專利名稱：功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過使用基于耦合傳輸線的功率組合器提高負載調制功率放大器的性能。
背景技術：
已知使用負載線調制技術以提高整體的放大器效率的功率放大器(PA)。兩個公知的例子是，圖1中圖示的兩路Doherty放大器，和圖2中圖示的Chireix移相(outphasing) 放大器。兩路Doherty放大器包含兩個放大器級101和102，第一個是峰值放大器101且第二個是主放大器102。峰值放大器101放大輸入信號的相移版本，而主放大器103放大其非相移版本。組合器級103組合從放大器級101和102輸出的信號，并且提供輸出放大信號到負載104。Chireix移相放大器根據類似的原理工作，其具有兩個放大器級201和202可提供輸入信號的放大版本到組合器級203，其組合輸出以提供放大輸出信號到負載204。N路Doherty功率放大器(其中N > 2)也是已知的，一個示例是三路Doherty功率放大器，一個示例在圖3中圖示。在這種類型的Doherty放大器中，來自主放大器301和兩個峰值放大器30 和302b的輸出在組合器級303被組合在一起，以提供放大的輸出信號到負載304。在放大器的輸入和輸出級的相移的布置可以改變。WO 2009/081341透露了另一個可選的這種放大器示例，其中之一在圖4中圖示，其具有放大器級401、40 和402b 的類似布置，但具有在放大器級的輸入和組合器級403中的相移的不同布置。上述描述的所有功率放大器原理具有一個相似點，即在各種不同的布置中使用輸出級功率組合器103，203，303和403，并具有一條或多條λ/4線。λ /4(即四分之一波長)線，當用作組合器時，具有一些與它的頻率特性相關的限制，所述頻率特性會對功率放大器產生不利影響，尤其是在一定程度上降低工作頻率帶寬。 隨著功率組合器的復雜度提高，這種影響將變得更加明顯。上述類型的同時期的功率放大器典型的用于放大具有高峰均比(PAR)的數字調制信號。功率放大器在中等功率或更低水平的效率決定了整個放大器的性能。在典型信號統(tǒng)計的基礎上，大多數時間，這樣的功率放大器工作在明顯偏離額定負載50的輸出負載值上。例如，當放大數字調制信號時，兩路對稱Doherty功率放大器的主放大器級往往會遭遇負載的動態(tài)漂移，其從額定值到額定值的兩倍之間改變。對于Chireix移相放大器，負載的變化往往甚至更大。負載狀態(tài)不隨頻率改變非常重要，以在工作的整個頻帶上保持最佳的功率放大器性能。圖5描述了 λ /4線的阻抗變換特性，其用作2GHz的兩路Doherty組合器。當λ /4 線使負載從額定值Rl改變到兩倍負載2R1時，變換準確地只在中心頻率處。在電壓駐波比率1. 1 :1處的變換帶寬是從1. 85GHz到2. 25GHz，或20%的相對帶寬。隨著工作頻率的變化，自所要求的負載阻抗的背離明顯地影響所有重要的功率放大器參數，如增益、輸出功率禾口效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是解決一個或多個上述提及的問題。根據本發(fā)明的第一方面，提供了一個功率放大器，其包含連接到第一和第二放大器級的輸入，和配置為組合從第一和第二放大器級的相移放大輸出并且在功率放大器的輸出處提供放大信號的輸出級，其中輸出級包含連接在第一放大器級的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第一和第二傳輸線。以這種方式使用耦合的第一和第二傳輸線，極大的改進了上述提及的λ/4線功率組合器的不足，允許功率放大器在可比較的頻帶上實現改進的操作，或可選地在寬得多的頻帶上實現類似的或更好的操作。本發(fā)明的原理可以應用到配置為Doherty放大器或Chireix移相放大器的功率放大器上。在Doherty放大器的示例中，第一傳輸線可以連接在第一放大器級的輸出、第二放大器級的輸出和功率放大器的輸出負載接頭之間，并且第二傳輸線連接到第二放大器級的輸出并耦合到第一傳輸線。第一和第二傳輸線優(yōu)選地具有功率放大器的工作頻率的四分之一波長的長度。第二傳輸線可以經過第三傳輸線連接到輸出負載接頭，所述第三傳輸線具有功率放大器的工作頻率的至少四分之一波長的長度，或者備選地，第二傳輸線可以直接連接到輸出負載接頭和地。功率放大器可以包含第三放大器級，其具有連接到輸出負載接頭的輸出，和連接在第二放大器級的輸出和輸出負載接頭之間的耦合第三和第四傳輸線。 功率放大器可以進一步包含連接在第三放大器級的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第五和第六傳輸線。當功率放大器配置為Chireix移相放大器時，功率放大器可以包含連接在第二放大器級的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第三和第四傳輸線。第一到第四傳輸線的每一個優(yōu)選地具有功率放大器的工作頻率的四分之一波長的長度。第二傳輸線的輸入可以經過第五傳輸線連接到輸出負載接頭，并且第四傳輸線的輸入經過第六傳輸線連接到輸出負載接頭，第五和第六傳輸線的每一個具有功率放大器的工作頻率的至少四分之一波長的長度。功率放大器的工作頻率例如由中心工作頻率所定義，可以在1到3GHz范圍內。根據本發(fā)明的第二方面，提供了操作根據第一方面的功率放大器的方法，所述方法包含在功率放大器的輸入處接收信號；在第一和第二放大器級之間分割信號；通過第一和第二放大器級放大分割的信號；在輸出級組合從第一和第二放大器的輸出獲得的放大信號；和在功率放大器的輸出處提供放大輸出信號。


參考附圖，將在下文中進一步詳細描述根據本發(fā)明的典型實施例，其中圖1是傳統(tǒng)的兩路Doherty放大器的電路原理圖；圖2是傳統(tǒng)的兩路Chireix放大器的電路原理圖3是已知的三路Doherty放大器的電路原理圖；圖4是可選的已知的三路Doherty放大器的電路原理圖；圖5是對于傳統(tǒng)的兩路Doherty放大器的組合器級的阻抗-頻率函數關系圖；圖6A是根據第一典型實施例的兩路Doherty放大器的電路原理圖；圖6B是根據另一典型實施例的兩路Doherty放大器的電路原理圖；圖7是根據第一典型實施例的Doherty放大器與傳統(tǒng)的兩路Doherty放大器相比的阻抗-頻率函數關系圖；圖8是根據第一典型實施例的Doherty放大器與傳統(tǒng)的兩路Doherty放大器相比的另一個阻抗-頻率函數關系圖；圖9是根據第二典型實施例的兩路Chireix放大器的電路原理圖；圖10是根據第二典型實施例的Chireix放大器與傳統(tǒng)的Chireix放大器相比的效率-相位函數關系圖；圖11是根據第二典型實施例的Chireix放大器與傳統(tǒng)的Chireix放大器相比的另一個效率-相位函數關系圖；圖12是根據第一另一個可選的典型實施例的三路Doherty放大器的電路原理圖； 和圖13是根據第二另一個可選的典型實施例的三路Doherty放大器的電路原理圖。
具體實施例方式本文中披露的根據本發(fā)明的實施例的主要原理是基于功率放大器輸出級中的電連接耦合的和單條傳輸線的組合，功率放大器包含兩個或更多提供輸入信號的相移放大輸出的放大器級。已知的是，耦合傳輸線在阻抗匹配結構中用作阻抗變換元件，但不作為用于負載調制功率放大器如Doherty或Chireix功率放大器的組合結構，其中必須保證在動態(tài)改變負載狀態(tài)下的放大器操作。圖6A圖示了根據本發(fā)明的第一典型實施例的兩級對稱Doherty功率放大器。與圖 1中所示的Doherty放大器相比，所述放大器包含第一和第二放大器級601和602，其具有連接到公共輸入信號的輸入，為第二放大器級602提供輸入信號的相移版本。放大器級601 和602的輸出在功率組合器級603中組合。功率組合器603包含了一對耦合傳輸線605，每一個傳輸線60 和60 具有λ /4長度，即基于放大器的中心頻率的四分之一波長。本文中所用的詞語“耦合線”或“耦合傳輸線”，指共享公共電磁場的兩條傳輸線。圖6Α中還示出了將具有特征阻抗ZOl和至少λ /4長度的第三傳輸線606連接在耦合的一對傳輸線605的第二傳輸線60 和輸出負載604之間，輸出負載604也連接到第二放大器級602。耦合線605可以通過它們的奇偶模阻抗或可選的通過它們的幾何尺寸來表征。例如傳輸線60 和60 可以實現為對稱帶狀線或非對稱微帶狀線。第三傳輸線 606也可以以類似的方式實現。在可選實施例中，可以不存在第三傳輸線，并且由短路取代， 且第二耦合線60 的開端接地，如圖6B所示。作為示例，可以選擇傳輸線60如、60恥和606的阻抗，從而使耦合線的奇偶模阻抗是80 Ω (Z。e或偶模阻抗)和44 Ω (Ζ。。，或奇模阻抗)，傳輸線的阻抗是75 Ω，并且每一條線的電長度選擇為四分之一波長。可以可選地選擇其它阻抗值。
在圖7中描述圖6A中的實施例的耦合線Doherty功率組合器的性能，其與相當的傳統(tǒng)Doherty功率組合器相比較。在二倍負載處，包含耦合傳輸線對(在圖7中標示為 Z100, "Z100 λ /4”指傳統(tǒng)的組合器，且“ZIOOcpl ”指具有耦合傳輸線的組合器)的組合器的帶寬表明了在帶寬上的改進，對于2GHz的中心頻率&從0. 85f0到約1. 15&(或30%的相對帶寬BW)，VSffR為1. 05。這與傳統(tǒng)功率組合器相比有50%的BW有效增長。這樣的結果是功率放大器在遠離中心頻率的頻率處的性能得到提升。功率組合器的中心頻率fo可以不同于2GHz，其通過示例在圖7中示出。圖8描述了示例性組合器603的性能，其通過調整耦合傳輸線60如、60恥和傳輸線606的參數而進一步優(yōu)化，以獲得二倍負載處的最大平坦響應。在此示例中，對于VSWR為
1.1的二倍負載線帶寬是從0. 6f0到1. 35f0 (對于f0 = 2GHz，從1. 2GHz到2. 7GHz)，相當于 75%的相對帶寬。對于VSWR為1. 05，帶寬從0. 65f0至Ij 1. 3fQ(對于fQ = 2GHz，從1. 3GHz到
2.6GHz)，相當于65 %的相對帶寬。如圖7和圖8中的結果所示，在二倍負載處，具有額定負載的放大器600的性能降低，并傳統(tǒng)組合器的性能相當。功率放大器600的整體性能仍然得到提高，因為大多數時間放大器根據二倍負載線工作。不同類型的功率放大器的最佳性能將因個體而異，在Chireix移相放大器的示例中，輸出的負載變化比兩路Doherty放大器大得多。例如通過使用已知的計算機仿真技術， 相應地計算和調整耦合線組合結構的參數，以根據預定標準優(yōu)化組合功率放大器性能。在圖9中圖示的是根據本發(fā)明的第二典型實施例的功率放大器900。功率放大器 900是Chireix移相放大器，具有第一和第二放大器級901和902，其具有連接到SCS (信號分量分離器)輸入級909的輸入，所述SCS輸入級909執(zhí)行輸入信號的信號處理。放大器級901和902的輸出連接到功率組合器級903，其包含連接在第一放大器級901的輸出和輸出負載904之間的耦合的第一和第二傳輸線90 和90 的第一對905，連接在第二放大器級902的輸出和輸出負載904之間的耦合的第一和第二傳輸線907a和907b的第二對907。 耦合傳輸線的第一對905的第二傳輸線90 經過第五傳輸線906連接到輸出負載904，且耦合傳輸線的第二對907的第二傳輸線907b經過第六傳輸線908連接到輸出負載904。如具有Doherty放大器的圖6A的實施例，第五和第六傳輸線906和908具有特征阻抗ZOl和λ/4或更長的長度。在圖10中，圖9的放大器900的組合器903的效率被示為移相角的函數，并與傳統(tǒng)的Chireix組合器相比較。在從2到2. 3GHz范圍內的幾個不同的頻率處展示了結果。對于超過40度的移相角，組合器903的性能(通過圖注CPL 2GHz、CPL 2. IGHz, CPL 2. 2GHz 和CPL 2. 3GHz標記的線圖示)與傳統(tǒng)組合器(通過圖注Ch 2GHz、Ch 2. IGHz, Ch 2. 2GHz 和Ch 2. 3GHz標記的線圖示)相比，表明了在整個頻帶具有明顯的更高的效率，唯一的例外是中心頻率為2GHz時，性能大致相當。圖11中圖示的結果描述了當組合器903被調諧以獲得平坦的頻率響應的示例。這闡明了組合器903可以以最小的效率降低來處理中心頻率約為2GHz的帶寬的10%。如果在較小的移相角(根據信號統(tǒng)計，在比較罕見的情況下發(fā)生)時可以容忍效率的一些較小損失，使用超過25%的相對帶寬成功的實現組合器，這導致了功率放大器性能上的極大改進。
7
三級Doherty放大器實現的另外兩個可選典型實施例在圖12和13中圖示，這些實施例相當于在WO 2009/081341中進一步詳細描述的三級Doherty放大器，但附加了連接在另一個放大器級的輸出和輸出負載之間的耦合傳輸線。根據第一可選實施例，如圖12 所示，功率放大器1200包含三個放大器級，其包括第一主放大器級1201和兩個另外的峰值放大器級120 和1202b。第一和第二傳輸線120 和120 的耦合對連接在第一放大器 1201的輸出和第一峰值放大級1202a的輸出之間，并且第三和第四傳輸線1205c和1205d 的第二耦合對連接在第二放大器1202a的輸出和負載1204之間。與上述描述的其它實施例一樣，第二傳輸線120 和第四傳輸線1205d經過第五和第六傳輸線120 和1205f連接到輸出負載1204，所述第五和第六傳輸線120 和1205f的每一個至少為四分之一波長。 第一傳輸線120 和第二傳輸線120 經過第三傳輸線1205c連接到輸出負載1204。在如圖13所示的可選實施例中，功率放大器1300也包含三個放大器級，其包括第一主放大器級1301和兩個另外的峰值放大器級130 和1302b。第一和第二傳輸線130 和1305b的耦合對連接在第一放大器1301的輸出和輸出負載1304之間，第三和第四傳輸線1305c和1305d的第二耦合對連接在第二放大器1302a的輸出和第三放大器1302b的輸出之間，并且另外第五和第六傳輸線130 和1305f的另一個耦合對連接在第三放大器級 1302b的輸出和負載1304之間。第二傳輸線130 和第六傳輸線1205f經過第七和第九傳輸線1305g和1305i連接到輸出負載1304，第四傳輸線1305d經過第八傳輸線130 連接到第三放大器級1302b的輸出。第二、第六和第九傳輸線的每一個至少為四分之一波長。 第三和第四傳輸線1305c和1305d也經過第五傳輸線130 連接到輸出負載1304。第一到第六傳輸線優(yōu)選地每一個長度為四分之一波長。根據本發(fā)明的實施例的功率放大器可用于改進同期的高效功率放大器的性能，以用于使用負載調制技術的電信基站中。Doherty和Chireix移相功率放大器的實現有顯著的重大意義，其中需要在整個工作頻帶上需要保持如增益、效率、線性度和輸出功率等重要的功率放大器參數，因為根據本文披露的實施例可以提升這樣的放大器的工作帶寬。由下述權利要求所定義的其它實施例也在本發(fā)明的范疇內。
權利要求
1.一種功率放大器(600、900)，包含連接到第一和第二放大器級(601、602 ;901、902) 的輸入、以及輸出級(603、903)，所述輸出級(603、90；3)配置為組合來自第一和第二放大器級(601、602 ；901,902)的相移放大輸出并且在功率放大器(600、900)的輸出處提供放大信號，其中輸出級(603、90；3)包含連接在第一放大器級(601 ；901)的輸出與輸出負載接頭之間的耦合的第一和第二傳輸線(605a、6(^b ；905a,905b) 0
2.根據權利要求1所述的功率放大器(600)，其中功率放大器配置為Doherty放大器。
3.根據權利要求2所述的功率放大器(600)，其中第一傳輸線(605a)連接在第一放大器級(601)和輸出負載接頭之間，并且第二傳輸線(605b)連接到第二放大器級(60 的輸出并且與第一傳輸線(605a)耦合。
4.根據權利要求3所述的功率放大器(600)，其中第一和第二傳輸線(60fe、605b)具有功率放大器(600)的工作頻率的四分之一波長的長度。
5.根據權利要求4所述的功率放大器(600)，其中第二傳輸線(605b)經過第三傳輸線 (606)連接到輸出負載接頭，所述第三傳輸線(606)具有功率放大器(600)的工作頻率的至少四分之一波長的長度。
6.根據權利要求4或5所述的功率放大器(600)，其中工作頻率在1到3GHz范圍內。
7.根據權利要求2到6的任何一個所述的功率放大器(1200、1300)，包含具有連接到輸出負載接頭的輸出的第三放大器級(1202b、1302b)；和連接在第二放大器級(1202a)的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第三和第四傳輸線(1205c、1205d ;1305c、1305d)。
8.根據權利要求7所述的功率放大器(1300)，包含連接在第三放大器級(1302b)的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第五和第六傳輸線(1305e、1305f)。
9.根據權利要求4所述的功率放大器(600)，其中第二傳輸線(605b)連接到輸出負載接頭和地。
10.根據權利要求1所述的功率放大器(900)，其中功率放大器配置為Chireix移相放大器，所述功率放大器包含連接在第二放大器級(902)的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第三和第四傳輸線(907a、907b)。
11.根據權利要求10所述的功率放大器(900)，其中第一到第四傳輸線(90fe、905b、 907a、907b)的每一個具有功率放大器的工作頻率的四分之一波長的長度。
12.根據權利要求11所述的功率放大器(900)，其中第二傳輸線(905b)經過第五傳輸線(906)連接到輸出負載接頭，并且第四傳輸線(907b)經過第六傳輸線(908)連接到輸出負載接頭，第五和第六傳輸線(906、908)的每一個具有功率放大器的工作頻率的至少四分之一波長的長度。
13.一種操作根據權利要求1到12的任何一個的所述功率放大器(600、900、1200、 1300)的方法，所述方法包含在功率放大器的輸入處接收信號；在第一和第二放大器級(601,602 ；901,902 ；1201、1202a ；1301、1302a)之間分割信號；通過第一和第二放大器級放大分割的信號；在輸出級(603、903)組合從第一和第二放大器的 輸出獲得的放大信號；和在功率放大器的輸出處提供放大輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過使用基于耦合傳輸線的功率組合器改進負載調制功率放大器的性能。披露的典型實施例包括功率放大器(600)，其包含連接到第一和第二放大器級(601、602)的輸入和配置為組合來自第一和第二放大器級(601、602)的相移放大輸出和在功率放大器(600)的輸出處提供放大信號的輸出級(603)，其中輸出級(603)包含連接在第一放大器級(601)的輸出和輸出負載接頭之間的耦合的第一和第二傳輸線(605a、605b)。
文檔編號H03F3/20GK102237852SQ201110107268
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月25日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者埃歐丹·K·斯維奇塔羅夫 申請人:Nxp股份有限公司