RU2437206C1 - Combined amplifier, radio station and method for increasing efficiency of combined amplifier - Google Patents
Combined amplifier, radio station and method for increasing efficiency of combined amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2437206C1 RU2437206C1 RU2010124951/08A RU2010124951A RU2437206C1 RU 2437206 C1 RU2437206 C1 RU 2437206C1 RU 2010124951/08 A RU2010124951/08 A RU 2010124951/08A RU 2010124951 A RU2010124951 A RU 2010124951A RU 2437206 C1 RU2437206 C1 RU 2437206C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- combined amplifier
- combined
- amplifiers
- power
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к усилителям мощности в целом и, в частности, к комбинированному усилителю радиостанции, включающей в себя такой комбинированный усилитель, и к способу повышения кпд такого комбинированного усилителя.The present invention relates to power amplifiers in general and, in particular, to a combined amplifier of a radio station including such a combined amplifier, and to a method for increasing the efficiency of such a combined amplifier.
Уровень техникиState of the art
Усилители мощности, обычно используемые в радиопередатчиках для широковещательных, сотовых и спутниковых систем, являются необходимыми компонентами, которые должны быть эффективными и линейными, наряду со способностью одновременно усиливать множество радиоканалов (частот) или независимых каналов данных пользователя, разнесенных по достаточно широкой полосе частот. Усилитель мощности, такой как усилитель мощности радиочастот (RF), также должен выполнять усиление эффективно, чтобы сократить потребление мощности и увеличить срок службы. Высокая линейность требуется потому, что нелинейные характеристики входных и выходных сигналов усилителя мощности часто приводят к расширению спектра вокруг требуемого усиленного сигнала и к появлению нежелательного внутриполосного компонента сигнала, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик системы, особенно в коммуникационных системах, работающих на нескольких несущих (например, WCDMA), которые, как известно, особенно чувствительны к эффектам нелинейности. Power amplifiers commonly used in radio transmitters for broadcast, cellular and satellite systems are necessary components that must be efficient and linear, along with the ability to simultaneously amplify multiple radio channels (frequencies) or independent user data channels spaced over a fairly wide frequency band. A power amplifier, such as a radio frequency (RF) power amplifier, must also perform amplification efficiently in order to reduce power consumption and extend its service life. High linearity is required because the nonlinear characteristics of the input and output signals of the power amplifier often lead to the expansion of the spectrum around the desired amplified signal and to the appearance of an undesirable in-band component of the signal, which leads to a deterioration in the system’s performance, especially in multi-carrier communication systems (e.g. , WCDMA), which are known to be especially sensitive to non-linear effects.
Для уменьшения эффекта нелинейности можно использовать несколько схем линеаризации. Одна такая схема линеаризации известна как схема с прямой связью, где сигнал подпитывают после усилителя, который нейтрализует отклонения от идеала. Еще одна обычно используемая схема линеаризации предварительно искажает (модифицирует) сигнал на входе усилителя, чтобы получить неискаженный усиленный сигнал на выходе усилителя. Такая технология называется предыскажением.To reduce the effect of non-linearity, several linearization schemes can be used. One such linearization scheme is known as a direct coupled circuit, where the signal is energized after an amplifier that neutralizes deviations from the ideal. Another commonly used linearization scheme preliminarily distorts (modifies) the signal at the amplifier input to obtain an undistorted amplified signal at the amplifier output. This technology is called predistortion.
Дополнительным важным ключевым фактором RF усилителей мощности, используемых в коммуникационных системах, работающих на нескольких несущих (например, WCDMA), является, как указано выше, кпд усилителя. An additional important key factor for RF power amplifiers used in multi-carrier communication systems (for example, WCDMA) is, as indicated above, amplifier efficiency.
Кпд усилителя должен быть высоким, чтобы снизить потребность в охлаждении и общее потребление мощности и чтобы увеличить долговечность усилителя мощности. Обычные усилители мощности имеют низкий кпд, особенно при передаче сигналов с большим отношением пиковой мощности к средней мощности. В качестве примера, широкополосный сигнал обычно имеет среднюю мощность (амплитуду), которая нормально значительно меньше пиковой мощности (амплитуды), и поскольку обычный линейный RF усилитель мощности по существу имеет кпд, пропорциональный выходной амплитуде, его средняя кпд, следовательно, является очень низким для таких сигналов, имеющий большое отношение пиковой мощности к средней.The efficiency of the amplifier must be high to reduce the need for cooling and overall power consumption and to increase the durability of the power amplifier. Conventional power amplifiers have low efficiency, especially when transmitting signals with a large ratio of peak power to average power. As an example, a broadband signal typically has an average power (amplitude) that is normally significantly less than peak power (amplitude), and since a conventional linear RF power amplifier essentially has an efficiency proportional to the output amplitude, its average efficiency is therefore very low for such signals, having a large ratio of peak power to average.
В ответ на низкий кпд обычных линейных усилителей мощности при передаче сигналов с большим отношением пиковой мощности к средней появились и нашли широкое распространение два способа или две конструкции усилителей. Усилитель Догерти (или способ усиления Догерти) описан в W. H. Doherty, "A new high efficiency power amplifier for modulated waves," Proc. IRE, vol. 24, no. 9, pp. 1163-1182, Sept, 1936, и система дефазирования Ширекса (или способ усиления Ширекса) описан в H. Chireix, "High power outphasing modulation" Proc. IRE, vok.23, no. 11, pp.1370-392, Nov. 1935. In response to the low efficiency of conventional linear power amplifiers when transmitting signals with a high peak-to-average ratio, two methods or two amplifier designs appeared and were widely used. The Doherty Amplifier (or the Doherty Amplifier Method) is described in WH Doherty, "A new high efficiency power amplifier for modulated waves," Proc. IRE, vol. 24, no. 9, pp. 1163-1182, Sept, 1936 , and the Shireks dephasing system (or the Shireks amplification method) is described in H. Chireix, "High power outphasing modulation" Proc. IRE, vok. 23, no. 11, pp. 1370-392, Nov. 1935 .
Усилитель Догерти использует один нелинейный и один линейный усилитель. Первый усилитель мощности возбуждается как линейный усилитель класса В, а второй усилитель мощности с нелинейным выходным током модулирует импеданс, на который нагружен первый усилитель через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию. Поскольку нелинейный выходной ток второго усилителя мощности равен нулю в области ниже определенного выходного напряжения, второй усилитель мощности не участвует в потере мощности в области ниже такого напряжения.The Doherty Amplifier uses one non-linear and one linear amplifier. The first power amplifier is excited as a Class B linear amplifier, and the second non-linear output power amplifier modulates the impedance to which the first amplifier is loaded via a quarter-wave line inverting the impedance. Since the non-linear output current of the second power amplifier is zero in the region below a certain output voltage, the second power amplifier does not participate in power loss in the region below such a voltage.
Потери выходной мощности усилителя Догерти в режиме насыщения, когда кпд достигает максимума на кривой кпд усилителя Догерти, возникают на половине максимального выходного напряжения. Положение потерь выходной мощности в режиме насыщения можно изменить, изменив импеданс четвертьволновой линии передачи (или цепи преобразования (согласования). Таким образом, в усилителе мощности Догерти положение максимума низкого кпд определяется величиной преобразования (согласования). Даже если усилитель Догерти можно распространить на три или более усилителя для получения большего количества точек максимума на кривой кпд, это обычно приводит к необходимости использования усилителей (транзисторов) с очень неравномерно распределенной величиной. Losses in the output power of the Doherty amplifier in saturation mode, when the efficiency reaches a maximum on the efficiency curve of the Doherty amplifier, occur at half the maximum output voltage. The position of the output power loss in saturation mode can be changed by changing the impedance of the quarter-wave transmission line (or the conversion (matching) circuit. Thus, in the Doherty power amplifier, the position of the maximum low efficiency is determined by the amount of conversion (matching). Even if the Doherty amplifier can be extended to three or more amplifier to get more maximum points on the efficiency curve, this usually leads to the need to use amplifiers (transistors) with a very uneven distribution constant value.
Принцип системы дефазирования Ширекса заключается в создании амплитудной модуляции, используя два усилителя, работающих при постоянной амплитуде, вместе с особой комбинирующей цепью. Изменяя дифференциальный сдвиг фаз между двумя усилителями, осуществляют амплитудную модуляцию. Комбинация по существу двух модулированных по фазе сигналов постоянной амплитуды, таким образом, позволяет осуществлять амплитудную модуляцию. После преобразования с повышением частоты и усиления на RF цепях (например, смесителях, фильтрах и усилителях) сигналы комбинируют для формирования усиленного сигнала в выходной цепи сумматора. Фазы этих сигналов постоянной амплитуды выбирают так, чтобы сумма сложения их векторов давала требуемую амплитуду. Для расширения региона высокого кпд, чтобы включать в себя уровни малой мощности в выходной цепи усилителя Ширекса, используют компенсирующие реактивные сопротивления, обозначенные +jX и -jX соответственно. Кпд системы Ширекса выведен в работе R.F. Raab, "Efficiency of outphasing RF power amplifier systems", IEEE Trans. Communications, vol. COM-33, no. 10, pp. 1094-1099, October 5.The principle of the Shireks dephasing system is to create amplitude modulation using two amplifiers operating at a constant amplitude, together with a special combining circuit. By changing the differential phase shift between the two amplifiers, amplitude modulation is performed. The combination of essentially two phase modulated signals of constant amplitude, thus, allows for amplitude modulation. After conversion with increasing frequency and gain on RF circuits (for example, mixers, filters and amplifiers), the signals are combined to form an amplified signal in the output circuit of the adder. The phases of these signals of constant amplitude are chosen so that the sum of the addition of their vectors gives the desired amplitude. To expand the high-efficiency region to include low power levels in the output circuit of a Shireks amplifier, compensating reactances are used, designated + jX and -jX, respectively. The efficiency of the Shireks system is derived from RF Raab, "Efficiency of outphasing RF power amplifier systems", IEEE Trans. Communications, vol. COM-33, no. 10, pp. 1094-1099, October 5 .
Преимуществом усилителя Ширекса является способность изменять кривую кпд для соответствия разным отношениям пиковой мощности к средней. Пиковая выходная мощность в равной степени делится между усилителями, независимо от такой регулировки, что означает, что можно использовать усилители одинаковой величины. Изменение кривой кпд может быть осуществлено посредством изменения (настройки) величины реактивного сопротивления (Х) для настройки комбинирующей цепи в усилителе Ширекса, тем самым достигая пикового кпд на средней выходной мощности. Этот подход был предложен в M. El-Asmar, A.B. Kouki "Improving Chiriex Combiner Efficiency Using MEMS Switches", IEEE CCECE/CCGEI, Ottawa, Pages 2310-2313, May 2006. The advantage of the Shireks amplifier is the ability to change the efficiency curve to match different ratios of peak power to average. The peak output power is equally divided between the amplifiers, regardless of such adjustment, which means that amplifiers of the same size can be used. The change in the efficiency curve can be carried out by changing (tuning) the value of reactance (X) to adjust the combining circuit in the Shireks amplifier, thereby achieving peak efficiency at the average output power. This approach was proposed in M. El-Asmar, AB Kouki "Improving Chiriex Combiner Efficiency Using MEMS Switches", IEEE CCECE / CCGEI, Ottawa, Pages 2310-2313, May 2006.
В вышеупомянутой публикации длина настроечных шлейфов, которые используются для создания компенсирующих реактивных сопротивлений для сумматора Ширекса, является переменной. Время реакции переключателей MEMS (микроэлектромеханическая система) используется для соединения и разъединения разных шлейфов (обычно двух) на входе в сумматор. Такой обмен двух шлейфов возникает при фиксированном уровне фазы между двумя входными сигналами для увеличения кпд усилителя мощности Ширекса. Переключатели MEMS, однако, являются механическими устройствами, что означает появление со временем проблем с надежностью. Дополнительно, доступные в настоящее время переключатели очень малы, и поэтому на них будет оказывать сильное влияние уровень мощности, пропускаемой через цепь сумматора от каждого усилителя в усилителе Ширекса. Кроме того, конечное время переключения может привести к появлению дополнительных проблем в виде "скачков" от нагрузки на каждый усилитель, что повлияет на кпд усилителя.In the aforementioned publication, the length of the training loops that are used to create the compensating reactance for the Shireks adder is variable. The reaction time of the MEMS switches (microelectromechanical system) is used to connect and disconnect different loops (usually two) at the input to the adder. Such an exchange of two loops occurs at a fixed phase level between two input signals to increase the efficiency of the Shireks power amplifier. MEMS switches, however, are mechanical devices, which means reliability issues have emerged over time. Additionally, the currently available switches are very small, and therefore they will be strongly influenced by the level of power passed through the adder circuit from each amplifier in the Shireks amplifier. In addition, the finite switching time can lead to additional problems in the form of “jumps” from the load on each amplifier, which will affect the efficiency of the amplifier.
По существу усилители Ширекса и Догерти имеют максимумы кпд на некотором фиксированном среднем уровне выхода. Это считается оптимальным для некоторого фиксированного распределения амплитуд сигнала, но менее чем оптимальным для всех других. Это вызвано тем, что кпд падает, уходя от огибающей амплитуды таких сигналов.Essentially, the Shirex and Dougherty amplifiers have efficiency maxima at some fixed average output level. This is considered optimal for some fixed distribution of signal amplitudes, but less than optimal for all others. This is because the efficiency drops, moving away from the envelope of the amplitude of such signals.
В патенте США №7221219 предложена конструкция комбинированного усилителя мощности, которая по существу основана на комбинации вспомогательного усилителя в усилителе Догерти и по меньшей мере одной пары усилителей, образующих пару Ширекса. Та часть этого комбинированного усилителя, которая взята у Догерти, возбуждается так же, как вспомогательный усилитель в усилителе Догерти. Каждая пара Ширекса возбуждается возбуждающими сигналами с фазой, зависящей от амплитуды по меньшей мере на части динамического диапазона комбинированного усилителя. В этом документе кпд комбинированного усилителя повышен посредством того, что разные пары имеют зависимые от амплитуды фазы в разных частях динамического диапазона комбинированного усилителя.US Pat. No. 7,221,219 proposes a design for a combined power amplifier, which is essentially based on a combination of an auxiliary amplifier in a Doherty amplifier and at least one pair of amplifiers forming a Shireks pair. The part of this combined amplifier that was taken from Doherty is excited in the same way as the auxiliary amplifier in the Doherty amplifier. Each Shireks pair is excited by exciting signals with a phase depending on the amplitude of at least part of the dynamic range of the combined amplifier. In this document, the efficiency of the combined amplifier is enhanced by the fact that different pairs have phase-amplitude dependent phases in different parts of the dynamic range of the combined amplifier.
Еще один способ повышения среднего кпд RF усилителя мощности заключается в динамическом регулировании согласующей цепи RF усилителя мощности. Однако динамические согласующие компоненты согласующей цепи могут быть медленными, могут иметь более низкий кпд по сравнению с фиксированными компонентами и/или могут требовать существенной мощности для осуществления регулировки, поскольку мощность по существу пропорциональна широте полосы процесса регулировки/настройки.Another way to increase the average efficiency of an RF power amplifier is to dynamically adjust the matching circuit of the RF power amplifier. However, the dynamic matching components of the matching circuit may be slow, may have lower efficiency than the fixed components, and / or may require substantial power to perform the adjustment, since the power is substantially proportional to the bandwidth of the adjustment / adjustment process.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Целью настоящего изобретения является устранение по меньшей мере части из указанных выше недостатков посредством предоставления процедуры повышения мгновенного кпд комбинированного усилителя. Комбинированный усилитель согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере два усилителя мощности, которые возбуждаются по-разному и которые могут быть сконфигурированы как пара системы дефазирования Ширекса или как пара в усилителе Догерти.The aim of the present invention is to eliminate at least part of the above disadvantages by providing a procedure for increasing the instantaneous efficiency of a combined amplifier. The combined amplifier according to the present invention contains at least two power amplifiers that are excited in different ways and which can be configured as a pair of a Shireks dephasing system or as a pair in a Doherty amplifier.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения вышеописанная проблема решается посредством устройства на основе комбинированного усилителя для использования в радиостанции телекоммуникационной системы, при этом комбинированный усилитель содержит по меньшей мере два усилителя мощности, которые возбуждаются по-разному и которые дополнительно выполнены с возможностью соединения с выходной цепью сумматора и с нагрузкой, при этом выходная цепь сумматора содержит по меньшей мере одно динамически настраиваемое реактивное сопротивление. Для увеличения мгновенного кпд комбинированного усилителя согласно настоящему изобретению по меньшей мере один из импедансов, на которые нагружен каждый из по меньшей мере двух возбуждаемых по-разному усилителей мощности, сконфигурирован с возможностью динамической настройки.According to a first aspect of the present invention, the above-described problem is solved by a device based on a combined amplifier for use in a radio station of a telecommunication system, wherein the combined amplifier comprises at least two power amplifiers that are driven differently and which are further configured to connect to the output circuit of the adder and with a load, while the output circuit of the adder contains at least one dynamically adjustable reactance e. To increase the instantaneous efficiency of the combined amplifier according to the present invention, at least one of the impedances to which each of the at least two differently coupled power amplifiers is loaded is configured to be dynamically tuned.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения вышеуказанная проблема решается посредством способа повышения мгновенного кпд комбинированного усилителя, содержащего по меньшей мере одно динамически настраиваемое реактивное сопротивление и дополнительно содержащего по меньшей мере два по-разному возбуждаемых усилителя мощности, соединенных с выходной цепью сумматора и с нагрузкой. Способ содержит этапы, при которых динамически настраивают по меньшей мере один из импедансов, на которые нагружен каждый из по меньшей мере двух возбуждаемых по-разному усилителей мощности так, что мгновенный кпд комбинированного усилителя увеличивается.According to another aspect of the present invention, the above problem is solved by a method of increasing the instantaneous efficiency of a combined amplifier comprising at least one dynamically adjustable reactance and further comprising at least two differently driven power amplifiers connected to the output circuit of the adder and to the load. The method comprises the steps in which at least one of the impedances is dynamically tuned to each of at least two differently coupled power amplifiers loaded so that the instantaneous efficiency of the combined amplifier is increased.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения вышеописанная проблема решается посредством радиостанции, содержащей комбинированный усилитель согласно описанному выше комбинированному усилителю.According to another aspect of the present invention, the above-described problem is solved by a radio station comprising a combination amplifier according to the combination amplifier described above.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что падение кпд, вызванное перенапряжением, связанным с динамическим согласующим усилителем с медленными настраивающими компонентами, можно уменьшить, поскольку использование медленных динамических согласующих компонентов требует распределения запаса для сигнала для учета быстрых скачков амплитуды. Таким образом, в комбинированном усилителе по настоящему изобретению отдельного распределения запаса не требуется.An advantage of the present invention is that the drop in efficiency caused by overvoltage associated with a dynamic matching amplifier with slow tuning components can be reduced since the use of slow dynamic matching components requires a margin distribution for the signal to account for fast amplitude shocks. Thus, in the combination amplifier of the present invention, a separate stock distribution is not required.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что мгновенный кпд комбинированного усилителя, содержащего усилители, которые можно конфигурировать в пару в системы дефазирования Ширекса или в пару в усилителе Догерти, повышается, поскольку усилитель Ширекса или усилитель Догерти имеет минимальный кпд в области чуть ниже точки пиковой амплитуды на выходе, что означает, что кпд комбинированного усилителя может быть максимизирован на более длительное время, чем время флуктуаций огибающей амплитуды выходного сигнала, и одновременно сохранять запас по амплитуде для быстрых скачков. Таким образом, комбинированный усилитель согласно настоящему изобретению позволяет отделить максимум кпд от максимума амплитуды.Another advantage of the present invention is that the instantaneous efficiency of a combined amplifier containing amplifiers that can be paired in a Shirex dephasing system or in a pair in a Doherty amplifier increases because the Shirex amplifier or a Doherty amplifier has a minimum efficiency in the region just below the peak point amplitude at the output, which means that the efficiency of the combined amplifier can be maximized for a longer time than the time of the fluctuation of the envelope of the amplitude of the output signal, and one keep the amplitude margin for fast jumps. Thus, the combined amplifier according to the present invention allows to separate the maximum efficiency from the maximum amplitude.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения являются характеристики надежности, увеличенные за счет применения немеханических операций.Another advantage of the present invention are reliability characteristics enhanced through the use of non-mechanical operations.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения по сравнению, например, с ранее описанным MEM-решением на базе микроэлектромеханических систем является то, что применение динамически настраиваемых реактивных сопротивлений согласно настоящему изобретению предоставляет повышение мгновенного кпд комбинированного усилителя по сравнению с использованием MEMS-переключателей. Хотя большее количество MEMS-переключателей могут предоставить высокий кпд, они также увеличивают и риски, связанные с надежностью, в отличие от решений, предоставленных настоящим изобретением.An additional advantage of the present invention compared, for example, with the previously described MEM solution based on microelectromechanical systems is that the use of dynamically tuned reactances according to the present invention provides an increase in the instantaneous efficiency of the combined amplifier in comparison with the use of MEMS switches. Although more MEMS switches can provide high efficiency, they also increase the risks associated with reliability, in contrast to the solutions provided by the present invention.
Далее следует более подробное описание нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, при этом следует обратить внимание на тот факт, что приложенные чертежи являются чисто иллюстративными и в конкретные проиллюстрированные варианты осуществления могут быть внесены различные изменения и модификации, входящие в объем приложенной формулы.The following is a more detailed description of several embodiments of the present invention with reference to the attached drawings, while it should be noted that the attached drawings are purely illustrative and various changes and modifications may be made to the specific illustrated embodiments that fall within the scope of the attached formula .
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1А - блок-схема, иллюстрирующая принципы работы известного усилителя Догерти.Figa is a block diagram illustrating the principles of operation of the known Doherty amplifier.
Фиг.1В - схематическая диаграмма, иллюстрирующая кпд известного усилителя Догерти.FIG. 1B is a schematic diagram illustrating the efficiency of a known Doherty amplifier.
Фиг.2А - блок-схема, иллюстрирующая принципы работы известной системы дефазирования Ширекса.2A is a flowchart illustrating the operating principles of the well-known Shireks dephasing system.
Фиг.2В - схематическая диаграмма, иллюстрирующая кпд известной системы дефазирования Ширекса без компенсирующих реактивных сопротивлений. FIG. 2B is a schematic diagram illustrating the efficiency of a known Shirex dephasing system without compensating reactance.
Фиг.3А - блок-схема, иллюстрирующая общую конструкцию примерного комбинированного усилителя согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.3A is a block diagram illustrating the general construction of an exemplary combined amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention.
Фиг.3В - блок-схема, иллюстрирующая общую конструкцию по фиг.3А, включая импедансы/адмитансы, на которые нагружены усилители.Fig. 3B is a block diagram illustrating the general construction of Fig. 3A, including the impedances / admittances on which amplifiers are loaded.
Фиг.4А-4D схематически иллюстрируют примерный кпд комбинированного усилителя, включающего в себя систему дефазирования Ширекса согласно вариантам осуществления настоящего изобретения и дополнительно иллюстрирующие соответствующие диаграммы Смита.4A-4D schematically illustrate an exemplary efficiency of a combination amplifier including a Shireks dephasing system according to embodiments of the present invention and further illustrating respective Smith diagrams.
Фиг.5А иллюстрирует выходное напряжение как функцию множителя масштабирования для разных постоянных углов дефазирования.Fig. 5A illustrates the output voltage as a function of the scaling factor for different constant dephasing angles.
Фиг.5В иллюстрирует пример кривых мгновенного кпд комбинированного усилителя согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.5B illustrates an example of instantaneous efficiency curves of a combination amplifier according to embodiments of the present invention.
Фиг.6А-6В иллюстрируют различные конструкции комбинированного усилителя, заключающего в себе систему дефазирования Ширекса, согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения.6A-6B illustrate various designs of a combination amplifier incorporating a Shireks dephasing system, according to other embodiments of the present invention.
Фиг.7А-7В иллюстрируют другие конструкции комбинированного усилителя, заключающего в себе усилитель Догерти, согласно другим вариантам настоящего изобретения.7A-7B illustrate other designs of a combined amplifier incorporating a Doherty amplifier according to other embodiments of the present invention.
Фиг.8 иллюстрирует кпд комбинированного усилителя, заключающего в себе усилитель Догерти.Fig. 8 illustrates the efficiency of a combined amplifier incorporating a Doherty amplifier.
Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая радиостанцию, включающую в себя комбинированный усилитель согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.9 is a block diagram illustrating a radio station including a combination amplifier according to exemplary embodiments of the present invention.
Подробное описаниеDetailed description
В нижеследующем описании для пояснения, а не для ограничения, указаны конкретные детали, такие как конкретные структуры, сценарии, способы и прочее, чтобы предоставить глубокое представление о настоящем изобретении. Однако специалистам очевидно, что настоящее изобретение и варианты его осуществления могут быть реализованы в других вариантах осуществления, которые не совпадают в деталях с описанными.In the following description, for purposes of explanation and not limitation, specific details, such as specific structures, scenarios, methods, and the like, are provided to provide a thorough understanding of the present invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention and its embodiments may be implemented in other embodiments that do not coincide in detail with those described.
Настоящее изобретение описывается посредством ссылок на конкретные примерные сценарии. В частности, изобретение описано в неограничивающем общем контексте в отношении примерного сигнала WCDMA с одной несущей, имеющего заранее заданное отношение пиковой мощности к средней (PAPR) (например, 7 дБ PAPR). Следует отметить, что настоящее изобретение и его примерные варианты осуществления ни в коем случае не ограничиваются этим сигналом WCDMA с одной несущей, т.е. могут быть сигналы с несколькими несущими или сигналы с одной несущей, но другого типа систем. Кроме того, настоящее изобретение описано в неограничивающем общем контексте в отношении комбинированного усилителя, содержащего по меньшей мере два усилителя мощности, которые могут быть сконфигурированы с возможностью являться парой усилителя Догерти или парой в системе дефазирования Ширекса.The present invention is described by reference to specific exemplary scenarios. In particular, the invention is described in a non-limiting general context with respect to an exemplary single-carrier WCDMA signal having a predetermined peak power to average power ratio (PAPR) (e.g., 7 dB PAPR). It should be noted that the present invention and its exemplary embodiments are in no way limited to this single-carrier WCDMA signal, i.e. there may be signals with several carriers or signals with one carrier, but of a different type of system. In addition, the present invention is described in a non-limiting general context with respect to a combination amplifier comprising at least two power amplifiers, which can be configured to be a pair of Doherty amplifiers or a pair in a Shireks dephasing system.
На фиг.1А показана блок-схема типичного известного усилителя 1 Догерти. Усилитель Догерти состоит из двух усилителей, именуемых основным усилителем 10 и пиковым усилителем 11. Основной и пиковый усилители 10, 11 проиллюстрированы одинаково большими, хотя они не обязательно должны иметь одинаковый размер. Как проиллюстрировано на фиг. 1А, эти два усилителя соединены посредством четвертьволновой линии передачи с волновым импедансом Z 0. Выход пикового усилителя дополнительно соединен с нагрузкой R L. В данном случае предполагается, что оба усилителя 10 и 11 действуют как идеальные управляемые генераторы, т.е., выходные токи (i 1 и i 2) пропорциональны входному возбуждающему сигналу. Если теперь предположить, что оптимальное сопротивление нагрузки одного из усилителей составляет R opt, то сопротивление нагрузки должно быть равно R opt/2, чтобы максимальная номинальная мощность вдвое превышала максимальную номинальную мощность одного усилителя. Роль передающей линии заключается в преобразовании сопротивления нагрузки в 2R opt на выходе основного усилителя. Если предположить, что выходной импеданс основного усилителя равен бесконечности, то импеданс для пикового усилителя 11 будет равен нулю, из-за того, что линия передачи инвертирует импеданс. При низком уровне выходной мощности пиковый усилитель полностью выключен и представляет бесконечный выходной импеданс. Это значит, что RF напряжение на основном усилителе (v 1) вырастает вдвое с той же скоростью, с которой мы увеличиваем ток (i 1), как и в обычном усилителе (сопротивление нагрузки составляет 2R opt, а не R opt), что позволяет удвоить кпд. В некоторой точке, именуемой переходной точкой, это напряжение достигает максимума с соответствующим максимумом кпд. Когда достигается насыщение, усилитель 1 Догерти начинает выдавать ток от пикового усилителя 11, который трансформируется через линию передачи в напряжение на основном усилителе 10. Выбирая фазу i 2 так, чтобы она на 90о отставала от фазы i 1, влияние пикового усилителя 11 на v 1 составит 180о относительно фазы на основном усилителе 10. Это означает, что когда мы постепенно увеличиваем i 1 и i 2, напряжение v 1 остается постоянным. Поскольку сопротивление нагрузки для пикового усилителя 11 равно нулю, ток i 2 не влияет на напряжение v 2, которое будет равно R opt i 1. Результирующий кпд известного усилителя Догерти проиллюстрирован на фиг. 1В.On figa shows a block diagram of a typical known
На фиг.2А проиллюстрирована блок-схема типичной системы 2 дефазирования Ширекса. Термин "дефазирование", которое является ключевым способом в усилителях Ширекса и LINC (линейное усиление с нелинейными компонентами), по существу, означает способ амплитудной модуляции посредством комбинирования двух модулированных по фазе сигналов постоянной амплитуды, полученных в сепараторе 22 компонентов сигнала. После преобразования с повышением частоты и усиления в RF цепях 24, 26 (например, смесители, фильтры, усилители) и в усилителях 28 и 30 мощности, дефазированные сигналы суммируются для формирования усиленного линейного сигнала в выходной цепи 32 сумматора Ширекса. Фазы этих дефазированных сигналов постоянной амплитуды выбирают так, что результат суммирования их векторов получает требуемую амплитуду. Выходная цепь 32 сумматора включает в себя две четвертьволновые линии λ/4 (где λ представляет длину волны центральной частоты частотного диапазона, в котором работает усилитель) и два компенсирующих реактивных сопротивления, обозначенных +jX и -jX, которые используются для расширения области высокого кпд, чтобы включать в себя низкие уровни выходной мощности. Также на фиг. 2А проиллюстрирована нагрузка RLOAD, которую на фиг. 2А представляет антенна. Кпд системы дефазирования Ширекса без компенсирующих реактивных сопротивлений проиллюстрирован на фиг. 2В.FIG. 2A illustrates a block diagram of a typical
По существу, усилители мощности смоделированы как содержащие согласующую цепь или цепь сумматора, которая отличается по меньшей мере одним импедансом/адмитансом, на которые нагружен один из нескольких усилителей мощности, и/или по меньшей мере одним трансимпедансом от одного из нескольких усилителей мощности до выходного узла.Essentially, power amplifiers are modeled as containing a matching or adder circuit, which is characterized by at least one impedance / admittance, on which one of several power amplifiers is loaded, and / or at least one transimpedance from one of several power amplifiers to the output node .
В качестве примера, цепь сумматора в усилителе Догерти может характеризоваться импедансом, на который нагружен основной усилитель как функция и характеристического импеданса линии передачи, и нагрузочного импеданса RL, который подключен к цепи сумматора. Для системы дефазирования Ширекса цепь сумматора может характеризоваться четвертьволновыми линиями передачи вместе с реактивными сопротивлениями +jX и -jX. В качестве примера, импеданс/адмитанс для одного из усилителей системы дефазирования Ширекса может быть выражен как функция реактивного сопротивления +jX или -jX и нагрузочного импеданса RL, который подключен к цепи сумматора.As an example, the adder circuit in a Dougherty amplifier may have an impedance on which the main amplifier is loaded as a function of both the characteristic impedance of the transmission line and the load impedance R L that is connected to the adder circuit. For a Shireks dephasing system, the adder circuit can be characterized by quarter-wave transmission lines along with reactances + jX and -jX. As an example, the impedance / admittance for one of the amplifiers of the Shireks dephasing system can be expressed as a function of the reactance + jX or -jX and the load impedance R L , which is connected to the adder circuit.
Далее следует описание примерных вариантов осуществления комбинированного усилителя согласно настоящему изобретению. Примерный комбинированный усилитель может содержать по меньшей мере два усилителя мощности, которые могут быть сконфигурированы как пара в усилителе Догерти или как пара в системе дефазирования Ширекса. В обоих случаях цепь сумматора комбинированного усилителя содержит по меньшей мере одно настраиваемое реактивное сопротивление и усилители мощности сконфигурированы с возможностью возбуждения по-разному. Мгновенный кпд комбинированного усилителя согласно вариантам осуществления настоящего изобретения увеличивается посредством динамической настройки по меньшей мере одного из импедансов, на которые нагружен каждый усилитель мощности.The following is a description of exemplary embodiments of a combination amplifier according to the present invention. An exemplary combined amplifier may include at least two power amplifiers that can be configured as a pair in a Dougherty amplifier or as a pair in a Shireks dephasing system. In both cases, the combiner combiner adder circuit contains at least one adjustable reactance and the power amplifiers are configured to excite differently. The instantaneous efficiency of the combined amplifier according to the embodiments of the present invention is increased by dynamically adjusting at least one of the impedances to which each power amplifier is loaded.
Фиг.3А иллюстрирует общую схему комбинированного усилителя 3 согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Комбинированный усилитель по фиг.3А рассматривается здесь как содержащий систему дефазирования Ширекса, включающую в себя два по-разному возбуждаемых усилителя 41 и 42, которые соединены с цепью 43 сумматора. Цепь 43 сумматора представлена двумя четвертьволновыми линиями 45 и 46 передачи, имеющими характеристические импедансы Z 0. Цепь 43 сумматора дополнительно содержит два управляемых динамически настраиваемых реактивных сопротивления (+jX) 47 и (-jX) 48. Цепь 43 сумматора также подключена к нагрузке (R L) 49. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения импеданс Z 1, на который нагружен, например, усилитель 41 мощности, и импеданс Z 2, на который нагружен усилитель 42, можно динамически настраивать для увеличения мгновенного кпд комбинированного усилителя 3. Настройку/перенастройку можно осуществлять посредством динамической настройки/перенастройки реактивных сопротивлений 47 и 48, т.е. посредством динамической настройки/перенастройки +jX и -jX. Следует отметить, что в случае системы дефазирования Ширекса динамически настраиваемые реактивные сопротивления +jX и -jX (или, аналогично, импеданс/адмитанс для каждого из усилителей) являются функцией угла дефазирования, обозначенного в настоящем описании символом φ.3A illustrates a general diagram of a
Как хорошо известно специалистам, адмитанс Y можно определить как Y=G+jB, где G - проводимость, а В - реактивная проводимость. Адмитанс можно также записать как обратный импеданс Z, т.е.:As is well known to specialists, the admittance Y can be defined as Y = G + jB , where G is the conductivity and B is the reactance. Admittance can also be written as the reverse impedance Z, i.e.:
где R - сопротивление, а Х - реактивное сопротивление. Таким образом, импеданс можно записать как:where R is the resistance, and X is the reactance. Thus, the impedance can be written as:
На фиг. 3В проиллюстрированы четыре адмитанса Y1, Y2, Y3, Y4, где Y1, Y3, на которые нагружен усилитель 41, а Y2, Y4, на которые нагружен усилитель 42.In FIG. 3B illustrates four admittances Y 1 , Y 2 , Y 3 , Y 4 , where Y 1 , Y 3 , on which the
Адмитанс Y3, на который нагружен усилитель 41 и адмитанс Y4, на который нагружен усилитель 42, можно выразить согласно следующим выражениям:The admittance Y 3 on which the
где V PEP здесь считается нормализованным максимальным пиковым напряжением (РЕР - Peak Envelope Power, пиковая мощность огибающей), V L - напряжение на нагрузке R L 49, Z 0 - характеристический импеданс четвертьволновой линии передачи в цепи сумматора, а φ представляет угол дефазирования в системе усилителя мощности Ширекса.where V PEP is considered to be the normalized maximum peak voltage (PEP - Peak Envelope Power, peak envelope power), V L is the
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, установив шунтирующие реактивные сопротивления +jX и -jX, как показано на фиг. 3А или 3В, можно получить резонанс с реактивной нагрузкой на каждом усилителе 41, 42, меняя, например, φ. Мы выражаем это через реактивную проводимость В следующим образом:According to embodiments of the present invention, by setting the shunt reactance + jX and - jX, as shown in FIG. 3A or 3B, it is possible to obtain a resonance with a reactive load on each
Нормализованная реактивная проводимость может быть записана как B' и может быть выражена согласно следующему равенству:Normalized reactance can be written as B ' and can be expressed according to the following equality:
Адмитанс Y 1, на который нагружен усилитель 41, и адмитанс Y 2, на который нагружен усилитель 42, далее можно дополнительно выразить как функцию реактивной проводимости В согласно следующему выражению:The admittance Y 1, on which the
Для φ±0 Y1 и Y2 являются полностью действительными, поскольку Im(Y 3)=+jB, а Im(Y 4)=-jB. Этого не происходит в случае отсутствия +jX и -jX.For φ ± 0, Y 1 and Y 2 are completely valid, since Im ( Y 3 ) = + jB , and Im ( Y 4 ) = - jB . This does not happen in the absence of + jX and - jX .
Используя вышеприведенные выражения адмитансов Y 1 и Y 2, мы можем, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, непосредственно вывести выражение для импедансов Z 1 и Z 2, где Z 1 представляет импеданс, на который нагружен усилитель 41, а Z 2 представляет импеданс, на который нагружен усилитель 42. Z 1 и Z 2 описываются согласно следующим выражениям:Using the above expressions of the admittances Y 1 and Y 2 , we can, according to embodiments of the present invention, directly derive the expression for the impedances Z 1 and Z 2 , where Z 1 represents the impedance on which the
Отсюда можно выразить +jX и -jX согласно следующему:From here we can express + jX and - jX according to the following:
где ω = 2πf с , являясь функцией центральной частоты f c; L - индуктивность, а С - емкость. where ω = 2 πf s , being a function of the center frequency f c ; L is the inductance, and C is the capacitance.
Следует отметить, что мы можем использовать адмитансы Y 1 и Y 2 вместо импедансов Z 1 и Z 2. На фиг. 3В показаны адмитансы (или импедансы), на которые нагружены усилители 41 и 42. Также показано напряжение V L на нагрузке R L 49.It should be noted that we can use the admittances Y 1 and Y 2 instead of the impedances Z 1 and Z 2 . In FIG. 3B shows the admittances (or impedances) that the
Следует также отметить, что входной сигнал (не показан) на усилитель 41 можно выразить как 
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, кпд η комбинированного усилителя 3 можно смоделировать, используя следующее выражение:According to an embodiment of the present invention, the efficiency η of the combined
где B'C, как упоминалось выше, представляет нормализованную реактивную проводимость, которая в данном примере является емкостной.where B ' C , as mentioned above, represents the normalized reactance, which in this example is capacitive.
Для динамической системы дефазирования Ширекса согласно настоящему изобретению импедансы, на которые нагружены усилители мощности, которые являются функцией настраиваемых реактивных сопротивлений -jX и +jX, можно настраивать, динамически настраивая эти реактивные сопротивления. Мгновенный кпд такого комбинированного усилителя вследствие этого увеличивается.For the dynamic Shireks dephasing system according to the present invention, the impedances to which the power amplifiers are loaded, which are a function of the adjustable reactances -jX and + jX, can be tuned by dynamically tuning these reactances. The instantaneous efficiency of such a combined amplifier is thereby increased.
Мгновенная эффективность (нижние чертежи) комбинированного усилителя для разных настроек импеданса (импедансов)/адмитансов, на которые нагружен каждый усилитель и соответствующие диаграммы Смита (верхние части чертежей), проиллюстрированы на фиг.4А-4D.The instantaneous efficiency (bottom drawings) of the combined amplifier for the different impedance (s) / admittance settings that each amplifier is loaded on and the corresponding Smith diagrams (upper parts of the drawings) are illustrated in FIGS. 4A-4D.
Фиг.4А иллюстрирует примерный сценарий, когда пиковый кпд достигается, когда угол φ дефазирования увеличивается в точках, где две траектории нагрузки пересекаются над вещественной осью (см. диаграмму Смита). На фиг.4А также показано, что при увеличении φ выходная мощность снижается. Направление увеличения φ проиллюстрировано стрелкой, направленной к началу координат. На фиг.4А также проиллюстрированы два уровня нормализованной выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов. Два пика кпд появляются когда обе траектории нагрузочного импеданса усилителя одновременно пересекают друг друга над вещественной осью (горизонтальная линия) на диаграмме Смита.Fig. 4A illustrates an exemplary scenario where peak efficiency is achieved when the dephasing angle φ increases at points where two load paths intersect over the material axis (see Smith chart). FIG. 4A also shows that as φ increases, the output power decreases. The direction of increase of φ is illustrated by an arrow directed to the origin. FIG. 4A also illustrates two levels of normalized output power, where the instantaneous efficiency reaches local maximums. Two efficiency peaks appear when both trajectories of the load impedance of the amplifier simultaneously cross each other over the real axis (horizontal line) in the Smith diagram.
Фиг.4В иллюстрирует еще один примерный сценарий, когда пиковый кпд достигается, когда угол φ дефазирования дополнительно увеличивается. На фиг.4В также проиллюстрированы два уровня нормализованной выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов.FIG. 4B illustrates another exemplary scenario where peak efficiency is achieved when the dephasing angle φ is further increased. FIG. 4B also illustrates two levels of normalized output power, where the instantaneous efficiency reaches local maximums.
Фиг.4С иллюстрирует еще один примерный сценарий мгновенного кпд комбинированного усилителя согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на этом чертеже, мгновенный кпд увеличивается при динамической настройке импеданса, действующего для одного из усилителей в комбинированном усилителе. Следует отметить, что в этом примерном варианте осуществления импеданс, на который нагружен усилитель, является функцией реактивного сопротивления, которое, в свою очередь, является функцией угла φ дефазирования, и, следовательно, импеданс можно динамически настраивать, изменяя φ.4C illustrates another exemplary instantaneous efficiency scenario of a combined amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in this drawing, the instantaneous efficiency is increased by dynamically adjusting the impedance for one of the amplifiers in the combined amplifier. It should be noted that in this exemplary embodiment, the impedance to which the amplifier is loaded is a function of reactance, which, in turn, is a function of the dephasing angle φ, and therefore the impedance can be dynamically adjusted by changing φ.
Если, согласно настоящему изобретению, непрерывно управлять реактивными сопротивлениями, или аналогично, непрерывно управлять импедансом/адмитансом, на который нагружен усилитель, мгновенный кпд комбинированного усилителя как функция потери выходной мощности (в дБ) будет напоминать кривую кпд, показанную на фиг.4D. Также проиллюстрирована соответствующая диаграмма Смита.If, according to the present invention, continuously control the reactance, or similarly, continuously control the impedance / admittance on which the amplifier is loaded, the instantaneous efficiency of the combined amplifier as a function of the output power loss (in dB) will resemble the efficiency curve shown in fig.4D. The corresponding Smith chart is also illustrated.
Из фиг.4А-4D можно сделать вывод, что мгновенный кпд комбинированного усилителя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, увеличивается, когда импеданс(ы)/адмитанс(ы), на который нагружен усилитель, динамически настраивается. Из фиг.4А-4D также можно сделать вывод, что уровень (уровни) нормализованной выходной мощности, когда мгновенный кпд достигает локальных максимумов, смещается вместе с флуктуациями огибающей амплитуды выходного сигнала, и мгновенный кпд, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, максимизируется на более длительное время, чем флуктуации огибающей амплитуды выходного сигнала.From FIGS. 4A-4D, it can be concluded that the instantaneous efficiency of the combined amplifier according to embodiments of the present invention increases when the impedance (s) / admittance (s) on which the amplifier is loaded is dynamically tuned. From FIGS. 4A-4D, it can also be concluded that the level (s) of the normalized output power, when the instantaneous efficiency reaches local maximums, is shifted along with fluctuations in the envelope of the amplitude of the output signal, and the instantaneous efficiency, according to embodiments of the present invention, is maximized for a longer time than fluctuations in the envelope of the amplitude of the output signal.
Таким образом, позволяя точке (точкам), соответствующим уровню (уровням) нормализованной выходной мощности, в которых мгновенный кпд достигает локальных максимумов, перемещаться или отслеживать огибающую амплитуды сигнала с меньшей скоростью, чем скорость огибающей, мгновенный кпд комбинированного усилителя увеличивается, и в то же время мы можем получить запас для амплитуды для быстрых всплесков выходного сигнала. Комбинированный усилитель согласно настоящему изобретению, таким образом, разъединяет максимум кпд и максимум амплитуды.Thus, allowing the point (s) corresponding to the level (s) of the normalized output power, at which the instantaneous efficiency reaches local maximums, to move or track the envelope of the signal amplitude at a lower speed than the envelope speed, the instantaneous efficiency of the combined amplifier increases, and at the same time time we can get a margin for the amplitude for fast bursts of the output signal. The combined amplifier according to the present invention thus separates the maximum efficiency and the maximum amplitude.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, если реактивные сопротивления комбинированного усилителя, содержащего пару усилителей системы дефазирования Ширекса, симметрично перенастраиваются, точку (точки), соответствующую уровню (уровням) нормализованной выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов, можно сместить, не меняя выходной сигнал комбинированного усилителя. Этот сценарий проиллюстрирован на фиг.5А, где k представляет постоянную масштабирования, которую можно использовать для изменения импеданса(ов)/адмитанса(ов), на который нагружен каждый из усилителей мощности. На фиг.5А выходное напряжение проиллюстрировано как функция коэффициента k масштабирования для четырех разных постоянных углов φ дефазирования. Следует отметить, что поскольку импеданс(ы)/адмитанс(ы), на которые нагружен каждый из усилителей мощности, являются функцией В (или B'), как показано в равенствах (6) и (7), динамическую настройку/перенастройку импедансов/адмитансов можно осуществлять, изменяя В (или B'). Это проиллюстрировано на фиг.5В, которая представляет кривые мгновенного кпд для разных значений B'. На фиг.5В импеданс(ы), на который нагружен каждый усилитель мощности в комбинированном усилителе, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения динамически настраивается посредством изменения B' в интервале [0, 3, 1]. Как показано на фиг.5В, когда точка (точки) высокого кпд, т.е. точка (точки), соответствующая уровню (уровням) выходной мощности, на которой мгновенный кпд достигает локальных максимумов, смещается вместе с огибающей амплитуды выходного сигнала, мгновенный кпд увеличивается. Мгновенный кпд выполнен таким образом, чтобы максимизироваться на более длительное время, чем флуктуации огибающей амплитуды выходного сигнала. На фиг.5В толстой линией также показано прослеживание мгновенного кпд.According to another embodiment of the present invention, if the reactance of a combined amplifier containing a pair of amplifiers of a Shireks dephasing system is symmetrically reconfigured, the point (s) corresponding to the level (s) of the normalized output power, where the instantaneous efficiency reaches local maxima, can be shifted without changing output signal of the combined amplifier. This scenario is illustrated in FIG. 5A, where k represents a scaling constant that can be used to change the impedance (s) / admittance (s) that each of the power amplifiers is loaded on. 5A, the output voltage is illustrated as a function of the scaling factor k for four different constant dephasing angles φ. It should be noted that since the impedance (s) / admittance (s) on which each of the power amplifiers is loaded are a function of B (or B ' ), as shown in equalities (6) and (7), dynamic adjustment / reconfiguration of impedances / admittances can be implemented by changing B (or B ' ). This is illustrated in FIG. 5B, which represents the instantaneous efficiency curves for different values of B ′. 5B, the impedance (s) to which each power amplifier in a combination amplifier is loaded is dynamically tuned according to embodiments of the present invention by changing B ' in the interval [0, 3, 1]. As shown in FIG. 5B, when the point (s) of high efficiency, i.e. the point (s) corresponding to the level (levels) of the output power, at which the instantaneous efficiency reaches local maximums, is shifted together with the envelope of the amplitude of the output signal, the instantaneous efficiency increases. Instantaneous efficiency is designed to maximize for a longer time than fluctuations in the envelope of the amplitude of the output signal. On figv thick line also shows the tracking of instantaneous efficiency.
На фиг.6А и 6В проиллюстрированы две разные конструкции комбинированного усилителя согласно двум примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. И на фиг.6А, и на фиг.6В комбинированный усилитель 3 включает в себя пару возбуждаемых по-разному усилителей мощности 41, 42 системы дефазирования Ширекса. На фиг.6А, где представлен пример параллельной реализации комбинированного усилителя 3, цепь 53 сумматора согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения содержит первую цепь 54 варактора, параллельно реактивному сопротивлению 55 (индуктивность), и вторую цепь 56 варактора, параллельно еще одному реактивному сопротивлению 57 (емкость). Таким образом, импеданс, на который нагружен усилитель 41, можно выразить как функцию элементов цепи 54 варактора и реактивного сопротивления 55. Аналогично, импеданс, на который нагружен усилитель 42, можно выразить как функцию элементов цепи 56 варактора и реактивного сопротивления 57. Динамически настраивая/перенастраивая вышеупомянутые импедансы посредством, например, динамического настраивания/перенастраивания цепи 54 и 56 варакторов, мы можем увеличить мгновенный кпд комбинированного усилителя 3. Другими словами, настраивая/перенастраивая цепи 54 и 56 варакторов, можно сдвинуть точку (точки), соответствующую уровню (уровням) выходной мощности, на котором мгновенный кпд достигает локальных максимумов. Также проиллюстрирован нагрузочный импеданс 49. Элемент, обозначенный позицией RFC на фиг.6А, представляет точку опорного заземления по DC (постоянному току) для варактора (варакторов).6A and 6B illustrate two different designs of a combination amplifier according to two exemplary embodiments of the present invention. In both FIG. 6A and FIG. 6B, the combined
На фиг.6В, представляющей пример последовательной реализации комбинированного усилителя 3, цепь 63 сумматора согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения содержит первую цепь 64 варактора, включенную последовательно с реактивным сопротивлением 65 (индуктивность), и вторую цепь 66 варактора, включенную последовательно с реактивным сопротивлением 67 (емкость). Аналогично параллельному варианту реализации в связи с фиг.6А мгновенный кпд комбинированного усилителя 3 также в этом случае увеличивается посредством настройки/перенастройки импеданса/адмитанса, на который нагружен усилитель 41, и импеданса/адмитанса, на который нагружен усилитель 42. Осуществляемая таким образом настройка смещает точку (точки), соответствующую уровню (уровням) выходной мощности, на котором мгновенный кпд достигает локальных максимумов. Также проиллюстрирован нагрузочный импеданс 49. Элемент, обозначенный позицией RFC на фиг.6А, представляет точку опорного заземления по DC (постоянному току) для варактора (варакторов).6B, an example of a sequential implementation of a combined
Следует отметить, что комбинированный усилитель согласно описанным выше примерным вариантам осуществления настоящего изобретения не ограничен проиллюстрированными выше вариантами реализациями. Например, цепь (цепи) варактора могут содержать Т-образную схему, содержащую варакторы, радиочастотный дроссель, который может быть скомпонован как индуктор так, чтобы управляющий сигнал промежуточной частоты (IF) варактора был изолирован от (RF) сигнала. Диод варактора также может иметь переменную емкость, являющуюся функцией напряжения, поданного на клеммы диода. Цепь варактора также может содержать пару диодов Шотки или сопротивление, имеющее подходяще значение сопротивления, например, в диапазоне 1-5 МОм.It should be noted that the combined amplifier according to the above exemplary embodiments of the present invention is not limited to the embodiments illustrated above. For example, a varactor circuit (s) may comprise a T-shaped circuit containing varactors, an RF choke that can be configured as an inductor so that the intermediate varactor control signal (IF) is isolated from the (RF) signal. The varactor diode may also have a variable capacitance, which is a function of the voltage applied to the diode terminals. The varactor circuit may also contain a pair of Schottky diodes or a resistance having a suitable resistance value, for example, in the range of 1-5 MΩ.
На фиг.7А-7В показаны две разные конструкции комбинированного усилителя согласно другим примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. На обоих этих чертежах 7А и 7В комбинированный усилитель 4 согласно другому примерному варианту осуществления изобретения включает в себя пару возбуждаемых по-разному усилителей 71, 72 мощности усилителя Догерти.7A-7B show two different designs of a combination amplifier according to other exemplary embodiments of the present invention. In both of these figures 7A and 7B, the combined
На фиг.7А цепь 73 сумматора комбинированного усилителя 4 содержит динамически настраиваемые реактивные сопротивления С1, L и С2. Комбинированный усилитель также содержит нагрузку R Load 49, соединенную с цепью сумматора, и два возбуждаемых по-разному усилителя 71 и 72 мощности, из которых усилитель 71 мощности представляет основной усилитель усилителя Догерти, а усилитель 72 представляет пиковый усилитель усилителя Догерти. Элементы цепи 73 сумматора, т.е. С1, L и С2, как проиллюстрировано на фиг. 7А, образуют п-образную цепь. Таким образом, четвертьволновая линия передачи комбинированного усилителя 4 здесь представлена как п-образная цепь. В этой цепи импеданс, на который нагружен основной усилитель 71, сконфигурирован с возможностью настройки/перенастройки, например, посредством изменения С1 и L так, что мгновенный кпд комбинированного усилителя 4 увеличивается. Следует отметить, что все три элемента п-образной цепи могут настраиваться/перенастраиваться. Вдобавок можно также построить π-образную цепь так, чтобы она содержала две индуктивности и одну емкость. Дополнительно вместо π-образной цепи можно также использовать Т-образную цепь или L-образную цепь. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается конструкциями, представленным на фиг.7А и 7В.On
На фиг.7В показана еще одна конструкция комбинированного усилителя 4. Как показано на чертеже, цепь 83 сумматора содержит схему, включающую в себя шунтирующие емкости С1, С2 и С3 и две четвертьволновые линии передачи λ/4. В этом примерном варианте осуществления настоящего изобретения импеданс, на который нагружен основной усилитель 71, сконфигурирован с возможностью настройки/перенастройки посредством изменения, например, С1 и С2 так, чтобы мгновенный кпд комбинированного усилителя 3 увеличился. И вновь все элементы С1, С2, С3 можно также настраивать или перенастраивать. Таким образом, посредством динамической настройки элементов цепи сумматора, которая соединяет основной усилитель с общим выходом комбинированного усилителя 4, мы можем сделать максимальный кпд или точку (точки), соответствующую уровню (уровням) выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов, отслеживать мгновенную огибающую амплитуды выходного сигнала. Кривые кпд проиллюстрированы на фиг.8.FIG. 7B shows yet another design of the combined
Из фиг.8 видно, что мгновенный кпд комбинированного усилителя "заострен", а не "скруглен", что указывает на то, что кпд комбинированного усилителя, содержащего усилитель Догерти, меньше, чем кпд комбинированного усилителя, содержащего систему дефазирования Ширекса. Однако аналогично ранее описанному примерному варианту осуществления комбинированного усилителя, содержащего систему дефазирования Ширекса, на фиг.8 можно наблюдать, что когда точка (точки) высокого кпд, т.е. точка (точки), соответствующая уровню (уровням) выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов, смещается вместе с огибающей амплитуды выходного сигнала, мгновенный кпд увеличивается. Мгновенный кпд здесь выполнен таким образом, чтобы максимизироваться на более длительное время, чем время флуктуаций огибающей амплитуды выходного сигнала.From Fig. 8 it is seen that the instantaneous efficiency of the combined amplifier is "pointed" rather than "rounded," which indicates that the efficiency of the combined amplifier containing the Dougherty amplifier is less than the efficiency of the combined amplifier containing the Shirex dephasing system. However, similarly to the previously described exemplary embodiment of a combined amplifier containing a Shireks dephasing system, in FIG. 8, it can be observed that when the point (s) are of high efficiency, i.e. the point (s) corresponding to the level (levels) of the output power, where the instantaneous efficiency reaches local maximums, is shifted along with the envelope of the amplitude of the output signal, the instantaneous efficiency increases. Instantaneous efficiency here is designed in such a way as to maximize for a longer time than the time of fluctuation of the envelope of the amplitude of the output signal.
Следует отметить, что комбинированный усилитель, содержащий усилитель Догерти, и комбинированный усилитель, содержащий систему дефазирования Ширекса, имеют разную чувствительность к определенным потерям, и поэтому они эффективны в разных ситуациях. В качестве примера и согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, если на выходе усилителей имеются существенные шунтирующие потери, импеданс, на который нагружен один из усилителей, можно считать сопротивлением, по существу обратно пропорциональным квадрату огибающей выходной амплитуды, параллельно с (в основном немного) изменяющимся шунтирующим сопротивлением потерь (плюс некоторое остаточное сопротивление). Когда значение амплитуды находится ниже некоторого значения, при котором упомянутое сопротивление равно шунтирующему сопротивлению потерь, импеданс (импедансы), на который нагружен один из усилителей, поддерживается фиксированным и используется линейное возбуждение, т.е. линейный фундаментальный выходной ток и напряжение. В комбинированном усилителе, заключающем в себе усилитель Догерти, упомянутое значение амплитуды может возникнуть при мощности, приблизительно равной R LOAD /R SHUNT от максимальной выходной мощности для всего комбинированного усилителя, где R SHUNT соответствует шунтирующему сопротивлению всего комбинированного усилителя. В комбинированном усилителе, заключающем в себе систему дефазирования Ширекса, упомянутое значение амплитуды может возникнуть при мощности, приблизительно равной R LOAD /R SHUNT от максимальной выходной мощности всего комбинированного усилителя.It should be noted that the combined amplifier containing the Doherty amplifier and the combined amplifier containing the Shireks dephasing system have different sensitivity to certain losses, and therefore they are effective in different situations. As an example and according to embodiments of the present invention, if there are significant shunt losses at the output of the amplifiers, the impedance to which one of the amplifiers is loaded can be considered as a resistance substantially inversely proportional to the square of the envelope of the output amplitude, in parallel with the (mostly slightly) varying shunt loss resistance (plus some residual resistance). When the amplitude value is below a certain value at which the mentioned resistance is equal to the shunt resistance of the losses, the impedance (impedances) on which one of the amplifiers is loaded is kept fixed and linear excitation is used, i.e. linear fundamental output current and voltage. In a combination amplifier incorporating a Dougherty amplifier, said amplitude value may occur at a power approximately equal to R LOAD / R SHUNT of the maximum output power for the entire combined amplifier, where R SHUNT corresponds to the shunt resistance of the entire combined amplifier. In a combined amplifier incorporating a Shireks dephasing system, said amplitude value may occur at a power approximately equal to R LOAD / R SHUNT of the maximum output power of the entire combined amplifier.
В обоих случаях импеданс (импедансы), на который нагружен один из усилителей, сконфигурированы с возможностью настройки/перенастройки, например, посредством изменения коэффициента трансформации в цепи сумматора. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения коэффициент трансформации можно определить как импеданс, на который нагружен один конец цепи сумматора, деленный на фактический импеданс, на другом конце цепи сумматора. Коэффициент трансформации можно менять, например, настраивая элементы цепи сумматора, например, посредством настройки/перенастройки одной или нескольких емкостей или других настраиваемых реактивных сопротивлений цепи сумматора.In both cases, the impedance (impedances), on which one of the amplifiers is loaded, is configured with the possibility of tuning / reconfiguration, for example, by changing the transformation coefficient in the adder circuit. According to embodiments of the present invention, the transformation coefficient can be defined as the impedance at which one end of the adder circuit is divided by the actual impedance at the other end of the adder circuit. The transformation coefficient can be changed, for example, by adjusting the elements of the adder circuit, for example, by setting / reconfiguring one or more capacitors or other customizable reactance of the adder circuit.
Следует отметить, что для усилителя Догерти согласно вариантам осуществления настоящего изобретения в точке перехода напряжение на пиковом усилителе существенно ниже, чем напряжение на основном усилителе, так, что шунтирующие потери пикового усилителя очень малы. Полные шунтирующие потери в этой переходной точке, таким образом, составляют примерно половину таких потерь в системе дефазирования Ширекса, что дает усилителю Догерти преимущества в случае больших шунтирующих потерь (низкого шунтирующего сопротивления транзистора).It should be noted that for the Dougherty amplifier according to the embodiments of the present invention, the voltage at the peak amplifier at the transition point is significantly lower than the voltage at the main amplifier, so that the shunt losses of the peak amplifier are very small. The total shunt losses at this transition point, therefore, make up about half of those losses in the Shireks dephasing system, which gives the Doherty amplifier advantages in the case of large shunt losses (low shunt resistance of the transistor).
Для системы дефазирования Ширекса оба усилителя имеют по существу одинаковое напряжение, возникающее при упомянутой выше амплитуде. Потери от R SHUNT, таким образом, вдвое превышают такие потери в усилителе Догерти, и значение амплитуды, как описано выше, можно рассчитать как R LOAD /R SHUNT от максимальной выходной мощности, т.е. такой же, как для системы с одним усилителем для модуляции чистой нагрузки.For a Shireks dephasing system, both amplifiers have essentially the same voltage that occurs at the amplitude mentioned above. The losses from R SHUNT are thus twice as high as those in the Doherty amplifier, and the amplitude value, as described above, can be calculated as R LOAD / R SHUNT of the maximum output power, i.e. the same as for a system with a single amplifier to modulate the net load.
Поэтому мы можем заключить, что если шунтирующие потери относительно велики, комбинированный усилитель, содержащий усилитель Догерти, будет иметь более высокий кпд, чем комбинированный усилитель, содержащий систему дефазирования Ширекса. С другой стороны, если потери отсутствуют или если потери в основном зависят от выходного тока высокой частоты, комбинированный усилитель, заключающий в себе систему дефазирования Ширекса, будет иметь более высокий кпд, чем комбинированный усилитель, заключающий в себе усилитель Догерти. Тем не менее, кпд или мгновенный кпд этих комбинированных усилителей, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, является более высоким, чем у комбинированных усилителей по предшествующему уровню техники. Это обусловлено динамическим согласованием, описанным выше, реализованным в таком комбинированном усилителе. Динамическое согласование - это динамическая настройка/перенастройка импеданса (импедансов), на который нагружен каждый из по меньшей мере двух возбуждаемых по-разному усилителей мощности в комбинированном усилителе. Следует отметить, что вместо динамической настройки импедансов можно настраивать трансимпедансы.Therefore, we can conclude that if the shunt losses are relatively large, the combined amplifier containing the Doherty amplifier will have a higher efficiency than the combined amplifier containing the Shireks dephasing system. On the other hand, if there are no losses, or if the losses mainly depend on the output current of the high frequency, the combined amplifier incorporating a Shireks dephasing system will have higher efficiency than the combined amplifier incorporating a Doherty amplifier. However, the efficiency or instantaneous efficiency of these combined amplifiers according to the embodiments of the present invention is higher than that of the combined amplifiers of the prior art. This is due to the dynamic matching described above implemented in such a combined amplifier. Dynamic matching is the dynamic tuning / retuning of the impedance (s) that each of at least two differently driven power amplifiers in a combined amplifier is loaded with. It should be noted that instead of dynamically adjusting impedances, you can configure transimpedances.
На фиг.9 проиллюстрирована радиостанция 100, содержащая комбинированный усилитель согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.9, радиостанция 100 предоставлена с комбинированным усилителем 120 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Антенна 130, представляющая нагрузочный импеданс, также показана соединенной с комбинированным усилителем 120. Вдобавок также показано общее устройство 110 ввода для приема входного сигнала/сигналов, таких как модулированные RF сигналы. Описание операций предварительной обработки входного сигнала/сигналов перед подачей его/их на комбинированный усилитель 130 опускается, поскольку они не требуются для понимания разных вариантов осуществления настоящего изобретения. Дополнительно, другие элементы, не считающиеся значимыми для понимания настоящего изобретения, опущены.FIG. 9 illustrates a
Радиостанция 100, проиллюстрированная на фиг.9, может являться частью мобильного телефона, базовой радиостанции или любой другой радиостанцией, пригодной для использования в системе беспроводной связи. Например, радиостанция 100 может быть адаптирована для использования в беспроводных телекоммуникационных системах, таких как JDC (Japanese Digital Cellular - японская цифровая система сотовой связи), GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система мобильной связи), GPRS (General Packet Radio Service - общая служба пакетной радиопередачи), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution - улучшенная передача данных для развития GSM), WCDMA (Wide Band Code Division Multiplexing Access - широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов), CDMA (Code Division Multiplex Access - множественный доступ с кодовым разделением каналов), GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования), WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - общемировая совместимость широкополосного беспроводного доступа) или в беспроводной системе любого другого типа.The
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на комбинированный усилитель, заключающий в себе усилитель Догерти или систему дефазирования Ширекса, очевидно, что изобретение применимо и для комбинированных усилителей с другими типами усилителей.Although the present invention has been described with reference to a combination amplifier incorporating a Doherty amplifier or a Shireks dephasing system, it is obvious that the invention is also applicable to combination amplifiers with other types of amplifiers.
Вдобавок, настоящее изобретение и варианты его осуществления могут быть реализованы многими способами. Например, один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя машиночитаемый носитель, имеющий хранящиеся в нем команды, которые выполнены с возможностью исполнения компьютерной системой, расположенной в одной или более радиостанциях беспроводной системы, для повышения мгновенного кпд комбинированного усилителя. Команды, исполняемые компьютерной системой и хранящиеся на машиночитаемом носителе, выполняют этапы способа по настоящему изобретению, как изложено в формуле.In addition, the present invention and its embodiments can be implemented in many ways. For example, one embodiment of the present invention includes a computer-readable medium having instructions stored therein that are operable by a computer system located in one or more radio stations of a wireless system to increase the instantaneous efficiency of a combined amplifier. Commands executed by a computer system and stored on a computer-readable medium perform the steps of the method of the present invention, as set forth in the formula.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на несколько вариантов осуществления, предусматривается, что из настоящего описания и чертежей специалистам будут понятны его альтернативы, модификации, перестановки и эквиваленты. Поэтому подразумевается, что нижеследующая прилагаемая формула включает в себя такие альтернативы, модификации, перестановки и эквиваленты как входящие в объем настоящего изобретения.Although the present invention has been described with reference to several embodiments, it is contemplated that its alternatives, modifications, permutations, and equivalents will be apparent to those skilled in the art from the present description and drawings. Therefore, it is understood that the following appended claims include such alternatives, modifications, permutations, and equivalents as are within the scope of the present invention.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010124951/08A RU2437206C1 (en) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | Combined amplifier, radio station and method for increasing efficiency of combined amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010124951/08A RU2437206C1 (en) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | Combined amplifier, radio station and method for increasing efficiency of combined amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2437206C1 true RU2437206C1 (en) | 2011-12-20 |
Family
ID=45404488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010124951/08A RU2437206C1 (en) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | Combined amplifier, radio station and method for increasing efficiency of combined amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2437206C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020111972A1 (en) * | 2018-11-28 | 2020-06-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРБИ" | Liposome-based agent for treating bird habitats |
-
2007
- 2007-11-19 RU RU2010124951/08A patent/RU2437206C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020111972A1 (en) * | 2018-11-28 | 2020-06-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭРБИ" | Liposome-based agent for treating bird habitats |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8384475B2 (en) | Composite amplifier, a radio terminal and a method for improving the efficiency of the composite amplifier | |
| EP3221963B1 (en) | Power amplifier for amplifying radio frequency signal | |
| US8174322B2 (en) | Power control of reconfigurable outphasing chireix amplifiers and methods | |
| US7145387B2 (en) | Composite power amplifier | |
| US8593219B1 (en) | Method and apparatus for amplifying a radio frequency signal | |
| US8203386B2 (en) | Reconfigurable outphasing Chireix amplifiers and methods | |
| CN100542011C (en) | Integrated doherty type amplifier installation with high effect | |
| US20050248401A1 (en) | Composite power amplifier | |
| EP1583228B1 (en) | Composite power amplifier | |
| US9712118B2 (en) | Amplifier circuit and method | |
| EP3529893B1 (en) | Wideband power amplifier and method of designing wideband power amplifier network | |
| RU2437206C1 (en) | Combined amplifier, radio station and method for increasing efficiency of combined amplifier | |
| CN113708731B (en) | Linearity enhanced Doherty power amplifier based on phase mismatch | |
| CN113055324B (en) | Amplitude and phase independently adjustable analog predistorter suitable for SSPA | |
| Qureshi et al. | A highly efficient chireix amplifier using adaptive power combining | |
| Koca et al. | A wideband high-efficiency doherty power amplifier for lte | |
| Osama et al. | A 28GHz High Efficiency Inverse Class-F Series Doherty Power Amplifier | |
| CN113659938A (en) | Analog predistorter |