專利名稱：一種Doherty放大器的制作方法
技術領域：
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：
在20世紀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”放大器配置由兩個電子管放大器，即主放大器和輔助放大器構成，其以非常有效的方式把功率傳遞到公共負載中。最近，Doherty放大器已經(jīng)實現(xiàn)了由半導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)絡的DC功率PDC相對于該放大器網(wǎng)絡的輸出處的有效RF功率PRF的比，其中該有效RF功率PRF然后被傳遞給負載。即η＝PRF/PDC。
與Doherty設計相關的一個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計的頻率平坦性。
標準的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，以補償阻抗轉換器的相移。
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。
優(yōu)選地，該放大器還包括主驅動放大器，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，以補償阻抗轉換器的相移。
優(yōu)選地，主驅動放大器和輔助驅動放大器中的至少一個將相對相移引入到相應的主或輔助功率分離器的輸入，以補償阻抗轉換器的偏移。
優(yōu)選地，Doherty放大器還包括結合器，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，并且在輸出端口結合這兩個信號，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放大器可以包括負載，其通過另一個阻抗變換器連接到結合器的輸出。該負載能夠終止差分信號。
可選擇地，該Doherty放大器還可以包括負載，其連接到結合器的輸出；第一結合器阻抗變換器，其連接在第一輔助放大器和結合器的第一輸入端口之間；以及第二結合器阻抗變換器，其連接在第二輔助放大器和結合器的第二輸入端口之間。
主驅動放大器和輔助驅動放大器中的至少一個可以是單端的。
主驅動放大器和輔助驅動放大器中的至少一個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)連接的多個主驅動放大器。
該Doherty放大器可以包括在輔助功率分離器之前級聯(lián)連接的多個輔助驅動放大器。
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；反轉放大的第一主信號的阻抗；把反轉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；反轉放大的第二主信號的阻抗；把反轉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，以補償所述反轉步驟的效果。
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放大器的每個器件的輸出電壓相對于輸入驅動的理論曲線圖；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更詳細地示出了圖1的實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)明的另一實施例的示意性方框圖；圖7示出了本發(fā)明的另一實施例的示意性方框圖；以及圖8示出了本發(fā)明的另一實施例的示意性方框圖。
在不同的圖中的相似的術語或方框除非另外指出，否則都共用相同的參考標記。
具體實施例方式
圖1示出了“Doherty”放大器的示意性方框圖。該放大器由如下構成主放大器(130)、輔助放大器(140)、阻抗轉換器(150)、輸入功率分配器(120)、公共輸入接點(110)、公共輸出接點(160)和負載(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°。
兩個放大器(130和140)被設計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換器(150)中的延遲相同。因此，當它們在公共接點(160)處重新結合時，兩個信號再次一致。
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，因此它開始時保持不工作(turn off)并是有效的開路。在分界點β處，主放大器(130)以其最大效率工作，并且輸出RF電壓已達到其最大值；兩倍的DC電源電壓。然而，在分界點β處，主放大器(130)的最大輸出功率是其實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，以便當輸入驅動電平增大到超過分界點β進入到χ區(qū)域時，輔助放大器(140)開始工作。通過負載(170)注入了更多的電流，并且增大了在公共接點(160)處看到的阻抗。由于阻抗轉換器(150)，公共接點(160)處的阻抗被反轉，并且主放大器(130)實際上開始見到其負載阻抗的減小。這種動態(tài)地減小負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，這是因為它自身是充分有效的。因此，主放大器(130)和輔助放大器(140)兩者的合成效率在其達到如圖3所示的最大值之前輕微地下降。在點δ處，輸入驅動已經(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)達到其最大值；兩倍的DC電源電壓。
該Doherty放大器網(wǎng)絡的優(yōu)點是，其可在比標準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ε和δ之間是線性和有效率的，而不是正好在點ε和分界點β之間。最大效率范圍取決于阻抗轉換器(150)的值以及主放大器(130)與輔助放大器(140)的功率比率。
圖4更進一步地描述了圖1的Doherty放大器。主放大器(130)包括兩個級聯(lián)的放大器(232和234)，而輔助放大器(140)包括兩個級聯(lián)的放大器(242和244)。放大器232是“主驅動放大器”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)絡象標準Doherty網(wǎng)絡那樣被偏置，即具有B類主驅動放大器(232)和C類輔助驅動放大器(242)，但也允許增加具有較好RF性能的兩個末級放大器(234和244)。
在該實施例中，兩個末級放大器(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，因為在晶體管內功率損失較小。另外，在F類放大器的輸出處的積分諧波濾波導致了Doherty負載牽引效果的優(yōu)化。然而，在可選實施例中，兩個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現(xiàn)，那么其可以在較高的功率條件下工作。在可選實施例中，阻抗轉換器(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入的RF信號的大約一半上具有非線性輸入阻抗。每個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驅動電路(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)配置為標準的平衡放大器沒有解決這個問題。在主末級放大器(234)的輸出上的最終結合器將有效地將其與輔助末級放大器(244)的動態(tài)反轉輸出阻抗相隔離。Doherty設計提供的由主放大器(130)看到的負載阻抗的縮小的優(yōu)點將會損失。
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功率分離器(分別是332或342)向回行進。在分離器的公共輸入處，兩個反射信號相位差180°并相互抵消。在每個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，它們在相關負載電阻器(分別是333或343)中被消耗掉。
那么，四個放大器(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，每個主放大器(334或335)的輸出然后通過各個阻抗轉換器(250、251)連接到相應的輔助放大器(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，以便補償對它們進行重新結合的阻抗轉換器(250和251)的相位偏移。當輔助放大器(344和345)工作時，兩個主放大器(334和335)此時繼續(xù)可看到負載阻抗的有效減少。兩個主放大器(334和335)的輸出功率隨著增加的輸入功率而增加，而同時保持它們的效率。
然后，在公共點(260和261)之后使用結合器(252)來完成末級放大器(234和244)的平衡配置，該結合器正好在最后的阻抗變換器(280)和負載(170)之前。
結合器包括第一和第二輸入端口和輸出端口。在結合器的輸出端口，在結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放大器的另一實施例。除了驅動放大器(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。
主驅動放大器和輔助驅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。
兩個另外的實施例分別在圖7和8中描述。在這些實施例中，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260與結合器252之間、恰好在結合器252之前，連接在主信號路徑中。相應的阻抗變換器282在連接主放大器335和輔助放大器345的公共節(jié)點261與結合器252之間、恰好在結合器252之前連接在輔助信號路徑中。
這些實施例的功率分離器是3dB耦合器。
這些實施例的晶體管是GaAs晶體管。在其它實施例中，晶體管可以是硅LDMOS、GaN和SiC。任何晶體管技術都是適合的，只要主放大器(140)切斷時，其能夠呈現(xiàn)近似的開路。
在這些實施例中，阻抗轉換器(150和280)以微帶傳輸線來實現(xiàn)。轉換器(150)是38Ω，轉換器(280)是30.86Ω。由于上面的值對所述的本實施例是具體的，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/結合器元件。此外，其他的形式也是可能的。
權利要求
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換器連接到第二輔助成對放大器的輸出；放大器是這樣設置的，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，以補償阻抗轉換器的相移。
2.如權利要求1中的Doherty放大器，還包括主驅動放大器，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的第一輸出的相位。
4.如權利要求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的第一輸出的相位。
5.如權利要求1到4中的任一個的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，以補償阻抗轉換器的相移。
6.如權利要求2到5中的任一個的Doherty放大器，其中主驅動放大器和輔助驅動放大器中的至少一個將相對相移引入到相應的主或輔助功率分離器的輸入，以補償阻抗轉換器的偏移。
7.如權利要求1到6中的任一個的Doherty放大器，還包括結合器，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，并且在輸出端口結合這兩個信號，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.如權利要求7中的Doherty放大器，其中相位變化是90°。
9.如權利要求6、7或8中的Doherty放大器，還包括負載，其通過另一個阻抗變換器連接到結合器的輸出。
10.如權利要求6到9中的任一個的Doherty放大器，還包括負載，其連接到結合器的輸出；第一結合器阻抗變換器，其連接在第一輔助放大器和結合器的第一輸入端口之間；以及第二結合器阻抗變換器，其連接在第二輔助放大器和結合器的第二輸入端口之間。
11.如權利要求2到10中的任一個的Doherty放大器，其中主驅動放大器和輔助驅動放大器中的至少一個是單端的。
12.如權利要求2到10中的任一個的Doherty放大器，其中主驅動放大器和輔助驅動放大器中的至少一個包括平衡放大器對。
13.如權利要求2到12中的任一個的Doherty放大器，包括在主功率分離器之前級聯(lián)連接的多個主驅動放大器。
14.如權利要求2到13中的任一個的Doherty放大器，包括在輔助功率分離器之前級聯(lián)連接的多個輔助驅動放大器。
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；反轉放大的第一主信號的阻抗；把反轉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；反轉放大的第二主信號的阻抗；把反轉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，以補償所述反轉步驟的相移。
16.根據(jù)權利要求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，以補償阻抗轉換器的相移。
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