移動通信系統中的方法和設備的製作方法
2023-07-25 10:35:51
專利名稱：移動通信系統中的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及移動通信系統中的方法和設備，並且具體涉及用於提高這樣的系統中的放大器的效率的解決方案。
背景技術：
基站和行動電話終端中的發射機以及用於廣播和其他無線系統的發射機都需要功率放大器(PA)來放大給天線的射頻(RF)信號。這種PA常常需要是非常高效的，以便增加電池時間，降低能量成本，以及最小化冷卻需求。傳統的B類和AB類PA通常操作在恆定的負載和恆定的電源電壓下。「最佳負載」(Ropt)是在允許的操作條件下給出最高輸出功率的負載。B類或AR類操作意味著電晶體電流脈衝近似具有四分之一波長整流的正弦波形。電流脈衝在所有幅度大致具有相同的形狀，並且RF輸出電流和DC電源電流都因此與它們的高度近似成正比，由此DC功率也與它們的高度近似成正比。RF輸出電壓也是如此。RF輸出功率與RF輸出電流的平方成正比， 這意味著DC到RF的效率與RF輸出電壓幅度近似成正比。由於這種成正比的特性，B類放大器(輸出平均信號電平遠低於最大(峰值)電平的信號)的平均效率小於最大輸出時的效率。負載調節(LM)或動態負載匹配(DLM)是一種通過具有可以按信號包絡速度變化的匹配網絡來增大放大器針對幅度調製的信號的效率的方法。通過動態地將負載與RF電晶體重新匹配，可以降低平均RF電流。通過使匹配網絡在低輸出電平時將負載電阻轉換成電晶體輸出節點處的高電阻，以及在最大輸出電平時將負載電阻轉換成等於最優的B類電阻Ropt的低電阻，增大了平均效率。這降低了除最大輸出電平之外的所有所有輸出電平處的RF輸出電流，同時在負載中產生相同的RF電壓和電流。同時增大了在電晶體輸出處的 RF電壓。如果使用一些有效的操作類型，諸如B類，則降低的RF輸出電流被轉換成降低的 DC電流。將放大器分成若干個各自通過四分之一波長傳輸線耦合到輸出的較小的放大器增大了效率。獲得了在若干支持幅度處的效率最大點。這是因為四分之一波長線將負載電阻轉換成比電晶體輸出處的Ropt更高的電阻，所述四分之一波長線具有它們所連接到的電晶體的特性阻抗Ropt。於是，這種類型的放大器具有比傳統放大器小的來自電晶體的RF 輸出電流的平均和。同時增大了有源電晶體的輸出處的RF電壓。可以通過開關或者通過可調諧電路來完成放大器段的進出切換。實際的電晶體通常具有相當大的寄生損耗，所述寄生損耗降低了可獲得的效率。 上面描述的高效放大器降低了平均輸出電流，其最小化了可被看作等效為電晶體輸出節點處的(與負載)串聯的損耗。另一種類型的損耗機制可以看作等效為在輸出節點處的分流 (從節點耦合到地)。該損耗在使用上述效率提高方法的放大器中變得惡劣，原因是它們取決於電晶體處的高的RF電壓。這樣的分流損耗在實際的RF功率電晶體中是普遍存在的， 因此所述方法的理論上的效率增益在實踐中通常會減小。
具有四分之一波長線的分段放大器由於電晶體輸出處的較高的RF電壓而經受增大的分流損耗。圖1中示出了從每個放大器段到負載具有四分之一波長線的分段(3個二進位加權的段)放大器在無分流損耗的情況下的效率(上跡線)和在存在由於分流電阻造成的損耗的情況下的效率(下跡線)。可以注意到，分段放大器的效率因為分流損耗而降級，其中針對較低的輸出幅度的降級大於針對較高的輸出幅度的降級。電晶體輸出處的分流損耗也是負載調節放大器中的最有害的損耗。由於該損耗與電晶體輸出節點處的電壓(即作為動態負載轉換的影響在所有輸出電平處增大的相同電壓)的平方成正比，所以影響大。圖2示出了在無分流損耗的情況下和存在由於有限的分流電阻造成的損耗的情況下，LM放大器的(歸一化的)最佳輸出電壓和電流。對於具有分流損耗的電晶體，RF電流非常高，導致較低的效率。對於幅度範圍中的較低部分，負載固定為大約與分流電阻相同的值，並且電壓與輸出幅度成正比。圖3示出了在存在分流損耗和不存在分流損耗的情況下得到的LM放大器的效率。因此，LM放大器的效率也因為分流損耗而降級，其中針對較低的輸出幅度的降級大於針對較高的輸出幅度的降級。
發明內容
因此，本發明的目的是提供具有高的效率並且對分流損耗不敏感的放大器。根據本發明的第一方面，提供了用於放大具有變化幅度的信號的方法。在該方法中，基於要放大的信號的幅度來確定多個放大器段中的用於放大具有變化幅度的信號的至少一個放大器段，以獲得基本上是最佳的放大器效率。然後，利用所確定的放大器段放大該信號。此外，對放大的信號施加負載，以及基於放大的信號的幅度來動態調節該負載。根據本發明的第二方面，提供了用於放大具有變化幅度的信號的放大器電路。該放大器電路包括多個放大器段和連接器，該連接器將所述多個放大器段互連以用於放大具有變化幅度的信號。此外，還包括邏輯單元，該邏輯單元基於所述信號的幅度或功率電平來確定所述多個放大器段中的用於放大所述信號的至少一個放大器段。根據本發明，該放大器電路包括負載，該負載施加在放大的信號上，連接到所述多個放大器段，其中該負載被配置為基於信號的幅度進行動態調節。因此，通過向分段的放大器施加負載調節，本發明解決了目標問題。應該注意，LM 放大器的效率和分段放大器的效率都分別因為分流損耗而降級。然而，通過允許每個放大器段或者段的組合操作達到它們的最大輸出功率限度，而不是局限於作為最佳現有技術的分段放大器的、通過四分之一波長線的阻抗轉換得到的較低的輸出功率，降低了分段放大器的損耗。因此，通過使用負載調節來動態調節負載，使得有可能在添加更多的段之前操作達到最大限度。本發明的優點在於潛在地具有非常高的效率，特別是對於尖峰信號(例如具有高的峰均比)和回退時(處於低幅度)，也是如此。另外，具有非常小的對大部分電晶體寄生效應的敏感性。本發明的實施例保持了分段放大器的優點，即可以將不使用的放大器段切換出電路，使得它們的寄生分流電阻不影響剩餘電路。
本發明的實施例的另一優點在於大大地降低了放大器段的每個組合的分流電阻的影響。因此，這使得其成為最高效的可用的放大器之一。對於很多電晶體技術和操作頻率，如果使用足夠多數量的分段，則它是最高效的放大器。
圖1中示出了從每個放大器段到負載具有四分之一波長線的分段放大器在無分流損耗的情況下的效率(上跡線)和在存在由於分流電阻造成的損耗的情況下的效率(下跡線)。圖2示出了在無分流損耗的情況下和存在由於7倍最佳負載阻抗的分流電阻造成的損耗的情況下，相對於輸出幅度的電壓(上跡線)和電流(下跡線)。圖3示出了在無分流損耗的情況下相對於輸出幅度的效率(上跡線)和存在由於分流電阻造成的損耗的情況下相對於輸出幅度的效率(下跡線)。圖4示出了與現有技術相比的本發明的效率曲線。圖fe示出了根據本發明的實施例的具有四分之一波長線的分段放大器。圖恥示出了根據本發明的實施例的具有動態調諧耦合、四分之一波長線和經調節的負載的二進位加權的分段放大器。圖6示出了根據本發明的實施例的不具有四分之一波長線的分段放大器。圖7例示了可在圖6的分段放大器中使用的負載調節(LM)。圖8示出了根據本發明的實施例的示例放大器在放大器段的不同組合下的動態匹配的負載電阻。圖9示出了根據本發明的實施例的相對於輸出幅度的電平歸一化的輸出RF電流。圖10輸出了本發明的實施例的4段放大器的效率。圖11示出了根據本發明的實施例的相對於輸出幅度的電平歸一化的輸出RF電流。圖12示出了根據本發明的實施例的方法的流程圖。
具體實施例方式下面將參考附圖更全面地描述本發明，其中示出了本發明的優選實施例。然而，本發明可以用多種不同的形式來實現，並且不應該解釋為限於此處闡述的實施例；相反，提供這些實施例是為了使得本公開將更加充分和全面，並且將向本領域技術人員完全傳達本發明的範圍。在附圖中，相似的參考符號指代相似的單元。此外，本領域技術人員將明白，下文說明的功能和裝置的控制可以用以下方式來實現使用軟體功能結合編程的微處理器或通用計算機，和/或使用專用集成電路(ASIC)。 還應該明白，儘管當前的發明主要以方法和設備的形式進行描述，但是本發明還可以以電腦程式產品以及包括計算機處理器和耦合到處理器的存儲器在內的系統來實現，其中存儲器中編碼有一個或多個可以完成此處公開的功能的程序。本發明的基本思想在於向分段放大器施加負載調節。這將減小分流損耗，原因是通過允許每個放大器段或者段的組合操作達到它們的最大輸出功率限度而不是局限於較低的輸出功率，降低了分段放大器的損耗，而較低的輸出功率將導致較高的分流損耗。因此，通過動態調節負載，使得有可能在添加更多的段之前操作達到最大限度。因此，首先確定應該連接哪些放大器段。該確定基於要放大的幅度調製信號(即， 具有變化幅度的信號)的幅度或功率電平。利用所確定的放大器段來放大幅度調製信號， 然後對放大的信號施加動態調節的負載，以實現對放大器段的增大的利用率。圖4示出了本發明的效率曲線，以及現有技術的具有四分之一波長線的分段放大器的效率曲線和現有技術的負載調節放大器的效率曲線。從圖4可以看出，通過添加越多和越小的分段，在該情況下效率將在所有輸出電平上接近恆定的高效率。因此，圖4驚人地示出了利用本發明的實施例在低輸出幅度和中輸出幅度處的效率非常高，儘管本發明的實施例是基於在該區域都嚴重受到分流損耗影響的兩種現有技術方法構建的。圖如示出了二進位加權的分段放大器電路501的示意圖，電路501具有三個分段 502，帶有動態調節的負載507和用於利用四分之一波長線將放大器段耦合進該電路的動態調諧電路503。用於放大幅度調製信號504的放大器電路501包括多個分段放大器502 和連接器503，連接器503用於將所述多個分段放大器502互連以用於放大幅度調製信號 504。放大器電路還包括邏輯單元505，邏輯單元505用於確定所述多個分段放大器502中的要用於放大幅度調製信號504的至少一個放大器506。邏輯單元505接收要放大的信號的幅度或功率電平，並且向網絡單元(例如開關或受控電容)輸出控制信號，以控制放大器段的連接或斷開。如上面所述，通過組合分段放大器和負載調節，實現了降低的損耗，由此放大器電路包括連接到多個分段放大器502的負載507。該負載被配置為施加給放大的信號，以及基於放大的信號504的幅度來進行動態調節，以實現對所確定的放大器的增大的利用率。連接器可以包括動態調諧電路509或者開關512，例如SPST。如圖fe中所示，動態調諧電路可以是動態受控的諧振器，適合於在開路和閉路之間交替。此外，無源元件可以是位於多個放大器段之間的、用以連接所確定的放大器段的開關(例如SPST) 512。開關可以適合於在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被連接，而在閉合位置時放大器段被斷開。此外，負載507可以是具有一個或多個受控元件的可變匹配網絡，所述受控元件諸如是連接到諸如天線之類的負載的可變電容511，如圖fe和圖7所示。在匹配網絡中使用的受控元件的其他示例是可變電感以及受控的特性阻抗。圖6示出了二進位加權的分段放大器電路501的示意圖，電路501具有三個分段 502，帶有動態調節的負載507和用於在無四分之一波長線的情況下將放大器段耦合進該電路的動態調諧電路503。動態調諧電路509可以是動態受控的諧振器，適合於在開路和閉路之間交替。此外，無源元件可以是位於多個放大器段之間的、用以連接所確定的放大器段的開關(例如SPST) 512。開關可以適合於在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被連接，而在閉合位置路時放大器段被斷開。在圖如公開的實施例中，針對動態負載匹配和放大器段的切換使用了相同類型的元件(可變調諧電路)。以別的方式，可以使用開關(例如，SPST (單刀單擲))加其他無源元件(諸如開關、電晶體、MEMS、中繼器)來替代可變調諧電路。圖恥示出了針對動態負載匹配和放大器段的切換都使用了可變調諧電容的二進位加權的分段放大器的實施例。放大器輸出處的動態(可變)調諧電路(例如，圖恥中的電容601)工作如下針對非激活的分段，提供到地的RF閉路；以及針對激活的分段，充當開路。針對非激活的分段，可變電容601被調諧為使得串聯諧振器對於RF提供到地的閉路。這樣，放大器段變成非激活的，並且也不應該被驅動，而四分之一波長線602將閉路轉換成另一端(即負載調節器的輸入端)的開路。針對激活的分段，左電容601被調諧為使得串聯諧振在不同於RF的頻率處，以及該電路在RF處提供並聯諧振(或者放大器段的操作類型需要的任何阻抗)。 用於施加負載調節的裝置例如可以如圖7中所示，利用具有一個或兩個受控元件(可變電容)的匹配網絡來實現。其他受控元件的示例是可變電感、受控的特性阻抗和受控的電氣長度。越多的受控的可變元件通常給出越寬的匹配範圍和越好的負載匹配(越小的殘餘電抗)。圖8中示出了示例放大器的相對於輸出幅度的動態調節的負載電阻(從左方向負載調節器內看)。圖9中示出了相對於輸出幅度的總輸出RF電流，其按在每個級別使用的放大器段的組合的最大輸出電流進行了歸一化。在該示例中，在針對增大的幅度設置新的組合之前， 每個分段組合的輸出RF電流使用達到最大值。這也反映在放大器段(電晶體)的輸入側的RF驅動電壓上，原因是輸出電流受到輸入電壓的控制。使得在不同的放大器段配置之間發生切換的幅度點也因此隨著負載調節的施加而發生改變。負載調節降低了每個分段組合的上部範圍中的有源電晶體輸出處的負載電阻，其因此可以用於輸出較高的功率。另一實施例具有四個放大器段，這四個放大器段僅以下述組合進行使用1放大器段(AQ、1AS+2AS、1AS+2AS+3AS、1AS+2AS+3AS+4AS。所述組合近似成指數比例。該示例中的電晶體技術具有較低的分流損耗，但是具有較高的Rds損耗(「三極體區域」中的漏-源電阻)。圖10示出了具有四個放大器段的放大器的效率曲線。圖11示出了相對於輸出幅度的總輸出RF電流，其按在每個級別使用的放大器段的組合的最大輸出電流進行了歸一化。與前一示例相反，此處它並不總是使得較小的段組合達到最大輸出，因此更加高效。根據本發明的實施例，可以使用從放大器段開始的四分之一波長線。使用從放大器段開始的四分之一波長線具有的優點在於負載調節器的調諧範圍對於所有分段組合近似相同。備選方案是使用簡單的分段的並聯。然後設置開關或可變調諧電路，使得它們在激活時將放大器段的輸出與負載調節器的輸入相連接，以及在非激活時斷開連接。上面描述的示例已經涉及完全動態的放大器段。在分段切換或調諧不夠快速時， 可以以較慢的模式(比幅度變換所需的速度慢)來使用本發明的實施例。於是需要一些輸出功率(分段大小)開銷。利用示例系統，到所有激活放大器段的公共的輸入RF信號是可能的。在實踐中， 利用各自優化的信號來驅動有效元件可以增大效率。非激活的分段應該具有低的RF驅動， 或者優選地無RF驅動。使用不止一個負載調節器(例如每個分段一個負載調節器)是可能的，並且可以帶來一些效率益處。然而，在單個負載調節器中使用多個調諧的元件可能產生更多的複雜度的增加。另一備選方案是在放大器輸出處使用動態調諧電路，其某種程度上可以用於「每個分段的負載調節」功能。在不止一個負載調節器的情況下，「較低」的分段的輸出電流可以是在某個幅度點之上保持恆定，隨著幅度高於某個點而逐步增大，或者是減小所涉及的信號的鋸齒的某個其他函數。現在轉到圖12，其示出了根據本發明的實施例的方法的流程圖。在該方法中，在步驟1201a中，基於要放大的信號的幅度來確定要用於放大具有變化幅度的信號的多個放大器段，即至少一個放大器段，以獲得基本上是最佳的放大器效率。因此，在步驟1202，利用所確定的放大器段來放大信號。在步驟1203，根據本發明對放大的信號施加負載，以及在步驟1204中基於放大的信號的幅度來動態調節該負載，以實現對放大器段的增大的利用率， 這意味著放大器段的增大的輸出電壓或電流。根據一個實施例，在步驟1201b中通過多個分段放大器的動態調諧(120 電路連接(即，激活)所確定的放大器段。這種調諧電路的示例是在開路和閉路之間交替的動態受控諧振器。根據另一個實施例，在步驟1201b中，通過在多個分段放大器之間應用開關 (1206)連接(S卩，激活)所確定的放大器段。開關可以在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被連接，而在閉合位置時放大器段被斷開；或者開關可以在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被斷開，而在閉合位置時放大器段被連接。本發明不限於上面描述的優選實施例。可以使用各種備選、修改和等同物。因此， 不應該將上述實施例看作對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種用於放大具有變化幅度的信號的方法，包括步驟基於要放大的信號的幅度來確定(1201a)多個放大器段中的要用於放大所述具有變化幅度的信號的至少一個放大器段，以獲得基本上是最佳的放大器效率， 利用所確定的放大器段來放大(120 所述信號， 其特徵在於還包括步驟 對放大的信號施加(1203)負載，以及基於所述放大的信號的幅度來動態調節(1204)所述負載。
2.根據前一權利要求所述的方法，其中所述放大器段通過四分之一波長線連接到輸出ο
3.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述方法還包括步驟 通過動態調諧(120 電路來處理所確定的放大器段的連接(1201b)。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述動態調諧電路是在開路和閉路之間交替的動態受控諧振器。
5.根據權利要求2所述的方法，其中所述方法還包括步驟通過在所述多個放大器段之間應用(1206)開關來連接(1201b)所確定的放大器段，以及所述開關在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被連接，而在閉合位置時放大器段被斷開。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法還包括步驟通過在所述多個放大器段之間應用(1206)開關來連接(1201b)所確定的放大器段，以及所述開關在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被斷開，而在閉合位置時放大器段被連接。
7.根據前述權利要求1-6中任一項所述的方法，其中所述負載是包括受控元件的匹配網絡，以及通過調諧所述受控元件來實現所述動態調節。
8.根據前一權利要求所述的方法，其中所述受控元件是可變電容。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述受控元件是可變電感。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述受控元件是受控的特性阻抗。
11.根據權利要求7所述的方法，其中所述受控元件是受控的電氣長度。
12.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述分段放大器是二進位加權的分段放大器。
13.一種用於放大具有變化幅度的信號(504)的放大器電路(501)，包括 多個放大器段(502)，連接器(503)，用於將所述多個放大器段(50 互連以用於放大所述具有變化幅度的信號(504)，邏輯單元(505)，用於基於所述信號的幅度或功率電平來確定所述多個放大器段 (502)中的用於放大所述信號(504)的至少一個放大器段(506)， 其特徵在於還包括施加到放大的信號的負載(507)，所述負載連接到所述多個放大器段(502)，其中所述負載被配置為基於所述信號(504)的幅度被動態調節。
14.根據前一權利要求所述的放大器電路(501)，其中所述放大器段通過四分之一波長線(60 連接到輸出。
15.根據權利要求13-14中任一項所述的放大器電路(501)，其中所述連接器包括動態調諧電路(509)，所述動態調諧電路(509)用於連接所確定的放大器段。
16.根據權利要求15所述的放大器電路(501)，其中所述動態調諧電路(509)是適合於在開路和閉路之間交替的動態受控諧振器。
17.根據權利要求14所述的放大器電路(501)，其中所述連接器包括在所述多個放大器段之間的開關(512)，所述開關(512)用於連接所確定的放大器段，其中所述開關適合於在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被連接，而在閉合位置時放大器段被斷開。
18.根據權利要求13所述的放大器電路(501)，其中所述連接器包括在所述多個放大器段之間的開關(512)，所述開關(512)用於連接所確定的放大器段，其中所述開關適合於在開路和閉合位置之間交替，其中在開路時放大器段被斷開，而在閉合位置時放大器段被連接。
19.根據權利要求13-18中任一項所述的放大器電路(501)，其中所述負載(507)是包括受控元件的匹配網絡，以及通過調諧所述受控元件來實現所述動態調節。
20.根據前一權利要求所述的放大器電路(501)，其中所述受控元件是可變電容。
21.根據權利要求19所述的放大器電路(501)，其中所述受控元件是可變電感。
22.根據權利要求19所述的放大器電路(501)，其中所述受控元件是受控的特性阻抗。
23.根據權利要求19所述的放大器電路(501)，其中所述受控元件是受控的電氣長度。
24.根據權利要求13-23中任一項所述的放大器電路(501)，其中所述分段放大器是二進位加權的分段放大器。
全文摘要
本發明涉及放大器電路，在所述放大器電路中向分段放大器施加負載調節器。這將降低分流損耗，原因是通過允許每個放大器段或者段的組合操作達到它們的最大輸出功率限度而不是局限於較低的輸出功率，降低了分段放大器的損耗，而較低的輸出功率將導致較高的分流損耗。因此，通過動態調節負載，使得有可能在添加更多的段之前操作達到最大限度。
文檔編號H03F3/60GK102498662SQ200980161466
公開日2012年6月13日 申請日期2009年9月15日 優先權日2009年9月15日
發明者裡卡德·赫爾貝裡 申請人:瑞典愛立信有限公司