雙頻段雙模式功率放大器的製作方法
2023-05-23 15:20:26 2
專利名稱：雙頻段雙模式功率放大器的製作方法
1.發明領域本發明總的涉及功率放大器，具體地，涉及雙頻段雙模式功率放大器。
2.相關技術描述在美國，聯邦通信委員會(FCC)已經對於把國家劃分成地理服務市場的一個許可方案授予了蜂窩運行許可證。原先獲準的蜂窩許可證是對於800MHz範圍的射頻(RF)塊的。美國的大多數800MHz蜂窩電話系統利用高級行動電話業務(AMPS)模擬空中接口標準。隨後開發和實現了被稱為D-AMPS的用於800MHz的近一代的空中接口標準。D-AMPS標準包括數字和模擬蜂窩通信。因此，在美國現在有運行在800MHz的模擬(AMPS)和數字(D-AMPS)蜂窩電話網。
響應於對於蜂窩業務的增長的要求，在「個人通信服務」或PCS的名義下，開發了多種數字空中接口標準，用於提供話音、數據、傳真、和文本消息的有效的數字通信。
FCC最近拍賣了1900MHz範圍內的頻譜供PCS系統使用。營運的PCS系統，諸如基於GSM TDMA(時分多址)或IS95 CDMA(碼分多址)空中接口標準的系統，現在開始出現在美國。同時，現有的800MHz蜂窩系統繼續在營運。
因此，現在在美國營運的有800MHz的模擬與數字蜂窩系統以及1900MHz的數字PCS系統。希望從運行在800MHz的系統和從運行在1900MHz的系統接收業務的移動用戶必須或者使用能夠工作在蜂窩和800MHz頻段和PCS或1900MHz內的兩個不同的移動收發信機，或者，優選地，使用能夠在兩個頻段上接收和發送信號的一個單個的「雙頻段」移動收發信機。而且，希望通過使用模擬和數字系統來通信的移動用戶還必須或者使用兩個不同的移動收發信機，或者，優選地，使用一個單個「雙模式」收發信機。理想地，移動收發信機能夠雙模式和雙頻段地為用戶提供最大的靈活性和功能性。
然而，出現的問題是，在移動收發信機中使用的功率放大器典型地是對於在特定頻段(即，PCS或AMPS)和特定的模式(即，模擬或數字)下的使用進行最佳化的。這個問題表現在兩個方面阻抗匹配問題和放大器偏置問題。
為了最大的效率，在發射前，放大器的輸出端處的阻抗必須與收發雙工器/同向雙工器的阻抗相匹配。然而，匹配電路的阻抗依賴於工作頻率。因此，對於800MHz的放大器的阻抗匹配最佳化的傳統的匹配電路，通常將不能最佳地匹配於同一個放大器工作在1900MHz時的阻抗。而且，放大器的阻抗依賴於運行模式。因此，對於在AMPS模式下工作在800MHz的放大器的阻抗匹配最佳化的傳統的匹配電路，將不適當地匹配於在D-AMPS模式下工作在800MHz時的同一個放大器的阻抗。
偏置問題是由於放大器的效率依賴於由所採用的調製方法確定的放大器的工作的模式或類別而引起的。典型地，模擬通信系統採用熟知的頻率調製(FM)方法來把模擬信息調製到載波信號上，而數字通信系統採用數字調製方案，諸如π/4 DQPSK(差分四相移位鍵控)調製。使用調頻而發射的信號由被偏置和工作在非線性或飽和模式下的功率放大器最有效地發射。另一方面，使用π/4 DQPSK調製而發射的信號由被偏置和工作在線性模式下的功率放大器最有效地發射。
對於阻抗匹配問題的一個可能的解決辦法是，在放大器的輸出端處為放大器提供分開的切換的高通和低通匹配網絡。然而，開關必須能夠操縱高功率，這勢必需要一個大的、昂貴的開關。而且，在800MHz處的匹配將不可避免地是混合性的匹配，造成模擬模式時效率的損失。
對於阻抗匹配問題的另一個解決辦法是，在提供一個寬帶功率匹配電路，它覆蓋兩個想要的頻段以及在發射頻段具有峰值。然而，當想要的匹配頻率相差倍頻程或更多，以及每個頻段的想要的帶寬相對較窄時，這樣的結構就趨向於浪費帶寬。著名的Fano限制條件表明，當存在有電抗元件(諸如，電晶體的漏極-源極電容)時，對寬帶匹配有一個物理限制。
在具有單個放大器鏈的收發信機中，對於阻抗匹配問題的現有技術的解決辦法通過提供分開的偏壓電平來解決偏置問題，雖然阻抗匹配保持不變。如果單個放大器被使用來放大模擬和數位訊號，則放大器必須被偏置到僅僅滿足線性度要求，而同時保持儘可能大的模擬效率。這樣的安排趨向於低效率。隨著無線電話變得越來越小和電源消耗要求越來越嚴格，這樣的低效率運行是非常不希望的。
所以，在技術上需要功率放大器電路能夠有效地運行在800MHz和1900MHz系統以及運行在模擬和數字系統。這樣的雙頻段、雙模式功率放大器提供對於上述問題的集成的、有效的解決辦法。
發明概要所以，本發明的一個目的是，提供用於射頻收發信機的、能夠在線性或飽和工作模式下有效地放大RF信號的功率放大器電路。
本發明的另一個目的是，提供用於多個頻段或範圍內有效地放大RF信號的功率放大器電路。
本發明的再一個目的是，提供雙頻段、雙模式功率放大器電路，它可以選擇地被設置在用於放大DQPSK調製信號的線性工作模式，以及用於放大調頻信號的飽和工作模式。
在具有用於放大數字調製信號的線性模式放大器和具有用於放大調頻(模擬)信號的飽和(非線性)模式放大器的功率放大器電路中完成了上述的和其它的目的。同向雙工匹配電路被連接到用於阻抗匹配和用於分開D-AMPS(800MHz頻段)和PCS(1900MHz頻段)數位訊號的線性模式放大器。功率阻抗匹配電路被連接到飽和模式放大器的輸出端。
放大器電路包括用於分別響應於無線電話的數字和模擬模式，選擇地設置放大器電路為線性模式或飽和模式的裝置。在線性或數字模式下，線性放大器被偏置在接通狀態，飽和模式放大器可被偏置關斷狀態。同樣地，在飽和或模擬工作模式下，飽和模式放大器被偏置在接通狀態，以及線性放大器可被偏置在關斷狀態。
放大器電路可包括當放大器電路可分別選擇地被設置成線性模式或飽和模式時，用於把第一雙工匹配電路輸出端或低通匹配電路輸出端選擇地連接到輸出線的裝置。
當結合附圖閱讀時，從以下的詳細說明將明白本發明的這些和其它目的，以及本發明的特性和優點，其中相同的數字是指相同的單元。
附圖簡述
圖1是本發明的實施例的示意圖。
圖2是圖1所示的雙工功率匹配電路的示意圖。
圖3是圖1所示的雙工功率匹配電路的另一個實施例的示意圖。
圖4是本發明的另一個實施例的示意圖。
優選實施例詳細描述現在將參照附圖描述本發明，圖上顯示了本發明的優選實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，以及不應當認為它限制於所顯示的具體實施例。相反，提供優選實施例以使得本揭示內容是透徹的和完全的，以及將充分傳達本發明的範圍給本領域技術人員。
現在參照圖1，按照本發明的一個實施例的雙模式、雙頻段放大器電路，總的用參考數字100表示。放大器電路100有利地被包括在無線電話(未示出)的發射機或收發信機中，它用於放大在兩個不同的頻段內的模擬和數位訊號，由此為無線電話提供了雙頻段。雙模式功能。放大器電路100包括被連接到模式選擇開關104的RF輸入埠102。根據無線電話工作在數字模式還是模擬模式，模式選擇開關104的設置將使得輸入RF信號被發送到數字路徑106，或模擬路徑108。模式選擇開關104的位置被來自無線電話內的微處理器(未示出)的模式控制信號控制。由微處理器提供的控制信號被使用來選擇地設置放大器電路100為線性工作模式或飽和(非線性)工作模式。
數字路徑106包括線性放大器110，它有效地放大通過使用DQPSK調製方法調製的信號。線性放大器110的輸出被連接到雙工匹配電路130，它有效地分離1900MHz信號與800MHz信號，而同時提供在兩個頻段內對於線性放大器110的阻抗匹配。下面更詳細地描述雙工匹配電路130的結構和功能。
雙工匹配電路130具有1900MHz輸出端134和800MHz輸出端136。1900MHz輸出端經過路徑139連接到雙工器170，它把1900MHz輸出信號連接到天線180。
模擬路徑108包括有效地放大調頻信號的非線性放大器120。非線性放大器120的輸出端被連接到匹配電路140，它為非線性放大器120提供50-歐姆阻抗匹配。匹配電路140也幫助壓縮會反饋到1900MHz路徑139的諧波分量。在RF功率放大器中使用的匹配電路在技術上是熟知的。
由於分別提供了分開的線性和非線性放大器110、120，非線性放大器可以以深度飽和的C類放大器或以切換模式的E類放大器來運行。先前的解決辦法是其中使用單個放大器用於線性放大和非線性放大，它要求放大器被偏置(以AB類)僅僅滿足線性要求而保持儘可能大的非線性效率。結果是混合性的匹配，它對於線性放大和非線性放大都不是最優化的。本發明克服了這個限制，而同時提供能夠有力地和高效率地放大不同頻段的信號的放大器電路。
在線路145上的匹配電路140的輸出和在線路138上的雙工匹配電路130的800MHz的輸出被提供給高功率開關150。高功率開關150根據蜂窩電話是工作在數字模式還是模擬模式，通過線路161連接雙工匹配電路130的800MHz的輸出(相應於數字800MHz信號)或匹配電路140的輸出(相應於模擬800MHz信號)到收發雙工器160。通過模式選擇開關104，高功率開關150被來自無線電話的微處理器的模式控制信號控制。此外，高功率開關150為線性放大器110提供隔離，這樣阻止線性放大器110被非線性放大器120和匹配電路140加載。
在本申請中，術語「收發雙工器(duplexer)」和「同向雙工器(diplexer)」都是指三埠、頻率選擇性分路器。收發雙工器被使用來使得RF收發信機使用共同的天線在靠近的相鄰頻率上同時發送和接收，而同向雙工器是把輸入信號分離成高頻段或低頻段信號。
用於線性放大器110和非線性放大器120的直流(DC)偏置，根據蜂窩電話的想要的工作模式(即，數字或模擬)，通過切換Vcc輸入116，126接通或關斷而提供的。
收發雙工器160是傳統的被設計來允許在800MHz的全雙工運行的雙工器。收發雙工器160把800MHz信號連接到同向雙工器170，它又把信號連接到天線180進行發射。
圖2所示的實施例特別適合於以半雙工運行在1900MHz的TDMA收發信機使用。然而，該電路可以通過在路徑139上提供附加的收發雙工器以允許以全雙工運行在1900MHz，而很容易地適合於CDMA收發信機使用。
圖2顯示了同向雙工匹配電路130的一個實施例。同向雙工匹配電路130的功能是為線性放大器110提供對於800MHz信號和1900MHz信號的50-歐姆阻抗匹配，而阻止800MHz信號裝載1900MHz路徑210，以及反之亦然。為了達到想要的結果，提供了阻抗匹配電路230，具有輸入埠205，800MHz(或AMPS頻段)路徑220，和1900MHz(或PCS頻段)路徑210。AMPS頻段路徑220包括低通LC匹配電路222和模式選擇開關225，它優選地包括PIN二極體開關。模式選擇開關225響應於來自無線電話的微處理器的模式控制信號，當蜂窩電話運行在數字AMPS模式時，它被閉合，否則，它被斷開。這樣，當運行在PCS模式時，1900MHz信號在AMPS頻段路徑220上將被大大地衰減，以及AMPS頻段匹配電路222將不裝載PCS頻段路徑210。
PCS頻段路徑210包括高通LC匹配電路212和第二模式選擇開關215。第二模式選擇開關215響應於模式控制信號，當蜂窩電話運行在數字PCS模式時，它被閉合，否則，它被斷開。這樣，當運行在AMPS模式時，800MHz信號將不被發送到PCS頻段路徑210上，以及PCS頻段匹配電路212將不裝載AMPS頻段路徑220。
同向雙工匹配電路130的第二實施例在圖3上被顯示為同向雙工匹配電路330。同向雙工匹配電路330與圖2所示的同向雙工匹配電路達到同樣的結果，但它不需要提供模式選擇開關215，225。同向雙工匹配電路330包括RF輸入埠305，AMPS頻段路徑320，和PCS頻段路徑310。AMPS頻段路徑320包括濾波/匹配電路322，它在AMPS頻段提供到線性放大器130(圖1)的50-歐姆阻抗匹配，而在PCS頻段呈現帶阻零點。同樣地，PCS頻段路徑310包括濾波/匹配電路312，它在PCS頻段提供到線性放大器130(圖1)的50-歐姆阻抗匹配，而在AMPS頻段呈現帶阻零點。
Ronald Boesch和Kevin Conroy，發明人，在1997年7月3日提交的、並委託給本發明的代理人的、共同待決的美國專利申請序列號No.＿＿＿＿，題目為「Impedance Matching Circuit for PowerAmplifier(用於功率放大器的阻抗匹配電路)」中描述了同向雙工匹配電路330的結構和運行，包括其替換實施例和附加特性，該專利申請整體地在此引用，以供參考。
本發明的放大器電路的第二實施例在圖4上被顯示為放大器電路400。正如放大器電路100那樣，放大器電路400包括RF輸入埠102，模式選擇開關104，包含線性放大器110和收發雙工匹配電路130的數字路徑106，以及包括非線性放大器120和低通匹配電路140的模擬路徑108。收發雙工匹配電路130的1900MHz(PCS頻段)輸出被連接到同向雙工器170，它把RF信號連接到天線180進行發送。
在放大器電路400中，從低通匹配電路140輸出的800MHz頻段信號和同向雙工匹配電路130的800MHz輸出信號被提供給連接網絡450。連接網絡450包括第一節點451和第二節點452。同向雙工匹配電路130的800MHz輸出信號通過線路138被連接到第一節點451。低通匹配電路140的輸出信號通過線路145被連接到第二節點452。電容C1被連接在第一節點451與地之間，而電容C2被連接在第二節點452與地之間。電感L1通過模式選擇開關456被連接在第一節點451與線性Vcc電源453之間，而電感L2通過模式選擇開關457被連接在第一節點452與非線性Vcc電源454之間。當模式選擇開關457閉合時，電感L2和電容C2形成並聯諧振電路，它對於諧波只起到RF接地的作用。
連接網絡450包括第三節點455，它通過DC阻塞電容C3被連接到第一節點451，以及通過DC阻塞電容C4被連接到第二節點452。第三節點455通過輸出線路161被連接到收發雙工器160的輸入端，該收發雙工器是在上面結合圖1所示的實施例描述的。
連接網絡455運行為如下。當蜂窩電話工作在數字模式時，線性放大器110如上所述地被偏置在具體狀態。開關456被閉合，開關457被打開，把電感L2切換出連接網絡455。然後，並聯電容C2把第二節點452處的輸出阻抗變換成幾乎開路，由此，減小了加到線性放大器110上的負載。這在線性放大器110包括GaAs HBT(砷化鎵異質結雙極性電晶體)時是特別正確的。電感L1和電容C1形成並聯諧振電路，它短路了由線性放大器110產生的諧波能量，從而提高了放大器的效率。
當蜂窩電話工作在模擬模式時，偏置方案被顛倒過來。即，電感L1被切換出連接網絡450，以及電感L2和電容C2形成並聯諧振電路，電容C1把HBT的輸出阻抗變換成在第一節點451處幾乎開路。
雖然已經對於本發明的優選實施例描述了本發明，但本領域技術人員將認識到，本發明並不限於這裡所描述和顯示的具體實施例。通過上述的說明和附圖，將會明白或合理地提出除了這裡所描述和顯示的以外的不同實施例和調整方案以及許多變例，修改和等價的安排，而不背離本發明的實質或範圍。因此，本發明只是由附屬權利要求的精神和範圍所限制。
權利要求
1.用於放大RF信號的功率放大器電路，所述功率放大器電路可選擇地運行在線性模式或非線性模式，包括第一放大器；第二放大器；被連接到所述第一放大器的同向雙工匹配電路，所述同向雙工匹配電路具有第一和第二輸出端；以及切換電路，被連接到所述同向雙工匹配電路的第一輸出端和所述低通匹配電路的輸出端，當所述放大器電路被選擇地設置為分別是所述線性模式或所述非線性模式時，用於把所述第一同向雙工匹配電路輸出或所述低通匹配電路輸出選擇地連接到輸出線路上。
2.如權利要求1所述的功率放大器電路，其特徵在於，還包括RF輸入埠；以及被連接到所述RF輸入埠的模式選擇開關，其中當所述功率放大器電路處在所述線性模式時，在所述RF輸入埠處接收的RF輸入信號被連接到所述第一放大器的輸入端；其中當所述功率放大器電路處在所述非線性模式時，在所述RF輸入埠處接收的RF輸入信號被連接到所述第二放大器的輸入端。
3.如權利要求1所述的功率放大器電路，其特徵在於，還包括同向雙工器，被連接到所述同向雙工匹配電路的所述第二輸出端；收發雙工器，被連接到所述輸出線路和所述同向雙工器；以及天線，被連接到所述同向雙工器。
4.如權利要求1所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述同向雙工匹配電路包括輸入埠；第一信號路徑，用於把第一頻段中的RF信號連接到所述第一輸出埠；以及第二信號路徑，用於把第二頻段中的RF信號連接到所述第二輸出埠；其中所述第一信號路徑包括用於匹配在所述第一頻段時所述第一放大器的阻抗的裝置，以及用於阻止所述第二頻段的信號發送到所述第一輸出埠的裝置。
5.如權利要求4所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述第二信號路徑包括用於匹配在所述第二頻段時所述第一放大器的阻抗的裝置，以及用於阻止所述第一頻段的信號發送到所述第一輸出埠的裝置。
6.如權利要求4所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述用於阻止的裝置包括PIN二極體。
7.如權利要求4所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述用於阻止的裝置包括一個電路，被調諧來對於所述第二頻段中的信號呈現帶阻零點。
8.如權利要求1所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述切換電路包括高功率開關。
9.如權利要求1所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述切換電路包括連接網絡裝置。
10.如權利要求1所述的功率放大器電路，其特徵在於，其中所述第一放大器是線性放大器以及所述第二放大器是非線性放大器。
11.用於放大RF信號的功率放大器電路，包括第一放大器；第二放大器；被連接到所述第一放大器的同向雙工匹配電路，所述同向雙工匹配電路具有第一和第二輸出端；被連接到所述第二放大器的輸出端的低通匹配電路；用於選擇地設置所述功率放大器電路為數字工作模式或模擬工作模式的裝置，其中當所述放大器電路被選擇地設置在所述數字工作模式時，所述第一放大器被偏置為運行在線性模式，以及當所述放大器電路被選擇地設置在所述模擬工作模式時，所述第二放大器被偏置為運行在非線性模式；以及裝置，被連接到所述同向雙工匹配電路的第一輸出端和所述低通匹配電路的輸出端，當所述放大器電路被選擇地設置為分別是所述數字模式或所述模擬模式時，用於把所述第一同向雙工匹配電路輸出或所述低通匹配電路輸出選擇地連接到輸出線路上。
12.能運行在多種模式下接收和發送在多個頻段中的RF信號的蜂窩電話，包括第一放大器；第二放大器；被連接到所述第一放大器的同向雙工匹配電路，所述同向雙工匹配電路具有第一和第二輸出端；被連接到所述第二放大器的輸出端的低通匹配電路；用於選擇地設置所述功率放大器電路為數字工作模式或模擬工作模式的裝置，其中當所述放大器電路被選擇地設置在所述數字工作模式時，所述第一放大器被偏置為運行在線性模式，以及當所述放大器電路被選擇地設置在所述模擬工作模式時，所述第二放大器被偏置為運行在非線性模式；以及裝置，被連接到所述同向雙工匹配電路的第一輸出端和所述低通匹配電路的輸出端，當所述放大器電路被選擇地設置為分別是所述數字模式或所述模擬模式時，用於把所述第一同向雙工匹配電路輸出或所述低通匹配電路輸出選擇地連接到輸出線路上。
全文摘要
用於射頻收發信機的功率放大器電路具有線性模式放大器和飽和(非線性)模式放大器,被連接到線性模式放大器、用於阻抗匹配和用於分開在多個頻段中發送的信號的同向雙工匹配電路,被連接到飽和模式放大器的低通匹配電路,以及用於把功率放大器電路選擇地設置為線性模式或飽和模式的裝置,分別相應於蜂窩無線電話的運行的數字和模擬模式,在線性或數字模式下,線性放大器被偏置為接通狀態以及飽和模式放大器可被偏置為斷開狀態。同樣地,在飽和或模擬模式下,飽和模式放大器被偏置為接通狀態以及線性放大器可被偏置為斷開狀態。放大器電路可包括開關或電路,被連接到同向雙工匹配電路的輸出端和低通匹配電路的輸出端,當放大器電路被分別設置成線性模式或飽和模式時,用於把第一同向雙工匹配電路輸出或低通匹配電路輸出選擇地連接到輸出線路上。
文檔編號H04B1/04GK1272247SQ98809629
公開日2000年11月1日 申請日期1998年9月2日 優先權日1997年9月29日
發明者R·C·梅多斯 申請人:艾利森公司