DE102013102578B4 - Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung mit Spitzenimpedanzabsorption - Google Patents

Abstract

Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung, umfassend:einen Hauptverstärker (100), welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart zu arbeiten,einen Spitzenverstärker (110), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten, undeinen Doherty-Kombinierer (130), welcher direkt mit einem Ausgang jedes Verstärkers (100, 110) verbunden ist, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen Ausgängen (102, 112) der Verstärker und dem Doherty-Kombinierer (130) liegen, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, jedem der Verstärker (100, 110) die gleiche Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker (100, 110) verstärken, und dem Hauptverstärker (100) eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der Spitzenverstärker (110) nicht verstärkt, sodass eine Variation eines von dem Hauptverstärker (100) gesehenen Stehwellenverhältnisses über eine Vielzahl von Frequenzbändern geringer ist als 5 %,wobei der Hauptverstärker (100) eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und eine Größe T1 aufweist, der Spitzenverstärker eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und eine Größe T2 aufweist, der Doherty-Kombinierer (130) eine Übertragungsleitung (132) mit einer Impedanz Z3 aufweist, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang des Hauptverstärkers (100) verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbunden ist, wobei gilt:Z3=(Z1xZ2xT2T1)1/2.

Description

• HINTERGRUND
• Ein typischer Doherty-Verstärker weist einen Hauptverstärker (Trägerverstärker), welcher vorgespannt ist, in einer linearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-AB-Betriebsart zu arbeiten, und einen Spitzenverstärker (oder Hilfsverstärker), welcher vorgespannt ist, in einer nichtlinearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-C-Betriebsart zu arbeiten, auf. Das dem Doherty-Verstärker zugeführte Signal wird auf die beiden Verstärker aufgeteilt, und die verstärkten Signale werden unter Benutzung eines Doherty-Kombinierers rekombiniert. Bei Spitzenwerten des Eingangssignals sind beide Verstärker in Betrieb, und beiden wird die optimale Lastimpedanz bereitgestellt, um eine maximale Leistungsausgabe zu erreichen. Wenn die Leistung des Eingangssignals abnimmt, wird der Spitzenverstärker ausgeschaltet, und nur der Hauptverstärker arbeitet. Bei diesen niedrigeren Leistungspegeln stellt der Doherty-Kombinierer dem Hauptverstärker eine modulierte Lastimpedanz bereit, welche eine höhere Effizienz und eine höhere Verstärkung ermöglicht. Dies führt zu einer effizienten Lösung zum Verstärken komplexer Modulationsschemata, welche in derzeitigen und kommenden drahtlosen Systemen benutzt werden, beispielsweise WCDMA (Breitband-CDMA), CDMA2000 und Systeme, welche orthogonales Frequenzmultiplexen (OFDM, vom englischen „Orthogonal Frequency Division Multiplexing“) benutzen, wie beispielsweise WiMAX („Worldwide Interoperability for Microwave Access“) und die LTE(„Long-Term Evolution“)-Verbesserung für den UMTS(„Universal Mobile Telecommunications System“)-Standard.
• Wenn jedoch eine hohe Effizienz bei einem hohen Ausgangs-Backoff erforderlich ist, wie es bei vielen Anwendungen mit hohem Spitzen-zu-Durchschnitts-Leistungsverhältnis der Fall ist, ist ein stark asymmetrisches Verhältnis zwischen der Größe des Hauptverstärkers und des Spitzenverstärkers erforderlich. Mit einer derartigen Architektur verschlechtert sich die Effizienz zwischen dem Spitzenausgangsbackoffpunkt, bei dem der Hauptverstärker arbeitet und der Peak-Verstärker nicht arbeitet, und dem Spitzenleistungspunkt, bei dem beide Verstärker arbeiten, signifikant, was unerwünscht ist. Eine Dreiwege-Doherty-Architektur kann benutzt werden, um dieses Problem zu lösen.
• Eine Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung umfasst typischerweise einen Hauptverstärker, welcher in einer linearen Betriebsart (z.B. Klasse-AB-Betriebsart) arbeitet und zwei Spitzenverstärker, welche in einer nichtlinearen Betriebsart (z.B. Klasse-B- oder Klasse-C-Betriebsart) arbeiten. Die Dreiwege-Doherty-Schaltung weist drei Leistungsbetriebspunkte auf: einen Spitzenleistungspunkt, an dem alle drei Verstärker arbeiten und somit leitend sind, einen ersten Spitzenausgangsbackoffpunkt (Backoff 1), bei dem der Hauptverstärker und der erste Spitzenverstärker arbeiten und der zweite Spitzenverstärker nicht arbeitet und somit nicht leitend ist, und einen zweiten Spitzenausgangsbackoffpunkt (Backoff 2), bei dem der Hauptverstärker arbeitet und beide Spitzenverstärker nicht arbeiten. Jede Verstärkerstufe ist typischerweise als ein 50Ω-Block optimiert, und der Doherty-Kombinierer ist ausgelegt, die korrekten Lastimpedanzen für jeden Verstärker bei Backoff 1, Backoff 2 und voller Leistung bereitzustellen.
• Jeder Verstärker ist herkömmlicherweise mit dem Doherty-Kombinierer unter Benutzung einer (Ausgangs-)Impedanz-anpassungseinrichtung wie einem Impedanztransformator verbunden. Die Ausgangsanpassungseinrichtungen, welche die Spitzenverstärker mit dem Doherty-Kombinierer verbinden, bewirken einen Impendanzspreizeffekt über die Frequenz im ausgeschalteten Zustand, wenn die Spitzenverstärker nicht verstärken. Die Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand verändert das Stehwellenverhältnis (VSWR, vom englischen „voltage standing wave ratio“), welches der Hauptverstärker über die Frequenz sieht, und dieses verstellt den Hauptverstärker über eine weite Bandbreite von der optimalen Last. Dies begrenzt wiederum die gesamte Betriebsbandbreite für die Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung. Doherty-Verstärkerschaltungen sind typischerweise für einen spezifischen schmalen Betriebsfrequenzbereich wie 1805-1880 MHz, 1930-1990 MHz etc. ausgelegt. Schmalbandschaltungen werden durch die Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand beeinflusst und können daher nicht über breitere Bandbreiten hinweg betrieben werden.
• Die nachveröffentlichte DE 10 2012 202 870 A1 offenbart eine Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung mit einem Hauptverstärker, der eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart zu arbeiten, einem Spitzenverstärker, der eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten, und einem Doherty-Kombinierer, der eingerichtet ist, jedem der Verstärker die gleiche Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker verstärken, und dem Hauptverstärker eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der Spitzenverstärker nicht verstärkt.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung bereitzustellen, welche auch über größere Bandbreiten betreibbar ist.
• KURZ ZUSAMMENFASSUNG
• Es wird eine Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, 9 oder 11 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung umfasst die Schaltung einen Hauptverstärker, welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-AB-Betriebsart zu arbeiten, einen Spitzenverstärker, welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart wie einer Klasse-B- oder Klasse-C-Betriebsart zu arbeiten, und einen Doherty-Kombinierer, welcher direkt mit einem Ausgang jedes Verstärkers verbunden ist, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen und dem Doherty-Kombinierer liegen. Der Doherty-Kombinierer ist eingerichtet, jedem Verstärker eine optimale Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker verstärken, und dem Hauptverstärker eine modulierte oder geänderte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der Spitzenverstärker nicht verstärkt, sodass eine Variation des Stehwellenverhältnisses (VSWR) wie von dem Hauptverstärker gesehen weniger als 5 % über eine Vielzahl von Frequenzbändern ist. Der Hauptverstärker weist eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und eine Größe T1 aufweist, der Spitzenverstärker weist eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und eine Größe T2 auf, und der Doherty-Kombinierer weist eine Übertragungsleitung mit einer Impedanz Z3 auf, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang des Hauptverstärkers verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang des Spitzenverstärkers verbunden ist. Dabei gilt: $Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2}.$

  
• Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel einer Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung umfasst die Schaltung einen Hauptverstärker, welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart wie einer Klasse-AB-Betriebsart zu arbeiten, einen Spitzenverstärker, welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart wie einer Klasse-B- oder Klasse-C-Betriebsart zu arbeiten, und einen Doherty-Kombinierer, welcher direkt mit einem Ausgang jedes Verstärkers verbunden ist, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen und dem Doherty-Kombinierer liegen. Der Doherty-Kombinierer ist eingerichtet, jedem Verstärker die optimale Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker verstärken, und dem Hauptverstärker eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der Spitzenverstärker nicht verstärkt, sodass der Spitzenverstärker eine Impedanzspreizung von 20 Grad oder weniger über eine Vielzahl von Frequenzbändern aufweist. Der Hauptverstärker weist eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und eine Größe T1 aufweist, der Spitzenverstärker weist eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und eine Größe T2 auf, und der Doherty-Kombinierer weist eine Übertragungsleitung mit einer Impedanz Z3 auf, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang des Hauptverstärkers verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem des Spitzenverstärkers verbunden ist Dabei gilt: $$Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2}.$$

  
• Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel einer Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung umfasst die Schaltung einen Hauptverstärker, welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-AB-Betriebsart zu arbeiten und welcher eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und Größe T1 aufweist, einen Spitzenverstärker, welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-C-Betriebsart zu arbeiten und welcher eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und Größe T2 aufweist, und einen Doherty-Kombinierer, umfassend eine Übertragungsleitung mit einer Impedanz Z3, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang des Hauptverstärkers verbunden ist und am gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang des Spitzenverstärkers verbunden ist, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen und dem Doherty-Kombinierer sind, wobei gilt: $$Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2}.$$

  
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei die Komponenten in den Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Elemente.
• 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung mit einem direkt verbundenen Doherty-Kombinierer.
• 2 zeigt ein Diagramm des Stehwellenverhältnisses, welches von dem Hauptverstärker der in 1 dargestellten Schaltung gesehen wird, über einen bestimmten Breitbandfrequenzbereich.
• 3 zeigt ein Diagramm einer Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand über einen bestimmten Breitbandfrequenzbereich mit und ohne Ausgangsimpedanzanpassungsnetzwerke.
• 4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Zweiwege-Doherty-Verstärkerschaltung mit einem direkt verbundenen Doherty-Kombinierer.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Breitband-Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung. Die Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung umfasst einen Hauptverstärker 100, welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-AB-Betriebsart zu arbeiten, einen ersten Spitzenverstärker 110, welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-C-Betriebsart zu arbeiten, einen zweiten Spitzenverstärker 120, welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart wie z.B. einer Klasse-C-Betriebsart zu arbeiten, und einen Doherty-Kombinierer 130, welcher die Ausgänge 102, 112 und 122 der Verstärker 100, 110 bzw. 120 mit einer Last 140 verbindet. Die Dreiwege-Doherty-Schaltung weist drei Leistungsbetriebspunkte auf: einen Spitzenleistungspunkt, bei dem alle drei Verstärker 100, 110, 120 verstärken, einen ersten Spitzenausgangsbackoffpunkt (Backoff 1), bei dem der Hauptverstärker 100 und der erste Spitzenverstärker 110 das Eingangssignal (allgemein durch Eingang#1, Eingang#2 und Eingang#3 in 1 repräsentiert) verstärken, und der zweite Spitzenverstärker 120 nicht verstärkt, und einen zweiten Spitzenausgangsbackoffpunkt (Backoff 2), bei dem der Hauptverstärker 100 verstärkt und beide Spitzenverstärker 110, 120 nicht verstärken.
• Der Doherty-Kombinierer 130 stellt jedem Verstärker 100, 110, 120 eine optimale Lastimpedanz bereit, wenn alle Verstärker 100, 110, 120 verstärken, und stellt dem Hauptverstärker 100 eine modulierte Lastimpedanz bereit, wenn einer oder beide der Spitzenverstärker 110, 120 nicht verstärken. Eingangsseitig können Eingangsanpassungseinrichtungen 104, 114, 124 bereitgestellt sein. Ausgangsseitig ist der Doherty-Kombinierer 130 direkt mit den Verstärkerausgängen 102, 112 und 122 verbunden, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen 102, 112, 122 und dem Doherty-Kombinierer 130 liegen. Beispielsweise können andere Einrichtungen wie ein Gleichspannungsblockadekondensator (C_DC) zwischen den Verstärkerausgängen 102, 112, 122 und Masse mit Bonddrähten wie in 1 dargestellt verbunden sein, wobei die Bonddrähte durch Induktivitäten (L_WB) repräsentiert sind. Ein zusätzlicher Gleichspannungsblockadekondensator (nicht dargestellt) kann in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen 102, 112, 122 und dem Doherty-Kombinierer 130 durch Bonddrähte verbunden sein. Es sind jedoch keine Spitzenverstärker-Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen 102, 112, 122 und dem Doherty-Kombinierer 130 angeordnet, beispielsweise Impedanzanpassungseinrichtungen. Stattdessen wird die Spitzenverstärkerausgangsanpassung in dem Doherty-Kombinierer 130 vorgenommen, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen nötig sind. Indem die Spitzenverstärkerausgangsanpassung auf diese Weise in den Doherty-Kombinierer 130 „absorbiert“ ist, wird eine Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand stark verringert, und das von dem Hauptverstärker 100 gesehene Stehwellenverhältnis bleibt über eine breitere Bandbreite relativ konstant.
• Daher weist die Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung geringere Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand auf, was insbesondere für Breitbandanwendungen nützlich ist. Dementsprechend kann die Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung über eine breitere Bandbreite verglichen mit herkömmlichen schmalbandigen Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltungen, bei welchen jeder Spitzenverstärker eine Ausgangsanpassung aufweist, welche für jeden der Spitzenverstärker die Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand vergrößert, betrieben werden. D.h., der Hauptverstärker 100 kann eine konstantere Leistung und Effizienz über einen breiteren Frequenzbereich bei einem bestimmten Backoff-Ausgangsleistungspegel bereitstellen. Die Doherty-Verstärkerschaltung ist daher besonders gut für mehrbandigen Betrieb geeignet, sodass mehr als ein Frequenzband durch die gleiche Verstärkerschaltung bedient werden kann. Beispielsweise kann die Doherty-Verstärkerschaltung ein erstes Frequenzband von 1805-1880 MHz und ein zweites Frequenzband von 1930-1990 MHz bedienen. Andere Frequenzbänder können ebenso unterstützt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel variiert das von dem Hauptverstärker 100 gesehene Stehwellenverhältnis (VSWR) um weniger als 5 % oder um weniger als 3 % über eine Mehrzahl von Frequenzbändern. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weisen die Spitzenverstärker 110, 120 eine Impedanzspreizung (engl.: „impedance spreading“) im ausgeschalteten Zustand von 20 Grad oder weniger über eine Vielzahl von Frequenzbändern auf.
• Um dies detaillierter zu erläutern, kann beispielsweise der Hauptverstärker 100 eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und Größe T1 (beispielsweise Bauelementperipherie) aufweisen, der erste Spitzenverstärker 110 kann eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und Größe T2 aufweisen, und der zweite Spitzenverstärker 120 kann eine optimale Ausgangsimpedanz Z4 und Größe T4 aufweisen. Der Doherty-Kombinierer 130 umfasst eine erste Übertragungsleitung 132 mit einer Impedanz Z3, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang 102 des Hauptverstärkers 100 und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang 112 des ersten Spitzenverstärkers 110 verbunden ist, und eine zweite Übertragungsleitung 134 mit einer Impedanz Z5, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang 112 des ersten Spitzenverstärkers 110 verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang 122 des zweiten Spitzenverstärkers 120 verbunden ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Übertragungsleitungen 132, 134 des Doherty-Kombinierers 130 über Bonddrähte direkt mit den entsprechenden Verstärkerausgängen 102, 112 und 122 an den jeweiligen Enden verbunden.
• Allgemein werden die Impedanzen der Übertragungsleitungen 132, 134 des Doherty-Kombinierers 130 als Funktion der optimalen Lastimpedanz der Verstärker 100, 110, 120, der Größe der Verstärker 100, 110, 120, der Ausgangsbackoffpunkte und der Lastimpedanz ausgewählt. Die Impedanzen der Übertragungsleitungen 132, 134 des Doherty-Kombinierers 130 sind bei einem Ausführungsbeispiel gegeben durch: $$Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2},$$

  

  $$Z5={\left[\frac{\left[Z2xZ4x\frac{T2}{T1}x\frac{T4}{T1}\right]}{{\left(1+\frac{T2}{T1}\right)}^2}\right]}^{\frac{1}{2}}$$

  

  wobei Z3 die Impedanz der ersten Übertragungsleitung 132 und Z5 die Impedanz der zweiten Übertragungsleitung 134 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel gilt Z1 = 2 × Z2, T2 = 2 × T1, Z2 = Z4 und T2 = T4. Zudem ist die Impedanz ZA an einem Knoten A des Doherty-Kombinierers 130 wie in 1 gezeigt gegeben durch: $$ZA=\left[\frac{Z4}{1+\left(\frac{T1+T2}{T4}\right)}\right]$$

  
• Zur Veranschaulichung kann der Hauptverstärker 100 ein Klasse-AB-Verstärker mit 30 mm Größe und einer 10 Ω optimalen Ausgangsimpedanz sein, und beide Spitzenverstärker 110, 120 können Klasse-C-Verstärker mit 60 mm Größe und 5 Ω optimaler Ausgangsimpedanz sein. In diesem Fall gilt Z3 = 10 Ω, Z5 = 3,33 Ω und ZA = 2 Ω.
• Der Doherty-Kombinierer 130 kann zudem einen kegelstumpfförmigen Impedanztransformator 136 umfassen, welcher ein an dem Knoten A des Doherty-Kombinierers 130 mit dem Ausgang 122 des zweiten Spitzenverstärkers 120 verbundenes breiteres Ende und ein mit einer Last 140 verbundenes schmaleres Ende aufweist. Bei dem obigen Beispiel stellt der kegelstumpfförmige Impedanztransformator 136 eine Impedanztransformation von 2 Ω auf 50 Ω bereit, wobei die Last bei diesem Beispiel 50 Ω ist. Andere Lasten können benutzt werden, beispielsweise eine 75 Ω-Last. In jedem Fall stellt der kegelstumpfförmige Impedanztransformator 136 dem Hauptverstärker 100 über eine Vielzahl von Frequenzbändern bei Backoff 1- und Backoff 2-Betriebsbedingungen, d.h. wenn einer oder beide Spitzenverstärker 110, 120 nicht arbeiten, eine reale Last bereit. Der kegelstumpfförmige Impedanztransformator kann durch einen Zweiabschnittstransformator oder Einabschnittstransformator ersetzt werden. Ein Einabschnittstransformator kann jedoch die Leistungsfähigkeit beschränken, aber ein Zweiabschnittstransformator oder Dreiabschnittstransformator kann ähnlich wie der dargestellte kegelstumpfförmige Breitbandtransformator arbeiten. Auch kann irgendeine Art von Koppler aus verschiedenen Materialien oder Substraten zu diesem Zweck benutzt werden.
• Wie in 2 gezeigt wird die von dem Hauptverstärker 100 gesehene Variation des Stehwellenverhältnisses VSWR signifikant verringert und variiert unter den oben erwähnten Bedingungen um weniger als 3 % über einen Breitbandfrequenzbereich von mindestens 200 MHz. 2 zeigt das von dem Hauptverstärker 100 gesehene Stehwellenverhältnis über einen Breitbandfrequenzbereich von mindestens 200 MHz für einen 30 mm Klasse-AB-Hauptverstärker 100 mit einer 10 Ω optimalen Ausgangslastimpedanz, während zwei 60 mm Klasse-C-Spitzenverstärker 110, 120 mit jeweils 5 Ω optimaler Ausgangslastimpedanz verbunden sind, aber nicht verstärken. Eine Kurve 200 zeigt das von dem Hauptverstärker 100 gesehene Stehwellenverhältnis, wenn die Ausgänge der Spitzenverstärker nicht mit dem Doherty-Kombinierer 130 verbunden sind, und eine Kurve 210 zeigt das von dem Hauptverstärker 100 gesehene Stehwellenverhältnis, wenn beide Spitzenverstärker 110, 120 in der Schaltung verbunden sind, aber nicht verstärken (d.h. bei dem Backoff 2, welches der wünschenswerte Betriebspunkt für Signale mit hohem Spitzen-Durchschnitts-Verhältnis ist). Im Vergleich hierzu würde das von dem Hauptverstärker einer herkömmlichen Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung, welche ein Ausgangsimpedanzanpassungsnetzwerk zwischen den Ausgängen der Spitzenverstärker und dem Doherty-Kombinierer aufweist, gesehene Stehwellenverhältnis wesentlich signifikanter für den gleichen Frequenzbereich und unter den gleichen Bedingungen variieren, was die herkömmliche Schaltung weniger wünschenswert für Breitbandanwendungen macht. Die Doherty-Verstärkerschaltung mit dem direkt verbundenen Doherty-Kombinierer 130 entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel bietet eine verbesserte Stehwellenverhältnisleistung für Breitbandanwendungen zumindest teilweise aufgrund einer verringerten Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand über einen breiteren Frequenzbereich.
• 3 zeigt die Beziehung zwischen der Impedanzanpassung des Spitzenverstärkers und der Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand für eine 200-MHz-Bandbreite. Insbesondere ist die Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand (Y-Achse) als Funktion der Schaltungsanpassungsimpedanz (X-Achse) und Bauelementkapazität (Z-Achse) gezeigt. Die Anpassungsimpedanz ist bei diesem Beispiel 3 Ω. Der Begriff „ausgeschalteter Zustand“ bezieht sich darauf, dass die Spitzenverstärker 110, 120 nicht verstärken (d.h. Backoff 2). Der Graph zeigt, dass, wenn die Lastimpedanzanpassung in den Doherty-Kombinierer 130 wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1 absorbiert ist und kein Ausgangsimpedanzanpassungsnetzwerk benötigt wird, die Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand signifikant verringert wird. Dies führt zu einer verbesserten Breitbandleistungsfähigkeit verglichen mit herkömmlichen Doherty-Verstärkerschaltungen, welche Ausgangsimpedanzanpassungsnetzwerke aufweisen, wie durch die Datenpunkte zwischen 6 Ω und 50 Ω entlang der X-Achse repräsentiert. Die Doherty-Verstärkerschaltung mit dem direkt verbundenen Doherty-Kombinierer 130 weist eine Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand von 20 Grad oder weniger über die 200-MHz-Bandbreite auf, wie durch den 3-Ω-Datenpunkt repräsentiert.
• 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Zweiwege-Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung. Die Zweiwege-Doherty-Verstärkerschaltung ist ähnlich der Dreiwege-Doherty-Verstärkerschaltung, welche in 1 dargestellt ist, aufgebaut. Es ist jedoch nur ein Spitzenverstärker 110 statt zwei Spitzenverstärkern bereitgestellt. Der Doherty-Kombinierer 130 der 4 umfasst eine Übertragungsleitung 132 mit einer Impedanz Z3, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang 102 des Hauptverstärkers 100 verbunden ist und mit einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang 112 des Spitzenverstärkers 110 verbunden ist, und weist einen kegelstumpfförmigen Impedanztransformator 136 auf, dessen breiteres Ende mit dem Ausgang 112 des Spitzenverstärkers 110 verbunden ist und dessen schmaleres Ende mit der Last 140 verbunden ist. Die Impedanz Z3 der Übertragungsleitung 123 des Doherty-Kombinierers 130 wird gemäß Gleichung (1) gewählt, wobei Z1 die optimale Ausgangsimpedanz des Hauptverstärkers 100 ist, T1 die Größe des Hauptverstärkers 100 ist, Z2 die optimale Ausgangsimpedanz des Spitzenverstärkers 110 ist, T2 die Größe des Spitzenverstärkers 110 ist und Z3 die Übertragungsleitungsimpedanz des Doherty-Kombinierers 130 ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Doherty-Kombinierer 130 keine zweite Übertragungsleitung, und daher ist Gleichung (2) für dieses Ausführungsbeispiel nicht anwendbar. Wie vorher hier beschrieben kann die Übertragungsleitung 132 des Doherty-Kombinierers 130 an den jeweiligen Enden direkt mit Bonddrähten mit den Ausgängen 102, 112 der Verstärker 100, 110 verbunden sein. Das von dem Hauptverstärker 100 gesehene Stehwellenverhältnis variiert um weniger als 5 % oder um weniger als 3 % über eine Vielzahl von Frequenzbändern, z.B. 1805-1880 MHz und 1930-1990 MHz, und/oder der Spitzenverstärker 110 weist eine Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand von 20 Grad oder weniger über derartige Frequenzbänder auf. Ein Frequenzband kann dabei einen Frequenzbereich zwischen 50 MHz und 100 MHz überspannen, wobei auch andere Werte möglich sind.
• Die unter Bezugnahme auf die Figuren beschriebene Herangehensweise, bei welcher eine Ausgangsimpedanzanpassung in den Doherty-Kombinierer absorbiert wird, kann allgemein auf N-Wege-Doherty-Verstärkerschaltungen übertragen werden, wobei N = 2, 3, 4 etc., indem die Impedanzen von Übertragungsleitungen des Doherty-Kombinierers in Abhängigkeit von optimalen Lastimpedanzen der Verstärker, Verstärkergrößen, Ausgangsbackoffpunkten und Lastimpedanz wie oben stehend beschrieben bestimmt werden.
• Es ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind.

Claims (19)

1. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung, umfassend: einen Hauptverstärker (100), welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart zu arbeiten, einen Spitzenverstärker (110), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten, und einen Doherty-Kombinierer (130), welcher direkt mit einem Ausgang jedes Verstärkers (100, 110) verbunden ist, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen Ausgängen (102, 112) der Verstärker und dem Doherty-Kombinierer (130) liegen, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, jedem der Verstärker (100, 110) die gleiche Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker (100, 110) verstärken, und dem Hauptverstärker (100) eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der Spitzenverstärker (110) nicht verstärkt, sodass eine Variation eines von dem Hauptverstärker (100) gesehenen Stehwellenverhältnisses über eine Vielzahl von Frequenzbändern geringer ist als 5 %, wobei der Hauptverstärker (100) eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und eine Größe T1 aufweist, der Spitzenverstärker eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und eine Größe T2 aufweist, der Doherty-Kombinierer (130) eine Übertragungsleitung (132) mit einer Impedanz Z3 aufweist, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang des Hauptverstärkers (100) verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbunden ist, wobei gilt: $$Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2}.$$

   
2. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, sicherzustellen, dass die von dem Hauptverstärker (100) gesehene Variation des Stehwellenverhältnisses über die Vielzahl von Frequenzbändern geringer ist als 3 %.
3. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei Z1 = 2 × Z2 und T2 = 2 × T1.
4. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei der Doherty-Kombinierer (130) weiterhin einen kegelstumpfförmigen Impedanztransformator (136) umfasst, welcher ein mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbundenes breiteres Ende und ein mit einer Last (140) verbundenes schmaleres Ende aufweist.
5. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1-4, weiter umfassend einen zusätzlichen Spitzenverstärker (120), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten, sodass die Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung eine erste Leistungsbetriebsart, in welcher der Hauptverstärker (100) verstärkt und die Spitzenverstärker (110, 120) nicht verstärken, eine zweite Leistungsbetriebsart, in welcher der Hauptverstärker (100) verstärkt und nur einer der Spitzenverstärker (110, 120) verstärkt, und eine dritte Leistungsbetriebsart, in welcher der Hauptverstärker (100) verstärkt und beide Spitzenverstärker (110, 120) verstärken, aufweist, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, sicherzustellen, dass die von dem Hauptverstärker (100) gesehene Variation des Stehwellenverhältnisses über die Vielzahl von Frequenzbändern kleiner ist als 5 %.
6. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 5, wobei der zusätzliche Spitzenverstärker (120) eine optimale Ausgangsimpedanz Z4 und eine Größe T4 aufweist, wobei der Doherty-Kombinierer zudem eine zusätzliche Übertragungsleitung mit einer Impedanz Z5 aufweist, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit einem Ausgang (122) des zusätzlichen Spitzenverstärkers (120) verbunden ist, wobei gilt: $$Z5={\left[\frac{Z2xZ4x\frac{T2}{T1}x\frac{T4}{T1}}{{\left(1+\frac{T2}{T1}\right)}^2}\right]}^{\frac{1}{2}}.$$

   
7. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 6, wobei Z1 = 2 × Z2, T2 = 2 × T1, Z2 = Z4 und T2 = T4.
8. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Doherty-Kombinierer (130) weiter einen kegelstumpfförmigen Impedanztransformator (136) aufweist, welcher ein mit dem Ausgang (122) des weiteren Spitzenverstärkers (120) verbundenes breiteres Ende und ein mit einer Last (140) verbundenes schmaleres Ende aufweist.
9. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung, umfassend: einen Hauptverstärker (100), welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart zu arbeiten, einen Spitzenverstärker (110), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten, einen Doherty-Kombinierer (130), welcher mit einem Ausgang (102, 112) jedes der Verstärker (100, 110) derart verbunden ist, dass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Ausgängen (102, 112) der Verstärker (100, 110) und dem Doherty-Kombinierer (130) liegen, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, jedem Verstärker (100, 110) eine optimale Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker leitend sind, und dem Hauptverstärker (100) eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der Spitzenverstärker (110) nicht verstärkt, sodass der Spitzenverstärker (110) im ausgeschalteten Zustand eine Impedanzspreizung von 20 Grad oder weniger über eine Vielzahl von Frequenzbändern aufweist, wobei der Hauptverstärker (100) eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und eine Größe T1 aufweist, der Spitzenverstärker eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und eine Größe T2 aufweist, der Doherty-Kombinierer (130) eine Übertragungsleitung (132) mit einer Impedanz Z3 aufweist, welche an einem Ende direkt mit dem Ausgang des Hauptverstärkers (100) verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbunden ist, wobei gilt: $$Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2}.$$

   
10. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 9, weiter umfassend einen zusätzlichen Spitzenverstärker (120), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten, sodass die Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung eine erste Leistungsbetriebsart, in welcher der Hauptverstärker (100) verstärkt und die Spitzenverstärker (110, 120) nicht verstärken, eine zweite Leistungsbetriebsart, in welcher der Hauptverstärker (100) verstärkt und nur einer der Spitzenverstärker (110, 120) verstärkt und eine dritte Leistungsbetriebsart, in welcher der Hauptverstärker (100) verstärkt und beide Spitzenverstärker (110, 120) verstärken, aufweist, wobei der Doherty-Kombinierer eingerichtet ist, sicherzustellen, dass die Spitzenverstärker (110, 120) über die Vielzahl von Frequenzbändern eine Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand von 20 Grad oder weniger aufweisen.
11. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung, umfassend: einen Hauptverstärker (100), welcher eingerichtet ist, in einer linearen Betriebsart zu arbeiten und welcher eine optimale Ausgangsimpedanz Z1 und eine Größe T1 aufweist, einen Spitzenverstärker (110), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten und welcher eine optimale Ausgangsimpedanz Z2 und eine Größe T2 aufweist, einen Doherty-Kombinierer (130), welcher eine Übertragungsleitung (132) mit einer Impedanz Z3 umfasst, welche an einem Ende direkt mit einem Ausgang (102) des Hauptverstärkers (100) verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit einem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers verbunden ist, sodass keine Ausgangsanpassungseinrichtungen in dem Pfad zwischen den Verstärkerausgängen (102, 112) und dem Doherty-Kombinierer (130) sind, wobei gilt: $Z\text{3}={\left(Z1xZ2x\frac{T2}{T1}\right)}^{1/2}.$

    
12. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 11, wobei Z1 = 2 × Z2 und T2 = 2 × T1.
13. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Doherty-Kombinierer weiter einen kegelstumpfförmigen Impedanztransformator aufweist, welcher ein mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers verbundenes breiteres Ende und ein mit einer Last (140) verbundenes schmaleres Ende aufweist.
14. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 11-13, weiter umfassend einen zusätzlichen Spitzenverstärker (120), welcher eingerichtet ist, in einer nichtlinearen Betriebsart zu arbeiten und welcher eine optimale Ausgangsimpedanz Z4 und eine Größe T4 aufweist, wobei der Doherty-Kombinierer (130) weiter eine zusätzliche Übertragungsleitung (134) mit einer Impedanz Z5 aufweist, wobei die zusätzliche Übertragungsleitung (134) an einem Ende direkt mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende direkt mit einem Ausgang (122) des zusätzlichen Spitzenverstärkers (120) verbunden ist, wobei gilt: $$Z5={\left[\frac{Z2xZ4x\frac{T2}{T1}x\frac{T4}{T1}}{{\left(1+\frac{T2}{T1}\right)}^2}\right]}^{\frac{1}{2}}.$$

    
15. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach Anspruch 14, wobei Z1 = 2 × Z2, T2 = 2 × T1, Z2 = Z4 und T2 = T4.
16. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Doherty-Kombinierer (130) zudem einen kegelstumpfförmigen Impedanztransformator (136) umfasst, welcher ein mit dem Ausgang (122) des zusätzlichen Spitzenverstärkers verbundenes breiteres Ende und ein mit einer Last (140) verbundenes schmaleres Ende aufweist.
17. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 11-16, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, jedem Verstärker (100, 110, 120) die gleiche Impedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker (100, 110) leitend sind, und dem Hauptverstärker (100) eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der oder die Spitzenverstärker (110, 120) nicht leitend sind, sodass eine Variation des von dem Hauptverstärker (100) gesehenen Stehwellenverhältnisses über eine Vielzahl von Frequenzbändern kleiner ist als 5 %.
18. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 11-17, wobei der Doherty-Kombinierer (130) eingerichtet ist, jedem Verstärker (100, 110) die gleiche Lastimpedanz bereitzustellen, wenn beide Verstärker leitend sind, und dem Hauptverstärker (100) eine modulierte Lastimpedanz bereitzustellen, wenn der oder die Spitzenverstärker (110, 120) nicht leitend sind, sodass der oder die Spitzenverstärker (110, 120) eine Impedanzspreizung im ausgeschalteten Zustand von 20 Grad oder weniger über eine Vielzahl von Frequenzbändern aufweist bzw. aufweisen.
19. Breitband-Doherty-Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 11-18, wobei die Übertragungsleitung (132) des Doherty-Kombinierers an einem Ende direkt über einen Bonddraht mit dem Ausgang (102) des Hauptverstärkers (100) verbunden ist und an dem anderen Ende direkt über einen Bonddraht mit dem Ausgang (112) des Spitzenverstärkers (110) verbunden ist.

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