CN101904089B - 具有最小输出网络的3路Doherty放大器 - Google Patents
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Abstract
3路Doherty放大器具有放大器输入和放大器输出。放大器具有主级、第一峰级和第二峰级。放大器具有：将放大器输入与级的输入相连的输入网络，以及将级与放大器输出相连的输出网络。输出网络实现了：主级的输出与放大器输出之间90°的相移；第一峰级的输出与放大器输出之间180°的相移；以及第三输出与放大器输出之间90°的相移。
Description
技术领域
本发明涉及包括3路Doherty放大器的电子设备，所述3路Doherty放大器具有放大器输入和放大器输出，其中，放大器具有主级、第一峰级和第二峰器件；放大器具有将放大器输入与主级的第一输入、第一峰级的第二输入以及第二峰级的第三输入相连的输入网络；并且放大器具有将主级的第一输出、第一峰级的第二输出以及第二峰级的第三输出与放大器输出相连的输出网络。
背景技术
如已知的，典型的Doherty放大器具有两个放大级，这两个放大级并列布置并且具有相同的功率容量。第一级(主级)工作在AB类放大器模式下，第二级(峰级)工作在C类放大器模式下。这些级在它们的输入处和输出处通过90°相移网络分开。输出相移网络具有特定的特征阻抗Z0，特征阻抗Z0必须等于主级的最佳负载阻抗RLm。分割输入信号以驱动两个放大器，称作“阻抗反相器”或“Doherty组合器”的求和网络用于：a)组合两个输出信号，b)校正两个输出信号之间的相位差，以及c)在Doherty放大器的输出处提供相对于从主级的输出来看的阻抗的反相阻抗。
典型的Doherty放大器是具有主级和单个峰级的所谓的2路放大器。多路(或N路)Doherty放大器具有主级和并列操作的多个峰级。多路Doherty***的优点是，多路Doherty***使回退(back-off)水平远远超过对称的2路设计，而不呈现出在效率峰化点之间效率的显著下降。因此，可以在12dB的功率回退下提高效率，而不是像对称的2路Doherty放大器那样在6dB回退下提高效率。目前，诸如3G-LTE(第三代长期演进)和WiMAX(微波接入全球互通)之类的新的通信***需要12dB功率回退。典型的3路Doherty在主级及其第一峰级的输出之间需要四分之一波长线，并且在第一峰级和附加峰级的输出之间也需要四分之一波长线。这使得这种Doherty***的设计非常复杂。此外，这种设计需要大的空间来容纳它，可以预测大规模生产样本将表现出非常不一致的特性。
典型地，使用相应的功率晶体管来实现主级和峰级，其中每个功率晶体管对应相应的级。
发明内容
通过添加第二峰级将2路Doherty放大器(具有主级和单个峰级)扩展成3路Doherty放大器，可以提高2路Doherty放大器的效率。这主要有利于具有较大峰均比的输入信号。这种传统3路Doherty放大器的问题是：主级的负载线调制在特定功率水平处停止，导致主级严重饱和，从而使Doherty放大器的输入和输出之间的线性度显著劣化。避免这种劣化的典型方式是：在输入处使用复杂的驱动设置，从而提高输入分路器的复杂度。另一问题是：如果主级和峰级具有同样的配置，则相对于对称的2路Doherty放大器得到很小的改进。这强制设计者选择不同的晶体管尺寸，从而导致复杂的器件选择过程。
现在参考公开“A Mixed-Signal Approach Towards Linear andEfficient N-Way Doherty Amplifiers”，W.C.Edmund Neo，Jawad Qureshi，Marco J.Pelk，John R.Gajadharsing and Leo C.N.de Vreede，IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.55，No.5，pp866-879，May 2007。在该公开中，作者将N路Doherty放大器的输出网络建模成(N+1)端口网络。建模使得可以针对给定的(N-1)个自由选择高效率功率回退点的集合来找出输出网络的合适参数以及驱动电流的相关函数特性。这应当提供Doherty放大器的总输出功率，该总输出功率线性依赖于输入功率(或与输入电压的平方成比例)，同时在峰值水平和N-1回退功率水平下使总漏极效率最大化。
发明人现在考虑4端口网络来建模3路Doherty放大器的一般输出网络。输出网络优选地被配置为使得总体上，一方面在主级的输出与Doherty放大器的输出之间实现实变换(与具有虚部的复变换相对)，另一方面在峰级的输出与Doherty放大器的输出之间实现实变换。Doherty放大器的负载被看作是电阻，即，实值负载。如果变换具有虚部，则功率效率将降低。然后可以通过添加补偿元件来补偿这一点，但是这将提高设计的复杂度和成本。本发明还具体目的在于使输出网络的组件数目最小化。
上述建模令发明人提出了一种N路Doherty放大器，通过在输入网络处使用简单的无源分路器并且在具体实施例中使用最少的组件实现输出网络，该N路Doherty放大器的输出网络使得可以在整个动态范围上实现负载线调制。发明人还将该总体构思应用于四分之一波长传输线实施例中以及集总元件实施例中的3路Doherty放大器。
更具体地，发明人提出了一种如权利要求1所述的电子设备。本发明的电子设备包括N路Doherty放大器，所述N路Doherty放大器具有放大器输入和放大器输出。数量N是大于2的整数。放大器具有主级和有序排列的(N-1)个峰级。(N-1)个峰级包括至少第一峰级和第二峰级。放大器具有输入网络，输入网络将放大器输入连接至主级的第一输入以及各个峰级的相应输入。放大器具有输出网络，输出网络一方面将主级的第一输出连接至放大器输出，另一方面将(N-1)个峰级中各个峰级的相应输出连接至放大器输出。输出网络实现主级所经历的第一阻抗，在第一输出与放大器输出之间具有90°的第一相移。输出网络实现(N-1)个峰级中相应的一个峰级所经历的相应的另外阻抗，在相应的峰级的输出与放大器输出之间具有相应的另外相移。针对一个特定峰级的每一个特定的另外相移比有序排列中排在下一个的另一峰级的另一另外相移大90°。输入网络实现第二阻抗，在放大器输入与主级的第一输入之间具有90°的(N-2)倍的第二相移。输入网络实现相应的附加阻抗，在放大器输入与相应峰级的相应输入之间具有相应的一个附加相移。每一个针对一个特定峰级的特定的附加相移比有序排列中前一个峰级的附加相移大90°。在放大器输出与第一峰级之间的附加相移是0°。
在实施例中，第一阻抗、第二阻抗、另外阻抗以及附加阻抗中的每一个是以相应的四分之一波长传输线来实现的。
本发明的电子设备的实施例包括3路Doherty放大器，所述3路Doherty放大器具有放大器输入和放大器输出。放大器具有主级、第一峰级和第二峰级。放大器具有输入网络，输入网络将放大器输入连接至主级的第一输入、第一峰级的第二输入以及第二峰级的第三输入。放大器具有输出网络，输出网络将主级的第一输出、第一峰级的第二输出以及第二峰级的第三输出连接至放大器输出。输出网络实现主级所经历的第一阻抗，在第一输出与放大器输出之间具有90°的第一相移；输出网络实现第一峰级所经历的第二阻抗，第二输出与放大器输出之间有180°的第二相移；输出网络实现第二峰级所经历的第三阻抗，第三输出与放大器输出之间有90°的第三相移。输入网络优选地具有在放大器输入与第一输入之间的第四阻抗以及在放大器输入与第三输入之间的第五阻抗，第四和第五阻抗各自都提供90°的相移。
90°奇数倍(例如，270°)的相移而不是仅90°的相移是可行的，但是这将导致功率损失和带宽减小。
在本发明的3路Doherty放大器的传输线实施例中，输出网络包括：连接在第一输出与放大器输出之间的第一四分之一波长传输线；连接在第二输出与第三输出之间的第二四分之一波长传输线；以及连接在第三输出与放大器输出之间的第三四分之一波长传输线。
在本发明的集总元件实施例中，输出网络包括：在第一输出与信号地之间的第一电容器；在第二输出与信号地之间的第二电容器；在第三输出与信号地之间的第三电容器；在放大器输出与信号地之间的第四电容器；在第一输出与放大器输出之间的第一电感器；在第二输出与第三输出之间的第二电感器；以及在第三输出与放大器输出之间的第三电感器。
从而，在传输线实施例和集总元件实施例中都使用的阻抗值主要依赖于所选的功率回退点。
因此，本发明提供了一种新的方法，将主级、第一峰级和第二峰级的输出相组合，以便使得可以在整个动态范围上实现负载线调制并且避免严重的非线性特性。这种新的组合方法允许使用简单的无源分路器。新的组合方法以小于三个器件大小在大的回退下提供了高瞬时效率。新的组合方法使得可以仅以单个器件大小在6dB回退以及在9.5dB回退下实现高瞬时效率。
在本文全文中，以数字的形式将相移表示为0°、90°或180°。这些数值将分别被理解为覆盖0°、90°和180°左右的度数范围，意味着针对Doherty放大器在实际应用中的所有实际用途，相移分别采取被看作是0°、90°和180°的数值。
附图说明
参考附图以示例的方式更详细地说明本发明，附图中：
图1是传统3路Doherty放大器的图；
图2是说明了图1的放大器的操作的电路图；
图3是Doherty放大器的图，所述Doherty放大器的输出网络被建模为一般的4端口网络；
图4是以四分之一波长传输线实现的本发明的Doherty放大器的图；
图5是说明了图4的放大器的操作的电路图；
图6是以集总元件实现的本发明Doherty放大器的图；以及
图7是本发明的N路Doherty放大器的图。
在所有附图中，相似或相应的特征由相同的参考数字来表示。
具体实施方式
可以通过以附加的峰级来扩展2路Doherty放大器使得形成3路Doherty放大器，来提高2路Doherty放大器的效率。传统3路Doherty放大器的一个问题是：主级的负载线调制在特定功率水平处停止，导致主级严重饱和并且线性度严重劣化。避免这种问题的一种方式是在3路Doherty放大器的输入网络处使用复杂的驱动设置，从而提高输入分路器的复杂度。另一问题是，如果使用三个同样的晶体管器件来实现三个级，则相对于对称的2路Doherty放大器得到很小的改进。从而强制设计者选择不同的晶体管功率尺寸，对于3路Doherty放大器的独立配置引起复杂的选择过程。本发明现在解决这两个问题。
图1是传统3路Doherty放大器100的图，该传统3路Doherty放大器100具有放大器输入102、放大器输出104、输入网络106、输出网络108、主级110、第一峰级112和第二峰级114。输入网络包括分路器116，分路器116用于在级110、112和114之间分配在输入102处接收到的输入信号的功率。输入网络还包括：在输入102与第一峰级112的输入之间的阻抗118；以及在输入102与第二峰级114的输入之间的阻抗120。输出网络108在主级110的输出与输出104之间包括阻抗122和阻抗124的串联布置。第一峰级112的输出连接在阻抗122和124之间，第二峰级114的输出连接至输出104。放大器100用于驱动由电阻126表示的负载126。
在输出网络108中组合来自级110、112和114的输出信号的方式使得主级110的负载调制混乱，从而在仅以无源组件来实现分路器116的情况下导致严重饱和以及线性度的严重劣化。
图2是用于说明3路Doherty放大器100的操作的电路图。放大器100的操作可以分成三个主要区域。在低功率水平处，输入功率低于峰级112和114的阈值水平，主级110是向负载126提供电流的唯一器件。由于双阻抗反相器112和124，使得在主级110的输出处存在的阻抗确保了主放大器110完全在主放大器110的最大峰值功率容量以下进入电压饱和，并达到主放大器110的最大效率点。这导致了回退中的第一峰值效率点。如果输入功率水平超过第一峰级112的阈值水平(转变点)，则级112开始传递电流，该电流与来自主级110的电流同相地施加在阻抗122与124之间的节点128处，并且被传递至等效负载Zo4 2/RLoad，从而提高了节点128处的RF输出电压。因此，阻抗反相器122的输出所看到的视在阻抗高于节点128处的实际等效负载阻抗。由于这种有源负载牵引效应，主级110的输出所看到的阻抗减小而其功率贡献增大。来自级110和112的输出功率随着信号电平的提高而增大，直到第一峰级112也进入电压饱和为止。这导致回退中的第二峰值效率点。节点128处电压饱和的结果是在主级110处出现电流饱和，导致负载线调制混乱。对于输入功率范围的其余部分，主级110经历过度驱动从而导致严重的饱和以及严重的线性度劣化。避免这种情况的一种方式是使用有源驱动设置，这使得电路的复杂度显著提高。如果输入功率水平超过第二峰级114的阈值水平，则级114开始传递电流，该电流与来自第一峰级114和来自主级110的电流同相地施加在输出104处。这导致负载126处的RF输出电压进一步提高。
来自每个峰级112和114的输出功率随着信号电平的增大而增大，直到到达峰值功率容量为止。在第一转变点与峰值功率之间的区域内，主级110的效率保持在其最大值。在第二转变点与峰值功率之间，第一峰级112的效率保持在其最大值。在第二峰级114的最大峰值功率水平下，第二峰级114的效率在零与其最大值之间变化。三路Doherty放大器100从而呈显出三个效率峰化点。
图3是一般3路Doherty放大器300的图，该3路Doherty放大器300的输出网络108被建模为四端口网络。网络108包括阻抗301、302、303、304、305、306、307、308、309和310。阻抗301-310表示以下项目中任何一对项目之间的所有可能互连：级110、112和114的输出、输出104以及信号地。输入网络106包括阻抗311、312和313，阻抗311、312和313分别将分路器116连接至级110、112和114的输入。
阻抗的(复)值以及从而阻抗的相移特性依赖于所选的功率回退点，所述功率回退点确定了主级110与第一和第二峰级112和114之间功率(X1、X2和X3)的分布。
图4是本发明中3路Doherty放大器的第一实施例400的图，认为该3路Doherty放大器使用最小数目的传输线，这里是三条四分之一波长传输线406、408和410。输入网络106在输入102与主级110的输入之间使用四分之一波长传输线402，在输入102与第二峰级112的输入之间使用四分之一波长传输线404。认为主级110和峰级112和114是理想的电压控制的电流源。
如前述的，阻抗值依赖于功率回退点。可以独立地确定输出网络108中由级110-114引起的电流，并然后线性地组合这些电流，这是因为输出网络108是线性网络。
图5是说明3路Doherty放大器400的操作的电路图。
放大器400的操作可以分成三个主要区域。在输入功率低于峰级112和114的阈值水平的低功率水平处，主级110是向负载126提供电流的唯一器件。由于阻抗反相器406，使得在主级110的输出处存在的阻抗确保了主级110完全在主级110的最大峰值功率容量以下进入电压饱和，并达到主级110的最大效率点。这导致了回退中的第一峰值效率点。如果输入功率水平超过第一峰级112的阈值水平(转变点)，则级112开始向负载126传递电流，该电流与来自主级110的电流同相地施加节点104处，从而提高了负载126处的RF输出电压。因此，阻抗反相器406的输出所看到的视在阻抗高于实际负载阻抗。由于这种有源负载牵引(active load-pulling)效应，主级110的输出所看到的阻抗减小而其功率贡献增大。来自级110和112的输出功率随着信号电平的提高而增大，直到第一峰级112完全在第一峰级112的最大峰值功率容量以下进入电压饱和为止。这导致回退中的第二峰值效率点。如果输入功率水平超过第二峰级114的阈值水平，则级114开始传递电流，该电流首先与来自第一峰级的电流同相地施加在节点412处，然后与来自主级110的电流同相地施加在节点104处，这导致负载126处的RF输出电压进一步提高。因此，在整个功率范围上调制主级110的负载。来自级110、112和114的输出功率随着信号电平的增大而增大，直到达到峰值功率容量为止。在第一转变点与峰值功率之间的区域内，主级110的效率保持在其最大值。在第二转变点与峰值功率之间第一峰级112的效率保持在其最大值。在第二峰级114的最大峰值功率水平下，第二峰级114的效率在零与其最大值之间变化。
因此，3路Doherty放大器400呈现出三个效率峰化点。
图6是本发明中3路Doherty放大器的第二实施例600的图，认为该3路Doherty放大器在输出网络108中使用最小数目的集总元件。在实施例600中，输出网络108包括：在主级110的输出与信号地之间的第一电容器602；在第一峰级112的输出与信号地之间的第二电容器604；在第二峰级114的输出与信号地之间的第三电容器606；在输出104与信号地之间的第四电容器608；在主级110的输出与输出104之间的第一电感器610；在第一峰级112的输出与第二峰级114的输出之间的第二电感器612；以及在第二峰级114的输出与输出104之间的第三电感器614。输入网络106使用：在输入102与主级110的输入之间的阻抗402，在输入102与第二峰级112的输入之间的阻抗404，阻抗402和阻抗404用于提供90°相移。
功能上，实施例600的操作等同于参考图5而描述的操作。
图7是本发明的N路Doherty放大器700的图。通常可以使用对称方式将以上针对3路Doherty放大器400和600而描述的构思扩展到多路Doherty放大器。放大器700包括输入网络106、输出网络108、主级110、第一峰级112、第二峰级114以及(N-3)个其他峰级(为了不使附图显得混乱，仅示出了峰级702和峰级704)。如标记“X1dB”，“X2dB”，“X3dB”，...，“XN-1dB”和“XN dB”所指示的，分路器116在级110，112，114，...，702和704之间分发功率。输入网络106包括：阻抗706，阻抗708，...，阻抗710和阻抗712。阻抗706连接在放大器输入102与主级110的输入之间。阻抗706将输入102处的信号相移90°的(N-2)倍。阻抗708连接在放大器输入102与第二峰级114的输入之间。阻抗708将输入102处的信号相移90°。阻抗710连接在放大器输入102与峰级702的输入之间。阻抗710将输入102处的信号相移90°的(N-3)倍。阻抗712连接在放大器输入102与峰级704的输入之间。阻抗712将输入102处的信号相移90°的(N-2)倍。如以上参考图4的放大器400和图6的放大器600所讨论的，输出网络108具有连接在主级110与输出104之间的阻抗406并实现90°相移。输出网络108还包括在第一峰级112的输出与输出104之间的(N-1)个阻抗714，716，...，718和720的串联布置。每一个相应的放大器114，...，702和704的输出连接在阻抗714-720中相应的一对相邻阻抗之间。从图中可以看出，N路Doherty放大器700的配置示出了便于使电路布局最优化的固有规律性和对称性。
Claims (5)
1.一种包括N路Doherty放大器(400；600；700)的电子设备，所述N路Doherty放大器(400；600；700)具有放大器输入(102)和放大器输出(104)，其中：
N是大于2的整数；
放大器具有一个主级(110)和有序排列的N-1个峰级(112，114，..，702，704)；
N-1个峰级包括至少第一峰级(112)和第二峰级(114)；
放大器具有输入网络(106)，输入网络(106)将放大器输入连接至主级的第一输入以及各个峰级的相应输入；
放大器具有输出网络(108)，输出网络(108)一方面将主级的第一输出连接至放大器输出，另一方面将N-1个峰级中各个峰级的相应输出连接至放大器输出；
输出网络实现主级所经历的第一阻抗(406)，在主级的第一输出与放大器输出之间具有90°的第一相移；
输出网络实现N-1个峰级中相应的一个峰级所经历的相应的另外阻抗(408，410；714，716，...，718，720)，在相应的峰级的输出与放大器输出之间具有相应的另外相移；
每一个针对一个特定峰级的特定的另外相移比有序排列中排在下一个的另一峰级的另一另外相移大90°；
输入网络实现第二阻抗(402；706)，在放大器输入与主级的第一输入之间具有90°的N-2倍的第二相移；
输入网络实现相应的附加阻抗(404；708，710，712)，在放大器输入与相应峰级的相应输入之间具有相应的一个附加相移；
每一个针对一个特定峰级的特定的附加相移比有序排列中前一个峰级的附加相移大90°；以及
在放大器输入与第一峰级之间的附加相移是0°。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，第一阻抗、第二阻抗、另外阻抗以及附加阻抗中的每一个是以相应的四分之一波长传输线来实现的。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，N等于3。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，N等于3。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，输出网络包括：
第一电容器(602)，在主级的第一输出与信号地之间；
第二电容器(604)，在第一峰级的输出与信号地之间；
第三电容器(606)，在第二峰级的输出与信号地之间；
第四电容器(608)，在放大器输出与信号地之间；
第一电感器(610)，在主级的第一输出与放大器输出之间；
第二电感器(612)，在第一峰级的输出与第二峰级的输出之间；以及
第三电感器(614)，在第二峰级的输出与放大器输出之间。
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