TW543286B - Application of the Doherty amplifier as a predistortion circuit for linearizing microwave amplifiers - Google Patents

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543286 A7 B7 __ 一 五、發明説明（ί 1明背景 .發明領域 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明是關於一種功率放大器，更特別是關於一11 波功率放大器拓撲術，其提供預失真以預補償下游# $ 大器的增益壓縮及相位擴展。 2.先前技藝說明 射頻與微波通訊系統在對功率放大器之直線性@ $ 的持續需求下是爲人所熟知的。不幸地，習知的功率放大 器是以最大或接近飽和的效率在操作。所以，爲了容納具 有各種振幅的通訊信號，利用習知功率放大器的系統通常 在大部分時間會以少於峰値效率的效率來操作。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲了解決此問題，便發展出所謂的道候蒂放大器。道 候蒂放大器是由同名的發明人首次提出並描述於“ Radio Engineering Handbook”McGraw Hill Book Company，1959，第 5版，第1 8 - 3 9頁，以及美國專利案第 2 ，2 1 0，0 2 8號中。道候蒂放大器的標準拓撲術包 括一操作於A B級模式的載波放大器，及操作於C級模式 的峰値放大器。正交藍格C Lange )耦合器是用在輸入以使 得載波放大器與峰値放大器信號將結合於同相。在放大器 的輸出設有四分之一波長放大器。在本質上，載波放大器 是在輸出開始對最大線性效率飽和之處操作。當載波放大 器開始飽和時，峰値放大器是用於維持輸出信號的直線性 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -4 - 543286 Α7 Β7 五、發明説明（3 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此類道候蒂放大器已被熟知用於各種微波與R F應用 中。此類申請案的範例揭示於美國專利案第 5，42〇，541;5，88〇，633; 5，886，575;6，〇97，252 及 6 ，1 3 3 ，7 8 8號。此類道候蒂放大器的範例也揭示 於 C. F. Campbell 於 “IEEE Microwave and Guided Wave Letters” Vol.9, NO. 3, March 1999 頁 114-Π6 的 “A Fully Integrated Ku-Band Doherty Amplifier MMIC,,5;Kobayashi, et a 1，於 2000 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium Digest of Papers,頁 179-182 的 “An 18-21 GHz InP DHBT Linear Microwave Doherty Amplifier” ；Matsun age，et al·， 於 1999， Ga As IC Symposium Digest, Monterey, Califol.nia，頁 153-156 的 “A CW 4 Ka-Band Power Amplifier Utilizing MMIC Multichip Technology”，以上所有皆結合於文 中作爲參考。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 當輸入功率位準提高時，熟知的道候蒂放大器經歷了 增益壓縮與相位擴展。雖然能夠在B與C級中操作放大器 來達成增益擴展與相位壓縮’此類操作會增加互調變（ I Μ )失真。所以當輸入功率位準提高時，便需要一種電 路來補償增益壓縮與相位擴展，而不會提高I Μ失真。 發明槪述 本發明是關於一種用於微波放大器的預失真電路，更 特別是關於一種作爲道候蒂放大器的預失真電路。當輸入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇><297公楚Ί 7^ " '~~^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 543286 A7 B7___ 五、發明説明（i 功率位準增加且同時減少互調變（1 M )失真時’此預失 真電路適合於被連結於下游道候蒂放大器以預補償增益壓 縮及相位擴展。爲了提供預補償’此預補償電路是在偏壓 位準上操作以提供增益擴展及相位壓縮’而消去下游道候 蒂放大器的增益壓縮及相位擴展以提供較局之全面的線性 功率附加效率（P A E )。 圖式說明 本發明的這些與其他優點將參考附圖與以下的說明書 得到快速的了解，其中： 圖1顯示作爲道候蒂放大器之I η P微波放大器的圖 形。 圖2顯示圖1放大器之輸出功率，成爲對各種偏壓點 之增益與互調變（I Μ )失真的函數的示意圖。 圖3類似於圖2，但偏壓點不同。 圖4爲作爲本發明之驅動放大器與道候蒂功率放大器 的預失真電路圖。 圖5 Α - 5 C顯示與本發明一起使用的匹配網路。 圖6 A - 6 B顯示與本發明之載波與峰値放大器一起 使用的偏壓網路。 元件對照表 2 0 :微波功率放大器 2 2 :載波放大器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

543286 A7 B7 五、發明説明（4 2 4 :峰値放大器 2 6 :匹配網路 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 8 :匹配網路 3 2 ： Lange 耦合器 3 4 : R F輸入埠 3 6 :輸入電阻器 4 0 :串聯電感 4 2 :傳輸線 4 4 :分路電容 4 6 :開路短截線 4 8 :偏壓電路 5 0 :偏壓電路 盔發明的詳細說明 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 本發明是關於一種用於道候蒂放大器的預失真電路， 其預補償下游道候蒂功率放大器的增益壓縮與相位擴展。 此預失真電路可架構爲道候蒂放大器，除了在偏壓點上操 作，在同時降低互調變（I Μ )失真時以提供增益擴展及 相位壓縮，而消去下游道候蒂功率放大器的增益壓縮及相 位擴展。 本發明中的微波功率放大器是以圖1中的參考數字 2 0來識別。此微波功率放大器2 0包括載波放大器2 2 與峰値放大器2 4。載波放大器與峰値放大器兩者可以從 異質接面雙極電晶體（Η Β Τ ) 2 2所形成，且特別是作 ^氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨〇>< 297公釐） 543286 A7 _ B7 五、發明説明（3 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲具有1 8 0 # m 2之全部發射器區域的預先匹配1 . 5 X 3 0 v m 2 X四指型I η P D Η Β Τ裝置。此類裝置的範 例揭示於 Kobayashi，et al，於 2000 IEEE Radio Frequency rated Circuits Symposium Digest of Papers,頁 1 79_ 1 82 的 An 18-21 GHz InP DHBT Linear Microwave Doherty Amplifier”，結合於文中作爲參考。製造Η B T的方法是爲 熟知技藝，例如，揭示於共同擁有的美國專利案第 5，162，243;5，262，335; 5，352，911;5，448，087; 5，672，522;5，648，666; 5，631，477;5，736，417; 5 ，8〇4 ，487及5 ，994 ，194號中，所有結 合於文中作爲參考。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲了使來自載波放大器2 2與峰値放大器2 4的輸出 信號在輸出位於同相，提供有Lange耦合器3 2。將Lange 耦合器3 2的一輸入端作爲R F輸入埠3 4。另一個輸入 端則接在輸入電阻器3 6。Lange耦合器3 2的一輸出端連 結於載波放大器2 2的輸入，而其另一輸出端則連結於峰 値放大器2 4的輸入。在放大器2 2與2 4的輸出設有具 有阻抗特性Z。= 2 R l + R。ρ τ的4 / 8阻抗變量器。功 率放大器2 0的一輸出端接在負載阻抗R ^。當負載阻抗 R ^爲R。p τ時，載波放大器2 2與峰値放大器2 4都是用 來發送最大功率的。 當峰値放大器2 4作爲B / C級放大器時’載波放大 本紙張尺度適用中國國家標準（〇奶）八4規格（210乂 297公瘦） __ 8 - 543286 A7 _B7 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 器2 2作爲A級放大器。爲了改良載波放大器2 2與峰値 放大器2 4之間的絕緣，例如，當載波放大器2 2偏壓成 A級放大器而峰値放大器2 4偏壓在B與C級之間時，匹 配網路2 6與2 8可被連結於載波放大器2 2與峰値放大 器2 4的輸出。就其本身而論，每個放大器階段的阻抗將 不會幫助其他階段的互調變（I Μ )效能。 如文中所提出：“A Fully Integrated Ku-Band Doherty Amplifier MMIC，”出現於熟知道候蒂類型放大器之載波放大 器與峰値放大器的負載阻抗爲峰値放大器所發送之輸出功 率的函數。在低輸入驅動位準期間（即在R F輸入振幅爲 低的位準中），峰値放大器被關閉，導致一種載波放大器 在相當低之輸入驅動位準處飽和的組態。就其本身而論， 載波放大器將在較低的輸入功率位準導致一較高的功率附 加效率（P A E )。當輸入功率位準提高時，峰値放大器 將隨著峰値放大器所發送的功率增加而開始啓動。出現於 載波放大器的負載減少會允許載波放大器2 4增加來提供 功率給負載。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 匹配網路2 6與2 8分別串連於載波放大器2 2與峰 値放大器2 4的輸出。這些匹配網路2 6與2 §可以作爲 低通網路，例如如圖所顯示。如圖實W'f儒c 中所顯示，匹配網路2 6與2 8可以作爲串聯電感4 0或 傳輸線4 2，及分路電容4 4或開路短截線4 6。在操作 上，當載波放大器2 2開啓且峰値放大器2 4關閉時，匹 配網路2 6與2 8便提供一相當高的阻抗（主要是由於高 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210XM7公釐） 543286 A7 B7 五、發明説明（j (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 阻抗傳輸線4 2或電感4 0 )以使得峰値放大器2 4不會 向下負載在A級中操作的載波放大器2 2，以達成在低輸 入功率條件下的最理想直線性與效率。 匹配網路2 6與2 8的操作理論與用於習知功率放大 器之匹配網路的操作相反。更特別的是，在傳統功率放大 器的應用中，低阻抗串聯傳輸線或低阻抗分路電容或開路 短截線是設於功率電晶體的輸出以有效率地將功率電晶體 的低阻抗轉換到較高的可控制阻抗並提供放大電晶體間的 絕緣。 能夠利用各種偏壓網路來調諧載波放大器2 2與峰値 放大器2 4。示範偏壓網路4 8與5 0顯示 每個偏壓網路4 8與5 0包括連結於D C、b c 義__義4 或frr之外部源極的偏壓電阻器R b b。或R b b P。低通電 容器C。^ p或C p ! P連結於偏壓電阻器R b 或R b b P與外 部源極D C電壓V b。或V b P，且接地以過濾外在雜訊。耦 合電容器C。。、C。p可以用於將峰値放大器2 4與載波放 大器2 2連結於Lange耦合器3 2。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 偏壓電路，如偏壓電路4 8與5 0，可以使峰値放大 器2 4與載波放大器2 2之其一或另一個或是兩者都能夠 被電子調諧。就圖之分別顯示的示範偏壓電 路4 8與5 0而言，可以藉由改變連結於峰値放大器2 4 與載波放大器2 2輸入之外部D C電壓V 5。、V b P的振幅 來改變峰値放大器2 4與載波放大器2 2的偏壓。 當利用偏壓網路4 8與5 0時，峰値放大器2 4與載 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 543286 Α7 Β7 五、發明説明（3 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 波放大器2 2的電子調諧可提供許多根據本發明的重要優 點。首先，此電子調諧可使峰値放大器2 4與載波放大器 2 2被調諧爲最理想直線性。其次，電子調諧可在相當寬 之輸入功率範圍上達成改良的互調變失真。就其本身而論 ’可以調諧放大器2 0以使得操作範圍（即載波放大器頻 率）具有最大可能的I Μ斥拒。再者，如上文所述，匹配 網路2 6與2 8之相當高的阻抗會導致峰値放大器2 4與 載波放大器2 2之I Μ結果的虛絕緣，因而提供較小的 I Μ結果。最後，此電子調諧也可以用來提供增益擴展及 相位壓縮以爲預失真直線性應用的使用。 圖2顯示輸出功率在2 1 G Η ζ對放大器2 0各種偏 壓條件之所測量的增益與I Μ 3 (第三階調變結果）的函 數。特別的是，I Μ 3與增益是說明Α級偏壓操作（ 1 c 1 = 6 4 m A ; I c 2 = 6 4 m A )以及非對稱偏壓 條件。特別的是，當峰値放大器2 4關閉而載波放大器 經濟部智慈財產局S工消#合作社冲製 2 2偏壓於A級模式（I C 1 = 6 0 — 6 4 m A )且峰値 放大器偏壓於B級（I C 2 = 0 · 3 — 1 0 m A )中時， 顯示出非對稱的偏壓條件。如圖2中所示，峰値放大器偏 壓電流（I C 2 )的調整可使I Μ 3直線性比率的形狀與 效能能夠得到跨越相當寬之輸出功率範圍的改良。在偏壓 條件中（即 I c 1 二 6 0 m A ; I c 2 二 0 . 3 m A )， 當峰値放大器幾乎關掉時，微波功率放大器2 0會達成 I Μ 3比率之相當重大的改良，其導致約4 3 d B c的深 度I Μ 3抵消。 - -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） 543286 A7 _ B7 五、發明説明（^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖3顯不在有關圖2之偏壓位準的位準上道候蒂放大 器的增益與互調變失真。如圖所示，對於A級操作，道候 蒂放大器2 0經歷了增益壓縮以及I Μ失真的提高。 根據本發明的重要態樣，道候蒂放大器在Β級中操作 時具有增益擴展與相位壓縮的特性。然而，在Β級中之道 候蒂放大器的操作大大地增加了 I Μ失真。根據本發明， 作爲道候帝驅動放大器4 0的預失真電路是用來預補償道 候蒂放大器2 0的增益壓縮與相位擴展。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 參考圖4，預失真電路一般是以參考數字40來表示 ，且適合於置於微波功率放大器2 0的上游來提供預失真 ，以使得微波功率放大器2 0的增益與輸出相位在輸出功 率範圍上通常爲線性。此預失真微波功率放大器4 0可以 在不同的偏壓點上正好架構成微波功率放大器2 0。如圖 4中所示，放大器2 0的增益與輸出相位是輸入R F信號 位準的函數，一般是以參考數字4 2與4 4的曲線來標示 。如圖3中所示，對於各種偏壓點，例如在Α級中，偏壓 曲線顯示出當R F功率位準提高時的增益壓縮。然而，圖 3也顯示在各種偏壓點’例如B級偏壓曲線提出增益擴展 以提供具有如圖4之曲線4 6所表示之特性的增益擴展曲 線。所以，藉由謹慎地選擇預失真微波驅動放大器4 0與 微波功率放大器2 0的偏壓點，可以在放大器的輸入功率 範圍上實現來自微波功率放大器的直線性輸出，如曲線 4 8所示。同樣地’所選擇之微波放大器4 0的偏壓位準 可以被用來提供偏壓特性’以提出如曲線5 0所示的相位 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ~ 543286 A7 B7 五、發明説明（如 壓縮特性。就其本身而論，藉由對施加給預失真道候蒂驅 動放大器4 0之R F輸入信號進行預失真，可以對施加給 道候蒂功率放大器2 0之輸入功率的全部範圍達成相當線 性的輸出相位曲線5 2。以該振幅與相位預失真特性爲基 礎，串級的預失真器及輸出應會導致線性輸出。此預失真 電路將具有更少的I Μ失真，但是當從振幅與相位觀點來 看時串級效能應是線性的。振幅與相位爲發展特性，其反 映出通過放大器之複數個信號的聚集效應° 顯然鑑於上述的學說，能夠對本發明執行許多改良與 修改。例如，將能夠了解到的是，在附屬申請專利範圍的 範圍內，能夠除了上述特定說明的方式外來實施本發明。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝·

、1T 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -13-

Claims (1)

1. 543286 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 1 . 一種用於功率放大器的預失真電路，該預失真電 路包含： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 具有載波放大器與峰値放大器的道候蒂功率放大器， 用於該道候蒂功率放大器的偏壓位準是被選擇，用以提供 R F信號之預定特性的預失真，該偏壓位準被選擇以藉由 上游放大器預補償該R F信號的失真。 2 .如申請專利範圍第1項所述之預失真電路，其中 該預定特性之一爲增益爲輸入功率位準的函數。 3 .如申請專利範圍第2項所述之預失真電路，其中 該偏壓位準是被選擇以提供增益擴展爲輸入功率的函數。 4 .如申請專利範圍第1項所述之預失真電路，其中 該預定特性之一爲相位。 5 .如申請專利範圍第4項所述之預失真電路，其中 該偏壓位準是被選擇以提供相位壓縮爲輸入功率位準的函 數。 6 . —種線性功率放大器電路，包含： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 具有爲r F輸入功率函數之預定特性的功率放大器； 及 上游預失真電路，其具有選定特性以預補償該功率放 大器的預定特性爲輸入功率的函數。 - 7 ·如申請專利範圍第6項所述之線性功率放大器電 路，其中該預失真電路爲道候蒂放大器。 8 .如申請專利範圍第7項所述之線性功率放大器電 路，其中該功率放大器爲道候蒂放大器，其具有爲輸入功 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 543286 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 率函數的預定增益壓縮特性。 9 .如申請專利範圍第6項所述之線性功率放大器電 路，其中該預失真電路具有增益擴展特性，以使得該電路 的輸出增益在功率放大器的輸入範圍上是相當線性的。 1 〇 .如申請專利範圍第6項所述之線性功率放大器 電路，其中該功率放大器爲道候蒂放大器，其具有爲輸入 功率函數的預定相位壓縮特性。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項所述之線性功率放大 器電路，其中該預失真電路具有相位擴展特性，以使得該 電路的輸出增益在功率放大器的輸入範圍上是相當線性的 〇 1 2 . —種線性功率放大器電路，包含： 具有爲R F輸入功率函數之預定特性的功率放大器； 上游預失真電路，其用以預補償該功率放大器的預定 特性；及 用以電子調諧該預失真電路的機構。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之線性功率放大 器電路，其中該預失真電路爲道候蒂放大器。 1 4 ·如申請專利範圍第6項所述之線性功率放大器 電路，其中該調諧機構包括用以電子調諧預失真電路的機 構，以使得該電路的輸出增益在功率放大器的輸入範圍上 是相當線性的。 1 5 ·如申請專利範圍第6項所述之線性功率放大器 電路，其中該功率放大器爲道候蒂放大器，其具有爲輸入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇Χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 一裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- 543286 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 3 功率函數的預定相位壓縮特性。 1 6 .如申請專利範圍第1 2項所述之線性功率放大 器電路，其中該調諧機構包括用以電子調諧該預失真電路 的機構，以使得該電路的相位特性在功率放大器的輸入範 圍上是相當線性的。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） - 16-