化放大器2饱和。因此，功率被无效地消耗掉，并且在一种极端的情况下，多赫蒂放大器将会发生故障。

接着，与第一实施例一样，限幅器9b输出恒定的电压，以使得峰化放大器2b的偏置信号Vggb不超出允许的电压(例如，X伏特)。借此，峰化放大器2b的输出还是会保持在P瓦特。

此外，第二实施例具有用于并行输出的峰化放大器2a，以备在需要更多输出功率的情况下即使当输入电压超出A点时也可以进一步增加输出。即，将来自电平比较器8b的输出(例如，Y伏特)输入给电平比较器8a的一个输入端，并将来自限幅器9b的偏置信号Vggb(最大为X伏特)输入作为比较值。

在峰化放大器2b在额定范围内工作的状态中，分别输入给电平比较器8a的两个端子的各电平信号的电压相等，即X＝Y。来自多赫蒂放大器的输出从该工作状态开始变大，并且当来自电平比较器8b的Y伏特输出超过X伏特时，生成各电平信号之间的差值。因此，电平比较器8a通过限幅器9a将偏置信号Vgga输出给峰化放大器2a，以使得输入两个彼此相等的电压。

如果峰化放大器2a和2b在规格上相同，则偏置信号Vgga和Vggb的最大电压是相同的X伏特，且限幅器9a的最大电压也是X伏特。与峰化放大器2b一样，峰化放大器2a的输出最大为P瓦特。那么，主放大器1和峰化放大器2a以及2b的总输出可达(M+2P)瓦特。

通常，具有较高输出的半导体器件有与它的允许功率相反响应速度会变得较慢的缺陷。在第二实施例中，通过彼此并行地使用具有相同规格的较低输出的峰化放大器2，多赫蒂放大器可以有效增加最大功率而不会减慢响应速度。

在这里已经描述了两个峰化放大器2并联的情况，除该情况之外，即使当还彼此并联有多个峰化放大器2时，也可以增加峰化放大器2、电平比较器8和限幅器9的数量，如第二实施例的情况那样。配置和工作情况可以很容易想到，因此省略关于它们的说明。

(第三实施例)

本发明的第一实施例可以实现在振幅线性方面优良的高效放大器。本发明的第二实施例可以通过并行使用低输出峰化放大器2来实现能够保持高响应速度的多赫蒂型高效放大器。

同时，对于象微波这样的高频来说，重要的是不仅要保持响应速度的恒定，还要保持根据输出的相位特性的恒定。因而，在本发明的第三实施例中，将说明即使不仅振幅特性而且输出振幅均已经改变(换句话说，输入振幅改变)，也能够获得具有恒定相位特性的输出的配置。

图7是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第三实施例的示例性框图。图7中的多赫蒂放大器具有这样的配置，即将可变移相器12、延迟单元13、检波器14和耦合器23添加到图3的多赫蒂放大器中。在图7中，通过延迟单元13将输入信号输入到可变移相器12，且与第一实施例类似，将来自可变移相器12的输出输入给多赫蒂放大器。通过耦合器23对输入信号进行分支并将其输入给检波器14。检波器14生成相应于输入信号电平的DC相位偏置信号或输入电平信号以将其输出给可变移相器12。

图8是示出图7中的可变移相器的示例框图。在图8中，可变移相器12包括差动放大器121、参考电压单元122和相位调节器123。假定相位调节器123对于偏置调节信号的相位特性是已知的。还假定输入信号电平和来自多赫蒂放大器的输出之间的相位特性也是已知的。因而，根据输入信号电平得到给出所要补偿的相位的偏置调节信号提供给相位调节器123。

另一方面，将输入信号输入给相位调节器123的信号输入端。将来自检波器14的相位偏置信号(输入电平信号)输入给差动放大器121的一个输入端。此外，输入由参考电压单元122设置的并且向相位调节器123给出规定相位差值所需的参考电压。该设定相位与，例如，处于最大输入信号电平的多赫蒂放大器的相位特性相匹配。

差动放大器121将偏置调节信号输出给相位调节器123，以便使参考电压和欲输入的相位偏置信号之间的差值最小。借此多赫蒂放大器的输出无论输入信号电平如何都保持恒定的相位特性。

图9是当通过更简单的配置来实现执行相位调节的多赫蒂放大器时的示例性框图。在图7中，专为相位调节提供的检波器14将相位偏置信号或输入电平信号输出给可变移相器12。图9中的多赫蒂放大器使用输入电平信号作为相位偏置信号提供给可变移相器12，该输入电平信号是由检波器6输出的。

(第四实施例)

图10是示出关于本发明的多赫蒂放大器的第四实施例的示例性框图。在图10中，将组合信号输入到相位检测器15，其相位信号作为相位偏置信号输入给可变移相器12，采用反馈控制使多赫蒂放大器的输入信号和输出信号的相位特性彼此匹配。

在第三实施例中，多赫蒂放大器测量输入信号以将与该输入信号的电平对应的偏置施加到相位调节器123，并通过开环控制对输出信号的相位进行补偿。相反，在第四实施例中，多赫蒂放大器对输入信号进行测量，所使用的不是输入信号，而是通过相位检测器所得到的来自多赫蒂放大器的输出的相位特性。多赫蒂放大器将测量结果与规定参考相位之间的差值作为DC相位偏置信号输出给可变移相器12，以反馈控制输出信号的相位。通过反馈控制，可以获得线性得到改善及相位特性不受输入信号电平影响的多赫蒂放大器。

在第三和第四实施例中的用于多赫蒂放大器的相位补偿方法还可以适用于多赫蒂放大器分别使用多个峰化放大器的情况，正如前述第二实施例中的那样。

如上所述，根据本发明，可以实现具有极好线性的多赫蒂放大器。且根据本发明，可以实现具有改善线性和相对于输入信号的电平变化具有稳定的输出相位特性的多赫蒂放大器。

本领域技术人员将会很容易地想到附加的优点和修改。因此，在较宽方面本发明不限于此处示出和所述的特定细节和典型实施例。因而，在不脱离所附权利要求或它们的等价物所定义的总体发明概念的精髓或范围的情况下，可以作出各种修改。

Claims (10)

1.一种多赫蒂微波放大器，其具有主放大器和峰化放大器，分配和输入一个输入信号到主放大器和峰化放大器，以通过组合主放大器的输出和峰化放大器的输出来获取一个输出信号，其特征在于包括：

第一耦合器(21)，其分支并输出所述输入信号的一部分；

第二耦合器(22)，其分支并输出所述输出信号的一部分；以及

偏置控制单元(5)，其基于在从第一耦合器分支并输出的信号的电平与从第二耦合器分支并输出的信号的电平之间的差值，反馈控制到峰化放大器的偏置信号。

2.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于还包括：

多个峰化放大器(2a，2b)；

其中，偏置控制单元(5)控制分别到所述多个峰化放大器的偏置信号。

3.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于：

偏置控制单元(5)具有限幅器(9)，该限幅器限制所述偏置信号的最大值。

4.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于还包括：

可变移相器(12)，其根据所述输入信号的电平，补偿被分配并输入到主放大器和峰化放大器的信号的相位。

5.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于还包括：

温度补偿衰减器(11)，其具有衰减特性，以补偿主放大器和峰化放大器的温度对增益特性；

其中，通过该温度补偿衰减器将所述输入信号分支并输入到主放大器和峰化放大器。

6.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于还包括：

延迟单元(13)，其将所述输入信号延迟，以补偿在偏置控制单元中的延迟。

7.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于：

偏置控制单元(5)包括：

第一检波器(6)，其输出一个通过检测所述输入信号而产生的输入电平信号；

第二检波器(7)，其输出一个通过检测所述组合的输出信号而产生的输出电平信号；以及

电平比较器(8)，其一个输入端输入所述输入电平信号，另一个输入端输入所述输出电平信号，并且其比较所述输入电平信号与输出电平信号，以在所述输出信号相对所述输入信号的增益变得低于规定值时，输出用来控制所述增益以使其成为该规定值的偏置信号给限幅器。

8.根据权利要求7的多赫蒂微波放大器，其特征在于还包括：

可变移相器(12)，其借助于从第一检波器(6)或第三检波器(14)输出的输入电平信号，为主放大器(1)和峰化放大器(2)的输入信号电平补偿相位特性变化，其中第三检波器(14)置于第一检波器的前面；

其中，通过可变移相器(12)将所述输入信号分配并输入到主放大器(1)和峰化放大器(2)。

9.根据权利要求1的多赫蒂微波放大器，其特征在于还包括：

相位检测器(15)和可变移相器(12)；

其中，通过可变移相器(12)将所述输入信号输入给主放大器(1)和峰化放大器(2)；

相位检测器(15)输出一个误差电压作为相位偏置信号给可变移相器(12)，该误差电压是所述输出信号的相位与参考相位之间的差；

可变移相器(12)通过该相位偏置信号来反馈控制所述输出信号的相位到规定相位。

10.一种用于多赫蒂微波放大器的信号处理方法，该微波放大器输出一个输出信号，其中组合主放大器(1)的输出和峰化放大器(2)的输出，主放大器(1)用来线性放大一个输入信号，峰化放大器(2)用来放大和输出受控于偏置信号的、从所述输入信号中分配得到的信号，其特征在于：

该多赫蒂微波放大器包括第一检波器(6)、第二检波器(7)、电平比较器(8)和限幅器(9)，

第一检波器(6)输出一个通过检测所述输入信号而产生的输入电平信号给电平比较器(8)的一个输入端；

第二检波器(7)输出一个通过检测所述组合的输出信号而产生的输出电平信号给电平比较器(8)的另一个输入端；

电平比较器(8)比较所述输入电平信号与输出电平信号，以在所述输出信号相对所述输入信号的增益变得低于规定值时，输出用来控制所述增益以使其成为该规定值的偏置信号给限幅器(9)；以及

限幅器(9)将输入到其上的所述偏置信号限制到规定电压，以将该偏置信号输出到峰化放大器(2)。

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