CN101432973A - 发射机、功率放大器和滤波方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种滤波方法，收发机和发射机。该发射机包括用来放大RF信号并且具有多个级的功率放大器和本地振荡器，该功率放大器包括阻抗电路，该阻抗电路位于该功率放大器的至少两个级之间，用于在与本地振荡器频率相关的频率上形成阻抗，还包括开关，用于开关切换阻抗电路装置的阻抗以达到RF频率。

Description

发射机、功率放大器和滤波方法

技术领域

本发明涉及收发机中的发射机和功率放大器的滤波，尤其涉及在射频(RF)发射机和射频(RF)功率放大器中的滤波。

背景技术

在多无线概念中，不同无线系统的数量始终在增长，不同无线电系统的互操作性是一个挑战。工作于不同频带的不同无线系统需要互不干扰地进行适当的操作，即使它们是在同一时间进行操作。这对接收机链和发射机链二者都有严格的要求，尤其是在收发机中，其中在收发机的发射机具有高功率电平的同时，收发机的接收机正在接收一个弱信号。

在发射机中，功率放大器用来将要被传送的信号放大到所需的功率电平。然而，功率放大器通常具有宽的带宽。因此，它们不仅在期望的发射机频带上而且在期望的频带以外放大要被传送的信号。在这种情况下，一个不希望的接收机频带被以同样的增益放大。在功率放大器后，有一个紧密滤波器，它在由天线发送功率之前过滤掉这些不希望的接收机频带信号。这种滤波器的要求严格，并且还会引起对发射机路径的损耗。接着，这不得不使用来自功率放大器的提高的输出功率进行补偿。这降低了总的发射机效率，并导致能量消耗增加和诸如移动电话的便携式发射机的发热量增加。

此外，功率放大器之前的发射机路径的噪声要求非常严格，以保证功率放大器之前的噪声电平不会太高。这需要确保功率放大器之后的滤波器能够把接收机频带噪声电平降低到足够低。如果在功率放大器之前没有进行滤波，功率放大器之后的滤波器能力将限制功率放大器的最大增益，并且会增加功率放大器之前收发机块的所需的输出功率。

传统上，在发射机的前端模块中，在功率放大器之后对大部分不希望的噪声执行滤波，发射机的前端模块包括开关和滤波器。由于功率放大器的增益在发射机频带和接收机频带中是恒定的，所以对于功率放大器之后的滤波器设置了严格的要求以降低接收机频带的信号电平。

图1示出了传统的发射机前端的一部分。该前端包括功率放大器100和连接到该功率放大器输出的带通滤波器102。功率放大器包括多个放大器级104、106和放大器级之后的匹配电路108。图2A示出了功率放大器输入处的RF信号和噪声强度。X轴表示频率，Y轴表示信号强度。TX箭头200表示在期望的发射频率上的信号强度。此外，示出了噪音电平202。RX表示接收机频带。图2B示出了功率放大器输出处的RF信号强度。由于功率放大器是一个宽频带放大器，所以RF信号在所有的频带上都被放大。期望的发射202和噪声信号202二者都被放大。图2C示出了带通滤波器102输出处的RF信号强度。RX频带上的噪声信号强度202已经有所减少。

发明内容

本发明的一个目的是为发射机和功率放大器的滤波提供一个改进的方案。根据本发明的一个方面，提供一种发射机，包括放大RF信号并且具有多个级的功率放大器，以及一个本地振荡器，该功率放大器包括在功率放大器的至少两级之间的一个阻抗电路，用于在与本地振荡器频率相关的频率处形成阻抗，以及开关，用于开关切换阻抗电路的阻抗以达到RF频率。

根据本发明的另一方面，提供一种发射机中的功率放大器，包括一个本地振荡器，该功率放大器放大RF信号并具有多个级，该功率放大器包括位于功率放大器的至少两级之间的阻抗电路装置，用于在与本地振荡器频率相关的频率处形成阻抗，以及开关装置，用于开关切换阻抗电路装置的阻抗以达到RF频率。

根据本发明的另一方面，提供一种滤波方法，该方法包括：在功率放大器的多个放大级中放大RF信号，在位于至少两个级之间的阻抗电路中形成与接收机本地振荡器频率相关的频率处的阻抗，以及开关切换所形成的阻抗以达到RF频率。

根据本发明的另一方面，提供一种发射机的滤波方法，该方法包括：在发射机的功率放大器的多个放大级中放大RF信号，在位于至少两个级之间的阻抗电路中形成与接收机本地振荡器频率相关的频率处的阻抗，使用开关布置向RF频率开关切换所生成的阻抗。

根据本发明的又一方面，提供一种收发机，包括发射机，该发射机具有用于放大RF信号并具有多个级的功率放大器以及本地振荡器，该功率放大器包括位于功率放大器的至少两级之间的阻抗电路装置，用于在与本地振荡器频率相关的频率处形成阻抗，以及开关装置，用于开关切换阻抗电路装置的阻抗以达到RF频率。

本发明的实施例提供了多个优点。可以放松功率放大器之后的滤波要求。在收发机中，也放松了双工滤波器的接收机频带滤波的要求。放松的衰减要求也减少了发射机频带在双工滤波器上的损耗，进而增加了发射机链的总效率。如果功率放大器之后的发射机链的损耗降低0.1dB，则放大器效率约能增长1％。因此，节省0.5dB的损耗可以提高5％个单位的功率放大器效率。这降低了功率放大器生成的热量，并且因此也增大了功率放大器的可靠性。此外，不需要在功率放大器的输入处增加额外的滤波器，就能增大功率放大器的增益。这意味着，所要求的无线频率集成电路(RFIC)的输出功率可以被降低。

所提出的滤波布置的设计简单，其可以被配置为以最小限度的改变来在不同频带上使用。所用频带的改变可以由软件来执行。

附图说明

以下，参考实施例和附图，将更详细地阐述本发明，其中：

图1示出了现有技术中发射机前端的示例；

图2A至图2C示出了现有技术中发射机不同部分的信号强度的示例；

图3示出了一个在其中可应用本发明的实施例的通信系统的示例；

图4示出了一个在其中可应用本发明的实施例的收发机前端的示例；

图5示出了本发明实施例的发射机前端的示例；

图6A至图6C示出了本发明实施例的发射机不同部分的信号强度的示例；

图7示出了本发明实施例的可调带通滤波器的示例；

图8示出了根据本发明实施例的发射机前端的功率放大器的另一个示例；

图9A至图9C示出了带通滤波器的其它示例；

图10示出了带通滤波器的另一个示例；

图11示出了本发明实施例的可调带通滤波器的另一个示例；

图12示出了图11中的过滤器的模拟转移函数；以及

图13示出了可调带通滤波器的另一示例。

具体实施方式

参考图3，研究一个在其中可应用本发明实施例的通信系统的示例。图3示出基站300，其与终端设备302、304、306和308连接。终端设备302和308也可以与另一个基站310进行联系。基站300和终端设备302、304、306和308包括一个RF收发机。本发明的实施例既可以应用于基站也可以应用于终端设备上。

在其中可应用本发明实施例的通信系统中，可以使用不同的多址接入方法。系统可利用CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)、WCDMA(Wide CDMA，宽带码分多址)或TDMA(TimeDivision Multiple Access，时分多址)。所使用的接入方法与本发明的实施例无关。

本发明的实施例不局限于通信系统的发射机、收发机或发射机的功率放大器，本发明的实施例可以应用于任何发射机、收发机或发射机的功率放大器，尤其适用于RF收发机、RF发射机和RF功率放大器。

图4说明了一个在其中可应用本发明实施例的收发机前端的示例。该收发机包括连接到发射机402和接收机404的天线400。发射机402的前端包括功率放大器406和位于天线与放大器之间的外部滤波器408。该滤波器可以是SAW滤波器或BAW滤波器，滤波器阻止接收机404接收的信号到达发射机402的功率放大器406，并且对功率放大器放大的信号进行滤波。也可以使用其它的滤波器布置。接收机404的前端包括串联的带通滤波器410和低噪声放大器414。

图5说明了根据本发明实施例的发射机前端的一部分。该前端包括功率放大器500和连接在功率放大器输出处的带通滤波器502。此外，图5示出了发射机的控制器单元514。功率放大器500包括多放大器级504、506和与最后一个级的输出相连接的匹配电路508。该功率放大器进一步包括位于功率放大器500的至少两个放大级之间的带通滤波器510。本实施例中，在功率放大器级内实施滤波，以使功率放大器之后的滤波器的滤波要求可以降低。此外，还降低了对功率放大器之前的发射机路径的输出功率和期望噪声的要求。

带通滤波器510是可调的，从而使得不同的频段和模式(例如GSM1800，GSM1900，WCDMA1900和WCDMA2100)可以使用相同的功率放大器。滤波器510在频率和带宽方面是可调的。例如，滤波器可以由来自发射机的控制器单元514生成的控制信号512进行控制。

图6A说明了功率放大器500输入处的RF信号强度和噪声强度。X轴表示频率，Y轴表示信号强度。TX箭头600表示期望传输频率上的信号强度。此外，示出了噪声电平602。RX代表接收机频带。附图6B示出功率放大器500输出处的RF信号强度。由于功率放大器是宽带放大器，所以RF信号在所有频带被放大。然而，由于带通滤波器510，RX接收机频带频率处的噪声信号602相比图2B中的现有技术的方案已经被大大地削弱了。图6C示出带通滤波器502输出处的RF信号强度。相比图2C中的现有技术的方案，RX频带的噪声信号602的强度被更多地减少，而且衰减得更好。

图7示出了带通滤波器510的一个示例。该滤波器包括具有电阻R的电阻器700，以及四个并联放置的电容器702、704、706和708。电容器分别具有电容C1、C2、C3和C4。每个电容器置于一个开关710、712、714和716之后。控制这些开关以用于交替地开关切换四个并联电容器，使得每个开关在时间周期的25％的时间中是处于开的状态。电容器开关710、712、714和716的开关切换频率与本地振荡器频率相关。如果输入RF频率与电容器开关710、712、714和716的开关切换频率不同，则电容器将利用频率差进行充电，由此建立一个带通滤波器响应，其具有拐角频率：

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}},$

其中C＝C1+C2+C3+C4。

图8说明了根据本发明实施例的发射机前端的功率放大器800。这里，使用图7中的带通滤波器。该功率放大器包括多放大器级504、506和连接到最后一级输出处的匹配电路508。功率放大器还包括一个连接在功率放大器的至少两级放大级504、506之间的带通滤波器802。该滤波器包括如结合图7所描述的电容器和开关。该功率放大器还包括带通滤波器802之前和之后的匹配电路804、806。

通过调整用于控制开关的信号808的频率，滤波器802可以被调制到不同的频带。例如，频率可从发射机的本地振荡器810导出并且可以被发射机的控制器单元514控制。

图9A、图9B和图9C进一步阐述了功率放大器的至少两个放大级之间的带通滤波器510的操作，图9A、图9B和图9C是滤波器510的一个简单的示意性示例。图9A、图9B和图9C的实施例使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为开关。

在图9A所示的本发明的一个实施例中，滤波器包括MOSFET开关900，控制信号904、906控制着开关900在开和关状态之间开关切换。信号904、906的频率与LO(本地振荡器)信号相关。滤波器还包括与开关900连接的电容器C902。由于MOSFET 900在开和关状态之间开关切换，所以电容器也在作为MOSFET的输入的RF-P与RF-M端口之间进行开关切换。参见图8，端口RF-P和端口RF-M接收来自具有电阻R的匹配电路804的信号。这里应该注意到，电阻可以是以下形式的普通阻抗：Z＝a+bj ohm。

在本发明的一个实施例中，信号904和906的频率与本地振荡器的信号的频率并不是严格相同的，而是由本地振荡器的信号频率产生的。

如果RF-P和RF—M端口进入的RF信号的频率与信号904、906的频率不同，则电容器C 902将被一个信号充电，此信号的频率为RF和信号904、906的频率之差。驱动阻抗是匹配电路804的阻抗R。由此引发的结果是，在频率为F_LO+F_RC处进行阻抗滤波，其中，F_LO是LO信号的频率，F_RC是电阻R和电容器C 902的拐角频率(即，1/2πRC)。

这就是说，滤波器510是一个带通滤波器，其带通拐角频率(也叫做-3dB频率或半功率频率)分别为F_LO+F_RC和F_LO-F_RC。

滤波器510的形状很陡峭，因为衰减根据对应于低频率的RC常数而增加。研究一个例子。如果LO频率是2GHz，而RC时间常数等于2MHz，则频率为2.002GHz的信号衰减3dB。如果将RC-3dB点处的频率作为标准，则将在约20.002GHz(即，距离一个数量级)频率处达到20dB衰减。采用转移阻抗滤波器510，20dB衰减将在2.020GHz(即，距离RC频率2MHz一个数量级)处达到。因此，将(由RC常数所定义的)低频率转移到RF频率。相对于可能的现有技术的解决方法而言，这是一个显著的提高。

因此，在本发明的实施例中，滤波器包括用于在由本地振荡器的频率导出的频率处形成阻抗的装置，以及用于向RF频率开关切换该阻抗的开关。

应该注意到，使用本发明描述的方法，其它阻抗可以被转移到更高的滤波频率。在附图9A所示的实施例中，电容器902用来作为滤波器510的阻抗。然而，任何阻抗Z都可以替代电容器。图9A中的电容器902可以例如被LC-振荡器替代，或者被电容器和放大器的组合替代。图9B和图9C示出了选择使用LC振荡器的例子。

附图9B所示的实施例中，加入了电感器L908与电容器C 902串联(与图9A比较)，滤波器的中心频率(或参考频率)由F_LO-F_LC或F_LO+F_LC给出，其中，F_LO是提供给滤波器510的本地振荡器频率904、906，F_LC是LC谐振频率，由 $F_{\mathrm{LC}}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ 给出。例如，F_LC可以低至900kHz。这种情况下，由此产生的滤波器的中心频率可以是F_LO-900kHz或F_LO+900kHz。

此外，根据图9C所示的实施例，加入了电感器L 910与电容器C902并联(与图4A比较)，LC谐振频率F_LC由 $F_{\mathrm{LC}}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ 给出。需要注意，对于具有中心频率F_LO+F_LC或F_LO-F_LC的谐振曲线，带通的拐角频率(-3dB频率)(除了依据电阻R和电容器C 902以外)取决于电感器L 910。因此，如果电感器L 910与电容器C 902是并联放置的，则在F_LO+F_LC或F_LO-F_LC的谐振频率周围存在窄通带，其中， $F_{\mathrm{LC}}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}.$

例如，利用运算放大器(模仿电感器)通过电容器产生电感器908或910，或者，通过制造二(或更高)阶滤波器来产生电感器908或910，其中通过产生具有量级退化的阻抗作为二阶滤波器响应由此提供低区域、高性能的滤波器系统来制造这种滤波器。

滤波器510的上述提到的结构可以有多种变化。可以注意到，图9A、图9B和图9C的示例中使用的NMOS型开关可以是其它类型的。

此外，可以清楚地理解到，根据本发明，本发明所描述的技术可以提供一个宽范围的LC谐振频率和被转移到无线频率滤波的阻抗。而且，以上描述的附图中的示例使用差分(即，正和负)信号，然而本发明的方法也可以用于只有一根信号线的单端系统。

信号904、906的频率与LO(本地振荡器)信号相关。该频率可以是从本地振荡器信号的频率导出的，该频率也可以被锁定到本地振荡器信号的频率。信号可以在本地振荡器中生成或者在一个单独的振荡器中生成。

图10示出了带通滤波器510的一个更完整的示例。在图10所示的示例中，滤波器包括单独的I分支1000和Q分支1002。如图9A所示的示例一样，存在信号RF-P和RF-M作为输入。在本实施例中，由本地震荡器信号导出四个信号。在滤波器I分支1000上存在F_LO-IP904A和F_LO-IM 906A。在滤波器Q分支1002上存在F_LO-QP 904B和F_LO-QM 906B。F_LO-IP和F_LO-QP的相位差为90度，F_LO-IM和F_LO-QM的相位差也是90度。F_LO-IP和F_LO-IM的相位差为180度，F_LO-QP和F_LO-QM的相位差也为90度。

图11示出了带通滤波器510的另一个示例，其中应用了串联的LC电路。在本实施例中，滤波器包括电感布置1100，它与开关1110、1112、1114和1116以及四个电容器1102、1104、1106和1108串联连接。该电容器分别具有电容C1、C2、C3和C4。电容器开关1110、1112、1114和1116的开关切换频率与本地振荡器频率相关。电感布置1100由一个或多个电感构成。Z_in和Z_out分别与输入和输出阻抗相匹配。

在本实施例中，具有电感L1的电感布置1100在RF频率处，并且电容器1102、1104、1106和1108在本地振荡器频率处且由四个开关转移到RF频率。由于电感布置1100在RF频率处，所以L1的值较小，并且这在集成电路中是易于实现的。

图12示出了图11电路的模拟的转移函数。在本示例中，所使用的值为L1＝2.1nH，Cn＝330pF，n＝1...4，Z_in＝Z_out＝50W，开关的阻抗为R_sw＝2W。开关通过本地振荡器信号在开状态和关状态之间进行开关切换，本地振荡器频率例如是900MHz。在该示例中，对不希望的信号的衰减在与载波频率距离10MHz处最大，而当偏离载波频率时减小。在图7的电路中，实现了一个到本地振荡器信号另一侧的镜像响应，建立一个带槽的带通响应。

通过使用可变电容器替代具有离散值的离散电容器，可以进一步调整槽的距离。这是非常有用的，尤其是在双工距离并不固定而是可变的系统中(例如，WCDMA或3.9G系统可使用可变双工距离)。

图13示出了可调带通滤波器的又一个示例。X轴代表频率(以MHz表示)，Y轴表示与被发送信号的功率相关的功率(以dBc表示)。在该示例中，该滤波器包括第二开关布置1300、1302，该开关布置连接于电感器布置1100和开关1110、1112、1114和1116以及四个电容器1102、1104、1106和1108之间。开关1300、1302通过本地振荡器信号进行开关切换，而开关1110、1112、1114和1116通过倍频进行开关切换。

当在收发机中使用如图11和图13的实施例时，可以放松收发机双工器的RX频带滤波要求。放松的衰减要求也减少了双工器的TX频带的损耗，提高了发射机链的总效率。如果功率放大器之后的TX链的损耗降低0.1dB，则可达到功率放大器效率约提高1％。因此，节省0.5dB的损耗可以提高功率放大器5％个单位的效率，降低了功率放大器生成的热量，由此还提高功率放大器的可靠性。此外，不需要在功率放大器的输入处增加额外的滤波器，就能提高功率放大器的增益。这意味着，需要较少的无线频率集成电路(RFIC)的输出功率。

此外，由于电感器布置的电感，开关1110、1112、1114和1116的阻抗电平被增大。因此，可以减少开关的尺寸，并且这些开关的驱动器不需要驱动如此大的电流，从而降低了能耗。

除了这里使用的只作为说明性示例的功率放大器以外，图11和图13的实施例可以以各种装置实施。

在一个实施例中，本发明适用于支持多个频带的多频带收发机。该收发机可以包括多于一个的本地振荡器。当收发机在给定频带上进行发射和接收时，使用给定频带的本地振荡器并将其切换到滤波器510。切换可以在控制单元514的控制下执行。

尽管参照根据附图的示例描述了本发明，清楚的是，本发明并不限于此，可以在所附权利要求书支持的范围内以不同的方式进行修改。

Claims (19)

1.一种发射机，包括放大RF信号并具有多个级的功率放大器，以及本地振荡器，该功率放大器包括位于该功率放大器的至少两级之间的

阻抗电路，用于在与该本地振荡器的频率相关的频率处形成阻抗，以及

开关，用于开关切换该阻抗电路的阻抗以达到RF频率。

2.如权利要求1所述的发射机，包括至少一个控制该开关的控制信号，该信号具有与该本地振荡器的频率相关的频率。

3.如权利要求1所述的发射机，包括控制装置，用于控制与该本地振荡器的频率相关的频率。

4.如权利要求1所述的发射机，其中，该阻抗电路是利用电容器来实现的。

5.如权利要求1所述的发射机，其中，该发射机的RF部分被集成在集成电路中，并且该开关和该阻抗电路也被集成在同一芯片上。

6.如权利要求1所述的发射机，还包括一个串联在该开关和阻抗电路之前的电感布置。

7.如权利要求6所述的发射机，还包括连接在该电感布置和该开关和阻抗电路之间的第二开关。

8.一种发射机的功率放大器，包括本地振荡器，该功率放大器放大RF信号并具有多个级，该功率放大器包括位于功率放大器的至少两级之间的

阻抗电路装置，用于在与该本地振荡器的频率相关的频率处形成阻抗，以及

开关装置，用于开关切换该阻抗电路装置的阻抗以达到RF频率。

9.如权利要求8所述的功率放大器，包括至少一个控制该开关装置的控制信号，该信号具有与该本地振荡器的频率相关的频率。

10.如权利要求8所述的功率放大器，还包括一个串联在该开关装置和阻抗电路装置之前的电感布置。

11.如权利要求10所述的功率放大器，还包括连接在该电感布置和该开关装置和阻抗电路装置之间的第二开关装置。

12.一种滤波方法，该方法包括：

在功率放大器的多个放大级中放大RF信号，

在位于至少两个级之间的阻抗电路中且在与接收机本地振荡器的频率相关的频率处形成阻抗，以及

开关切换所形成的阻抗以达到RF频率。

13.如权利要求12所述的方法，其中，由至少一个控制信号控制该开关切换，该信号具有与该接收机的本地振荡器频率相关的频率。

14.如权利要求12所述的方法，还包括

通过调整与该接收机的本地振荡器频率相关的频率，来控制滤波器通带的中心频率。

15.如权利要求12所述的方法，其中，与该本地振荡器频率相关的频率是从该本地振荡器的频率导出的。

16.如权利要求12所述的方法，其中，与该本地振荡器频率相关的频率被锁定在该本地振荡器的频率。

17.如权利要求12所述的方法，还包括

在串联连接在该阻抗电路之前的电感器布置中形成RF频率处的附加阻抗。

18.一种在发射机中的滤波方法，该方法包括：

在该发射机的功率放大器的多个放大级中放大RF信号，

在位于至少两个级之间的阻抗电路中且在与接收机本地振荡器的频率相关的频率处形成阻抗，以及

通过开关布置开关切换所生成的阻抗以达到RF频率。

19.一种收发机，包括发射机，该发射机具有放大RF信号并具有多个级的功率放大器以及本地振荡器，该功率放大器包括位于该功率放大器的至少两级之间的

阻抗电路装置，用于在与该本地振荡器的频率相关的频率处形成阻抗，以及

开关装置，用于开关切换该阻抗电路装置的阻抗以达到RF频率。

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