CN102498661B - 移动通信系统中的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明基于下述事实：DDB受控放大器的电流输出在回退(即针对低幅度)时随要放大的信号的幅度或多或少成线性地减少。因此，使用较小的放大器就足够了，所述较小的放大器能够输出所需的RF电流。因此，根据本发明，总的DDB放大器被分成较小的部分，所述较小的部分仅在需要时耦合到输出。

Description

移动通信系统中的方法和设备
技术领域
本发明涉及移动通信系统中的方法和设备，并且具体涉及具有增大的效率的DDB放大器。
背景技术
基站和移动电话终端中的发射机以及用于广播和其他无线系统的发射机都需要功率放大器(PA)来放大给天线的射频(RF)信号。这种PA常常需要是非常高效的，以便增加电池时间，降低能量成本，以及最小化冷却需求。
传统的B类和AB类PA通常操作在恒定的负载和恒定的电源电压。“最佳负载”(Ropt)是在允许的操作条件下给出最高输出功率的负载。B类或AB类操作意味着晶体管电流脉冲近似具有四分之一波长整流的正弦波形。电流脉冲在所有幅度大致具有相同的形状，并且RF输出电流和DC电源电流都因此与它们的高度近似成正比，由此DC功率也与它们的高度近似成正比。RF输出电压也是如此。RF输出功率与RF输出电流的平方成正比，这意味着DC到RF的效率与RF输出电压幅度近似成正比。由于这种成正比的特性，B类放大器(输出平均信号电平远低于最大(峰值)电平的信号)的平均效率小于最大输出时的效率。
通过根据放大器的RF电压需求来减小电源电压，动态漏极偏置(DDB)放大器增大了效率。它使用连续的RF电压包络跟随电源电压，这最小化了晶体管上的平均电压降。动态漏极偏置是对下述所有类似技术的统称：包络消除和恢复(EER)、包络跟踪(ET)、漏极(偏置)调制、集电极调制、板极调制。包络到动态电源电压的放大是在高效的、开关模式或开关模式辅助的基带放大器中完成的。图1中示出了DDB受控放大器。
(基带、IF或RF形式的)输入信号108被馈送到驱动/控制信号处理模块100。该模块经由上变频器102向RF放大器106输出驱动信号，以及向开关模式的电源(SMPS)104输出Vdd 112(电源)电压控制信号。SMPS输出一个变化的电源电压，其被馈送到放大器106。
本质上，动态漏极偏置放大器的串联损耗或分流损耗不分伯仲。这两种损耗类型在所有输出功率电平上同等地降低效率。相反，DDB受控放大器在低输出电平处对晶体管上的残余电压降额外敏感，即例如双极性晶体管中存在的一种效应。图2示出了具有三种类型的损耗的DDB受控放大器的效率曲线。
发明内容
因此，本发明的目的是提供具有高的效率并且与现有技术的放大器相比对分流损耗的敏感性低的放大器。
本发明基于下述事实：DDB受控放大器的电流输出在回退(即针对低幅度)时随要放大的信号的幅度或多或少成线性地减少。因此，使用较小的放大器就足够了，所述较小的放大器能够输出所需的RF电流。
因此，根据本发明，总的放大器被分成较小的部分，所述较小的部分仅在需要时耦合到输出。通常该过程增加了串联电阻损耗，因此在其晶体管既具有串联损耗也具有分流损耗的放大器中，将仅需要在特定规模之上的分段组合。
在中等幅度和低幅度处效率增加最多。这符合大多数多载波/多用户信号(例如CDMA、FDMA和OFDM)的幅度密度分布。
根据本发明的第一方面，提供了一种利用动态漏极偏置(DDB)受控放大器装置来放大具有变化幅度的信号的方法。在该方法中，确定要放大的信号的幅度，以及基于所确定的幅度来选择所述DDB受控放大器装置中的要用于放大所述信号的放大器段的组合。在另一步骤中，基于所述幅度选择要用于控制DDB放大器段的相应的偏置电平，以及连接所选组合中的放大器段。利用所选的放大器段组合来放大所述信号，以及针对相应的放大器段使用相应的偏置电平。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于放大具有变化幅度的信号的设备。该设备包括多个动态漏极偏置(DDB)功率放大器段，这些DDB功率放大器段适合于彼此连接以提供可变放大。该设备还包括一单元，该单元用于确定要放大的信号的幅度，用于基于所确定的幅度来选择所述DDB受控放大器装置中的要用于放大所述信号的放大器段的组合，以及用于基于所确定的幅度来选择要用于控制DDB放大器段的相应的偏置电平。该设备还包括连接器，用于连接所选组合中的放大器段。
优点在于本发明的实施例潜在地具有非常高的效率，特别是对于尖峰信号(高的峰均比)和回退时(即，在高的幅度处)，也是如此。在很多情况下，与基础技术相比，本发明的实施例极大地降低了分流损耗的影响。
附图说明
图1示出了根据现有技术的DDB受控放大器。
图2示出了具有三种类型的损耗的DDB受控放大器的效率曲线。
图3示出了在有分流损耗的情况下和无分流损耗的情况下具有四分之一波长线的分段放大器的效率。
图4示出了当使用本发明的实施例时所得的效率增大的示例。
图5-7示出了本发明的不同实施例。图5示出了具有RF开关的实施例，图6和7示出了基于可调谐电容的实施例。
图8示出了在RF处仅具有分流寄生效应的晶体管的效率曲线。
图9示出了具有Vcesat和RF分流损耗的晶体管的效率。
图10示出了相对于输出幅度的输出RF电流，该输出RF电流按分段组合的最大输出进行了归一化。
图11是根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以用多种不同的形式来实现，并且不应该解释为限于此处阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使得本公开将更加充分和全面，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在附图中，相似的参考符号指代相似的单元。
此外，本领域技术人员将明白，下文说明的功能和装置可以用以下方式来实现：使用软件功能结合编程的微处理器或通用计算机，和/或使用专用集成电路(ASIC)。还应该明白，尽管当前的发明主要以方法和设备的形式进行描述，但是本发明还可以以计算机程序产品以及包括计算机处理器和耦合到处理器的存储器在内的系统来实现，其中存储器中编码有一个或多个可以完成此处公开的功能的程序。
实际的晶体管通常具有相当大的寄生损耗，这降低了可获得的效率。然而，将放大器分成分别通过四分之一波长传输线耦合到输出的若干教较小的放大器增大了效率。获得了在若干低幅度处的效率最大值。这是因为四分之一波长线将负载电阻转换成比晶体管输出处的Ropt更高的电阻，所述四分之一波长线具有它们所连接到的晶体管的特性阻抗Ropt。于是，这种类型的放大器具有比传统放大器小的来自晶体管的RF输出电流的平均和。同时增大了有源晶体管的输出处的RF电压。可以通过开关或者通过可调谐电路来完成放大器段的进出切换。然而，分段放大器降低了平均输出电流。这减小了可被看作等效为晶体管输出节点处的(与负载)串联的损耗。另一种类型的损耗机制可以看作等效为在输出节点处的分流(从节点耦合到地)。该损耗在使用具有四分之一波长线的放大器中变得恶劣，原因是它们取决于晶体管处的高的RF电压。图3中示出了从每个放大器段到负载具有四分之一波长线的分段放大器在无分流损耗的情况下的效率(上迹线)和在存在由于分流电阻造成的损耗的情况下的效率(下迹线)。图3使用了三个二进制加权的分段。
因此，本发明基于以下事实：DDB受控放大器的电流输出在回退(即针对低幅度)时随幅度或多或少成线性地减少。因此，使用较小的放大器就足够了，所述较小的放大器能够输出所需的RF电流。
因此，根据本发明，总的DDB放大器被分成较小的部分(称为放大器段)，所述较小的部分仅在需要时耦合到输出。通常该过程增加了串联电阻损耗，因此在其晶体管既具有串联损耗也具有分流损耗的放大器中，将仅需要在特定规模之上的分段组合。
图4中示出了本发明实现的所得效率增加的示例。在图4中，本发明的效率曲线与现有技术方法的效率曲线进行比较。
图5中示意示出了具有RF开关的第一实施例。此处利用包括(RF)开关(SPST)508的连接器来完成放大器或晶体管到负载的耦合。(基带、IF或RF形式的)输入信号514被馈送到驱动/控制信号处理单元500。该单元500向RF放大器段5061、5062、5063输出驱动信号5201、5202、5203，向RF开关5081、5082、5083输出控制信号5161、5162、5163，以及向开关模式的电源(SMPS)504输出Vdd(电源)电压控制信号518。因此，单元500确定输入信号514的幅度，并且基于所确定的幅度来选择要用于放大输入信号的放大器段的组合。另外，单元500选择用于控制DDB放大器段的相应的偏置电平512。在其最简单的(但是足够了的)形式中，SMPS输出一个变化的电源电压(偏置电平)512，其被馈送到所有放大器段。RF开关将放大器段连接到公共输出RL(并联)。RL510是负载电阻，通常是经转换的天线或电缆的阻抗。此外，单元500还可以被配置为针对要放大的信号的幅度来选择多个幅度范围，以及针对每个幅度范围执行放大器段的一个组合。
图6和图7中示出了在谐振网络中使用可调谐元件的另外的实施例。图6示出了与图5对应的设备，不同在于连接器6081、6082、6083包括动态调谐的电容器，而不是RF开关5081、5082、5083。对于每个放大器段6061、6062、6063，在取决于调谐而提供串联谐振或并联谐振的网络中使用动态调谐的可变电容702。在一种调谐中，如图7所示，可变电容702与电感704一起创建了串联谐振，以便将放大器段之一耦合到负载。通过提供与该串联电路并联的电抗706实现了与负载的隔离，这使得在利用另一种调谐来使用可变电容时该电路并联谐振。
与当RF处的分流损耗大时的现有技术相比，本发明的效率极大提高。图8中示出了仅具有分流寄生损耗的晶体管技术的效率曲线。
动态漏极偏置系统通常极大地受晶体管上的残余电压降(在双极性晶体管中称为Vcesat)的影响。如图9所示，本发明对于这样的晶体管仍然是有效的。
图10中示出了来自每个分段组合的相对于最大可能输出的RF输出电流。
在该示例中，在(针对增大的幅度)设置新的组合之前，来自每个分段组合的输出RF电流使用达到最大值。这也反映在放大器段(晶体管)的输入侧的RF驱动电压上。(对不同放大器段的RF驱动信号幅度将取决于许多因素，诸如晶体管的跨导曲线和所选的(栅极、基极)偏置电平。)
取决于信号的包络带宽和可调谐或开关元件的性能，可能难以或不能高效地提供电源电压，以包络速度切换或调谐输出连接。于是，可以以较慢的电源电压变化来使用本发明，针对快速功率突发提供具有一些裕量的调谐和切换。下至半静态模式，这种可能性总是存在。
现在转到图11，其示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。该方法包括步骤：
1101，确定要放大的信号的包络幅度。
1102，通过下述方式，基于所确定的幅度来选择DDB受控放大器装置中的要用于放大信号的放大器段的组合：将控制信号从驱动控制单元传送到对应的连接器，使得所选择的放大器段的组合被连接。如果针对幅度选择了多个幅度范围，则可以针对每个幅度范围执行放大器段的组合。
1103，选择要用于控制DDB放大器段的相应的偏置电平。
1104，连接所选择的组合中的放大器段。
1105，利用所选择的放大器段组合来放大信号，以及针对相应的放大器段使用相应的偏置电平。
本发明不局限于上述优选实施例。可以使用各种备选、修改和等同物。因此，不应该将上述实施例看作对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (6)

1.一种利用动态漏极偏置DDB受控放大器装置来放大具有变化幅度的信号的方法，其特征在于包括步骤：
确定(1101)要放大的信号的幅度，
基于所确定的幅度，选择(1102)所述DDB受控放大器装置中的要用于放大所述信号的放大器段的组合，
基于所确定的幅度，选择(1103)要用于控制DDB放大器段的相应的偏置电平，
连接(1104)所选组合中的放大器段，以及
利用所选的放大器段组合来放大(1105)所述信号，以及针对相应的放大器段使用相应的偏置电平。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述连接步骤(1104)是通过调谐耦合到所述DDB受控放大器的谐振网络中的可调谐元件来完成的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述连接步骤(1104)是通过连接耦合到所述DDB受控放大器的RF开关来完成的。
4.一种用于放大具有变化幅度的信号的设备(555)，所述设备包括：
多个动态漏极偏置DDB功率放大器段(506)，所述DDB功率放大器段适合于彼此连接以提供可变放大，
单元(500)，用于确定要放大的信号的幅度，用于基于所确定的幅度来选择所述DDB受控放大器装置中的要用于放大所述信号的放大器段的组合，以及用于基于所确定的幅度来选择要用于控制DDB放大器段的相应的偏置电平，以及
连接器(508)，用于连接所选组合中的放大器段。
5.根据权利要求4所述的设备(555)，其中每个连接器包括耦合到所述DDB受控放大器的谐振网络中的可调谐元件。
6.根据权利要求4所述的设备(555)，其中每个连接器包括耦合到所述DDB受控放大器的RF开关。
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