CN100530949C - 多模式功率放大器以及放大调制信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式功率放大器包括：具有载波输入和载波输出的载波放大器；具有门限控制输入、峰值输入以及峰值输出的峰值放大器；分路装置，用于接收输入信号并且提供耦合到载波输入的第一输出以及耦合到峰值输入的第二输出，其中第一和第二输出具有相位差；相位延迟装置，具有相位延迟并且耦合在峰值输出与载波输出之间，用于校正峰值输出与载波输出之间的相位差；门限控制装置，可操作地耦合到门限控制输入，用以选择性地向峰值放大器的门限控制输入提供控制电压，控制电压具有这样的电压电平，即电压电平根据移动通信设备的通信模式选择来选择性地调节。本发明通过调节与通信模式选择相关的峰值放大器的偏压点，可以优化对于特定通信模式的调制效率和特性。

Description

多模式功率放大器以及放大调制信号的方法

技术领域

本发明一般涉及射频功率放大器，尤其涉及用于提高射频功率放大器的效率的装置和方法，该射频功率放大器用于可工作于多种通信模式的移动无线电设备中。

背景技术

便携式无线通信系统设置于所有城市区域中，并且很大程度地延伸到城市区域之外。多种通信业务可以为利用移动通信设备进行通信的公众所利用。最常见的移动电话业务被提供，并且该业务一般被称作蜂窝电话业务。虽然其他种类的通信业务业已被介绍，但是移动电话是最常见的业务种类。

业已使用了多种移动电话，诸如模拟电话，更常见的如AMPS，根据IS-136的数字蜂窝电话，根据全球移动通信系统(GSM)的系统，以及多种其他电话。当一个用户离开它的初始区域时，他可以在非初始系统上登记业务，这通常称为漫游模式。然而，通常只有在指定给用户移动通信设备的通信业务种类已经在非初始区域中提供时，这才是可能的。例如，如果用户移动通信设备被指定为数字蜂窝电话，并且用户处于只能支持模拟蜂窝电话的区域，则该用户将不能利用移动通信设备进行通信。

根据能够在包括不同城市的宽地区性区域中通信的市场要求，产业上已经开始提供所谓的多模式通信设备。多模式通信设备是能够支持一种以上通信业务的设备，意味着它可以在一种以上的空中接口上建立通信。最常见的多模式通信设备是双模式的模拟和数字蜂窝设备，诸如高级移动电话业务(AMPS)以及北美数字蜂窝(NADC)标准IS-136电话，以及根据NADC标准IS-95的AMPS和码分多址(CDMA)电话。

由于电路和部件可利用空间的限制，在这些对模式移动通信设备中产生了一个问题。每种不同的通信模式使用一种不同的空中接口，且不同的空中接口包括不同的调制方案。一种空中接口的调制方案的调制频率与另一种空中接口的调制频率是不同的。每个不同的调制方案通常需要不同配置的功率放大器，以实现最佳效率来增加电池寿命。一般来说，在小的手持移动通信设备中没有足够的空间来容纳一个以上的功率放大器，于是一个或多个通信模式中的多模式移动通信设备的效率为了可利用性而被牺牲。功率放大器一般在被认为大多数时间上将可能被使用的通信模式中被设计成有效率。在其他工作模式中，由于功率放大器中低于最佳效率的结果，电池寿命受到损害。

因此，需要一种在多模式移动通信设备中有效地放大调制信号的装置和方法。为了实现效率最佳，放大器的特性必须根据通信模式的选择而改变。而且，放大设备必须保持很小，以便它不会显著地影响当前移动通信设备的大小以及体积目标。

发明内容

本发明提供了一种用于多模式移动通信设备的功率放大装置。该放大装置能够改变放大器的特性，以便放大器的特性可以在各种通信模式中实现优化。

根据本发明的一个方面，提供了一种多模式功率放大器，用于可以工作于多个通信模式的移动通信设备，其包括：

具有载波输入和载波输出的载波放大器；

具有门限控制输入、峰值输入以及峰值输出的峰值放大器；

分路装置，用于接收输入信号，并且提供耦合到所述载波输入的第一输出以及耦合到所述峰值输入的第二输出，其中所述第一和第二输出具有相位差；

相位延迟装置，具有相位延迟，并且耦合在所述峰值输出与所述载波输出之间，用于校正所述峰值输出与所述载波输出之间的相位差；

门限控制装置，可操作地耦合到所述门限控制输入，用以选择性地向所述峰值放大器的门限控制输入提供控制电压，所述控制电压具有这样的电压电平，即所述电压电平根据所述移动通信设备的通信模式选择来选择性地调节。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在多模式移动通信设备中放大调制信号的方法，包括步骤：

选择所述移动通信设备的通信模式；

分路所述调制信号，以提供具有一定幅度的同相信号以及正交信号；

放大所述正交信号，以提供放大后的正交信号；

设定与所述通信模式相对应的预先选择的门限电平；

在所述同相信号的幅度高于预先选择的门限电平时，放大所述同相信号，以提供放大后的同相信号；

在相位上加性地组合放大后的正交和放大后的同相信号。

根据本发明的再一个方面，提供了一种在多模式移动通信设备中放大调制信号的方法，包括步骤：

选择所述移动通信设备的通信模式；

分路所述调制信号，以提供具有一定幅度的正交信号以及同相信号；

放大所述同相信号，以提供放大后的同相信号；

设定与所述通信模式相对应的预先选择的门限电平；

在所述正交信号的幅度高于预先选择的门限电平时，放大所述正交信号，以提供放大后的正交信号；

在相位上加性地组合放大后的正交和放大后的同相信号。

根据本发明的再一个方面，提供了一种多模式功率放大器，用于可以工作于多个通信模式的移动通信设备，其包括：

具有固定偏压和载波输出的载波放大器；

具有可调节偏压电平和峰值输出的峰值放大器，其中所述峰值放大器的偏压电平根据通信模式的选择来调节；

用于在相位上加性地组合载波输出和峰值输出的组合装置。

附图说明

图1示出了根据本发明，用于多模式通信设备的多模式功率放大器装置的方框图；

图2示出了根据本发明多模式功率放大器装置的效率-输出功率的示意图；

图3示出了根据本发明多模式功率放大器装置的功率增加效率-输出功率的示意图；

图4示出了根据本发明多模式功率放大器装置的增益压缩-输出功率的示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的多模式功率放大器装置的输出组合器。

尽管本说明书得出定义被认为具有新颖性的本发明特征的权利要求书，但应该相信的是，本发明根据下文的描述并且参照附图将会得到更好的理解，在附图中使用了相同的附图标记。现有技术的简要描述也应被认为是有用的。

具体实施方式

总的来说，本发明使用了一对以Doherty配置来设置的放大器。载波放大器一般是带有导通期间大约为180°或者更多的线性放大器，该线性放大器包括A，AB或B类放大器。峰值放大器为可调节的，在输入信号幅度高于可调节的门限电平时导通，并且该可调节电平根据通信设备模式的选择而设置。

现在参照图1，图1示出了根据本发明的用于多模式通信设备100中的多模式功率放大器装置102的方框示意图。多模式意味着该通信设备能够利用一个以上的接口方案进行通信，该接口方案诸如AMPS和数字蜂窝电话。还有多种其他通信系统同样地适用并且需要被包括。该多模式功率放大器解决多个通信模式中每一个的优化放大器效率问题。多模式通信设备还包括一个信号源104，调制器106以及本地振荡器装置108，该调制器利用适当的调制方法来调制从信号源104接收的信号，用于需要的通信模式。例如，信号源是一个包括话筒的声频电路，如现有技术所已知的，用于从多模式通信设备的用户接收语音信号，并且将其转换为适当的电信号。根据所需要的通信模式，信号源可以提供将被调制的模拟信号或者数字信号。多模式通系统还包括一个控制器110以及一个天线112，该天线用于经过空中发射及接收信号，并且该天线以常规的方式可操作地耦合到功率放大器。

功率放大器装置包括5个主要部件，载波放大器114，峰值放大器116，分路装置118，组合装置120以及门限控制装置122。在工作中，放大器装置接收线路124上的来自调制器装置118的输入信号。该输入信号是一个射频信号，且该射频信号包括一个根据当前选择的通信模式调制的载波。

载波放大器或者载波放大器装置114是一个常规的线性放大器，其以固定工作类别工作，例如以A，AB，B类别工作。该载波放大器具有一个用于接收来自分路装置118的信号的载波输入126，以及耦合到组合装置的载波输出128。峰值放大器或者峰值放大器装置116一般是一个非线性放大器，这意味着它以C类模式工作。然而，峰值放大器装置包括一个门限控制输入130，其与门限控制装置122耦合，用于控制峰值放大器的偏压电平。这使得峰值放大器具有一个可调节的工作类别，更具体地，这使得能够精确控制从分路装置118接收的输入信号的导通角度范围，该分路装置耦合到峰值输入132。换句话说，门限控制输入允许调节峰值放大器的工作点，以便峰值放大器可以以线性和非线性类别工作。峰值输出134耦合到组合装置120。本领域技术人员将理解的是，在此示出的代表载波和峰值放大器的方框不仅包括一般是晶体管装置的有源放大器装置，而且包括用于匹配输入和输出阻抗的无源阻抗匹配部件，如现有技术业已知道的。

在工作中，分路装置118将输入信号124分成两路，一路用于载波放大器，另一路用于峰值放大器。分路装置在载波路径和峰值路径之间提供一个相位差，例如为90°。峰值放大器的工作点根据移动通信设备的当前选择模式来调节。也就是说，峰值放大器偏压电平在该通信模式的持续期间被设置成固定的预定电平。例如，如果当前选择的通信模式为AMPS，那么峰值放大器门限控制输入电压电平被设置成一个断开该峰值放大器的值。这具有仅使载波放大器工作的效果，以便在减少功率电平上优化效率，诸如那些可以在AMPS工作模式期间所使用的。在AMPS模式中，输入信号124将是一个连续频率调制的载波信号。然而，其他通信模式使用振幅调制，或者更一般地，使用线性调制。利用数字正交类型的调制方案正是这种情形，该方案诸如用于综合数字无线电通系统的方案，其中一个实例是由摩托罗拉公司销售的商品名iDEN的无线电系统。如现有技术业已知道的，放大线性调制信号本来是低效的。然而，通过将峰值放大器设置成非线性工作类别，Doherty放大器配置就被实现，它显著地增加了工作效率，该工作效率超过了利用工作于线性类别的放大器可以实现的效率。用于提高放大器效率的Doherty操作的实例可以在美国专利申请No.09/347675中发现，该申请的题目为“POWER AMPLIFIER FOREFFICIENTLY AMPLIFING LINEARLY MODULATED SIGNAL”，并且与本发明共同转让，所公开的内容作为参考包含于此。最后，组合装置120组合载波和峰值放大器的输出，并且校正两条路径之间的相位差。该组合装置从组合装置内也提供Doherty组合功能，意味着当峰值放大器工作于非线性类别，并且没有导通时，峰值路径从载波输出端看起来像一个非常大的阻抗，以便不会对载波输出增加负载。

现在参照图2，其示出了根据本发明多模式功率放大器装置的效率202对输出功率204的图形200。第一曲线206表示当峰值放大器没有被偏压时，或者断开时，如在选择AMPS通信模式时的多模式功率放大器装置的效率。由于AMPS模式中的输入信号具有一个固定的包络幅度，因此放大器装置的输出是一个固定功率信号。因而，放大器装置以最大输出功率电平工作，这也是一种最有效的工作模式。然而，在线性调制系统中，输入信号的包络是不断地变化的。因此，放大器不能被设置成一个最佳电平。当选择利用线性调制的通信模式时，峰值放大器被设置为非线性工作，以实现Doherty效应，如第二曲线208所表示的。第二曲线示出了经典的Doherty工作，该曲线从低输出功率电平倾斜向上，接着平稳，并且对输出功率的较高范围具有更加固定的效率。这种工作方式在平均功率增加效率中提供了显著的改进，如在上述专利申请中所描述的。现在参照图3，示出了根据本发明多模式功率放大器的功率增加效率302对输出功率304的图形300。第一曲线306表示放大器装置工作于线性高效率模式时的曲线，前述模式诸如AMPS通信模式，而第二曲线308表示该放大器装置工作于高线性模式时实现的特性，诸如当工作于使用高非线性调制的通信模式时，前述高非线性调制诸如GSM演进的增强型数据率(EDGE)标准所要求的，该标准是对较高数据率的GSM标准的即将到来的扩展。它可以以较高的速率访问互联网。线310表示放大器装置例如工作于AMPS模式时的输出功率点，并且该输出功率是固定的。这是本发明的一个优点，因为对于AMPS类型的通信来说，它使得移动通信设备工作于高效率模式，对于高数据率通信来说，它使得移动通信设备工作于高线性模式。根据所需要的通信模式，使用了偏压放大器的高效率或者高线性模式。如果增加超过这一点，输出信号的质量一般会降低。现在参照图4，其示出了根据本发明多模式功率放大器装置的增益压缩402对输出功率404的曲线。而且，第一区线406表示放大器装置工作于高效率模式，诸如AMPS模式时的特性，而第二曲线表示高线性模式时的特性。

应该注意的是，由于峰值放大器的工作点是可调节的，图2-4所示的曲线仅仅代表两个选择的工作点。放大器装置可以在这些曲线之间的任何点上工作，并且可以在这些曲线之外工作，它们仅仅示出了在峰值放大器不同工作点上实现的特性。选择对于给定通信模式最有效的工作点是工程选择的事情。然而，由给定通信模式所使用的调制支配着放大器装置将被设置成哪种工作特性。

现在参照图5，示出了诸如用于图1的方框2的代表性组合装置500。组合可以利用经典的Doherty组合起来实现，如现有技术业已知道的，但是在优选实施例中，组合器是一个倒置Doherty组合器，如上述参考专利申请所描述的。组合器的主要部件是一个能够相位延迟的相位延迟装置502，该相位延迟装置耦合在载波输出128和峰值输出134之间。相位延迟装置优选地是一个四分之一部件，以在峰值放大器没有导通时，向载波输出提供必要的高阻抗。由相位延迟装置所提供的相位延迟基本上与分路装置所提供的相位差，以及载波和峰值路径之间的传播延迟差相同，以便在求和节点504上，载波和峰值路径基本上同相。求和后信号接着通过阻抗变换装置506馈送到天线112。

在操作多模式放大器装置时，第一步是选择移动通信设备的通信模式。接着调制器开始产生一个将被传送的调制信号。分路装置执行调制信号的分路，以提供一个具有一定幅度的同相信号以及一个正交信号。在优选实施例中，同相信号被馈送到峰值路径，而正交信号被馈送给载波路径，这意味着从同相信号中减去90°相位差。载波放大器执行放大正交信号，以提供一个放大的正交信号，并且在同相信号幅度高于预先选择的门限电平时，峰值放大器执行放大该同相信号，以提供一个放大的同相信号。设置预先选择的门限电平是对应于通信模式的。也就是说，门限电平是由移动通信设备的通信模式确定的，并且只要移动通信设备保持在该通信模式，该门限电平就保持固定在该电平。在组合器中执行相位上加性地组合放大的正交信号和放大的同相信号，并且组合后的信号通过天线传送。本领域技术人员应该认识的是，如果组合器部件与经典Doherty配置相反，由分路装置所提供的同相和正交信号可以相反。

尽管已经示意和描述了本发明的优选实施例，很显然的是，本发明并不限于此。本领域技术人员可以做出多种修改、变化、改进、替换和等效物，而不会背离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (5)

1、一种多模式功率放大器，用于工作于多个通信模式的移动通信设备，其包括：

具有载波输入和载波输出的载波放大器；

具有门限控制输入、峰值输入以及峰值输出的峰值放大器；

分路装置，用于接收输入信号，并且提供耦合到所述载波输入的第一输出以及耦合到所述峰值输入的第二输出，其中所述第一和第二输出具有相位差；

相位延迟装置，具有相位延迟，并且耦合在所述峰值输出与所述载波输出之间，用于校正所述峰值输出与所述载波输出之间的相位差；

门限控制装置，可操作地耦合到所述门限控制输入，用以选择性地向所述峰值放大器的门限控制输入提供控制电压，所述控制电压具有这样的电压电平，即所述电压电平根据所述移动通信设备的通信模式选择来选择性地调节。

2、根据权利要求1的多模式功率放大器，其中所述相位延迟为90°。

3、根据权利要求1的多模式功率放大器，其中所述载波输出形成一个求和节点，所述多模式功率放大器还包括一个在所述求和节点和天线之间耦合的阻抗变换装置。

4、根据权利要求1的多模式功率放大器，其中所述峰值放大器装置在峰值输入信号高于门限电平时放大所述峰值输入信号，并且还具有用以设定所述门限电平的门限控制输入；

并且所述相位延迟装置延迟耦合在所述峰值输出和所述载波输出之间的峰值放大器的输出。

5、根据权利要求4的功率放大器装置，其中所述载波放大器装置是线性放大器，所述线性放大器的类别从A、AB或者B类放大器组中选择。

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