無線通信系統中的多載波功率放大器的製作方法
2024-02-09 17:38:15
專利名稱：無線通信系統中的多載波功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，特別涉及無線通信系統中的功率放大器。
背景技術：
在通信系統中，功率放大器應用十分普遍。功率放大器的任務是放大輸入信號，使之達到足夠高的功率電平，以滿足發射天線或負載單元的要求。實際上它不僅應用在各種類型發射機中，許多電子設備如高頻換流器及微波功率源等也廣泛用到它。
發射機各級高頻放大器的輸出功率小的從幾十毫瓦到幾百毫瓦，高的可以達到幾十瓦、幾百瓦以至幾千瓦。放大器的輸出功率大小不同意味著它的輸入信號大小相差也很大。以雙極型電晶體為例，當輸入信號較小時，整個信號周期中電晶體都工作在它的放大區，這種狀態稱為甲類功率放大。當輸入信號很大時，為了提高放大器的集電極效率和輸出功率，電晶體要工作在截止區，即發射結、集電結都處於反向偏置狀態，這種狀態稱為乙類放大或丙類放大。所謂乙類放大是指電晶體集電極電流只能在半個周期內通過，而丙類放大時集電極電流的導通時間小於半個高頻周期。丙類放大的效率高，且輸出功率可以很大，因此射頻放大時常用丙類放大。
功率放大器的一個主要特點是工作在大信號的非線性狀態。
隨著通信技術的發展，特別是第三代通信系統的開發應用及藍牙技術的研發湧現，要求功率放大器，特別是射頻功率放大器有很好的線性特性，而用來表示線性特性的參數往往是交調信號(IMD)的功率電平。這是由於功率放大器是一種非線性器件，不管其工作在線性區，還是在非線性區，都會產生非線性產物，只不過工作在線性區時，非線性產物功率電平較低，一般只考慮其三階IMD分量即可；而當其工作在非線性區，其非線性產物功率電平就很高，此時，五階IMD分量甚至七階IMD分量都必須予以考慮。
如果一個通信系統的功率放大器的線性特性得不到提高，則會產生嚴重的IMD分量及頻譜洩漏，帶來信號間的相互幹擾，影響通訊的質量及降低通訊系統的容量。如何提高系統的線性度是通信系統亟待解決的一個問題。
當前的技術通常採用以下兩種方法來解決通信系統的線性度問題第一種方法是將功率放大器進行功率回退，使放大器工作在線性區，這種方法大大降低了放大器的工作效率，增加了系統的成本，同時可能引起比較嚴重得散熱問題；第二種方法是採用線性化技術，利用適當的外圍電路，對發信通道的非線性特性進行校正，從而在電路整體上呈現對輸入信號的線性放大效果。後一種方法避開了難度很大的器件製造技術，從器件的外部電路著手，採用成本相對較低的器件組成校正電路，這種方式不但形式多樣，而且器件的選擇也較靈活，因此目前受到普遍採用。這種方法中，最有效的是前饋式和預失真兩種方式。
下面先結合附圖1說明前饋式功率放大器。
前饋式功率放大器主要由耦合器110、111、112、113、114、115，衰減器120、121，主功放(MPA)130，延遲器140、141，誤差功放(EPA)150、反饋通道160和線性算法模塊170組成。其中，由耦合器110、111、112，衰減器120，MPA130和延遲器140組成的LOOP1所實現的主要功能是提取信號通過主功放MPA130後所產生的IMD信號；由耦合器111、112、113、114，衰減器121，延遲器141，EPA150組成的LOOP2所實現的主要功能是放大IMD抵消載波中的IMD，使輸出的信號較為純淨，從而改善放大器的線性度。假設多載波信號100為待放大的信號。通過耦合器110分為兩路送入LOOP1。其中一路送入放大器MPA 130。由於MPA 130的非線性，輸出信號101便有了雜散IMD。經過耦合器111取出一部分信號與從延遲器140送來的沒有雜散的載波在耦合器112會合。調節D1、D2矢量衰減器120的幅度和相位，使到達耦合器112的兩路載波信號幅度相等相位相反，這樣LOOP1就提供給我們信號102，理論上它只是含有IMD。實際過程中，信號102的精度主要取決於矢量衰減器的D1、D2的精細調節，而D1、D2的值是由自動控制裝置根據檢測接收機收到的信息進行計算、處理得到的，該信息包含了載波對消的程度。所提取的IMD信號通過誤差放大器EPA 150進行放大後通過耦合器114和被放大過的帶有IMD的載波進行抵消，得到被消除IMD的、被放大的載波信號103，其抵消精度通過檢測接收機接收IMD，送入自動控制裝置處理來調節矢量衰減器121的D3、D4，使到達耦合器114的IMD信號和載波信號中含有的IMD信號幅度相等相位相反。最後達到改善MPA130輸出的IMD的目的。窄帶接收機通過單刀雙擲開關K1輪流檢測LOOP1和LOOP2對消後的載波和IMD，K1由自動控制單元同步控制在LOOP1和LOOP2之間輪流轉換。
下面結合附圖2說明預失真功率放大器。
預失真功率放大器主要包括射頻預失真和基帶預失真兩種。如圖2所示，假設初始信號200輸入，經過加法器210後送入功率放大器220，輸出的是被放大後的信號201。由於功率放大器的非線性，信號201中包含IMD，即圖中信號201中的虛線部分。預失真器230產生和信號201虛線部分反向的IMD信號202，經過加法器210和功率放大器220，成為IMD信號203。IMD信號203和功率放大器220產生的IMD進行抵消，使得最終的輸出的信號204中的IMD減小到滿足要求。
前饋式和預失真是兩種有效的改善系統線性特性的方法，然而在現代無線通訊系統中，為了降低成本和使系統結構更加緊湊，系統更加趨於採用多載波結構。如附圖3所示，多載波結構由調製器300、混合器310、高速數模轉換器320、多載波發射機(MTX)330、放大器340和陷波器350依次串聯組成。其中，調製器300用於對數據進行調製，即將信號調製於載波之上；混合器310用於混合多路調製後的數據；高速數模轉換器320用於將已調數據轉換為多載波信號，該多載波信號頻率通常較低；MTX330用於將低頻段的多載波信號變換成多載波射頻信號；放大器340用於放大MTX330所輸出的多載波射頻信號，使其達到足夠的功率電平；陷波器350是一種帶阻濾波器，用於去除放大器340輸出信號中的IMD分量，使得輸出端只有信號通過，並送到天線上發射出去。
在實際應用中，上述方案存在以下問題在當前的無線蜂窩網絡中，無線網絡是由大量基站組成，這些基站的頻道配置大多是不相同的，例如在寬帶碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access，簡稱″WCDMA″)系統中，發射頻率對應2110MHz至2170MHz的頻段，該頻段又將分配給不同的運營商，每個運營商的大量的基站中的頻率配置存在各種的組合，這些不同的頻率配置通過放大器後將產生不同的IMD模式。為了消除IMD，就必須設計和生產很多各不相同的陷波器，造成產品的品種過多、庫存增加等問題。另外，在日常運作過程中，若同一基站的載頻增加或進行調整時，使得工作頻率發生變化，此時原有的陷波器將不能繼續使用，需要更換新的陷波器，造成資源的浪費。
造成這種情況的主要原因在於，陷波器的阻帶是固定的，使用現有陷波器的功率放大器系統只能工作於單一固定的頻率。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種無線通信系統中的多載波功率放大器，使得該功率放大器在無須更換任何模塊的條件下也能適應任意配置的頻率。
為實現上述目的，本發明提供了一種無線通信系統中的多載波功率放大器，包含相互連接的放大器和陷波器，其中，所述放大器用於對接收到的多載波信號進行功率放大，並輸入到所述陷波器；所述陷波器用於對所述放大器輸出的信號進行濾波，去除其中的交調成分，所述陷波器的陷波參數是可調的；並且，所述多載波功率放大器還包含控制器，用於根據載波配置的變動，調整所述陷波器的陷波參數。
其中，所述陷波參數包含陷波頻率、帶寬或衰減量。
所述陷波器包含一個或多個串連的子器件，每一個所述子器件是可調子濾波器、固定子陷波器或固定子濾波器中的任意一種。
所述可調子濾波器的陷波參數通過變容二極體、或PIN管、或射頻開關、或鐵氧體、或YIG球進行調整。
所述可調子濾波器通過導體空腔、或介質諧振器、或超導濾波器、或可變(機械可變或電控可變)介電常數、或YIG球、或高Q值的LC元件等來實現。
所述可調子濾波器的形式可以是波導、或同軸線、或平面微帶線。
所述平面微帶線可以為微帶型、或懸置微帶型、或帶狀線、或鰭線。
還包含至少一個調製器、混合器、數模轉換器和多載波發射機，其中所述調製器用於對輸入信號進行調製，混合器用於對來自所述調製器的調製信號進行混合，所述數模轉換器用於將來自混合器的混合後的信號轉換為多載波信號，所述多載波發射機將所述多載波信號轉換為多載波射頻信號，並輸出到所述放大器。
通過比較可以發現，本發明的技術方案與現有技術的區別在於，本發明將多載波信號直接送入放大器進行放大後，利用可調陷波器除去從放大器輸出端的IMD信號。該可調陷波器在控制器的操控下，能根據載波配置的不同，自動調整陷波的頻率和帶寬。
這種技術方案上的區別，帶來了較為明顯的有益效果，即本發明能適用於任意配置載波信號的功率放大，具有高度的靈活性和通用性；在載波信號發生改變的情況下，也無需更換器件，節省資源和工作量；省去信號和IMD信號的反饋電路，節省器件和成本；結構簡單，體積小，易於實現小型化。
圖1是現有技術中一種前饋式功率放大器的電路圖；圖2是現有技術中一種預失真功率放大器的電路圖；圖3是現有技術中一種多載波功率放大器的示意圖；圖4是根據本發明的一個實施例的頻段A中各種載波組合模式及產生相應IMD信號的示意圖；圖5是根據本發明的一個實施例的適用於任意載波配置的功率放大器的結構圖；圖6是根據本發明的一個實施例的載波配置變化前用可調陷波器進行陷波的示意圖；圖7是根據本發明的一個實施例的載波配置變化後用可調陷波器進行陷波的示意圖；圖8是根據本發明的一個實施例的使用子濾波器和子陷波器串接成可調陷波器的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。
首先說明本發明的基本原理。本發明使用可調的陷波器取代原來只能工作在固定頻率的陷波器，並增加控制器，以根據載波配置的變動，調整所述陷波器的陷波參數。在本發明中，陷波參數包含陷波頻率、帶寬或衰減量。
如前所述，當前無線蜂窩網絡中，基站的頻率配置存在多種組合。如圖4所示，假設頻段A中可使用1#載波、2#載波和3#載波，橫坐標為頻域，標號400至412表示IMD信號。當採用不同的載波組合時，將會產生不同頻率的各種IMD信號。如使用1#載波時產生IMD信號400和401；使用2#載波時產生IMD信號402和403；使用3#載波時產生IMD信號404和405；使用1#載波和2#載波時產生IMD信號406和407；使用2#載波和3#載波時產生IMD信號408和409；使用1#載波和3#載波時產生IMD信號410、411和412。
為了抑制上述各種不同的IMD信號，可使用本發明所述的多載波功率放大器。如附圖5所示，該多載波功率放大器由調製器300、混合器310、高速數模轉換器320、多載波發射機(MTX)330、放大器340、可調陷波器500和控制器510組成。其中，調製器300、混合器310、高速數模轉換器320、MTX330、放大器340和可調陷波器500是依次串聯而成的；可調陷波器500由一系列子陷波器組成，分別對不同的頻率位置進行陷波；而控制器510與調製器300、混合器310位於同一模塊內，用於收集載波的信息，與此同時它還和可調陷波器500中的各個子陷波器相連，用於根據載波信息控制陷波器的陷波頻率。值得說明的是，該系統可能還需要諸如隔離器等輔助器件，它們可放置於放大器340或可調陷波器500中，熟悉本領域的技術人員可以理解，這並不影響本發明的實質和範圍。
下面說明本發明所述的多載波功率放大器的動態工作過程。
當無線通信系統的載波配置出現不同時，載波的IMD信號出現的位置也會不同。控制器510將收集有關載波的信息，然後控制可調陷波器500中的各個子陷波器，使得各個陷波點的頻率根據需要進行移動，這樣可調陷波器500的各個陷波帶總是對準需要進行陷波的頻率位置，從而適應載波配置變化。
下面結合附圖6、附圖7說明本發明的一個較佳實施例。
在某無線通信系統中，包含頻段A、B、C。假設頻段B可使用1#載波、2#載波和3#載波。在初始運行階段，如圖6所示，使用2#載波配置，產生IMD信號600和601。可調陷波器500包含3個子陷波器5001、5002和5003。其中，子陷波器5002固定地用於抑制頻段A和頻段C的IMD信號；而子陷波器5001和5003則是受控可變的，它們根據控制器510的指示來調整陷波的頻率位置、帶寬等，以滿足不同配置時的需求。因此，在初始運行階段，子陷波器5001用於抑制1#載波所對應頻段內的IMD信號600，子陷波器5003用於抑制3#載波所對應頻段內的IMD信號601。然而，隨著用戶數量增加，需要在頻段B中增加載波，並要調整載波配置為使用1#載波和3#載波，如附圖7所示。此時子陷波器5002繼續固定地抑制頻段A和頻段C的IMD信號；子陷波器5001則根據控制器510的要求，變為抑制2#載波所對應頻段內的IMD信號603；子陷波器5003則可閒置或根據控制器510的要求抑制其他頻段內的IMD信號。值得說明的是，如本實施例所述，可調陷波器500可由固定子陷波器和可變子陷波器組合而成，固定的子陷波器只負責固定頻段的陷波，可變子陷波器則可根據控制器510的控制，改變陷波的頻率和帶寬。固定的子陷波器和可變的子陷波器的任何組合方式均不影響本發明的實質和範圍。
對於諸如固定子陷波器等個別子陷波器，可以採用子濾波器來代替。值得說明的是，一般的陷波器都是適合於串接的，而一般的濾波器都是適合於並接的，因此這裡用於替代子陷波器的子濾波器也需與其餘子陷波器串聯連接。作為本發明的一個較佳實施例，圖8中可調陷波器500可由子陷波器5001和5002以及子濾波器800串聯而成。子濾波器800代替了圖7中子陷波器5002，用於固定地抑制頻段A和頻段C的IMD信號。也就是說，本發明所述的可調陷波器可以是子陷波器的組合，也可以是子陷波器和子濾波器的組合。
對於可變子陷波器，它的陷波頻率、帶寬和衰減幅度等參數都是可變的。這些參數的改變可通過變容二極體(Varactor)、PIN管、射頻開關、鐵氧體可變(機械可變或電控可變)介電常數、或YIG球等實現，也可通過步進電機調整螺杆的進退或插片的旋轉來實現。
熟悉本領域的技術人員可以理解，上述陷波器的形式包括但不限於有波導、同軸線和各種形式平面微帶線如微帶型、懸置微帶型、帶狀線、鰭線等。可變陷波器可用導體空腔、介質諧振器、超導濾波器、YIG球和高Q值的LC元件等來實現。
雖然通過參照本發明的某些優選實施例，已經對本發明進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種無線通信系統中的多載波功率放大器，包含相互連接的放大器和陷波器，其中，所述放大器用於對接收到的多載波信號進行功率放大，並輸入到所述陷波器；所述陷波器用於對所述放大器輸出的信號進行濾波，去除其中的交調成分，其特徵在於，所述陷波器的陷波參數是可調的；並且，所述多載波功率放大器還包含控制器，用於根據載波配置的變動，調整所述陷波器的陷波參數。
2.根據權利要求1所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，所述陷波參數包含陷波頻率、帶寬或衰減量。
3.根據權利要求1或2所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，所述陷波器包含一個或多個串連的子器件，每一個所述子器件是可調子濾波器、固定子陷波器或固定子濾波器中的任意一種。
4.根據權利要求3所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，所述可調子濾波器的陷波參數通過變容二極體、或PIN管、或射頻開關、或鐵氧體、或機械可變介電常數、或電控可變介電常數、或YIG球等進行調整。
5.根據權利要求3所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，所述可調子濾波器通過導體空腔、或介質諧振器、或超導濾波器、或YIG球、或高Q值的LC元件等來實現。
6.根據權利要求3所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，所述可調子濾波器的形式可以是波導、或同軸線、或平面微帶線。
7.根據權利要求6所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，所述平面微帶線可以為微帶型、或懸置微帶型、或帶狀線、或鰭線。
8.根據權利要求3所述的無線通信系統中的多載波功率放大器，其特徵在於，還包含至少一個調製器、混合器、數模轉換器和多載波發射機，其中所述調製器用於對輸入信號進行調製，混合器用於對來自所述調製器的調製信號進行混合，所述數模轉換器用於將來自混合器的混合後的信號轉換為多載波信號，所述多載波發射機將所述多載波信號轉換為多載波射頻信號，並輸出到所述放大器。
全文摘要
本發明涉及無線通信領域，公開了一種無線通信系統中的多載波功率放大器，使得該功率放大器在無須更換任何模塊的條件下也能適應任意配置的頻率。這種無線通信系統中的多載波功率放大器中，將多載波信號直接送入放大器進行放大後，利用可調陷波器除去從放大器輸出端的IMD信號。該可調陷波器在控制器的操控下，能根據載波配置的不同，自動調整陷波的頻率和帶寬。
文檔編號H04B7/005GK1845451SQ200510034129
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月8日 優先權日2005年4月8日
發明者李亞銳 申請人:華為技術有限公司