CN100452663C

CN100452663C - 发送装置、发送功率控制方法、以及无线电通信装置

Info

Publication number: CN100452663C
Application number: CNB2004800228046A
Authority: CN
Inventors: 荒屋敷护; 原义博; 宇田川昌治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: US20080153438A1; JP2005064662A; EP1667330A1; CN1833367A; WO2005015757A1; JP3874747B2

Abstract

提供了具有较好功率效率与发送输出功率的宽控制范围的发送装置以及发送功率控制方法、以及利用该发送装置的无线电通信装置。在高功率输出期间，将高频功率放大器(5)操作为非线性放大器，由此提高发送信号的功率放大期间的功率效率。另外，在低功率输出期间，将高频功率放大器(5)操作为线性放大器，由此获得发送输出功率的宽控制范围。另外，当高频功率放大器(5)操作为非线性放大器时，由可变增益放大器(7)根据发送信号的平均输出功率而改变高频功率放大器(5)的输入电平，由此减少泄漏功率，并且获得发送输出功率的宽控制范围。

Description

发送装置、发送功率控制方法、以及无线电通信装置

技术领域

本发明涉及对发送信号进行功率放大的发送设备和发送功率控制方法、以及利用该发送设备的无线电通信设备。

背景技术

在用来放大包含包络变化分量的调制信号的常规高频功率放大器中，A类或AB类线性放大器已被用于线性放大包络变化分量。此类线性放大器具有优良的线性，但是在功率效率方面低于C类或E类非线性放大器，这是因为线性放大器总是消耗伴随直流偏流分量的功率。为此，当此类高频功率放大器用于电池供电的便携式无线电设备时，就会出现以下情况：由于高频功率放大器消耗大量功率，会缩短使用的小时数。另外，当此类高频功率放大器用于具有多个高功率发送设备的无线电系统的基站装备时，就会出现以下情况：该基站装备导致尺寸与热量的增加。

因此，图5显示了作为高效率发送设备提出的利用极化调制的发送设备。如图5所示，该发送设备具有振幅/相位分离部件21、调幅信号放大器22、频率合成器23、以及非线性放大器的高频功率放大器24。

基带调制信号200输入到振幅/相位分离部件21，基带调幅信号201从振幅/相位分离部件21输入到调幅信号放大器22，基带调相信号202从振幅/相位分离部件21输入到频率合成器23，高频调相信号203从频率合成器23输入到高频功率放大器24，并且发送输出信号204从高频功率放大器24输出。

接着，将描述该发送设备的操作。首先，假定基带调制信号200为Si(t)，其由等式(1)表示。

其中，a(t)为振幅数据，

为相位数据。振幅数据a(t)与相位数据

由振幅/相位分离部件21提取。此处，振幅数据a(t)对应于基带调幅信号201，而相位数据对应于基带调相信号202。振幅数据a(t)由调幅信号放大器22放大，并且被施加到高频功率放大器24。由此，高频功率放大器24的电源电压根据振幅数据a(t)而设置。

频率合成器23产生通过用相位数据

调制载波角频率ωc而获得的高频调相信号203，并且该高频调相信号203被输入到高频功率放大器24。此处，假定高频调相信号203为信号Sc，其由等式(2)表示。

通过将非线性放大器用于高频功率放大器24，通过放大信号而产生的发送输出信号204从高频功率放大器24输出，该信号通过以下获得：将频率合成器23的输出信号乘以高频功率放大器24的电源电压a(t)并乘以高频功率放大器24的增益G。此处，假定发送输出信号204为RF信号Srf，其由等式(3)表示。

因为输入到高频功率放大器24的信号是在振幅方向上不具有变化分量的调相信号，所以其成为恒定包络信号。因此，高效率的非线性放大器可以用作高频功率放大器24，从而可以提供高效率的发送设备。利用此类极化调制的技术在(例如)专利文件1或专利文件2中进行了描述。

[专利文件1]日本专利号3207153的说明书。

[专利文件2]日本未审专利公开号2001-156554。

然而，在上述常规发送设备中，在控制高频功率放大器24的输出功率的情况下，输出信号不会相对于输入信号而线性改变，这是因为高频功率放大器24是非线性放大器。因此，还需要通过以与振幅调制相同的方式改变电源电压来进行输出功率控制。在这种情况下，就会出现以下情况：晶体管的运行极限(operation limits)将输出功率的控制范围限制为泄漏功率或电源电压。

已参照上述常规情况而作出了本发明。本发明的目的在于提供可以提供良好功率效率以及发送输出功率的宽控制范围的发送设备与发送功率控制方法、以及使用该发送设备的无线电通信设备。

发明内容

本发明的发送设备是一种对发送信号进行功率放大并且将其输出的发送设备，该设备包含具有高频功率放大器的发送功率放大部件，其中该发送功率放大部件具有将高频功率放大器操作为非线性放大器的第一模式、以及将高频功率放大器操作为线性放大器的第二模式，并且在第一模式下，该发送功率放大部件对发送信号进行振幅调制，并且通过高频功率放大器的电源电压控制发送信号的平均输出功率电平，而在第二模式下，该发送功率放大部件在高频功率放大器之前控制发送信号的平均输出功率电平，并且对平均输出电平得到控制的发送信号进行振幅调制。

利用这种构造，在第一模式下，例如，在输出高功率时，通过将高频功率放大器操作为非线性放大器，就可以大大增加功率效率，并且在第二模式下，例如，在输出低功率时，通过将高频功率放大器操作为线性放大器，就可以在宽范围上控制发送输出功率，并且可以非常高效地利用一个放大器，并且大大增加功率效率。

另外，在本发明的发送设备中，发送功率放大部件具有安排在高频功率放大器之前的乘法器、以及安排在该乘法器之前的可变增益放大器，并且在第二模式下，该发送功率放大部件通过该乘法器对发送信号进行振幅调制，并且通过该可变增益放大器控制发送信号的平均输出功率电平。

利用这种构造，在第二模式下，高频功率放大器操作为线性放大器，并且因此其电源电压恒定，并且高频功率放大器不能对发送信号进行振幅调制，并且不能控制发送信号的平均输出电平。因此，安排在高频功率放大器之前的乘法器对发送信号进行振幅调制，并且安排在该乘法器之前的可变增益放大器控制发送信号的平均输出电平，以使高频功率放大器操作为线性放大器。由此，就可以在宽范围上控制发送输出功率。

另外，在第一模式下，本发明的发送设备根据发送信号的平均输出功率而改变高频功率放大器的输入电平。

利用该构造，高频功率放大器的输入电平根据发送信号的平均输出功率而变化，从而当高频功率放大器操作为非线性放大器时，可以减少泄漏功率，并且可以扩展电源电压对发送功率的控制范围。

另外，在第一模式下，本发明的发送设备根据发送信号的瞬时输出功率而改变高频功率放大器的输入电平。

利用该构造，高频功率放大器的输入电平根据发送信号的瞬时输出功率而变化，从而可以跟随电平的瞬时变化，减少泄漏功率，并且由此提高电平瞬时变化的重复率(recurrence)。

另外，根据本发明的控制发送功率的方法是一种当发送信号由高频功率放大器功率放大并且输出时控制发送功率的方法，该方法包含以下步骤：在第一模式下，将高频功率放大器操作为非线性放大器，以对发送信号进行振幅调制，并且通过高频功率放大器的电源电压控制发送信号的平均输出电平；以及在第二模式下，将高频功率放大器操作为线性放大器，以在高频功率放大器之前控制发送信号的平均输出电平，并且对平均输出电平得到控制的发送信号进行振幅调制。

利用该构造，可以在将高频功率放大器操作为非线性放大器的第一模式下，大大提高功率效率，并且在第一模式下以及在将高频功率放大器操作为线性放大器的第二模式下，在宽范围上控制发送输出功率。

另外，本发明的无线电通信设备是一种用于通过无线电发送来自天线的发送信号的无线电通信设备，该无线电通信设备具有以下构造：发送信号由所述发送设备进行功率放大，并且被输出到天线。

利用该构造，在第一模式下，发送设备的功率效率高，并且因此可以延长安装在该设备中的电池电源的使用周期，并且可以减少发送设备中的高频功率放大器的尺寸，从而可以进一步减少无线电通信设备的尺寸。

根据依照本发明的发送设备、控制发送功率的方法、以及无线电通信设备，就可以使得功率效率良好，并且扩展发送输出功率的控制范围。

附图说明

图1为显示本发明第一实施例中的发送设备的一般构造的方框图。

图2为显示当图1所示高频功率放大器用作非线性放大器时的电路构造的方框图。

图3为用来解释当图1所示高频功率放大器被用作非线性放大器时的操作的图示。

图4为显示本发明第二实施例中的无线电通信设备的发送系统的一般构造的方框图。

图5为显示常规发送设备的构造例子的方框图。

此处，图中的附图标记1表示振幅/相位分离部件，2与8表示乘法器，3与10表示开关，4和22表示调幅信号放大器，5表示高频功率放大器，6和23表示频率合成器，7表示可变增益放大器，9表示下限限制电路，11表示加法器，12表示发送/接收选择器开关，而13表示天线。

具体实施方式

(第一实施例)

图1为显示用来描述本发明实施例的发送设备的一般构造的方框图。如图1所示，该实施例的发送设备包含：振幅/相位分离部件1，其将基带调制信号100分离为基带调幅信号101与基带调相信号102；乘法器2，其将基带调幅信号101乘以增益控制信号105；开关3，其根据模式切换信号106而切换；调幅信号放大器4，其为高频功率放大器5提供电源电压；高频功率放大器5，其放大来自乘法器8的输入信号的功率，并且输出发送输出信号104；频率合成器6，其利用基带调相信号102对载波信号进行相位调制，以产生高频调相信号103；可变增益放大器7，其调整高频调相信号103的信号电平；乘法器8，其将可变增益放大器7的输出乘以基带调幅信号101；下限限制电路9，其限制基带调幅信号101的振幅变化的下限；开关10，其由模式切换信号106而切换；以及加法器11，其将增益偏置信号108与基带调幅信号101相加。

现在描述以上述方式构造的发送设备的操作。在图1中，例如根据来自无线电基站的为发送设备指定的发送功率的电平、或者基于发送设备的接收信号的状态的发送功率电平，而确定高频功率放大器5的操作模式。当发送输出信号104的电平为高时，从功率效率的角度，希望以下工作模式：其中高频功率放大器5成为非线性放大器。在另一方面，当发送输出信号104的电平为低、并且因此其中高频功率放大器5可以工作为非线性放大器的工作模式越界(out of range)时，必须使高频功率放大器5工作为线性放大器。根据发送功率的希望电平以及高频功率放大器5的特性，而设置模式切换信号106。此处，输入到发送设备的增益控制信号105、模式切换信号106、DC电压107、以及增益偏置信号108由控制部分(未显示)设置。该控制部分可以在该发送设备自身中提供。另外，当该发送设备安装在无线电通信设备等等之中时，其可以与控制无线电通信设备的操作的控制部分共享使用。

首先，将描述以下情况：图1所示高频功率放大器5的发送输出信号104的电平相对较高。在这种情况下，在切换工作区的饱和工作区中，高频功率放大器5操作为非线性放大器。基带调制信号100由振幅/相位分离部件1分离为基带调幅信号101与基带调相信号102。

基带调幅信号101由乘法器2乘以增益控制信号105，并且被输入到开关3的终端a。当发送输出信号由高频功率放大器5进行振幅调制(发送输出信号的电平相对较高)时，通过模式切换信号106将开关3的终端a与c相互连接。从开关3的终端c输出的基带调幅信号101与增益控制信号105的乘积由调幅信号放大器4放大，并且作为高频功率放大器5的电源电压而被施加到高频功率放大器5，并且由高频功率放大器5进行振幅调制。

此处，为了根据基带调幅信号101的电平而高效率地改变电源电压，优选地使用由调幅信号放大器4的带宽显示振幅信息的D类放大器。

在另一方面，基带调相信号102被输入到频率合成器6。频率合成器6利用基带调相信号102对载波信号进行相位调制，以产生并且输出高频调相信号103。该高频调相信号103由可变增益放大器7根据增益控制信号109进行放大(或衰减)，并然后被输出到乘法器8。

此处，通过由加法器11将增益偏置信号108与增益控制信号105相加，而获得输入到可变增益放大器7的增益控制信号109。设置增益偏置信号108，使得可变增益放大器7将高频调相信号103调整为适合于在饱和工作区中或者在切换工作区中将高频功率放大器5操作为非线性放大器的电平。

当发送输出信号的电平相对较高时，通过模式切换信号106将开关10的终端a与c相互连接。为此，通过开关10，将由下限限制电路9限制基带调幅信号101的振幅变化的下限的信号输出到乘法器8。

由此，通过以下步骤获得的信号成为调相信号：由乘法器8将可变增益放大器7的输出乘以限制基带调幅信号101的振幅变化的下限的信号。从乘法器8输出的调相信号被输入到高频功率放大器5，并且被乘以调幅信号，然后被输出为发送输出信号104。

图2显示当高频功率放大器5被用作非线性放大器时的电路构造，而图3为解释当高频功率放大器5被用作非线性放大器时的操作的图示。如图2所示，高频功率放大器5具有包含非线性放大器50、并且在其输入侧与输出侧之间连接有寄生电容51的构造。图3显示电源电压与非线性放大器50的输出功率之间的关系。如图3所示，在非线性放大器50中，输出功率与电源电压的平方成正比。此处，泄漏功率的振幅由寄生电容51以及非线性放大器50的输入信号的电平(乘法器8的输出信号的电平)确定。

此处，考虑到未提供可变增益放大器7与乘法器8的情况，频率合成器6的输出近乎恒定，因此泄漏功率也变为恒定。在这种情况下，为了减少发送输出信号104的电平，应该减少非线性放大器50的电源电压，但是非线性放大器50的电源电压由泄漏功率限制，因此不能被减少到低于预定值的电平。

在另一方面，在该实施例中，可变增益放大器7的增益由增益控制信号109控制，以控制输入到高频功率放大器5的调相信号的电平，由此可以减少泄漏功率。因此，在高频功率放大器5中，可以扩展电源电压对输出功率的控制范围。借助这种方式，通过根据用于设置调幅信号的平均输出的增益控制信号105放大基带调相信号，就可以使可变增益放大器7的调相信号的电平跟随调幅信号的平均功率，即可以根据平均输出功率控制高频功率放大器5的输入。

另外，通过由乘法器8将可变增益放大器7的输出信号乘以基带调幅信号101，高频功率放大器5的输入电平跟随振幅变化信号电平的瞬时变化，并且泄漏功率也会减少，从而可以提高该电平的瞬时变化的重复率。即，可以根据瞬时输出功率而控制高频功率放大器5的输入。

此处，当高频功率放大器5的输入电平减少太多时，高频功率放大器5超出饱和工作区或切换工作区，并且因此对于电源电压变化的线性恶化。因此，由下限限制电路9将高频功率放大器5的输入电平保持高于预定电平。在这一方面，因为只需乘法器8根据振幅变化减少泄漏功率而不用将发送输出信号104乘以调幅信号，所以即使在乘法器8中限制电平瞬时变化的低电平侧，也没有问题。

接着，将描述发送输出信号104的电平相对较低的情况。在这种情况下，高频功率放大器5操作为线性放大器，其中输出与输入成线性关系。首先，通过模式切换信号106将开关3的终端b与c相互连接。由此，DC电压107通过开关3从调幅信号放大器4输入，并且调幅信号放大器4施加恒定电源电压到高频功率放大器5。

在另一方面，基带调相信号102被输入到频率合成器6，并且频率合成器6将通过利用基带调相信号102对载波信号进行调制而获得的高频调相信号103输出到可变增益放大器7。高频调相信号103由可变增益放大器7根据增益控制信号109进行放大(或衰减)，并且被输入到乘法器8。此时，增益偏置信号108被设置为零。因此，增益控制信号105(＝增益控制信号109)通过加法器11而被输入到可变增益放大器7。

另外，在这种情况下，通过模式切换信号106将开关10的终端b与c相互连接。因此，通过开关10，将基带调幅信号101输入到乘法器8。乘法器8用基带调幅信号101乘以由可变增益放大器7放大的高频调相信号103。高频功率放大器5线性放大乘法器8的输出，并且输出该发送输出信号104。

通过这种方式，即使当发送输出信号的电平为低、并且高频功率放大器5可能超出饱和工作区或切换工作区时，即，即使当存在高频功率放大器5的输出功率对于电源电压变化的线性恶化的可能性时，通过将高频功率放大器5操作为线性放大器，高频功率放大器5也可以保持输出信号对于输入信号的线性，并且可以扩展输出功率控制范围。

根据本发明的实施例，当发送输出信号的电平相对较高时，将高频功率放大器5用作为非线性放大器，以调制发送信号的振幅，并且通过施加到高频功率放大器5的电源电压控制其平均输出电平；而当发送输出信号的电平相对较低时，将高频功率放大器5用作为线性放大器，并且在高频功率放大器5之前提供的乘法器8调制发送信号的振幅，而在乘法器8之前提供的可变增益放大器7控制其平均输出电平。由此，可以在宽范围上控制发送输出信号的电平。

另外，当发送功率大时，将高频功率放大器5操作为非线性放大器，并且因此可以提高功率效率。

另外，当高频功率放大器5操作为非线性放大器时，如果可变增益放大器7的增益由增益控制信号109控制以改变高频调相信号103的电平，则会减少泄漏功率，从而可以扩展电源电压对输出功率的控制范围。

另外，当乘法器8将高频调相信号103乘以基带调幅信号101时，高频功率放大器5的输入电平跟随基带调幅信号101的电平的瞬时变化，并且也会减少泄漏功率，从而可以提高电平瞬时变化的重复率。

图4为显示具有图1所述实施例的发送设备的无线电通信设备的发送系统的一般构造的方框图。此处，该无线电通信设备包含(例如)便携式无线电终端设备(例如移动电话或具有通信功能的个人数字助理)、无线电基站等等。此处，在图4所示的例子中，显示了将该实施例的发送设备用于便携式无线电终端设备的情况。该便携式无线电终端设备在第一实施例中显示的高频功率放大器5的输出侧具有发送/接收选择器开关12以及天线13。

接着，将描述图4所示的便携式无线电终端设备的操作。在发送时，高频功率放大器5经由发送/接收选择器开关12从天线13辐射经功率放大的发送功率信号104。在另一方面，在接收时，经由发送/接收选择器开关12从天线13向接收部分(未显示)输入接收信号。

根据该实施例的便携式无线电终端设备，高频功率放大器5在输出高功率时操作为非线性放大器，以提高功率效率，从而防止电池消耗，由此可延长使用的小时数。另外，高频功率放大器5在功率效率方面得到改进，因此可以减少尺寸与热量。因此，可以减小安装有高频功率放大器5的无线电通信设备的尺寸。

另外，如果将本发明用于安装有多个高功率发送设备的无线电系统的基站装备，则当高频功率放大器输出高输出功率时功率效率得到提高，并且因此高频功率放大器可以减少尺寸与热量，从而可以防止该装备尺寸增大，并且因此减少安装空间。

在这一方面，本发明不限于以上实施例，而在不脱离本发明精神的前提下，也可以以特定构造、功能、操作、以及效果实现其他各种实施例。

虽然已经参照特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解：在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神与范围的前提下可以进行各种替换与修改。

本申请基于2003年8月8日提交的日本专利申请号2003-289893，其内容由此通过引用而融入本申请。

工业实用性

本发明产生以下效果：产生良好的功率效率，并且在宽范围上控制发送输出功率，因此本发明可以用于诸如移动电话或个人数字助理等便携式终端设备、以及无线电基站等等的无线电通信设备等等。

Claims

1.一种对发送信号进行功率放大的发送设备，该设备包含具有高频功率放大器的发送功率放大部件，其中该发送功率放大部件具有将高频功率放大器操作为非线性放大器的第一模式、以及将高频功率放大器操作为线性放大器的第二模式，并且在第一模式中，该发送功率放大部件对发送信号进行振幅调制，并且通过高频功率放大器的电源电压控制发送信号的平均输出电平，在第二模式中，该发送功率放大部件在高频功率放大器之前控制发送信号的平均输出电平，并且对平均输出电平得到控制的发送信号进行振幅调制。

2.如权利要求1所述的发送设备，其中该发送功率放大部件具有安排在高频功率放大器之前的乘法器、以及安排在该乘法器之前的可变增益放大器，并且在第二模式中，该发送功率放大部件通过该乘法器调制发送信号，并且通过该可变增益放大器控制发送信号的平均输出电平。

3.如权利要求1所述的发送设备，其中在第一模式下，高频功率放大器的输入电平根据发送信号的平均输出功率而变化。

4.如权利要求1所述的发送设备，其中在第一模式下，高频功率放大器的输入电平根据发送信号的瞬时输出功率而变化。

5.一种当发送信号由高频功率放大器功率放大并输出时控制发送功率的方法，该方法包含以下步骤：

在第一模式下，将高频功率放大器操作为非线性放大器，以对发送信号进行振幅调制，并且通过高频功率放大器的电源电压控制发送信号的平均输出电平；以及

在第二模式下，将高频功率放大器操作为线性放大器，以在高频功率放大器之前控制发送信号的平均输出电平，并且进一步对平均输出电平得到控制的发送信号进行振幅调制。

6.一种用于通过无线电发送来自天线的发送信号的无线电通信设备，其中该发送信号由如权利要求1所述的发送设备进行功率放大，并且被输出到天线。