专利名称：一种Doherty放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种Doherty放大器。更特别地，但不是排他地，本发明涉及一种Doherty放大器，其具有在放大器中减少的级间反射波动(riffle)。
背景技术：
在20世纪30年代，W.H.Doherty发明了一种高效率、线性的、基于电子管的功率放大器。这种“Doherty”放大器配置由两个电子管放大器，即主放大器和辅助放大器构成，其以非常有效的方式把功率传递到公共负载中。最近，Doherty放大器已经实现了由半导体晶体管放大器代替电子管放大器。
放大器效率η是提供给放大器网络的DC功率PDC相对于该放大器网络的输出处的有效RF功率PRF的比，其中该有效RF功率PRF然后被传递给负载。即η＝PRF/PDC。
与Doherty设计相关的一个问题是工作频率的灵敏度。在Doherty放大器中的各放大器具有输入和输出匹配，其随改变功率电平而改变。这个改变产生不匹配。这些不匹配引起了放大器的传输路径中的波动并降低了设计的频率平坦性。
标准的Doherty放大器比传统的放大器更有效，但是最佳化是困难的。
发明内容
本发明包括一种Doherty放大器，包括
具有第一输出和第二输出的功率分离器，其中该第一输出连接到主功率分离器，该主功率分离器具有相位相差90°的第一和第二输出；以及该第二输出连接到辅助功率分离器，该辅助功率分离器具有相位相差90°的第一和第二输出；主末级放大器，其包括第一和第二主成对放大器，该第一和第二主成对放大器的输入连接到主功率分离器的第一和第二输出；辅助末级放大器，其包括第一和第二辅助成对放大器，该第一和第二辅助成对放大器的输入连接到辅助功率分离器的第一和第二输出；其中第一主成对放大器的输出通过阻抗转换器连接到第一辅助成对放大器的输出；以及第二主成对放大器的输出通过阻抗转换器连接到第二辅助成对放大器的输出；该放大器是这样设置的，以便使相对相移被引入到输入到主功率分离器和辅助功率分离器的信号中，以补偿阻抗转换器的相移。
本发明的Doherty放大器具有改善频率的平坦性和稳定性的优点。
优选地，该放大器还包括主驱动放大器，其连接在功率分离器的第一输出和主功率分离器的输入之间；以及辅助驱动放大器，其连接在功率分离器的第二输出和辅助功率分离器的输入之间。
优选地，主功率分离器和辅助功率分离器的第二输出的相位超前于这些分离器的相应的第一输出的相位。
优选地，主功率分离器和辅助功率分离器的第二输出的相位滞后于这些分离器的相应的第一输出的相位。
优选地，功率分离器在第一和第二输出之间引入相移，以补偿阻抗转换器的相移。
优选地，主驱动放大器和辅助驱动放大器中的至少一个将相对相移引入到相应的主或辅助功率分离器的输入，以补偿阻抗转换器的偏移。
优选地，Doherty放大器还包括结合器，其具有连接到第一辅助放大器的输出的第一输入端口，以及连接到第二辅助放大器的输出的第二输入端口，该结合器适于在第一和第二输入端口接收到的信号之间引入相位变化，并且在输出端口结合这两个信号，其中该相位变化与由辅助功率分离器引入的相位变化相反。
更优选地，相位变化是90°。
该Doherty放大器可以包括负载，其通过另一个阻抗变换器连接到结合器的输出。该负载能够终止差分信号。
可选择地，该Doherty放大器还可以包括负载，其连接到结合器的输出；第一结合器阻抗变换器，其连接在第一辅助放大器和结合器的第一输入端口之间；以及第二结合器阻抗变换器，其连接在第二辅助放大器和结合器的第二输入端口之间。
主驱动放大器和辅助驱动放大器中的至少一个可以是单端的。
主驱动放大器和辅助驱动放大器中的至少一个可以包括平衡放大器对。
该Doherty放大器可以包括在主功率分离器之前级联连接的多个主驱动放大器。
该Doherty放大器可以包括在辅助功率分离器之前级联连接的多个辅助驱动放大器。
根据本发明的另一方面，提供一种放大信号的方法，该方法包括把输入信号分离成主信号和辅助信号；把主信号分离成第一主信号和第二主信号，它们相位相差90°；把辅助信号分离成第一辅助信号和第二辅助信号，它们相位相差90°；放大第一主信号和第二主信号；放大第一辅助信号和第二辅助信号；反转放大的第一主信号的阻抗；把反转阻抗的放大的第一主信号加到放大的第一辅助信号，从而产生第一加信号；反转放大的第二主信号的阻抗；把反转阻抗的放大的第二主信号加到放大的第二辅助信号，从而产生第二加信号；其中相对相移在所述分离步骤期间被引入到信号中，以补偿所述反转步骤的效果。
优选地，该方法还可以包括在分离主信号的所述步骤之前放大主信号；在分离辅助信号的所述步骤之前放大辅助信号。
优选地，该方法还可以包括
通过在第一和第二加信号之间引入相位变化来结合第一和第二加信号，其中所述相位变化与在分离辅助信号的所述步骤期间引入的相位变化相反。
下面将参照附图，只是举例而不是限制地对本发明进行描述，其中图1示出了Doherty放大器的示意性方框图；图2示出了Doherty放大器的每个器件的输出电压相对于输入驱动的理论曲线图；图3示出了Doherty放大器的理论效率相对于输出功率的曲线图；图4更详细地示出了图1的实施例的示意性方框图；图5示出了根据本发明的Doherty放大器的示意性方框图；图6示出了本发明的另一实施例的示意性方框图；图7示出了本发明的另一实施例的示意性方框图；以及图8示出了本发明的另一实施例的示意性方框图。
在不同的图中的相似的术语或方框除非另外指出，否则都共用相同的参考标记。
具体实施例方式
图1示出了“Doherty”放大器的示意性方框图。该放大器由如下构成主放大器(130)、辅助放大器(140)、阻抗转换器(150)、输入功率分配器(120)、公共输入接点(110)、公共输出接点(160)和负载(170)。
输入功率分配器(120)分离信号，以便使信号的一部分沿着主放大器(130)路径通过，而使信号的另一部分沿着辅助放大器(140)路径通过。输入功率分配器(120)在它的两个输出之间具有任意的差分相位，但是需要额外的移相器，以确保辅助放大器(140)的输入处的信号相对于主放大器(130)的输入处的信号延迟90°。
两个放大器(130和140)被设计成具有彼此相同的相位特性。随后，分离器(120)的相位延迟通过放大器(130和140)被保持，并且辅助放大器(140)的输出处的信号相对于主放大器(130)的输出处的信号仍然是延迟的。然后，主放大器(130)的RF经过阻抗转换器(150)。这样配置电路，以便从分离器(120)添加到辅助路径的延迟与阻抗转换器(150)中的延迟相同。因此，当它们在公共接点(160)处重新结合时，两个信号再次一致。
将主放大器(130)配置为B类或AB类，随着输入RF驱动功率增大，主放大器(130)工作(turn on)，并且输出功率稳定地增加，如图2(α区域)所示。辅助放大器(140)是偏置的C类，因此它开始时保持不工作(turn off)并是有效的开路。在分界点β处，主放大器(130)以其最大效率工作，并且输出RF电压已达到其最大值；两倍的DC电源电压。然而，在分界点β处，主放大器(130)的最大输出功率是其实际饱和输出功率的一小部分；典型地约为50％。
这样配置Doherty放大器，以便当输入驱动电平增大到超过分界点β进入到χ区域时，辅助放大器(140)开始工作。通过负载(170)注入了更多的电流，并且增大了在公共接点(160)处看到的阻抗。由于阻抗转换器(150)，公共接点(160)处的阻抗被反转，并且主放大器(130)实际上开始见到其负载阻抗的减小。这种动态地减小负载阻抗会使主放大器(130)输出更多的电流，而不会恶化或降低电压输出特性。因此，主放大器(130)的输出功率增大，而主放大器(130)的效率保持在其最大值。主放大器(130)在整个χ区域中以其最大效率工作。
最初，辅助放大器(140)在其输出不具有最大的RF电压摆动，这是因为它自身是充分有效的。因此，主放大器(130)和辅助放大器(140)两者的合成效率在其达到如图3所示的最大值之前轻微地下降。在点δ处，输入驱动已经充分增大，从而辅助放大器(140)也在最大效率下工作，并且输出RF电压幅度也已经达到其最大值；两倍的DC电源电压。
该Doherty放大器网络的优点是，其可在比标准功率放大器更宽范围的输出功率电平上以高效率线性地工作，即它在点ε和δ之间是线性和有效率的，而不是正好在点ε和分界点β之间。最大效率范围取决于阻抗转换器(150)的值以及主放大器(130)与辅助放大器(140)的功率比率。
图4更进一步地描述了图1的Doherty放大器。主放大器(130)包括两个级联的放大器(232和234)，而辅助放大器(140)包括两个级联的放大器(242和244)。放大器232是“主驱动放大器”并且被配置为B类或类似的。放大器234是“主末级放大器”；并且被配置为B类或类似的。放大器242是“辅助驱动放大器”并且被配置为C类或相似的。放大器244是“辅助末级放大器”并且被配置为C类或相似的。
两级放大器允许网络象标准Doherty网络那样被偏置，即具有B类主驱动放大器(232)和C类辅助驱动放大器(242)，但也允许增加具有较好RF性能的两个末级放大器(234和244)。
在该实施例中，两个末级放大器(234和244)是F类的。F类放大器比B类或C类配置的任一种配置更有效率，因为在晶体管内功率损失较小。另外，在F类放大器的输出处的积分谐波滤波导致了Doherty负载牵引效果的优化。然而，在可选实施例中，两个末级放大器可以是除了F类之外的放大器。
阻抗变换器(280)被添加在负载(170)和公共端口(160)之间，以便使系统的输出阻抗能减少，这允许传输线作为较宽的微带线来实现，那么其可以在较高的功率条件下工作。在可选实施例中，阻抗转换器(280)被省略。
Doherty放大器中的主放大器(130)和辅助放大器(140)具有随功率电平而改变的输入匹配。放大器被偏置接近截止，并且在它们的输入处进入的RF信号的大约一半上具有非线性输入阻抗。每个放大器的输入阻抗随施加的电压而改变。这种变化的输入阻抗会在传输路径中引入可变的反射，这导致了频率波动和稳定性问题。
Doherty放大器的性能可以通过将两个驱动电路(232和242)配置为平衡放大器(未示出)来改善。这改善了两个放大器(232和242)的输入和输出匹配，减少了传输路径中的反射和波动。驱动放大器(232和242)仍没与它们后面的末级放大器(234和244)的不良输入匹配相隔离，并且没有消除波动。
将末级放大器(234和244)配置为标准的平衡放大器没有解决这个问题。在主末级放大器(234)的输出上的最终结合器将有效地将其与辅助末级放大器(244)的动态反转输出阻抗相隔离。Doherty设计提供的由主放大器(130)看到的负载阻抗的缩小的优点将会损失。
图5所示的是根据本发明的一种Doherty放大器。驱动放大器(232和242)是平衡或单端的，如图4和5所示。主末级放大器(234)包括第一和第二主成对放大器(334和335)，它们由主功率分离器(332)馈送。辅助末级放大器(244)包括第一和第二辅助成对放大器(344和345)，它们由辅助功率分离器(342)馈送。功率分离器(332和342)包括两个输出，它们基本上在相位上有90°的差别并且振幅相等。
两对放大器(334与335和344与345)的反射通过它们的相关功率分离器(分别是332或342)向回行进。在分离器的公共输入处，两个反射信号相位差180°并相互抵消。在每个分离器的终止端口处，反射信号对是同相的并相加在一起。然后，它们在相关负载电阻器(分别是333或343)中被消耗掉。
那么，四个放大器(334、344、335和345)的输出是成对的，以便它们能按照与公知的Doherty放大器相同的方式来配置。也就是，每个主放大器(334或335)的输出然后通过各个阻抗转换器(250、251)连接到相应的辅助放大器(344或345)的输出。放大器以前的电路必须维持所需的相位偏移，以确保每个辅助放大器(344或345)的输出的相位必须相对于与其成对的主放大器(334或335)的输出被延迟，以便补偿对它们进行重新结合的阻抗转换器(250和251)的相位偏移。当辅助放大器(344和345)工作时，两个主放大器(334和335)此时继续可看到负载阻抗的有效减少。两个主放大器(334和335)的输出功率随着增加的输入功率而增加，而同时保持它们的效率。
然后，在公共点(260和261)之后使用结合器(252)来完成末级放大器(234和244)的平衡配置，该结合器正好在最后的阻抗变换器(280)和负载(170)之前。
结合器包括第一和第二输入端口和输出端口。在结合器的输出端口，在结合在输入端口接收到的信号之前，在输入端口接收到的信号之间引入相位差。该相位差与由辅助功率分离器引入的相位差是相反的，即在该实施例中为-90°。
图6所示的是根据本发明的Doherty放大器的另一实施例。除了驱动放大器(232和242)包括平衡放大器对之外，其工作的原则与图5所示的相似。这些放大器的输出连接到所示的90°功率分离器，以减少这些放大器之间的反射。
主驱动放大器和辅助驱动放大器的输出连接到如在之前描述的主功率分离器和辅助功率分离器。
两个另外的实施例分别在图7和8中描述。在这些实施例中，阻抗变换器281在连接主放大器334和辅助放大器344的公共节点260与结合器252之间、恰好在结合器252之前，连接在主信号路径中。相应的阻抗变换器282在连接主放大器335和辅助放大器345的公共节点261与结合器252之间、恰好在结合器252之前连接在辅助信号路径中。
这些实施例的功率分离器是3dB耦合器。
这些实施例的晶体管是GaAs晶体管。在其它实施例中，晶体管可以是硅LDMOS、GaN和SiC。任何晶体管技术都是适合的，只要主放大器(140)切断时，其能够呈现近似的开路。
在这些实施例中，阻抗转换器(150和280)以微带传输线来实现。转换器(150)是38Ω，转换器(280)是30.86Ω。由于上面的值对所述的本实施例是具体的，其他的形式和数值也是可能的。
表面贴装带状线耦合器被用做分离器/结合器元件。此外，其他的形式也是可能的。
权利要求
1.一种Doherty放大器，包括具有第一输出和第二输出的功率分离器，其中该第一输出连接到主功率分离器，该主功率分离器具有相位相差90°的第一和第二输出；以及该第二输出连接到辅助功率分离器，该辅助功率分离器具有相位相差90°的第一和第二输出；主末级放大器，其包括第一和第二主成对放大器，该第一和第二主成对放大器的输入连接到主功率分离器的第一和第二输出；辅助末级放大器，其包括第一和第二辅助成对放大器，该第一和第二辅助成对放大器的输入连接到辅助功率分离器的第一和第二输出；其中第一主成对放大器的输出通过阻抗转换器连接到第一辅助成对放大器的输出；以及第二主成对放大器的输出通过阻抗转换器连接到第二辅助成对放大器的输出；放大器是这样设置的，以便使相对相移被引入到输入到主功率分离器和辅助功率分离器的信号中，以补偿阻抗转换器的相移。
2.如权利要求1中的Doherty放大器，还包括主驱动放大器，其连接在功率分离器的第一输出和主功率分离器的输入之间；以及辅助驱动放大器，其连接在功率分离器的第二输出和辅助功率分离器的输入之间。
3.如权利要求1或2中的Doherty放大器，其中主功率分离器和辅助功率分离器的第二输出的相位超前于这些分离器的相应的第一输出的相位。
4.如权利要求1或2中的Doherty放大器，其中主功率分离器和辅助功率分离器的第二输出的相位滞后于这些分离器的相应的第一输出的相位。
5.如权利要求1到4中的任一个的Doherty放大器，其中功率分离器在第一和第二输出之间引入相移，以补偿阻抗转换器的相移。
6.如权利要求2到5中的任一个的Doherty放大器，其中主驱动放大器和辅助驱动放大器中的至少一个将相对相移引入到相应的主或辅助功率分离器的输入，以补偿阻抗转换器的偏移。
7.如权利要求1到6中的任一个的Doherty放大器，还包括结合器，其具有连接到第一辅助放大器的输出的第一输入端口，以及连接到第二辅助放大器的输出的第二输入端口，该结合器适于在第一和第二输入端口接收到的信号之间引入相位变化，并且在输出端口结合这两个信号，其中所述相位变化与由辅助功率分离器引入的相位变化相反。
8.如权利要求7中的Doherty放大器，其中相位变化是90°。
9.如权利要求6、7或8中的Doherty放大器，还包括负载，其通过另一个阻抗变换器连接到结合器的输出。
10.如权利要求6到9中的任一个的Doherty放大器，还包括负载，其连接到结合器的输出；第一结合器阻抗变换器，其连接在第一辅助放大器和结合器的第一输入端口之间；以及第二结合器阻抗变换器，其连接在第二辅助放大器和结合器的第二输入端口之间。
11.如权利要求2到10中的任一个的Doherty放大器，其中主驱动放大器和辅助驱动放大器中的至少一个是单端的。
12.如权利要求2到10中的任一个的Doherty放大器，其中主驱动放大器和辅助驱动放大器中的至少一个包括平衡放大器对。
13.如权利要求2到12中的任一个的Doherty放大器，包括在主功率分离器之前级联连接的多个主驱动放大器。
14.如权利要求2到13中的任一个的Doherty放大器，包括在辅助功率分离器之前级联连接的多个辅助驱动放大器。
15.一种放大输入信号的方法，该方法包括把输入信号分离成主信号和辅助信号；把主信号分离成第一主信号和第二主信号，它们相位相差90°；把辅助信号分离成第一辅助信号和第二辅助信号，它们相位相差90°；放大第一主信号和第二主信号；放大第一辅助信号和第二辅助信号；反转放大的第一主信号的阻抗；把反转阻抗的放大的第一主信号加到放大的第一辅助信号，从而产生第一加信号；反转放大的第二主信号的阻抗；把反转阻抗的放大的第二主信号加到放大的第二辅助信号，从而产生第二加信号；其中相对相移在所述分离步骤期间被引入到信号中，以补偿所述反转步骤的相移。
16.根据权利要求15的方法，还包括在分离主信号的所述步骤之前放大主信号；在分离辅助信号的所述步骤之前放大辅助信号。
17.根据权利要求15或16的方法，还包括通过在第一和第二加信号之间引入相位变化来结合该第一和第二加信号，其中所述相位变化与在分离辅助信号的所述步骤期间引入的相位变化相反。
全文摘要
本发明描述了一种Doherty放大器，包括具有第一输出和第二输出的功率分离器(120)，其中第一输出连接到主功率分离器(392)，该主功率分离器具有相位相差90°的第一和第二输出；以及第二输出连接到辅助功率分离器(342)，该辅助功率分离器具有相位相差90°的第一和第二输出；主末级放大器(234)，其包括第一主成对放大器(324)和第二主成对放大器(325)，它们的输入连接到主功率分离器(352)的第一和第二输出；辅助末级放大器(244)，其包括第一辅助成对放大器(344)和第二辅助成对放大器(345)，它们的输入连接到辅助功率分离器(342)的第一和第二输出；其中第一主成对放大器(334)的输出通过阻抗转换器(250)连接到第一辅助成对放大器(344)的输出；以及第二主成对放大器(345)的输出通过阻抗转换器(251)连接到第二辅助成对放大器的输出；该放大器是这样设置的，以便使相对相移被引入到输入到主功率分离器和辅助功率分离器的信号中，以补偿阻抗转换器的相移。
文档编号H03F1/07GK1943106SQ200580011161
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月11日 优先权日2004年3月13日
发明者克里斯托弗·伊恩·莫布斯 申请人:菲尔特罗尼克公开有限公司