使用復(fù)合功率放大方法的線性復(fù)合發(fā)射機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用在基站中并且由移動無線通信系統(tǒng)（例如，微波移動電話）、衛(wèi)星通 信系統(tǒng)、W及廣播系統(tǒng)的終端使用的發(fā)射機(jī)和功率放大器。
[0002] 更特別地，本發(fā)明設(shè)及一種用于RF調(diào)制信號(例如，與其平均輸出功率相比具有峰 值包絡(luò)功率的多載波信號）的線性放大的復(fù)合功率放大器包絡(luò)。本發(fā)明的復(fù)合發(fā)射機(jī)在結(jié) 構(gòu)上比傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)更簡單，它還具有改進(jìn)的線性和功率效率特性。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明屬于諸如希萊克斯（畑ireix)功率放大器（參見非專利文獻(xiàn)1)和多爾蒂 (Dohedy)功率放大器(非專利文獻(xiàn)2)的復(fù)合功率放大器的改進(jìn)，該改進(jìn)旨在消除運(yùn)樣的復(fù) 合功率放大器的不利的窄帶特性。希萊克斯功率放大器由希萊克斯在1935發(fā)明，并且多爾 蒂功率放大器由多爾蒂在1936年發(fā)明。它們兩者都被用作發(fā)射機(jī)AM廣播發(fā)射機(jī)。在發(fā)明半 導(dǎo)體之前，它們的功率放大元件是真空管。然而，在發(fā)明半導(dǎo)體放大器之后，它們被廣泛用 作最后一級放大器，尤其是在移動系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)中。希萊克斯放大器通常被稱 為LINC功率放大器(非專利參考3)。
[0004] 在希萊克斯放大器和多爾蒂放大器(此后稱為復(fù)合放大器）中，輸出電壓與輸出電 流之間的比率(被已知為等效負(fù)載阻抗)根據(jù)輸入信號的幅值改變，由此增加放大器的功率 效率。運(yùn)使得它們的放大行為極其復(fù)雜，使得很難在寬頻帶保持高功率效率和線性。
[000引現(xiàn)在W下首先將參考希萊克斯放大器并且然后將參考多爾蒂放大器給出現(xiàn)有技 術(shù)復(fù)合功率放大器的操作原理和特有的功率效率。
[0006] 如圖1中所示，裝配有希萊克斯功率放大器的希萊克斯發(fā)射機(jī)101包括：
[0007] 信號分量分離裝置190,當(dāng)接收到基帶信號的同相分量I(t)(同相分量I(t)此后稱 為同相信號I(t))和基帶信號的正交分量Q(t)(正交分量此后稱為正交信號Q(t))時(shí)，信號 分量分罔裝置190生成：
[0008] RF調(diào)制信號A(此后稱為主信號A)，其通過I(t)和Q(t)的正交調(diào)制下數(shù)學(xué)式1) 獲得，
[0009] 與主信號A正交的信號B(正交信號B此后稱為效率改進(jìn)信號化IS)B)，W及
[0010] 第一合成信號S1，為主信號A和EIS的向量和的形式，W及
[0011] 第二合成信號S2,為主信號A與EIS B之間的向量差的形式；
[0012] 功率放大器150和151，所述功率放大器150和151用于對各個(gè)合成信號S1和S2進(jìn)行 功率放大；W及(3)希萊克斯功率組合器140,所述希萊克斯功率組合器140用于組合功率放 大器150和151的輸出，W提供希萊克斯發(fā)射機(jī)101的輸出信號So。希萊克斯網(wǎng)絡(luò)140由兩個(gè) 阻抗逆變器(或者1/4波長線路）160和161構(gòu)成，每個(gè)阻抗逆變器均適于連接(interface)其 輸入端子和其輸出端子；W及兩個(gè)電抗元件170和171，每個(gè)電抗元件都適于連接其相應(yīng)輸 入端子和地。兩個(gè)電抗元件的電抗具有相同絕對值，但是具有相反符號。注意，術(shù)語"效率改 進(jìn)信號化isr不是常用技術(shù)術(shù)語，而是由本發(fā)明人命名W意味著增強(qiáng)功率放大器的功率效 率的信號的含義。該術(shù)語將在現(xiàn)有技術(shù)的多爾蒂發(fā)射機(jī)的w下展示中的該上下文中并且在 本發(fā)明的描述中使用。
[0013] 主信號A是高頻調(diào)制信號(或者RF調(diào)制信號），其通過基帶信號的同相分量(此后稱 為同相基帶信號）I(t)和基帶信號的正交分量(此后稱為正交基帶信號)Q(t)與載波角頻率 ω〇的正交調(diào)制獲得。從而，主信號A通過W下數(shù)學(xué)式給出。
[0014] (數(shù)學(xué)式1)
[001 引 A(t) = I(t)cos( w0t)+Q(t)sin( Wot)
[0016] 根據(jù)包絡(luò)信號A(t)和相位調(diào)制信號（t)，主信號A及其向量形式a可WW如下形式 編寫。
[0017] (數(shù)學(xué)式2)
[0018] //(/) = 4/) C0S {<.0J + f)}
[0019] (數(shù)學(xué)式3)
[0020] ? =幼；句稱口{為^/))
[0021] EIS B(其與主信號A正交)滿足如下條件:主信號A和EIS B的合成信號的包絡(luò)等于 主信號A的峰值包絡(luò)水平C(其通常被稱為峰值水平C或者簡稱為C)。根據(jù)該條件，EIS B通過 W下數(shù)學(xué)式給出。
[00對（數(shù)學(xué)式4)
[0023] 公(/)二-/7(/)sin {("/+ 口(/') !-
[0024] 其中，
寺日C是主信號的峰值水平
[0025] 功率放大器150接收第一輸入信號S1(其是EIS B(對于其，向量表示是jb)和主信 號的向量和），同時(shí)功率放大器151接收第二輸入信號S2(其是主信號A與EIS B之間的向量 差），如由W下數(shù)學(xué)式給出的。
[0026] (數(shù)學(xué)式5)
[0027] Sl(t)=A(t)+B(t)
[0028] (數(shù)學(xué)式6)
[0029] S2(t)=A(t)-B(t)
[0030] 分別將數(shù)學(xué)式2和數(shù)學(xué)式4代入到數(shù)學(xué)式5和數(shù)學(xué)式6中，Sl(t)和S2(t)結(jié)果是
[0031] (數(shù)學(xué)式7)
[0035] 數(shù)學(xué)式7和數(shù)學(xué)式8分別示出第一合成信號S1和第二合成信號S2的包絡(luò)水平分別 是恒定的（等于主信號的峰值水平C)，并且它們相對于主信號在相位上提前或者延遲cos^i {a(t)/C}。
[0036] 由于在希萊克斯發(fā)射機(jī)101中，通過將EIS B相加到主信號A,被饋送到功率放大器 150和151的輸入信號的包絡(luò)水平總是等于主信號的峰值水平C，所W功率放大器150和151 總是W它們的最大功率效率操作。被饋送到功率放大器150和151的輸入端的ElS B在希萊 克斯功率組合器140的輸出端處被抵消，得到由W下數(shù)學(xué)式9給出的輸出信號SO。
[0037] (數(shù)學(xué)式9)
[0038] .5;(/)二公扣(/)一2(/ψ人二、&'壽）
[0039] 其中，g是功率放大器150和151的電壓增益。
[0040] 把注意力集中在功率放大器150上，看起來是因?yàn)楣β史糯笃髟诓僮髦?，功率放?器150的等效輸出阻抗（即，輸出電壓與輸出電流的比率)結(jié)果是非實(shí)數(shù)。換句話說，看起來 是電納元件Xc連接在功率放大器150的輸出端與地之間。為了實(shí)現(xiàn)與功率放大器151的阻抗 匹配，在功率放大器150的輸出端與地之間連接電納-Xc的電感元件170就足夠了。然而，在 該情況下，Xc的幅值隨著主信號A的包絡(luò)水平a(t)改變，使得僅當(dāng)主信號A具有特定特別幅 值時(shí)可W實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。參考圖2,示出希萊克斯發(fā)射機(jī)101的功率效率特性（曲線c21)，其 中，橫坐標(biāo)表示主信號A的歸一化輸入電壓，并且縱坐標(biāo)表示功率效率。在該圖中由曲線c21 示出僅當(dāng)a = ai和曰=曰2(其中，a是主信號A的歸一化輸入電壓）時(shí)，功率放大器150具有最大 功率效率no,否貝1K特別是當(dāng)3<31時(shí))具有小于％的功率效率(非專利文獻(xiàn)4)。應(yīng)該注意，曲 線c21表示如下情況:功率放大器150和151假設(shè)為B類放大器，并且選擇XcW在3ι = 1Λ處最 大化希萊克斯發(fā)射機(jī)101的功率效率。曲線c20示出Β類放大器的功率效率。改進(jìn)希萊克斯發(fā) 射機(jī)101的功率效率的一種方式是將發(fā)射機(jī)構(gòu)造為功率再循環(huán)結(jié)構(gòu)(非專利文獻(xiàn)5)。圖3示 出功率再循環(huán)類型的希萊克斯發(fā)射機(jī)102,其中，不像希萊克斯發(fā)射機(jī)101那樣，功率放大器 150和151的輸出的主信號A和EIS B通過180度混合電路141被獨(dú)立地提取，并且所提取的 EIS B的電力通過高頻DC變換器電路172被變換為DC電力，并且被再循環(huán)到功率放大器150 和151的電源端子Vs。如果高頻DC變換器電路172具有100 %功率變換效率，則希萊克斯發(fā)射 機(jī)102的功率效率一直等于no,而不管主信號A的輸入電壓如何，如圖2中由線c22所示。不幸 地是，在實(shí)踐中非常難通過提高高頻DC變換器電路172的功率變換效率使得希萊克斯發(fā)射 機(jī)102的功率效率超過希萊克斯發(fā)射機(jī)101的效率。從而，就本發(fā)明人所知，希萊克斯發(fā)射機(jī) 102還未被實(shí)際實(shí)踐，但是在一些學(xué)術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)研究了它的值。
[0041] 接下來，現(xiàn)在將論述多爾蒂發(fā)射機(jī)103,其是與希萊克斯發(fā)射機(jī)同樣眾所周知的可 變負(fù)載阻抗類型的復(fù)合發(fā)射機(jī)之一。參考圖4的(a),示出多爾蒂發(fā)射機(jī)103,其包括：
[0042] (1)正交調(diào)制器90,當(dāng)接收到同相基帶信號I(t)和正交基帶信號Q(t)時(shí)，正交調(diào)制 器90輸出通過兩個(gè)輸入信號的正交調(diào)制獲得的主信號A;
[0043] (2)功率放大器152,功率放大器152用于對饋送到其的主信號A進(jìn)行功率放大；
[0044] (3)功率放大器153,功率放大器153用于在由1/4波長線路163將主信號A延遲之 后，對被饋送到其的主信號A進(jìn)行功率放大；W及
[004引（4)多爾蒂功率組合器142,多爾蒂功率組合器142用于經(jīng)由阻抗逆變器162組合功 率放大器152和153的輸出，由此提供傳輸輸出信號SO。
[0046]在多爾蒂發(fā)射機(jī)103中，功率放大器152被稱為載波放大器(CA)，其在實(shí)踐中是B類 放大器或者AB類放大器。功率放大器153(其還被稱為峰值放大器(PA))是C類CAXA和PA中 的每個(gè)都接收分叉的和功率放大的主信號A。假設(shè)A/4波長線路用作理想阻抗逆變器162并 且CA和PA二者是理想電流源，則多爾蒂發(fā)射機(jī)103可W由如圖4的（b)中所示的理想電流源 模型表示。圖5的(a)示出作為主信號的歸一化輸入電壓的函數(shù)的CA的歸一化輸出電壓(特 性曲線c50)、W及PA的歸一化輸出電壓(特性曲線c51)。圖5的(b)示出作為主信號的歸一化 輸入電壓的函數(shù)的CA和PA的歸一化輸出電流特性（曲線c52和c53)。
[0047] 可W在兩個(gè)單獨(dú)域中論述多爾蒂發(fā)射機(jī)103的操作，一個(gè)域是小功率域(其中，包 絡(luò)水平不大于信號的峰值水平C的1/2)，并且另一個(gè)領(lǐng)域是大功率域(其中，主信號的包絡(luò) 水平超過峰值水平的1/2)。參考圖5的(a)中所示的曲線c50和圖5的（b)中所示的曲線c53， 看出CA在小功率域中操作但是PA在小功率域中被斷電，使得PA可W被看作開路。從而，如果 CA(假設(shè)為B類放大器）的負(fù)載阻抗是50 Ω，其作為普通B類放大器操作，向100 Ω負(fù)載供電。 其瞬時(shí)功率效率隨著輸出電壓增加，并且在歸一化主信號電壓為0.5處達(dá)到其78.5%效率。
[0048] 當(dāng)主信號的電壓超過峰值包絡(luò)水平C的一半時(shí)，PA開始操作，使得又一電流將從PA 提供給多爾蒂發(fā)射機(jī)103,由此減少其明顯負(fù)載阻抗。當(dāng)CA在飽和點(diǎn)處保持飽和時(shí)，保持恒 定電壓，CA可W被看作W其最大功率效率操作的恒壓電源。當(dāng)輸出峰值包絡(luò)功率(PEP)時(shí)， CA和PA可W看做50 Ω的負(fù)載，每個(gè)都提供多達(dá)最大輸出功率的1/2的功率，并且然后如果CA 是B類放大器，則CA的理論P(yáng)EP效率是78.5% (非專利文獻(xiàn)6)。
[0049] 在文獻(xiàn)(非專利文獻(xiàn)6)中公開了，當(dāng)圖4(b)中所示的多爾蒂發(fā)射機(jī)103由理想電流 源表示時(shí)，其功率效率由圖6中所示的曲線c60表示（與表示B類放大器的功率效率的曲線 c61相比較）。然而，事實(shí)上，雖然1/4波長線路162在中屯、頻率fc處用作理想阻抗逆變器(專 利文獻(xiàn)1)，但是由于在遠(yuǎn)離其中屯、頻率fc的域中，其功率效率下降并且導(dǎo)致其輸出信號失 真的事實(shí)，很難使得多爾蒂發(fā)射機(jī)103能夠在寬頻域操作。
[0050] 近年來，在非專利文獻(xiàn)6(圖7(a))中提出了 W如下方式振幅調(diào)制主信號A:當(dāng)功率 放大器152和153為B類或者AB類放大器時(shí)，功率放大器152的輸入電壓對輸出功率特性變?yōu)?與在