CN203522651U - 具有误差信号对消功能的高效率功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其包括：第一功分器、驱动放大器、参考信号调节电路、第二功分器、第一末级放大电路、第一耦合器、第一延时器、减法器、误差信号调节电路、末级延时与放大电路和功率合路器；本实用新型在其中一路末级放大的输入或输出端注入失真信号，该失真信号同另一路输出端的失真信号相位相反，使得末级合路点的两路主信号幅度相等相位相同、两路失真信号具备幅度相等相位相差反的特点，从而实现主信号的合路和失真信号在合路点对消，本实用新型无需额外的线性化电路就能使功放达到较好的线性效果，实现硬件成本低的优点，同时又能做到功放工作可靠、稳定。

Description

具有误差信号对消功能的高效率功率放大器

技术领域

本实用新型涉及一种放大器，具体涉及一种具有误差信号对消功能的高效率功率放大器。

背景技术

当前数字预失真技术在无线通信基站系统被广泛应用，然而前馈功率放大器在某些应用场合还是被采用，传统的基于主放大器和误差放大器的前馈功放的缺点是，由于误差放大器本身不对功放的输出功率有贡献，而误差放大器本身又有功耗，因此导致传统前馈功率放大器的效率比较低，即使采用了Doherty技术，效率也只能达到22%左右。既然前馈功放在大功率基站覆盖方面有一定的优势，因此进一步研究相对于目前的前馈功放来说既能取得良好线性，又能提高效率的功放也是一个值得深入研究的课题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种通过两路合路对消实现误差信号对消功能的高效率功率放大器，该放大器能实现对移动通信频段的射频信号的高效率和高线性放大。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其包括：第一功分器、驱动放大器、参考信号调节电路、第二功分器、第一末级放大电路、第一耦合器、第一延时器、减法器、误差信号调节电路、末级延时与放大电路和功率合路器；

该高效率功率放大器包括参考信号链路、误差提取链路、第一末级放大链路、第二末级放大链路和第一误差信号链路；

参考信号链路中，参考信号调节电路对第一功分器中的一个输出信号进行幅度、相位和时延的调节，并输出到减法器的第一输入端；

第一末级放大链路中，驱动放大器对第一功分器的另一个输出信号进行放大，放大后的信号经第二功分器的第二输出端的输出信号经第一末级放大电路进行放大，并产生失真信号，被放大的信号和失真信号经第一耦合器和第一延时器输出到功率合路器的第一输入端；

第二末级放大链路中，第二功分器的第一输出端的输出信号经末级延时与放大电路进行延时、放大，同时会产生失真信号，被延时放大的信号和失真信号通过末级延时与放大电路的输出端输出到功率合路器的第二输入端；

误差提取链路中，从第一耦合器的耦合端口输出的信号输入到减法器的第二输入端，与输入减法器的第一输入端的信号通过减法器进行相减得到误差信号，并通过减法器的输出端输出；

第一误差信号链路中，减法器的输出端输出的误差信号经误差信号调节电路进行误差信号的幅度和相位的调节，并经末级延时与放大电路输出到功率合路器的第二输入端，输出到该功率合路器的第二输入端的误差信号与第一末级放大链路输出的误差信号幅度相等相位相反，在功率合路器处进行误差信号的抵消。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,减法器两个输入端的信号时延相等，主信号相位相反。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中, 末级延时与放大电路的两个输入端的信号时延相等，输出的误差信号的相位相反。 

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,第一末级放大链路和第二末级放大链路的输出信号的时延相等，输出主信号的相位相同。 

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,末级延时与放大电路包括第二延时器、第二末级放大电路和第二耦合器。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,在末级延时与放大电路中，第二延时器的输出端连接第二末级放大电路的输入端，第二末级放大电路的输出端连接第二耦合器的输入端。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,在末级延时与放大电路中，第二耦合器的输出端连接第二末级放大电路的输入端，第二末级放大电路的输出端连接第二延时器的输入端。 

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,驱动放大器由单独的放大管构成，或者由N个放大管串联或并联构成，其中N为大于1的自然数。 

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,误差信号调节电路输出的误差信号的幅度是第一末级放大电路和第二末级放大电路中误差信号幅度的和。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,第一末级放大电路和第二末级放大电路由单独的放大管构成，或者由N个放大管串联或并联构成，其中N为大于1的自然数。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,减法器为独立3dB耦合器、微带线耦合器或腔体合路器中的任意一种。

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,第一延时器和第二延时器为延时线、集成的延时器或者空腔延时滤波器中的任意一种。 

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,第一耦合器和第二耦合器为微带线定向耦合器和分离器器件耦合器中的任意一种。 

本实用新型所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器中,所述第一末级放大链路中各部分通过管芯进行混合集成后统一封装在一个集成IC模块中。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型的功率放大器能够无需增加额外的线性化电路，而是通过调整功率合路器处合路的两路信号中的误差信号的幅度和相位，使得在主信号合路的同时，误差信号实现对消，相对于传统的前馈功放来说既节省了硬件成本，同时又降低了功耗，使得功放产品的效率有效提高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例具有误差信号对消功能的高效率功率放大器的电路原理框图；

图2是本实用新型实施例中末级延时与放大电路的结构示意图一；

图3是本实用新型实施例中末级延时与放大电路的结构示意图二；

图4是本实用新型实施例中参考信号调节电路的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中误差信号调节电路的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中第一末级放大电路或第二末级放大电路的结构示意图一；

图7是本实用新型实施例中第一末级放大电路或第二末级放大电路的结构示意图二；

图8是本实用新型实施例中第一末级放大电路或第二末级放大电路的结构示意图三；

图9为本实用新型较佳实施例前馈功率放大器的电路图。

图中：

1—第一功分器，2—驱动放大器，3—参考信号调节电路，4—第二功分器，5—第一末级放大电路，6—第一耦合器，7—第一延时器，8—减法器，9—误差信号调节电路，10—末级延时与放大电路，11—功率合路器，12—第二延时器，13—第二末级放大电路，14—第二耦合器，15—第一调幅器，16—第一调相器，17—第三延时器，18—参考信号预放大器，19—第二调幅器，20—第二调相器，21—误差信号预放大器，22—第三功分器，23—第一放大器，24—第二放大器，25—第二合路器，26—第四功分器，27—第三放大器，28—第四放大器，29—第五放大器，30—第三合路器，31—第五功分器，32—第六放大器，33—第七放大器，34—第八放大器，35—第九放大器，36—第四合路器，37—第四耦合器，38—检波器，39-微控制器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器无需专用误差放大器的前馈功率放大器，相对于传统的前馈功放来说既节省了硬件成本，同时又降低了功耗，使得功放产品的效率有效提高。

如图1所示，本实用新型实施例的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器其包括：第一功分器1（功分器即功率分配器）、驱动放大器2、参考信号调节电路3、第二功分器4、第一末级放大电路5、第一耦合器6、第一延时器7、减法器8、误差信号调节电路9、末级延时与放大电路10和功率合路器11。

其中，输入到该功率放大器的射频信号输入到第一功分器1的输入端A1，第一功分器1的第一输出端A2连接驱动放大器2的输入端A3，驱动放大器2的输出端A4连接到第二功分器4的输入端A5，第二功分器4的第一输出端E1连接到末级延时与放大电路10的输入端E2，末级延时与放大电路10的输出端E3连接功率合路器11的第一输入端E4；第二功分器4的第二输出端B1连接到第一末级放大电路5的输入端B2,第一末级放大电路5的输出端B3连接到第一耦合器6的输入端B4，第一耦合器6的输出端B5连接到第一延时器7的输入端B6，第一延时器7的输出端B7连接到功率合路器11的第二输入端B8； 第一功分器1的第二输出端C1连接到参考信号调节电路3的输入端C2，参考信号调节电路3的输出端C3连接到减法器8的第一输入端C4，第一耦合器6的耦合端D1连接到减法器8的第二输入端D2，减法器8的输出端F1连接到误差信号调节电路9的输入端F2，误差信号调节电路9的输出端F3连接到末级延时与放大电路10的耦合端F4。

本实用新型的实施例中，减法器8可为独立3dB耦合器、微带线耦合器或腔体合路器中的任意一种。

本实用新型一个实施例中，末级延时与放大电路10包括第二延时器12、第二末级放大电路13和第二耦合器14。该末级延时与放大电路10有两种实现方式，其中，实现方式之一如图2所示，第二耦合器14的输出端连接第二末级放大电路13的输入端，第二末级放大电路13的输出端连接第二延时器12的输入端。实现方式之二如图3所示，第二延时器12的输出端连接第二末级放大电路13的输入端，第二末级放大电路13的输出端连接第二耦合器14的输入端。

在本实用新型的实施例中，第一延时器7和第二延时器12可为延时线、集成的延时器或者空腔延时滤波器中的任意一种。 

在本实用新型的实施例中，第一耦合器6和第二耦合器14可为微带线定向耦合器和分离器器件耦合器中的任意一种。

具体地，该高效率功率放大器包括参考信号链路C、误差提取链路D、第一末级放大链路B、第二末级放大链路E和第一误差信号链路F；

参考信号链路C中，信号从第一功分器1的输入端A1输入，从第一功分器1的第二输出端C1输出到参考信号调节电路3的输入端C2，从参考信号调节电路3的输出端C3输出到减法器8的第一输入端C4。参考信号调节电路3主要对第一功分器中的一个输出信号进行幅度、相位和时延的调节；

第一末级放大链路B中，驱动放大器2输出的信号由第二功分器4的输入端A5输入，从第二功分器4的第二输出端B1输出到第一末级放大电路5的输入端B2, 第一末级放大电路5对信号进行放大，同时会产生失真信号，被放大的信号和失真信号从第一末级放大电路5的输出端B3输出到第一耦合器6的输入端B4，然后从第一耦合器6的输出端B5输出到第一延时器7的输入端B6，第一延时器7完成对信号的时延，经时延后的信号从第一延时器7的输出端B7输出到功率合路器11的第一输入端B8。

第二末级放大链路E中，信号从第二功分器4的第一输出端E1输出到末级延时与放大电路10的输入端E2, 末级延时与放大电路10对信号进行延时、放大和误差信号的注入，同时会产生失真信号，被放大的信号和失真信号从末级延时与放大电路10的输出端E3输出到功率合路器11的第二输入端E4。

误差提取链路D中，经第一末级放大电路5产生的被放大的信号和失真信号通过第一耦合器6的耦合端D1输出到减法器8的第二输入端D2，与输入到减法器8的第一输入端C4的信号通过减法器8相减得到误差信号，并通过减法器8的输出端F1输出；

第一误差信号链路F中，从减法器8的输出端F1输出的误差信号输入到误差信号调节电路9的输入端F2，误差信号调节电路9实现对误差信号的幅度和相位的调节，然后信号从误差信号调节电路9的输出端F3输出到末级延时与放大电路10的耦合端F4。末级延时与放大电路10对输入的信号进行延时和放大，再从末级延时与放大电路10的输出端E3输出到功率合路器11的第二输入端E4。第一末级放大链路B输出到第一输入端B8的信号中的误差信号与第一误差信号链路F输出到第二输入端E4信号中的误差信号幅度相等相位相反，在功率合路器11的合路点A6进行合路，可实现误差信号的抵消。

本实用新型实施例中，为了得到误差信号，减法器8两个输入端的信号时延相等，主信号相位相反；为了实现误差信号在功率合路器11处的抵消，第一末级放大链路B和第二末级放大链路E的输出信号的时延相等，即功率合路器1两个输入端信号的时延相等，且功率合路器11两个输入端信号中的误差信号的相位相等，幅度相反，功率合路器11两个输入端信号中的主信号相位相同。

第一末级放大链路B和第二末级放大链路E中的主信号具有幅度相等相位相同的特点，这两路信号在功率合路器11处进行合路，合路输出的功率等于两路功率之和。其中第一末级放大链路B中各部分通过管芯进行混合集成后统一封装在一个集成IC模块中。

如图4所示为本实用新型实施例的参考信号调节电路3的原理框图，包括第一调幅器15、第一调相器16、第三延时器17和参考信号预放大器18。其中参考信号输入到第一调幅器15，第一调幅器15的输出端连接第一调相器16的输入端，第一调相器16的输出端接第三延时器17的输入端，第三延时器17的输出端接参考信号预放大器18的输入端，参考信号预放大器18输出调节后的参考信号。其中输入到参考信号调节电路3的参考信号为第一功分器1中的一个输出信号，通过参考信号调节电路3对其进行幅度、相位和时延的调节，并输出到减法器8的第一输入端C4。

如图5所示为本实用新型实施例的误差信号调节电路9的原理框图，该误差信号调节电路9包括第二调幅器19、第二调相器20和误差信号预放大器21。其中经减法器8相减后的误差信号输入到第二调幅器19进行信号的幅度调节，第二调幅器19的输出端接第二调相器20的输入端，第二调相器20对信号进行相位调节，第二调相器20的输出端接误差信号预放大器21的输入端，误差信号预放大器21的输出端输出经过调节的误差信号。误差信号调节电路9输出的误差信号的幅度是第一末级放大电路5和第二末级放大电路13中误差信号幅度的和。

本实用新型具有两路合路对消功能的高效率功率放大器的工作方式是，被放大的射频信号输入到第一功分器1，将被放大信号分成两路，其中一路信号进入后面的驱动放大电路2，另一路信号作为没有失真的干净信号经过参考信号调节电路3 后用来作为参考信号，与从第一末级放大电路5后提取的带有失真的信号进行等幅度和反相位的相减得到误差信号，误差信号通过误差信号调节电路9进行幅度和相位的调整，然后与输入到末级延时与放大电路10的耦合输入端，该信号在末级延时与放大电路10中进行放大和延时后输入到功率合路器11；另一路的第一末级放大电路5输出的信号经过延时器7延时后输入到功率合路器11内，两路合路信号中的误差信号具有幅度相等相位相反的特点，因此误差信号在功率合路器11处实现了相互抵消，两路合路的主信号具有幅度相等相位相等的特点，从而实现了主信号的合路。 

 在本方案的实施过程中，驱动放大器2可根据实际的功放整机的增益需要选择是由单个还是多个放大管串联或并联构成，同理第一末级放大电路5、第二末级放大电路13 也可以是由单个或者N个放大管并联或者串联构成，其中N为大于1的自然数，具体实施要根据前馈功放的输出功率要求，以及末级放大管的选型而定。

如图6、7和8所示，为第一末级放大电路5或第二末级放大电路13的三种实施例的结构示意图。图6中，第一末级放大电路5或第二末级放大电路13包括并联的第一放大器23和第二放大器24，其并联的一端连接功分器22，另一端连接第二合路器25；图7中，第一末级放大电路5或第二末级放大电路13包括并联的第三放大器27、第四放大器28和第五放大器29，其并联的一端连接功分器26，另一端连接第三合路器30；图8中，第一末级放大电路5或第二末级放大电路13包括并联的第六放大器32、第七放大器33、第八放大器34和第九放大器35，其并联的一端连接功分器31，另一端连接第四合路器36。

由于驱动放大器本身有足够的回退且都工作在A类，因此线性失真基本可以忽略不计，另外第二末级放大电路13和第一末级放大电路5工作于相同的状态，可以工作在A类、B类或AB类。在本实用新型的实施例中将第二末级放大电路13当作误差放大器使用， 由于没有专门的误差放大器，因此相对于传动的前馈功放来说既节省了硬件成本，同时又降低了功耗，使得功放产品的效率有效提高。在第一末级放大电路5工作于C类放大器的条件下整机功放的效率根据信号峰均比的不同可以达到35-47%之间。 

本实用新型可广泛应用于移动通信系统基站功率放大器，如图9所示，为应用于GSM移动通信网络的基站功率放大器的一个较佳实施例。具体为GSM移动通信通信网络的基站功率放大器，最大载波数为6载波，额定输出功率为120W；工作频段为935MHz—960MHz，效率达到42%。

该实施例的功率放大器在图1的基础上，还包括微处理器电路37、检波器38、第四耦合器39以及电源转换电路（图中未示出）。其中，微处理器电路37用来实现模拟信号的采集以及对各调幅器、调相器控制信号的产生和输出控制信号，检波器38用来检测误差信号，第四耦合器39用来提取误差信号用于检测。其中，第四耦合器39的输入端与误差信号调节电路9的输出端连接，第四耦合器39的一个输出端与检波器38的一端连接，第四耦合器39的另一个输出端与末级延时与放大电路10的一个输入端连接；检波器38的另一端与微控制器37的输入端连接，微控制器37分别输出控制信号至参考信号调节电路3和误差信号调节电路9。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，其包括：第一功分器（1）、驱动放大器（2）、参考信号调节电路（3）、第二功分器（4）、第一末级放大电路（5）、第一耦合器（6）、第一延时器（7）、减法器（8）、误差信号调节电路（9）、末级延时与放大电路（10）和功率合路器（11）；

该高效率功率放大器包括参考信号链路、误差提取链路、第一末级放大链路、第二末级放大链路和第一误差信号链路；

参考信号链路中，参考信号调节电路（3）对第一功分器（1）中的一个输出信号进行幅度、相位和时延的调节，并输出到减法器（8）的第一输入端；

第一末级放大链路中，驱动放大器（2）对第一功分器（1）的另一个输出信号进行放大，放大后的信号经第二功分器（4）的第二输出端的输出信号经第一末级放大电路（5）进行放大，并产生失真信号，被放大的信号和失真信号经第一耦合器（6）和第一延时器（7）输出到功率合路器（11）的第一输入端（B8）；

第二末级放大链路中，第二功分器（4）的第一输出端的输出信号经末级延时与放大电路（10）进行延时、放大，同时会产生失真信号，被延时放大的信号和失真信号通过末级延时与放大电路（10）的输出端输出到功率合路器（11）的第二输入端（E4）；

误差提取链路中，从第一耦合器（6）的耦合端口输出的信号输入到减法器（8）的第二输入端，与输入减法器（8）的第一输入端的信号通过减法器（8）进行相减得到误差信号，并通过减法器（8）的输出端输出；

第一误差信号链路中，减法器（8）的输出端输出的误差信号经误差信号调节电路（9）进行误差信号的幅度和相位的调节，并经末级延时与放大电路（10）输出到功率合路器（11）的第二输入端，输出到该功率合路器（11）的第二输入端的误差信号与第一末级放大链路输出的误差信号幅度相等相位相反，在功率合路器（11）处进行误差信号的抵消。

2.如权利要求1所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于,减法器（8）两个输入端的信号时延相等，主信号相位相反。

3.如权利要求2所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于, 末级延时与放大电路（10）的两个输入端的信号时延相等，输出的误差信号的相位相反。

4.如权利要求2所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于,第一末级放大链路和第二末级放大链路的输出信号的时延相等，输出主信号的相位相同。

5.如权利要求2所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，末级延时与放大电路（10）包括第二延时器（12）、第二末级放大电路（13）和第二耦合器（14）。

6.如权利要求5所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，在末级延时与放大电路（10）中，第二延时器（12）的输出端连接第二末级放大电路（13）的输入端，第二末级放大电路（13）的输出端连接第二耦合器（14）的输入端。

7.如权利要求5所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，在末级延时与放大电路（10）中，第二耦合器（14）的输出端连接第二末级放大电路（13）的输入端，第二末级放大电路（13）的输出端连接第二延时器（12）的输入端。

8.如权利要求1所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，驱动放大器（2）由单独的放大管构成，或者由N个放大管串联或并联构成，其中N为大于1的自然数。 

9.如权利要求5所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，误差信号调节电路（9）输出的误差信号的幅度是第一末级放大电路（5）和第二末级放大电路（13）中误差信号幅度的和。

10.如权利要求5所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，第一末级放大电路（5）和第二末级放大电路（13）由单独的放大管构成，或者由N个放大管串联或并联构成，其中N为大于1的自然数。

11.如权利要求1所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于,减法器（8）为独立3dB耦合器、微带线耦合器或腔体合路器中的任意一种。

12.如权利要求5所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，第一延时器（7）和第二延时器（12）为延时线、集成的延时器或者空腔延时滤波器中的任意一种。 

13.如权利要求5所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，第一耦合器（6）和第二耦合器（14）为微带线定向耦合器和分离器器件耦合器中的任意一种。 

14.如权利要求1所述的具有误差信号对消功能的高效率功率放大器，其特征在于，所述第一末级放大链路中各部分通过管芯进行混合集成后统一封装在一个集成IC模块中。

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