КОМБИНИРОВАННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, РАДИОСТАНЦИЯ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КПД КОМБИНИРОВАННОГО УСИЛИТЕЛЯ
COMBINED AMPLIFIER, RADIO STATION AND METHOD FOR INCREASING EFFICIENCY OF COMBINED AMPLIFIER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к усилителям мощности в целом и, в частности, к комбинированному усилителю радиостанции, включающей в себя такой комбинированный усилитель, и к способу повышения кпд такого комбинированного усилителя.
Уровень техники
Усилители мощности, обычно используемые в радиопередатчиках для широковещательных, сотовых и спутниковых систем, являются необходимыми компонентами, которые должны быть эффективными и линейными, наряду со способностью одновременно усиливать множество радиоканалов (частот) или независимых каналов данных пользователя, разнесенных по достаточно широкой полосе частот. Усилитель мощности, такой как усилитель мощности радиочастот (RF), также должен выполнять усиление эффективно, чтобы сократить потребление мощности и увеличить срок службы. Высокая линейность требуется потому, что нелинейные характеристики входных и выходных сигналов усилителя мощности часто приводят к расширению спектра вокруг требуемого усиленного сигнала и к появлению нежелательного внутриполосного компонента сигнала, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик системы, особенно в коммуникационных системах, работающих на нескольких несущих (например, WCDMA), которые, как известно, особенно чувствительны к эффектам нелинейности.
Для уменьшения эффекта нелинейности можно использовать несколько схем линеаризации. Одна такая схема линеаризации известна как схема с прямой связью, где сигнал подпитывают после усилителя, который нейтрализует отклонения от идеала. Еще одна обычно используемая схема линеаризации предварительно искажает (модифицирует) сигнал на входе усилителя, чтобы получить неискаженный усиленный сигнал на выходе усилителя. Такая технология называется предыскажением.
Дополнительным важным ключевым фактором RF усилителей мощности, используемых в коммуникационных системах, работающих на нескольких несущих (например, WCDMA), является, как указано выше, кпд усилителя.
Кпд усилителя должен быть высоким, чтобы снизить потребность в охлаждении и общее потребление мощности и чтобы увеличить долговечность усилителя мощности. Обычные усилители мощности имеют низкий кпд, особенно при передаче сигналов с большим отношением пиковой мощности к средней мощности. В качестве примера, широкополосный сигнал обычно имеет среднюю мощность (амплитуду), которая нормально значительно меньше пиковой мощности (амплитуды), и поскольку обычный линейный RF усилитель мощности по существу имеет кпд, пропорциональный выходной амплитуде, его средняя кпд, следовательно, является очень низким для таких сигналов, имеющий большое отношение пиковой мощности к средней.
W. H. Doherty, "A new high efficiency power amplifier for modulated waves," Proc. IRE, vol. 24, no. 9, pp. 1163-1182, Sept, 1936
H. Chireix, "High power outphasing modulation" Proc. IRE, vok.23, no. 11, pp.1370-392, Nov. 1935
В ответ на низкий кпд обычных линейных усилителей мощности при передаче сигналов с большим отношением пиковой мощности к средней появились и нашли широкое распространение два способа или две конструкции усилителей. Усилитель Догерти (или способ усиления Догерти) описан в , и система дефазирования Ширекса (или способ усиления Ширекса) описан в .
Усилитель Догерти использует один нелинейный и один линейный усилитель. Первый усилитель мощности возбуждается как линейный усилитель класса В, а второй усилитель мощности с нелинейным выходным током модулирует импеданс, на который нагружен первый усилитель через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию. Поскольку нелинейный выходной ток второго усилителя мощности равен нулю в области ниже определенного выходного напряжения, второй усилитель мощности не участвует в потере мощности в области ниже такого напряжения.
Потери выходной мощности усилителя Догерти в режиме насыщения, когда кпд достигает максимума на кривой кпд усилителя Догерти, возникают на половине максимального выходного напряжения. Положение потерь выходной мощности в режиме насыщения можно изменить, изменив импеданс четвертьволновой линии передачи (или цепи преобразования (согласования). Таким образом, в усилителе мощности Догерти положение максимума низкого кпд определяется величиной преобразования (согласования). Даже если усилитель Догерти можно распространить на три или более усилителя для получения большего количества точек максимума на кривой кпд, это обычно приводит к необходимости использования усилителей (транзисторов) с очень неравномерно распределенной величиной.
R.F. Raab, "Efficiency of outphasing RF power amplifier systems", IEEE Trans. Communications, vol. COM-33, no. 10, pp. 1094-1099, October 5
Принцип системы дефазирования Ширекса заключается в создании амплитудной модуляции, используя два усилителя, работающих при постоянной амплитуде, вместе с особой комбинирующей цепью. Изменяя дифференциальный сдвиг фаз между двумя усилителями, осуществляют амплитудную модуляцию. Комбинация по существу двух модулированных по фазе сигналов постоянной амплитуды, таким образом, позволяет осуществлять амплитудную модуляцию. После преобразования с повышением частоты и усиления на RF цепях (например, смесителях, фильтрах и усилителях) сигналы комбинируют для формирования усиленного сигнала в выходной цепи сумматора. Фазы этих сигналов постоянной амплитуды выбирают так, чтобы сумма сложения их векторов давала требуемую амплитуду. Для расширения региона высокого кпд, чтобы включать в себя уровни малой мощности в выходной цепи усилителя Ширекса, используют компенсирующие реактивные сопротивления, обозначенные +jX и -jX соответственно. Кпд системы Ширекса выведен в работе .
M. El-Asmar, A.B. Kouki "Improving Chiriex Combiner Efficiency Using MEMS Switches", IEEE CCECE/CCGEI, Ottawa, Pages 2310-2313, May 2006.
Преимуществом усилителя Ширекса является способность изменять кривую кпд для соответствия разным отношениям пиковой мощности к средней. Пиковая выходная мощность в равной степени делится между усилителями, независимо от такой регулировки, что означает, что можно использовать усилители одинаковой величины. Изменение кривой кпд может быть осуществлено посредством изменения (настройки) величины реактивного сопротивления (Х) для настройки комбинирующей цепи в усилителе Ширекса, тем самым достигая пикового кпд на средней выходной мощности. Этот подход был предложен в
В вышеупомянутой публикации длина настроечных шлейфов, которые используются для создания компенсирующих реактивных сопротивлений для сумматора Ширекса, является переменной. Время реакции переключателей MEMS (микроэлектромеханическая система) используется для соединения и разъединения разных шлейфов (обычно двух) на входе в сумматор. Такой обмен двух шлейфов возникает при фиксированном уровне фазы между двумя входными сигналами для увеличения кпд усилителя мощности Ширекса. Переключатели MEMS, однако, являются механическими устройствами, что означает появление со временем проблем с надежностью. Дополнительно, доступные в настоящее время переключатели очень малы, и поэтому на них будет оказывать сильное влияние уровень мощности, пропускаемой через цепь сумматора от каждого усилителя в усилителе Ширекса. Кроме того, конечное время переключения может привести к появлению дополнительных проблем в виде "скачков" от нагрузки на каждый усилитель, что повлияет на кпд усилителя.
По существу усилители Ширекса и Догерти имеют максимумы кпд на некотором фиксированном среднем уровне выхода. Это считается оптимальным для некоторого фиксированного распределения амплитуд сигнала, но менее чем оптимальным для всех других. Это вызвано тем, что кпд падает, уходя от огибающей амплитуды таких сигналов.
В патенте США №7221219 предложена конструкция комбинированного усилителя мощности, которая по существу основана на комбинации вспомогательного усилителя в усилителе Догерти и по меньшей мере одной пары усилителей, образующих пару Ширекса. Та часть этого комбинированного усилителя, которая взята у Догерти, возбуждается так же, как вспомогательный усилитель в усилителе Догерти. Каждая пара Ширекса возбуждается возбуждающими сигналами с фазой, зависящей от амплитуды по меньшей мере на части динамического диапазона комбинированного усилителя. В этом документе кпд комбинированного усилителя повышен посредством того, что разные пары имеют зависимые от амплитуды фазы в разных частях динамического диапазона комбинированного усилителя.
Еще один способ повышения среднего кпд RF усилителя мощности заключается в динамическом регулировании согласующей цепи RF усилителя мощности. Однако динамические согласующие компоненты согласующей цепи могут быть медленными, могут иметь более низкий кпд по сравнению с фиксированными компонентами и/или могут требовать существенной мощности для осуществления регулировки, поскольку мощность по существу пропорциональна широте полосы процесса регулировки/настройки.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение по меньшей мере части из указанных выше недостатков посредством предоставления процедуры повышения мгновенного кпд комбинированного усилителя. Комбинированный усилитель согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере два усилителя мощности, которые возбуждаются по-разному и которые могут быть сконфигурированы как пара системы дефазирования Ширекса или как пара в усилителе Догерти.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения вышеописанная проблема решается посредством устройства на основе комбинированного усилителя для использования в радиостанции телекоммуникационной системы, при этом комбинированный усилитель содержит по меньшей мере два усилителя мощности, которые возбуждаются по-разному и которые дополнительно выполнены с возможностью соединения с выходной цепью сумматора и с нагрузкой, при этом выходная цепь сумматора содержит по меньшей мере одно динамически настраиваемое реактивное сопротивление. Для увеличения мгновенного кпд комбинированного усилителя согласно настоящему изобретению по меньшей мере один из импедансов, на которые нагружен каждый из по меньшей мере двух возбуждаемых по-разному усилителей мощности, сконфигурирован с возможностью динамической настройки.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения вышеуказанная проблема решается посредством способа повышения мгновенного кпд комбинированного усилителя, содержащего по меньшей мере одно динамически настраиваемое реактивное сопротивление и дополнительно содержащего по меньшей мере два по-разному возбуждаемых усилителя мощности, соединенных с выходной цепью сумматора и с нагрузкой. Способ содержит этапы, при которых динамически настраивают по меньшей мере один из импедансов, на которые нагружен каждый из по меньшей мере двух возбуждаемых по-разному усилителей мощности так, что мгновенный кпд комбинированного усилителя увеличивается.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения вышеописанная проблема решается посредством радиостанции, содержащей комбинированный усилитель согласно описанному выше комбинированному усилителю.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что падение кпд, вызванное перенапряжением, связанным с динамическим согласующим усилителем с медленными настраивающими компонентами, можно уменьшить, поскольку использование медленных динамических согласующих компонентов требует распределения запаса для сигнала для учета быстрых скачков амплитуды. Таким образом, в комбинированном усилителе по настоящему изобретению отдельного распределения запаса не требуется.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что мгновенный кпд комбинированного усилителя, содержащего усилители, которые можно конфигурировать в пару в системы дефазирования Ширекса или в пару в усилителе Догерти, повышается, поскольку усилитель Ширекса или усилитель Догерти имеет минимальный кпд в области чуть ниже точки пиковой амплитуды на выходе, что означает, что кпд комбинированного усилителя может быть максимизирован на более длительное время, чем время флуктуаций огибающей амплитуды выходного сигнала, и одновременно сохранять запас по амплитуде для быстрых скачков. Таким образом, комбинированный усилитель согласно настоящему изобретению позволяет отделить максимум кпд от максимума амплитуды.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения являются характеристики надежности, увеличенные за счет применения немеханических операций.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения по сравнению, например, с ранее описанным MEM-решением на базе микроэлектромеханических систем является то, что применение динамически настраиваемых реактивных сопротивлений согласно настоящему изобретению предоставляет повышение мгновенного кпд комбинированного усилителя по сравнению с использованием MEMS-переключателей. Хотя большее количество MEMS-переключателей могут предоставить высокий кпд, они также увеличивают и риски, связанные с надежностью, в отличие от решений, предоставленных настоящим изобретением.
Далее следует более подробное описание нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, при этом следует обратить внимание на тот факт, что приложенные чертежи являются чисто иллюстративными и в конкретные проиллюстрированные варианты осуществления могут быть внесены различные изменения и модификации, входящие в объем приложенной формулы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А - блок-схема, иллюстрирующая принципы работы известного усилителя Догерти.
Фиг.1В - схематическая диаграмма, иллюстрирующая кпд известного усилителя Догерти.
Фиг.2А - блок-схема, иллюстрирующая принципы работы известной системы дефазирования Ширекса.
Фиг.2В - схематическая диаграмма, иллюстрирующая кпд известной системы дефазирования Ширекса без компенсирующих реактивных сопротивлений.
Фиг.3А - блок-схема, иллюстрирующая общую конструкцию примерного комбинированного усилителя согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3В - блок-схема, иллюстрирующая общую конструкцию по фиг.3А, включая импедансы/адмитансы, на которые нагружены усилители.
Фиг.4А-4D схематически иллюстрируют примерный кпд комбинированного усилителя, включающего в себя систему дефазирования Ширекса согласно вариантам осуществления настоящего изобретения и дополнительно иллюстрирующие соответствующие диаграммы Смита.
Фиг.5А иллюстрирует выходное напряжение как функцию множителя масштабирования для разных постоянных углов дефазирования.
Фиг.5В иллюстрирует пример кривых мгновенного кпд комбинированного усилителя согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6А-6В иллюстрируют различные конструкции комбинированного усилителя, заключающего в себе систему дефазирования Ширекса, согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7А-7В иллюстрируют другие конструкции комбинированного усилителя, заключающего в себе усилитель Догерти, согласно другим вариантам настоящего изобретения.
Фиг.8 иллюстрирует кпд комбинированного усилителя, заключающего в себе усилитель Догерти.
Фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая радиостанцию, включающую в себя комбинированный усилитель согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
В нижеследующем описании для пояснения, а не для ограничения, указаны конкретные детали, такие как конкретные структуры, сценарии, способы и прочее, чтобы предоставить глубокое представление о настоящем изобретении. Однако специалистам очевидно, что настоящее изобретение и варианты его осуществления могут быть реализованы в других вариантах осуществления, которые не совпадают в деталях с описанными.
Настоящее изобретение описывается посредством ссылок на конкретные примерные сценарии. В частности, изобретение описано в неограничивающем общем контексте в отношении примерного сигнала WCDMA с одной несущей, имеющего заранее заданное отношение пиковой мощности к средней (PAPR) (например, 7 дБ PAPR). Следует отметить, что настоящее изобретение и его примерные варианты осуществления ни в коем случае не ограничиваются этим сигналом WCDMA с одной несущей, т.е. могут быть сигналы с несколькими несущими или сигналы с одной несущей, но другого типа систем. Кроме того, настоящее изобретение описано в неограничивающем общем контексте в отношении комбинированного усилителя, содержащего по меньшей мере два усилителя мощности, которые могут быть сконфигурированы с возможностью являться парой усилителя Догерти или парой в системе дефазирования Ширекса.
Z
R
i
i
R
R
R
v
i
R
R
i
i
v
i
i
v
i
v
R
i
0
L
1
2
opt
opt
opt
1
1
opt
opt
2
1
1
1
2
1
2
2
opt
1
о
о
На фиг.1А показана блок-схема типичного известного усилителя 1 Догерти. Усилитель Догерти состоит из двух усилителей, именуемых основным усилителем 10 и пиковым усилителем 11. Основной и пиковый усилители 10, 11 проиллюстрированы одинаково большими, хотя они не обязательно должны иметь одинаковый размер. Как проиллюстрировано на фиг. 1А, эти два усилителя соединены посредством четвертьволновой линии передачи с волновым импедансом . Выход пикового усилителя дополнительно соединен с нагрузкой . В данном случае предполагается, что оба усилителя 10 и 11 действуют как идеальные управляемые генераторы, т.е., выходные токи ( и ) пропорциональны входному возбуждающему сигналу. Если теперь предположить, что оптимальное сопротивление нагрузки одного из усилителей составляет, то сопротивление нагрузки должно быть равно /2, чтобы максимальная номинальная мощность вдвое превышала максимальную номинальную мощность одного усилителя. Роль передающей линии заключается в преобразовании сопротивления нагрузки в 2 на выходе основного усилителя. Если предположить, что выходной импеданс основного усилителя равен бесконечности, то импеданс для пикового усилителя 11 будет равен нулю, из-за того, что линия передачи инвертирует импеданс. При низком уровне выходной мощности пиковый усилитель полностью выключен и представляет бесконечный выходной импеданс. Это значит, что RF напряжение на основном усилителе () вырастает вдвое с той же скоростью, с которой мы увеличиваем ток (), как и в обычном усилителе (сопротивление нагрузки составляет 2, а не ), что позволяет удвоить кпд. В некоторой точке, именуемой переходной точкой, это напряжение достигает максимума с соответствующим максимумом кпд. Когда достигается насыщение, усилитель 1 Догерти начинает выдавать ток от пикового усилителя 11, который трансформируется через линию передачи в напряжение на основном усилителе 10. Выбирая фазу  так, чтобы она на 90 отставала от фазы , влияние пикового усилителя 11 на составит 180 относительно фазы на основном усилителе 10. Это означает, что когда мы постепенно увеличиваем  и , напряжение  остается постоянным. Поскольку сопротивление нагрузки для пикового усилителя 11 равно нулю, ток  не влияет на напряжение , которое будет равно . Результирующий кпд известного усилителя Догерти проиллюстрирован на фиг. 1В.
LOAD
На фиг.2А проиллюстрирована блок-схема типичной системы 2 дефазирования Ширекса. Термин "дефазирование", которое является ключевым способом в усилителях Ширекса и LINC (линейное усиление с нелинейными компонентами), по существу, означает способ амплитудной модуляции посредством комбинирования двух модулированных по фазе сигналов постоянной амплитуды, полученных в сепараторе 22 компонентов сигнала. После преобразования с повышением частоты и усиления в RF цепях 24, 26 (например, смесители, фильтры, усилители) и в усилителях 28 и 30 мощности, дефазированные сигналы суммируются для формирования усиленного линейного сигнала в выходной цепи 32 сумматора Ширекса. Фазы этих дефазированных сигналов постоянной амплитуды выбирают так, что результат суммирования их векторов получает требуемую амплитуду. Выходная цепь 32 сумматора включает в себя две четвертьволновые линии λ/4 (где λ представляет длину волны центральной частоты частотного диапазона, в котором работает усилитель) и два компенсирующих реактивных сопротивления, обозначенных +jX и -jX, которые используются для расширения области высокого кпд, чтобы включать в себя низкие уровни выходной мощности. Также на фиг. 2А проиллюстрирована нагрузка R, которую на фиг. 2А представляет антенна. Кпд системы дефазирования Ширекса без компенсирующих реактивных сопротивлений проиллюстрирован на фиг. 2В.
По существу, усилители мощности смоделированы как содержащие согласующую цепь или цепь сумматора, которая отличается по меньшей мере одним импедансом/адмитансом, на которые нагружен один из нескольких усилителей мощности, и/или по меньшей мере одним трансимпедансом от одного из нескольких усилителей мощности до выходного узла.
L
L
В качестве примера, цепь сумматора в усилителе Догерти может характеризоваться импедансом, на который нагружен основной усилитель как функция и характеристического импеданса линии передачи, и нагрузочного импеданса R, который подключен к цепи сумматора. Для системы дефазирования Ширекса цепь сумматора может характеризоваться четвертьволновыми линиями передачи вместе с реактивными сопротивлениями +jX и -jX. В качестве примера, импеданс/адмитанс для одного из усилителей системы дефазирования Ширекса может быть выражен как функция реактивного сопротивления +jX или -jX и нагрузочного импеданса R, который подключен к цепи сумматора.
Далее следует описание примерных вариантов осуществления комбинированного усилителя согласно настоящему изобретению. Примерный комбинированный усилитель может содержать по меньшей мере два усилителя мощности, которые могут быть сконфигурированы как пара в усилителе Догерти или как пара в системе дефазирования Ширекса. В обоих случаях цепь сумматора комбинированного усилителя содержит по меньшей мере одно настраиваемое реактивное сопротивление и усилители мощности сконфигурированы с возможностью возбуждения по-разному. Мгновенный кпд комбинированного усилителя согласно вариантам осуществления настоящего изобретения увеличивается посредством динамической настройки по меньшей мере одного из импедансов, на которые нагружен каждый усилитель мощности.
Z
R
Z
Z
0
L
1
2
Фиг.3А иллюстрирует общую схему комбинированного усилителя 3 согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Комбинированный усилитель по фиг.3А рассматривается здесь как содержащий систему дефазирования Ширекса, включающую в себя два по-разному возбуждаемых усилителя 41 и 42, которые соединены с цепью 43 сумматора. Цепь 43 сумматора представлена двумя четвертьволновыми линиями 45 и 46 передачи, имеющими характеристические импедансы . Цепь 43 сумматора дополнительно содержит два управляемых динамически настраиваемых реактивных сопротивления (+jX) 47 и (-jX) 48. Цепь 43 сумматора также подключена к нагрузке () 49. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения импеданс , на который нагружен, например, усилитель 41 мощности, и импеданс , на который нагружен усилитель 42, можно динамически настраивать для увеличения мгновенного кпд комбинированного усилителя 3. Настройку/перенастройку можно осуществлять посредством динамической настройки/перенастройки реактивных сопротивлений 47 и 48, т.е. посредством динамической настройки/перенастройки +jX и -jX. Следует отметить, что в случае системы дефазирования Ширекса динамически настраиваемые реактивные сопротивления +jX и -jX (или, аналогично, импеданс/адмитанс для каждого из усилителей) являются функцией угла дефазирования, обозначенного в настоящем описании символом φ.
Y
G
jB
Как хорошо известно специалистам, адмитанс Y можно определить как =+, где G - проводимость, а В - реактивная проводимость. Адмитанс можно также записать как обратный импеданс Z, т.е.:
(1)
R
Х
где  - сопротивление, а  - реактивное сопротивление. Таким образом, импеданс можно записать как:
(2)
1
2
3
4
1
3
2
4
На фиг. 3В проиллюстрированы четыре адмитанса Y, Y, Y, Y, где Y, Y, на которые нагружен усилитель 41, а Y, Y, на которые нагружен усилитель 42.
3
4
Адмитанс Y, на который нагружен усилитель 41 и адмитанс Y, на который нагружен усилитель 42, можно выразить согласно следующим выражениям:
(3)
V
V
R
Z
φ
PEP
L
L
0
где  здесь считается нормализованным максимальным пиковым напряжением (РЕР - Peak Envelope Power, пиковая мощность огибающей),  - напряжение на нагрузке  49,  - характеристический импеданс четвертьволновой линии передачи в цепи сумматора, а  представляет угол дефазирования в системе усилителя мощности Ширекса.
jX
jX,
φ
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, установив шунтирующие реактивные сопротивления + и - как показано на фиг. 3А или 3В, можно получить резонанс с реактивной нагрузкой на каждом усилителе 41, 42, меняя, например, . Мы выражаем это через реактивную проводимость В следующим образом:
(4)
B'
Нормализованная реактивная проводимость может быть записана как  и может быть выражена согласно следующему равенству:
(5)
Y
Y
В
1,
2
Адмитанс  на который нагружен усилитель 41, и адмитанс , на который нагружен усилитель 42, далее можно дополнительно выразить как функцию реактивной проводимости  согласно следующему выражению:
(6)
1
2
3
4
Y
jB
Y
jB
jX
jX
Для φ±0 Y и Yявляются полностью действительными, поскольку Im()=+, а Im()=-. Этого не происходит в случае отсутствия + и -.
Y
Y
Z
Z
Z
Z
Z
Z
1
2
1
2
1
2
1
2
Используя вышеприведенные выражения адмитансов  и , мы можем, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, непосредственно вывести выражение для импедансови , где  представляет импеданс, на который нагружен усилитель 41, а  представляет импеданс, на который нагружен усилитель 42. и  описываются согласно следующим выражениям:
(7)
jX
jX
Отсюда можно выразить + и - согласно следующему:
(8)
πf
,
f
L
С
с
c
где ω = 2являясь функцией центральной частоты ;  - индуктивность, а  - емкость.
Y
Y
Z
Z
V
R
1
2
1
2
L
L
Следует отметить, что мы можем использовать адмитансы  и  вместо импедансов  и . На фиг. 3В показаны адмитансы (или импедансы), на которые нагружены усилители 41 и 42. Также показано напряжение  на нагрузке  49.
Следует также отметить, что входной сигнал (не показан) на усилитель 41 можно выразить как , где А - амплитуда входного сигнала, а входной сигнал (не показан) на усилитель 42 можно выразить как . Эти сигналы, как было описано выше в связи с фиг.2А, могут быть получены посредством сепаратора сигналов.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, кпд η комбинированного усилителя 3 можно смоделировать, используя следующее выражение:
(9)
C
где B', как упоминалось выше, представляет нормализованную реактивную проводимость, которая в данном примере является емкостной.
Для динамической системы дефазирования Ширекса согласно настоящему изобретению импедансы, на которые нагружены усилители мощности, которые являются функцией настраиваемых реактивных сопротивлений -jX и +jX, можно настраивать, динамически настраивая эти реактивные сопротивления. Мгновенный кпд такого комбинированного усилителя вследствие этого увеличивается.
Мгновенная эффективность (нижние чертежи) комбинированного усилителя для разных настроек импеданса (импедансов)/адмитансов, на которые нагружен каждый усилитель и соответствующие диаграммы Смита (верхние части чертежей), проиллюстрированы на фиг.4А-4D.
Фиг.4А иллюстрирует примерный сценарий, когда пиковый кпд достигается, когда угол φ дефазирования увеличивается в точках, где две траектории нагрузки пересекаются над вещественной осью (см. диаграмму Смита). На фиг.4А также показано, что при увеличении φ выходная мощность снижается. Направление увеличения φ проиллюстрировано стрелкой, направленной к началу координат. На фиг.4А также проиллюстрированы два уровня нормализованной выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов. Два пика кпд появляются когда обе траектории нагрузочного импеданса усилителя одновременно пересекают друг друга над вещественной осью (горизонтальная линия) на диаграмме Смита.
Фиг.4В иллюстрирует еще один примерный сценарий, когда пиковый кпд достигается, когда угол φ дефазирования дополнительно увеличивается. На фиг.4В также проиллюстрированы два уровня нормализованной выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов.
Фиг.4С иллюстрирует еще один примерный сценарий мгновенного кпд комбинированного усилителя согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на этом чертеже, мгновенный кпд увеличивается при динамической настройке импеданса, действующего для одного из усилителей в комбинированном усилителе. Следует отметить, что в этом примерном варианте осуществления импеданс, на который нагружен усилитель, является функцией реактивного сопротивления, которое, в свою очередь, является функцией угла φ дефазирования, и, следовательно, импеданс можно динамически настраивать, изменяя φ.
Если, согласно настоящему изобретению, непрерывно управлять реактивными сопротивлениями, или аналогично, непрерывно управлять импедансом/адмитансом, на который нагружен усилитель, мгновенный кпд комбинированного усилителя как функция потери выходной мощности (в дБ) будет напоминать кривую кпд, показанную на фиг.4D. Также проиллюстрирована соответствующая диаграмма Смита.
Из фиг.4А-4D можно сделать вывод, что мгновенный кпд комбинированного усилителя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, увеличивается, когда импеданс(ы)/адмитанс(ы), на который нагружен усилитель, динамически настраивается. Из фиг.4А-4D также можно сделать вывод, что уровень (уровни) нормализованной выходной мощности, когда мгновенный кпд достигает локальных максимумов, смещается вместе с флуктуациями огибающей амплитуды выходного сигнала, и мгновенный кпд, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, максимизируется на более длительное время, чем флуктуации огибающей амплитуды выходного сигнала.
Таким образом, позволяя точке (точкам), соответствующим уровню (уровням) нормализованной выходной мощности, в которых мгновенный кпд достигает локальных максимумов, перемещаться или отслеживать огибающую амплитуды сигнала с меньшей скоростью, чем скорость огибающей, мгновенный кпд комбинированного усилителя увеличивается, и в то же время мы можем получить запас для амплитуды для быстрых всплесков выходного сигнала. Комбинированный усилитель согласно настоящему изобретению, таким образом, разъединяет максимум кпд и максимум амплитуды.
В
B'
В
B'
B'.
B'
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, если реактивные сопротивления комбинированного усилителя, содержащего пару усилителей системы дефазирования Ширекса, симметрично перенастраиваются, точку (точки), соответствующую уровню (уровням) нормализованной выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов, можно сместить, не меняя выходной сигнал комбинированного усилителя. Этот сценарий проиллюстрирован на фиг.5А, где k представляет постоянную масштабирования, которую можно использовать для изменения импеданса(ов)/адмитанса(ов), на который нагружен каждый из усилителей мощности. На фиг.5А выходное напряжение проиллюстрировано как функция коэффициента k масштабирования для четырех разных постоянных углов φ дефазирования. Следует отметить, что поскольку импеданс(ы)/адмитанс(ы), на которые нагружен каждый из усилителей мощности, являются функцией (или ), как показано в равенствах (6) и (7), динамическую настройку/перенастройку импедансов/адмитансов можно осуществлять, изменяя  (или ). Это проиллюстрировано на фиг.5В, которая представляет кривые мгновенного кпд для разных значений  На фиг.5В импеданс(ы), на который нагружен каждый усилитель мощности в комбинированном усилителе, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения динамически настраивается посредством изменения  в интервале [0, 3, 1]. Как показано на фиг.5В, когда точка (точки) высокого кпд, т.е. точка (точки), соответствующая уровню (уровням) выходной мощности, на которой мгновенный кпд достигает локальных максимумов, смещается вместе с огибающей амплитуды выходного сигнала, мгновенный кпд увеличивается. Мгновенный кпд выполнен таким образом, чтобы максимизироваться на более длительное время, чем флуктуации огибающей амплитуды выходного сигнала. На фиг.5В толстой линией также показано прослеживание мгновенного кпд.
На фиг.6А и 6В проиллюстрированы две разные конструкции комбинированного усилителя согласно двум примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. И на фиг.6А, и на фиг.6В комбинированный усилитель 3 включает в себя пару возбуждаемых по-разному усилителей мощности 41, 42 системы дефазирования Ширекса. На фиг.6А, где представлен пример параллельной реализации комбинированного усилителя 3, цепь 53 сумматора согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения содержит первую цепь 54 варактора, параллельно реактивному сопротивлению 55 (индуктивность), и вторую цепь 56 варактора, параллельно еще одному реактивному сопротивлению 57 (емкость). Таким образом, импеданс, на который нагружен усилитель 41, можно выразить как функцию элементов цепи 54 варактора и реактивного сопротивления 55. Аналогично, импеданс, на который нагружен усилитель 42, можно выразить как функцию элементов цепи 56 варактора и реактивного сопротивления 57. Динамически настраивая/перенастраивая вышеупомянутые импедансы посредством, например, динамического настраивания/перенастраивания цепи 54 и 56 варакторов, мы можем увеличить мгновенный кпд комбинированного усилителя 3. Другими словами, настраивая/перенастраивая цепи 54 и 56 варакторов, можно сдвинуть точку (точки), соответствующую уровню (уровням) выходной мощности, на котором мгновенный кпд достигает локальных максимумов. Также проиллюстрирован нагрузочный импеданс 49. Элемент, обозначенный позицией RFC на фиг.6А, представляет точку опорного заземления по DC (постоянному току) для варактора (варакторов).
На фиг.6В, представляющей пример последовательной реализации комбинированного усилителя 3, цепь 63 сумматора согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения содержит первую цепь 64 варактора, включенную последовательно с реактивным сопротивлением 65 (индуктивность), и вторую цепь 66 варактора, включенную последовательно с реактивным сопротивлением 67 (емкость). Аналогично параллельному варианту реализации в связи с фиг.6А мгновенный кпд комбинированного усилителя 3 также в этом случае увеличивается посредством настройки/перенастройки импеданса/адмитанса, на который нагружен усилитель 41, и импеданса/адмитанса, на который нагружен усилитель 42. Осуществляемая таким образом настройка смещает точку (точки), соответствующую уровню (уровням) выходной мощности, на котором мгновенный кпд достигает локальных максимумов. Также проиллюстрирован нагрузочный импеданс 49. Элемент, обозначенный позицией RFC на фиг.6А, представляет точку опорного заземления по DC (постоянному току) для варактора (варакторов).
Следует отметить, что комбинированный усилитель согласно описанным выше примерным вариантам осуществления настоящего изобретения не ограничен проиллюстрированными выше вариантами реализациями. Например, цепь (цепи) варактора могут содержать Т-образную схему, содержащую варакторы, радиочастотный дроссель, который может быть скомпонован как индуктор так, чтобы управляющий сигнал промежуточной частоты (IF) варактора был изолирован от (RF) сигнала. Диод варактора также может иметь переменную емкость, являющуюся функцией напряжения, поданного на клеммы диода. Цепь варактора также может содержать пару диодов Шотки или сопротивление, имеющее подходяще значение сопротивления, например, в диапазоне 1-5 МОм.
На фиг.7А-7В показаны две разные конструкции комбинированного усилителя согласно другим примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. На обоих этих чертежах 7А и 7В комбинированный усилитель 4 согласно другому примерному варианту осуществления изобретения включает в себя пару возбуждаемых по-разному усилителей 71, 72 мощности усилителя Догерти.
R
Load
На фиг.7А цепь 73 сумматора комбинированного усилителя 4 содержит динамически настраиваемые реактивные сопротивления С1, L и С2. Комбинированный усилитель также содержит нагрузку  49, соединенную с цепью сумматора, и два возбуждаемых по-разному усилителя 71 и 72 мощности, из которых усилитель 71 мощности представляет основной усилитель усилителя Догерти, а усилитель 72 представляет пиковый усилитель усилителя Догерти. Элементы цепи 73 сумматора, т.е. С1, L и С2, как проиллюстрировано на фиг. 7А, образуют п-образную цепь. Таким образом, четвертьволновая линия передачи комбинированного усилителя 4 здесь представлена как п-образная цепь. В этой цепи импеданс, на который нагружен основной усилитель 71, сконфигурирован с возможностью настройки/перенастройки, например, посредством изменения С1 и L так, что мгновенный кпд комбинированного усилителя 4 увеличивается. Следует отметить, что все три элемента п-образной цепи могут настраиваться/перенастраиваться. Вдобавок можно также построить π-образную цепь так, чтобы она содержала две индуктивности и одну емкость. Дополнительно вместо π-образной цепи можно также использовать Т-образную цепь или L-образную цепь. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается конструкциями, представленным на фиг.7А и 7В.
На фиг.7В показана еще одна конструкция комбинированного усилителя 4. Как показано на чертеже, цепь 83 сумматора содержит схему, включающую в себя шунтирующие емкости С1, С2 и С3 и две четвертьволновые линии передачи λ/4. В этом примерном варианте осуществления настоящего изобретения импеданс, на который нагружен основной усилитель 71, сконфигурирован с возможностью настройки/перенастройки посредством изменения, например, С1 и С2 так, чтобы мгновенный кпд комбинированного усилителя 3 увеличился. И вновь все элементы С1, С2, С3 можно также настраивать или перенастраивать. Таким образом, посредством динамической настройки элементов цепи сумматора, которая соединяет основной усилитель с общим выходом комбинированного усилителя 4, мы можем сделать максимальный кпд или точку (точки), соответствующую уровню (уровням) выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов, отслеживать мгновенную огибающую амплитуды выходного сигнала. Кривые кпд проиллюстрированы на фиг.8.
Из фиг.8 видно, что мгновенный кпд комбинированного усилителя "заострен", а не "скруглен", что указывает на то, что кпд комбинированного усилителя, содержащего усилитель Догерти, меньше, чем кпд комбинированного усилителя, содержащего систему дефазирования Ширекса. Однако аналогично ранее описанному примерному варианту осуществления комбинированного усилителя, содержащего систему дефазирования Ширекса, на фиг.8 можно наблюдать, что когда точка (точки) высокого кпд, т.е. точка (точки), соответствующая уровню (уровням) выходной мощности, где мгновенный кпд достигает локальных максимумов, смещается вместе с огибающей амплитуды выходного сигнала, мгновенный кпд увеличивается. Мгновенный кпд здесь выполнен таким образом, чтобы максимизироваться на более длительное время, чем время флуктуаций огибающей амплитуды выходного сигнала.
R
/R
R
R
/R
LOAD
SHUNT
SHUNT
LOAD
SHUNT
Следует отметить, что комбинированный усилитель, содержащий усилитель Догерти, и комбинированный усилитель, содержащий систему дефазирования Ширекса, имеют разную чувствительность к определенным потерям, и поэтому они эффективны в разных ситуациях. В качестве примера и согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, если на выходе усилителей имеются существенные шунтирующие потери, импеданс, на который нагружен один из усилителей, можно считать сопротивлением, по существу обратно пропорциональным квадрату огибающей выходной амплитуды, параллельно с (в основном немного) изменяющимся шунтирующим сопротивлением потерь (плюс некоторое остаточное сопротивление). Когда значение амплитуды находится ниже некоторого значения, при котором упомянутое сопротивление равно шунтирующему сопротивлению потерь, импеданс (импедансы), на который нагружен один из усилителей, поддерживается фиксированным и используется линейное возбуждение, т.е. линейный фундаментальный выходной ток и напряжение. В комбинированном усилителе, заключающем в себе усилитель Догерти, упомянутое значение амплитуды может возникнуть при мощности, приблизительно равной  от максимальной выходной мощности для всего комбинированного усилителя, где  соответствует шунтирующему сопротивлению всего комбинированного усилителя. В комбинированном усилителе, заключающем в себе систему дефазирования Ширекса, упомянутое значение амплитуды может возникнуть при мощности, приблизительно равной  от максимальной выходной мощности всего комбинированного усилителя.
В обоих случаях импеданс (импедансы), на который нагружен один из усилителей, сконфигурированы с возможностью настройки/перенастройки, например, посредством изменения коэффициента трансформации в цепи сумматора. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения коэффициент трансформации можно определить как импеданс, на который нагружен один конец цепи сумматора, деленный на фактический импеданс, на другом конце цепи сумматора. Коэффициент трансформации можно менять, например, настраивая элементы цепи сумматора, например, посредством настройки/перенастройки одной или нескольких емкостей или других настраиваемых реактивных сопротивлений цепи сумматора.
Следует отметить, что для усилителя Догерти согласно вариантам осуществления настоящего изобретения в точке перехода напряжение на пиковом усилителе существенно ниже, чем напряжение на основном усилителе, так, что шунтирующие потери пикового усилителя очень малы. Полные шунтирующие потери в этой переходной точке, таким образом, составляют примерно половину таких потерь в системе дефазирования Ширекса, что дает усилителю Догерти преимущества в случае больших шунтирующих потерь (низкого шунтирующего сопротивления транзистора).
R
R
/R
SHUNT
LOAD
SHUNT
Для системы дефазирования Ширекса оба усилителя имеют по существу одинаковое напряжение, возникающее при упомянутой выше амплитуде. Потери от , таким образом, вдвое превышают такие потери в усилителе Догерти, и значение амплитуды, как описано выше, можно рассчитать как  от максимальной выходной мощности, т.е. такой же, как для системы с одним усилителем для модуляции чистой нагрузки.
Поэтому мы можем заключить, что если шунтирующие потери относительно велики, комбинированный усилитель, содержащий усилитель Догерти, будет иметь более высокий кпд, чем комбинированный усилитель, содержащий систему дефазирования Ширекса. С другой стороны, если потери отсутствуют или если потери в основном зависят от выходного тока высокой частоты, комбинированный усилитель, заключающий в себе систему дефазирования Ширекса, будет иметь более высокий кпд, чем комбинированный усилитель, заключающий в себе усилитель Догерти. Тем не менее, кпд или мгновенный кпд этих комбинированных усилителей, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, является более высоким, чем у комбинированных усилителей по предшествующему уровню техники. Это обусловлено динамическим согласованием, описанным выше, реализованным в таком комбинированном усилителе. Динамическое согласование - это динамическая настройка/перенастройка импеданса (импедансов), на который нагружен каждый из по меньшей мере двух возбуждаемых по-разному усилителей мощности в комбинированном усилителе. Следует отметить, что вместо динамической настройки импедансов можно настраивать трансимпедансы.
На фиг.9 проиллюстрирована радиостанция 100, содержащая комбинированный усилитель согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.9, радиостанция 100 предоставлена с комбинированным усилителем 120 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Антенна 130, представляющая нагрузочный импеданс, также показана соединенной с комбинированным усилителем 120. Вдобавок также показано общее устройство 110 ввода для приема входного сигнала/сигналов, таких как модулированные RF сигналы. Описание операций предварительной обработки входного сигнала/сигналов перед подачей его/их на комбинированный усилитель 130 опускается, поскольку они не требуются для понимания разных вариантов осуществления настоящего изобретения. Дополнительно, другие элементы, не считающиеся значимыми для понимания настоящего изобретения, опущены.
Радиостанция 100, проиллюстрированная на фиг.9, может являться частью мобильного телефона, базовой радиостанции или любой другой радиостанцией, пригодной для использования в системе беспроводной связи. Например, радиостанция 100 может быть адаптирована для использования в беспроводных телекоммуникационных системах, таких как JDC (Japanese Digital Cellular - японская цифровая система сотовой связи), GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система мобильной связи), GPRS (General Packet Radio Service - общая служба пакетной радиопередачи), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution - улучшенная передача данных для развития GSM), WCDMA (Wide Band Code Division Multiplexing Access - широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов), CDMA (Code Division Multiplex Access - множественный доступ с кодовым разделением каналов), GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования), WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - общемировая совместимость широкополосного беспроводного доступа) или в беспроводной системе любого другого типа.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на комбинированный усилитель, заключающий в себе усилитель Догерти или систему дефазирования Ширекса, очевидно, что изобретение применимо и для комбинированных усилителей с другими типами усилителей.
Вдобавок, настоящее изобретение и варианты его осуществления могут быть реализованы многими способами. Например, один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя машиночитаемый носитель, имеющий хранящиеся в нем команды, которые выполнены с возможностью исполнения компьютерной системой, расположенной в одной или более радиостанциях беспроводной системы, для повышения мгновенного кпд комбинированного усилителя. Команды, исполняемые компьютерной системой и хранящиеся на машиночитаемом носителе, выполняют этапы способа по настоящему изобретению, как изложено в формуле.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на несколько вариантов осуществления, предусматривается, что из настоящего описания и чертежей специалистам будут понятны его альтернативы, модификации, перестановки и эквиваленты. Поэтому подразумевается, что нижеследующая прилагаемая формула включает в себя такие альтернативы, модификации, перестановки и эквиваленты как входящие в объем настоящего изобретения.