專利名稱：具有多合體擴展的高頻功率放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高頻功率放大器，尤其涉及一種作為多合體(DOHERTY)放大器工作的大功率放大器。
背景技術：
通常，高頻功率放大器經常以AB類工作模式工作；即，例如通過串聯的二極管生成基極偏置，各個晶體管在很低的電平下就已經導通了。AB類工作模式中，小信號以A類工作模式放大，大信號以B類工作模式放大。這種放大器工作時具有特別低的失真，但是效率 很差。此外，DOHERTY放大器可提高效率是公知的。在移動無線電通信技術，尤其在非恒定包絡和高波峰因數(例如，COFDM信號)的調制方法中，基于DOHERTY原理的高頻放大器在最近幾年應用越來越廣泛。例如，美國專利US7，688，135B2示出了一種此類DOHERTY放大器。然而，此類放大器的缺點在于只能提供非常小的帶寬。
發明內容
本發明的目的在于提供一種大功率放大器，實現高效率并能用于寬頻率范圍。該目的通過具有獨立權利要求I的特征的設備實現。有利的進一步改進形成了引用該獨立權利要求的從屬權利要求的主題。因而，本發明的高頻功率放大器包括寬帶放大器和DOHERTY擴展。本發明中的寬帶放大器具有功率分配器、主放大器路徑和輔助放大器路徑。所述DOHERTY擴展具有至少一個第一偏置線、第二偏置線和阻抗轉換器。所述寬帶放大器放大輸入信號并把放大后的信號提供給DOHERTY擴展或進一步的處理設備。本發明的高頻功率放大器特別適合用于調幅信號(例如，COFDM信號)的大型、模塊化、半導體無線電發射機終端設備。使用DOHERTY放大器原理的同時，又能很大程度上避免現有技術的缺陷。寬帶放大器，可包括幾個放大器模塊，覆蓋具有寬帶寬的寬頻率范圍(例如，超高頻波段IV-V470-862MHZ)并無需調整平衡。寬帶放大器和DOHERTY擴展一起構成DOHERTY放大器。本發明中，DOHERTY擴展包含DOHERTY原理特有的帶寬限制組件(可調)阻抗轉換器、一個或兩個(可調)偏置線和寬帶阻抗變換器。從而，將帶寬限制從寬帶放大器中分離出來。如需要，可以在比較短的時間內通過簡單機械重調阻抗變換線和偏置線來調節出新的頻率。
下面，將在附圖的基礎上結合實施例示例性說明本發明，附圖示出了本發明優選的示例性實施方式。附圖如下圖I為示例性高頻功率放大器的示圖；圖2為本發明的高頻功率放大器的一個示例性實施方式的示圖。
具體實施例方式首先，參考圖I說明傳統的DOHERTY放大器的結構和功能，在此基礎上，提出本發明要解決的問題。然后，參考圖2說明本發明的設備的一個示例性實施方式的結構和功能。有些情況下，不重復介紹和說明相似附圖中的相同元件。圖I示出了一個示例性的DOHERTY放大器。信號輸入與功率分配器10相連。功率分配器10的第一輸出與匹配網絡11相連。匹配網絡11與主晶體管12相連。然后與第二匹配網絡13相連。第二匹配網絡13與偏置線14相連，然后與阻抗轉換器15相連。功率分配器10的第二輸入與移相器16相連。然后與第三匹配網絡17相連。這里，功率分配器10不產生相位旋轉。輸入信號在功率分配器10的兩個輸出路徑之間平均分配。第三匹配網絡17與輔助晶體管18相連。然后與第四匹配網絡19相連，第四匹配網絡19與第二偏置線20相連。偏置線20和阻抗轉換器15與第五匹配網絡21相連。第五匹配網絡21把DOHERTY放大器的阻抗匹配成后續系統組件需要的阻抗。
在輸入信號小時，以AB類工作模式工作的主晶體管12在增加的負載阻抗下工作，從相對較低的電平，例如從IdB壓縮點回退6dB，它已經趨近飽和，因此效率最高。在主晶體管12飽和電平規定的電平門限之上，輔助晶體管18以C類工作模式工作。通過它的輸出信號，它減小了主晶體管12的負載阻抗。因此，通過電平門限和IdB壓縮點的比值全面控制主晶體管的負載阻抗的減小，主晶體管12輸出相應的較大功率。在回退6dB的例子中，阻抗減半導致功率加倍。從而，電平門限之上，主晶體管12雖然已達到飽和，但輸出功率增加，因此總是在最大效率下工作。在輔助晶體管18的工作相位期間，只是因為其功率消耗而降低了效率，但是與傳統的AB放大器相比，仍保持相當高的效率。在信號峰值，全面控制輔助晶體管18，晶體管12和18每個都提供一半的系統輸出功率。主晶體管12負載阻抗的動態減少發生情況如下在6dB門限、系統浪涌阻抗的一半，通常25歐姆時，兩個晶體管12和18在相同的負載阻抗下工作，其中輔助晶體管18與負載直接相連，主晶體管12通過阻抗轉換器15與負載相連。低電平時，輔助晶體管18不工作。它的輸出為高電阻輸出，因此不產生干擾。晶體管容量通過匹配網絡18和偏置線20調制。主晶體管12工作于被阻抗轉換器15增加的負載上。換言之，阻抗轉換器的浪涌阻抗為50歐姆，因此在輔助晶體管18的工作門限之下獲得100歐姆的負載。在電平門限之上，輔助晶體管18的輸出電流在負載阻抗上與主晶體管12的電流疊加，通過阻抗轉換器15降低了主晶體管12的有效負載阻抗。同時，輔助晶體管18的負載阻抗也相應地下降(理想地，從無載狀態)，以便開始提供一部分輸出功率。通常用尺寸為四分之一工作波長的線作為阻抗轉換器15。由此產生的主晶體管12的分支的延遲由輔助晶體管18的輸入來補償。本示例性實施方式中，也可以通過入/4線用作移相器來實現。90°功率分配器可為替代性選擇。通常提供兩個偏置線14和20以確保主晶體管12和輔助晶體管18分別在匹配網絡13和19之后的輸出阻抗為實阻抗和高阻值阻抗。因此，匹配網絡14和19可自由確定大小。相反地，對于主晶體管12，偏置線14也要確保，在工作頻率，從主晶體管看的阻抗轉換器15輸入阻抗的動態變化在漏極得到實質的轉換；在6dB例子中從100歐姆到50歐姆。
DOHERTY放大器的主要缺陷在于需要X /4線作為移相器15和阻抗轉換器16，而且，偏置線14和20只在一個頻率能準確工作。因此，帶寬限制在不超過所確定的頻率的+/-10%范圍。迄今為止，覆蓋更大帶寬所需的變體形式意味著DOHERTY原理的使用似乎毫無意義，尤其是在電視廣播范圍。圖2示出了本發明的放大器的一個示例性實施方式。該高頻功率放大器包括寬帶放大器30、DOHERTY擴展31和可選的耦合設備33。本發明中，寬帶放大器30包含90°耦合器34，該90°耦合器34在不同情況下都把輸入信號在兩個耦合路徑中以50%分配。如圖I所示，0°功率分配器和移相器可為替代性選擇。然而，這將嚴重限制帶寬。耦合器34的第一耦合路徑與主放大器路徑64相連。耦合器34的第二耦合路徑與輔助放大器路徑65相連。此處主放大器路徑64和輔助放大器路徑65各自被功率分配器(未示出)以0°相移分成若干放大器路徑35、36、37、38、39、40。本示例性實施方式中，主放大器路徑64包含三個放大器路徑35、36和37，而輔助 放大器路徑65也包含三個放大器路徑38、39和40。此處每個放大器路徑35-40包含匹配網絡41-46、放大器晶體管47-52和第二匹配網絡53-58。此處主放大器路徑64的每個獨立的放大器路徑35、36、37實現圖I中匹配網絡11、13和主晶體管12的功能。此處輔放大器路徑65的每個獨立的放大器路徑38、39、40實現圖I中匹配網絡17、19和輔助晶體管18的功能。放大器路徑35-40的輸出信號被分成主放大器路徑64和輔助放大器路徑65，由功率合成器(未不出)重新合成。換言之，放大器路徑35、36、37的輸出信號被合成在一起，而放大器路徑38、39、40的輸出信號被合成在一起。區別于此處示出的示例性實施方式，也可以使用不同數量的放大器路徑。因此，即使在主放大器路徑64和輔助放大器路徑65中分別只使用一個放大器路徑也是可行的。在主放大器路徑64和輔助放大器路徑65中使用不同數量的放大器路徑也是可以的。例如，對于最大振幅和最小振幅間的幅差小的信號，在主放大器路徑64中可提供較多的放大器路徑。相反地，對于最大振幅和最小振幅間的幅差很大的信號，輔助放大器路徑65中可提供相對較多的放大器路徑。主放大器路徑64和輔助放大器路徑65的合成信號接著提供給DOHERTY擴展31。本發明中，主放大器路徑64的信號提供給第一偏置線60，而輔助放大器路徑65的信號提供給第二偏置線61。正如參考圖I描述過的，偏置線60和61使放大器路徑35-40在匹配網絡53-58之后的阻抗在工作頻率下為實阻抗和高阻值阻抗。因此，在工作頻率下，實現了主放大器路徑64和輔助放大器路徑65的晶體管中功率阻抗比的真實映像。第一偏置線60與主放大器路徑64相連，所述第一偏置線60的輸出與阻抗轉換器62相連。這實現了與圖I中阻抗轉換器15相同的功能。阻抗轉換器62和第二偏置線61的輸出與輸出匹配網絡63相連。這將阻抗轉換成進一步連接的處理設備所需要的阻抗。可選地，此處寬帶放大器30和DOHERTY擴展31均為模塊結構。這樣，寬帶放大器30不用匹配偏置線60、61和阻抗變換器62就可以具有寬的帶寬。可選地，高頻功率放大器還包含耦合設備33。耦合設備33包含90°耦合器67。從而，耦合設備33可通過開關設備(未示出)直接耦合到寬帶放大器30，來代替DOHERTY擴展31。然后，90°耦合器67把寬帶放大器30的兩路輸出信號耦合到公用線并把輸出信號提供給輸出匹配網絡68。如果輔助晶體管48、50、52也以AB類工作模式工作，本電路中可以得到完全以AB類工作模式工作的高頻功率放大器。如果偏置線60、61和阻抗變換器62不能匹配，例如，由于時間關系，那么這種選擇會特別有意義。然而，這種情況下，必須考慮到高頻功率放大器降低的效率。因而，終端設備細分成兩組，每組具有n個晶體管。使用DOHERTY擴展31，一組形成主放大器，而另一組形成輔助放大器。如果使用耦合設備33，相同狀態的兩組可構成傳統的終端設備。兩個晶體管組的每個晶體管都通過0°功率分配器來控制，并且它們的功率通過0°功率合成器求和后提供給各自的輸出。這種方法確保，一組中所有的終端設備晶體管根據模量和相位具有相同的負載阻抗。終端設備組的工作點可通過控制設備(未示出)分別控制。從而，主放大器路徑 64的放大器晶體管47、49、51調節為AB類工作模式，輔助放大器路徑65的放大器晶體管48,50,52調節為C類工作模式。如果選擇使用耦合設備33代替DOHERTY擴展31，所有的放大器晶體管47-52均調節為AB類工作模式。如果使用DOHERTY擴展31，90°耦合器34要確保必要的相位偏移，該相位偏移由阻抗轉換器62產生。匹配網絡63產生DOHERTY系統需要的25歐姆的系統負載。此外，它為進一步的組件32提供了 50歐姆的寬帶負載。可選地，根據需要，傳統大功率功率合成器可將數個具有DOHERTY擴展的放大器模塊結合在一起，以形成甚至更大的放大器單元。為了減少匹配元件的數量，偏置線60可與阻抗轉換器62結合形成公用匹配元件。這樣，在DOHERTY擴展31中，只有兩個匹配元件需要匹配成使用的頻率。也可以在每種情況下通過獨立的0°功率合成器再一次把幾個放大器模塊的組輸出結合在一起，例如四個寬帶放大器與一個DOHERTY擴展結合工作。缺陷在于，隨著DOHERTY擴展和放大器晶體管間延時的增加，帶寬變窄一些。輸出匹配網絡63或68可分別選擇性地包含雷電保護功能。通過可選的DOHERTY擴展31和耦合設備33的模塊化結構，寬帶放大器30和進一步的組件32，例如天線和/或濾波器也可為寬帶的而不需要將組件匹配到使用的頻率范圍。可選地，DOHERTY擴展31可裝有固定尺寸的偏置線60、61和固定尺寸的阻抗轉換器62。這種情況下，DOHERTY擴展被限制在固定的頻率范圍內。然而，這種DOHERTY擴展對于經常使用的頻率范圍尤其有意義。此外，設置寬帶放大器30時應考慮熱狀況。因為主放大器路徑64的放大器晶體管47、49、51不間斷工作并承載大部分的系統負載，他們也會產生大部分系統廢熱。因此，建議在公用冷卻元件上，交替放置主放大器路徑64的放大器晶體管47、49、51，和輔助放大器路徑的晶體管48、50、52。這將在冷卻元件上均勻分配系統的熱負載。如果高頻功率放大器只與DOHERTY擴展31 —起工作，主放大器路徑64的功率合成器(圖2未示出)實際上抽拉整個平均輸出功率，則應使用帶狀線技術構成所述功率合成器，即，沿著冷卻元件的或安裝板的相應軋齒紋導引以空氣作為電介質的彎曲金屬條。輔助放大器路徑65的功率合成器(圖2也未示出)只產生非常低的熱功率，因而可毫不費力地容納于印刷電路板，所述印刷電路板均勻覆蓋主放大器路徑64的功率合成器。如果高頻功率放大器必須還要以傳統方式工作，即，與耦合設備33 —起工作，那么兩個功率合成器都應使用帶狀線技術構成，即，沿著冷卻元件的或安裝板的相應軋齒紋導引以空氣作為電介質的彎曲金屬條。這種情況下，在傳統工作模式中，主放大器路徑64的功率合成器也要必須適合于功率加倍，輔助放大器路徑65的功率合成器適合于正常功率。有利地，90°耦合器34由三個λ/4長的耦合器結構建成。主放大器的開關型衰減元件上游可確保，具有DOHERTY擴展的工作模式中必要的不對稱功率分配。單純DOHERTY工作模式情況下，顯然耦合器應以不対稱的方式構成。 本發明不限于給出的示例性實施方式。應在本發明的范圍內，有利地互相結合上述指定的或附圖中示出的所有特征。
權利要求
1.一種高頻功率放大器，包括寬帶放大器(30)、DOHERTY擴展(31)和/或耦合設備(33)，其中 所述寬帶放大器(30)具有功率分配器(34)、主放大器路徑￠4)和輔助放大器路徑(65)； 所述DOHERTY擴展(31)具有至少ー個第一偏置線(60)、第二偏置線(61)和阻抗轉換器(62);以及 所述寬帶放大器(30)放大輸入信號并把放大后的信號提供給所述DOHERTY擴展(31)或所述耦合設備(33)。
2.根據權利要求I所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述寬帶放大器(30)通過開關設備連接至所述DOHERTY擴展(31)； 所述寬帶放大器(30)通過所述開關設備進ー步連接至所述耦合設備(33);以及 所述開關設備切換所述寬帶放大器(30)與所述DOHERTY擴展(31)和所述耦合設備(33)之間的連接。
3.根據權利要求I或2所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述主放大器路徑(64)包含至少ー個放大器路徑(35、36、37);以及 所述輔助放大器路徑￠5)包含至少ー個放大器路徑(38、39、40)。
4.根據權利要求3所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述主放大器路徑￠4)進ー步包含功率分配器、功率合成器和至少兩個放大器路徑(35、36、37)； 所述功率分配器在所述放大器路徑(35、36、37)之間分配所述主放大器路徑￠4)的功率；以及 所述功率合成器合成所述放大器路徑(35、36、37)的功率。
5.根據權利要求3或4所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述輔助放大器路徑(65)進ー步包含功率分配器、功率合成器和至少兩個放大器路徑(38、39、40)； 所述功率分配器在所述放大器路徑(38、39、40)之間分配所述輔助放大器路徑￠5)的功率；以及 所述功率合成器合成所述放大器路徑(38、39、40)的功率。
6.根據權利要求3至5任一所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述放大器路徑每個包括至少ー個第一匹配網絡(41、42、43、44、45、46)、放大器晶體管(47、48、49、50、51、52)和第二匹配網絡(53、54、55、56、57、58);以及 所述第一匹配網絡(41、42、43、44、45、46)、所述放大器晶體管(47、48、49、50、51、52)和所述第二匹配網絡(53、54、55、56、57、58)各自串聯連接。
7.根據權利要求6所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述主放大器路徑￠4)的放大器路徑(35、36、37)的放大器晶體管(47、49、51)的エ作點和所述輔助放大器路徑￠5)的放大器路徑(38、39、40)的放大器晶體管(49、50、52)工作點可通過控制設備分別調節。
8.根據權利要求7所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述控制設備調節所述主放大器路徑￠4)的放大器路徑(35、36、37)的放大器晶體管(47、49、51)的工作點，使其以AB類工作模式工作；以及 當所述寬帶放大器(31)把放大后的信號提供給所述DOHERTY擴展(31)時，所述控制設備調節所述輔助放大器路徑￠5)的放大器路徑(38、39、40)的放大器晶體管(49、50、52)的工作點，使其以C類工作模式工作。
9.根據權利要求7或8所述的高頻功率放大器，其特征在于 當所述寬帶放大器(31)把放大后的信號提供給所述耦合設備(33)時，所述控制設備調節所述放大器路徑(35、36、37、38、39、40)的放大器晶體管(47、48、49、50、51、52)的工作點，使其以AB類工作模式工作。
10.根據權利要求I至9任一所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述偏置線(60、61)的長度可調； 所述偏置線(60、61)調節所述高頻功率放大器的工作頻率；以及所述偏置線(60、61)使所述放大器路徑(35-40)在所述匹配網絡(53-58)之后的阻抗在工作頻率下為實阻抗和高阻值阻杭。
11.根據權利要求I至10任一所述的高頻功率放大器，其特征在于 所述阻抗轉換器(62)提供可調的工作頻率；以及 所述阻抗轉換器(62)根據所要放大的信號的振幅匹配所述主放大器路徑(64)的阻抗。
全文摘要
一種高頻功率放大器，包括寬帶放大器(30)、DOHERTY擴展(31)和耦合設備(33)。所述寬帶放大器(30)具有功率分配器(34)、主放大器路徑(64)和輔助放大器路徑(65)。所述DOHERTY擴展(32)具有第一偏置線(60)、第二偏置線(61)和阻抗轉換器(62)。所述寬帶放大器(30)放大輸入信號并把放大后的信號提供給所述DOHERTY擴展(31)或所述耦合設備(33)。
文檔編號H03F3/60GK102696172SQ201180005312
公開日2012年9月26日 申請日期2011年8月3日 優先權日2010年8月12日
發明者洛塔爾·申克 申請人:羅德與施瓦茲兩合公司