DE102013226635A1

DE102013226635A1 - Doherty-Verstärker mit zusätzlichem Verzögerungsglied

Info

Publication number: DE102013226635A1
Application number: DE102013226635.9A
Authority: DE
Inventors: Lothar Schenk; Uwe Dalisda
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: BR112016003783A2; US9787262B2; DE102013226635B4; CN105556833B; CN105556833A; WO2015090645A1; US20160254792A1; BR112016003783B1

Abstract

Ein Verstärker (2) verfügt über zwei Verstärkerschaltungen (16, 17) und einen Leistungsteiler (15). Der Leistungsteiler (15) teilt ein zu verstärkendes Signal auf und erzeugt eine Phasenverschiebung von 90 Grad bei einer Nennfrequenz zwischen resultierenden Teilsignalen. Die Verstärkerschaltungen (16, 17) verstärken dabei jeweils eines der Teilsignale bzw. ein von einem der Teilsignale abgeleitetes Signal. Der Verstärker (2) beinhaltet zusätzlich ein erstes Verzögerungsglied (30), welches zwischen dem Leistungsteiler (15) und einer der Verstärkerschaltungen (17) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker, welcher als Doherty-Verstärker betrieben werden kann und gegenüber einem Doherty-Verstärker über ein zusätzliches Verzögerungsglied verfügt.
In der Rundfunktechnik, insbesondere bei Modulationsverfahren mit nichtkonstanter Einhüllender und hohem Crestfaktor, z.B. bei DVB-Signalen, haben in den letzten Jahren Hochfrequenzverstärker nach dem Doherty-Prinzip zunehmend Verbreitung gefunden. Sie zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Verstärkern durch einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad bei kaum verändertem Schaltungsaufwand aus.
Ein Haupttransistor, welcher meist im AB-Betrieb betreiben wird, arbeitet dabei bei kleinen Eingangssignalen auf einem erhöhten Lastwiderstand so, dass er bereits ab einem relativ kleinen Pegel, z.B. 6dB unter dem 1dB-Kompressionspunkt, in die Sättigung geht und somit mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet. Oberhalb der durch den Sättigungspegel am Haupttransistor festgelegten Pegelschwelle wirkt ein zweiter Hilfstransistor im C-Betrieb. Er verringert durch sein Ausgangssignal den Lastwiderstand des Haupttransistors. Bei Vollaussteuerung ist dadurch der Lastwiderstand des Haupttransistors um das Verhältnis zwischen Pegelschwelle und 1dB-Kompressionspunkt vermindert und der Haupttransistor gibt die entsprechend höhere Leistung ab. Im 6dB-Besipiel ergeben sich ein halber Widerstand und damit eine doppelte Leistung.
Ab der Pegelschwelle gibt der Haupttransistor also trotz Sättigung eine steigende Ausgangsleistung ab und arbeitet dabei immer mit maximalem Wirkungsgrad. Dieser wird nur während der Betriebsphasen des Hilfstransistors durch dessen Leistungsaufnahme verringert, bleibt aber verglichen mit einem konventionellen AB-Verstärker deutlich höher. Bei Vollaussteuerung des Verstärkers in den Signalspitzen liefern beide Transistoren je die halbe Ausgangsleistung des Systems.
Die dynamische Verringerung des Lastwiderstandes des Haupttransistors erfolgt wie folgt: Beide Transistoren arbeiten auf dem gleichen Lastwiderstand, welcher dem halben Systemwellenwiderstand, üblicherweise 25Ohm entspricht. Der Hilfstransistor und der Haupttransistor sind dabei direkt über einen Impedanzinverter mit der Last verbunden. Bei kleinen Pegeln arbeitet der Hilfstransistor nicht. Sein Ausgang ist hochohmig und stört deshalb nicht. Die Transistorkapazität ist durch ein Anpassnetzwerk und eine Leitung ausgestimmt. Der Haupttransistor arbeitet auf der durch den Impedanzinverter vergrößerten Last. Im Beispiel mit der 6dB-Schwelle also 100Ohm. Der Impedanzinverter hat dazu den Wellenwiderstand 50Ohm. Der Strom des Hilfstransistors überlagert ab der Pegelschwelle den Strom des Haupttransistors am Lastwiderstand. Idealerweise erfolgt dies aus einem Leerlauf heraus, so dass er beginnt, einen wachsenden Teil der Ausgangsleistung zu liefern.
Als Impedanzinverter wird üblicherweise eine auf ein Viertel der Betriebswellenlänge dimensionierte Leitung verwendet. Dies wird erneut im Zweig des Haupttransistors kompensiert, z.B. ebenfalls durch eine hinter dem Leistungsteiler angeordnete λ/4-Leitung oder durch einen 90°-Leistungsteiler.
Damit die Impedanzen von Haupt- und Hilfstransistor hinter dem Ausgangsanpassnetzwerk bei der Betriebsfrequenz reell und hochohmig sind, werden üblicherweise zwei Offsetleitungen vorgesehen. Das Ausgangsanpassnetzwerk kann so frei dimensioniert werden. Umgekehrt sorgt die Offsetleitung beim Haupttransistor auch dafür, dass sich die dynamische Widerstandsänderung am Eingang des Impedanzinverters, vom Haupttransistor aus gesehen, im 6dB-Beispiel 100 auf 50Ohm bei der Betriebsfrequenz reell an den Drain transformiert.
So zeigt beispielsweise das Dokument WO 2012/150126 A1 einen herkömmlichen Doherty-Verstärker. Obwohl ein Doherty-Verstärker bereits einen besseren Wirkungsgrad erzielt als ein herkömmlicher Breitbandverstärker, ist auch sein Wirkungsgrad nicht optimal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker mit sehr hohem Wirkungsgrad zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verstärker mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Verstärker verfügt dabei über zwei Verstärkerschaltungen und einen Leistungsteiler. Der Leistungsteiler teilt dabei ein zu verstärkendes Signal auf und erzeugt eine Phasenverschiebung von ungefähr 90 Grad, vorzugsweise von genau 90 Grad zwischen resultierenden Teilsignalen bei einer bestimmten Nennfrequenz. Die Verstärkerschaltungen verstärken dabei jeweils eines der Teilsignale bzw. ein von einem der Teilsignale abgeleitetes Signal. Der erfindungsgemäße Verstärker beinhaltet zusätzlich ein erstes Verzögerungsglied, welches zwischen dem Leistungsteiler und einer der Verstärkerschaltungen angeordnet ist. Das Verzögerungsglied sorgt für eine zusätzliche zweite Phasenverschiebung zwischen den beiden zu verstärkenden Signalen. Ein erhöhter Wirkungsgrad und damit eine erhöhte nutzbare Bandbreite des Verstärkers werden so erreicht.
Bevorzugt beträgt die zweite Phasenverschiebung 5–50 Grad. Besonders bevorzugt beträgt sie 20–30 Grad. Es ergibt sich somit eine Gesamtphasenverschiebung der Teilsignale als Summe der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung von bevorzugt 95–140 Grad, besonders bevorzugt von 110–120 Grad. So lässt sich ein optimaler Wirkungsgrad erzielen.
Bevorzugt beinhaltet der Verstärker weiterhin eine Hybridkoppler-Schaltung, um die resultierenden Signale der Verstärkerschaltungen zu einem gemeinsamen Ausgangssignal zu kombinieren. Darüber hinaus dient die Hybrid-Koppler-Schaltung der Kompensation der ersten Phasenverschiebung von 90 Grad. So wird ein Ausgangssignal erzielt, welches einem lediglich verstärkten, jedoch nahezu unverzerrten Eingangssignal entspricht.
Vorzugsweise ist das erste Verzögerungsglied dabei zwischen den Leistungsteiler und eine erste Verstärkerschaltung geschaltet. Bei dem ersten Verzögerungsglied handelt es sich in diesem Fall um eine gegen Masse geschaltete Induktivität. Alternativ ist das erste Verzögerungsglied zwischen den Leistungsteiler und eine zweite Verstärkerschaltung geschaltet. In diesem Fall kann das Verzögerungsglied eine in Serie geschaltete Verzögerungsleitung oder ein gegen Masse geschalteter Kondensator sein. In beiden Fällen wird eine zweite Phasenverschiebung zwischen den zu verstärkenden Signalen erreicht. Über die Größe der Induktivität, Kapazität oder die Länge der Verzögerungsleitung kann die gewünschte Phasenverschiebung eingestellt werden.
Vorzugsweise beinhaltet der Verstärker darüber hinaus einen ersten Schalter, welcher entweder das erste Verzögerungsglied lediglich selektiv überbrücken und damit funktional aus der Schaltung entfernen kann oder alternativ zwischen dem ersten Verzögerungslied und einem zweiten Verzögerungsglied umschalten kann. Beide Optionen sind dabei ebenfalls kombinierbar. D.h. der Schalter kann dazu ausgebildet sein zwischen einem ersten Verzögerungsglied, einem zweiten Verzögerungsglied und einer Überbrückung umzuschalten. So ist eine sehr flexible Nutzungsmöglichkeit des Verstärkers gegeben.
Als Schalter ist im Rahmen dieser Anmeldung jedes beliebige Schaltelement, beispielsweise bestehend aus PIN-Dioden oder Transistoren oder z.B. auch als Relais, zu verstehen.
Bevorzugt ist der Verstärker ausgebildet, um zumindest zeitweise als Doherty-Verstärker zu arbeiten. In diesem Fall ist die erste Verstärkerschaltung ausgebildet, um als Hauptverstärker zu arbeiten, während die zweite Verstärkerschaltung als Hilfsverstärker arbeitet. Der erste Schalter schaltet in diesem Fall das erste Verzögerungsglied oder gegebenenfalls das zweite Verzögerungsglied zwischen den Leistungsteiler und die jeweilige Verstärkerschaltung. Mittels der beiden unterschiedlichen Verzögerungsglieder können unterschiedliche Phasenverschiebungen und damit unterschiedliche Frequenzbereiche des Verstärkers eingestellt werden. Durch den Betrieb als Doherty-Verstärker lässt sich darüber hinaus ein hoher Wirkungsgrad erzielen.
Vorzugweise verfügt der Verstärker über einen zweiten Schalter und ein drittes Verzögerungsglied. Das dritte Verzögerungsglied ist dabei zwischen den Leistungsteiler und die Verstärkerschaltung geschaltet, welche nicht mit dem ersten Verzögerungsglied verbunden ist. Das dritte Verzögerungsglied dient dabei dazu, eines der von den Verstärkerschaltungen zu verstärkenden Signale mit einer zusätzlichen dritten Phasenverschiebung zu beaufschlagen. Der zweite Schalter kann dabei genutzt werden, um das dritte Verzögerungsglied selektiv zu überbrücken oder zwischen dem dritten Verzögerungsglied und einem optionalen vierten Verzögerungsglied umzuschalten. Auch hier sind beide Optionen miteinander kombinierbar. D.h. auch hier ist ein zweiter Schalter denkbar, welcher zwischen einem dritten Verzögerungsglied, einem vierten Verzögerungsglied und einer Überbrückung umschalten kann. So lässt sich eine besonders große Flexibilität des Betriebs des Verstärkers erreichen.
Bevorzugt ist der Verstärker ausgebildet, um zumindest zeitweise als invertierter Doherty-Verstärker zu arbeiten.
In diesem Fall ist die erste Verstärkerschaltung als Hilfsverstärker und die zweite Verstärkerschaltung als Hauptverstärker geschaltet. Der erste Schalter ist dabei ausgebildet, um das erste Verzögerungsglied und das zweite Verzögerungsglied zu überbrücken. Der zweite Schalter ist dabei ausgebildet, um das dritte oder das vierte Verzögerungsglied zwischen den Leistungsteiler und die jeweilige Verstärkerschaltung zu schalten. Durch den invertierten Doherty-Betrieb ist eine weitere Erhöhung der nutzbaren Bandbreite des Verstärkers möglich, da durch die invertierte Beschaltung ein unterschiedlicher Frequenzbereich erzielt wird.
Darüber hinaus ist der Verstärker bevorzugt ausgebildet, um zumindest zeitweise als Breitbandverstärker zu arbeiten. In diesem Fall sind die Schalter ausgebildet, um die Verzögerungsglieder zu überbrücken. Beide Verstärkerschaltungen werden in diesem Fall in einem identischen Arbeitspunkt betrieben. Der Doherty-Betrieb findet in diesem Fall nicht statt. Somit wird ein geringerer Wirkungsgrad erzielt. Eine deutlich höhere nutzbare Bandbreite wird gleichzeitig jedoch erreicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in deren Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind, lediglich beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
6 ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
7 ein siebtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers in einem Blockschaltbild;
8 ein erstes Diagramm mit Messergebnissen eines herkömmlichen Verstärkers und eines erfindungsgemäßen Verstärkers;
9 ein zweites Diagramm mit Messergebnissen eines herkömmlichen Verstärkers und eines erfindungsgemäßen Verstärkers, und
10 ein drittes Diagramm mit Messergebnissen eines herkömmlichen Verstärkers und eines erfindungsgemäßen Verstärkers.
Zunächst werden anhand der 1–7 der Aufbau und die Funktionsweise verschiedener Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verstärkers veranschaulicht. Abschließend wird anhand von 8–10 auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verstärkers eingegangen. Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 1. Ein Leistungsteiler 15 verfügt über zwei Eingangsanschlüsse 10 und 11. An dem ersten Eingangseinschluss 10 kann ein Eingangssignal eingespeist werden. Der zweite Eingangsanschluss 11 ist über einen Abschluss-Widerstand 19 an einem Masseanschluss 20 abgeschlossen. An den Leistungsteiler 15 sind weiterhin eine erste Verstärkerschaltung 16 und eine zweite Verstärkerschaltung 17 angeschlossen. Diese bilden den Hauptverstärker und den Hilfsverstärker gemäß dem Doherty-Prinzip. Ausgänge dieser Verstärkerschaltungen 16, 17 sind mit einer Hybridkopplerschaltung 18 verbunden. Die Hybridkopplerschaltung 18 verfügt dabei über einen Isolationsanschluss 12 und einen Ausgangsanschluss 13. Der Isolationsanschluss 12 ist hier über einen Abschluss-Widerstand 21 an einem Masseanschluss 22 abgeschlossen. An dem Ausgangsanschluss 13 kann das Ausgangssignal des Verstärkers 1 entnommen werden.
Der Leistungsteiler 15 beinhaltet dabei bereits die für die Funktion gemäß dem Doherty-Prinzip benötigte λ/4-Leitung zur Verzögerung des Signals an dem Hilfsverstärker. Die Hybridkopplerschaltung 18 beinhaltet dabei bereits die für die Funktion gemäß dem Doherty-Prinzip benötigte λ/4-Leitung, welche das Signal der Verstärkerschaltung 16 verzögert. Diese zusätzliche Verzögerung ist notwendig, um die λ/4-Verzögerung des Signals des Hilfsverstärkers zu kompensieren.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Doherty-Verstärker verfügt der hier gezeigte Verstärker 1 zusätzlich über ein erstes Verzögerungsglied 30, welches in Serie zwischen den Leistungsteiler 15 und die zweite Verstärkerschaltung 17 geschaltet ist.
Das zu verstärkende Signal wird dem Eingangsanschluss 10 des Leistungsteilers 15 zugeführt. Dieser teilt das Signal auf und führt einen Signalteil direkt der ersten Verstärkerschaltung 16 zu. Der zweite Signalteil wird dem Verzögerungsglied 30 zugeführt, verzögert und anschließend der zweiten Verstärkerschaltung 17 zugeführt. Die Verstärkerschaltungen 16, 17 verstärken die Signale gemäß dem Doherty-Prinzip. Die verstärkten Signale werden von der Hybridkopplerschaltung 18 an ihrem Ausgangsanschluss 13 kombiniert. Durch eine Beschaltung des Isolationsanschlusses 12 der Hybridkopplerschaltung 18 wird ein optimaler Abschluss der Hybridkopplerschaltung 18 bei einer gegebenen Frequenz erreicht.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 2 gezeigt. Im Gegensatz zu 1 ist hier nun das allgemeine Verzögerungsglied 30 aus 1 durch ein konkretes Schaltungsbeispiel des Verzögerungsglieds 40 ersetzt. Das Verzögerungsglied 40 besteht aus einem Kondensator 41, welcher gegen einen Masseanschluss 42 geschaltet ist.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 3 gezeigt. Das allgemeine Verzögerungsglied 30 aus 1 ist hier ersetzt durch eine Verzögerungsleitung 50, welche in Serie zwischen den Leistungsteiler 15 und die zweite Verstärkerschaltung 17 geschaltet ist.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 4 gezeigt. Hier ist das allgemeine Verzögerungsglied 30 aus 1 durch ein konkretes Schaltungsbeispiel eines Verzögerungsglieds 60 ersetzt. Das Verzögerungsglied 60 ist hier jedoch nicht zwischen dem Leistungsteiler 15 und der zweiten Verstärkerschaltung 17, sondern zwischen dem Leistungsteiler 15 und der ersten Verstärkerschaltung 16 angeordnet. Das Verzögerungsglied 60 besteht dabei aus einer Induktivität 61, welche gegen einen Masseanschluss 62 geschaltet ist. In ihrer Funktion sind die Verzögerungsglieder 30, 40, 50 und 60 identisch. Sämtliche dieser Verzögerungsglieder 30, 40, 50 und 60 verursachen eine Phasenverschiebung der zu verstärkenden Signale. Es wird jeweils eine Verzögerung des Signals an der zweiten Verstärkerschaltlung 17 gegenüber dem Signal an der ersten Verstärkerschaltung 16 erzielt.
Vorzugsweise beträgt diese Verzögerung 5–50 Grad, besonders bevorzugt 20–30 Grad. Empirische Untersuchungen haben ergeben, dass mit diesen Verzögerungswerten optimale Wirkungsgrade in einem breiten Frequenzbereich erzielt werden.
In 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 5 gezeigt. Hier befinden sich nun zwei Verzögerungsglieder 70, 71 zwischen dem Leistungsteiler 15 und der zweiten Verstärkerschaltung 17. Mittels eines Schalters 75 kann dabei zwischen diesen beiden Verzögerungsgliedern 70, 71 umgeschaltet werden. Das Verzögerungsglied 70 besteht dabei aus einem ersten Kondensator 71, welcher gegen einen Masseanschluss 72 geschaltet ist. Das Verzögerungsglied 71 besteht dabei aus einem zweiten Kondensator 73, welcher gegen einen Masseanschluss 74 geschaltet ist. Mittels des Schalters 75 kann gleichzeitig lediglich eines der Verzögerungsglieder 70, 71 mit dem Leistungsteiler 15 und der zweiten Verstärkerschaltung 17 verbunden werden. Alternativ ist der Schalter 75 ausgebildet, um in einer Mittelstellung keines der beiden Verzögerungsglieder 70, 71 zu beschalten.
Die beiden Verzögerungsglieder 70, 71 sind dabei mittels unterschiedlich dimensionierter Kapazitäten 71, 73 für unterschiedliche Frequenzbereiche des Verstärkers ausgelegt. D.h. mittels des Schalters 75 kann zwischen zwei verschiedenen Frequenzbereichen des Verstärkers 5 umgeschaltet werden. In der Mittelstellung ist keines der Verzögerungsglieder 70, 71 beschaltet und damit keine zusätzliche Verzögerung gegenüber der von dem Leistungsteiler 15 durchgeführten Verzögerung von 90 Grad präsent. In dieser Stellung kann der Verstärker 5 als Breitbandverstärker genutzt werden. In diesem Fall werden die beiden Verstärkerschaltungen 16, 17 in einem identischen Arbeitsbereich betrieben. Es ergibt sich dann ein sehr breiter nutzbarer Frequenzbereich bei etwas reduziertem Wirkungsgrad gegenüber dem Betrieb als Doherty-Verstärker mit zusätzlichem Verzögerungsglied 70, 71.
In 6 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 6 dargestellt. Der Verstärker 6 beinhaltet nun ein erstes Verzögerungsglied 80, welches zwischen den Leistungsteiler 15 und die zweite Verstärkerschaltung 17 geschaltet ist. Darüber hinaus beinhaltet der Verstärker 6 ein zweites Verzögerungsglied 81, welches zwischen den Leistungsteiler 15 und die erste Verstärkerschaltung 16 geschaltet ist. Beide Verzögerungsglieder 80, 81 bestehen dabei jeweils aus einem Schalter 84, 87 und jeweils einem Kondensator 82, 85, welche jeweils mit einem Masseanschluss 83, 86 verbunden sind. Dabei sind die Verzögerungsglieder 80, 81 derart ausgebildet, dass stets lediglich einer der Kondensatoren 82, 85 mittels der Schalter 84, 87 mit dem Leistungsteiler 15 und einer der Verstärkerschaltungen 16, 17 verbunden ist. Der jeweils andere Schalter 84, 87 ist dabei stets offen. Der hier gezeigte Verstärker 6 kann somit zwischen einem Breitband-Betrieb, in welchem beide Schalter 84, 87 offen sind, einem Betrieb als Doherty-Verstärker, bei welchem der Schalter 84 geschlossen und der Schalter 87 offen ist und einem invertierten Doherty-Verstärker, bei welchem der Schalter 84 offen und der Schalter 87 geschlossen ist, umgeschaltet zu werden.
Ein Betrieb als invertierter Doherty-Verstärker hat dabei den zusätzlichen Vorteil, dass so ein weiterer Frequenzbereich erschlossen wird. Wird somit nun beim invertierten Doherty-Verstärker die zweite Verstärkerschaltung 17 als Hauptverstärker genutzt, während die erste Verstärkerschaltung 16 als Hilfsverstärker genutzt wird, so ergibt sich ein abweichender Frequenzbereich. Da der Verstärker 6 zwischen dem Breitband-Verstärker und dem Doherty-Verstärker und dem invertierten Doherty-Verstärker umschaltbar ist, kann ein hoher Wirkungsgrad in einem breiten Frequenzbereich erzielt werden. In einem sehr breiten Frequenzbereich kann zumindest durch den Breitbandbetrieb ein Betrieb sichergestellt werden.
In 7 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers 7 gezeigt. Hier ist lediglich ein Detail des Verstärkers 7 dargestellt. Insbesondere ist hier lediglich ein Verzögerungsglied 90 in einem detaillierten Schaltbild gezeigt. Das hier dargestellte Verzögerungsglied 90 entspricht somit in seiner Funktion dem Verzögerungsglied 80 aus 6.
Das Verzögerungsglied 90 beinhaltet eine PIN-Diode 91, welche an ihrem ersten Anschluss mit dem Leistungsteiler 15 und der zweiten Verstärkerschaltung 17 verbunden ist. An ihrem zweiten Anschluss ist die PIN-Diode 91 mit einem ersten Anschluss eines Kondensators 118 verbunden. Der zweite Anschluss des Kondensators 118 ist mit einem Masseanschluss 92 verbunden. An ihrem zweiten Anschluss ist die PIN-Diode 91 weiterhin mit einer Induktivität 93 verbunden. Die Induktivität 93 ist weiterhin über einen Kondensator 94 mit einem Masseanschluss 95 verbunden.
Weiterhin sind die Induktivität 93 und die Kapazität 94 über einen Widerstand 96 mit einem Widerstand 99 und einem Kondensator 97 verbunden. Der Kondensator 97 ist an seinem weiteren Anschluss mit einem Masseanschluss 98 verbunden.
Der Widerstand 99 ist an seinem weiteren Anschluss mit einem Kondensator 100 und einem Kollektor eines Transistors 102 verbunden. Der Kondensator 100 ist an seinem weiteren Anschluss mit einem Masseanschluss 101 verbunden. Der Transistor 102 ist an seinem Emitter-Anschluss mit einem Widerstand 104 und einem Versorgungsspannungs-Anschluss 103 verbunden. Der Transistor 102 ist an seiner Basis mit einem weiteren Anschluss des Widerstands 104, einem ersten Anschluss eines Kondensators 105 und einem ersten Anschluss eines Widerstands 107 verbunden.
Der zweite Anschluss des Kondensators 105 ist mit einem Masseanschluss 106 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands 107 ist mit einem Kollektor eines weiteren Transistors 108 verbunden. Der Emitter des Transistors 108 ist mit einem Masseanschluss 109 verbunden. Die Basis des Transistors 108 ist mit einem ersten Anschluss eines Widerstands 110, einem ersten Anschluss eines Kondensators 112 und einem ersten Anschluss eines Widerstands 114 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands 110 ist mit einem Masseanschluss 111 verbunden. Der zweite Anschluss des Kondensators 112 ist mit einem Masseanschluss 113 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands 114 ist mit einem ersten Anschluss eines Kondensators 115 und mit einem Steuersignal-Anschluss 117 verbunden. Der zweite Anschluss des Kondensators 115 ist mit einem Masseanschluss 116 verbunden.
Durch eine Steuerung der Spannung an der PIN-Diode 91, welche der PIN-Diode über die Induktivität 93 zugeführt wird, kann die PIN-Diode 91 in einen leitenden oder einen nicht-leitenden Zustand versetzt werden. Die PIN-Diode 91 wirkt somit als Schalter, welcher den Kondensator 118, welcher gegen einen Masseanschluss 92 geschaltet ist im leitenden Zustand der PIN-Diode 91 mit dem Leistungsteiler 15 und der zweiten Verstärkerschaltung 17 verbindet und im nicht-leitenden Zustand der PIN-Diode 91 von dem Leistungsteiler 15 und der zweiten Verstärkerschaltung 17 trennt.
Die übrigen Komponenten des Verzögerungsglieds 90 dienen dabei lediglich der Herstellung der Steuerspannung für die PIN-Diode 91. Über den Steuersignal-Anschluss 117 wird ein Steuersignal zugeführt, welches den Schalter, welcher durch die PIN-Diode 91 gebildet ist, steuert. Das Steuersignal passiert dabei den Widerstand 114 und wird von einem Spannungsteiler, welcher durch die Widerstände 110 und 114 gebildet ist, geteilt. Die geteilte Spannung wird dabei der Basis des Transistors 108 zugeführt und steuert den Transistor 108. Die Kondensatoren 112 und 115, welche jeweils gegen Masse geschaltet sind, dienen dabei als Koppelkondensatoren.
Über den Versorgungsspannungs-Anschluss 103 ist eine konstante Versorgungsspannung zugeführt. Diese wird über die Widerstände 104 und 107, welche in leitendem Zustand des Transistors 108 als Spannungsteiler wirken, geteilt. In diesem Fall liegt an der Basis des Transistors 102 eine solche Spannung an, dass auch der Transistor 102 in einen leitenden Zustand schaltet. Ist jedoch der Transistor 108 nicht leitend, so liegt die volle Versorgungsspannung an der Basis des Transistors 102 über den Widerstand 104 an. Der Transistor 102 ist in diesem Fall nicht-leitend. Wenn der Transistor 102 leitend ist, wird die Versorgungsspannung vom Versorgungsspannungs-Anschluss 103 über die Widerstände 99 und 96 und die Induktivität 93 der PIN-Diode 91 zugeführt und bringt diese in einen leitenden Zustand. Ist der Transistor 102 jedoch nicht leitend, so kann die Versorgungsspannung 103 den Transistor 102 nicht passieren und erreicht somit die PIN-Diode 91 nicht, welche dann in einem nicht-leitenden Zustand verbleibt. Die Kondensatoren 94, 97, 100 und 105 dienen dabei ebenfalls als Koppelkondensatoren.
In 8 ist eine Wirkungsgrad-Kennlinie 130 eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verstärkers über der Frequenz dargestellt. Zusätzlich ist zum Vergleich eine Wirkungsgrad-Kennlinie 131 eines herkömmlichen Doherty-Verstärkers gezeigt.
In 9 ist eine Betriebsspannungs-Kennlinie 140 eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verstärkers über der Frequenz dargestellt. Zum Vergleich ist zusätzlich eine Betriebsspannungs-Kennlinie 141 eines herkömmlichen Doherty-Verstärkers gezeigt.
10 zeigt darüber hinaus eine Spitzenleistungs-Kennlinie 150 eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verstärkers und zum Vergleich eine Spitzenleistungs-Kennlinie 151 eines herkömmlichen Doherty-Verstärkers.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie bereits erwähnt, können unterschiedliche Formen der Verzögerungsglieder eingesetzt werden. Obwohl hier lediglich schaltbare Kondensatoren als schaltbare Verzögerungsglieder dargestellt sind, können auch Verzögerungsleitungen und Induktivitäten schaltbar gestaltet werden. Auch ist die gegenwärtige Erfindung im Rahmen einer Parallel-Schaltung mehrerer Doherty-Verstärker oder einer Parallel-Schaltung mehrerer Verstärker-Schaltungen innerhalb eines Doherty-Verstärkers möglich. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/150126 A1 [0008]

Claims

Verstärker mit zwei Verstärkerschaltungen (16, 17) und einem Leistungsteiler (15), wobei der Leistungsteiler (15) ausgebildet ist, um ein zu verstärkendes Signal aufzuteilen und eine erste Phasenverschiebung von etwa 90° zwischen zwei resultierenden Teilsignalen bei einer bestimmten Nennfrequenz zu erzeugen, wobei die Verstärkerschaltungen (16, 17) ausgebildet sind, jeweils ein von einem der Teilsignale abgeleitetes Signal zu verstärken, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (1–7) zumindest ein erstes Verzögerungsglied (30, 40, 50, 60, 70, 71, 80, 81, 90) beinhaltet, welches zwischen den Leistungsteiler (15) und eine der Verstärkerschaltungen (16, 17) geschaltet ist, wobei das erste Verzögerungsglied (30, 40, 50, 60, 70, 71, 80, 81, 90) ausgebildet ist, um eines der von den Verstärkerschaltungen (16, 17) zu verstärkenden Signalen mit einer zusätzlichen zweiten Phasenverschiebung zu beaufschlagen.
Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phasenverschiebung bevorzugt 5°–50 °, besonders bevorzugt 20°–30° beträgt, und dass somit eine Gesamtphasenverschiebung der Teilsignale als Summe der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung bevorzugt 95°–140°, besonders bevorzugt 110°–120° beträgt.
Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) weiterhin eine Kopplerschaltung, insbesondere eine Hybridkopplerschaltung (18) beinhaltet, welche ausgebildet ist, um resultierende Signale der Verstärkerschaltungen (16, 17) zu einem Ausgangssignal zu kombinieren, und die erste Phasenverschiebung zwischen den Teilsignalen zu kompensieren.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verzögerungsglied (60) zwischen den Leistungsteiler (15) und eine erste Verstärkerschaltung (16) geschaltet ist, und dass das erste Verzögerungsglied (60) eine gegen Masse geschaltete Induktivität (61) ist.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verzögerungsglied (50) zwischen den Leistungsteiler (15) und eine zweite Verstärkerschaltung (17) geschaltet ist, und dass das erste Verzögerungsglied (50) eine in Serie geschaltete Verzögerungsleitung (50) ist.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verzögerungsglied (40, 80, 90) zwischen den Leistungsteiler (15) und eine zweite Verstärkerschaltung (17) geschaltet ist, und dass das erste Verzögerungsglied (40, 80, 90) ein gegen Masse geschalteter Kondensator (41, 82, 118) ist.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein erstes Schaltelement (75, 84, 91) beinhaltet, dass das erste Schaltelement (75, 84, 91) ausgebildet ist, – um das erste Verzögerungsglied (80, 118) selektiv zu überbrücken und so die zweite Phasenverschiebung selektiv gleich null zu setzen, und/oder – um selektiv zwischen dem ersten Verzögerungsglied (70) und einem zweiten Verzögerungsglied (71) umzuschalten, wobei das zweite Verzögerungsglied (71) ausgebildet ist, um eine alternative zweite Phasenverschiebung zu erzeugen.
Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (5, 6, 7) ausgebildet ist, um zumindest zeitweise als Doherty-Verstärker zu arbeiten, wobei die erste Verstärkerschaltung (16) dann ausgebildet ist, um als Hauptverstärker zu arbeiten, und die zweite Verstärkerschaltung (17) dann ausgebildet ist, um als Hilfsverstärker zu arbeiten, wobei dann das erste Schaltelement (75, 84, 118) ausgebildet ist, das erste Verzögerungsglied (16) oder das zweite Verzögerungsglied (17) zwischen den Leistungsteiler (15) und die jeweilige Verstärkerschaltung (16, 17) zu schalten.
Verstärker nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (6) über ein zweites Schaltelement (87) und ein drittes Verzögerungsglied (81) verfügt, dass das dritte Verzögerungsglied (81) zwischen den Leistungsteiler (15) und die Verstärkerschaltung (16) geschaltet ist, welche nicht mit dem ersten Verzögerungsglied (80) verbunden ist, dass das dritte Verzögerungsglied (81) ausgebildet ist, um eines der von den Verstärkerschaltungen (16, 17) zu verstärkenden Signalen mit einer zusätzlichen dritten Phasenverschiebung zu beaufschlagen, dass das zweite Schaltelement (85) ausgebildet ist, um das dritte Verzögerungsglied (81) selektiv zu überbrücken und so die dritte Phasenverschiebung selektiv gleich null zu setzen, und/oder um selektiv zwischen dem dritten Verzögerungsglied (81) und einem vierten Verzögerungsglied umzuschalten, wobei das vierte Verzögerungsglied ausgebildet ist, um eine alternative dritte Phasenverschiebung zu erzeugen.
Verstärker nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (6) ausgebildet ist, um zumindest zeitweise als invertierter Doherty-Verstärker zu arbeiten, wobei die erste Verstärkerschaltung (16) dann ausgebildet ist, um als Hilfsverstärker zu arbeiten und die zweite Verstärkerschaltung (17) dann ausgebildet ist, um als Hauptverstärker zu arbeiten, wobei dann das erste Schaltelement (84) ausgebildet ist, das erste Verzögerungsglied (80) und/oder das zweite Verzögerungsglied zu überbrücken, und wobei dann das zweite Schaltelement (85) ausgebildet ist, das dritte und/oder vierte Verzögerungsglied zwischen den Leistungsteiler (15) und die jeweilige Verstärkerschaltung (16) zu schalten.
Verstärker nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (5, 6, 7) ausgebildet ist, um zumindest zeitweise als Breitbandverstärker zu arbeiten, wobei die Schaltelemente (75, 84, 85, 91) dann ausgebildet sind, um die Verzögerungsglieder (70, 71, 80, 81, 90) zu überbrücken.