Doherty Verstärkerschaltung und Verfahren zum Betreiben einer Doherty

V erstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Doherty Verstärkerschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Doherty Verstärkerschaltung.

Leistungsverstärker, die in Funksystemen, wie Kommunikationssystemen, eingesetzt werden, sollen möglichst Linearität und einen hohen Wirkungsgrad besitzen.

Außerdem werden bei Verwendung digitaler Modulation häufig Signale mit einer Signalamplitude verarbeitet, deren Mittelwert von einem Maximalwert desselben abweicht. Um ein solches Signal zu verstärken, muss in einer Verstärkerschaltung ein Arbeitspunkt des Verstärkers so eingestellt werden, dass das Signal bis zu einer maximalen Amplitude ohne Verzerrungen verstärkt werden kann. Aus diesem Grund arbeitet ein solcher Verstärker nicht in der Nähe eines gesättigten Ausgangs, auch in Sättigung genannt, der es dem Verstärker erlauben würde, einen relativ hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Diese Situation fuhrt zu einem niedrigen Wirkungsgrad.

Um den Wirkungsgrad eines solchen Verstärkers zu verbessern und gleichzeitig die Linearität zu erhalten wird eine Doherty- Verstärkerschaltung mit vorangeschalteter Vorverzerrung des Signals eingesetzt. Die Doherty-Verstärkerschaltung verbessert im Allgemeinen den Wirkungsgrad bei mittlerer Ausgangsleistung.

Doherty Verstärkerschaltungen weisen im Wesentlichen zwei Pfade auf, die am Ausgang in Form einer Stromaddition (engl. Current Mode) oder Spannungsaddition (engl. Voltage Mode) in einen gemeinsamen Ausgangspfad mündet. Der Ausgangspfad ist mit einer Last, wie eine Antenne, abgeschlossen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die nutzbare Hochfrequenzbandbreite fur Doherty Verstärker zu erhöhen, sowie die Kosten für die Herstellung eines Doherty Verstärkers, hierin auch Doherty Verstärkerschaltung genannt, zu senken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Konkret wird die Aufgabe durch eine Doherty Verstärkerschaltung, insbesondere eine 2 -Wege Doherty Verstärkerschaltung, für eine Sendestufe gelöst, insbesondere eine Doherty Voltage Mode Verstärkerschaltung. Die Doherty Verstärkerschaltung hat ein primäres Hochfrequenz- (HF-) Verstärkerelement. Zusätzlich hierzu hat die Doherty Verstärkerschaltung ein sekundäres HF -Verstärkerelement. Das sekundäre HF -Verstärkerelement ist im Betrieb ausgebildet, eine Lastmodulation am Ausgang des primären HF -Verstärkerelements zu bewirken. Das heißt, durch die zusätzliche Leistung des sekundären HF-Verstärkerelements kann die Lastimpedanz am Ausgang des primären HF-Verstärkerelements beeinflusst werden. Hierbei bezeichnet die Lastimpedanz am Ausgang des primären HF-Verstärkerelements die Lastimpedanz des primären HF-Verstärkerelements bzw. die an dem Ausgang in Flussrichtung gesehene Lastimpedanz. Insbesondere wird im Betrieb des sekundären HF- Verstärkerelements, die Lastimpedanz am Ausgang des primären HF-Verstärkerelements kleiner. Somit kann sich ein von dem primären HF -Verstärkerelement an seinem Ausgang gelieferter Strom erhöhen.

Hierdurch kann das primäre HF -Verstärkerelement im Back Off Bereich in Sättigung betrieben werden, wodurch der höhere Wirkungsgrad im selbigen erzielt wird.

Die Doherty Verstärkerschaltung hat ferner einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt. Der erste Leiterabschnitt ist dem sekundären HF-Verstärkerelement nachgeschaltet. Der zweite Leiterabschnitt ist dem primären HF-Verstärkerelement nachgeschaltet. Der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt sind zueinander beabstandet. Hierbei sind der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt angeordnet, die Lastmodulation am Ausgang des primären HF-Verstärkerelements zu ermöglichen. Im gleichzeitigen Betrieb beider HF- Verstärkerelemente, nämlich des primären und sekundären HF-Verstär- kerelements, kann sodann die Lastmodulation am Aus gang des primären HF -Verstärkerelements bereitgestellt werden.

Der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt haben eine jeweilige Länge, die bezogen auf eine Trägerwellenlänge X kleiner als Ä/4 ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass große Leistungskopplungselemente zur Lastmodulation, wie Spulen oder lange Leitungen, entfallen können. Hierdurch kann Platz eingespart und die Hochfrequenzbandbreite erhöht werden. Ferner können so die Kosten gesenkt werden.

Vorliegend bezieht sich die Erfindung ausschließlich auf einen Doherty Voltage Mode Verstärker, bei dem andere schaltungstechnische Überlegungen zum Tragen kommen als beim Doherty Current Mode Verstärker.

Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können Transmissionsleitungen sein. Die entsprechenden Zuleitungen zu den ersten und zweiten Leiterabschnitten können ebenfalls Transmissionsleitungen sein. Hierbei kann eine kürzeste Verbindung zwischen daran angeschlossenen Elementen vorgesehen sein. So können die stromaufwärts zu den ersten und zweiten Leiterabschnitten vorgesehenen bzw. angebrachten Zuleitungen zumindest teilweise in einem rechten Winkel zu den ersten und zweiten Leiterabschnitten verlaufen, insbesondere von einem Verbindungspunkt der entsprechenden Zuleitungen mit den ersten und zweiten Leiterabschnitten in Richtung stromaufwärts. Die Zuleitungen können eine gleiche charakteristische Impedanz wie der erste und/oder zweite Leiterabschnitt aufweisen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt können direkt benachbart und parallel zueinander angeordnet sein. Hierbei können der erste Leiterabschnitt und der zweite Leiterabschnitt, beispielsweise in unmittelbarer Nähe, parallel nebeneinanderliegen. Durch die parallele Ausrichtung der beiden Leiterabschnitte kann sich eine Kopplungswirkung zwischen den beiden Leiterabschnitten verbessern.

Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können unterschiedliche Längen aufweisen. Zum Beispiel kann die Länge des zweiten Leiterabschnitts größer als die Länge des ersten Leiterabschnitts sein, zum Beispiel mindestens 1,5-mal, 1,75-mal oder 2-mal größer.

Die Länge des ersten Leiterabschnitts kann insbesondere kleiner als Ä/8, A/ 10 oder k/12 sein, zum Beispiel etwa Ä/l 6.

Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können etwa gleiche Breiten aufweisen. Zum Beispiel kann die jeweilige Breite der ersten und zweiten Leiterabschnitte eine entsprechende charakteristische Impedanz der jeweiligen ersten und zweiten Leiterabschnitte bestimmen. Hierbei kann sich die charakteristische Impedanz des ersten und/oder zweiten Leiterabschnitts von der angeschlossenen Last am Ausgangspfad unterscheiden. Zum Beispiel ist die charakteristische Impedanz des ersten und/oder zweiten Leiterabschnitts größer als die angeschlossene Last, zum Beispiel mindestens 2-mal oder 3-mal größer als die angeschlossene Last, welche beispielweise etwa 50 Ohm ist.

Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können einen Abstand zueinander aufweisen. Der Abstand kann über die Länge des ersten Leiterabschnitts gleich sein. Der Abstand kann kleiner als 1/2, 1/4, 1/5, 1/10 oder 1/20 der Breite des ersten und/oder zweiten Leiterabschnitts sein. Insbesondere kann eine durch den Abstand bereitgestellte Lücke frei bleiben, mit Lötstopp oder Lack versehen sein.

Insbesondere kann durch den geringen Abstand der beiden Leiterabschnitte eine verbesserte Kopplung bereitgestellt werden.

Die Doherty Verstärkerschaltung kann monolithisch oder hybrid auf einer Leiterplatte, auch Platine genannt, bereitgestellt sein. Hierbei können die für die Doherty Verstärkerschaltung verwendeten Elemente oberflächenmontierte Bauelemente (englisch: surfacemounted devices, SMDs) sein. SMD-Bauelemente werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte gelötet (Flachbaugruppe). Die dazugehörige Technik ist die Oberflächenmontage (englisch surface-mounting technology, SMT). Alternativ oder zusätzlich zu den SMD-Bauelementen, die keine Drahtanschlüsse aufweisen, können die für die Doherty Verstärkerschaltung verwendeten Elemente bedrahtete Bauelemente sein, die mittels Durchsteckmontage (englisch: through-hole technology, THT) angebracht sind.

Somit können die beiden Leiterabschnitte einen Kopplungsabschnitt ausbilden, bei dem sich der erste Leiterabschnitt in einem Ausgangpfad des sekundären HF-Verstärkerele- ments befindet und sich der zweite Leiterabschnitt in einem Ausgangpfad des primären HF- Verstärkerelements befindet. Der gemeinsame Ausgangspfad der Doherty Verstärkerschaltung kann dem Ausgangspfad des primären HF -Verstärkerelements entsprechen. Der Kopplungsabschnitt kann somit über eine galvanische Trennung zwischen den ersten und zweiten Leiterabschnitten gebildet sein. Hierbei können die beiden Leiterabschnitte auf oder an der Leiterplatte direkt nebeneinanderliegen.

Somit kann eine einfache und zudem kleine Struktur bereitgestellt werden, die eine Kopplung zwischen beiden Pfaden bereitstellt.

Das primäre HF -Verstärkerelement kann ein Trägerverstärker sein (englisch: Carrier Power Amplifier). Der Trägerverstärker kann ausgebildet sein, unterhalb eines Schwellenwerts, zum Beispiel einem Leistungsschwellenwert, auch als Back Off Punkt bezeichnet, in einem linearen Verstärkerbereich zu arbeiten. Der Bereich unterhalb des Schwellenwerts bezeichnet hierin den linearen Bereich. Ferner kann der Trägerverstärker ausgebildet sein, oberhalb des Schwellenwerts in Sättigung zu arbeiten. Der Bereich oberhalb des Schwellenwerts kann als Back Off Bereich bezeichnet sein. Der Leistungsschwellenwert kann beispielsweise in einem Bereich zwischen -4 dB und -12dB in Bezug auf eine Spitzenleistung der Doherty Verstärkerschaltung liegen. Die Spitzenleistung kann beispielsweise größer sein als 20dBm. Die Spitzenleistung kann kleiner sein als 1 MW.

Das sekundäre HF -Verstärkerelement kann ein Spitzenverstärker sein (englisch: Peak Power Amplifier). Der Spitzenverstärker kann ausgebildet sein, oberhalb des Schwellenwerts, dem Back Off Bereich, in einem nicht-linearen Verstärkerbereich zu arbeiten und unterhalb des Schwellenwerts ausgeschaltet zu sein. Das primäre HF- Verstärkerelement kann explizit ein Class AB Verstärker sein. Das sekundäre HF -Verstärkerelement kann explizit ein Class C Verstärker sein.

Das sekundäre HF -Verstärkerelement wird somit nur bei Leistungsspitzen zugeschaltet und erhöht hierdurch den Wirkungsgrad der Doherty Verstärkerschaltung.

Ein (erstes) Ende des ersten Leiterabschnitts kann mit einem (ersten) Kondensator elektrisch leitend verbunden sein. Der (erste) Kondensator kann zwischen dem ersten Leiterabschnitt und dem Aus gang des sekundären HF- Verstärkerelements geschaltet sein. Hierbei kann eine direkte Verbindung zwischen dem (ersten) Kondensator und dem ersten Leiterabschnitt und/oder dem Ausgang des sekundären HF- Verstärkerelements vorgesehen sein.

Das andere (zweite) Ende des ersten Leiterabschnitts kann elektrisch leitend mit Masse verbunden sein, insbesondere über ein Via, also eine elektrisch leitfähige Durchgangsbohrung. Der erste Leiterabschnitt kann als Stichleitung (englisch: stub) ausgebildet sein. Hierbei kann das zweite Ende des ersten Leiterabschnitts offen oder kurzgeschlossen, wie im Falle des Vias, aus gebildet sein. Ebenso kann das zweite Ende des ersten Leiterabschnitts über einen (zweiten) Kondensator zur Masse verbunden sein. Hierbei kann eine offene Stichleitung verwendet sein, an deren (zweites) Ende ein erster Anschluss des (zweiten) Kondensators integriert oder angelötet ist. Der zweite Anschluss des (zweiten) Kondensators kann über ein mittels eines Vias kurzgeschlossenes Leitungspad integriert oder angelötet sein.

Somit kann eine simple und platzsparende Lösung zur Kopplung bereitgestellt werden, die zudem effektiv ist.

Eine Pfadrichtung bzw. Flussrichtung der Doherty Verstärkerschaltung bzw. der einzelnen dazugehörigen Verstärkerpfade kann von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende definiert sein. Zum Beispiel kann sich das zweite Ende stromabwärts von dem ersten Ende befinden bzw. das zweite Ende dem ersten Ende nachgelagert/nachgeschaltet sein. Ein Leiterabschnitt kann genau zwei Enden, erstes und zweites Ende, aufweisen. Das Vorgenannte in diesem Absatz kann sowohl für den ersten als auch den zweiten Leiterabschnitt gelten. Die ersten und/oder zweiten Leiterabschnitte können gedruckte Leitungen in Form von Streifenleitungen sein. Insbesondere können alle Verbindungsleiter, zum Beispiel der Leiterplatte, gedruckte Leitungen in Form von Streifenleitungen sein. Die Streifenleitungen können Mikrostreifenleitungen, symmetrische Streifenleitungen, geschirmte Streifenleitungen, Koplanarleitungen und/oder Doppelbandleitungen sein.

In einem speziellen Beispiel können die ersten und zweiten Leiterabschnitte nicht überlappen.

Somit kann das Design der Doherty Verstärkerschaltung vereinfacht werden.

Die Kernschicht der Leiterplatte kann aus elektrisch isolierendem Material bestehen. An einer Seite des elektrisch isolierenden Materials können leitende Verbindungen bzw. Leiterbahnen (z.B. den ersten und zweiten Leiterabschnitten) haften. Die andere Seite des elektrisch isolierenden Materials kann eine durchgehend leitende Oberfläche sein. Als isolierendes Material kann faserverstärkter Kunststoff oder Hartpapier vorgesehen sein. Die Leiterbahnen können aus einer Schicht Kupfer, zum Beispiel mit einer Dicke im Bereich von 20 bis 35 pm, geätzt sein.

Ein (erstes) Ende des zweiten Leiterabschnitts kann direkt elektrisch leitend mit dem Ausgang des primären HF -Verstärkerelements verbunden sein. Alternativ kann das (erste) Ende des zweiten Leiterabschnitts indirekt über einen (dritten) Kondensator mit dem Ausgang des primären HF- Verstärkerelements verbunden sein. Hierbei kann eine direkte Verbindung zwischen dem (dritten) Kondensator und dem zweiten Leiterabschnitt und/oder dem Ausgang des primären HF-Verstärkerelements vorgesehen sein.

Das andere (zweite) Ende des zweiten Leiterabschnitts kann direkt mit der Last der Doherty Verstärkerschaltung verbunden sein. Alternativ kann das andere (zweite) Ende des zweiten Leiterabschnitts indirekt über einen (vierten) Kondensator mit der Last der Doherty Verstärkerschaltung verbunden sein.

Über die Kondensatoren lässt sich die Schaltung an die Last im Betrieb anpassen. Hierdurch kann ein effektiver Betrieb der Doherty Verstärkerschaltung bereitgestellt werden. Ebenso kann eine Sendestufe vorgesehen sein. Die Sendestufe kann eine Signalerzeugungseinheit umfassen, die ausgebildet ist, die primären und sekundären HF -Verstärkerelemente der Doherty Verstärkerschaltung, wie oben beschrieben, mit einem durch die Trägerwellenlänge X modulierten Eingangssignal bzw. dessen Inphasekomponente (I) und Quadraturkomponente (Q) zu speisen. Hierbei kann dem primären und/oder sekundären HF -Verstärkerelement eine Phasenkompensationseinheit, zum Beispiel ein Quadraturhybrid, vorgeschaltet sein. Das Ausgangssignal des sekundären HF- Verstärkerelements kann somit einen Phasenverzug von -90° gegenüber dem Ausgangssignal des primären HF- Verstärkerelements aufweisen. Dieser Phasenverzug kann bei der Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterabschnitt aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bei der induktiven Kopplung zu einer Bereinigung der Phase fuhren. Somit kann ein phasenbereinigtes Signal am Ausgang, nämlich an der Last, der Doherty Verstärkerschaltung bereitgestellt werden.

Ferner kann die Last eine Strahlereinheit umfassen. Die Strahlereinheit kann eine oder mehrere Antennen umfassen, zum Beispiel ein Phased Array. Die Strahlereinheit kann ausgebildet sein, das phasenbereinigte Signal funktechnisch zu übertragen.

Außerdem kann eine Vorrichtung mit der oben beschriebenen Sendestufe bereitgestellt sein. Die Vorrichtung kann ein Satellit zur Satellitenkommunikation, eine Basisstation zur Kommunikation mit einem Benutzerendgerät, ein Rundfunkmast zum Ausstrahlen des Signals oder ein Benutzerendgerät zur Kommunikation mit einer Basisstation sein.

Es lassen sich somit vielseitige Einsatzmöglichkeiten finden.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Doherty Verstärkerschaltung gelöst. Das Verfahren umfasst ein Betreiben eines primären Hochfrequenz-, HF-, Verstärkerelements in einem Leistungsbereich unterhalb und oberhalb eines Schwellenwerts. Das Verfahren umfasst ferner ein Betreiben eines sekundären HF-Ver- stärkerelements in dem Leistungsbereich oberhalb des Schwellenwerts, um eine Lastmodula- tion am Ausgang des primären HF -Verstärkerelements zu bewirken. Durch die Lastmodulation wird die Lastimpedanz des primären HF -Verstärkerelements verändert, insbesondere verkleinert.

Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen bzw. Einspeisen einer jeweiligen Komponente eines Eingangssignals an den primären und sekundären HF -Verstärkerelementen. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Signalerzeugungseinheit als Signalquelle ein Quelleninformationssignal als Eingangssignal bereitstellen, das eine zu übertragende Information enthält und auf die Trägerwellenlänge X bzw. die mit der Trägerwellenlänge Ä. verknüpfte Trägerfrequenz hochgemischt ist. Hierbei können sich die Komponenten (I, Q) des Eingangssignals an den Eingängen der primären und sekundären HF -Verstärkerelemente in der Phase unterscheiden bzw. phasenverschoben sein. Das Eingangssignal kann hierzu über die oben genannte Phasenkompensationseinheit, wie den Quadraturhybrid, in die zwei sich in der Phase unterscheidenden, also phasenverschobenen, Komponenten des Eingangssignals aufgeteilt werden.

Das Verfahren umfasst ferner ein Verstärken der jeweiligen Komponenten des Eingangssignals abhängig von dem Leistungsbereich. Hierbei kann der Leistungsbereich abhängig von einem Leistungspegel der Eingangssignalkomponente(n) vorgegeben sein. Das Eingangssignal kann insbesondere ein digital moduliertes Signal sein. Beispiele für das digital modulierte Signal sind ein Phasenumtastungs- (PSK-) Signal, ein Quadratur-PSK- (QPSK-) Signal, ein 7i/4-QPSK Signal, ein Offset-QPSK (OQPSK) Signal, ein Differentielles QPSK (DQPSK) Signal, sowie ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) Signal oder dergleichen. Speziell kann die Doherty Verstärkerschaltung für solche Signale vorteilhaft und vorgesehen sein, die ein hohes Spitzen-Mittelwert- Verhältnis (PAR) haben.

Das Verfahren umfasst ferner ein Durchführen einer Lastmodulation am Aus gang des primären HF -Verstärkerelements. Die Lastmodulation erfolgt beispielsweise ausschließlich in dem Leistungsbereich oberhalb des Schwellenwerts. Beispielsweise erfolgt keine Lastmodulation unterhalb des Schwellenwerts. Der Schwellenwert stellt eine Grenze zwischen dem linearen Bereich (unterer Leistungsbereich) und dem Back-Off Bereich (oberer Leistungsbereich) dar. Das Durchfuhren der Lastmodulation am Ausgang des primären HF- Verstärkerelements basiert dabei auf zueinander beabstandeten ersten und zweiten induktiv gekoppelten Leiterabschnitten. Die ersten und zweiten Leiterabschnitte sind so zueinander angeordnet bzw. beabstandet, dass die Lastmodulation am Ausgang des primären HF -Verstärkerelements bewirkt werden kann.

Der erste Leiterabschnitt ist dem sekundären HF -Verstärkerelement nachgeschaltet. Der zweite Leiterabschnitt ist dem primären HF -Verstärkerelement nachgeschaltet. Die ersten und zweiten Leiterabschnitte haben jeweils eine Länge, die bezogen auf eine Trägerwellenlänge X kleiner als Ä/4 ist.

Die an den Eingängen der primären und sekundären HF -Verstärkerelemente eingespeisten jeweiligen Eingangssignalkomponenten können 90° phasenverschoben sein, zum Beispiel mittels des Quadraturhybrids. Durch eine induktive Kopplung zwischen den beiden (ersten und zweiten) Leiterabschnitten ergibt sich eine -90° Phasenverschiebung der Spannung zu Strom, wodurch die Ausgangsspannung des Verstärkers und die an dem zweiten Leiterabschnitt induzierte Spannung, also insbesondere im Ausgangspfad der Doherty Verstärkerschaltung, phasengleich sind.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine neue Methode einen Spannungstyp Doherty Leistungsverstärker auf Basis von Mikrostreifenleitungstechnik zu konstruieren. Spannungstyp Doherty Leistungsverstärker (auch VDPA genannt, englisch: Voltage Doherty Power Amplifier) haben im Vergleich zu klassischen Doherty Leistungsverstärkern den großen Vorteil, dass der VDPA Kombinierer vollständig in klassisches Filterdesign integriert werden kann und somit sehr breitbandige Doherty Leistungsverstärker konstruiert werden können. Der Nachteil von konzentrierten Bauelementen wie Transformatoren und induktiv gekoppelte Spulen ist deren verhältnismäßig schlechter Gütefaktor verglichen mit Mikrostreifenleitungsleitungen, wie sie für die oben beschriebenen ersten und zweiten Leiterabschnitte verwendet werden können. Daher wird hierin ein Doherty Leistungsverstärker mit hoher Ausgangsleistung und hoher Effizienz auf Mikrostreifenleitungstechnik vorgeschlagen. Im Allgemeinen ermöglicht der VDPA die Einbettung des Doherty Kombinierers in ein breitbandiges Fiherne tzwerk/Lasttransformationsnetzwerk, da auf Impedanzinverter verzichtet werden kann, welche beim klassischen Doherty Leistungsverstärker, zum Beispiel dem Stromtyp Doherty Verstärker, benötigt werden. Die Lastmodulation wird beim vorgeschlagenen VDPA so nah wie möglich bzw. direkt am Transistoranschluss durchgeführt und nicht wie üblich hinter einem Lasttransformationsnetzwerk, wodurch wiederum die Hochfrequenzbandbreite erhöht werden kann. So können die Pfade des Doherty Verstärkers Pfadlängen aufweisen, die jeweils kleiner als Ä/4 sind. Die Pfadlänge des Ausgangspfads des sekundären HF-Verstärkerelements kann dabei kleiner sein als die Pfadlänge des Ausgangspfads des primären HF-Verstärkerelements. Somit kann auch ein minimaler Abstand zwischen den jeweiligen Ausgängen der ersten und zweiten HF -Verstärkerelemente und dem Ausgang der Doherty Verstärkerschaltung eingestellt werden. Diese minimale Distanz kann ebenfalls kleiner als Ä/4 sein. Ebenfalls kann der minimale Abstand zwischen dem ersten HF -Verstärkerelement und dem Ausgang der Doherty Verstärkerschaltung weniger als 20% oder weniger als 30% von dem minimalen Abstand zwischen dem zweiten HF -Verstärkerelement und dem Ausgang der Doherty Verstärkerschaltung abweichen bzw. etwa gleich sein.

Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann ein hocheffizienter VDPA mit hoher Ausgangsleistung bereitgestellt werden, der in breitbandigen und effizienten Sendestufen für die Mobil- und Satellitentechnik eingesetzt werden kann. Des Weiteren kann die benötigte Fläche für das Ausgangsnetzwerk des VDPA reduziert werden, da der VDPA Kom- binierer, Leistungskombinierer, z.B. Wilkinson-Teiler, und /4 Inverter entfällt. Hierdurch werden große Kosteneinsparungen erzielt, insbesondere bei integrierten mm-Wellen VDPAs.

Bei klassischen Doherty Leistungsverstärkern, die auf der Stromaddition an der Last basieren werden dagegen immer sehr schmalbandige /4 Inverter benötigt. Der /4 Inverter kann nur unter hohem Kostenaufwand und Effizienzeinbußen in ein breitbandiges Ausgangsnetzwerk integriert werden.

Dagegen wird in einem oder mehreren Beispielen ein breitbandiger VDPA bereitgestellt, der ohne induktiv gekoppelte Spulen zur Spannungsinduktion auskommt und keinen elektrisch leitfähigen Verbindungsknoten zwischen entsprechenden von dem primären und sekundären HF -Verstärkerelement wegführenden Pfaden hat. In einem oder mehreren Beispielen kann eine Spannungsaddition direkt am Transistorausgang erfolgen, wodurch der X /4-Inverter nicht mehr benötigt wird. Statt mit induktiv gekoppelten Spulen wird mit induktiv gekoppelten Leitungen gearbeitet, siehe die ersten und zweiten Leiterabschnitte oben. Mit induktiv gekoppelten Leitungen können sowohl Strom als auch Spannung gekoppelt werden, wodurch eine phasenoptimierte Kopplung der Spannung mit induktiv gekoppelten Leitungen nicht möglich ist, welches für den VDPA benötigt wird. Hierzu kann zum Beispiel der oben erwähnte Quadraturhybrid den beiden HF -Verstärkerelementen vorgeschaltet werden.

Gemäß einem oder mehreren Beispielen hat die Doherty Verstärkerschaltung einen Carrier Verstärker und einen Peaking Verstärker (andere Konstellationen mit mehr oder größeren Peaking Verstärkern sind auch möglich). Der Carrier Verstärker übernimmt die lineare Verstärkung und wird in Sättigung und somit effizient betrieben. Der Peaking Verstärker setzt für höhere Leistungsspitzen ein und induziert Leistung mit in die Last und moduliert somit auch die effektive Lastimpedanz des Carrier Verstärkers (Lastmodulation), sodass dessen Sättigungspunkt in Richtung höherer Ausgangsleistungen moduliert wird. Somit bleibt der Gesamtverstärker immer effizient.

Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Doherty Verstärkerschaltung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf das Verfahren bzw. eine damit versehene Entität/V orrichtung, wie zum Beispiel den Satelliten, die Basisstation, den Rundfunkmast oder das Benutzerendgerät, zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Doherty Verstärkerschaltung zutreffen.

Ebenfalls versteht sich, dass die vorliegend verwendeten Begriffe lediglich der Beschreibung einzelner Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung gelten sollen. Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmannes auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet entspricht; sie sind weder zu weit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon befindlichen Definition oder dem Zusammenhang entsprechend auszulegen; hierbei ist eine zu enge Auslegung zu vermeiden.

Obwohl Begriffe wie "erster" oder "zweiter" usw. evtl, zur Beschreibung verschiedener Komponenten verwendet werden, sind diese Komponenten nicht auf diese Begriffe zu beschränken. Mit den obigen Begriffen soll lediglich eine Komponente von der anderen unterschieden werden. Beispielsweise kann eine erste Komponente als zweite Komponente bezeichnet werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen; ebenso kann eine zweite Komponente als erste Komponente bezeichnet werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

In diesen zeigen

Fig. 1 eine Ansicht einer Sendestufe mit Doherty Verstärkerschaltung;

Fig. 2 eine Ansicht einer ersten Variante einer Doherty Verstärkerschaltung;

Fig. 3 eine Ansicht einer zweiten Variante einer Doherty Verstärkerschaltung;

Fig. 4 eine Ansicht einer dritten Variante einer Doherty Verstärkerschaltung;

Fig. 5 eine Ansicht eines Ersatzschaltbilds in Bezug auf die dritte Variante der Doherty Verstärkerschaltung; und

Fig. 6 eine Ansicht eines Schaltungsdesigns einer Doherty Verstärkerschaltung.

Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält die Sendestufe 1 eine Doherty Verstärkerschaltung

2, eine Signalerzeugungseinheit 3 und eine Phasenkompensationseinheit 4. Die Doherty Ver- Stärkerschaltung 2 hat zwei Verstärker, ein primäres HF-Verstärkerelement 5 und ein sekundäres HF -Verstärkerelement 6, im Folgenden jeweils Verstärker genannt. Das Eingangssignal zur Doherty Verstärkerschaltung 2 ist ein differentielles Signal, das eine In-Phase- (I) und eine Quadraturkomponente (Q) enthält. Dieses differentielle Signal wird über die Signalerzeugungseinheit 3 in Verbindung mit der Phasenkompensationseinheit 4 erzeugt und der Doherty Verstärkerschaltung 2 zur Verfügung gestellt. Die Quadraturkomponente (Q) ist um 90° phasenverschoben gegenüber der In-Phase-Komponente.

Der primäre HF- Verstärker 5 verstärkt die In-Phase-Komponente (I) des Eingangssignals. Der sekundäre HF -Verstärker 6 verstärkt die Quadraturkomponente (Q) des Eingangssignals. Hierbei ist der Der primäre HF-Verstärker 5 als Klasse-AB-Verstärker, der über ca. 360° der Sinusperiode des Eingangssignals arbeitet oder als Klasse-B-Verstärker ausgeführt, der über ca. 180° der Sinusperiode des Eingangssignals arbeitet. Der sekundäre HF-Verstär- ker 6 hingegen ist als Verstärker der Klasse C implementiert, der so vorgespannt ist, dass er nur in einem Teil des Betriebsbereichs des primären HF-Verstärker 5 arbeitet. Somit arbeitet nur der primäre HF-Verstärker 5 unterhalb des "Back Off' Bereichs bzw. unterhalb des Back Off Punkts, wenn die Eingangssignalleistung relativ niedrig ist. Dabei ist die Ausgangsimpedanz des sekundären HF -Verstärkers 6 sehr hoch (z.B. größer als 1 kOhm).

Die Funktionsweise der Doherty Verstärkerschaltung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich anhand Figur 1 mittels der darin gezeigten Spulen L _c und Lp erläutern. Über die gezeigten Spulen L _c und L _p lässt sich eine Gegeninduktivität M oberhalb des Back Off Punkts erzielen. Um nun die Doherty Verstärkerschaltung 2 abzustimmen können entsprechende Kondensatoren C _c und C _p in Reihe zu den Spulen L _c und L _p verwendet werden. Durch die Gegeninduktivität M wird eine Spannung Vadd von der Spule Lp in der Spule L _c induziert. Die Spannung Vadd addiert sich zur Ausgangsspannung (nicht gezeigt) des primären Verstärkers 5 und ermöglicht einen größeren Ausgangsstrom I _c . Somit ergibt sich eine Lastmodulation der Lastimpedanz Z _c am Ausgang des primären HF -Verstärkers 5.

Nun wird sich in den Fig. 3 bis 5 die Funktionsweise induktiv gekoppelter Spulen L _c und L _p in Mikrostreifenleitungstechnik basierend auf der Schaltung in Fig. 2 zu Nutze gemacht. Hierbei sind zum einen die induktiv gekoppelten Leiterabschnitte 7 und 8 jeweils kürzer als X /4. Dadurch verhält sich die nach Masse geführte Leitung am sekundären Verstärker 6 wie eine Induktivität/Spule. Der als induktiv gekoppelte Spule wirkende Leiterabschnitt 8 im Ausgangspfad des primären Verstärkers 5 ist hierbei in Reihe zur Last RL angeschlossen. Zusätzlich sind die Leiterabschnitte 8 und 9 zusammen kürzer als X /4.

Um die induktiv gekoppelte Leitung am Carrier Verstärker wie eine induktiv gekoppelte Spule auszulegen, kann die Kuroda Identität angewendet werden (siehe hierzu Fig. 5). Durch Anwenden der Kuroda Identitäten können konzentrierte Elemente zumindest teilweise durch Transmissionsleitungen (TMLs) ersetzt werden. Der von dem sekundären Verstärker 6 wegführende Pfad kann so mit einer TML, hier der Leiterabschnitt 7, direkt mittels eines Vias 10 kurzgeschlossen werden.

Der von dem primären Verstärker 5 wegführende Pfad kann in dem Beispiel von Fig.

3, vom Ausgang des primären Verstärkers 5 in Flussrichtung gesehen, den als induktiv gekoppelte Spule wirkenden Leiterabschnitt 8, einen weiteren Leiterabschnitt 9 und einen Kondensator C _c hintereinander in Serie enthalten. Die Leiterabschnitte 8 und 9 können auch als ein über die Dimension des Leiterabschnitts 7 erstreckender, also längerer, Leiterabschnitt bezeichnet werden, da sie dieselbe Breite aufweisen. Die Länge des weiteren Leiterabschnitts 9 ergibt sich über die Kuroda Identität. Hinter dem Kondensator C _c kann die Last RL in Serie geschaltet sein. Alternativ kann sich zwischen dem Kondensator C _c und der Last RL ein Lasttransformationsnetzwerk (LTN) 10 befinden.

Der von dem primären Verstärker 5 wegführende Pfad kann in dem Beispiel von Fig.

4, vom Ausgang des primären Verstärkers 5 in Flussrichtung gesehen, den Kondensator C _c , den als induktiv gekoppelte Spule wirkenden Leiterabschnitt 8 und den weiteren Leiterabschnitt 9 hintereinander in Serie enthalten. Hinter dem weiteren Leiterabschnitt 9 kann ein gegen Masse abgeschlossener Kondensator Cst parallel zur Last RL geschaltet werden. Ferner kann Cst als offene Stichleitung ausgebildet sein. Außerdem kann sich zwischen dem Kondensator Cst und der Last RL das LTN 10 befinden.

Das LTN 10 wird je nach Leistung und benötigtem Impedanzlevel hinzugefügt oder weggelassen. Hierbei kann der Kondensator Cst auch Teil des LTNs 10 sein. Andere Alternativen zu den oben angegebenen Kombinationen der Schaltungselemente sind ebenfalls möglich.

Neben den parasitären Kapazitäten C _par und C _c h, wie in Fig. 2 gezeigt, und den parasitären Kapazitäten C _par p und C _par c, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, werden an den jeweiligen Verstärkerausgängen Spulen als Choke Induktivitäten L _C hP und L _C hc mit einer Versorgungsspannung VDD verbunden.

Nimmt man alle Elemente der Schaltung zusammen ergibt sich ein Filtemetzwerk direkt am Aus gang beider Verstärker 5 und 6.

Fig. 5 bezieht sich auf die dritte Variante des Doherty Verstärkers 2 aus Fig. 4 und zeigt ein über die Kuroda Identität gebildetes Ersatzschaltbild (ESB) der induktiv gekoppelten TMLs (siehe Leiterabschnitte 7 und 8) zusammen mit dem Kondensator Cst. Die Längen der induktiv gekoppelten TMLs lassen sich aus den Werten für die Spule L _c und den Widerstand RL anhand der Kuroda Identitäten berechnen. Als Beispiel kann die TML Impedanz des ESBs, unten in Fig. 5, zu ZO=RL gesetzt werden, wodurch ein Matching erreicht wird. Die Länge l beider Leiterabschnitte 8 und 9 zusammen kann dann beispielhaft durch folgende Gleichung bestimmt werden (c ₀ ist die Lichtgeschwindigkeit): l = arctan

In Fig. 3 ist die zweite Variante des Doherty Verstärkers 2 gezeigt, bei der die Anordnung des Kondensators C _c und der induktiv gekoppelten TML umgekehrt ist. Der für die Kuroda Identitäten benötigte Kondensator Cst ist hierbei in der parasitären Kapazität C _par c des primären Verstärkers 5 integriert. Die sich ergebende TML ist hierbei direkt elektrisch leitend mit dem primären Verstärker 5 verbunden. Die Leitungsimpedanz Zo ist hierbei auf eine optimierte Impedanz eingestellt, die zum Beispiel mindestens 2-mal oder 3-mal größer ist als RL, um einen optimalen Doherty Betrieb bereitzustellen. Je nach Größe der parasitären Kapazitäten C _par c und C _par p als auch der Last RL kann entweder die Doherty Verstärkerschaltung 2 nach der zweiten Variante (siehe Fig. 3) oder der dritten Variante (siehe Fig. 4) zu einem breitbandigeren Ergebnis führen.

Die Choke Induktivitäten L _C hP und L _C hc können ebenfalls durch TMLs gegen große Kapazitäten aufweisende Kondensatoren nach Masse (GND) realisiert werden. Im Allgemeinem gilt, dass alle Elemente der Doherty Verstärkerschaltung 2 sowohl als TML Strukturen, als auch als konzentrierte Bauelemente realisiert werden können.

Abschließend wird in Fig. 6 noch ein Schaltungsdesign der Doherty Verstärkerschal- tung gezeigt, die das Ausmaß und das Verhältnis der Leitungen der zwei Pfade zueinander besser wiedergeben soll. Hierbei sind die im Vorhinein genannten Elemente in Bezug auf die vorangehenden Figuren exemplarisch wiedergegeben. Insbesondere bezieht sich das Schaltungsdesign aus Fig. 6 auf das Beispiel aus Fig. 3 (zweite Variante). An dem Schaltungsdesign in Fig. 6 lässt sich gut erkennen, dass die von beiden Verstärkerelementen, dem primären HF- Verstärkerelement 5 und dem sekundären HF-Verstärkerelement 6, wegführenden Leitungspfade eine maximale Länge von Ä/4 haben. Zum Beispiel können die beiden Leitungspfade (Pfadlänge) jeweils kleiner als X/4 sein. Dies kann als allgemeine Regel hierin aufgefasst werden.

Allgemein kann die Pfadlänge auch durch die folgenden Beispiele definiert sein. In einem ersten Beispiel kann die Pfadlänge als Länge zwischen dem Ausgang des Trägerverstärkers und der Kapazität C _c definiert sein. In einem zweiten Beispiel kann die Pfadlänge als Länge zwischen dem Ausgang des Trägerverstärkers und dem LTN 10 definiert sein. In einem dritten Beispiel kann die Pfadlänge als Länge zwischen dem Ausgang des Trägerverstärkers und der Last RL definiert sein.

Die beiden Kondensatoren Cp und Cc sind in Fig. 6 beispielhaft als überlappende Leiterflächen dargestellt, können allerdings auch als konzentrierte Bauelemente ausgebildet sein.

Ebenso wird in Fig. 6 ein Abstand d gezeigt, der über die gesamte Länge des ersten Leiterabschnitts 7 konstant bleiben kann. Der Abstand d kann auf einen minimal möglichen Abstand eingestellt sein, zumindest kleiner als 1/2, 1/4, 1/5, 1/10 oder 1/20 der Breite eines der beiden Leitungspfade sein.

Mit der oben angegebenen Technik lassen sich sehr breitbandige und effiziente Doherty Verstärkerschaltungen 2 mit vergleichbar sehr geringem Aufwand realisieren ohne Kompromisse in Bezug auf Effizienz einzubüßen. Des Weiteren verkleinert sich die Fläche des Kombinierers, da ein gewöhnlicher Kombinierer wie ein Wilkinson-Teiler in der Größenordnung von Ä/4 entfällt.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

B ezugszeichenliste

1 Sendestufe

2 Doherty Verstärkerschaltung

3 Signalerzeugungseinheit

4 Phasenkompensationseinheit

5 primäres HF -Verstärkerelement

6 sekundäres HF-Verstärkerelement

7 Leiterabschnitt im Ausgangspfad des sekundären HF -Verstärkerelements

8, 9 Leiterabschnitte im Ausgangspfad des primären HF -Verstärkerelements

10 Lasttransformationsnetzwerk

11 Via