CN101911486A - 用于射频信号的功率放大器滤波器 - Google Patents

Abstract

一种用于射频信号的、具有异相型架构的功率放大器滤波器，包括：能够从输入信号s(t)生成两个信号S₁(t)、S₂(t)的第一级(2)，其中，所述两个信号S₁(t)、S₂(t)具有相同幅度，但是相位相对于彼此偏移；用于所述信号S₁(t)、S₂(t)的第二放大器级(3)；以及能够对从第二级(3)获得的两个信号s′₁(t)、s′₂(t)求和的第三重组级(4)，所述滤波器特征在于重组级(4)包括彼此耦合的声波谐振器集，其中，被称为“输入谐振器”的部分这些谐振器连接到第二级(4)的输出，并且被称为“输出谐振器”的其它这些谐振器连接到滤波器的输出端。

Description

用于射频信号的功率放大器滤波器

技术领域

本发明涉及在信号处理和放大链中使用的、特别用于移动通信终端的电子放大器模块的领域。更特别地，涉及使用体声波(bulk-acoustic wave)谐振器型部件的放大器架构，该部件使得有可能相对于性能和放大质量而最优化功耗。

背景技术

诸如移动电话和其它计算终端的许多移动通信装置通过在射频带发送并接收波来工作。这些装置包括将信号馈送到天线的传送模块，其中，基于数据信号(一般而言，其是数字的)而生成了所述信号。

在性能方面，需要关于各种参数被分析这些传送模块。因此，就它们被安装的装置常常是便携式的方面来说，一个重要的标准是它们的功耗，因为这对装置的电池寿命具有直接影响。因此，通常试图实现低功耗。

另外，由于谱占用的原因，信号在传输之前经历相位和幅度调制操作。然而，一般而言，具有非恒定幅度或可变包络的信号对可以使用的放大器的类型施加限制。实际上，为了避免失真，优选地使用线性响应放大器来放大具有非恒定幅度的信号。

不幸的是，在功耗方面，线性放大器表现差于非线性放大器。

另外，记住共享同一频带的通信系统的谱装填(packing)密度必须要确保传输系统通过使用高选择性的输出滤波，在相邻频带中生成极其少的干扰。

已开发了某些技术，以便允许使用非线性放大器来放大具有非恒定幅度的信号。被称为“异相”的技术使得有可能实现满意的结果。该技术涉及使用可变幅度信号来生成具有相位差的两个恒定幅度信号，该相位差取决于原始信号的幅度而变化。

因为幅度信息不再是信息载体，因此具有恒定幅度的这两个中间信号可以由非线性放大器放大，而不会有引入信号失真的任何风险。

这两个中间信号通过重组级相加。由于两个中间信号的相反相位差，该重组使得有可能获得具有与原始信号的功能相同功能的、但是放大之后的可变幅度输出信号。

基于由CHIREIX在“High power outphasing modulation”，ProcIRE，卷23，1935年11月，1370页到1392页中描述的理论工作的该“异相”技术成为了各种改进的主题，包括在文献US 2006/0078067中描述的。

目前，使用“异相”工作原理的放大器模块使用信号重组级，其采用无源部件，诸如变压器、四分之一波长传输线或者磁耦合器。这样的部件本来相对庞大，并且大体上表现较差，因此不适合在移动终端的应用中使用。

因此，本发明的目的之一是提供解决方案，以产生在总体尺寸和效率方面可接受的重组级。

发明内容

因此，本发明涉及用于射频信号的、具有“异相”型架构的功率放大器滤波器。经典地，该架构包括能够从一个输入信号生成两个信号的第一级，其中，所述两个信号具有相同幅度，但是相位取决于输入信号的幅度而相对于彼此偏移。该滤波器还包括用于如此生成的两个信号的第二放大器级，以及能够将在放大之后从第二级获得的两个信号相加的第三重组级。

根据本发明，滤波器特征在于，重组级包括彼此耦合的体声波谐振器集，其中，被称为“输入谐振器”的部分这些谐振器连接到第二级的输出，并且被称为“输出谐振器”的其它这些谐振器连接到滤波器的输出端。

换句话说，本发明涉及通过使用体声波滤波器来确保两个放大后信号的重组，该体声波滤波器也被称为BAW-CRF或“体声波耦合谐振器滤波器”。

因为重组级的输入谐振器没有电耦合到输出谐振器，因此该类滤波器特别适合“异相”放大器的重组级。另外，BAW-CRF滤波器在效率方面的性能结合它们非常紧凑的尺寸，使得它们成为用于移动设备中的异相型滤波的可接受的解决方案。

BAW-CRF滤波器包括通过声学无源层集耦合的若干体声波谐振器的堆叠。每个谐振器包括夹在两个电极之间的压电层。

实际上，取决于谐振器的数目和各个谐振器相对于彼此布置的方式，可以使用各种架构以产生重组级。

在第一实施例中，输入谐振器有可能声学耦合到输出谐振器，然后，输出谐振器的电极形成滤波器的输出端。

换句话说，在声能沿着其传播的轴上，以堆叠配置产生输入谐振器和输出谐振器。由每个输入谐振器输出的两个声信号通过传播通过这些谐振器之间的各个机械耦合层而在输出谐振器内重组。

在第二实施例中，输出谐振器可以彼此电连接，使得由每个输出谐振器生成的电信号被组合，以输出重组后的总信号，例如，如果输出谐振器串联电连接，则通过电压求和组合电信号。

实际上，可以通过声学耦合层或通过一个或多个系列的中间谐振器在输入谐振器与输出谐振器之间直接传送能量。

实际上，就输入谐振器之间还有输出谐振器之间的电连接而言，有可能提供特定布置以确保阻抗匹配。因此，连接到放大器级的输出之一的各个输入谐振器可并联电连接，而相应的输出谐振器可全部串联连接，这使得有可能获得重组级的输入相对于它的输出之间的阻抗转换。

因此，输出阻抗可以相对于天线处的阻抗值而改变。

在一个有利的实施例中，放大器滤波器可包括在第一和第二级之间(即功率放大器的上游)安装的中间滤波器级。为了提高它的紧密度，该中间滤波器级可有利地包括声波耦合谐振器集。

附图说明

为了可更容易地理解实施本发明的方式和它得到的优点，参照附图，给出了以下描述。

图1是根据本发明的滤波器系统的整体示意图，在图2中示出了系统的操作。

图3和4是声谐振器滤波器的示意横截面图。

图5是示出重组级的第一实施例的图。

图6、7以及8是示出其它实施例的类似图。

具体实施方式

如已经阐述的那样，本发明涉及用于射频信号的、具有如图1所示的整体架构的功率放大器滤波器。因此，滤波器(1)具有第一级(2)，其在它的输入处接收要放大的信号S(t)。该第一级(2)输出两个信号S₁(t)和S₂(t)。第二级(3)提供功率放大。该放大器级(3)输出两个放大后的信号S′₁(t)和S′₂(t)。第三重组级(4)将放大后的信号S₃(t)输出到天线(6)。

该滤波器(1)根据在图2中示出的所谓异相放大原理来工作。

输入信号S(t)具有可变幅度，s(t)＝A(t)·cos(ωt)。第一级(2)的功能是根据以下等式从输入信号S(t)生成两个信号，所述两个信号具有恒定幅度A₀，但是相对于彼此异相分别超前或滞后相位差

相位差

被选择作为输入信号的状态的幅度A的函数第二级(3)使用放大器结构来放大如此生成的两个信号，其中，可以有利地选择所述放大器结构具有非线性特性，以便最优化能量效率。

根据下面两个等式来放大如此生成的两个信号：

第三明显不同的级(4)重组两个信号s′₁(t)、s′₂(t)，以便对它们求和。该求和使得有可能获得如下定义的信号s₃：

由于两个中间信号S′₁(t)和S′₂(t)的相反相位差，所以该求和使得有可能根据以下等式获得与放大后的输入信号S(t)对应的输出信号s₃：

因此，使用非线性放大器级，针对具有可变幅度或可变包络的信号实现具有非常低失真的整体放大。

根据本发明，第三重组级(4)基于包括彼此耦合的体声波谐振器的滤波器。

通过缩写BAW-CRF提及这样的滤波器，并且取决于表示的结构，在图3中示意性地示出了它们的简化操作。

这样的滤波器结构包括两个谐振器(10，11)。每个谐振器包括夹在两个电极(13，14)之间的中心压电层(12)。第二谐振器(11)包括类似结构，其中，中心层(15)夹在两个电极(16，17)之间。

两个谐振器(10，11)通过层集分离。该层集(20)包括低声阻抗层(21，22)，高声阻抗层(23)插入在它们之间。在示出的示例中，表示的层的数目是三，但是取决于特定应用，该数目可以更大。经典地，在低声阻抗层的情况下，使用的材料是电介质材料，或者在高声阻抗层的情况下，使用的材料是金属材料。因此，横跨第一谐振器的两个电极(13，14)施加的电信号使得生成声场。该声场在由这些堆叠的层的声学特性定义的频带中穿过所有耦合层(21-23)。

因此，声场作用于第二谐振器的中心层(15)，并且使得电信号横跨第二谐振器的电极(16，17)的端子。

在图4中示出的一个特定实施例中，输入谐振器(30)和输出谐振器(31)可如图3的情况中那样不直接耦合，而是经由另外的谐振器集(32，33)间接耦合。这些中间谐振器(32，33)分别接收和传送分别从输入谐振器(30)接收的和被路由到输出谐振器(31)的声场。

根据本发明，取决于希望使用的耦合结构，可以以各种方式实现重组级(4)。

因此，如图5所示，两个放大后的信号s′₁和s′₂分别被施加到输入谐振器(50，51)。由这些输入谐振器(50，51)中的每个生成的声场经由堆叠的声学层(53，54)在输出谐振器(52)中传播。在这种情况下，输入谐振器与输出谐振器之间的耦合仅是声学的。因此，在输出了输出信号s₃的输出谐振器中对声场求和，其中，输出信号s₃等于两个信号s′₁和s′₂的和且具有更少的任何声损耗。

在所讨论的情况下，必须通过在声能沿着其传播的轴上将重组级的输入谐振器(50)和输出谐振器(51)一个堆叠在另一个之上来产生它们。

在图6中示出的第二实施例中，两个输入谐振器(60，61)单独连接到两个输出谐振器(62，63)。因此，输出谐振器(62，63)中的每个产生分别与放大后的信号s′₁、s′₂对应的电信号s₃。

输出谐振器(62，63)以如下方式串联电连接：使得输出信号与由输出谐振器(62，63)中的每个生成的电压的和对应。因此，通过串联连接两个输出谐振器来获得两个放大后信号的求和。

在图7中示出的替选实施例中，输入谐振器(70，71)没有直接声学连接到输出谐振器(72，73)。相反，另外的谐振器集(75，76，77，78)确保在输入谐振器与输出谐振器之间的声场的传输。

如在图4中示出的实施例那样，这使得有可能产生位于同一平面的输出和输入谐振器。因此，滤波器结构可以被看作两级结构。

根据本发明的另一方面，有可能以如下方式产生BAW-CRF滤波器的组合：以便确保与输出阻抗匹配的阻抗，该输出阻抗一般而言由发射天线确定。因此，如图8所示，输入信号s′₁馈送到其电极平行的两个输入谐振器(80，81)。因此，在输入级看到的阻抗等于每个谐振器的阻抗的一半。

在示出的实施例中，这些输入谐振器(80，81)经由谐振器级(85)连接到输出谐振器(82，83)。这同样适用于馈送到两个输入谐振器(86，87)的第二放大信号的处理，其中，两个输入谐振器(86，87)声学耦合到输出谐振器(88，89)。四个输出谐振器(82，83，88，89)还串联连接，以使得输出阻抗基本等于一个输出谐振器的每单位阻抗的四倍。

该设置使得有可能确保级输入与输出之间的阻抗转换，以使得可以匹配需要的阻抗值。

因此，可以实现在用于移动应用的传输标准中需要的功率电平，同时保持这类滤波器结构通常使用的低偏压电平。

显然，取决于广受欢迎的值，可以实现包括不同数目的谐振器的更复杂的设置。

一般而言，可以使用传统技术来产生滤波器的各个级的其它部件。可以使用CMOS(互补金属氧化半导体)或BiCMOS(双极互补金属氧化半导体)型集成技术来产生生成异相信号的第一级(2)。类似地，可以使用相同类型的技术或者甚至优选地GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)或类似集成技术来产生识别级(3)。

在一个特定实施例中，第一级可包括中间滤波器，其使得有可能消除异相信号的任何失真。这些滤波器使得有可能减少馈送到功率放大器的信号的谱，从而改进生成的噪声与谐波方面的放大效率。可以使用各种技术(优选地BAW-CRF技术)来产生这些中间滤波器，以便获得更小的总体尺寸和更低的插入损耗。

以上描述使得根据本发明的放大器模块明显具有若干优点，特别是与当前已知解决方案相比的更低能量消耗。实际上，本发明使得有可能使用具有非常高能量效率的非线性功率放大器，并且这使得有可能减少滤波器消耗的功率。

另外，BAW-CRF滤波器的插入损耗非常低，约为2到3dB，并且这使得有可能减少重组级中的能量耗散，或者甚至在中间BAW-CRF滤波器的情况下，也有可能减小功率放大器的需要的增益，从而减少它们消耗的功率量。

除此之外，根据本发明的滤波器因此允许在不引入显著失真的情况下，通过非线性放大器对具有可变包络的复杂信号的放大。

而且，由于BAW-CRF滤波器的高选择性，所以有可能大大减少在放大器模块的频带外的干扰的生成。

最后，因为根据本发明的滤波器可以包括使用倒装芯片(flip-chip)技术安装的部件，因此它们在其外形尺寸和成本方面特别有利。

因此，仅作为示例而非排他的，本发明在EDGE(增强型数据速率GSM(全球移动通讯系统)演进技术)或第3代移动电话系统中的射频放大器模块中具有特定应用。

Claims (8)

1.一种用于射频信号的、具有异相型架构的功率放大器滤波器，包括：能够从输入信号s(t)生成两个信号s₁(t)、s₂(t)的第一级(2)，其中，所述两个信号s₁(t)、s₂(t)具有相同幅度，但是相位相对于彼此偏移；用于所述信号s₁(t)、s₂(t)的第二放大器级(3)；以及能够对从第二级(3)获得的两个信号s′₁(t)、s′₂(t)求和的第三重组级(4)，所述滤波器特征在于重组级(4)包括彼此耦合的声波谐振器集，其中，被称为“输入谐振器”(50，51)的部分这些谐振器连接到第二级(4)的输出，并且被称为“输出谐振器”(52)的其它这些谐振器连接到所述滤波器的输出端。

2.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于输入谐振器(50，51)声学连接到所述输出谐振器(52)，所述输出谐振器(52)的输出电极形成所述滤波器的输出端。

3.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于输出谐振器(62，63，72)彼此电连接。

4.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于输入谐振器(70，71)通过一个或多个系列的中间谐振器(75，76，77，78)连接到输出谐振器(72，73)。

5.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于所述输出谐振器串联电连接。

6.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于被分配到放大器级(3)的一个输出(s′₁，s′₂)的输入谐振器(80，81；86，87)并联连接。

7.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于它包括插入在所述第一级与所述第二级(2，3)之间的中间滤波器级。

8.如权利要求1所述的功率放大器滤波器，其特征在于所述中间滤波器级包括体声波耦合谐振器集。

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