CN108111129A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在较广范围的输出功率电平上可实现高效率且小型化的功率放大器。功率放大器包括：分配器，其将从输入部输入的第一信号分配为第二信号和比第二信号大致延迟度(是满足的实数)的第三信号；第一放大器，其在第一信号的功率电平为第一电平以上的区域中将第二信号放大来输出第四信号；第二放大器，其在第一信号的功率电平为高于第一电平的第二电平以上的区域中将第三信号放大来输出第五信号；第一移相器，其输入有第四信号，输出比第四信号大致延迟度的第六信号；第二移相器，其输入有第五信号，输出比第五信号大致提前度的第七信号；以及合成部，其将第六及第七信号合成，来输出第一信号的放大信号。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及一种功率放大器。
背景技术
多赫蒂放大器作为高效率的功率放大器(power amplifier)为人所知。多赫蒂放大器一般由与输入信号的功率电平无关地工作的载波放大器和在输入信号的功率电平较低时关闭、较高时开启的峰值放大器并联连接而构成。而且，当输入信号的功率电平较高时，载波放大器以饱和输出功率电平维持着饱和并工作。由此，与通常的功率放大器相比，多赫蒂放大器能够提高效率。
作为这样的多赫蒂放大器的变形例，例如非专利文献1中公开了与普通多赫蒂放大器相比能够使提高效率的输出功率电平的范围较广的多赫蒂放大器。另外，专利文献1中公开了不使用普通多赫蒂放大器中使用的λ/4线路而构成的多赫蒂放大器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2016-19228号公报
非专利文献
非专利文献1：2001年、IEEE微波理论与技术学报(IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES)、第49卷、第12期、第2472-2479页、Masaya Iwamoto,Aracely Williams,Pin-Fan Chen,Andre G.Metzger,Lawrence E.Larson,PeterM.Asbeck等人的“An Extended Doherty Amplifier With High Efficiency Over a WidePower Range(宽功率范围内的高效率多赫蒂放大器)”
发明内容
本发明所要解决的技术问题
非专利文献1中公开的多赫蒂放大器能够在以载波放大器与峰值放大器的合成饱和输出电平为基准时、将至载波放大器变为饱和状态(即，载波放大器高效率地工作)的点为止的范围(以下，也仅称作补偿量)提供得较宽。然而，该多赫蒂放大器包括λ/4线路，因此不适合于手机等对小型化要求严格的设备。另一方面，专利文献1中公开的多赫蒂放大器不使用λ/4线路而构成，因此能够实现电路的小型化。然而，该多赫蒂放大器的上述补偿量比较小。从而，例如对于峰值功率与平均功率比(PAPR：Peak to Average Power Ratio)较高的信号，载波放大器不是在高效率的状态下工作，限制了效率的提高。
本发明是鉴于以上技术问题而作出的，其目的在于提供一种在较广范围的输出功率电平上可实现高效率且小型化的功率放大器。
解决技术问题所采用的技术方案
根据本发明的一方面的功率放大器包括：分配器，其将从输入部输入的第一信号分配为第二信号和比第二信号大致延迟度(是满足 的实数)的第三信号；第一放大器，其在第一信号的功率电平为第一电平以上的区域中将第二信号放大来输出第四信号；第二放大器，其在第一信号的功率电平为高于第一电平的第二电平以上的区域中将第三信号放大来输出第五信号；第一移相器，其输入有第四信号，输出比第四信号大致延迟度的第六信号；第二移相器，其输入有第五信号，输出比第五信号大致提前度的第七信号；以及合成部，其将第六及第七信号合成，来输出第一信号的放大信号。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在较广范围的输出功率电平上可实现高效率且小型化的功率放大器。
附图说明
图1是示出作为本发明一实施方式的功率放大器100的结构例的图。
图2是示出载波放大器及峰值放大器的工作特性的一例的图。
图3是示出载波放大器及峰值放大器均开启的状态的图。
图4是示出载波放大器开启、峰值放大器关闭的状态的图。
图5是示出移相器140、141的阻抗变换比n与相位差的关系的曲线图。
图6是示出移相器140、141的阻抗变换比n与补偿量的关系的曲线图。
图7是示出作为本发明一实施方式的功率放大器100的另一结构例的图。
图8是示出功率放大器100及比较例的功率附加效率的模拟结果的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行具体说明。再者，对相同要素标记相同标记并省略重复说明。
图1是示出作为本发明一实施方式的功率放大器100的结构例的图。功率放大器100例如搭载于手机，用来放大向基站发送的信号的功率。功率放大器100能够放大例如2G(第二代移动通信***)、3G(第三代移动通信***)、4G(***移动通信***)、5G(第五代移动通信***)、LTE(Long Term Evolution：长期演进)-FDD(Frequency DivisionDuplex：频分复用)、LTE-TDD(Time Division Duplex：时分复用)、LTE-Advanced、LTE-Advance Pro等通信标准的信号的功率。再者，功率放大器100放大的信号的通信标准不限于此。
功率放大器100包括初级放大器110、载波放大器111、峰值放大器112、匹配电路(MN：Matching Network)120，121、分配器130、移相器140、141以及合成部150。功率放大器100包括的各个结构要素可以形成在同一基板上，也可以形成在多个基板上。
初级放大器110(第三放大器)将通过匹配电路120输入的无线频率(RF：RadioFrequency)信号RFin(输入信号)放大，并输出放大信号(第一信号)。信号RFin的频率例如为数GHz左右。初级放大器110无特别限定，例如由异质结双极晶体管(HBT：HeterojunctionBipolar Transistor)等双极晶体管、或者场效应晶体管(MOSFET：Metal-oxide-semiconductor Field Effect Transistor)等晶体管构成。再者，后文所述的载波放大器111及峰值放大器112中也一样。
载波放大器111、峰值放大器112、分配器130、移相器140、141以及合成部150是将从初级放大器110输出的信号(第一信号)放大的第二级放大电路，具有与普通多赫蒂放大器类似的结构。
分配器130将从初级放大器110输出的信号(第一信号)分配为至载波放大器111的信号(第二信号)和至峰值放大器112的信号(第三信号)。具体而言，分配器130包括电感器L1、输入部160、电容器C5(第三电容器)、C6(第四电容器)、电阻元件R1以及移相器142、143。根据电容器C5、C6的电容值的比来将输入至输入部160的信号RFin分配给载波放大器111侧的路径及峰值放大器112侧的路径。电容器C5、C6可以是大致相同的电容值，也可以是不同的电容值。当电容器C5、C6为大致相同的电容值时，将信号RFin大致均等地分配，分配器130起3dB分配器的功能。再者，分配器130的结构不限于此，例如也可以使用耦合线路3dB耦合器等分布常数电路。
移相器142(第三移相器)包括串联连接在电容器C5与载波放大器111之间的电容器C3(第五电容器)以及一端电连接至电容器C3与电容器C5的连接点且另一端接地的电感器L4(第三电感器)。移相器142输出相比输入的信号RFin(第一信号)相位提前大致度(是满足的实数，以下的也一样)的信号(第二信号)。
移相器143(第四移相器)包括串联连接在电容器C6与峰值放大器112之间的电感器L5(第四电感器)以及一端电连接至电容器C6与电感器L5的连接点且另一端接地的电容器C4(第六电容器)。移相器143输出相比输入的信号RFin(第一信号)相位延迟大致度的信号(第三信号)。
由移相器142、143向峰值放大器112输入的信号的相位为比向载波放大器111输入的信号的相位延迟大致度的信号。再者，通过对电容器C3、C4以及电感器L4、L5的常数进行设计，能够调整相位差。
载波放大器111(第一放大器)将输入的信号(第二信号)放大，并输出放大信号(第四信号)。另外，峰值放大器112(第二放大器)将输入的信号(第三信号)放大，并输出放大信号(第五信号)。本实施方式中，例如使载波放大器111偏置从而成为AB类，使峰值放大器112偏置从而成为C类。
图2是示出载波放大器111及峰值放大器112的工作特性的一例的图。图2中，横轴示出了信号RFin的电压，纵轴示出了各放大器的电流。如图2所示，载波放大器111无关信号RFin的电压电平地工作。即，载波放大器111无关信号RFin的功率电平地(即，在功率电平为0(第一电平)以上的区域中)工作。另一方面，峰值放大器112在信号RFin的电压电平为低于最大电平VMAX规定电平的电平VBACK(第二电平)(补偿点)以上的区域中工作。即，峰值放大器112在信号RFin的电压电平为低于最大电平规定电平(例如，6dB左右)且高于0(第一电平)的电平(第二电平)以上的区域中工作。
返回至图1，移相器140(第一移相器)包括串联连接在载波放大器111与合成部150之间的电感器L2(第一电感器)以及一端电连接至合成部150且另一端接地的电容器C1(第二电容器)。本实施方式中，电感器L2的电感被设定为L＝{√(n-1)}RL/ω。再者，ω是对应于信号RFin的中心频率的角频率，RL如后文所述那样为载波放大器111及峰值放大器112均处于开启的状态时从各放大器的输出看到的移相器侧的阻抗，n为移相器140及移相器141的阻抗变换比(n为满足n＞2的实数)。移相器140输出相比从载波放大器111输出的信号(第四信号)相位延迟大致度的信号(第六信号)。
移相器141(第二移相器)包括串联连接在峰值放大器112与合成部150之间的电容器C2(第一电容器)以及一端电连接至合成部150且另一端接地的电感器L3(第二电感器)。本实施方式中，电容器C2的电容被设定为C＝1/{√(n-1)}RLω。移相器141输出相比从峰值放大器112输出的信号(第五信号)相位提前大致度的信号(第七信号)。即，信号经由移相器140、141，从而偏差大致度的相位得以一致。再者，通过对电容器C1、C2以及电感器L2、L3的常数进行设计，能够调整相位差。
合成部150将从移相器140输出的信号(第六信号)与从移相器141输出的信号(第七信号)合成，通过匹配电路121将该合成后的信号作为信号RFin的放大信号RFout输出。
图3是示出载波放大器111及峰值放大器112均开启且电流相等的状态、即、信号RFin为VMAX的状态(以下，也称作合成饱和输出电平)的图。在此情况下，峰值放大器112开启，且流过与载波放大器111相同的电流。在此，使从载波放大器111的输出看到的移相器140侧以及从峰值放大器112的输出看到的移相器141侧的阻抗为RL。当移相器140及移相器141的阻抗变换比为n(n为满足n＞2的实数)时，从移相器140或移相器141看到的合成部150侧的阻抗为nRL。另外，由于移相器140及移相器141为并联连接，所以从合成部150看到的负载侧(匹配电路121侧)的阻抗为nRL/2。
即，移相器140使信号的相位延迟大致度的同时进行从载波放大器111的输出看到的负载侧的阻抗(RL)与从移相器140的输出看到的负载侧的阻抗(nRL)之间的阻抗变换。另外，移相器141使信号的相位提前大致度的同时进行从峰值放大器112的输出看到的负载侧的阻抗(RL)与从移相器141的输出看到的负载侧的阻抗(nRL)之间的阻抗变换。
图4是示出载波放大器111开启且峰值放大器112关闭的状态、即、信号RFin为VBACK以下的区域中的状态的图。在此情况下，由于峰值放大器112关闭，所以峰值放大器112的输出侧的阻抗理想上为开启。在此，电容器C1及电感器L3在中心频率上共振，因此可省略，所以若使从合成部150看到的负载侧(匹配电路121侧)的阻抗为nRL/2，则从电感器L2的输出看到的负载侧的电感也为nRL/2。从而，从载波放大器111的输出看到的负载侧的阻抗为nRL/2+jω×{√(n-1)}RL/ω＝nRL/2+j×{√(n-1)}RL。
根据这样的结构的功率放大器100，在信号RFin的功率电平比较低的区域(未达到补偿点的区域)，仅载波放大器111工作。另外，在信号RFin的功率电平比较高的区域(补偿点以上的区域)，载波放大器111及峰值放大器112双方工作。这样，通过包括在饱和输出功率附近维持着饱和并工作的载波放大器111，从而与仅使用A类或AB类的放大器的结构相比、在从合成饱和输出电平减去补偿量的区域中效率也得以改善。
图5是示出移相器140、141的阻抗变换比n与相位差的关系的曲线图。图5所示的曲线图中，横轴表示了移相器140、141的阻抗变换比(n)，纵轴表示了向载波放大器111输入的信号与向峰值放大器112输入的信号的相位差(deg)。
本实施方式中，移相器140的相位的变化量(度)用+tan-1{√(n-1)}表示。另外，移相器141的相位的变化量(度)用-tan-1{√(n-1)}表示。从而，向载波放大器111输入的信号与向峰值放大器112输入的信号的相位差用表示。即，理论上，相位差随着n的增大而向180度渐进(参照图5)。再者，由于n为满足n＞2的实数，所以满足
图6是示出移相器140、141的阻抗变换比n与补偿量的关系的曲线图。图6所示的曲线图中，横轴表示了移相器140、141的阻抗变换比(n)，纵轴表示了功率放大器100的补偿量(dB)。在此，功率放大器100的补偿量用10log10(n)表示。
专利文献1中公开的结构(以下，也称作比较例)的相位差为90度，其相当于本说明书中使阻抗变换比n为n＝2时的结构。从而，比较例的补偿量为10log10(2)＝3dB。另一方面，本实施方式中，如上所述n为满足n＞2的实数。从而，本实施方式的补偿量大于3dB。另外，理论上补偿量随着n的增大而增大(参照图6)。
如上所述，与比较例相比，功率放大器100能够提供较广的补偿量。即，能够在较广范围的输出功率电平上达成高效率化。从而，例如对于输出功率电平较低的信号和PAPR较高的信号，也能够提高效率。
再者，如图3及图4所示，若使从匹配电路121看到的输出侧的阻抗为50Ω左右，则优选地n为满足nRL/2＜50的值。另外，若假定RL较小、为2Ω左右，则优选地n为满足n＜50的值。从而，例如实际上相位差的上限为163度左右，补偿量的上限成为17dB左右。
图7是示出作为本发明一实施方式的功率放大器100的另一结构例的图。再者，对与图1所示的功率放大器100相同的结构标记相同的标号并省略说明。功率放大器100A是使功率放大器100的阻抗变换比n为n＝4时的结构例。另外，功率放大器100A包括移相器140A、141A来替代图1所示的移相器140、141。再者，图7是示出了载波放大器111及峰值放大器112均开启且电流相等的状态、即、信号RFin为VMAX的状态。
移相器140A是与移相器140相比不包括电容器C1的结构。另外，移相器141A是与移相器141相比不包括电感器L3的结构。这样，也可以将移相器140中的电容器C1以及移相器141中的电感器L3省略。
功率放大器100A的相位差为即，载波放大器111侧的信号在分配器130中相位提前60度、在载波放大器111中被放大，其后再在移相器140A中相位延迟60度并被输出。另一方面，峰值放大器112侧的信号在分配器130中相位延迟60度、在峰值放大器112中被放大，其后再在移相器141A中相位提前60度并被输出。另外，功率放大器100A的补偿量为10log10(4)＝6dB。
利用这样的结构，功率放大器100A也能够获得与功率放大器100一样的效果。再者，阻抗变换比n的值不限于n＝4，为n＞2的实数即可。
图8是示出功率放大器100及比较例的功率附加效率的模拟结果的一例的图。图8所示的曲线图中，横轴表示了输出功率(dBm)，纵轴表示了功率附加效率(％)。图8是使功率放大器100的阻抗变换比n为n＝2(比较例)、3、4时的模拟结果。
如图8所示可知，与比较例相比，随着n的增大，效率峰值点在向输出功率较低方变化。另外，在输出功率不超过29dBm左右的范围中，与比较例相比，n＝3或n＝4时相同输出电平的功率附加效率有提高。从该模拟结果也示出了，功率放大器100随着n的增大而可提供较广的补偿量。
以上，对本发明的示例性的实施方式进行了说明。功率放大器100、100A包括：分配信号的分配器130；载波放大器111；峰值放大器112，其被输入相位比向载波放大器111输入的信号延迟了大致度的信号；使相位延迟大致度的移相器140、140A；以及使相位提前大致度的移相器141、141A。由此，与比较例相比，功率放大器100、100A能够提供较广的补偿量。即，能够在较广范围的输出功率电平上达成高效率化。从而，对于输出功率电平较低的信号和PAPR较高的信号，也能够提高效率。
另外，移相器140包含串联连接在载波放大器111与合成部150之间的电感器L2，移相器141包含串联连接在峰值放大器112与合成部150之间的电容器C2。通过对电感器L2以及电容器C2的常数进行设计，能够调整信号差(度)。
另外，移相器140、141的结构无特别限定，例如移相器140也可以包含一端电连接至合成部150且另一端接地的电容器C1，移相器141也可以包含一端电连接至合成部150且另一端接地的电感器L3。再者，如图7所示，也可以将电容器C1及电感器L3省略。
另外，功率放大器100、100A中，分配器130包括使相位提前大致度的移相器142以及使相位延迟大致度的移相器143。由此，能够输出相位互相错开大致度的信号。
另外，功率放大器100、100A中，分配器130包括一端连接至输入部160、另一端分别连接至移相器142、143的电容器C5、C6。另外，移相器142包括串联连接在电容器C5与载波放大器111之间的电容器C3以及一端电连接至电容器C3与电容器C5的连接点且另一端接地的电感器L4。另外，移相器143包括串联连接在电容器C6与峰值放大器112之间的电感器L5以及一端电连接至电感器L5与电容器C6的连接点且另一端接地的电容器C4。通过对电容器C3、C4以及电感器L4、L5的常数进行设计，能够调整信号的相位差(度)。
另外，功率放大器100、100A在分配器130的前级包括初级放大器110，从而构成两级的放大器。再者，放大器的级数不限于此，也可以为一级，也可以为三级以上。
另外，功率放大器100、100A中，也可以将分配器130、载波放大器111、峰值放大器112、移相器140、141、合成部150形成在同一基板上。
再者，以上说明的各实施方式用于使本发明容易理解，而并非用于限定解释本发明。在不脱离本发明的主旨的范围内可进行变更/改良，并且其等效物也包含在本发明内。即，只要具备本发明的特征，本领域技术人员对各实施方式施加适当设计变更而得到的方案也包含于本发明的范围内。例如，各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、大小等并不限定于示例的内容，可以进行适当变更。另外，各实施方式是示例性的，众所周知可以将不同实施方式中所示的结构进行局部置换或组合，所得到的方案只要包含本发明的特征就包含在本发明的范围内。
标号说明
100、100A 功率放大器
110 初级放大器
111 载波放大器
112 峰值放大器
120、121 匹配电路
130 分配器
140、140A、141、141A、142、143 移相器
150 合成部
160 输入部
L1、L2、L3、L4、L5 电感器
C1、C2、C3、C4、C5、C6 电容器

Claims (7)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：
分配器，该分配器将从输入部输入的第一信号分配为第二信号和比所述第二信号大致延迟度(是满足的实数)的第三信号；
第一放大器，该第一放大器在所述第一信号的功率电平为第一电平以上的区域中将所述第二信号放大来输出第四信号；
第二放大器，该第二放大器在所述第一信号的功率电平为高于所述第一电平的第二电平以上的区域中将所述第三信号放大来输出第五信号；
第一移相器，该第一移相器输入有所述第四信号，输出比所述第四信号大致延迟度的第六信号；
第二移相器，该第二移相器输入有所述第五信号，输出比所述第五信号大致提前度的第七信号；以及
合成部，该合成部将所述第六信号及所述第七信号合成，来输出所述第一信号的放大信号。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，
所述第一移相器包含串联连接在所述第一放大器与所述合成部之间的第一电感器，
所述第二移相器包含串联连接在所述第二放大器与所述合成部之间的第一电容器。
3.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，
所述第一移相器还包含一端电连接至所述合成部且另一端接地的第二电容器，
所述第二移相器还包含一端电连接至所述合成部且另一端接地的第二电感器。
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率放大器，其特征在于，
所述分配器包含：
第三移相器，该第三移相器输入有所述第一信号，输出比所述第一信号大致提前度的所述第二信号；以及
第四移相器，该第四移相器输入有所述第一信号，输出比所述第一信号大致延迟度的所述第三信号。
5.如权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，
所述分配器包含：
第三电容器，该第三电容器串联连接在所述输入部与所述第三移相器之间；以及
第四电容器，该第四电容器串联连接在所述输入部与所述第四移相器之间，
所述第三移相器包含串联连接在所述第三电容器与所述第一放大器之间的第五电容器以及一端电连接至所述第五电容器的一端且另一端接地的第三电感器，
所述第四移相器包含串联连接在所述第四电容器与所述第二放大器之间的第四电感器以及一端电连接至所述第四电感器的一端且另一端接地的第六电容器。
6.如权利要求1至5的任一项所述的功率放大器，其特征在于，
还包括第三放大器，该第三放大器将输入信号放大来输出所述第一信号。
7.如权利要求1至6的任一项所述的功率放大器，其特征在于，
所述分配器、所述第一放大器、所述第二放大器、所述第一移相器、所述第二移相器以及所述合成部被形成在同一基板上。
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