CN100431262C - 射频功率放大器系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

射频功率放大器系统(1)包括控制电路、功率放大器(3)和延迟设备(8)。该控制电路包括用于测定输入信号的瞬时功率电平的检波器(4)、阈值比较器(5)、电源电压源(6)和脉冲整形滤波器(7)。该阈值比较器被供给多个预置的阈值(TH1，TH2，TH3)；其中该阈值比较器将所测定的功率电平和预置的阈值进行比较；其中根据该阈值比较器的输出对该电源电压(V1，V2，V3和V4)进行切换；其中所切换的电源电压经过脉冲整形滤波器(7)传到射频功率放大器(3)；而且其中该延迟设备(8)将输入信号进行延迟，并且所延迟的信号被输入到射频功率放大器，使得电源电压能够适应于所测定的功率电平，以致优化功率放大器(3)的效率。

Description

射频功率放大器系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种线性功率放大器系统，特别是供第3代移动通信系统使用。
背景技术
功率放大器通常被分为三种操作模式，即A类、B类和C类。针对线性放大器，A类或B类放大器放大正弦信号，如果输出是在整个电压范围上扩展的正弦波，那么就达到最大效率；而如果该正弦波的振幅最小，那么就达到最低效率。B类放大器在零电压处偏置，所以输出产生丢失一半周期的电流脉冲，丢失的信号通过随后的滤波来重建。C类放大器为负偏置并且是非线性的，在这种情况下，低信号电平也导致低效率。
在过去，移动通信系统已使用恒定振幅的无线电波，这样假定信号振幅是已知的，则可能针对最大效率调整放大器的设计。然而，第2代多载波操作和第3代移动通信需要线性功率放大器来运行振幅变化的无线电射频(RF)信号。因此，被设计用来传递最大峰值包络功率的功率放大器通常利用被设计来传送该峰值功率的恒定电压电源来供给，并且因为瞬时包络功率在大多数时间里也低于峰值功率，所以效率是极低的。因此，由于大的恒定电压源，使放大器不必要地耗散过量功率。
已经采用一些不同的方法来提高线性功率放大器的效率。一种方法基于包络消除和恢复(EER)技术。这种方法具有若干带宽限制并因此不适合对当前移动通信系统中采用的宽带信号进行放大。
另一种方法基于Doherty放大器原理。EER和Doherty放大器均受频谱扩展效应和带宽限制的影响，因此不被当前的通信系统所采用。
US 2002/0084844描述了一种其中提供第一和第二放大器级的系统，以致如果一个信号功率电平低于一个预置的阈值，则该信号被送往第一级放大器以对输入信号进行放大，并且如果该信号的功率电平高于该阈值，则该信号被送往第二级放大器。由于把输入信号简单地看作低功率或者高功率，所以这个系统在其应用中有些受限。而且，因为需要构建两个放大器级，在硬件方面也会引起效率降低，即使在任何时刻曾仅仅使用一级。JP57002107描述了一种音频功率放大器，其被设计来通过将电源电压调整为适应于输入信号电平来减小切换失真。
发明内容
按照本发明的第一个方面，一个RF功率放大器系统包含一个控制电路；一个延迟电路和一个功率放大器；其中该控制电路包括一个用于测定来自信号源的输入信号的瞬时功率电平的检测器、一个阈值比较器和一个电源电压源以及一个脉冲整形滤波器；其中该阈值比较器被供给多个预置的阈值；其中该阈值比较器将在该检测器处测定的功率电平和预置的阈值进行比较；其中该电源电压按照阈值比较器的输出进行切换；其中所切换的电源电压经过脉冲整形滤波器传到射频功率放大器；而且其中该延迟设备将输入信号进行延迟，并且所延迟的信号被输入到射频功率放大器，使得电源电压能够适应于在该检测器处测定的功率电平，以致优化该射频功率放大器的效率。
本发明提供了一种有效的线性功率放大器，在该线性功率放大器中供应给该放大器的电源电压按照通过所测定的输入功率电平达到的阈值进行变化。该多个阈值被预置并与一个合适的电源电压有关。这是一个和传统系统相比效率能够得到显著提高的灵活的系统。
该系统可以工作在两个预置阈值的情况下，但是优选地，提供至少三个预置阈值。
优选地，电源电压源包括多个预置的与各自的功率电平阈值有关的电源电压。
优选地，提供至少四个预置的电源电压。
优选地，该射频功率放大器是一个B类放大器并且在该射频功率放大器的输出端处提供一个滤波器来重建被放大的输入信号。
按照本发明的第二个方面，一个码分多路访问(CDMA)通信系统包含根据第一方面的功率放大器。
CDMA系统使用具有变化振幅的无线电波，但是本发明能够通过按照输入信号的功率电平切换电源电压来维持放大器的效率的同时处理这个问题。
按照本发明的第三个方面，一种射频功率放大器系统的操作方法包括将来自信号源的输入信号应用于控制电路和延迟设备；该控制电路包括检测器、阈值比较器、电源电压源和脉冲整形滤波器；在该检测器处测定输入信号的瞬时功率电平；在阈值比较器中将所测定的功率电平和多个预置的阈值相比较；按照该阈值比较器的输出对电源电压进行切换；并将所切换的电源电压经过脉冲整形滤波器传到射频功率放大器；其中延迟设备将输入信号进行延迟，并且所延迟的信号被输入到射频功率放大器，使得电源电压能够适应于所测定的功率电平，以致优化射频功率放大器的效率。
优选地，预置多个与各自的功率电平阈值相关的电源电压电平。
附图说明
按照本发明的功率放大器系统的一个例子现在将参考下述附图来描述，其中：
图1是按照本发明的电源系统的一个例子；
图2说明了使用图1的系统的一个输入信号的输入功率中的变化；以及
图3说明了针对图1的系统的功率放大器的电源电压中的相应变化。
具体实施方式
图1示出按照本发明的功率放大器系统1的一个例子。一个包含要被传送的信息的振幅变化的源信号2输入到该系统。该信号沿着第一条路径通过一个控制电路到一个功率放大器3。该控制电路包括一个包络检测器4，该包络检测器提供与输入信号2的瞬时功率成比例的一个值。该值被应用于一个阈值检测器5，该阈值检测器5有N个(在这种情况下为3个)预置的阈值，尽管在适当的时候可以设定更多的阈值。该阈值检测器5的输出控制开关装置6在N+1个(在这种情况下是4个)针对功率放大器的离散的电源电压之间的切换。接着所选择的电压经过脉冲整形滤波器7到功率放大器3。该信号沿着第二条路径经过时间延迟8到功率放大器，以致在所涉及的信号在该功率放大器3中被放大之前将该功率放大器的电源电压设置为一个恰当的值。
操作中，阈值检测器5将预置的阈值TH1、TH2、TH3与表示由包络检测器4提供的瞬时功率的值进行比较。这个比较的输出提供控制信号以接通开关装置6中的合适的开关。在这个例子中，如果信号2的瞬时包络低于阈值TH1，则电压V1就被应用于功率放大器3。如果该包络在阈值TH1和TH2之间，则电压V2就被应用于功率放大器；如果该包络在阈值TH2和TH3之间，则电压V3就被应用于功率放大器并且最后，针对所有高于预置的阈值TH3的包络值，电压、V4通过开关装置6来选择。
应该注意到本发明并不限于上述3个离散阈值，而且实际上可以使用任意数。预置的阈值的数量及相应的电源电压被确定来匹配所传送的信号的属性和功率放大器的特性。
本发明的一个进一步的特点是提供脉冲整形滤波器7。因为直流电压在离散值之间切换，所以这个滤波器限制了电源电压源的转换速率。这依次最小化不期望的所传送信号的频谱扩展，这种频谱扩展可能会因为电源电压变化而通过功率放大器引起。
第二条路径中的时间延迟8的目的是匹配第一条路径中的全部延迟，该第一条路径包含包络检测器4、阈值检测器5、开关装置6和具有功率放大器的延迟的脉冲整形滤波器7。这样就保证了信号和合适的电源电压在恰当的时刻被同步应用。
图2a说明了包络检测器4中确定的瞬时功率如何针对一个特定输入信号而变化的。该曲线图显示了归一化功率相对时间的关系，并且该归一化功率的三个阈值TH1、TH2、TH3被设置，其值分别为0.9、0.5和0.2。从图2b中可能看出电源电压如何随着每次阈值转换进行变化。该归一化的DC电压相对时间被显示。花费一个有限的一段时间来达到新值，因此就需要将进入功率放大器的信号进行延迟，以致电源电压是恰当的。
时间延迟8、包络检测器4和阈值测检测器5可以在发射机的基带部分以数字方式来实现，或可替换地这些元件可以通过模拟电路来实现。在此所述的效率提高可与前馈技术以及预失真线性化技术一起结合应用。

Claims (8)

1.一种射频功率放大器系统，该系统包括一控制电路(1)；一延迟电路(8)和一射频功率放大器(3)；其中该控制电路(1)包含一用于测定来自信号源的输入信号(2)的瞬时功率电平的检测器(4)、一阈值比较器(5)、一电源电压源(6)以及一脉冲整形滤波器(7)；其中该阈值比较器(5)被供给多个预置的阈值(TH1，TH2，TH3)；其中该阈值比较器(5)将在该检测器(4)处测定的功率电平与预置的阈值进行比较；其中该电源电压根据该阈值比较器(5)的输出进行切换；其中所切换的电源电压经过脉冲整形滤波器(7)传到射频功率放大器(3)；并且其中该延迟设备(8)将该输入信号进行延迟，以及所延迟的信号被输入到射频功率放大器(3)，使得该电源电压能够适应于在该检测器(4)处测定的功率电平，以致优化该射频功率放大器(3)的效率。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器系统，其中提供至少三个预置的阈值(TH1，TH2，TH3)。
3.如权利要求1或2所述的射频功率放大器系统，其中所述电源电压源(6)包括多个与各自的功率电平阈值(TH1，TH2，TH3)相关的预置的电源电压(V1，V2，V3，V4)。
4.如权利要求3所述的射频功率放大器系统，其中提供至少四个预置的电源电压(V1，V2，V3，V4)。
5.如任何一项前述权利要求所述的射频功率放大器系统，其中所述射频功率放大器(3)为B类放大器，并且其中在该放大器的输出端处提供一滤波器，以重建被放大的输入信号。
6.一种CDMA通信系统，其包含根据任何一项前述权利要求所述的射频功率放大器。
7.一种用于射频功率放大器系统的操作方法，该方法包括将来自信号源的输入信号(2)应用于控制电路(1)和延迟设备(8)；该控制电路(1)包括检测器(4)、阈值比较器(5)、电源电压源(6)和脉冲整形滤波器(7)；在该检测器(4)处测定输入信号的瞬时功率电平；在阈值比较器(5)中将所测定的功率电平和多个预置的阈值(TH1，TH2，TH3)相比较；按照该阈值比较器(5)的输出对电源电压(V1，V2，V3，V4)进行切换；并将所切换的电源电压经过脉冲整形滤波器(7)传到射频功率放大器(3)；其中该延迟设备(8)将输入信号进行延迟，并且所延迟的信号被输入到射频功率放大器(3)，使得该电源电压能够适应于所测定的功率电平，以致优化该射频功率放大器(3)的效率。
8.如权利要求7所述的操作方法，其中预置多个与各自的功率电平阈值(TH1，TH2，TH3)相关的电源电压电平(V1，V2，V3，V4)。
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