CN101582682B - 一种功率放大器和发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率放大器领域，为了解决现有技术中在主功放输出功率饱和时，峰值功放提前开启造成回退效率不高的问题，提供了一种功率放大器，包括：功率分配单元、第一功放支路、第二功放支路、阻抗变换单元，所述第一功放支路及所述第二功放支路的输入端分别与功率分配单元的两个输出端耦合，所述第一功放支路的输出端通过所述阻抗变换单元与所述第二功放支路的输出端耦合，第二功放支路中峰值功放的额定功率大于第一功放支路中的主功放的额定功率。本发明的有益效果在于，功率放大器的效率曲线最高点将有更大的回退，并且功率回退情况下功率放大器的效率将有所提高。

Description

一种功率放大器和发射机
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种功率放大器和发射机。
背景技术
在无线通信***中，功率放大器作为核心部件，其作用是将信号放大到足够的功率电平，以实现信号的发射、远距离传输和可靠接收。
随着现代无线通信技术的发展，为了实现高码率的数据传输，一些大动态范围，高峰均比的信号开始被广泛使用，例如宽带码分多址(WCDMA)信号，其信号峰均比的典型值为7-10dB。这就要求功率放大器既要满足峰值功率输出时具有较好的线性程度，同时要在平均功率输出时有较高的效率。
Doherty功率放大器是目前被广泛使用的一种高效率、低复杂度的功放技术，如图1所示为现有技术中Doherty功率放大器的结构图，通常由主功放和峰值功放两部分组成：当输入功率较小时，峰值功放关闭，此时峰值功放输出阻抗视为无穷大，主功放的输出阻抗为匹配阻抗的2倍，电流达到匹配输出电流的一半所述主功放即达到饱和，此时Doherty功放的功率达到顶点，即AB类功放饱和功率。随着输入功率增加，峰值功放打开，根据负载牵引原理，从峰值功放口看出的输出阻抗将升高，经1/4波长微带线后，主功放的输出阻抗将降低，主功放的输出功率可以继续增加，主功放的输出电压保持不变，但输出功率因为负载的减小却持续增大。此时主功放仍然工作在饱和状态，因此Doherty功放仍可维持较高的效率。
峰值功放偏置在C类状态，其增益较低，不能保证饱和功率输出时输出功率与主功放相同。由于输出功率不足，Doherty功放的增益曲线将出现阶梯，影响Doherty功放在大功率输出时的线性，如图2所示为现有技术中Doherty功率放大器输出的曲线图。
在现有技术中，为保证峰值功放有足够的功率输出，通常使峰值功放在主功放饱和前提前打开。但是，本发明申请的发明人在实施本发明时发现现有技术有以下不足，由于此时主功放并未达到效率最高点，峰值功放的提前打开将使整个Doherty功放功率回退时的效率降低；另外峰值功放在开启前有一定的静态电流泄漏，这部分电流将产生功率损耗，影响Doherty功放的效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种功率放大器，包括：
功率分配单元、第一功放支路、第二功放支路、阻抗变换单元，所述第一功放支路及所述第二功放支路的输入端分别与功率分配单元的两个输出端耦合，所述第一功放支路的输出端通过所述阻抗变换单元与所述第二功放支路的输出端耦合；
所述阻抗变换单元，用于第一功放支路的输出阻抗的变换；
所述功率分配单元用于向所述第一功放支路和第二功放支路的输入端输出分配后的功率信号；
所述第一功放支路包括：主功放，用于放大所述第一功放支路接收到的所述功率信号，并通过所述第一功放支路的输出端输出放大后的功率信号；
所述第二功放支路包括：顺序串联的峰值功放驱动、第一级间匹配单元和峰值功放，所述峰值功放驱动用于接收并放大所述功率信号后，将所述峰值功放驱动放大后的功率信号通过所述第一级间匹配单元输出至所述峰值功放，所述峰值功放用于放大所述峰值功放驱动放大后的功率信号，并通过所述第二功放支路的输出端输出放大后的功率信号，其中，所述第一级间匹配单元，用于匹配所述峰值功放驱动与所述峰值功放的阻抗；所述峰值功放驱动的额定功率小于所述峰值功放；
其中，所述峰值功放的额定功率大于所述主功放，在所述第一功放支路达到饱和时，所述第二功放支路开始放大接收到的所述功率信号。
本发明实施例还提供了一种发射机，包括信号处理单元，信号放大单元，信号发射单元，所述信号处理单元将处理后的信号传至所述信号放大单元，经所述信号放大单元放大后，由所述信号发射单元将放大后的信号发射至空间，所述信号放大单元为上述的功率放大器。
由于峰值功放功率管的额定功率大于主功放功率管的额定功率，因此可以调整饱和功率输出时峰值功放和主功放的功率输出比，使得本发明实施例提供的功率放大器的效率曲线最高点将有更大的回退。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1所示为现有技术中Doherty功率放大器的结构图；
图2所示为现有技术中Doherty功率放大器输出的曲线图；
图3所示为本发明功率放大器的第一实施例结构示意图；
图4所示为本发明功率放大器的第二实施例结构示意图；
图5所示为本发明实施例一种发射机的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供一种功率放大器及发射机。以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图3所示为本发明功率放大器的第一实施例结构示意图。
包括功率分配单元301、第一功放支路310、第二功放支路320、阻抗变换单元306，所述第一功放支路310及所述第二功放支路320的输入端分别与功率分配单元301的两个输出端耦合，所述第一功放支路310的输出端通过所述阻抗变换单元306与所述第二功放支路320的输出端耦合；
阻抗变换单元306，用于第一功放支路的输出阻抗的变换；
所述功率分配单元301用于向所述第一功放支路310和第二功放支路320的输入端输出分配后的功率信号；
所述第一功放支路310包括：主功放302，用于放大所述第一功放支路3
10接收到的所述功率信号，并通过所述第一功放支路310的输出端输出放大后的功率信号；
所述第二功放支路320包括：顺序串联的峰值功放驱动303、第一级间匹配单元305和峰值功放304，所述峰值功放驱动303用于接收并放大所述功率信号后，将所述峰值功放驱动303放大后的功率信号通过所述第一级间匹配单元305输出至所述峰值功放304，所述峰值功放304用于放大所述峰值功放驱动303放大后的功率信号，并通过所述第二功放支路320的输出端输出放大后的功率信号，其中，所述第一级间匹配单元305，用于匹配所述峰值功放驱动303与所述峰值功放304的阻抗；所述峰值功放驱动303的额定功率小于所述峰值功放304的额定功率；
其中，所述峰值功放304的额定功率大于所述主功放302的额定功率；在所述第一功放支路310达到饱和时，所述第二功放支路320开始放大接收到的所述功率信号。
其中，所述峰值功放驱动303的额定功率小于所述峰值功放304，可以限制所述峰值功放304在开启前的静态电流泄露，因此提高了整个Doherty功率放大器的效率。
其中，所述级间匹配单元305，除了用于匹配所述峰值功放驱动303与峰值功放304之间的阻抗之外，还可同时满足峰值功放驱动303输出功率和峰值功放304输入驻波的要求，也可以对峰值功放驱动303的输出和对峰值功放输入分别进行匹配，通过隔离器连接。
所述阻抗变换单元306，用于所述第一功放支路310输出阻抗的变换，作为本发明的一个实施例，可以将第一功放支路的输出阻抗变换成整个功率放大器外接负载的阻抗，从而实现对两路功放支路的输出功率进行功率合成输出。作为本发明的一个实施例，所述阻抗变换单元可以为1/4波长微带线。
主功放302工作在AB类状态，峰值功放304和峰值功放驱动303工作在B类或C类状态，具体实施时，根据电路的具体情况，可以通过调整峰值功放304和峰值功放驱动303的栅极电压使主功放饱和时峰值功放能够同时打开。
在本实施例中，由于峰值功放304的额定功率大于主功放302的额定功率，因此可以增加整个Doherty功放最大效率点的回退。例如，在现有技术中，主功放和峰值功放均为100W的功率放大器，小功率输入时，主功放输出阻抗为匹配阻抗的2倍，主功放输出半功率，即50W时饱和，效率达到最高点，相对满功率输出200W，回退为6dB；在本发明的实施例中，峰值功放304采用120W，主功放302采用100W，通过适当选择合路线306、及主功放和峰值功放输出微带线的阻抗，小功率输入时，主功放输出阻抗为匹配阻抗的2.22倍，饱和功率输出时，主功放和峰值功放的输出阻抗均为匹配阻抗，这种情况下，主功放302输出45W时饱和，相对饱和功率输出220W，回退为6.85dB。
通过上述本发明实施例，主功放输出小于半功率时饱和，此时为效率最高点，本发明实施例的功放饱和功率输出时，由于峰值功放输出大于主功放输出，其输出功率之和大于4倍的效率最高点时的输出功率，即本发明实施例的功放的效率曲线最高点将有更大的回退。
如图4所示为本发明功率放大器的第二实施例结构示意图。
包括功率分配单元401、第一功放支路410、第二功放支路420、阻抗变换单元406，所述第一功放支路410及所述第二功放支路420的输入端分别与功率分配单元401的两个输出端耦合，所述第一功放支路410输出端通过所述阻抗变换单元406与所述第二功放支路420的输出端耦合；
阻抗变换单元406，用于第一功放支路410的输出阻抗的变换；
所述功率分配单元401用于向所述第一功放支路410和第二功放支路420的输入端输出分配后的功率信号；
所述第一功放支路410包括：主功放402、主功放驱动407和第二级间匹配单元408；所述主功放驱动407、所述第二级间匹配单元408和所述主功放402顺序串联；所述主功放驱动407，用于接收并放大所述第一功放支路410接收到的所述功率信号后，将所述主功放驱动407放大后的功率信号通过所述第二级间匹配单元408输出至所述主功放402；所述主功放402用于放大所述主功放驱动407放大后的功率信号，并通过所述第一功放支路410的输出端输出放大后的功率信号，其中所述第二级间匹配单元408，用于匹配所述主功放驱动407与所述主功放402的阻抗；所述主功放驱动407的额定功率小于所述主功放402额定功率；
所述第二功放支路420包括：顺序串联的峰值功放驱动403、第一级间匹配单元405和峰值功放404，所述峰值功放驱动403用于接收并放大所述功率信号后，将所述峰值功放驱动403放大后的功率信号通过所述第一级间匹配单元405输出至所述峰值功放404，所述峰值功放404用于放大所述峰值功放驱动403放大后的功率信号，并通过所述第二功放支路420的输出端输出放大后的功率信号，其中，所述第一级间匹配单元405，用于匹配所述峰值功放驱动403与所述峰值功放404的阻抗；所述峰值功放驱动403的额定功率小于所述峰值功放404的额定功率；
其中，所述峰值功放404的额定功率大于所述主功放402的额定功率；在所述第一功放支路410达到饱和时，所述第二功放支路420开始放大接收到的所述功率信号。
所述峰值功放驱动403的额定功率比所述峰值功放404的额定功率小，可以限制所述峰值功放404在开启前的静态电流泄露。通过在峰值功放前增加驱动级(即峰值功放驱动)，能够使峰值功放驱动的功率管开启前的静态电流泄漏远小于峰值功放的功率管，峰值功放打开之前，本实施例的功率放大器的效率得到提高。
阻抗变换单元406，用于所述第一功放支路410的输出阻抗的变换，从而实现对两路功放支路的输出功率进行功率合成输出。作为本发明的是一个实施例，所述阻抗变换单元可以为1/4波长微带线。
其中，所述主功放驱动407的额定功率小于所述主功放402，用于接收所述输入功率信号，可以提高所述主功放402的增益，使得主功放402在饱和时的增益与所述峰值功放404的增益相等。
作为本发明的一个实施例，所述主功放驱动407为多个串联的功率放大器，所述峰值功放驱动403为多个串联的功率放大器。
作为本发明的一个实施例，所述峰值功放404的增益大于所述主功放402的增益。例如，所述功分器401为3dB电桥输入，主功放驱动407工作在AB类，峰值功放驱动403工作在B类或C类，主功放402选择额定功率为100W，偏置在AB类时增益为15dB的功率管。峰值功放404选择额定功率为100W，偏置在AB类增益为18dB的功率管。由于峰值路驱动403和峰值功放404都偏置在C类，每个功率管的实际增益较AB类下降1～2dB，两个功率管级联增益下降3dB左右。峰值功放404增益比主功放大3dB，补偿了损失的增益，保证了峰值功放404的输出能力，使整体功放性能得以提高。
作为本发明的一个实施例，所述峰值功放404增益与所述主功放402相同的情况下，所述峰值功放驱动403的增益大于所述主功放驱动407的增益，同样可以达到上述的效果。
作为本发明的一个实施例，所述功分器401可以用5dB电桥实现，改变功率分配比，向主功放402和峰值功放404输入的功率分配比为1∶2(本发明并不限制功率分配的比例，此处只是为了清楚说明举例)，相当于向第二功放支路(即峰值功放驱动403和峰值功放404)输入的功率比向第一功放支路(即主功放驱动407和主功放402)输入的功率大3dB，因此在主功放402达到饱和时，峰值功放404的输出功率随之提高。
上述本发明实施例通过调整峰值功放和主功放输入功率比，从而提高峰值功放的输出能力，使主功放饱和后，峰值功放能够输出足够的功率来保证功放的线性，这样峰值功放无需提前打开，功放效率得以提升。并且可以提高Doherty功放在功率回退时的效率。
如图5所示为本发明实施例一种发射机的结构示意图。
包括信号处理单元501，信号放大单元502，信号发射单元503，所述信号处理单元501将处理后的信号传至信号放大单元502，经放大后，由所述信号发射单元503将放大后的信号发射至空间，所述信号放大单元502为上述实施例所描述的功率放大器。
其中所述的发射机可以应用于例如基站，应用了本发明实施例的功率放大器可以保证发射机或者基站的输出功率线性。
本发明的实施例的有益效果在于，由于峰值功放功率管的额定功率大于主功放功率管的额定功率，可以调整饱和功率输出时峰值功放和主功放的功率输出比，当饱和功率输出时，峰值功放的额定功率大于主功放的额定功率时，功放的效率曲线最高点将有更大的回退。
通过在峰值功放前增加驱动级(即峰值功放驱动)，能够使峰值功放驱动的功率管开启前的静态电流泄漏远小于峰值功放的功率管，峰值功放打开之前，功放的效率得到提高。
并且，考虑到传统对称Doherty由于峰值功放偏置在C类，增益、输出功率不足从而必须提前打开，导致效率降低。本发明实施例的功率放大器采用非对称结构，通过选择合适的功率管、调整主功放和峰值功放的功率分配提高了峰值功放的输出功率，使主功放和峰值功放的输出效率更高，而且峰值功放的输出可以满足主功放饱和后功放仍保持良好的线性。饱和功率输出时，峰值功放和主功放输出功率相同，可以保证功放在饱和功率输出时，主功放和峰值功放全部工作在最佳状态。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率放大器，其特征在于包括：
功率分配单元、第一功放支路、第二功放支路、阻抗变换单元，所述第一功放支路及所述第二功放支路的输入端分别与功率分配单元的两个输出端耦合，所述第一功放支路的输出端通过所述阻抗变换单元与所述第二功放支路的输出端耦合；
所述阻抗变换单元，用于第一功放支路的输出阻抗的变换，其中，所述阻抗变换单元为微带线；
所述功率分配单元用于向所述第一功放支路和第二功放支路的输入端输出分配后的功率信号；
所述第一功放支路包括：主功放，用于放大所述第一功放支路接收到的所述功率信号，并通过所述第一功放支路的输出端输出放大后的功率信号；
所述第二功放支路包括：顺序串联的峰值功放驱动、第一级间匹配单元和峰值功放，所述峰值功放驱动用于接收并放大所述功率信号后，将所述峰值功放驱动放大后的功率信号通过所述第一级间匹配单元输出至所述峰值功放，所述峰值功放用于放大所述峰值功放驱动放大后的功率信号，并通过所述第二功放支路的输出端输出放大后的功率信号，其中，所述第一级间匹配单元，用于匹配所述峰值功放驱动与所述峰值功放的阻抗；所述峰值功放驱动的额定功率小于所述峰值功放的额定功率；
其中，所述峰值功放的额定功率大于所述主功放的额定功率；在所述第一功放支路达到饱和时，所述第二功放支路开始放大接收到的所述功率信号。
2.根据权利要求1所述的一种功率放大器，其特征在于，所述第一功放支路还包括主功放驱动和第二级间匹配单元；所述主功放驱动、所述第二级间匹配单元和所述主功放顺序串联；所述主功放驱动，用于接收并放大所述第一功放支路接收到的所述功率信号后，将所述主功放驱动放大后的功率信号通过所述第二级间匹配单元输出至所述主功放；所述主功放还用于放大所 述主功放驱动放大后的功率信号，并通过所述第一功放支路的输出端输出放大后的功率信号，其中所述第二级间匹配单元，用于匹配所述主功放驱动与所述主功放的阻抗；所述主功放驱动的额定功率小于所述主功放额定功率。
3.根据权利要求2所述的一种功率放大器，其特征在于，所述峰值功放驱动的增益大于所述主功放驱动的增益。
4.根据权利要求1所述的一种功率放大器，其特征在于，所述峰值功放的增益大于所述主功放的增益。
5.根据权利要求1所述的一种功率放大器，其特征在于，所述功率分配单元是不对称的功分器。
6.根据权利要求1所述的一种功率放大器，其特征在于，所述主功放驱动为多个串联的功率放大器，所述峰值功放驱动为多个串联的功率放大器。
7.根据权利要求1所述的一种功率放大器，其特征在于，所述主功放和主功放驱动偏置在AB类，所述峰值功放和峰值功放驱动偏置在B类或C类。
8.一种发射机，包括信号处理单元，信号放大单元，信号发射单元，所述信号处理单元将处理后的信号传输至所述信号放大单元，经所述信号放大单元放大后，由所述信号发射单元将放大后的信号发射至空间，其特征在于所述信号放大单元为如权利要求1至7任一项所述的功率放大器。 
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