CN1781244A - 使用选择的相位长度和输出阻抗的具有增强补偿能力和功率增加效率的n路rf功率放大器电路 - Google Patents
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Abstract
公开了一种以改进效率在大功率范围上放大RF信号的RF功率放大器电路，其包括在第一功率范围上以低于大功率范围最大值的功率饱和电平放大RF信号的载波放大器。多个峰值放大器与载波放大器并联连接，每个峰值放大器在载波放大器接近饱和之后偏置，以顺序提供放大的输出信号。通过信号分配器将输入信号加到载波放大器和多个峰值放大器，并且用于接收来自载波放大器和多个峰值放大器的放大的输出信号的输出包括电阻负载R/2。分配的输入信号通过90°变换器加到载波放大器，而峰值放大器的输出通过90°变换器加到输出负载。当在饱和状态以下操作时，载波放大器将功率传递到2R的负载，且该载波放大器将电流传到该负载，在放大器饱和时，负载的电流是最大功率时电流的一半。在输出具有阻抗Z的一个实施例中，载波放大器和每个峰值放大器通过向每个放大器提供低于Z的输出阻抗的输出匹配网络连接到输出，并且每个输出匹配网络都有选择的相位长度，以降低输出阻抗的电抗。
Description
技术领域
本发明一般涉及RF功率放大器，更具体地说，本发明涉及适用于现代无线通信***的RF功率放大器电路，现代无线通信***在采用数字调制的基站中需要大的输出功率范围。
背景技术
基站中的功率放大器经常以比峰值功率小得多的输出功率电平操作。遗憾的是，补偿功率电平降低了发射机中功率放大器的效率。在常规放大器中，效率和输入驱动电平之间存在直接关系。因此，直到RF输入功率电平变得足以将放大器驱动到压缩或饱和状态，才获得高效率(DC到RF转换效率)。由于在多载波通信***中，放大器必须尽可能保持线性，因此不能使用这个高效率区域。
提供补偿功率电平中改进效率的功率放大器电路设计是多赫蒂(Doherty)放大器电路，该放大器电路组合来自主或载波放大器和辅助或峰值放大器的功率。见W.H.多赫蒂“用于已调波的新型高效率功率放大器”(Proc.IRE Vol.24，No.9，pp.1163-1182，1936)。在常规多赫蒂配置中，载波放大器10和峰值放大器12设计为，将具有最佳效率的最大功率传递到负载R(如图1A所示)。主或载波放大器是一般的B类放大器，而峰值放大器设计为只放大超过某最小阈值的信号。对于LDMOS功率晶体管，这可通过将晶体管DC偏置到低于其夹断电压以类似于C类放大器操作的方式来实现。通过特性阻抗R的四分之一波长传输线来连接两个放大器的输出，并且最佳负载R的一半负载连接到峰值放大器的输出。使用输入端的峰值放大器的四分之一波长延迟来平均地划分RF输入功率，由此确保在负载R/2处两个放大器的输出功率将会同相。
在压缩之前，多赫蒂放大器电路通过将B类载波放大器操作为大于其最佳负载两倍的视在负载阻抗来获得高效率。(在峰值放大器变得有效之前，由于存在四分之一波长变换器14，因此提供给载波放大器的视在负载阻抗是2R。)由此，载波放大器以其最大功率的一半来压缩并达到峰值效率。第二或峰值放大器仅在输入信号的峰值期间变得有效。当峰值放大器有效时，载波放大器输出处的视在负载阻抗降低。当第二放大器产生其全功率时，再次获得最大效率。由此，第一放大器保持在接近于6dB输出功率范围的饱和状态，并可维持接近峰值的效率。
当进入多赫蒂放大器电路的输入RF功率不足以导通峰值放大器时，由主或载波放大器提供所有的输出功率。当峰值放大器截止时，其输出阻抗非常高，并且载波放大器的输出功率被完全传递给负载R/2，如图1B所示。如上所述，在四分之一波长变换器14两端实际提供给载波放大器的负载是2R。因此当电压饱和时，设备电流是以最大功率传递的电流的一半。这导致设备传递其最大输出功率的一半。由于电流的RF和DC分量是其峰值的一半，因此效率将处于其最大值，其中载波放大器的最大输出功率的一半被提供给具有最大线性效率的负载。
如图1A所示，在提供足够的输入RF功率以使峰值放大器可变为饱和时，两个并联放大器均匀地向负载R/2传递最大输出功率。则每个放大器的视在负载是最佳负载R，并且四分之一波长变换器两端的负载将保持在R。峰值放大器设计为在载波放大器刚开始饱和时开始操作。此时得到最大线性效率。当输入RF驱动进一步增加时，峰值放大器开始导通，并将输出功率传递给负载。峰值放大器提供的附加电流具有增加四分之一波长变换器输出处负载阻抗的作用。变换器载波放大器端的有效变化将是视在负载阻抗的降低，并使载波放大器能够在其电压保持饱和时传递更多功率。由于峰值放大器的占空因数相对低，因此极限间的效率仅会从最大值略微下降。
已进行了扩展多赫蒂放大器电路的高效率操作范围的尝试。例如，Iwamoto等人已制造了12dB补偿电路，该补偿电路在载波和峰值放大器中使用按比例缩放的晶体管或不同大小的晶体管，并在输入端使用不均衡的功率分配器。参见Iwamoto等人的“在大的功率范围上具有高效率的扩展多赫蒂放大器”(2001 IEEE MTT-S Digest，Phoenix，AZ)。当总的输出功率很低时(低于1瓦)，该技术显然适用，但当输出功率在10-100瓦CW范围内时，该技术的改进很有限。
继续存在对扩展RF功率放大器的高效率操作范围的需要。
发明内容
根据本发明，RF功率放大器电路包括用于最大补偿功率操作的主或载波放大器，以及被适当偏置以便以增强的输入功率电平开始顺序操作的一个或多个辅助或峰值放大器。每个峰值放大器可在将维持峰值效率的功率范围内提供6dB的增加。由于需要N路分配器向载波放大器和N-1个峰值放大器提供输入信号，因此分配器中功率的有限损耗可能限制可实现的效率上的一些改进。然而，在高输入功率情况下使用峰值放大器可以改进电路的总效率。
在一个实施例中，提供了一种四路放大器电路，其包括一个载波放大器和三个峰值放大器，它们全部由四路功率分配器驱动。理论上，该放大器可将有效功率范围扩展18dB。在使用诸如宽带CDMA(W-CDMA)或OFDM的调制方案(其中峰值-平均功率比可高达13dB)的数字通信***中，有效功率范围内的这种扩展是非常重要的。与双路放大器配置相比，四路配置还可提供3dBm的总功率增加。由此，可由四路配置提供120瓦峰值放大器，其中每条放大器通路(一个载波放大器和三个峰值放大器)都使用30瓦晶体管。
根据本发明的另一个实施例，对单个负载阻抗以及载波放大器和峰值放大器的相对相位进行优化，以提高功率放大器电路的效率。在峰值放大器的输出阻抗加载了载波放大器输出阻抗的实际放大器电路中，可兼顾多赫蒂配置的输出功率、增益和效率。通过在载波放大器输出与多赫蒂组合器节点之间以及峰值放大器与该组合器节点之间引入附加相位长度，可将在RF信号功率电平范围上载波放大器或峰值放大器看到的阻抗调节为更接近最佳性能所需的阻抗的理想实际部分。
当参考附图，根据以下详细描述和所附权利要求书，本发明及本发明的目的和特征将更容易明白。
附图说明
图1A和1B是常规多赫蒂放大器电路的示意图。
图2是根据本发明实施例的四路功率放大器的示意图。
图3是根据图2的四路放大器的更详细示意图。
图4是说明根据图2和图3的模拟功率放大器的功率输出对功率输入以及功率增加效率的曲线图。
图5是具有任意阻抗的附加相位长度的双路多赫蒂放大器图。
图6A和6B是相位长度优化前后图5的放大器电路的输入功率、输出功率和PAE的曲线图。
图7A、7B和7C是具有分别与50欧姆、17欧姆和10欧姆匹配的放大器输出的180瓦多赫蒂放大器电路的输入功率、输出功率和PAE的曲线图。
具体实施方式
本发明可看作是多赫蒂功率放大器的修改，其中增加了一个或多个峰值放大器，并为主载波放大器和N-1个峰值放大器提供了N路分配器。为了便于放大器电路的实际构造，峰值放大器输入上和载波放大器输出上的多赫蒂放大器四分之一波长变换器可以交换，而不影响性能。然而，在此情况下，本领域技术人员将理解，应该调节放大器的阻抗匹配网络，以便解决四分之一波长变换器的再定位。在载波放大器输入上仅需一个单90°(四分之一波长)相位长度，从而使通过多路功率分配器可以较容易地实现多个峰值放大器。
图2是根据本发明方面的功率放大器的一个实施例的功能框图，该功率放大器包括载波放大器20和三个峰值放大器21、22、23，其中峰值放大器通过90°变换器24、25、26连接到输出负载28。单个90°变换器30将四路分配器32连接到载波20。通过将每个峰值放大器上的DC偏置设为适当值，增加的峰值放大器使得可以扩展多赫蒂作用。在组合节点27处组合载波放大器20和峰值放大器21、22、23的输出。对于以上增加的每个峰值放大器，在将维持峰值效率的功率范围上将存在相应6dB的增加。由于N路分配器中的有限损耗，将产生效率上的一些限制。四路放大器将有效功率范围扩展到18dB的理论值。如上所述，在使用峰值-平均功率比可高达13dB的调制方案的数字通信***中，这种扩展是非常重要的。与双路多赫蒂放大器电路相比，四路配置提供了3dBm的总功率增加。由此，可由四路多赫蒂配置提供120瓦峰值放大器，其中每条通路(一个载波放大器和三个峰值放大器)都使用30瓦晶体管。
图3是已用CREE Microwave公司的30瓦LDMOSFET功率晶体管模拟的根据图2的放大器的更详细示意图，该放大器包括载波放大器晶体管40和三个峰值放大器晶体管41、42、43。由双路分配器44、46和48提供输入信号的四路分配。载波放大器晶体管40包括将分配器46连接到输入匹配电路52的90°变换器50。栅偏置54、漏偏置56、输出匹配电路58以及偏移微带相位长度60串联连接在相位分配器46与包括变换器64和电阻负载65的输出62之间的放大器。如图2所示，每个峰值放大器都具有将放大器电路连接到负载的90°变换器66。谐波终端(例如接地电感器和电容器)可包含在输出匹配电路58中，以反映进入晶体管输出的输出谐波，并因此提高峰值效率。每个峰值放大器电路都有类似的输入和输出电路，当输入信号强度增加时，栅偏置电路提供峰值放大器的顺序操作。
在UMTS频带(2110-2170MHz)上使用Applied Wave Research的Microwave Office模拟器模拟图3四路放大器电路的输出功率、功率增加效率(PAE)和增益。图4示出了从23dBm扩展到43dBm(200毫瓦到20瓦)的输入功率范围(其中饱和输出接近150瓦(52dBm))上的输入RF功率对输出RF功率及PAE。当输出功率电平补偿到42dBm(10dB补偿)时，PAE是46％。对于相同的补偿功率而言，常规(即非多赫蒂)放大器电路的PAE将小于10％。双路多赫蒂放大器电路的相应PAE可以是23％。在选择峰值放大器的偏压过程中，重要的是在正确点顺序导通晶体管，以便在放大器的整个动态范围上保持增益线性。
表1示出了常规双路多赫蒂放大器电路、具有由1wamoto等人描述的不均衡功率分配的双路多赫蒂放大器电路、根据本发明实施例的三路(一个载波放大器和两个峰值放大器)以及四路分配(一个载波放大器和三个峰值放大器)之间的比较。注意到，在10dB补偿时，四路放大器实现了大约两倍于双路多赫蒂方法的PAE改进。
表1
| 配置 | SS增益，dB | P1dB，dBm | PAE@PldB，％ | PAE@7dB补偿，％ | PAE@10dB补偿，％ | 电路复杂性 |
| 具有不等功率分配的180瓦双路多赫蒂 | 13.5 | 52 | 65 | 31.5 | 20.3 | 中 |
| 具有选择的相位长度的3×60瓦双路多赫蒂 | 11 | 53.2 | 55 | 32 | 23 | 高 |
| 2×90瓦三路多赫蒂 | 11 | 52.4 | 62 | 45 | 35 | 高 |
| 2×120瓦四路多赫蒂 | 11 | 53.9 | 63 | 52 | 44 | 高 |
根据本发明实施例的N路多赫蒂放大器电路，在大的输入/输出功率电平范围上为线性功率放大器提供功率增加效率上的主要改进。由于每个晶体管的功率需求与功率晶体管的数量N成反比，因此该放大器特别适用于高功率放大器。在双路多赫蒂配置中，迫使每个晶体管的峰值功率需求是总输出功率的一半。这种情况导致载波放大器和峰值放大器的输入和输出阻抗非常低，并导致实际实现困难。在N路多赫蒂放大器电路中，每个晶体管需要具有1/N输出功率的峰值功率需求，从而导致当N大于2时输入和输出阻抗更高。此外，由于使用了更小的专用晶体管，放大器中由其余低效率产生的热量分布在更大的物理区域上，从而降低了总热阻。
如上所述，在峰值放大器的输出阻抗加载了载波放大器输出阻抗的实际放大器中，多赫蒂配置的输出功率、增益和效率可被折衷。根据本发明，通过在载波放大器的输出与组合器节点之间以及峰值放大器与组合器节点之间引入附加相位长度，可以将在RF信号功率电平范围上载波放大器或峰值放大器看到的阻抗调节为更接近最佳性能所需的理想实际阻抗。例如，在50欧姆多赫蒂配置中的低信号电平上，载波放大器希望看到100欧姆电阻，而在更高的功率电平上，峰值放大器希望看到25欧姆电阻。这在图5中示意性示出了，其中载波放大器70的输出通过传输线74、76连接到组合器节点80，每条传输线的阻抗分别为Z1、Z2，而相位长度分别为X1和90度。峰值放大器72的输出通过阻抗为Z3且相位长度为X2度的传输线78连接到组合器节点80。节点80则通过阻抗为Z4而相位为90度的传输线变换器82连接到节点84，其中节点84的阻抗是50欧姆。
在低RF功率驱动时，载波放大器希望看到100欧姆，以使它能在6dB断点处传递其正常输出功率的一半。然而，由于来自峰值放大器的寄生加载，阻抗不是100欧姆。类似地，在高RF功率驱动时，峰值放大器希望看到25欧姆。然而，来自载波放大器的寄生负载增加了峰值放大器看到的阻抗。这可在史密斯圆图上示出，其中输出阻抗的电抗将负载增加到阻抗的实际部分或同相部分以上。根据本发明，通过调节载波放大器输出的相位长度来获得低RF信号电平时载波放大器的正确负载阻抗，并通过调节峰值放大器输出处的相位长度来获得高RF信号电平时峰值放大器的正确负载阻抗。这将降低或消除阻抗的电抗部分。
修改图5的放大器，以使载波放大器在低RF功率电平时看到50欧姆终端，并且峰值放大器将输出阻抗调节到10欧姆。在图6A和6B中分别示出了相位长度优化前后功率输出和PAE的测量。在图6A中，在修改之前，在6dB补偿功率PAE是34％，而在10dB补偿功率是23％。在修改之后，如图6B中所示，在6dB补偿功率PAE增加到42％，而在10dB补偿PAE增加到29％。
在下表2中给出了在20瓦双路多赫蒂放大器模块上得到的测量数据，其中在2140MHz输出相位长度从36度调节到66度。
表2
| 相位长度，度 | 漏极效率@10dB补偿，％ | IM3@2瓦平均双音，dBc |
| 36 | 22.0 | -33 |
| 46 | 24.0 | -37 |
| 56 | 24.5 | -43 |
| 66 | 24.5 | -50 |
除了相位长度对效率的影响以外，在组合节点之后将输出阻抗降为适当值并然后转换为50欧姆进一步增加了操作效率。考虑90瓦LDMOSFET多赫蒂放大器，其中栅极与50欧姆匹配，而输出漏极分别与50欧姆、17欧姆和10欧姆匹配。
图7A是示出与50欧姆匹配的180瓦多赫蒂放大器的性能的图表。将注意到，在7dB补偿PAE是29％，而9dB补偿时是20％。在载波放大器和峰值放大器中，用50欧姆标称输出阻抗没有实现有效多赫蒂操作。
然而，通过将漏极与17欧姆阻抗匹配，如图7B中所示，7dB补偿时的PAE增加到34％，而在9dB补偿时增加到25％。由此，与匹配到50欧姆的多赫蒂放大器电路相比，PAE增加了大约5％。
在图7C中，对于漏极与10欧姆阻抗匹配的多赫蒂放大器电路的性能而言，7dB补偿时PAE增加到34％，而在9dB补偿时增加到27％，从而显示了更强大的多赫蒂操作。与匹配到17欧姆的多赫蒂放大器电路相比，9dB补偿时PAE增加了2％。
在如下表3中示出了输出阻抗对多赫蒂放大器电路性能的影响。
表3
| 配置 | 增益，dB | P1dB，dBm | PAE@7dB补偿，％ | PAE@9dB补偿，％ |
| 常规，50欧姆 | 13.5 | 52.5 | 21 | 16 |
| 多赫蒂，50欧姆 | 14 | 51.2 | 29 | 20 |
| 多赫蒂，17欧姆 | 13.5 | 52 | 34 | 25 |
| 多赫蒂，10欧姆 | 14 | 51.5 | 34 | 27 |
由此看出，为了工作在10欧姆特性阻抗的最佳输出功率和效率，优化了每个90瓦单端放大器。
根据本发明，通过在放大器的输出与组合器节点之间引入附加相位长度，并通过降低载波放大器和峰值放大器的单个负载阻抗，以及它们之间的相对相位，提高了多赫蒂放大器的效率。然后在组合节点之后将功率放大器输出调节为50欧姆。模拟显示，在与常规多赫蒂方法相比时，效率增加超过25％，其中没有认识到和考虑到载波放大器和峰值放大器输出处的相位和阻抗优化。相同的设计考虑可用在非对称多赫蒂放大器的情况下，其中载波放大器和峰值放大器中的RF晶体管的大小不同。在所有情况下，载波放大器和峰值放大器之间负载阻抗和相对阻抗定相的优化提供了整个功率放大器的增益、效率和线性的改进。虽然已相对于使用硅LDMOSFET的高功率、高效率和高线性RF放大器和微波放大器描述了本发明，但还可使用大范围的半导体技术，诸如硅双极、砷化镓MESFET、磷化铟镓HBT、碳化硅MESFET和氮化镓HEMT，来实现本发明。
虽然已相对于具体四路实施例描述了本发明，但该描述是本发明的说明，而不应解释为限制本发明。对于本领域技术人员，在不脱离所附权利要求书定义的本发明真实精神和范围的前提下，可进行各种修改和应用。
Claims (13)
1.一种用于在大的功率范围上放大RF信号的RF功率放大器电路，包括：
a)载波放大器，用于在第一功率范围上并以低于所述大功率范围最大值的功率饱和电平放大所述RF信号，
b)多个峰值放大器，其并联连接到所述载波放大器，每个所述峰值放大器都在所述载波放大器接近饱和之后被偏置，以顺序提供放大的输出信号，
c)信号分配器，用于分配输入信号，并将分配的输入信号加到所述载波放大器和所述多个峰值放大器，以及
d)输出，用于接收和组合来自所述载波放大器和所述多个峰值放大器的放大的输出信号，所述输出具有阻抗Z，所述载波放大器和每个所述峰值放大器都通过输出匹配网络连接到所述输出，所述输出匹配网络根据该网络的阻抗和有效相位长度来向每个放大器提供可变阻抗。
2.如权利要求1所述的RF功率放大器电路，其中选择每个输出匹配网络的所述相位长度，以降低所述输出阻抗的电抗。
3.如权利要求1所述的RF功率放大器电路，其中每个峰值放大器都将有效功率放大扩展6dB。
4.如权利要求3所述的RF功率放大器电路，其中所述多个峰值放大器是三个峰值放大器，且扩展的有效功率放大近似为18dB。
5.如权利要求4所述的RF功率放大器电路，其中所述载波放大器和峰值放大器中的每一个都包括横向DMOS晶体管。
6.如权利要求1所述的RF功率放大器电路，其中所述信号分配器包括连接到所述载波放大器输入的四分之一波长变换器，并且所述输出包括连接到所述载波放大器输出并通过四分之一波长变换器连接到每个峰值放大器输出的电阻负载。
7.如权利要求1所述的RF功率放大器电路，其中所述载波放大器和峰值放大器中的每一个都包括从包括横向DMOS晶体管、MESFET、HEMT、HBT和双极性晶体管的组中选择的晶体管。
8.如权利要求1所述的RF功率放大器电路，其中所述输出包括连接到所述载波放大器输出并通过四分之一波长变换器连接到每个峰值放大器输出的电阻负载。
9.一种用于在功率范围上放大RF信号的RF功率放大器电路，包括：
a)载波放大器，用于在第一功率范围上并以低于所述功率范围最大值的功率饱和电平来放大所述RF信号，
b)至少一个峰值放大器，其与所述载波放大器并联连接，所述峰值放大器在所述载波放大器接近饱和之后被偏置，以提供放大的输出信号，
c)信号分配器，用于分配输入信号，并将分配的输入信号加到所述载波放大器和所述至少一个峰值放大器，
d)输出组合器节点，耦合到具有阻抗Z的功率放大器输出，及
e)多个输出匹配网络，其将所述载波放大器和所述至少一个峰值放大器连接到所述输出组合器节点，每个输出匹配网络都为每个放大器提供小于Z的输出阻抗。
10.如权利要求9所述的RF功率放大器电路，其中选择每个输出匹配网络的相位长度，以降低所述输出阻抗的电抗。
11.如权利要求9所述的RF功率放大器电路，还包括将所述输出组合器节点耦合到所述功率放大器输出用于阻抗变换的阻抗变换器。
12.如权利要求11所述的RF功率放大器电路，其中所述载波放大器和至少一个峰值放大器中的每个都包括从包括横向DMOS晶体管、MESFET、HEMT、HBT和双极性晶体管的组中选择的晶体管。
13.如权利要求12所述的RF功率放大器电路，其中所述最大RF输出功率是180瓦。
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