使用寬帶變換器的寬帶多爾蒂放大器的制造方法
【專利摘要】提供了一種射頻放大單元。該射頻放大單元包括：主放大器，其中主放大器可操作以放大輸入信號的第一部分；輔放大器，其中輔放大器可操作以在輸入信號第四信號的第二部分的幅度超過閾值幅度時開啟并放大輸入信號的第二部分；以及被耦合在主放大器的輸出和輔放大器的輸出之間的寬帶阻抗變換器。寬帶阻抗變換器基于主放大器的輸出來產(chǎn)生經(jīng)變換的主放大器的輸出。寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中定向耦合器具有與四分之一波長匹配線相同的電長度。
【專利說明】使用寬帶變換器的寬帶多爾蒂放大器
【背景技術(shù)】
[0001]功率放大器可以被用在包括無線通信的各種電子應(yīng)用中。一般而言，功率放大器放大輸入電信號以產(chǎn)生相對于輸入具有增加的幅度的輸出電信號。基站收發(fā)器、增強(qiáng)型節(jié)點B和/或小區(qū)站點可以包含一個或多個射頻功率放大器，以在從天線和/或天線陣列發(fā)射之前提高信號的功率。便攜式電子設(shè)備同樣可以包含功率放大器，以在從天線發(fā)射之前提高信號的功率。多爾蒂(Doherty)放大器架構(gòu)在一些無線通信應(yīng)用中已變得廣泛地用作功率放大器。雖然多爾蒂放大器可以以各種不同結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，但是多爾蒂放大器通常包括主放大器和輔放大器(也分別被稱為載波放大器和峰值放大器)。輔放大器被C類偏置，并因而對于多爾蒂放大器的低輸入信號包絡(luò)而言保持關(guān)閉，并且然后由主放大器的輸出單獨提供多爾蒂放大器的輸出。當(dāng)多爾蒂放大器的輸入驅(qū)動信號處于或高于幅度閾值時，輔放大器開啟，并且然后由主放大器和輔放大器這二者的輸出的組合來提供多爾蒂放大器的輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]在一個實施例中，公開了一種射頻放大單元。射頻放大單元包括:主放大器，其中主放大器可操作以放大輸入信號的第一部分；輔放大器，其中輔放大器可操作以在輸入信號的第二部分的幅度超過閾值幅度時開啟并放大輸入信號的第二部分；以及被耦合在主放大器和輔放大器的輸出之間的寬帶阻抗變換器。寬帶阻抗變換器基于主放大器的輸出來產(chǎn)生經(jīng)變換的主放大器的輸出。寬帶阻抗變換器基于主放大器的輸出來產(chǎn)生該經(jīng)變換的主放大器的輸出，其中寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中定向耦合器具有與四分之一波長匹配線相同的電長度。
[0003]在一個實施例中，公開了一種射頻功率放大器。射頻功率放大器包括將輸入射頻信號分成第一信號和第二信號的信號拆分器、放大第一信號以形成第三信號的第一放大器、放大第二信號以形成第四信號的第二放大器、以及將第三信號變換為第五信號的寬帶阻抗變換器。寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中定向耦合器具有與四分之一波長匹配線相同的電長度。
[0004]在一個實施例中，公開了一種射頻功率放大器。射頻功率放大器包括將輸入射頻信號分成第一信號和第二信號的信號拆分器、放大第一信號以形成第三信號的第一放大器、放大第二信號以形成第四信號的第二放大器、以及將第三信號變換為第五信號的寬帶阻抗變換器。寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中定向耦合器具有與四分之一波長匹配線相同的電長度，并且其中定向耦合器是寬側(cè)耦合線耦合器。
[0005]在一個實施例中，公開了一種放大射頻信號的方法。該方法包括將輸入射頻信號分成第一信號和第二信號、放大第一信號以形成第三信號、放大第二信號以形成第四信號、以及利用寬帶阻抗變換器將第三信號變換為第五信號。寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中定向耦合器具有與四分之一波長匹配線相同的電長度。[0006]根據(jù)結(jié)合附圖和權(quán)利要求進(jìn)行的以下詳細(xì)描述將更清楚地理解這些和其他特征。【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]為了更全面地理解本公開，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖和詳細(xì)描述進(jìn)行的以下簡要描述，其中相似的附圖標(biāo)記表示相似的部分。
[0008]圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的無線通信系統(tǒng)的圖示。
[0009]圖2是根據(jù)本公開的一個實施例的功率放大器的圖示。
[0010]圖3是根據(jù)本公開的一個實施例的寬帶變換器的圖示。
【具體實施方式】
[0011]起初應(yīng)該理解的是，盡管以下說明了一個或多個實施例的說明性實施方式，但是所公開的系統(tǒng)和方法可以使用不管是當(dāng)前已知還是尚未存在的任何數(shù)量的技術(shù)實現(xiàn)。本公開決不應(yīng)該被局限于以下說明的說明性實施方式、附圖和技術(shù)，而是可以在所附權(quán)利要求的范圍連同其等價物完整范圍內(nèi)被修改。
[0012]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，描述了無線通信系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括移動電話102、基站收發(fā)器104和網(wǎng)絡(luò)106。第一移動電話102a可以經(jīng)由基站收發(fā)器104和網(wǎng)絡(luò)106與第二移動電話102b通信，例如執(zhí)行語音會話。第一基站收發(fā)器104a提供去往第一移動電話102a的無線通信鏈路并將其耦合到網(wǎng)絡(luò)106。第二基站收發(fā)器104b提供去往第二移動電話102b的無線通信鏈路并將其耦合到網(wǎng)絡(luò)106。網(wǎng)絡(luò)106可以是一個或多個公用網(wǎng)絡(luò)和/或一個或多個專用網(wǎng)絡(luò)的任何組合。一旦經(jīng)由基站收發(fā)器104而被耦合到網(wǎng)絡(luò)106，移動電話102就可以經(jīng)由內(nèi)容服務(wù)器120和內(nèi)容數(shù)據(jù)存儲器122訪問內(nèi)容和/或經(jīng)由應(yīng)用服務(wù)器124訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
[0013]基站收發(fā)器104可以使用各種無線通信協(xié)議中的任一種來提供無線通信鏈路，這些無線通信協(xié)議例如但不通過限制的方式為碼分多址(CDMA)、全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、長期演進(jìn)(LTE)、全球微波接入互操作性(WiMAX)、或其他無線通信協(xié)議。在一些上下文中，基站收發(fā)器104可以被稱為增強(qiáng)型節(jié)點B或小區(qū)塔或某其他術(shù)語。如本文所使用的，基站收發(fā)器104和/或小區(qū)塔被理解成包括天線和BTS功率放大器(108)。移動電話102包括移動功率放大器110。在一個實施例中，功率放大器108、110分別將基站收發(fā)器104和移動電話102的輸出功率電平提高到促進(jìn)可接受質(zhì)量無線通信鏈路的電平。要理解的是，移動功率放大器110可以共享以下參考圖2和圖3進(jìn)一步詳細(xì)描述的功率放大器108的許多特征。雖然圖1的描述基于移動電話102，但是要理解的是，例如個人數(shù)字助理(PDA)、媒體播放器、被耦合到膝上型計算機(jī)或其他便攜式計算機(jī)或者嵌入到其中的空中接口卡之類的其他便攜式電子設(shè)備同樣可以以功率放大器110為特征并經(jīng)由基站收發(fā)器104所提供的無線鏈路來參加與網(wǎng)絡(luò)106的無線通信。
[0014]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，更詳細(xì)地討論了功率放大器108的細(xì)節(jié)。在一個實施例中，功率放大器108包括信號拆分器150、主放大器152、輔放大器154、寬帶變換器156和移相器158。信號可以被輸入到信號拆分器150,輸入信號的第一部分可以被輸送到主放大器152,并且輸入信號的第二部分可以被輸送到移相器158。移相器158向輸入信號的第二部分提供相移，以使得寬帶變換器156的輸出與輔放大器154的輸出同相地合并。功率放大器108可以被實現(xiàn)為功率放大器印刷電路板。在一些上下文中，功率放大器108可以被稱為射頻功率放大器。在一些實施例中，功率放大器108與多爾蒂型放大器架構(gòu)一致。
[0015]在一個實施例中，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，可以向主放大器152提供輸入偏置和輸出偏置以實現(xiàn)期望的操作點。在一個實施例中，功率放大器108可以包括主放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)170和主放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)172。要明確理解的是，主放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)172與寬帶變換器156不同且相區(qū)別。
[0016]在一個實施例中，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，可以向輔放大器154提供輸入偏置和輸出偏置以實現(xiàn)期望的操作點。在一個實施例中，使輔放大器154偏置以使得輔放大器154僅當(dāng)輸入信號的第二部分超過閾值幅度時才開啟并放大。在一個實施例中，針對C類操作使輔放大器154偏置。
[0017]在一個實施例中，信號拆分器150可以相等地拆分輸入信號以使得輸入信號的第一部分可以與輸入信號的第二部分基本上相等。然而在可替代的實施例中，信號拆分器150可以根據(jù)不同的比率來拆分輸入信號?？商娲?，在一個實施例中，可以針對B類操作使輔放大器154偏置,并且信號拆分器150可以執(zhí)行輸入信號成形。例如，信號拆分器150可以將輸入信號的恒定一小部分作為輸入信號的第一部分提供給主放大器152，但可以僅當(dāng)輸入信號超過閾值時才向輔放大器154提供輸入信號的第二部分。這種類型的輸入條件可以被稱為輸入信號成形并能夠被用來適配出當(dāng)輔放大器154在完全關(guān)閉狀態(tài)到完全開啟狀態(tài)之間以及在完全開啟狀態(tài)到完全關(guān)閉狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移時可能經(jīng)歷的一些不期望的影響。針對關(guān)于信號成形的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，參見由Gregory J.Bowles等人在2009年6月10日提交的、名稱為 “Doherty Amplifier and Method for Operation Thereof ” 的美國專利申請12/482，110，其以其整體通過引用并入本文。
[0018]在一個實施例中，移相器158將四分之一波長(90度)相移引入到輸入信號的第二部分中，但在其他實施例中，移相器158可以引入不同的相移。例如，在一個實施例中，功率放大器108的由移相器158造成的相移可能與四分之一波長不同，其中主放大器152的輸出晶體管和輔放大器154的輸出晶體管由彼此不同的材料和/或彼此不同的半導(dǎo)體族形成。在以其整體通過引用并入本文的由Gregory Bowles等人在2006年9月29日提交、在 2009 年 6 月 2 日發(fā)布的、名稱為“Enhanced Doherty Amplifier with AsymmetricalSemiconductors”的美國專利7，541,866中詳細(xì)描述了功率放大單元的制造和使用，所述功率放大單元具有由具有第一材料組成且屬于第一半導(dǎo)體族的第一材料形成的主放大器的輸出晶體管以及具有由具有第二材料組成且屬于第二半導(dǎo)體族的第二材料形成的輔放大器的輸出晶體管，其中第一材料組成中的至少一個與第二材料組成不同，并且第一半導(dǎo)體族與第二半導(dǎo)體族不同。
[0019]在一個實施例中，功率放大器108包括線性化電路以改進(jìn)功率放大器108的性能。例如，對功率放大器108的輸出進(jìn)行感測,確定至功率放大器的輸入與功率放大器的輸出之差，確定和存儲一個或多個預(yù)失真值，并且由功率放大器108的電路(未示出)采用預(yù)失真值來偏移和/或補(bǔ)償功率放大器108的未校正的非線性。針對關(guān)于使用預(yù)失真來對功率放大器進(jìn)行線性化的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，參見由David N.Wessel等人在1998年12月10日提交、在2001年8月14日發(fā)布的、名稱為“Linear Amplifier Arrangement”的美國專利6，275，685，其以其整體通過引用并入本文。要理解的是，本公開與用于確定、存儲和提供預(yù)失真的其他方法和/或用于對功率放大器108進(jìn)行線性化的其他方法一致并考慮這些其他方法。
[0020]寬帶變換器156向輸出(例如向天線)提供射頻阻抗匹配，以使得主放大器152的輸出被輻射而不是被反射回到主放大器152中。會發(fā)生的情況是:寬帶變換器156將相移引入到由主放大器152輸出的信號中。在一個實施例中，寬帶變換器156在主放大器152的輸出中引入大約四分之一波長相移。
[0021]寬帶變換器156已被分析為功率放大器108的頻率帶寬的限制因素。以寬帶變換器156為特征的功率放大器108可以被可互換地用在多個不同的無線協(xié)議中。這可以促進(jìn)減少的工程設(shè)計和測試成本。例如，功率放大器108可以被一次設(shè)計、一次測試，并且然后在沒有進(jìn)一步更改的情況下被部署在第一譜帶或第二譜帶中，其中第一和第二譜帶被較寬地分離。功率放大器108的示例性設(shè)計已被分析成提供理論上75%帶寬:具有大約2 GHz的中心頻率和大約1.4 GHz至大約2.6 GHz的帶寬的帶寬。在一個實施例中，在一些操作情形下，寬側(cè)變換器156可以提供1:4阻抗變換。在一個實施例中，在一些操作情形下，寬帶變換器156可以提供大約12.5歐姆至大約50歐姆阻抗變換。在一個實施例中，在另一操作情形下，寬帶變換器156可以提供大約25歐姆至100歐姆阻抗變換。
[0022]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，描述了寬帶變換器156的細(xì)節(jié)。寬帶變換器156包括定向耦合器180和四分之一波長匹配線182。四分之一波長匹配線182具有與功率放大器108的設(shè)計中心頻率處的四分之一波長近似相等的電長度。要理解的是，可以在其中心頻率從功率放大器的設(shè)計中心頻率偏移的頻率帶寬中操作功率放大器108。
[0023]定向耦合器180包括兩個基本上平行的平面金屬跡線(trace)，每個跡線具有與四分之一波長匹配線182基本上相同的電長度。在一個實施例中，四分之一波長匹配線182以及定向耦合器180的兩個金屬跡線之一位于體現(xiàn)功率放大器108的電路板結(jié)構(gòu)的相同平面中。四分之一波長匹配線182可以被實現(xiàn)為具有寬度Wl的金屬跡線?？梢允褂梦Ъ夹g(shù)或帶狀線技術(shù)將定向耦合器180的兩個跡線期望地制造為寬側(cè)耦合線耦合器。然而在另一個實施例中，定向耦合器180可以不使用寬側(cè)耦合線架構(gòu)而使用不同的耦合架構(gòu)實現(xiàn)。定向耦合器180可以具有大約3dB至大約5dB的耦合因子。四分之一波長匹配線182和/或定向耦合器180的金屬跡線能夠被實現(xiàn)為涂有金、銀或其他金屬的銅芯。
[0024]定向耦合器180的兩個跡線之間的間隔是S，并且定向耦合器180的兩個跡線的寬度都是W2。在一個實施例中，Wl可以具有36密爾(mil)至40密爾范圍內(nèi)的值，W2可以具有15密爾至18密爾范圍內(nèi)的值，并且S可以具有10密爾至14密爾范圍內(nèi)的值。與定向耦合器180關(guān)聯(lián)的介電材料可以具有從2.0至2.5范圍內(nèi)的介電常數(shù)Cf。在一個實施例中，定向耦合器180的襯底可以包括FR4型襯底材料。在一個實施例中，定向耦合器被嵌入到其中的電介質(zhì)的厚度或高度可以是大約55密爾至70密爾。要理解的是，本公開還考慮了包括寬帶變換器156的結(jié)構(gòu)的其他尺寸。
[0025]本公開進(jìn)一步教導(dǎo)了一種放大射頻信號的方法。該方法包括將輸入射頻信號分成第一信號和第二信號、放大第一信號以形成第三信號、以及放大第二信號以形成第四信號。該方法進(jìn)一步包括利用寬帶阻抗變換器將第三信號變換為第五信號。阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中定向耦合器具有與四分之一波長匹配線相同的電長度。可以利用以上參考圖2描述的功率放大器108以及以上參考圖3描述的寬帶變換器156來實施該方法。在一個實施例中，該方法進(jìn)一步包括在向第二放大器提供第二信號之前(例如在向圖2的輔放大器154提供第二信號之前)以補(bǔ)償由寬帶阻抗變換器引入的相移的量來移位第二信號的相位。該方法可以包括將第五信號和第四信號疊加以形成射頻輸出，例如以便通過天線來發(fā)送?？梢酝ㄟ^電學(xué)結(jié)(例如通過合并節(jié)點)來疊加第五信號和第四信號。
[0026]雖然在本公開中已提供若干實施例，但是應(yīng)該理解的是，在不背離本公開的精神或范圍的情況下，所公開的系統(tǒng)和方法可以以許多其他特定形式體現(xiàn)。當(dāng)前示例應(yīng)被視為說明性的而非限制性的，并且不意圖被局限于本文所給出的細(xì)節(jié)。例如，在另一個系統(tǒng)中可以將各種元件或組件進(jìn)行組合或集成，或者可以省略或不實現(xiàn)某些特征。
[0027]此外，在不背離本公開的范圍的情況下，在各種實施例中被描述和說明為分立或分離的技術(shù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法可以與其他系統(tǒng)、模塊、技術(shù)或方法進(jìn)行組合或集成。被示出或討論為彼此直接耦合或通信的其他項目可以通過某種接口、設(shè)備或中間組件而間接耦合或通信，不管是電氣、機(jī)械、還是以其他方式。在不背離本文所公開的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可查明并且能夠做出改變、代替和更改的其他示例。
【權(quán)利要求】
1.一種射頻放大單元,包括: 主放大器，其中所述主放大器可操作以放大輸入信號的第一部分； 輔放大器，其中所述輔放大器可操作以在所述輸入信號的第二部分的幅度超過閾值幅度時開啟并放大所述輸入信號的第二部分；以及 被耦合在所述主放大器的輸出和所述輔放大器的輸出之間的寬帶阻抗變換器，其基于所述主放大器的輸出來產(chǎn)生經(jīng)變換的所述主放大器的輸出，其中所述寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中所述定向耦合器具有與所述四分之一波長匹配線相同的電長度。
2.權(quán)利要求1的射頻放大單元，其中所述定向耦合器具有大約3dB至大約5dB的耦合因子。
3.權(quán)利要求1的射頻放大單元，其中所述定向耦合器是寬側(cè)耦合線耦合器。
4.權(quán)利要求1的射頻放大單元，其中所述定向耦合器是使用帶狀線技術(shù)來構(gòu)建的。
5.權(quán)利要求1的射頻放大單元，其中所述定向耦合器是使用微帶技術(shù)來構(gòu)建的。
6.權(quán)利要求1的射頻放大單元，其中所述四分之一波長匹配線具有36密爾至40密爾的范圍內(nèi)的寬度，其中所述定向耦合器是寬側(cè)耦合線耦合器，其中所述定向耦合器的線都具有15密爾至18密爾的范圍內(nèi)的寬度，并且其中所述定向耦合器的線以10密爾至14密爾的范圍內(nèi)的間隔分離。
7.一種射頻功率放大器，包括: 將輸入射頻信號分成第一信號和第二信號的信號拆分器；· 放大所述第一信號以形成第三信號的第一放大器； 放大所述第二信號以形成第四信號的第二放大器；以及 將所述第三信號變換為第五信號的寬帶阻抗變換器，其中所述寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中所述定向耦合器具有與所述四分之一波長匹配線相同的電長度。
8.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述射頻功率放大器是基站收發(fā)器功率放大器。
9.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述射頻功率放大器是移動電話功率放大器。
10.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述寬帶阻抗變換器是大約1:4阻抗變換器。
11.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述寬帶阻抗變換器是大約12.5歐姆至大約50歐姆阻抗變換器。
12.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述射頻功率放大器被實現(xiàn)為功率放大器印刷電路板。
13.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述射頻功率放大器是多爾蒂型放大器。
14.權(quán)利要求7的射頻功率放大器，其中所述射頻功率放大器具有大約2GHz的中心頻率以及大約1.4 GHz至大約2.6 GHz的帶寬。
15.一種放大射頻信號的方法，包括: 將輸入射頻信號分成第一信號和第二信號； 放大所述第一信號以形成第三信號； 放大所述第二信號以形成第四信號；以及利用寬帶阻抗變換器將所述第三信號變換為第五信號，其中所述寬帶阻抗變換器包括被耦合到定向耦合器的四分之一波長匹配線，其中所述定向耦合器具有與所述四分之一波長匹配線相同的電長度。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述四分之一波長匹配線以及所述定向耦合器由涂有金和銀之一的銅形成。
17.權(quán)利要求15的方法，其中主放大器放大所述第一信號，其中輔放大器放大所述第二信號，并且其中所述主放大器和所述輔放大器是多爾蒂型放大器的部分。
18.權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括:在向所述第二放大器提供所述第二信號之前以補(bǔ)償由所述寬帶阻抗變換器引入的相移的量來移位所述第二信號的相位。
19.權(quán)利要求15的方法，其中所述定向耦合器是寬側(cè)耦合線耦合器。
20.權(quán)利要求15的方法，其中所述定向耦合器是使用微帶技術(shù)和帶狀線技術(shù)之一來構(gòu)建的。
【文檔編號】H01P5/18GK103828230SQ201180072228
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月13日
【發(fā)明者】N.歐塔勒布 申請人:巖星社團(tuán)美國有限公司