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Verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der vorläufigen Patentanmeldung mit der Seriennr.
63/254,243 , eingereicht am 11. Oktober 2021, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen wird.
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Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verstärker und insbesondere Lastmodulationsverstärker, die einen Trägerverstärker und einen Spitzenverstärker aufweisen, die parallel gekoppelt sind.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Herkömmliche Doherty-Leistungsverstärker wurden verwendet, um den Backed-Off-Wirkungsgrad bei hoher Ausgangsleistung über einen großen Leistungsbereich hinweg zu verbessern. Darüber hinaus bieten Leistungsverstärker mit quadraturkombinierter Lastmodulation eine breitere Bandbreite und Lastmodulationsfähigkeit als ein herkömmlicher Doherty-Leistungsverstärker. Außerdem sind aktive und passive Lastmodulationsverstärker sowie Lastmodulationsverstärker mit symmetrischer und unsymmetrischer Vorspannung und ohne 50-Ohm-Abschluss auf Basis von Quadratur-Ausgangskombinationen verfügbar. Lastmodulierte symmetrische Verstärker (Load-Modulated Balanced Amplifiers, LMBAs) benötigen jedoch eine zweite Eingangssignalquelle, die zu einer deutlichen zusätzlichen Gleichstromleistung beiträgt und durch eine extern erzeugte Steuerungssignalleistung ermöglicht wird. Es wurde ein vereinfachter LMBA beschrieben, der kein externes Steuerungssignal benötigt. Auch wenn der vereinfachte LMBA den Betrieb vereinfachen kann, hat der vereinfachte LMBA einen Nachteil dahingehend, dass er einen zusätzlichen aktiven Verstärker und einen Hochfrequenz(HF)-Vorwärtsregelungspfad benötigt, der bestimmte gewünschte Anwendungsbereiche beschränkt. Orthogonal-LMPAs (OLMPAs) reduzieren den Leistungsbedarf der zweiten Eingangssignalquelle, jedoch benötigen OLMPAs dennoch dynamische Änderungen der Phase und Amplitude gegenüber Signalleistung und/oder Frequenz, um einen hinsichtlich der Leistung kontinuierlichen PBO(Power Backed Off)-Wirkungsgradbetrieb zu realisieren. Es besteht daher weiterhin ein Bedarf an einer Leistungsverstärkerimplementierung mit einem einzelnen HF-Eingang und - Ausgang, die zum Erreichen eines kontinuierlichen hohen PBO-Wirkungsgrads weder externe Phasen- oder Amplitudensteuerungssignale noch duale HF-Eingangssignale benötigt.
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Dokument David J. Collins; Roberto Quaglia; Jeff R. Powell; Steve C. Cripps: The Orthogonal LMBA: A Novel RFPA Architecture With Broadband Reconfigurability. In: IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 30, 2020, 9, 888-891. - ISSN 1531-1309 offenbart eine HF-Leistungsverstärkerarchitektur, den orthogonalen lastmodulierten ausbalancierten Verstärker. Im Vergleich zum lastmodulierten ausbalancierten Verstärker weist der orthogonale lastmodulierte ausbalancierte Verstärker nach Collins et al. viele der gleichen Vorteile auf, wie z. B. die aktive adaptive Abstimmung unter Verwendung der Phase und Amplitude eines externen Steuersignals, jedoch mit wesentlich geringeren Leistungsanforderungen an die Steuersignalleistung. So kann nach Collins et al. ein nützlicher Bereich aktiver Abstimmung realisiert werden, der aufgrund des geringen Pegels eines Steuersignals im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Gesamteffizienz hat. Nach Collins et al. wird ein Demonstrator beschrieben und vermessen, der 30 W bei einem Mindestwirkungsgrad von 50 % über eine Bandbreite von 0,65-3,25 GHz liefert.
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Dokument Yuchen Cao; Haifeng Lyu; Kenle Chen: Load Modulated Balanced Amplifier with Reconfigurable Phase Control for Extended Dynamic Range. In: IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, 2019, 1335-1338. - ISSN 2576-7216 offenbart einen lastmodulierten ausbalancierten Verstärker mit HF-Eingang und einer rekonfigurierbaren Phasenschieberschaltung im Steuerpfad. Mit einem integrierten Varactor-basierten Phasenschieber kann nach Chen et al. das Steuersignal vom HF-Eingang gleichzeitige Amplituden- und Phasenmanipulationen bieten. Zusammen mit einem Doherty-ähnlichen Design der ausbalancierten Hauptverstärker und des Steuerverstärkers erreicht diese hybride Lastmodulationstechnik nach Chen et al. einen optimalen dynamischen Impedanzverlauf, eine hohe Back-Off-Effizienz und einen erweiterten dynamischen Leistungsbereich. Ein lastmodulierter ausbalancierter Demonstrations-Verstärker wurde unter Verwendung von GaN-Transistoren gemäß Chen et al. entwickelt. Laut Chen et al. erreicht der hergestellte Prototyp einen Wirkungsgrad von 69 % bei einer Spitzenausgangsleistung von 43 dBm und behält einen Wirkungsgrad von >50 % bis zu einem Leistungsrückgang („power back-off“) von 12 dB bei.
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Kurzdarstellung
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Die Erfindung ist in dem unabhängigen Anspruch definiert. Optionale Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Offenbart wird ein Lastmodulationsverstärker mit einem ersten Verstärker und einem zweiten Verstärker. Ein Eingangsquadraturkoppler weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss auf, wobei der dritte Anschluss mit einem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist und der vierte Anschluss mit einem Eingang des ersten Verstärkers gekoppelt ist. Ein Ausgangsquadraturkoppler weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss mit einem Ausgang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist und der zweite Anschluss mit einem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelt ist. Ein Splitter weist einen ersten Splitterausgang, einen Splittereingang, der mit einem Signaleingang gekoppelt ist, und einen zweiten Splitterausgang, der mit dem zweiten Anschluss des Eingangsquadraturkopplers gekoppelt ist, und ein variables Dämpfungsglied, das zwischen dem ersten Splitterausgang und dem ersten Anschluss des Eingangsquadraturkopplers gekoppelt ist, auf. Eine Dämpfungssteuerung weist einen Steuerungsausgang auf, der mit einem Dämpfungssteuerungseingang des variablen Dämpfungsglieds gekoppelt ist, wobei die Dämpfungssteuerung in Reaktion auf ein Leistungsabtastsignal autonom ein Steuerungssignal proportional zu einem an dem Hochfrequenzsignaleingang empfangenen Hochfrequenzsignal erzeugt.
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In beispielhaften Ausführungsformen ist der offenbarte Lastmodulationsverstärker ein autonomer analoger symmetrischer Verstärker mit orthogonaler Lastmodulation (A-OLMPA), der aus dem ersten und dem zweiten Verstärker besteht, welche durch den Ausgangsquadraturkoppler, der ein Vierfach-Koppler vom Typ Lange ist, ausgangskombiniert werden. Der Isolationsanschluss des Ausgangsquadraturkopplers ist typischerweise reflektierend (leerlaufend oder kurzgeschlossen) und kann komplex sein, weist aber idealerweise keinen Absorptionswellenwiderstand (50 Ohm) auf, um einen verbesserten PBO(Power Backed Off)-Wirkungsgradbetrieb zu ermöglichen. Die Drainspannungsmodulation und/oder die asymmetrische Vorspannung können dazu verwendet werden, PBO-Verstärkung, Linearität und/oder den Wirkungsgrad bei Leistungsverstärkung des Verstärkers weiter zu verbessern. Um einen einzigen Hochfrequenz-Eingang und -Ausgang und einen autonomen Betrieb zu ermöglichen, ohne ein extern gesteuertes Chip-Scale Package zu erfordern, sieht der offenbarte Verstärker eine Aufteilung des Hochfrequenz-Eingangssignals durch einen Wilkinson-Splitter in mindestens einer Ausführungsform und eine analoge Leistungserfassung und Eingangsleistungsamplitudensteuerung durch das variable Dämpfungsglied, das einen Eingangspfad eines orthogonalen Quadraturverstärkers ansteuert, vor, um einen verbesserten PBO-Wirkungsgrad zu erzielen. In beiden Eingangspfaden kann eine feste Verzögerung oder Phase verwendet werden, um den Betrieb zu optimieren. Der Ausgangsabschluss kann eine komplexe Reflexionsimpedanz zum Optimieren des allgemeinen PBO-Betriebs gegenüber Frequenz oder Leistung beinhalten. Der offenbarte A-OLMPA kann einen optimalen Ausgangs-PBO-Wirkungsgrad ähnlich den komplexeren, doppelt angesteuerten, lastmodulierten, symmetrischen Verstärkern bereitstellen, ohne dass ein extern erzeugtes phasen- und amplitudengesteuertes Eingangssignal erforderlich ist.
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Unter einem anderen Aspekt können beliebige der vorstehenden Aspekte einzeln oder zusammen und/oder verschiedene getrennte Aspekte und Merkmale, wie hierin beschrieben, für einen zusätzlichen Vorteil kombiniert werden. Jedes der verschiedenen Merkmale und Elemente, die hierin offenbart werden, kann mit einem oder mehreren anderen offenbarten Merkmalen und Elementen kombiniert werden, sofern hierin nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Fachleute auf dem Gebiet werden den Umfang der vorliegenden Offenbarung verstehen und zusätzliche Aspekte davon nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erkennen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
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Die begleitenden Zeichnungsfiguren, die in diese Patentschrift integriert sind und einen Teil dieser bilden, veranschaulichen einige Aspekte der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Grundsätze der Offenbarung.
- 1A ist ein Schaltplan einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines analogen Leistungsverstärkers mit orthogonaler Lastmodulation (A-OLMPA), der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
- 1 B ist ein Diagramm der optimalen Dämpfung gegenüber der Eingangsleistung.
- 2 ist ein Diagramm, das die Ausgangsleistung, den Wirkungsgrad bei Leistungsverstärkung (Power-Added Efficiency, PAE) und das Verstärkungsverhalten gegenüber der Eingangsleistung und der entsprechenden optimalen Dämpfung, die gegenüber der Eingangsleistungsstufe erforderlich ist, zeigt.
- 3A zeigt Reaktionen der in 1A dargestellten Ausführungsform des A-OLMPA während eines kontinuierlichen und autonomen Betriebs des A-OLMPA unter Nutzung der in 2 modellierten optimalen PAE-Dämpfungsfunktion.
- 3B ist ein Diagramm der Vorspannungsströme für den ersten Verstärker PA1, der der Trägerverstärker ist, und den zweiten Verstärker PA2, der der Spitzenverstärker ist, gegenüber der Ausgangsleistung.
- 4A ist ein Diagramm, das Reaktionen des Wobbelns der Phase (0 --> 360) für das variable Dämpfungsglied veranschaulicht, wobei der in 2 gegebene Ausdruck analoger Dämpfung für maximalen PAE verfolgt wird.
- 4B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker P1 und den zweiten Verstärker P2 gegenüber der Ausgangsleistung.
- 5A veranschaulicht die Reaktion des Wobbelns der Frequenz von 36 GHz bis 40 GHz für die Ausführungsform aus 1A, wobei das analoge Dämpfungsglied den in 2 gegebenen Ausdruck analoger Dämpfung für maximalen PAE verfolgt.
- 5B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker und den zweiten Verstärker gegenüber der Ausgangsleistung.
- 6A veranschaulicht die Reaktion auf das Anwenden einer Versorgungsmodulation auf den A-OLMPA.
- 6B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker PA1 und den zweiten Verstärker PA2 gegenüber der Ausgangsleistung.
- 7A ist ein Schaltplan einer Ausführungsform des A-OLMPA ähnlich 1A, mit der Ausnahme, dass die Abschlussimpedanz kurzgeschlossen anstatt leerlaufend ist und ein Phasenverschieber enthalten ist, um den PAE zu maximieren.
- 7B ist ein Diagramm der optimalen Dämpfung gegenüber der Eingangsleistung.
- 8A ist ein Diagramm, das Reaktionen der Ausführungsform aus 7A hinsichtlich PAE und Ausgangsleistung darstellt.
- 8B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker PA1 und den zweiten Verstärker PA2 gegenüber der Ausgangsleistung für die Ausführungsform aus 7A.
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Detaillierte Beschreibung
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen stellen die notwendigen Informationen bereit, damit Fachleute auf dem Gebiet die Ausführungsformen ausüben können, und verdeutlichen den besten Ausübungsmodus der Ausführungsformen. Wenn die nachfolgende Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Figuren gelesen wird, werden Fachleute auf dem Gebiet die Konzepte der Offenbarung verstehen und Anwendungen dieser Konzepte erkennen, die hier nicht besonders angesprochen werden. Es versteht sich, dass diese Konzepte und Anwendungen in den Umfang der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche fallen.
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Es versteht sich, dass, obgleich die Begriffe erste, zweite usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden sollten. Diese Begriffe dienen nur dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Beispielsweise könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden und auf ähnliche Weise könnte ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne sich von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung zu entfernen. Wie hierin verwendet, beinhaltet der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „auf“ einem anderen Element befindlich oder sich „auf“ dieses erstreckend bezeichnet wird, es sich direkt auf dem anderen Element befinden oder sich direkt auf das andere Element erstrecken kann oder auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt auf“ einem anderen Element befindlich oder sich „direkt auf“ dieses erstreckend bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Ebenso versteht es sich, dass, wenn ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „über“ einem anderen Element befindlich oder sich „über“ dieses erstreckend bezeichnet wird, es sich direkt über dem anderen Element befinden oder sich direkt über das andere Element erstrecken kann oder auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt über“ einem anderen Element befindlich oder sich „direkt über“ dieses erstreckend bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Es versteht sich auch, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
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Relative Begriffe wie „unterhalb“ oder „oberhalb“ oder „obere“ oder „untere“ oder „horizontal“ oder „vertikal“ können hierin verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements, einer Schicht oder eines Bereichs zu einem anderen Element, einer anderen Schicht oder einem anderen Bereich zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Es versteht sich, dass diese und die vorstehend erörterten Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung einschließen sollen.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll keine Einschränkung der Offenbarung darstellen. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „eine“, „einer“ und „eines“ bzw. „der“, „die“ und „das“ auch die Pluralformen beinhalten, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes an. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhaltet“ und/oder „beinhaltend“, wenn sie hierin verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines bzw. einer oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
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Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) dieselbe Bedeutung, wie sie von dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, allgemein verstanden wird. Es versteht sich ferner, dass die hierin verwendeten Begriffe so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung haben, die mit ihrer Bedeutung im Kontext dieser Patentschrift und des einschlägigen Stands der Technik übereinstimmt, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn interpretiert werden sollten, sofern hierin nicht ausdrücklich so definiert.
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Ausführungsformen werden hierin unter Bezugnahme auf schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben. Dadurch können die tatsächlichen Dimensionen der Schichten und Elemente unterschiedlich sein, und es werden folglich Abweichungen von den Formen der Abbildungen, beispielsweise von Fertigungstechniken und/oder Toleranzen, erwartet. Beispielsweise kann ein als quadratisch oder rechteckig dargestellter oder beschriebener Bereich abgerundete oder gekrümmte Merkmale aufweisen, und als gerade Linien dargestellte Bereiche können eine gewisse Unregelmäßigkeit aufweisen. Somit sind die in den Figuren dargestellten Bereiche schematisch und ihre Formen sollen nicht die genaue Form eines Bereichs einer Vorrichtung veranschaulichen und den Umfang der Offenbarung nicht einschränken. Außerdem können Größen von Strukturen oder Bereichen relativ zu anderen Strukturen oder Bereichen zur Veranschaulichung übertrieben dargestellt sein und somit bereitgestellt werden, um die allgemeinen Strukturen des vorliegenden Gegenstands zu veranschaulichen, und können maßstabsgetreu gezeichnet sein oder auch nicht. Gemeinsame Elemente zwischen Figuren können hierin mit gemeinsamen Elementnummern gezeigt sein und werden demnach ggf. nicht erneut beschrieben.
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Offenbart wird eine Leistungsverstärkerimplementierung mit einem einzelnen Hochfrequenz(HF)-Eingang und -Ausgang, die zum Erreichen eines hohen kontinuierlichen PBO(Power Backed Off)-Wirkungsgrads weder externe Phasen- oder Amplitudensteuerungssignale noch duale HF-Eingangssignale benötigt.
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Der beschriebene Leistungsverstärker beinhaltet einen Eingangssplitter und einen analogen Leistungsdetektor und Dämpfungsmittel zum Konfigurieren eines asymmetrischen Eingangs- und Ausgangsleistungsverstärkers mit hohem PBO-Wirkungsgrad bei Leistungsverstärkung (PAE), der einen autonomen Betrieb ohne ein extern erzeugtes phasen- und amplitudengesteuertes HF-Signal ermöglicht.
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1A ist ein Schaltplan einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines analogen Leistungsverstärkers mit orthogonaler Lastmodulation (A-OLMPA) 10, der gemäß der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist. Der A-OLMPA 10 weist einen ersten Leistungsverstärker PA1 mit einem ersten Eingang 12 und einem ersten Ausgang 14 auf. Ein zweiter Leistungsverstärker PA2 weist einen zweiten Eingang 16 und einen zweiten Ausgang 18 auf. Ein Eingangsquadraturkoppler 20 weist einen ersten Anschluss P1, einen zweiten Anschluss P2, einen dritten Anschluss P3 und einen vierten Anschluss P4 auf. Der erste Eingang 12 des ersten Verstärkers PA1 ist mit dem vierten Anschluss P4 gekoppelt, und der zweite Eingang 16 des zweiten Verstärkers PA2 ist mit dem dritten Anschluss P3 gekoppelt.
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Ein Zwei-Wege-Splitter 22 ist so konfiguriert, dass er ein an einem HF-Eingang 24 ankommendes HF-Signal in zwei Teile aufteilt. Der HF-Eingang 24 ist in 1A als HFin gekennzeichnet. Der Zwei-Wege-Splitter 22 weist einen mit dem HF-Eingang 16 gekoppelten Splittereingang 26 und einen mit dem ersten Anschluss P1 gekoppelten ersten Splitterausgang 28 und einen mit dem zweiten Anschluss P2 gekoppelten zweiten Splitterausgang 30 auf. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Zwei-Wege-Splitter 22 ein Wilkinson-Splitter, der einen ersten Viertelwellen-Mikrostreifen 32, der zwischen den Splittereingang 26 und den ersten Splitterausgang 28 gekoppelt ist, und einen zweiten Viertelwellen-Mikrostreifen 34, der zwischen den Splittereingang 26 und den zweiten Splitterausgang 30 gekoppelt ist, aufweist. Zwischen den ersten Splitterausgang 28 und den zweiten Splitterausgang 30 ist ein Isolationswiderstand R1 gekoppelt.
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Zwischen den ersten Splitterausgang 28 und den ersten Anschluss P1 ist ein variables Dämpfungsglied 36 gekoppelt. Das variable Dämpfungsglied 36 kann analoger Art sein, welche durch ein analoges Steuerungssignal, wie beispielsweise ein Gleichstrom-Steuerungssignal, das einen Spannungspegel und/oder einen Strompegel beinhaltet, gesteuert wird. Das variable Dämpfungsglied 36 kann aktive Vorrichtungen, wie etwa Feldeffekttransistoren, beinhalten.
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Zwischen den zweiten Splitterausgang 30 und den zweiten Anschluss P2 ist ein Verzögerungselement 38 gekoppelt. Das Verzögerungselement 38 ist so konfiguriert, dass es aufgrund des variablen Dämpfungsglieds 36 eine Phasendifferenz von im Wesentlichen Null zwischen den aufgeteilten Teilen des HF-Signals aufrechterhält.
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Eine Dämpfungssteuerung 40 weist einen Steuerungsausgang 42 auf, der mit einem Dämpfungssteuerungseingang 44 des variablen Dämpfungsglieds 36 gekoppelt ist. Die Dämpfungssteuerung 40 weist einen Leistungsabtastsignaleingang 46 auf, über den ein Leistungsabtastsignal, das ein dem HF-Signal zugeordnetes Leistungssignal darstellt, empfangen wird.
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Das Leistungsabtastsignal kann dabei von einem externen Prozessor (nicht dargestellt) extern erzeugt werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform aus 1A wird das Leistungsabtastsignal jedoch von einem HF-Koppler 48 und einem HF-Detektor 50 bereitgestellt. Der HF-Koppler 48 ist zwischen den HF-Eingangsanschluss 24 und den Splittereingang 26 gekoppelt. Der HF-Koppler 48 weist einen Abtastausgang 52 auf, durch den ein HF-Abtastsignal fließt. Der HF-Detektor 50 ist zwischen den Abtastausgang 52 und den Leistungsabtastsignaleingang 46 gekoppelt. Der HF-Detektor 50 ist so konfiguriert, dass er ein Leistungsabtastsignal Vdet proportional zu dem HF-Signal oder der von dem Abtastausgang 52 des HF-Kopplers 48 fließenden HF-Abtastung erzeugt. Der HF-Koppler 48 kann ein Mikrostreifen-Richtkoppler sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Der HF-Detektor 50 kann eine Schottky-Dioden-basierte Detektorschaltung sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Dämpfungssteuerung 40 kann eine analoge Schaltung sein, die so konfiguriert ist, dass sie ein Dämpfungssteuerungssignal erzeugt, das über den Steuerungsausgang 42 bereitgestellt wird, ist aber nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen ist die Dämpfungssteuerung 40 so konfiguriert, dass sie das Leistungsabtastsignal Vdet verstärkt und/oder den Pegel des Leistungsabtastsignals Vdet verschiebt und/oder das Leistungsabtastsignal Vdet filtert. Alternative Ausführungsformen der Dämpfungssteuerung 40 können ein digitaler Prozessor sein, der mit einer Nachschlagetabelle verbunden ist, die Dämpfungswerte in Abhängigkeit von der Größe des Leistungsabtastsignals enthält.
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Ein Ausgangsquadraturkoppler 54 weist einen ersten Anschluss Z1, einen zweiten Anschluss Z2, einen dritten Anschluss Z3 und einen vierten Anschluss Z4 auf. Der erste Verstärkerausgang 14 des ersten Verstärkers PA1 ist mit dem zweiten Anschluss Z2 des Ausgangsquadraturkopplers 54 gekoppelt, und der zweite Verstärkerausgang 18 mit dem ersten Anschluss Z1 des Ausgangsquadraturkopplers 54 gekoppelt. Der dritte Anschluss Z3 ist mit einem HF-Ausgang 56 gekoppelt, der in 1A als HFout gekennzeichnet ist. Zwischen dem vierten Anschluss Z4 des Ausgangsquadraturkopplers 54 und einem Festspannungsknoten GND1, der in diesem Fall Masse ist, ist eine mit Z bezeichnete Abschlussimpedanz 58 eingekoppelt. Die Abschlussimpedanz 58 ist in der in 1A dargestellten Ausführungsform leerlaufend. In einer anderen Ausführungsform ist die Abschlussimpedanz 58 jedoch kurzgeschlossen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Abschlussimpedanz 58 eine komplexe Reflexionsimpedanz, die sowohl im Wesentlichen resistive als auch im Wesentlichen reaktive Teile aufweist. Der reaktive Teil kann verwendet werden, um die Bandbreite für einen gewünschten Betrieb abzustimmen. In weiteren Ausführungsformen weist die Abschlussimpedanz 58 einen Nicht-50-Ohm-Realteil auf, der entweder größer als 0 und kleiner als 35 Ohm oder größer als 75 Ohm ist.
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Der A-OLMPA 10 arbeitet im Allgemeinen als ein symmetrischer Verstärker, wobei der erste Leistungsverstärker PA1 und der zweite Leistungsverstärker PA2 im Wesentlichen den gleichen Ruhestrom aufweisen. Der Zwei-Wege-Splitter 22 dient zur Erzeugung von zwei gleichphasigen Eingangssignalen für den ersten Anschluss P1, der ein 90°-Orthogonaleingang ist, und den zweiten Anschluss P2, der ein 0°-Gleichphaseneingang des Eingangsquadraturkopplers 20 ist. Der Zwei-Wege-Splitter 22 stellt eine asymmetrische Eingangs- und Ausgangs-Betriebskonfiguration für den A-OLMPA 10 bereit, im Gegensatz zu einem herkömmlichen doppelt angesteuerten Verstärker mit zwei verschiedenen HF-Eingängen. Ein Orthogonaleingangspfad beinhaltet das variable Dämpfungsglied 36, das den ersten Anschluss P1 speist, der ein Orthogonaleingang des Eingangsquadraturkopplers 20 ist. Gegebenenfalls kann sich hieran eine feste Phasenverschieberkomponente zur Ausrichtung und Zentrierung des Leistungsverstärkerwirkungsgradbetriebs nach Frequenz, Bandbreite oder PBO anschließen. Das Verzögerungselement 38 kann optional zur Kompensation der durch das variable Dämpfungsglied 36 eingeführten Verzögerung in dem gleichphasigen Eingangspfad verwendet werden. Um einen maximalen Wirkungsgrad gegenüber der Vorspannung, die dem A-OLMPA 10 zugeführt wird, zu erzeugen, kann eine Dezibel-zu-Dezibel lineare Dämpfung in Bezug auf die HF-Eingangsleistung, Pin, festgelegt und auf das variable Dämpfungsglied 36 angewendet werden. Dies geschieht durch Abtasten der HF-Eingangsleistung über den HF-Koppler 48, gefolgt von dem HF-Detektor 50, der eine monotone Detektionsspannung (gegenüber Pin) liefert die anschließend geformt, hinsichtlich des Gleichstrompegels durch die Dämpfungssteuerung 40 verschoben und auf ein variables Dämpfungsglied 36, das der Charakteristik einfacher linearer Dämpfung gegenüber der Pin folgt, angewendet wird, um den besten PAE gegenüber Pin zu liefern. Es gilt 1 B zu beachten, welche ein Diagramm einer optimalen Dämpfung (Attenuation_opt) gegenüber der Eingangsleistung Pin ist. Zu bemerken ist der relativ hohe lineare Zusammenhang zwischen der optimalen Dämpfung und der Eingangsleistung Pin.
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2 ist ein Diagramm, das das Leistungsausgangs-, PAE- und Verstärkungsverhalten gegenüber Pin und die entsprechende optimale Dämpfung, die gegenüber der Pin-Leistungsstufe erforderlich ist, zeigt. Die für maximalen PAE gegenüber Pin erforderliche optimale Dämpfung ist monoton und linear. Dieser Aspekt ermöglicht einen analogen autonomen Betrieb des A-OLMPA 10, ohne dass externe digitale Steuereinstellungen für Phase und Amplitude gegenüber Leistung und Frequenz erforderlich sind.
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3A zeigt in strichpunktierten Linien Reaktionen der Ausführungsform des in 1 dargestellten A-OLMPA 10 während eines kontinuierlichen und autonomen Betriebs des A-OLMPA 10 mit dem HF-Koppler 48, dem HF-Detektor 50 und dem variablen Dämpfungsglied 36 unter Nutzung der in 2 modellierten optimalen PAE-Dämpfungsfunktion. 3B ist ein Diagramm der Vorspannungsströme für den ersten Verstärker PA1, der der Trägerverstärker ist, und den zweiten Verstärker PA2, der der Spitzenverstärker ist, gegenüber der Ausgangsleistung. 3A und 3B verdeutlichen, dass der einfache lineare Zusammenhang für optimale PAE-Dämpfung gegenüber Pin leicht durch eine gerade Linie modelliert werden kann, wie in 2 gezeigt. In ähnlicher Weise kann diese optimierende analoge Dämpfungsmethode auf einen Betrieb optimaler Amplitudenmodulation-Amplitudenmodulation (AM-AM) oder isotroper linearer Verstärkung angewendet werden.
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4A ist ein Diagramm, das Reaktionen des Wobbelns der Phase (0 --> 360) für das variable Dämpfungsglied 36 veranschaulicht, wobei der in 2 gegebene Ausdruck analoger Dämpfung für maximalen PAE verfolgt wird. 4A zeigt, dass die optimale Phase zur Erzielung des maximalen PAE Null und gegenüber der Leistung konstant ist. Somit wird durch Einstellen der Phase gegenüber der Leistung keine oder nur eine geringe Verbesserung des PAE erreicht. Die Simulationen legen nahe, dass der optimale PAE nur durch Verwendung eines einfachen analogen Dämpfungsglieds mit einer festen optimalen Phase von im Wesentlichen Null erreicht werden kann, wenn der Abschluss im Wesentlichen leerlaufend (OPEN) ist. Da die optimale PAE-Dämpfung gegenüber Pin einer sich typisch verhaltenden monotonen linearen Funktion folgt, ist ein kontinuierlicher und autonomer hochwirksamer PBO-Betrieb relativ einfach realisierbar. 4B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker P1 und den zweiten Verstärker P2 gegenüber der Ausgangsleistung.
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5A veranschaulicht die Reaktion des Wobbelns der Frequenz von 36 GHz bis 40 GHz für die Ausführungsform aus 1A, wobei das analoge Dämpfungsglied den in 2 gegebenen Ausdruck analoger Dämpfung für maximalen PAE verfolgt. 5B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker PA1 und den zweiten Verstärker PA2 gegenüber der Ausgangsleistung. Diese Reaktionen deuten darauf hin, dass sich das Ansprechverhalten bei maximalem PAE gegenüber der Frequenzbandbreite typisch verhält, und dass der gleiche Ausdruck für optimale PAE-Dämpfung gegenüber der Bandbreite anwendbar ist.
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6A veranschaulicht die Reaktion auf das Anwenden einer Versorgungsmodulation auf den A-OLMPA 10. 6A zeigt, dass der 10-dB-PBO-PAE von 24 % durch Anwenden von Drainmodulation auf 31 % verbessert werden kann. Somit ist die Topologie des A-OLMPA 10 mit analoger Dämpfungsverfolgung förderlich für den Hybridbetrieb unter Verwendung von Versorgungsmodulationstechniken. Es kann jedoch ein kontinuierlicher und autonomer Hybridbetrieb erfolgen, da der A-OLMPA 10 ohne digitale Steuerungsunterstützung in einem kontinuierlichen Analogbetrieb arbeitet. 6B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker PA1 und den zweiten Verstärker PA2 gegenüber der Ausgangsleistung.
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7A ist ein Schaltplan einer Ausführungsform ähnlich 1A, mit dem Unterschied, dass die Abschlussimpedanz 58 kurzgeschlossen statt leerlaufend ist und ein Phasenverschieber 60 zwischen den ersten Splitterausgang 28 und den ersten Anschluss P1 des Eingangsquadraturkopplers 20 gekoppelt ist. Für einen optimalen Betrieb liegt die durch den Phasenverschieber 60 erzeugte optimale feste Phasenverschiebung zwischen 130 Grad und 180 Grad. Ein Wert von 145 Grad ist optimal bei Verwendung des gleichen maximalen PAE-Dämpfungsausdrucks, wie in 7B gegeben. In einer beispielhaften Ausführungsform des A-OLMPA 10 ist der Phasenverschieber 60 auf im Wesentlichen 0 Grad festgelegt, wenn der vierte Anschluss Z4 des Ausgangsquadraturkopplers 54 im Wesentlichen leerlaufend abgeschlossen ist. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des A-OLMPA 10 ist der Phasenverschieber 60 auf im Wesentlichen 145 Grad festgelegt, wenn der vierte Anschluss Z4 des Ausgangsquadraturkopplers 54 mittels der Abschlussimpedanz 58 im Wesentlichen kurzgeschlossen abgeschlossen ist. In noch anderen Ausführungsformen erzeugt der Phasenverschieber eine Phasenverschiebung zwischen 0 Grad und 130 Grad.
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8A und 8B sind Diagramme, die Reaktionen der Ausführungsform aus 7A darstellen, wobei der vierte Anschluss Z4, der der Abschlussanschluss des Ausgangsquadraturkopplers 54 ist, kurzgeschlossen (SHORT) ist, die orthogonale Phasenverschiebung 145 Grad beträgt und der gleiche optimale PAE-Dämpfungsausdruck aus 2 verwendet wird. Die fette strichpunktierte Kurve aus 8A folgt der Hüllkurve der PAE-Kurvenfamilie (durchgezogene Linien), was andeutet, dass der gleiche optimale PAE-Dämpfungsausdruck sowohl für Leerlauf- als auch Kurzschlussabschlussfälle verwendet werden kann. Der SHORT-Abschluss zeigt jedoch einen im Vergleich zu der OPEN-Abschluss-Ausführungsform aus 1A geringeren PBO-PAE-Bereich auf. Der A-OLMPA 10 wurde jedoch speziell auf den OPEN-Abschlussfall und nicht auf den SHORT-Abschlussfall abgestimmt. Es versteht sich jedoch, dass derselbe Ausdruck maximaler PAE-Dämpfung gegenüber der Leistung sowohl für den OPEN- als auch den SHORT-Abschlussfall gilt, was die Rekonfiguration gegebenenfalls erleichtern kann. 8B ist ein Diagramm des Vorspannungsstroms für den ersten Verstärker PA1 und den zweiten Verstärker PA2 gegenüber der Ausgangsleistung.
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In einigen Ausführungsformen ist der A-OLMPA 10 so konfiguriert, dass er eine modulierte Versorgungsspannung von einer Modulationsleistungsversorgung, wie beispielsweise einer Hüllkurvenverfolgungsschaltung, empfängt. In einigen Ausführungsformen ist der zweite Verstärker PA2, der ein Spitzenverstärker ist, so konfiguriert, dass er ab einer Spitzenversorgungsspannung arbeitet, die größer als die Trägerversorgungsspannung ist, wenn die Abschlussimpedanz 58 im Wesentlichen leerlaufend ist und das variable Dämpfungsglied 36 eine Dämpfung von mehr als 3 dB bereitstellt. In einigen Ausführungsformen ist der erste Verstärker PA1, der ein Trägerverstärker ist, so konfiguriert, dass er ab einer Trägerversorgungsspannung arbeitet, die größer als die Spitzenversorgungsspannung ist, wenn die Abschlussimpedanz 58 im Wesentlichen kurzgeschlossen ist und das variable Dämpfungsglied 36 eine Dämpfung von mehr als 3 dB bereitstellt.
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Es ist vorgesehen, dass beliebige der vorstehenden Aspekte und/oder verschiedene getrennte Aspekte und Merkmale, wie hierin beschrieben, für einen zusätzlichen Vorteil kombiniert werden können. Jede der verschiedenen Ausführungsformen, die hierin offenbart werden, kann mit einer oder mehreren anderen offenbarten Ausführungsformen kombiniert werden, sofern hierin nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Fachleute auf dem Gebiet werden Verbesserungen und Modifikationen an den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erkennen. Alle derartigen Verbesserungen und Modifikationen werden als in den Umfang der hierin offenbarten Konzepte und der nachfolgenden Ansprüche fallend betrachtet.
