CN103828230A - 使用宽带变换器的宽带多尔蒂放大器 - Google Patents
使用宽带变换器的宽带多尔蒂放大器 Download PDFInfo
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Abstract
提供了一种射频放大单元。该射频放大单元包括：主放大器，其中主放大器可操作以放大输入信号的第一部分；辅放大器，其中辅放大器可操作以在输入信号第四信号的第二部分的幅度超过阈值幅度时开启并放大输入信号的第二部分；以及被耦合在主放大器的输出和辅放大器的输出之间的宽带阻抗变换器。宽带阻抗变换器基于主放大器的输出来产生经变换的主放大器的输出。宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中定向耦合器具有与四分之一波长匹配线相同的电长度。
Description
背景技术
功率放大器可以被用在包括无线通信的各种电子应用中。一般而言，功率放大器放大输入电信号以产生相对于输入具有增加的幅度的输出电信号。基站收发器、增强型节点B和/或小区站点可以包含一个或多个射频功率放大器，以在从天线和/或天线阵列发射之前提高信号的功率。便携式电子设备同样可以包含功率放大器，以在从天线发射之前提高信号的功率。多尔蒂（Doherty）放大器架构在一些无线通信应用中已变得广泛地用作功率放大器。虽然多尔蒂放大器可以以各种不同结构实现，但是多尔蒂放大器通常包括主放大器和辅放大器（也分别被称为载波放大器和峰值放大器）。辅放大器被C类偏置，并因而对于多尔蒂放大器的低输入信号包络而言保持关闭，并且然后由主放大器的输出单独提供多尔蒂放大器的输出。当多尔蒂放大器的输入驱动信号处于或高于幅度阈值时，辅放大器开启，并且然后由主放大器和辅放大器这二者的输出的组合来提供多尔蒂放大器的输出。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种射频放大单元。射频放大单元包括：主放大器，其中主放大器可操作以放大输入信号的第一部分；辅放大器，其中辅放大器可操作以在输入信号的第二部分的幅度超过阈值幅度时开启并放大输入信号的第二部分；以及被耦合在主放大器和辅放大器的输出之间的宽带阻抗变换器。宽带阻抗变换器基于主放大器的输出来产生经变换的主放大器的输出。宽带阻抗变换器基于主放大器的输出来产生该经变换的主放大器的输出，其中宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中定向耦合器具有与四分之一波长匹配线相同的电长度。
在一个实施例中，公开了一种射频功率放大器。射频功率放大器包括将输入射频信号分成第一信号和第二信号的信号拆分器、放大第一信号以形成第三信号的第一放大器、放大第二信号以形成第四信号的第二放大器、以及将第三信号变换为第五信号的宽带阻抗变换器。宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中定向耦合器具有与四分之一波长匹配线相同的电长度。
在一个实施例中，公开了一种射频功率放大器。射频功率放大器包括将输入射频信号分成第一信号和第二信号的信号拆分器、放大第一信号以形成第三信号的第一放大器、放大第二信号以形成第四信号的第二放大器、以及将第三信号变换为第五信号的宽带阻抗变换器。宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中定向耦合器具有与四分之一波长匹配线相同的电长度，并且其中定向耦合器是宽侧耦合线耦合器。
在一个实施例中，公开了一种放大射频信号的方法。该方法包括将输入射频信号分成第一信号和第二信号、放大第一信号以形成第三信号、放大第二信号以形成第四信号、以及利用宽带阻抗变换器将第三信号变换为第五信号。宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中定向耦合器具有与四分之一波长匹配线相同的电长度。
根据结合附图和权利要求进行的以下详细描述将更清楚地理解这些和其他特征。
附图说明
为了更全面地理解本公开，现在参考结合附图和详细描述进行的以下简要描述，其中相似的附图标记表示相似的部分。
图1是根据本公开的一个实施例的无线通信系统的图示。
图2是根据本公开的一个实施例的功率放大器的图示。
图3是根据本公开的一个实施例的宽带变换器的图示。
具体实施方式
起初应该理解的是，尽管以下说明了一个或多个实施例的说明性实施方式，但是所公开的系统和方法可以使用不管是当前已知还是尚未存在的任何数量的技术实现。本公开决不应该被局限于以下说明的说明性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求的范围连同其等价物完整范围内被修改。
现在转到图1，描述了无线通信系统100。系统100包括移动电话102、基站收发器104和网络106。第一移动电话102a可以经由基站收发器104和网络106与第二移动电话102b通信，例如执行语音会话。第一基站收发器104a提供去往第一移动电话102a的无线通信链路并将其耦合到网络106。第二基站收发器104b提供去往第二移动电话102b的无线通信链路并将其耦合到网络106。网络106可以是一个或多个公用网络和/或一个或多个专用网络的任何组合。一旦经由基站收发器104而被耦合到网络106，移动电话102就可以经由内容服务器120和内容数据存储器122访问内容和/或经由应用服务器124访问网络服务。
基站收发器104可以使用各种无线通信协议中的任一种来提供无线通信链路，这些无线通信协议例如但不通过限制的方式为码分多址（CDMA）、全球移动通信系统（GSM）、长期演进（LTE）、全球微波接入互操作性（WiMAX）、或其他无线通信协议。在一些上下文中，基站收发器104可以被称为增强型节点B或小区塔或某其他术语。如本文所使用的，基站收发器104和/或小区塔被理解成包括天线和BTS功率放大器（108）。移动电话102包括移动功率放大器110。在一个实施例中，功率放大器108、110分别将基站收发器104和移动电话102的输出功率电平提高到促进可接受质量无线通信链路的电平。要理解的是，移动功率放大器110可以共享以下参考图2和图3进一步详细描述的功率放大器108的许多特征。虽然图1的描述基于移动电话102，但是要理解的是，例如个人数字助理（PDA）、媒体播放器、被耦合到膝上型计算机或其他便携式计算机或者嵌入到其中的空中接口卡之类的其他便携式电子设备同样可以以功率放大器110为特征并经由基站收发器104所提供的无线链路来参加与网络106的无线通信。
现在转到图2，更详细地讨论了功率放大器108的细节。在一个实施例中，功率放大器108包括信号拆分器150、主放大器152、辅放大器154、宽带变换器156和移相器158。信号可以被输入到信号拆分器150，输入信号的第一部分可以被输送到主放大器152，并且输入信号的第二部分可以被输送到移相器158。移相器158向输入信号的第二部分提供相移，以使得宽带变换器156的输出与辅放大器154的输出同相地合并。功率放大器108可以被实现为功率放大器印刷电路板。在一些上下文中，功率放大器108可以被称为射频功率放大器。在一些实施例中，功率放大器108与多尔蒂型放大器架构一致。
在一个实施例中，如本领域技术人员将理解的那样，可以向主放大器152提供输入偏置和输出偏置以实现期望的操作点。在一个实施例中，功率放大器108可以包括主放大器输入匹配网络170和主放大器输出匹配网络172。要明确理解的是，主放大器输出匹配网络172与宽带变换器156不同且相区别。
在一个实施例中，如本领域技术人员将理解的那样，可以向辅放大器154提供输入偏置和输出偏置以实现期望的操作点。在一个实施例中，使辅放大器154偏置以使得辅放大器154仅当输入信号的第二部分超过阈值幅度时才开启并放大。在一个实施例中，针对C类操作使辅放大器154偏置。
在一个实施例中，信号拆分器150可以相等地拆分输入信号以使得输入信号的第一部分可以与输入信号的第二部分基本上相等。然而在可替代的实施例中，信号拆分器150可以根据不同的比率来拆分输入信号。可替代地，在一个实施例中，可以针对B类操作使辅放大器154偏置，并且信号拆分器150可以执行输入信号成形。例如，信号拆分器150可以将输入信号的恒定一小部分作为输入信号的第一部分提供给主放大器152，但可以仅当输入信号超过阈值时才向辅放大器154提供输入信号的第二部分。这种类型的输入条件可以被称为输入信号成形并能够被用来适配出当辅放大器154在完全关闭状态到完全开启状态之间以及在完全开启状态到完全关闭状态之间转移时可能经历的一些不期望的影响。针对关于信号成形的进一步细节，参见由Gregory J. Bowles等人在2009年6月10日提交的、名称为“Doherty Amplifier and Method for Operation Thereof”的美国专利申请12/482,110，其以其整体通过引用并入本文。
在一个实施例中，移相器158将四分之一波长（90度）相移引入到输入信号的第二部分中，但在其他实施例中，移相器158可以引入不同的相移。例如，在一个实施例中，功率放大器108的由移相器158造成的相移可能与四分之一波长不同，其中主放大器152的输出晶体管和辅放大器154的输出晶体管由彼此不同的材料和/或彼此不同的半导体族形成。在以其整体通过引用并入本文的由Gregory Bowles等人在2006年9月29日提交、在2009年6月2日发布的、名称为“Enhanced Doherty Amplifier with Asymmetrical Semiconductors”的美国专利7,541,866中详细描述了功率放大单元的制造和使用，所述功率放大单元具有由具有第一材料组成且属于第一半导体族的第一材料形成的主放大器的输出晶体管以及具有由具有第二材料组成且属于第二半导体族的第二材料形成的辅放大器的输出晶体管，其中第一材料组成中的至少一个与第二材料组成不同，并且第一半导体族与第二半导体族不同。
在一个实施例中，功率放大器108包括线性化电路以改进功率放大器108的性能。例如，对功率放大器108的输出进行感测，确定至功率放大器的输入与功率放大器的输出之差，确定和存储一个或多个预失真值，并且由功率放大器108的电路（未示出）采用预失真值来偏移和/或补偿功率放大器108的未校正的非线性。针对关于使用预失真来对功率放大器进行线性化的进一步细节，参见由David N. Wessel等人在1998年12月10日提交、在2001年8月14日发布的、名称为“Linear Amplifier Arrangement”的美国专利6,275,685，其以其整体通过引用并入本文。要理解的是，本公开与用于确定、存储和提供预失真的其他方法和/或用于对功率放大器108进行线性化的其他方法一致并考虑这些其他方法。
宽带变换器156向输出（例如向天线）提供射频阻抗匹配，以使得主放大器152的输出被辐射而不是被反射回到主放大器152中。会发生的情况是：宽带变换器156将相移引入到由主放大器152输出的信号中。在一个实施例中，宽带变换器156在主放大器152的输出中引入大约四分之一波长相移。
宽带变换器156已被分析为功率放大器108的频率带宽的限制因素。以宽带变换器156为特征的功率放大器108可以被可互换地用在多个不同的无线协议中。这可以促进减少的工程设计和测试成本。例如，功率放大器108可以被一次设计、一次测试，并且然后在没有进一步更改的情况下被部署在第一谱带或第二谱带中，其中第一和第二谱带被较宽地分离。功率放大器108的示例性设计已被分析成提供理论上75%带宽：具有大约2 GHz的中心频率和大约1.4 GHz至大约2.6 GHz的带宽的带宽。在一个实施例中，在一些操作情形下，宽侧变换器156可以提供1:4阻抗变换。在一个实施例中，在一些操作情形下，宽带变换器156可以提供大约12.5欧姆至大约50欧姆阻抗变换。在一个实施例中，在另一操作情形下，宽带变换器156可以提供大约25欧姆至100欧姆阻抗变换。
现在转到图3，描述了宽带变换器156的细节。宽带变换器156包括定向耦合器180和四分之一波长匹配线182。四分之一波长匹配线182具有与功率放大器108的设计中心频率处的四分之一波长近似相等的电长度。要理解的是，可以在其中心频率从功率放大器的设计中心频率偏移的频率带宽中操作功率放大器108。
定向耦合器180包括两个基本上平行的平面金属迹线（trace），每个迹线具有与四分之一波长匹配线182基本上相同的电长度。在一个实施例中，四分之一波长匹配线182以及定向耦合器180的两个金属迹线之一位于体现功率放大器108的电路板结构的相同平面中。四分之一波长匹配线182可以被实现为具有宽度W1的金属迹线。可以使用微带技术或带状线技术将定向耦合器180的两个迹线期望地制造为宽侧耦合线耦合器。然而在另一个实施例中，定向耦合器180可以不使用宽侧耦合线架构而使用不同的耦合架构实现。定向耦合器180可以具有大约3dB至大约5dB的耦合因子。四分之一波长匹配线182和/或定向耦合器180的金属迹线能够被实现为涂有金、银或其他金属的铜芯。
定向耦合器180的两个迹线之间的间隔是S，并且定向耦合器180的两个迹线的宽度都是W2。在一个实施例中，W1可以具有36密尔（mil）至40密尔范围内的值，W2可以具有15密尔至18密尔范围内的值，并且S可以具有10密尔至14密尔范围内的值。与定向耦合器180关联的介电材料可以具有从2.0至2.5范围内的介电常数 
。在一个实施例中，定向耦合器180的衬底可以包括FR4型衬底材料。在一个实施例中，定向耦合器被嵌入到其中的电介质的厚度或高度可以是大约55密尔至70密尔。要理解的是，本公开还考虑了包括宽带变换器156的结构的其他尺寸。
本公开进一步教导了一种放大射频信号的方法。该方法包括将输入射频信号分成第一信号和第二信号、放大第一信号以形成第三信号、以及放大第二信号以形成第四信号。该方法进一步包括利用宽带阻抗变换器将第三信号变换为第五信号。阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中定向耦合器具有与四分之一波长匹配线相同的电长度。可以利用以上参考图2描述的功率放大器108以及以上参考图3描述的宽带变换器156来实施该方法。在一个实施例中，该方法进一步包括在向第二放大器提供第二信号之前（例如在向图2的辅放大器154提供第二信号之前）以补偿由宽带阻抗变换器引入的相移的量来移位第二信号的相位。该方法可以包括将第五信号和第四信号叠加以形成射频输出，例如以便通过天线来发送。可以通过电学结（例如通过合并节点）来叠加第五信号和第四信号。
虽然在本公开中已提供若干实施例，但是应该理解的是，在不背离本公开的精神或范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式体现。当前示例应被视为说明性的而非限制性的，并且不意图被局限于本文所给出的细节。例如，在另一个系统中可以将各种元件或组件进行组合或集成，或者可以省略或不实现某些特征。
此外，在不背离本公开的范围的情况下，在各种实施例中被描述和说明为分立或分离的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法进行组合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其他项目可以通过某种接口、设备或中间组件而间接耦合或通信，不管是电气、机械、还是以其他方式。在不背离本文所公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可查明并且能够做出改变、代替和更改的其他示例。
Claims (20)
1.一种射频放大单元，包括：
主放大器，其中所述主放大器可操作以放大输入信号的第一部分；
辅放大器，其中所述辅放大器可操作以在所述输入信号的第二部分的幅度超过阈值幅度时开启并放大所述输入信号的第二部分；以及
被耦合在所述主放大器的输出和所述辅放大器的输出之间的宽带阻抗变换器，其基于所述主放大器的输出来产生经变换的所述主放大器的输出，其中所述宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中所述定向耦合器具有与所述四分之一波长匹配线相同的电长度。
2.权利要求1的射频放大单元，其中所述定向耦合器具有大约3dB至大约5dB的耦合因子。
3.权利要求1的射频放大单元，其中所述定向耦合器是宽侧耦合线耦合器。
4.权利要求1的射频放大单元，其中所述定向耦合器是使用带状线技术来构建的。
5.权利要求1的射频放大单元，其中所述定向耦合器是使用微带技术来构建的。
6.权利要求1的射频放大单元，其中所述四分之一波长匹配线具有36密尔至40密尔的范围内的宽度，其中所述定向耦合器是宽侧耦合线耦合器，其中所述定向耦合器的线都具有15密尔至18密尔的范围内的宽度，并且其中所述定向耦合器的线以10密尔至14密尔的范围内的间隔分离。
7.一种射频功率放大器，包括：
将输入射频信号分成第一信号和第二信号的信号拆分器；
放大所述第一信号以形成第三信号的第一放大器；
放大所述第二信号以形成第四信号的第二放大器；以及
将所述第三信号变换为第五信号的宽带阻抗变换器，其中所述宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中所述定向耦合器具有与所述四分之一波长匹配线相同的电长度。
8.权利要求7的射频功率放大器，其中所述射频功率放大器是基站收发器功率放大器。
9.权利要求7的射频功率放大器，其中所述射频功率放大器是移动电话功率放大器。
10.权利要求7的射频功率放大器，其中所述宽带阻抗变换器是大约1:4阻抗变换器。
11.权利要求7的射频功率放大器，其中所述宽带阻抗变换器是大约12.5欧姆至大约50欧姆阻抗变换器。
12.权利要求7的射频功率放大器，其中所述射频功率放大器被实现为功率放大器印刷电路板。
13.权利要求7的射频功率放大器，其中所述射频功率放大器是多尔蒂型放大器。
14.权利要求7的射频功率放大器，其中所述射频功率放大器具有大约2 GHz的中心频率以及大约1.4 GHz至大约2.6 GHz的带宽。
15.一种放大射频信号的方法，包括：
将输入射频信号分成第一信号和第二信号；
放大所述第一信号以形成第三信号；
放大所述第二信号以形成第四信号；以及
利用宽带阻抗变换器将所述第三信号变换为第五信号，其中所述宽带阻抗变换器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波长匹配线，其中所述定向耦合器具有与所述四分之一波长匹配线相同的电长度。
16.权利要求15的方法，其中所述四分之一波长匹配线以及所述定向耦合器由涂有金和银之一的铜形成。
17.权利要求15的方法，其中主放大器放大所述第一信号，其中辅放大器放大所述第二信号，并且其中所述主放大器和所述辅放大器是多尔蒂型放大器的部分。
18.权利要求15的方法，进一步包括：在向所述第二放大器提供所述第二信号之前以补偿由所述宽带阻抗变换器引入的相移的量来移位所述第二信号的相位。
19.权利要求15的方法，其中所述定向耦合器是宽侧耦合线耦合器。
20.权利要求15的方法，其中所述定向耦合器是使用微带技术和带状线技术之一来构建的。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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