專利名稱:一種Doherty放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種Doherty放大器。更特別地,但不是排他地,本發(fā)明涉及一種Doherty放大器,其具有在放大器中減少的級間反射波動(riffle)。
背景技術(shù):
在20世紀(jì)30年代,W.H.Doherty發(fā)明了一種高效率、線性的、基于電子管的功率放大器。這種“Doherty”放大器配置由兩個(gè)電子管放大器,即主放大器和輔助放大器構(gòu)成,其以非常有效的方式把功率傳遞到公共負(fù)載中。最近,Doherty放大器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由半導(dǎo)體晶體管放大器代替電子管放大器。
放大器效率η是提供給放大器網(wǎng)絡(luò)的DC功率PDC相對于該放大器網(wǎng)絡(luò)的輸出處的有效RF功率PRF的比,其中該有效RF功率PRF然后被傳遞給負(fù)載。即η=PRF/PDC。
與Doherty設(shè)計(jì)相關(guān)的一個(gè)問題是工作頻率的靈敏度。在Doherty放大器中的各放大器具有輸入和輸出匹配,其隨改變功率電平而改變。這個(gè)改變產(chǎn)生不匹配。這些不匹配引起了放大器的傳輸路徑中的波動并降低了設(shè)計(jì)的頻率平坦性。
標(biāo)準(zhǔn)的Doherty放大器比傳統(tǒng)的放大器更有效,但是最佳化是困難的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種Doherty放大器,包括
具有第一輸出和第二輸出的功率分離器,其中該第一輸出連接到主功率分離器,該主功率分離器具有相位相差90°的第一和第二輸出;以及該第二輸出連接到輔助功率分離器,該輔助功率分離器具有相位相差90°的第一和第二輸出;主末級放大器,其包括第一和第二主成對放大器,該第一和第二主成對放大器的輸入連接到主功率分離器的第一和第二輸出;輔助末級放大器,其包括第一和第二輔助成對放大器,該第一和第二輔助成對放大器的輸入連接到輔助功率分離器的第一和第二輸出;其中第一主成對放大器的輸出通過阻抗轉(zhuǎn)換器連接到第一輔助成對放大器的輸出;以及第二主成對放大器的輸出通過阻抗轉(zhuǎn)換器連接到第二輔助成對放大器的輸出;該放大器是這樣設(shè)置的,以便使相對相移被引入到輸入到主功率分離器和輔助功率分離器的信號中,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的相移。
本發(fā)明的Doherty放大器具有改善頻率的平坦性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選地,該放大器還包括主驅(qū)動放大器,其連接在功率分離器的第一輸出和主功率分離器的輸入之間;以及輔助驅(qū)動放大器,其連接在功率分離器的第二輸出和輔助功率分離器的輸入之間。
優(yōu)選地,主功率分離器和輔助功率分離器的第二輸出的相位超前于這些分離器的相應(yīng)的第一輸出的相位。
優(yōu)選地,主功率分離器和輔助功率分離器的第二輸出的相位滯后于這些分離器的相應(yīng)的第一輸出的相位。
優(yōu)選地,功率分離器在第一和第二輸出之間引入相移,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的相移。
優(yōu)選地,主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器中的至少一個(gè)將相對相移引入到相應(yīng)的主或輔助功率分離器的輸入,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的偏移。
優(yōu)選地,Doherty放大器還包括結(jié)合器,其具有連接到第一輔助放大器的輸出的第一輸入端口,以及連接到第二輔助放大器的輸出的第二輸入端口,該結(jié)合器適于在第一和第二輸入端口接收到的信號之間引入相位變化,并且在輸出端口結(jié)合這兩個(gè)信號,其中該相位變化與由輔助功率分離器引入的相位變化相反。
更優(yōu)選地,相位變化是90°。
該Doherty放大器可以包括負(fù)載,其通過另一個(gè)阻抗變換器連接到結(jié)合器的輸出。該負(fù)載能夠終止差分信號。
可選擇地,該Doherty放大器還可以包括負(fù)載,其連接到結(jié)合器的輸出;第一結(jié)合器阻抗變換器,其連接在第一輔助放大器和結(jié)合器的第一輸入端口之間;以及第二結(jié)合器阻抗變換器,其連接在第二輔助放大器和結(jié)合器的第二輸入端口之間。
主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器中的至少一個(gè)可以是單端的。
主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器中的至少一個(gè)可以包括平衡放大器對。
該Doherty放大器可以包括在主功率分離器之前級聯(lián)連接的多個(gè)主驅(qū)動放大器。
該Doherty放大器可以包括在輔助功率分離器之前級聯(lián)連接的多個(gè)輔助驅(qū)動放大器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種放大信號的方法,該方法包括把輸入信號分離成主信號和輔助信號;把主信號分離成第一主信號和第二主信號,它們相位相差90°;把輔助信號分離成第一輔助信號和第二輔助信號,它們相位相差90°;放大第一主信號和第二主信號;放大第一輔助信號和第二輔助信號;反轉(zhuǎn)放大的第一主信號的阻抗;把反轉(zhuǎn)阻抗的放大的第一主信號加到放大的第一輔助信號,從而產(chǎn)生第一加信號;反轉(zhuǎn)放大的第二主信號的阻抗;把反轉(zhuǎn)阻抗的放大的第二主信號加到放大的第二輔助信號,從而產(chǎn)生第二加信號;其中相對相移在所述分離步驟期間被引入到信號中,以補(bǔ)償所述反轉(zhuǎn)步驟的效果。
優(yōu)選地,該方法還可以包括在分離主信號的所述步驟之前放大主信號;在分離輔助信號的所述步驟之前放大輔助信號。
優(yōu)選地,該方法還可以包括
通過在第一和第二加信號之間引入相位變化來結(jié)合第一和第二加信號,其中所述相位變化與在分離輔助信號的所述步驟期間引入的相位變化相反。
下面將參照附圖,只是舉例而不是限制地對本發(fā)明進(jìn)行描述,其中圖1示出了Doherty放大器的示意性方框圖;圖2示出了Doherty放大器的每個(gè)器件的輸出電壓相對于輸入驅(qū)動的理論曲線圖;圖3示出了Doherty放大器的理論效率相對于輸出功率的曲線圖;圖4更詳細(xì)地示出了圖1的實(shí)施例的示意性方框圖;圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的Doherty放大器的示意性方框圖;圖6示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的示意性方框圖;圖7示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的示意性方框圖;以及圖8示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例的示意性方框圖。
在不同的圖中的相似的術(shù)語或方框除非另外指出,否則都共用相同的參考標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了“Doherty”放大器的示意性方框圖。該放大器由如下構(gòu)成主放大器(130)、輔助放大器(140)、阻抗轉(zhuǎn)換器(150)、輸入功率分配器(120)、公共輸入接點(diǎn)(110)、公共輸出接點(diǎn)(160)和負(fù)載(170)。
輸入功率分配器(120)分離信號,以便使信號的一部分沿著主放大器(130)路徑通過,而使信號的另一部分沿著輔助放大器(140)路徑通過。輸入功率分配器(120)在它的兩個(gè)輸出之間具有任意的差分相位,但是需要額外的移相器,以確保輔助放大器(140)的輸入處的信號相對于主放大器(130)的輸入處的信號延遲90°。
兩個(gè)放大器(130和140)被設(shè)計(jì)成具有彼此相同的相位特性。隨后,分離器(120)的相位延遲通過放大器(130和140)被保持,并且輔助放大器(140)的輸出處的信號相對于主放大器(130)的輸出處的信號仍然是延遲的。然后,主放大器(130)的RF經(jīng)過阻抗轉(zhuǎn)換器(150)。這樣配置電路,以便從分離器(120)添加到輔助路徑的延遲與阻抗轉(zhuǎn)換器(150)中的延遲相同。因此,當(dāng)它們在公共接點(diǎn)(160)處重新結(jié)合時(shí),兩個(gè)信號再次一致。
將主放大器(130)配置為B類或AB類,隨著輸入RF驅(qū)動功率增大,主放大器(130)工作(turn on),并且輸出功率穩(wěn)定地增加,如圖2(α區(qū)域)所示。輔助放大器(140)是偏置的C類,因此它開始時(shí)保持不工作(turn off)并是有效的開路。在分界點(diǎn)β處,主放大器(130)以其最大效率工作,并且輸出RF電壓已達(dá)到其最大值;兩倍的DC電源電壓。然而,在分界點(diǎn)β處,主放大器(130)的最大輸出功率是其實(shí)際飽和輸出功率的一小部分;典型地約為50%。
這樣配置Doherty放大器,以便當(dāng)輸入驅(qū)動電平增大到超過分界點(diǎn)β進(jìn)入到χ區(qū)域時(shí),輔助放大器(140)開始工作。通過負(fù)載(170)注入了更多的電流,并且增大了在公共接點(diǎn)(160)處看到的阻抗。由于阻抗轉(zhuǎn)換器(150),公共接點(diǎn)(160)處的阻抗被反轉(zhuǎn),并且主放大器(130)實(shí)際上開始見到其負(fù)載阻抗的減小。這種動態(tài)地減小負(fù)載阻抗會使主放大器(130)輸出更多的電流,而不會惡化或降低電壓輸出特性。因此,主放大器(130)的輸出功率增大,而主放大器(130)的效率保持在其最大值。主放大器(130)在整個(gè)χ區(qū)域中以其最大效率工作。
最初,輔助放大器(140)在其輸出不具有最大的RF電壓擺動,這是因?yàn)樗陨硎浅浞钟行У?。因此,主放大?130)和輔助放大器(140)兩者的合成效率在其達(dá)到如圖3所示的最大值之前輕微地下降。在點(diǎn)δ處,輸入驅(qū)動已經(jīng)充分增大,從而輔助放大器(140)也在最大效率下工作,并且輸出RF電壓幅度也已經(jīng)達(dá)到其最大值;兩倍的DC電源電壓。
該Doherty放大器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是,其可在比標(biāo)準(zhǔn)功率放大器更寬范圍的輸出功率電平上以高效率線性地工作,即它在點(diǎn)ε和δ之間是線性和有效率的,而不是正好在點(diǎn)ε和分界點(diǎn)β之間。最大效率范圍取決于阻抗轉(zhuǎn)換器(150)的值以及主放大器(130)與輔助放大器(140)的功率比率。
圖4更進(jìn)一步地描述了圖1的Doherty放大器。主放大器(130)包括兩個(gè)級聯(lián)的放大器(232和234),而輔助放大器(140)包括兩個(gè)級聯(lián)的放大器(242和244)。放大器232是“主驅(qū)動放大器”并且被配置為B類或類似的。放大器234是“主末級放大器”;并且被配置為B類或類似的。放大器242是“輔助驅(qū)動放大器”并且被配置為C類或相似的。放大器244是“輔助末級放大器”并且被配置為C類或相似的。
兩級放大器允許網(wǎng)絡(luò)象標(biāo)準(zhǔn)Doherty網(wǎng)絡(luò)那樣被偏置,即具有B類主驅(qū)動放大器(232)和C類輔助驅(qū)動放大器(242),但也允許增加具有較好RF性能的兩個(gè)末級放大器(234和244)。
在該實(shí)施例中,兩個(gè)末級放大器(234和244)是F類的。F類放大器比B類或C類配置的任一種配置更有效率,因?yàn)樵诰w管內(nèi)功率損失較小。另外,在F類放大器的輸出處的積分諧波濾波導(dǎo)致了Doherty負(fù)載牽引效果的優(yōu)化。然而,在可選實(shí)施例中,兩個(gè)末級放大器可以是除了F類之外的放大器。
阻抗變換器(280)被添加在負(fù)載(170)和公共端口(160)之間,以便使系統(tǒng)的輸出阻抗能減少,這允許傳輸線作為較寬的微帶線來實(shí)現(xiàn),那么其可以在較高的功率條件下工作。在可選實(shí)施例中,阻抗轉(zhuǎn)換器(280)被省略。
Doherty放大器中的主放大器(130)和輔助放大器(140)具有隨功率電平而改變的輸入匹配。放大器被偏置接近截止,并且在它們的輸入處進(jìn)入的RF信號的大約一半上具有非線性輸入阻抗。每個(gè)放大器的輸入阻抗隨施加的電壓而改變。這種變化的輸入阻抗會在傳輸路徑中引入可變的反射,這導(dǎo)致了頻率波動和穩(wěn)定性問題。
Doherty放大器的性能可以通過將兩個(gè)驅(qū)動電路(232和242)配置為平衡放大器(未示出)來改善。這改善了兩個(gè)放大器(232和242)的輸入和輸出匹配,減少了傳輸路徑中的反射和波動。驅(qū)動放大器(232和242)仍沒與它們后面的末級放大器(234和244)的不良輸入匹配相隔離,并且沒有消除波動。
將末級放大器(234和244)配置為標(biāo)準(zhǔn)的平衡放大器沒有解決這個(gè)問題。在主末級放大器(234)的輸出上的最終結(jié)合器將有效地將其與輔助末級放大器(244)的動態(tài)反轉(zhuǎn)輸出阻抗相隔離。Doherty設(shè)計(jì)提供的由主放大器(130)看到的負(fù)載阻抗的縮小的優(yōu)點(diǎn)將會損失。
圖5所示的是根據(jù)本發(fā)明的一種Doherty放大器。驅(qū)動放大器(232和242)是平衡或單端的,如圖4和5所示。主末級放大器(234)包括第一和第二主成對放大器(334和335),它們由主功率分離器(332)饋送。輔助末級放大器(244)包括第一和第二輔助成對放大器(344和345),它們由輔助功率分離器(342)饋送。功率分離器(332和342)包括兩個(gè)輸出,它們基本上在相位上有90°的差別并且振幅相等。
兩對放大器(334與335和344與345)的反射通過它們的相關(guān)功率分離器(分別是332或342)向回行進(jìn)。在分離器的公共輸入處,兩個(gè)反射信號相位差180°并相互抵消。在每個(gè)分離器的終止端口處,反射信號對是同相的并相加在一起。然后,它們在相關(guān)負(fù)載電阻器(分別是333或343)中被消耗掉。
那么,四個(gè)放大器(334、344、335和345)的輸出是成對的,以便它們能按照與公知的Doherty放大器相同的方式來配置。也就是,每個(gè)主放大器(334或335)的輸出然后通過各個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器(250、251)連接到相應(yīng)的輔助放大器(344或345)的輸出。放大器以前的電路必須維持所需的相位偏移,以確保每個(gè)輔助放大器(344或345)的輸出的相位必須相對于與其成對的主放大器(334或335)的輸出被延遲,以便補(bǔ)償對它們進(jìn)行重新結(jié)合的阻抗轉(zhuǎn)換器(250和251)的相位偏移。當(dāng)輔助放大器(344和345)工作時(shí),兩個(gè)主放大器(334和335)此時(shí)繼續(xù)可看到負(fù)載阻抗的有效減少。兩個(gè)主放大器(334和335)的輸出功率隨著增加的輸入功率而增加,而同時(shí)保持它們的效率。
然后,在公共點(diǎn)(260和261)之后使用結(jié)合器(252)來完成末級放大器(234和244)的平衡配置,該結(jié)合器正好在最后的阻抗變換器(280)和負(fù)載(170)之前。
結(jié)合器包括第一和第二輸入端口和輸出端口。在結(jié)合器的輸出端口,在結(jié)合在輸入端口接收到的信號之前,在輸入端口接收到的信號之間引入相位差。該相位差與由輔助功率分離器引入的相位差是相反的,即在該實(shí)施例中為-90°。
圖6所示的是根據(jù)本發(fā)明的Doherty放大器的另一實(shí)施例。除了驅(qū)動放大器(232和242)包括平衡放大器對之外,其工作的原則與圖5所示的相似。這些放大器的輸出連接到所示的90°功率分離器,以減少這些放大器之間的反射。
主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器的輸出連接到如在之前描述的主功率分離器和輔助功率分離器。
兩個(gè)另外的實(shí)施例分別在圖7和8中描述。在這些實(shí)施例中,阻抗變換器281在連接主放大器334和輔助放大器344的公共節(jié)點(diǎn)260與結(jié)合器252之間、恰好在結(jié)合器252之前,連接在主信號路徑中。相應(yīng)的阻抗變換器282在連接主放大器335和輔助放大器345的公共節(jié)點(diǎn)261與結(jié)合器252之間、恰好在結(jié)合器252之前連接在輔助信號路徑中。
這些實(shí)施例的功率分離器是3dB耦合器。
這些實(shí)施例的晶體管是GaAs晶體管。在其它實(shí)施例中,晶體管可以是硅LDMOS、GaN和SiC。任何晶體管技術(shù)都是適合的,只要主放大器(140)切斷時(shí),其能夠呈現(xiàn)近似的開路。
在這些實(shí)施例中,阻抗轉(zhuǎn)換器(150和280)以微帶傳輸線來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換器(150)是38Ω,轉(zhuǎn)換器(280)是30.86Ω。由于上面的值對所述的本實(shí)施例是具體的,其他的形式和數(shù)值也是可能的。
表面貼裝帶狀線耦合器被用做分離器/結(jié)合器元件。此外,其他的形式也是可能的。
權(quán)利要求
1.一種Doherty放大器,包括具有第一輸出和第二輸出的功率分離器,其中該第一輸出連接到主功率分離器,該主功率分離器具有相位相差90°的第一和第二輸出;以及該第二輸出連接到輔助功率分離器,該輔助功率分離器具有相位相差90°的第一和第二輸出;主末級放大器,其包括第一和第二主成對放大器,該第一和第二主成對放大器的輸入連接到主功率分離器的第一和第二輸出;輔助末級放大器,其包括第一和第二輔助成對放大器,該第一和第二輔助成對放大器的輸入連接到輔助功率分離器的第一和第二輸出;其中第一主成對放大器的輸出通過阻抗轉(zhuǎn)換器連接到第一輔助成對放大器的輸出;以及第二主成對放大器的輸出通過阻抗轉(zhuǎn)換器連接到第二輔助成對放大器的輸出;放大器是這樣設(shè)置的,以便使相對相移被引入到輸入到主功率分離器和輔助功率分離器的信號中,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的相移。
2.如權(quán)利要求1中的Doherty放大器,還包括主驅(qū)動放大器,其連接在功率分離器的第一輸出和主功率分離器的輸入之間;以及輔助驅(qū)動放大器,其連接在功率分離器的第二輸出和輔助功率分離器的輸入之間。
3.如權(quán)利要求1或2中的Doherty放大器,其中主功率分離器和輔助功率分離器的第二輸出的相位超前于這些分離器的相應(yīng)的第一輸出的相位。
4.如權(quán)利要求1或2中的Doherty放大器,其中主功率分離器和輔助功率分離器的第二輸出的相位滯后于這些分離器的相應(yīng)的第一輸出的相位。
5.如權(quán)利要求1到4中的任一個(gè)的Doherty放大器,其中功率分離器在第一和第二輸出之間引入相移,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的相移。
6.如權(quán)利要求2到5中的任一個(gè)的Doherty放大器,其中主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器中的至少一個(gè)將相對相移引入到相應(yīng)的主或輔助功率分離器的輸入,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的偏移。
7.如權(quán)利要求1到6中的任一個(gè)的Doherty放大器,還包括結(jié)合器,其具有連接到第一輔助放大器的輸出的第一輸入端口,以及連接到第二輔助放大器的輸出的第二輸入端口,該結(jié)合器適于在第一和第二輸入端口接收到的信號之間引入相位變化,并且在輸出端口結(jié)合這兩個(gè)信號,其中所述相位變化與由輔助功率分離器引入的相位變化相反。
8.如權(quán)利要求7中的Doherty放大器,其中相位變化是90°。
9.如權(quán)利要求6、7或8中的Doherty放大器,還包括負(fù)載,其通過另一個(gè)阻抗變換器連接到結(jié)合器的輸出。
10.如權(quán)利要求6到9中的任一個(gè)的Doherty放大器,還包括負(fù)載,其連接到結(jié)合器的輸出;第一結(jié)合器阻抗變換器,其連接在第一輔助放大器和結(jié)合器的第一輸入端口之間;以及第二結(jié)合器阻抗變換器,其連接在第二輔助放大器和結(jié)合器的第二輸入端口之間。
11.如權(quán)利要求2到10中的任一個(gè)的Doherty放大器,其中主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器中的至少一個(gè)是單端的。
12.如權(quán)利要求2到10中的任一個(gè)的Doherty放大器,其中主驅(qū)動放大器和輔助驅(qū)動放大器中的至少一個(gè)包括平衡放大器對。
13.如權(quán)利要求2到12中的任一個(gè)的Doherty放大器,包括在主功率分離器之前級聯(lián)連接的多個(gè)主驅(qū)動放大器。
14.如權(quán)利要求2到13中的任一個(gè)的Doherty放大器,包括在輔助功率分離器之前級聯(lián)連接的多個(gè)輔助驅(qū)動放大器。
15.一種放大輸入信號的方法,該方法包括把輸入信號分離成主信號和輔助信號;把主信號分離成第一主信號和第二主信號,它們相位相差90°;把輔助信號分離成第一輔助信號和第二輔助信號,它們相位相差90°;放大第一主信號和第二主信號;放大第一輔助信號和第二輔助信號;反轉(zhuǎn)放大的第一主信號的阻抗;把反轉(zhuǎn)阻抗的放大的第一主信號加到放大的第一輔助信號,從而產(chǎn)生第一加信號;反轉(zhuǎn)放大的第二主信號的阻抗;把反轉(zhuǎn)阻抗的放大的第二主信號加到放大的第二輔助信號,從而產(chǎn)生第二加信號;其中相對相移在所述分離步驟期間被引入到信號中,以補(bǔ)償所述反轉(zhuǎn)步驟的相移。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法,還包括在分離主信號的所述步驟之前放大主信號;在分離輔助信號的所述步驟之前放大輔助信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的方法,還包括通過在第一和第二加信號之間引入相位變化來結(jié)合該第一和第二加信號,其中所述相位變化與在分離輔助信號的所述步驟期間引入的相位變化相反。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種Doherty放大器,包括具有第一輸出和第二輸出的功率分離器(120),其中第一輸出連接到主功率分離器(392),該主功率分離器具有相位相差90°的第一和第二輸出;以及第二輸出連接到輔助功率分離器(342),該輔助功率分離器具有相位相差90°的第一和第二輸出;主末級放大器(234),其包括第一主成對放大器(324)和第二主成對放大器(325),它們的輸入連接到主功率分離器(352)的第一和第二輸出;輔助末級放大器(244),其包括第一輔助成對放大器(344)和第二輔助成對放大器(345),它們的輸入連接到輔助功率分離器(342)的第一和第二輸出;其中第一主成對放大器(334)的輸出通過阻抗轉(zhuǎn)換器(250)連接到第一輔助成對放大器(344)的輸出;以及第二主成對放大器(345)的輸出通過阻抗轉(zhuǎn)換器(251)連接到第二輔助成對放大器的輸出;該放大器是這樣設(shè)置的,以便使相對相移被引入到輸入到主功率分離器和輔助功率分離器的信號中,以補(bǔ)償阻抗轉(zhuǎn)換器的相移。
文檔編號H03F1/07GK1943106SQ200580011161
公開日2007年4月4日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月13日
發(fā)明者克里斯托弗·伊恩·莫布斯 申請人:菲爾特羅尼克公開有限公司