CN100576728C - 射频功率检测电路 - Google Patents

Abstract

一种用于测量RF功率放大器输出功率的电子电路。该电子电路包括用于检测功率放大器的RF电流的电流检测晶体管，和用于检测RF功率放大器的电压的电压检测模块。该电子电路还包括相干检测器，在时域中将检测电流和检测电压相乘。由此，产生直接表示功率放大器所提供的功率的信号，而与它的实际负载无关。最好由吉尔伯特象限仪作为相干检测器，并提供能够有效地进行DC偏移补偿的微分输出。

Description

射频功率检测电路

技术领域

本发明涉及射频发射领域，特别是并不限于射频功率放大器的功率检测。

背景技术

无线通信系统通常是基于射频(RF)信号的发射。移动站，如移动蜂窝电话，必须提供足够的RF信号放大，以保证与移动电信网络的远程通信部件，比如移动节点建立可靠的通信线路。通常，移动站以针对移动站的功率放大器所输送的RF功率进行检测的电路为特色。RF功率的确定对于RF功率放大器的控制来说很重要。与RF放大器耦合的负载，有可能发生强烈的波动，这对于放大器的工作有可能产生剧烈的冲击。例如，RF功率放大器的负载变化可能源于移动站的天线与其工作环境之间的交互作用。因而，处于天线附近的金属物体有可能显著地改变天线的阻抗。这种负载变化还可能导致功率从天线向着功率放大器反射，从而表现为负载失配。比较大的失配情形会在功率放大器的输出端处引起过流或电压峰值，会缩短放大器的寿命，甚至最终会造成损坏。

在现有技术中，通常使用一个或两个定向耦合器和二极管检测器来进行功率检测。具体而言，双向耦合器能够有效地检测功率放大器所输送的RF功率，检测失配负载反映出的RF功率。这样就给出一种测量负载(如天线)失配的方法，并可有效地用于降低过于严重失配情况下所输送的功率。不过，这些耦合器，无论是单向耦合器还是双向耦合器，原则上都不能进行完全精确的功率检测，这是因为在负载阻抗发生改变的情形中它们通常提供不正确的信息。

此外，这些耦合器的尺寸相当大，从而不能满足大多数现代小型无线通信设备对尺寸限制的要求。耦合器的一种替代是基于所谓的镜像晶体管实现的。镜像晶体管是功率放大器的输出晶体管按比例缩小的复制，并给出RF电流按比例缩小的复制品。通过将检测到的RF电流整流并求平均，可给出功率放大器所输送的RF功率的测量值。不过，这种镜像晶体管绝对不能检测可能的失配负载所反映出的功率。检测的RF电流仅能以一种间接的方式表示RF功率。特别是，在RF电流与RF电压之间相位失配的情形中，根据RF电流的检测来检测RF功率，有可能存在不足。

通过抽取出RF功率放大器输出端处所积累RF电压的一小部分，可以实现另一种对RF功率的间接测量。对这样一小部分电压的抽取，原则上可利用特征在于具有非常低电容的电容器，通过将适当检测电路与输出端耦合来实现。不过，RF电压的确定也不能说明RF电压与RF电流之间的相位失配。从而，所产生的功率确定存在不足。

专利文献EP 0852434 A2披露了一种具有高频功率放大器和测量装置的发射机，所述测量装置用于测量高频信号的功率。该测量装置利用第一和第二微分放大器。此处的第一微分放大器产生与高频功率放大器的输出晶体管的高频集电极-发射极电压成正比的电压。第二微分放大器用于检测与功率放大器的输出晶体管的高频发射极电流成正比的电压。可以通过把第一微分放大器的输出信号和第二微分放大器的输出信号引导成乘法器电流，从而确定功率放大器的输出晶体管的平均功率。所述乘法器电路产生与每个瞬时功率成正比的信号，使所述信号在积分器中积分，形成与实际功率的平均值成正比的电压。通过将电压与电流值相乘，确定功率放大器的输出晶体管的平均功率。

于是，专利文献EP0852434 A2仅披露了电流与电压的间接相乘。在两个电压信号的基础上执行乘法操作，其中一个电压信号是利用与输出晶体管的发射极串联的电阻，从功率放大器的输出晶体管中的电流得出的。原则上讲，这对于输出晶体管的增益和功率容量都是有消极影响的。

从而，本发明的目的在于提供一种针对于输送给负载的RF功率的真实测量，与负载的实际阻抗无关。

发明内容

本发明提供一种用于测量射频功率放大器(102)输出功率的电子电路(100)，包括：第一晶体管(104)，用以检测射频功率放大器的输出电流，并提供射频电流信号；电压检测模块(108)，用以检测射频功率放大器的输出电压，并提供射频电压信号；相干检测器(110)，它适于将射频电压信号与射频电流信号相乘；以及第一电流镜(114)，用以去除相干检测器的输出中的DC分量。

相应地，本发明还提供一种无线通信设备，它具有射频发射单元、射频功率放大器(102)，以及用于对射频发射单元发射的功率进行调整的功率调整装置。其中，所述无线通信设备包括具有上述用于测量射频功率放大器(102)输出功率的电子电路(100)全部结构特征。

用于检测RF功率放大器的输出电流的第一晶体管，最好为RF功率放大器的输出晶体管按比率缩小的复制。从而，该第一晶体管作为电流检测晶体管。它的基极最好与功率放大器的输出晶体管的基极相连。从而，流过该第一晶体管的电流为功率放大器的输出电流按比例缩小的复制(copy)。

最好是以特征在于具有非常小电容的耦合电容器为基础实现所述电压检测模块。最好使电压检测模块与功率放大器的输出耦合。由此，代表功率放大器的输出电流和输出电压的电流和电压，被输送到用于将所提供的RF电压信号与RF电流信号相乘的相干检测器中。通过将RF电压信号与RF电流信号相乘，产生表示RF功率放大器的瞬时功率的功率信号。特别是，可以不必像EP 0852434 A2中所描述的那样将RF输出电流转换成电压，就能够产生功率信号。

从而，本发明的电子电路同时检测RF功率放大器的RF电流和RF电压，并在时域中相乘，从而产生与RF电压、RF电流与各相角余弦的乘积成正比的输出信号。因此，相干检测器的输出信号代表与功率放大器的实际负载无关的瞬时功率信号。由此，能够有效地检测任何负载失配，并据此而对功率放大器进行控制，从而防止在其输出端处产生过流或电压峰值。

按照本发明的一种优选实施例，所述相干检测器为吉尔伯特象限仪(Gilbert quad)，它用于将RF电流信号与RF电压信号相乘，并提供所产生的微分输出形式的乘积信号。吉尔伯特象限仪作为双平衡混合器，并且在它的输出端直接将RF信息转换成DC信息。由此，并非必须对所产生信号进行随后的整流和积分。此外，通过提供微分输出形式的乘积功率信号，吉尔伯特象限仪对任何输入信号中的DC偏移没有明显的敏感。微分输出适合于进行进一步处理，诸如DC偏移补偿和类似的滤波过程。

按照本发明的另一种优选实施例，借助于第一和第二RF电压信号将RF电压信号提供给相干检测器。所述第一RF电压信号与第二RF电压信号是反相的。这种反相结构是吉尔伯特象限仪的优选工作模式。第一和第二RF电压信号被耦合到吉尔伯特象限仪的一对基极处。由此，可以有效地实现吉尔伯特象限仪的优选工作模式。作为另一种可供选择的方式，可以用特征在于与提供RF电压的另一电压信号具有相同DC偏移的一个DC电压信号所取代所述第一和第二RF电压信号当中之一。

按照本发明的又一优选实施例，所述电子电路还包括第二晶体管，它根据对RF功率放大器的静态电流的检测，产生DC偏移信号。所述第二晶体管还用于将DC偏移信号提供给相干检测器。最好是所述第二晶体管也为功率放大器的输出晶体管按比例缩小的复制。该第二晶体管通过低通滤波器与功率放大器的输出晶体管的偏压耦合。从而，流过第二晶体管的电流代表对流过功率放大器的输出晶体管的静态电流的测量值。通过检测输出晶体管的这种静态电流，可以有效地对相干检测器或吉尔伯特象限仪进行偏移补偿，这样能够固有地增大整个功率检测电子电路的动态范围。

按照本发明的再一优选实施例，所述电子电路还包括低通滤波器，用以抑制相干检测器输出中的RF分量。最好使所述低通滤波器用于接收通过吉尔伯特象限仪产生的微分信号。由于吉尔伯特象限仪起到对特征在于具有相同RF频率的两个信号进行操作的双平衡混合器的作用，所以输出信号必然具有为输入信号的RF频率两倍的分量。所述低通滤波器有效地对双平衡混合器的微分输出信号的2RF分量提供滤波。从而，低通滤波器补偿了双平衡混合器的副效应，并且至少消除了可能干扰随后信号处理的2RF分量。

按照本发明的再一优选实施例，所述电子电路还包括第一电流镜，用以去除相干检测器输出的DC分量。最好是在通过低通滤波器滤除RF分量之后，该第一电流镜装置去除相干检测器的输出的DC分量。DC分量的去除也称作抑制或滤除DC分量。在与吉尔伯特象限仪的两输出端所提供的微分输出结合时，第一电流镜结构尤为有益。由此，可以固有地去除对吉尔伯特象限仪电子部件的输出端的共态冲击。

按照本发明的再一优选实施例，所述电子电路还包括第二电流镜，用以将第一电流镜装置的输出信号反相。由于电压空间(voltageheadroom)，这种反相尤为有益。

按照本发明的再一优选实施例，所述电子电路还包括对数转换器模块，用以将相干检测器的输出转换成电压，以对数标度表示RF功率放大器的功率。一般而言，相干检测器的微分输出或者由低通滤波器或第一或第二电流镜所提供的任何信号，以瓦特为单位表示功率放大器的RF功率。

由于利用第一晶体管检测的RF电流，以及利用电压检测模块抽取出的RF电压信号，二者都是与功率放大器的输出晶体管的相应RF电流和RF电压线性地成正比的，另外，所产生的通过将RF电压信号与RF电流信号相乘得到的功率信号，也与功率放大器所输送的RF功率线性地成正比。这里，所述对数转换器模块用于将所输送的功率信号转换成用dB表示的功率信号。例如，可以利用电流-电压转换器装置中的晶体管实现对数转换器模块。

最好可以利用运算放大器电路将所产生的电压进一步放大。可以通过输出电阻给出这种经放大的表示功率放大器功率输出的电压信号。从而，在本发明电子电路的输出端那里最终被抽取出的输出信号，以一种精确的方式表示功率放大器所提供的实际功率，即使负载发生暂时波动时也不例外。

另一方面，本发明提供一种无线通信设备，它具有RF发射部件、RF功率放大器，以及对RF发射部件所发射的功率进行调整的功率调整装置。这种无线通信设备包括第一晶体管，用于检测RF功率放大器的输出电流，以及用来提供RF电流信号。这种无线通信设备还包括电压检测模块、用以检测RF功率放大器的输出电压，并提供RF电压信号。这种无线通信设备还包括用于将RF电压信号与RF电流信号相乘的相干检测器。于是，本发明的无线通信设备的特征在于，它是分别检测RF发射部件的功率放大器的RF电流和RF电压，并确定提供给负载的功率的装置，而与负载的阻抗无关。

所述无线通信设备的功率调整装置具体地用于将所需功率与测得功率进行比较，以便使功率放大器与负载之间的失配最小。

另外要说明的是，各权利要求中的任何附图标记都不应理解为限制本发明的范围。

附图说明

以下将参照附图更为详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1表示本发明电子电路的各个电子部件的方框图；

图2参照图1中所示的电子部件，表示电子电路的详细电路图。

附图标记列表：

100：电子电路

101：输入端

102：RF功率放大器

103：功率输出端

104：电流检测晶体管

105：低通滤波器

106：DC偏移晶体管

108：电压检测模块

110：相干检测器

112：低通滤波器

114：电流镜

115：电流镜

116：对数转换器

118：放大器

120：反射镜模块

122：输入端

124：输入端

126：输入端

128：输入端

130：输出端

具体实施方式

图1表示本发明的电子电路100的示意方框图。电子电路100用于测量RF功率放大器的输出功率。电子电路100具有检测模块120、相干检测器模块110、低通滤波器112、两个电流镜114、115、对数转换器116、放大器118，以及输出端130。检测模块120具有电流检测晶体管104和DC偏移晶体管106。检测模块120的部件用于检测和抽取RF功率放大器102的RF电流以及DC偏移。RF功率放大器102最好为RF晶体管，它基极作为功率放大器的输入端。最好使RF晶体管102的集电极与功率放大器的用于将放大信号耦合到负载的输出端103相连。

检测模块120的部件104和106通过不同路径与RF晶体管102耦合。电流检测晶体管104的基极最好与RF晶体管102的基极耦合，其集电极最好与相干检测器110的发射极122耦合。通常，电流检测晶体管104为RF晶体管102按比例缩小的复制。从而，流过晶体管104的电流也是流过RF晶体管102电流按比例缩小的复制。

DC偏移晶体管106通常也为RF晶体管102按比例缩小的复制，它的基极最好通过低通滤波器105与RF晶体管102的基极耦合，它集电极与吉尔伯特象限仪110的第二发射极126耦合。DC偏移晶体管106用于测量RF晶体管102中流动的静态电流。从而，将输入提供给相干检测器110，可以有效地用于DC偏移补偿，从而增大整个电子电路100的动态范围。

可以通过特征在于具有极低电容的电容器实现所述电压检测模块108，以便将电压检测模块对晶体管102的集电极-发射极电压的冲击保持在最低的大小。电压检测模块108-因此而它的耦合电容器-可与输出端103或RF晶体管102的集电极耦合；也可以与吉尔伯特象限仪128的一个基极耦合。吉尔伯特象限仪的其它输入端124与同电压检测模块108所提供的RF电压信号反相的电压信号耦合。或者作为选择，可以给所述吉尔伯特象限仪110的第二基极124提供一个与提供给吉尔伯特象限仪110的基极128的RF电压信号的DC偏移相应的DC电压。

于是，检测模块120提供RF电流信号，电压检测模块108将RF电压信号提供给吉尔伯特象限仪110，而吉尔伯特象限仪110用于将所接收的RF电流与RF电压相乘，从而产生表示RF晶体管102所提供的实际功率的输出信号。由于所述功率信号基于电压与电流的乘积，因此，所产生的功率信号完全与同RF晶体管102的输出端103耦合的负载阻抗隔绝开。因而，足以在不考虑瞬时负载阻抗的条件下确定功率。由于吉尔伯特象限仪110为双平衡混合器，它被用于将输入的RF信息直接转换成DC输出信息。按照这种方式，对于确定的功率，不需要附加的整流和积分模块。

吉尔伯特象限仪110产生微分输出，被提供给用于滤除输出信号的高频分量的低通滤波器112，其中，利用吉尔伯特象限仪110执行的乘积不可避免的具有作为副产品的高频分量。通常，利用低通滤波器112滤除和抑制两个RF分量。

在通过低通滤波器12之后，信号被输送到电流镜114中，用于去除功率信号中的DC分量。由此，可以有效地消除吉尔伯特象限仪的比如任何共态赝像。

随后，剩余信号被提供给第二电流镜115，产生信号的反相。由于电压空间的缘故，这种反相特别有益。

在去除这种DC分量之后，将剩余信号提供给对数转换器116，其中所述对数转换器用作具有对数转移函数的电流-电压转换器。由此，所产生的信号不再与RF晶体管102所提供的功率成线性正比，而以dB标度表示功率。

在对数转换之后，通常利用放大器118将已转换的信号放大，其中放大器118可以为传统的功率放大器。最后，在输出端130处提取放大信号。从而，可用于进行进一步处理和/或对RF晶体管102所执行的放大进行调整。由此，可精确地确定RF晶体管102所提供的实际功率，而与负载阻抗无关。将本发明的电子电路100实现为控制环，可以有效地动态适应和动态控制RF晶体管的输出功率。从而，可有效地控制功率放大器的输出功率，使负载失配最小，从而有效地防止有可能损坏RF晶体管102的过流或电压峰值产生。

图2以示意的方式，参照图1中所示各个电子部件，示出电子电路的详细电路图。有如从图2所能看出的，由四个分离的晶体管一起来实现吉尔伯特象限仪110，并由三个耦合的晶体管来实现RF晶体管102。明确表示出电流检测晶体管104和用于DC偏移补偿的晶体管106与RF晶体管102和吉尔伯特象限仪110耦合。电压检测模块108表示为电容，吉尔伯特象限仪的基极124与DC电压耦合。晶体管104和106的集电极分别与吉尔伯特象限仪108的发射极122和126耦合。

绝不应将本发明的电子电路100局限于某种独特的电子技术。原则上讲，可以在双极性装置或硅基技术的基础上实现电子电路100的各个部件。实际上，所有电子部件，电流检测晶体管104，DC偏移晶体管106，相干检测器或吉尔伯特象限仪110，低通滤波器112，电流镜114以及对数转换器116和放大器118，都可以是基于金属氧化物半导体技术(MOS)或互补金属氧化物半导体技术(CMOS)的。最好是可以在硅双极技术的基础上实现对数转换器116。可以在镓化砷(GaAs)异质结双极性晶体管(HBT)技术的基础上实现电流镜114的晶体管以及相干检测器或吉尔伯特象限仪110。

Claims (8)

1.一种用于测量射频功率放大器(102)输出功率的电子电路(100)，所述电子电路包括：

-第一晶体管(104)，用以检测射频功率放大器的输出电流，并提供射频电流信号，

-电压检测模块(108)，用以检测射频功率放大器的输出电压，并提供射频电压信号，

-相干检测器(110)，它适于将射频电压信号与射频电流信号相乘；以及

-第一电流镜(114)，用以去除相干检测器的输出中的DC分量。

2.根据权利要求1所述的电子电路(100)，其中，所述相干检测器(100)为吉尔伯特象限仪，用以将射频电流信号与射频电压信号相乘，并以微分输出形式给出乘积信号。

3.根据权利要求1所述的电子电路(100)，其中，提供给相干检测器(110)的所述射频电压信号包括第一射频电压信号和第二射频电压信号；所述第一射频电压信号与第二射频电压信号反相。

4.根据权利要求1所述的电子电路(100)，其中，还包括第二晶体管(106)，根据检测射频功率放大器(102)的静态电流产生DC偏移信号；所述第二晶体管还用于将DC偏移信号提供给相干检测器(110)。

5.根据权利要求4所述的电子电路(100)，其中，所述第二晶体管(106)通过低通放大器与射频功率放大器耦合。

6.根据权利要求1所述的电子电路(100)，其中，还包括低通滤波器(112)，用于抑制相干检测器的输出中的射频分量。

7.根据权利要求5所述的电子电路(100)，其中，还包括对数转换器模块(116)，用于将相干检测器(110)的输出转换成电压，以对数标度表示射频功率放大器(102)的功率。

8.一种无线通信设备，它具有射频发射单元、射频功率放大器(102)，以及用于对射频发射单元发射的功率进行调整的功率调整装置，所述无线通信设备包括权利要求1所述的用于测量射频功率放大器(102)输出功率的电子电路(100)。

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