CN1113455C - 对无线电通信系统中的互调产物进行滤波的方法与装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种连同新颖的天线阵一起的改进的前馈多载波功率放大器结构，其中该改进的放大器可方便地加以使用。改进的放大器提供了对在放大器中生成的不希望的互调产物的独立控制。当用在新颖的天线阵结构中时，可以从主辐射波瓣独立地引导开包含不希望的互调产物的分立辐射波瓣。在蜂窝式基地台应用中，可从主辐射波瓣引导开包含不希望的互调产物的辐射波瓣，借此提供不希望的信号的空间滤波。利用诸如噪声样函数在要求的通信方向上提供干扰的统计平均值，可以及时与快速引导开包含不希望的互调产物的辐射波瓣。

Description

对无线电通信系统中的互调产 物进行滤波的方法与装置

技术领域

本发明一般涉及蜂窝式无线电通信，更具体地，涉及前馈多载波功率放大器结构，及涉及利用阵列天线结构中的前馈多载波功率放大器对无用互调产物进行空间滤波的方法与装置。

背景技术

在限噪无线电通信系统中，无线电接收机接收远程发射机广播的无线电信号的能力受到出现在无线电信道中的热噪声及接收机本身引入的噪声量的限制。在蜂窝式无线电通信系统中，移动台接收基地台发射的信号的能力并不受无线电信道中的热噪声太大限制，而是受到无线电信道中存在的干扰量的限制。干扰从若干源产生；所谓同波道干扰来自出现在相同频带上的邻近或远程蜂窝中的基地台与移动台之间的无线电通信；所谓相邻信道干扰来自同一蜂窝或在邻近频带上操作的相邻蜂窝的基地台与移动台之间的无线电通信。接收机与发射机中的不完善滤波使一个频带中的一些射频能量能溢出到并与其它无线电频带干扰。另一个潜在的重要干扰源来自基地台与移动台放大器中的调幅到调幅(AM到AM)及调幅到调相(AM到PM)转换所生成的互调产物。这一问题通常在下行链路(即由基地台传输的信号)中最为严重，因为基地台通常同时广播多个能在放大器中互相混合的载波频率。

在功率放大器中，在DC到RF功率转换效率与放大器生成的互调产物电平之间进行折衷。因此，好的DC到RF转换效率与高频谱纯度可能是矛盾的要求。因此在蜂窝式基地台结构的设计中放大器的选择是重要的。

迄今已发现若干种基地台结构。最普通的是，基地台采用带选频组合器的单一载波功率放大器(SCPA)。由于在伴随的频率组合器中遭到的介入损耗，这一结构提供大约6-7％的整体DC到RF功率转换效率。并且频率组合器也很大，并具有在基地台设置中可能需要手动调谐的“静态”频率选择性。

另一种普通的结构选择采用多载波功率放大器(MCPA)。不幸的是，MCPA通常必须是高度线性的以避免生成在放大器内不同调制的载波频率的混合引起的互调产物。因此，即使不需要频率组合器，这一解决方案只提供大约4-6％的整体DC到RF功率转换效率。虽然与上述SCPA/频率组合器解决方案相当，MCPA通常具有低得多的耐用性与可靠性。高功率MCPA还是复杂的技术，即在生产中不容易掌握。

最终，SCPA能与天线组合器一起使用以给出大约22％的整体DC到RF功率转换效率，这是以安装在天线杆上的功率放大器及或多或少与载波的数目成比例的表面积为代价而达到的。通过在阵列中分布小功率放大器，采用若干天线元件的空间组合而不是每一天线一个中央功率放大器，能改进这一设计的耐用性。

如果能改进这一解决方案的整体DC到RF功率转换效率，采用MCPA与阵列天线组合是有吸引力的解决方案。然而，当前的MCPA设计并不承诺产生所要求的效率改进。

通过采用下述两种方法之一能降低MCPA引入的互调：前馈补偿放大，或带非线性分量(LINC)的线性放大。LINC放大是相当复杂的并且当前完全不适合于低成本、大批量生产的放大器。

图1A中示出了传统前馈补偿放大器的框图。图1A中，将其频谱示在图1B中的RF输入信号加在将输入信号部分耦合在延迟线140的耦合器100a上与主放大器110上。主放大器110生成其信号频谱示在图1C中放大输出。与图1B相比，图1C中所示的附加频谱分量是由主放大器110中的非线性生成的互调产物。用耦合器100b将图1C中所示的一部分放大的输出信号频谱耦合到加法器150上。延迟线140相对于主放大器110的输出延迟输入信号的耦合部分产生延迟的信号，使得这两个信号大约同时到达加法器150。加法器150的输出为耦合到辅助放大器160上的误差信号。辅助放大器160调节误差信号的幅度生成图1D中所示的误差校正信号。误差校正信号应在幅度上与主放大器110生成的互调产物匹配，但相位相反。在耦合器100C中执行互调产物得出的矢量对消，其中从放大的输入信号减去误差校正信号。为了使图1E中所示的输出信号具有从载波频率向下大于-60dB的互调产物，必须以高精确度执行该矢量对消。通常这需要用高于0.5度相位精确度及0.1dB幅度精确度来保持误差校正信号，而这是在生产中难于达到的。在MCPA中可利用前馈技术有效地抑制互调产物，但代价是低的功率效率及在复杂性与部件成本上的高要求。特别是高功率MCPA是在生产中难于掌握的。

因此，构成利用MCPA的相控阵天线是有利的，其中无须求助于昂贵而功率低效的前馈对消技术便能控制互调产物。

发明内容

按照本发明的第一示范性实施例，描述了改进的前馈多载波功率放大器结构的方法及装置。改进的MCPA提供了用于放大具有多个载波频率的输入信号的主放大器，它生成包含所要求的信号及附加的不希望的频率分量的放大输出信号。将代表放大的输出信号中的不希望有的频率分量的误差信号与基准信号组合以生成根据控制信号移相的(与/或有可能幅度改变的)移相器输入信号。通过比较移相器提供的移相量与相位偏移值来更新控制信号。该相位偏移值可以是随时间变化的。

按照本发明的第二示范性实施例，采用与描述了利用改进的前馈MCPA的方法与装置。提供了相控阵天线，使之产生多个幅射波瓣。在至少波瓣之一中，将不希望的频率分量(即互调产物)从主波瓣独立地引导开，借此提供了对不希望的频率分量的空间滤波。

附图说明

下面参照附图更详细地描述本发明的示范性实施例，其中相同的标号用来表示相同的元件，附图中：

图1A为传统的前馈补偿功率放大器的示意性框图；

图1B示出与图1A的框图关联的输入信号的示范性信号频谱；

图1C示出与图1A的框图关联的放大信号的示范性信号频谱；

图1D示出与图1A的框图关联的误差信号的示范性信号频谱；

图1E示出与图1A的框图关联的输出信号的示范性信号频谱；

图2A为按照本发明的第一示范性实施例的前馈功率放大器的示意性框图；

图2B示出与图2A的框图关联的输入信号的示范性信号频谱；

图2C示出与图2A的框图关联的放大信号的示范性信号频谱；

图2D示出与图2A的框图关联的纠错信号的示范性信号频谱；

图2E示出与图2A的框图关联的输出信号的示范性信号频谱；

图2F为有利地用作本发明的前馈功率放大器的一部分的调相与调幅器的示意性框图；

图3为展示传统线性相控阵天线的操作的示意性框图；

图4为按照本发明的第二示范性实施例的相控阵天线的示意性框图；

图5为展示图4的相控阵天线的操作的示意性框图；以及

图6为按照本发明的第二示范性实施例用在蜂窝式基地台应用中的相控阵天线的实例。

具体实施方式

在下面的说明性而非限制性目的的描述中，为了提供对本发明的彻底理解，陈述了诸如特定电路、电路部件、技术等的特定细节。然而，对于熟悉本技术的人员显而易见本发明可在离开这些特定细节的其它实施例中实行。在其它实例中，为了不使不必要的细节遮蔽本发明的描述，省略了众所周知的方法、器件及电路的详细描述。

图2A中示出按照本发明的第一示范性实施例的前馈放大器200的框图。图2A中，将其信号频谱示出在图2B中的输入信号作用在耦合器220a上，后者将输入信号的部分耦合在延迟线240及主放大器230上。主放大器230生成图2C中所示的放大的输出信号频谱，其中一部分用耦合器220b耦合在加法器250上。与图2B相比图2C中所示的附加频谱分量为由于主放大器230中的非线性生成的不希望有的互调产物。延迟线240相对于来自主放大器230的放大的输出信号延迟输入信号的耦合部分，生成延迟的信号而使这两个信号大约同时到达加法器250。加法器250的输出为表示不希望有的互调产物的输入误差信号。

将输入误差信号耦合到调相与调幅器210上，后者根据从相位控制处理器215(图2F中所示)接收的控制信号调节输入误差信号的相位与幅度生成图2D中所示的纠错信号。控制纠错信号使放大的输出信号与纠错信号的矢量和得出适当相位与幅度的互调矢量。这意味着输出信号(图2E中所示)中的互调产物并未降低到零(如图1E中所示)，而仍以调相与调幅器210所确定的相位与幅度保留在输出信号中。按照本发明的前馈放大器的这一特征允许独立控制主放大器230生成的互调产物的相位与幅度，在相控阵天线中可进一步有利地利用这一特征来独立于原辐射波瓣控制互调产物的辐射方向，如随后的图与文字中将要描述的。

图2F中示出调相与调幅器210的示范性实现。合成器216接收来自公共基准源(未示出)的诸如10MHz的低频基准信号。合成器216将基准信号转换成接近输入信号的频率但略为越出频带的导频信号，以便将该导频信号作为出现在带外的任何其它互调产物对待。通过耦合器211a将来自合成器216的导频信号注入移相器212，在其中将导频信号与加法器250(图2A中所示)的输出组合，加法器250的输出便是表示不希望有的互调产物的输入误差信号。这里将耦合器211a的输出称作移相器输入信号。

移相器212可以是任何适合的双端口网络，其中输出与输入信号之间的相位差可由控制信号(诸如DC偏置)控制。在示范性调制器210中，移相器212为加感线路移相器，但也可以是交换网络、交换线路、放大器式或反射式网络。在加感线路移相器中，移相机制为跨越传输线路放置的小电抗偏差。可以适当地利用其电容可用不同DC偏置改变的变容二极管用于可变电抗。这一配置提供简单的低成本构造，适度的介入损耗，及容易地为粗相位调节控制的。

移相器212根据从相位控制处理器215接收的控制信号偏移移相器输入信号的相位。移相器212的输出耦合在放大器213上。如熟悉本技术的人员所清楚的，放大器213的增益是可变的，但为了简化示出为固定增益放大器。放大的输出信号为纠错信号。纠错信号包含在耦合器211a上初始注入的导频信号的移相形式作为分量。将纠错信号耦合在耦合器211b上，后者将一部分纠错信号耦合到相位检波器214上。相位检波器214比较从耦合器211b接收的移相导频信号与从合成器216接收的导频信号并生成电压VΔφ_n，其中下标n在存在多个前馈放大器200时指示特定的前馈放大器200。将表示注入的与移相的导频信号之间的相位差的电压VΔφ_n耦合到相位控制处理器215上，后者将VΔφ_n与可以是随时间变化的基准电压Vref_n(t)比较。相位控制处理器215生成作用在移相器212上的控制信号Vcontrol_n(t)来控制相移量。通过利用时间变量基准电压Vref_n(t)，便有可能按照诸如随机噪声函数、锯齿或随时间的正弦方差等任何要求的函数来控制移相器212的相移。以这一方式，可在空间中分散互调产物(与限制在单一IM波瓣相反)而使负面IM效应较不明显。Vref_n(t)的选择代表效率(即频谱上更高效地将所有IM产物从要求的信号方向上引开)对降低的复杂性(即如果将IM产物分散开则需要较少工作量来跟踪与控制相位)之间的折衷。

图3为传统的线性相控阵天线的示意性框图。线性阵包含沿线路在距离d上互相分隔开的多个单个的辐射元件320a-n。通过馈入网310耦合输入信号并将其分成多个输出，将各输出耦合在单个辐射元件320a-n上。在最简单的结构中，馈入网310的所有输出在相位与幅度上都是匹配的，但其它关系也是可能的。具体地，可跨越馈入网作用振幅衰减，使端部元件比阵列的中心元件接收略少的功率，从而改进旁瓣性能。对于本实例，假定馈入网的输出全都同相且幅度相等。在各幅射元件320a-n的基座上分别有相移与幅值变化器件330a-n，它控制馈入各辐射元件320a-n的相对幅度与相位。在相控天线阵中，各辐射元件320a-n的辐射图在空间中组合以构成可用下述天线阵排列因数描述的阵列的复合辐射图： $E_u=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{e}^{j({\mathrm{\ψ}}_n-\mathrm{nkd}\sin \mathrm{\θ})}$

其中：K＝2π/λ

系数a_n的集合称作天线阵振幅衰减，而ψ_n参数称作相位衰减。为了在扫描角θ₀的方向上产生辐射场的最大值，所有ψ_n参数应具有形式：

ψ_n＝-nkdSinθ₀

ψ_n的表达式说明为了在扫描角θ₀的方向上产生辐射场的最大值，跨越天线阵的相位衰减为线性衰减。线性衰减为其中在相邻的辐射元件320a-n之间具有常量相位差的衰减。记住了这一点，可将天线阵排列因数的表达式改写为： $E_u=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{e}^{\mathrm{jnkd}(\sin \mathrm{\θ}-\sin 0)}$

在最简单的实例中，当没有振幅衰减且所有a_n系数都设定为等于1时，可将天线阵排列因数的上式进一步化简为： $E_a\left(\mathrm{\Θ}\right)=\frac{\sin \[\mathrm{\Ν\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\Θ}-{\sin \mathrm{\Θ}}_n)\]}{N\sin \[\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\Θ}-{\sin \mathrm{\Θ}}_n)\]}$

参见图4，示出了按照本发明的第二示范性实施例的天线400，在其中可以有利地采用上面描述的前馈放大器。图4中，将输入信号耦合到前馈网310上，后者将输入信号分成多个输出。将馈入网310的多个输出各耦合在上面描述的前馈放大器200_a-n上。分别将各前馈放大器200_a-n的输出耦合到辐射元件330_a-n上。射束方向控制器410提供控制信号给各前馈放大器200_a-n。天线400的操作可借助于图5中所示的示意性框图说明，其中为了简化已将天线元件320_a-n的数目限制为两个。

如图5中所示，可将各前馈放大器200_a-n看作生成两个独立的信号：其中之一为其相位与幅度已按照a_ne^jψn修正的要求的信号，及其相位与幅度按照b_ne^jn修改的不需要的IM信号。在本最简单的实例中，不使用振幅衰减及将幅度系数a_n与b_n设定为等于1。将第一相位衰减作用在ψ_n参数上得出包含在扫描角θ₀的方向上的要求的信号的第一射束510。将第二相位衰减作用在_n参数上得出包含在扫描角α₀的方向上辐射的不希望有的第二射束520。第二射束520的旁瓣将出现在第一射束510的方向上，但在充分地低的电平上，从而在第一射束510的方向上不存在干扰问题。

图6示出在示范性无线电通信系统中如何采用阵列天线400的实例。将天线400安装在天线杆塔600、建筑物顶或其它任何适当的位置上，将天线400升高到地面以上适当的高度上并在基地台的邻域内操作的移动台610与基地台天线400之间提供无遮拦的视线的通信路径。为了简单起见，只讨论两种图式：其中辐射所要求的下行链路信号的一种，将称作原辐射图或原波瓣510；及其中辐射不希望有的互调产物的一种，将称作互调(IM)辐射图或IM波瓣520。用物理地向下指的天线400，或作为替代通过提供跨越馈入网310的输出的线性相位衰减，将原波瓣510从平行于地表面的平面向下倾斜。通过在各前馈放大器200_a-n中生成的纠错信号上作用适当的相位衰减而使包含不希望有的互调产物的IM波瓣520朝向上方并离开原波瓣510。

作为替代，可通过在放大器200_a-n上作用随时间变化的相位偏移控制信号而有利地空间分散IM波瓣520。时间变化可以以锯齿波的形式跨越广扫描角“扫描”IM射束，或者可使用与噪声相关的变化来跨越广扫描角“散布”IM射束。

按照上述创造性技术，可用若干相对地小的放大器来替代单一大放大器。这些较小的放大器通常比传统上用在SCPA应用中的大放大器功率上更高效。实质性地降低了放大级后面的电缆损耗，因为这些较小的放大器是安装在天线阵上的。按照本发明的示范性实施例的DC到RF功率转换效率通常与和SCPA天线/组合器方法关联的效率大致相同，但具有天线大小与发射的载波的数目无关的优点。

虽然已相对于特定的示范性实施例描述了本发明，熟悉本技术的人员会理解本发明不限于这里描述与展示的特定实施例。上面的说明书与图合理地建议除了示出及描述的那些以外的不同实施例及适应装置，以及许多变型、修改及等效装置，都不脱离本发明的实质或范围。虽然已对于这些实施例详细地描述了本发明，应理解本公开只是本发明的示例与示范，并且只是为了提供本发明的充分的公开与实施的目的。因此，本发明旨在只受这里所附的权利要求书的精神与范围的限定。

Claims (14)

1.一种前馈多载波功率放大器，包括：

主放大器，用于放大具有多个载波频率的输入信号及生成包含该载波频率信号和不希望的频率分量的放大输出信号；

耦合在所述主放大器上用于生成表示放大的输出信号中的所述不希望的频率分量的误差信号的装置；

合成器装置，用于从基准信号中生成导频信号；

组合器装置，用于组合导频信号与误差信号来生成移相器输入信号；

移相装置，用于相对于移相器输入信号的输入相位改变移相器输入信号的输出相位及生成纠错信号；

相位检波器装置，用于生成指示导频信号与纠错信号之间的相对相位差的相位偏移；

相位控制处理器装置，用于比较相位偏移指示与相位偏移及生成控制信号；

相位控制装置，用于响应控制信号调节移相装置；以及

用于组合纠错信号与放大的输出信号的装置。

2.按照权利要求1的前馈多载波功率放大器，其中所述相位移值为随时间变化的值。

3.按照权利要求1的前馈多载波功率放大器，其中纠错信号的相位与幅度都是变化的。

4.一种用于控制多载波功率放大器中的不希望的信号的幅度与相位的方法，包括下述步骤：

a)放大具有多个载波频率的输入信号及生成包含该载波频率信号和不希望的频率分量的放大输出信号；

b)生成表示放大的输出信号中的所述不希望的频率分量的误差信号；

c)从基准信号生成导频信号；

d)组合导频信号与误差信号来生成移相器输入信号；

e)相对于输入相位改变移相器输入信号的输出相位并生成纠错信号；

f)生成导频信号与纠错信号之间的相对相位差的相对相位偏移指

示；

g)比较相位偏移指示与相位偏移值及生成控制信号；

h)响应控制信号调节移相装置；及

i)组合纠错信号与放大的输出信号。

5.按照权利要求4的方法，其中纠错信号的相位与幅度都是变化的。

6.按照权利要求4的方法，其中相位偏移值是随时间变化的。

7.一种具有相控阵列天线的蜂窝式无线电基地台，包括：

多个前馈多载波功率放大器，每个包括：主放大器，用于放大具有多个载波频率的输入信号及生成包含该载波频率信号和不希望的频率分量的放大输出信号；

用于生成表示放大的输出信号中的不希望的频率分量的误差信号的装置；

相位控制装置，用于调节所述误差信号的相位及生成纠错信号；及

用于组合纠错信号与放大的输出信号的装置；

耦合在所述多个前馈功率放大器的各个上并沿线路互相间隔开的辐射元件，使多个辐射元件构成天线阵孔；

用于提供跨越辐射元件的第一相位衰减的装置，第一阵列因数使每一载波频率的信号以主瓣朝向第一角度辐射；及

用于提供跨越辐射元件的第二相位衰减的装置，第二阵列因数使不希望的频率分量以互调波瓣朝向与所述第一角度明显不同的第二角度辐射，以便从该主瓣中除去这些不需要的频率分量。

8.按照权利要求7的蜂窝式无线电基地台，其中所述第二角度是随时间变化的。

9.按照权利要求7的蜂窝式无线电基地台，其中纠错信号的相位与幅值都是变化的。

10.按照权利要求7的蜂窝式无线电基地台，其中用于提供第一相位衰减的装置和用于提供第二相位衰减的装置，

包括用于提供跨越这些辐射元件的振幅衰减的装置，使端部元件比中心元件接收略少的功率。

11.一种用于对具有相控天线阵的蜂窝式无线电基地台中的不希望的信号分量进行空间滤波的方法，包括下述步骤：

a)放大具有多个载波频率的输入信号及生成包含该载波频率信号和不希望的频率分量的放大输出信号；

b)生成表示放大的输出信号中的不希望的频率分量的误差信号；

c)调节所述误差信号的相位并生成纠错信号；

d)组合纠错信号与放大的输出信号；

e)从沿线路互相间隔开的多个辐射器辐射组合的纠错信号与放大的输出信号，使该多个辐射元件构成天线阵孔；

f)提供跨越辐射元件的第一相位衰减，使第一天线阵排列因数让主瓣中的每一载频信号朝向第一角度辐射；以及

g)提供跨越辐射元件的第二相位衰减，第二天线阵排列因数使不要的频率分量以互调波瓣朝向所述第一角度明显不同的第二角度辐射，以便从该主瓣中除去这些不要的频率分量。

12.按照权利要求11的方法，其中所述第二角度是随时间变化的。

13.按照权利要求11的方法，其中纠错信号的相位与幅度都是变化的。

14.一种多载波功率放大器，包括：

主放大器，用于放大具有多个载波频率的输入信号并生成包含该载频信号和不希望的频率分量的放大输出信号；

相位和幅度调制器，通过求和装置接收具有相位和辐度的输入差错信号，所述输入差错信号包括加到该输入信号时延部分的该放大输出信号的抽样部分，所述调制器，根据从相位控制处理器接收的控制信号，至少调整该输入差错信号的相位，所述纠错信号具有因该调整的结果而相移的分量；和

一个部件，从该主放大器接收该放大输出信号，从该相位和幅度调制器接收该放大的输出信号，并将这两个信号组合，形成预定相位和幅度的互调向量。

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