使用数字相控技术的并联放大器结构

摘要

一种采用并联放大器有效放大信息信号的改进的方法和装置。改进的装置采用数字信号操作技术来使提供到每一并联放大器的上变频输入信号的信号最佳化。调节输入信号的相位和幅度，从而与组合器(120)输入信号功率之和相比，组合器(402)输出处测得的功率是最大的。

说明书

                         发明背景

I.发明领域

本发明涉及高频无线信号的放大，特别涉及控制信号相位和幅度使得可以有效地连接多个放大器的方法。

II.相关技术的描述

在无线发射机领域中，多个放大器经常并联，并用来放大单个的信号。使用并联的多个放大器的发射机称为并联放大器发射机，并集成在一并联放大器结构或设计中。发射机中并联放大器的输出在通过一个或多个天线发送出去之前被组合起来。

并联放大器结构使得能够使用更小、花费更少的放大器。一旦多个放大器中有一个失效，并联放大器发射机不会全部中断服务，而是仅仅输出功率有所降低。在一单个放大器设计中，单个放大器的失效将引起整个发射机的服务失效。因此，发射机中的单个放大器会被看作是单个的故障点。

不幸的是，几个并联放大器输出的有效组合并不是微不足道的。放大器的幅度和相位特性是变化的，从而馈送到几个放大器的同一信号一般会使得各个放大器的输出信号有细微的差别。除非并联放大器的输出信号几乎是同相的，否则它们不能有效地组合为最强的组合输出信号。在最坏的情况下，放大器输出为180度相位差，将破坏性地相互干扰，产生最小的组合输出功率。

组合多个已放大信号的几种装置在本领域中是已知技术，并包括同相组合器如Wilkinson组合器和正交放大器，例如Lange耦合器。Wilkinson组合器有两个输入和一个输出，输出一般代表输入信号的和。Lange耦合器也有两个输入，其中，一个在组合之前旋转90°。另外，Lange耦合器输出一个相位差信号，可用来确定两个输入信号之间的相位差。

在使用多个并联放大器的发射机中，通常是每个放大器必须在工厂调整来保证放大器的相位特性在彼此的一些标称范围内。为了进行这种工厂调试，放大器是用相位调整电路，例如电位器和变容二极管(varactor)来设计的，两者都是已知技术。这种工厂调试步骤必须由合格的工厂技术员进行，并且化时间、费用昂贵。所以，最好能消除这种工厂调试步骤。

甚至在工厂内调试好放大器之后，也需要其它的步骤使得能够将来自并联放大器的信号组合起来。对于每个单独的放大器来说，相位特性随温度而变化，当每个放大器用的时间增加时，相位特性还随时间而变化。为了减缓这种放大器相位变化，开发了进行并联放大器实时相位调整的方法。

为了能够进行并联放大器的实时相位调整，必须使一小组的放大器配有改变输出相位的装置。一般是由在信号源和放大器输入之间插入压控移相器来实现的。用来控制移相器的模拟控制电压来自于测量送到组合器的信号。在利用Lange耦合器的设计中，可以在控制回路中使用Lange耦合器的相位差信号来调整移相器的控制电压。

这种校正并联放大器的方法仍然存在问题。移相器，例如使用变容二极管的类型，具有引起相移输出中信号失真的非线性响应。这种失真在发送高频信号时可能无法接受。如果发送信号是高频，则需要对相位作很精确的调整，以防止破坏性的干扰。移相器的分辨率可以不是足够精确用于高频并联放大器。另外，产生移相器所需的控制电压的电路随时间和温度而变化。将时间和温度一起考虑一起，进一步将提供移相器控制电压的控制回路的设计复杂化了。

另外，仍然需要在工厂内进行放大器的调试，甚至仅仅为了得到与足以使移相器控制回路能够正常工作最接近的相位输出。在放大器结构中使用精密元件有可能不需要进行工厂调试，但是这种元件的使用将增加放大器的材料成本。

在使用同相组合器的现有设计中，增加了相位检测电路以测量组合器的输入之间的相位差。相位检测电路产生相位差信号电压，送到控制回路电路，提供模拟控制电压到电压控制移相器。没有相位检测器时发生的相位检测电路缺少校正或相位失真，这些降低了并联放大器的组合输出的质量。因为相位检测器、移相器和控制回路电路是模拟的，所以它们的特性随温度和年代而变化。

在使用超过两个放大器的并联放大器结构中，多个组合器可以级联以形成最后组合的输出信号。不过，在这一组合器级联的每一层中可以另外引进相位变化，在单独的放大器输出处减少相位测量的有效性。

要求并联放大器结构能有效地组合多个并联放大器的输出。另外，要求这种设计不需要昂贵的、高精度元件，并且不必进行工厂调谐。另外，要求这样的设计能使电路性能不会随温度和时间而变化。

发明概述

本发明通过使用数字技术在产生源信号时，调整源信号的相位来解决以上所描述的问题。在典型的实施例中，直接数字组合器用来产生非常精细相位分辨率的相控上变频器混合信号。在另一实施例中，数字信号处理技术用来对在数字域中的信号进行线性滤波，仔细控制群延迟以产生放大器输入信号的精确的相移。送到每个放大器的输入信号的相位由一控制模块实时调整，它调整放大器的输入信号，使组合器或组合器网络的输出处测得的功率为最大。

因为使用功率测量来使每个放大器的输入信号相位最佳，本发明可以利用同相组合器例如Wilkinson组合器，正交相位组合器例如Lange耦合器，或者其它类型的信号组合器。

另外，每个并联放大器的输出幅度是实时测量和平衡的。除了延长放大器的平均MTBF以外，对具有相似性能规格的并联放大器的输出予以平衡，降低了其中任一个放大器过激励状态的可能性。

本发明可以在任一系统中使用，使得可以用作并联放大器的输入的发射信号的数字处理。

附图简述

在参照附图阅读了本发明的特征、目的和优点以后，读者将会更清楚地理解本发明。图中，相同的标号所表示的意义相同。

图1a是按照本发明的实施例，在信号的数模转换之前应用相位控制的并联放大器结构的方框图。

图1b是按照本发明的实施例，在信号的数模转换之后应用相位控制的并联放大器结构的方框图。

图2是按照本发明的其它实施例的二级上变频器的方框图。

图3是按照本发明实施例将并联放大器发射器所有放大器的输入最佳化处理的高层流程图。

图4是按照本发明实施例将单独放大器的输入最佳化处理的详解的流程图。

较佳实施例的详细说明

图1a和1b显示按照本发明的单独的实施例构造的并联发射器结构。两种结构之间的差别是，相位控制是在数字信号还是模拟信号上进行的(在数模转换之前或之后)。发射器结构用多个并联高功率放大器(HPA的)112显示。尽管用三个并联HPA信道显示，这些结构在具有任意数量的多于一个的并联放大器的发射器中同样有用。

在图1a所示的实施例中，使用相控数字振荡器104产生的一个混合信号，在数字混合器102中将每个信号上变频到中频(IF)，在图中作为直接数字组合器(DDS的)。然后，产生的结果IF信号送到数字增益块106，它能控制到达数模转换器110的IF信号的增益。模拟上变频器110将模拟IF信号上变频，产生射频(RF)信号到达高功率放大器(HPA)112。

将HPA112的输出提供至组合器模块120，在此将所有已放大的信号组合起来，而形成提供至天线122的最后的信号。掌握该技术的人将能理解，组合器模块120能利用同相组合器，例如Wilkinson组合器，正交相位组合器例如Lange耦合器，或不偏离本发明的其它信号组合技术。另外，不偏离本发明，可在组合器模块120和天线122之间加入另一个处理模块。

控制模块116接收来自于连接到每个高功率放大器(HPA)114输出的功率计量表114的信号功率测量信息，和来自于连接到组合器模块120的输出的功率计量表118。控制模块116使用来自于功率计量表组合的功率测量信息，用来产生用于DDS的104的数字相位控制信号和用于数字增益方框106的数字增益控制信号。控制模块116改变送到DDS的104的控制信号，将在功率计量表118处测得的功率与在功率计量表114处测得的功率值的和的比值最大化。另外，控制模块116改变发送到数字增益块106的控制信号，这样，在功率计量表114处测得的功率值大约彼此相等。在使用Lange耦合器的实施例中，Lange耦合器的相位差输出提供至控制模块116，用来产生相位控制信号。

在图1a所示的实施例中，包括数字混合器102a的整套元件，数字振荡器104a，数字增益块106a，DAC108a，模拟上变频器110a，HPA112a和功率计量表114a形成信号传输子系统126。在不偏离本发明的情况下，在并联放大器发射器中，可以使用任何数量的信号传输子系统。

在另一种实施例中，数字增益块106使用数字信号处理来进行频谱成形、均衡或信号的预加重来补偿在每个HPA112的频率特性中的已知的不规则。通过将不同数量的增益加入到它们输出信号的各种频率成分中，这个处理将在每个HPA112的输出处产生更有效的功率频谱密度。

在另一个实施例中，数字增益块106包括线性数字滤波器，它改变了频率-相位响应的线性斜率，以产生均匀的群延迟或相移。通过使用这种数字信号处理技术，数字增益块106对HPA112的输入信号进行相位控制和增益控制，避免在DDS104处进行相位控制。

数字增益块106可以使用现场可编程门阵列(FPGA)，可编程逻辑装置(PLD)，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)或其它能对来自于控制器例如控制模块116的信号作出响应而进行所需要的数字处理的装置来实现。本领域的普通技术人员还能理解，还可以在数字增益块106内实现控制模块116。本领域的普通技术人员还能理解，在不偏离本发明的情况下，数字增益块106还能放在混合器102之前，在相控振荡器104和混合器102之间，或者甚至安装于相控振荡器104中。

图1b示出了按照本发明的另一实施例的发射器结构。在该实施例中，输入到并联放大器的输入信号在模拟混合器152中进行上变频之前，由数模转换器150从数字信号转换成模拟信号。用于模拟混合器152的混合信号由相控数字振荡器104产生，图中作为直接数字组合器(DDS的信号)，并由数模转换器(DAC)156在混合之前转换成模拟信号。连接到DAC的DDS的组合也可以称为“模拟DDS”。每个模拟混合器152的输出提供至任选模拟增益块158，它在信号在HPA112中放大之前改变上变频信号的增益。相控数字振荡器104和模拟增益块158都连接到控制模块116，并接收来自于控制模块116的增益和相控信号。

每个DDS104提供的相移的程度和在每个模拟增益块158处引入的增益变化程度由控制模块116控制。在本实施例中，控制模块116发送到DDS的152的数字相位控制信号，这样将在功率计量表118处测得的功率和在功率计量表114处测得的功率值之和的比值最大化。另外，控制模块116改变送到模拟增益块158的控制信号，这样在功率计量表114处测得的功率值彼此近似相等。控制模块116发送到模拟增益块158的控制信号，按照模拟增益块结构的要求，可以是数字的，也可以是模拟的，这在本领域中是众所周知的。

在图1b所示的另一种实施例中，包括模拟混合器152a、数字振荡器104a、DAC156a、模拟增益块158a、HPA112a和功率计量表114a的一组元件形成信号发射子系统126。图1a中所示的实施例，在不偏离本发明的情况下，在并联放大器发射器中可以使用任意数量的类似信号发射子系统。

本领域中的普通技术人员能够认识到，在不偏离本发明的情况下，在所有描述的实施例中，功率计量表114和118可以是许多已知功率测量装置中的任一种装置，包括二极管探测器和对数放大器。

在本发明的另一种实施例中，控制模块116可以访问存储装置，例如动态、非易失或备用电池随机存取存储器。在本实施例中，在工厂处将初始相位和增益值储存在存储器装置中，可以在现场操作期间更新。构造这些初始相位和增益值，并在适当的时间取回以加速最佳化。例如，一旦并联放大器发射器接通电源，使相位控制振荡器和增益块初始化成从存储器中取出的一值，并且从这些初始值开始进行最佳化。一旦这些参数后来稳定后，新的参数值可以在存储器中更新。

在另一个实施例中，放大器112和任选的组合器120是用内建温度测量器件设计的，例如热敏电阻、热电耦或数字温度计。在这种实施例中，储存对应于放大器和组合器的特殊温度值的初始化参数表，然后从存储器装置中取回。当每个放大器112的温度改变时，这些参数用来改变每个数字增益程序块106的频谱成形特性。相位和增益设置随温度表可以更新到存储器装置，来补偿放大器特性随时间的变化。

在某一实施例，组合器120包括四相组合器，例如Lange耦合器，它能提供相位差输出信号，那些相位差输出信号可以通过信道124提供至控制模块116，用来使每个放大器112的输入信号的相位最佳化。如果组合器120是串联的双输入Lange耦合器，调整来自于并联放大器112的信号的相位，这样，每个Lange耦合器配有两个彼此有90°相位差的输入信号。

图2是按照发明的另一实施例的上变频器结构。在一发射系统中的上变频装置设计中，这种设计的频率计划经常是必须采用多级上变频。

在上变频器110采用DDS产生相控混合信号的实施例中，将相位控制信号从控制模块116发送到上变频器110而不是DDS104。在另一个实施例中，DDS104和混合器102完全省略了，基带信号的上变频是完全由上变频器110实现的。

在利用图2所示的多级上变频器110的并联放大器发射器中，中频(IF)混合信号由本地振荡器(LO)204提供到模拟混合器202。射频(RF)混合信号由本地振荡器210提供到模拟混合器208。带外频率元件由带通滤波器206去除，它具有与本地振荡器204相等的中央频率。本地振荡器204和208可以作为由控制模块116控制的相控模拟DDS来实现。在上变频110处进行相位控制使得没有必要控制数字振荡器104的相位。

根据系统需要的频率规划和相位分辨率，在设计发射器时，可以考虑在频率、相位变化分辨率和DDS的复杂性之间作出相应的平衡。如果相位控制是在中频DDS104处实现的，任何混合器102处引入的相位调节将由上变频器110放大。这样，相位控制的DDS104将必须有非常精细的相位分辨率，需要DDS104有大量的存储器。尽管在更高频处所需要的相位分辨率较少，例如在RF本地振荡器208处，通常需要更宽范围的相位偏移来补偿并联放大器信号路径的偏差。

图3是按照本发明实施例使并联放大器输入最佳化的过程的高级流程图。一旦发射器接通电源，或者在以后的合适时间，就可以开始该过程301。在步骤302，在并联放大器发射器中从第1到n个放大器，调整输入信号相位、增益或两者。

首先，在步骤302a处，调整放大器#1的输入信号，使得组合效率为最大。然后，在步骤302b调整放大器#2的输入信号，使得组合效率为最大。n个并联放大器中的每个均继续该过程。在302n处，使第n个并联放大器的输入信号最佳化，重复该过程，按照合适的方式，再次开始第一个放大器302a的最佳化。

临时选择一个将要调整其输入的放大器，n-1个放大器的输入相位和增益将仍是恒定的。当那些n-1个放大器的输出组合起来时，将形成一个和信号，它具有单一的幅度和相位。将一个放大器最佳化的步骤是将一个放大器的相位与其它n-1个放大器的和信号的相位对准。在对所有n个放大器执行步骤302a-n中的每一步时，在组合器的放大器输出的校正得到改善，直到由正在使用的功率计量表分辨率所限制。步骤302a-n必要时连续进行，以补偿发射器随时间和温度的变化。

本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的情况下，该过程可以实现许多变化形式。例如，步骤302a-n的次序可以根据通过回路的每个通道的随机选择而调整，或者根据前一次路径调整幅度。

图4是一流程图，更详细地画出了按照本发明的实施例将单一放大器302的输入最佳化的过程。将单一放大器的输入信号最佳化的过程在401开始，并在信号与所有其它放大器信号的和校准后继续输入到下一个放大器420。

将单个放大器的输入信号最佳化的第一步是从测量每个并联放大器的功率输出以及组合器402的功率输出开始的。

在记录了这些功率值作为基准之后，输入信号相对于所选择的放大器的相位偏移预定的正相位值404。

测量步骤406a可以重复步骤402中功率测量值的所有的或者已选择的子集。在另一实施例中，如果单个放大器输出以前的功率值假设为稳定的，则在步骤406a处进行的功率测量值的子集包括测量组合器的功率输出。在另一个实施例中，子集包括测量组合器功率输出和正在调整其输入的放大器的输出。

在完成相位调整404之后，调整的或测得合成功率值，在408a处评估合成效率。在本发明的较佳实施例中，按照等式(1)评估组合效率。在不偏离本发明的情况下，在评估合成效率408a时可以使用其它等式。将功率计量表114处测得的功率值相加，形成一输入功率和。然后，组合器120的输出处由功率表118测得的功率除以该输入功率的和，以产生组合效率。由组合器的输出功率除以输入功率，使得组合效率测量值对被放大的信号波形的影响较小。

在判断步骤408a，评估相位调整404产生的组合效率的变化。如果组合效率增大，则重复步骤404，406a和408，直至增加的信号相位不再产生可测得的合成效率的增加。当这些相位调整404之一产生组合效率的降低时，大多数最新的相位调整是不进行的(反向的)410。步骤410将输入信号相位恢复到它在大多数最新的相位调整之前的状态。

在步骤414，评估增加信号相位的效果，看看是否需要降低信号相位。如果步骤404到410产生持续的相位增加，则跳过试图降低相位的步骤(步骤412到418)。换句话说，如果已进行了多于一个的相位增加，或者如果步骤404，406和408引起相位增加，且未被步骤410所撤消，则没有必要评估降低输入信号的相位是否会提高组合效率。在这种情况下，本发明的方法从步骤414进行到420。

不过，如果仍然存在疑问，相位降低是否会提高组合效率，则输入到所选放大器的输入信号偏移一个预定的负相位值404。

同样道理，测量步骤406a，测量步骤406b可以是步骤402中功率测量值的全部或选择的一部分。前面的步骤406a产生的功率测量值在估算组合效率408b的变化中是用作基准线的。在本发明的较佳实施例中，按照等式(1)进行408b中组合效率的估算。对步骤408a，在不偏离本发明的情况下，评估组合效率408b时可以使用其它等式。

在判断步骤408b，评估相位调整412中产生的组合效率的变化。如果组合效率增加，则重复步骤412，406b和408b，直至增加信号的相位不会引起组合效率的可测得的增加。当这些相位调整412之一降低了组合效率的时候，则不再进行最新(相反)的相位调整410。步骤410将输入的相位恢复到它最新一次相位调整之前的状态。

在步骤418之后，所选择的放大器输入信号302的最佳化在420中结束，并且通常继续对下一个放大器的输入信号进行最佳化。

本发明的实施例中，还可以具有所描述的过程的几种变化形式。通常需要在放大器输入最佳化期间，在组合器的输出处测得的输出功率值保持一恒定值。在本发明的较佳实施例中，过程302包括在每次相位调整404或412之后，使放大器的输出保持平衡。每次相位调整之后，调整并联放大器或它们各自的输入信号，这样组合器的输出处测得的功率值在放大器输入信号的相位调整期间大约相同。还进行增益调整，使得在每个放大器输出处测得的功率值彼此近似相等。这种调整可以作为功率测量步骤406的一部分进行。

在另一个实施例中，按照以前最佳化中的可靠度，改变步骤404和412中使用的相位增量。例如，如果发射器最近接通电源，或者并联放大器的温度没有稳定，可以尝试较大的增量以快速将所选择的放大器的相位移入其它放大器的和信号的粗范围内。如果已经使用几种这样的粗调从而到达步骤410，则可以继续使用较小的相位增量继续用步骤404进行处理。同样，如果在到达步骤418之前立即进行几种粗调，则可以用较小的相位增量继续用步骤412进行处理。

在本发明另一种实施例中，控制模块116可访问包含初始化参数的存储器。在本实施例中，开始步骤401包括恢复初始化相位和增益参数，在测量功率值402之前使用那些值来构造发射器。在进一步包括温度传感器的发射器中，并且初始化参数按照温度储存在一个列表中，则按照初始温度测量值选择401中使用的初始化值。在步骤420中继续进行的处理包括以合适的方式更新初始化参数。

前文中较佳实施例的描述是为了使本领域中的普通技术人员能利用或使用本发明。对这些实施例的各种修改形式对本领域中的普通技术人员来说是显而易见的，此处描述的基本原则没有发明人员的帮助也能适用于其它实施例。这样，本发明并非局限于此处所描述的实施例，应当从最宽的范围来理解此处所揭示的原则和新颖特性。