CN102498662A

CN102498662A - 移动通信系统中的方法和设备

Info

Publication number: CN102498662A
Application number: CN2009801614667A
Authority: CN
Inventors: 里卡德·赫尔贝里
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: EP2478633A4; US20120126886A1; CN102498662B; WO2011034471A1; EP2478633A1; US8653887B2

Abstract

本发明涉及放大器电路，在所述放大器电路中向分段放大器施加负载调节器。这将降低分流损耗，原因是通过允许每个放大器段或者段的组合操作达到它们的最大输出功率限度而不是局限于较低的输出功率，降低了分段放大器的损耗，而较低的输出功率将导致较高的分流损耗。因此，通过动态调节负载，使得有可能在添加更多的段之前操作达到最大限度。

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，并且具体涉及用于提高这样的系统中的放大器的效率的解决方案。

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下。“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AR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。

负载调节(LM)或动态负载匹配(DLM)是一种通过具有可以按信号包络速度变化的匹配网络来增大放大器针对幅度调制的信号的效率的方法。通过动态地将负载与RF晶体管重新匹配，可以降低平均RF电流。通过使匹配网络在低输出电平时将负载电阻转换成晶体管输出节点处的高电阻，以及在最大输出电平时将负载电阻转换成等于最优的B类电阻Ropt的低电阻，增大了平均效率。这降低了除最大输出电平之外的所有所有输出电平处的RF输出电流，同时在负载中产生相同的RF电压和电流。同时增大了在晶体管输出处的RF电压。如果使用一些有效的操作类型，诸如B类，则降低的RF输出电流被转换成降低的DC电流。

将放大器分成若干个各自通过四分之一波长传输线耦合到输出的较小的放大器增大了效率。获得了在若干支持幅度处的效率最大点。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。

实际的晶体管通常具有相当大的寄生损耗，所述寄生损耗降低了可获得的效率。上面描述的高效放大器降低了平均输出电流，其最小化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)。该损耗在使用上述效率提高方法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。这样的分流损耗在实际的RF功率晶体管中是普遍存在的，因此所述方法的理论上的效率增益在实践中通常会减小。

具有四分之一波长线的分段放大器由于晶体管输出处的较高的RF电压而经受增大的分流损耗。图1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(3个二进制加权的段)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)。

可以注意到，分段放大器的效率因为分流损耗而降级，其中针对较低的输出幅度的降级大于针对较高的输出幅度的降级。

晶体管输出处的分流损耗也是负载调节放大器中的最有害的损耗。由于该损耗与晶体管输出节点处的电压(即作为动态负载转换的影响在所有输出电平处增大的相同电压)的平方成正比，所以影响大。图2示出了在无分流损耗的情况下和存在由于有限的分流电阻造成的损耗的情况下，LM放大器的(归一化的)最佳输出电压和电流。

对于具有分流损耗的晶体管，RF电流非常高，导致较低的效率。对于幅度范围中的较低部分，负载固定为大约与分流电阻相同的值，并且电压与输出幅度成正比。图3示出了在存在分流损耗和不存在分流损耗的情况下得到的LM放大器的效率。

因此，LM放大器的效率也因为分流损耗而降级，其中针对较低的输出幅度的降级大于针对较高的输出幅度的降级。

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有高的效率并且对分流损耗不敏感的放大器。

根据本发明的第一方面，提供了用于放大具有变化幅度的信号的方法。在该方法中，基于要放大的信号的幅度来确定多个放大器段中的用于放大具有变化幅度的信号的至少一个放大器段，以获得基本上是最佳的放大器效率。然后，利用所确定的放大器段放大该信号。此外，对放大的信号施加负载，以及基于放大的信号的幅度来动态调节该负载。

根据本发明的第二方面，提供了用于放大具有变化幅度的信号的放大器电路。该放大器电路包括多个放大器段和连接器，该连接器将所述多个放大器段互连以用于放大具有变化幅度的信号。此外，还包括逻辑单元，该逻辑单元基于所述信号的幅度或功率电平来确定所述多个放大器段中的用于放大所述信号的至少一个放大器段。根据本发明，该放大器电路包括负载，该负载施加在放大的信号上，连接到所述多个放大器段，其中该负载被配置为基于信号的幅度进行动态调节。

因此，通过向分段的放大器施加负载调节，本发明解决了目标问题。应该注意，LM放大器的效率和分段放大器的效率都分别因为分流损耗而降级。然而，通过允许每个放大器段或者段的组合操作达到它们的最大输出功率限度，而不是局限于作为最佳现有技术的分段放大器的、通过四分之一波长线的阻抗转换得到的较低的输出功率，降低了分段放大器的损耗。因此，通过使用负载调节来动态调节负载，使得有可能在添加更多的段之前操作达到最大限度。

本发明的优点在于潜在地具有非常高的效率，特别是对于尖峰信号(例如具有高的峰均比)和回退时(处于低幅度)，也是如此。另外，具有非常小的对大部分晶体管寄生效应的敏感性。

本发明的实施例保持了分段放大器的优点，即可以将不使用的放大器段切换出电路，使得它们的寄生分流电阻不影响剩余电路。

本发明的实施例的另一优点在于大大地降低了放大器段的每个组合的分流电阻的影响。

因此，这使得其成为最高效的可用的放大器之一。对于很多晶体管技术和操作频率，如果使用足够多数量的分段，则它是最高效的放大器。

附图说明

图1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2示出了在无分流损耗的情况下和存在由于7倍最佳负载阻抗的分流电阻造成的损耗的情况下，相对于输出幅度的电压(上迹线)和电流(下迹线)。

图3示出了在无分流损耗的情况下相对于输出幅度的效率(上迹线)和存在由于分流电阻造成的损耗的情况下相对于输出幅度的效率(下迹线)。

图4示出了与现有技术相比的本发明的效率曲线。

图5a示出了根据本发明的实施例的具有四分之一波长线的分段放大器。

图5b示出了根据本发明的实施例的具有动态调谐耦合、四分之一波长线和经调节的负载的二进制加权的分段放大器。

图6示出了根据本发明的实施例的不具有四分之一波长线的分段放大器。

图7例示了可在图6的分段放大器中使用的负载调节(LM)。

图8示出了根据本发明的实施例的示例放大器在放大器段的不同组合下的动态匹配的负载电阻。

图9示出了根据本发明的实施例的相对于输出幅度的电平归一化的输出RF电流。

图10输出了本发明的实施例的4段放大器的效率。

图11示出了根据本发明的实施例的相对于输出幅度的电平归一化的输出RF电流。

图12示出了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的控制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。

本发明的基本思想在于向分段放大器施加负载调节。这将减小分流损耗，原因是通过允许每个放大器段或者段的组合操作达到它们的最大输出功率限度而不是局限于较低的输出功率，降低了分段放大器的损耗，而较低的输出功率将导致较高的分流损耗。因此，通过动态调节负载，使得有可能在添加更多的段之前操作达到最大限度。

因此，首先确定应该连接哪些放大器段。该确定基于要放大的幅度调制信号(即，具有变化幅度的信号)的幅度或功率电平。利用所确定的放大器段来放大幅度调制信号，然后对放大的信号施加动态调节的负载，以实现对放大器段的增大的利用率。

图4示出了本发明的效率曲线，以及现有技术的具有四分之一波长线的分段放大器的效率曲线和现有技术的负载调节放大器的效率曲线。从图4可以看出，通过添加越多和越小的分段，在该情况下效率将在所有输出电平上接近恒定的高效率。

因此，图4惊人地示出了利用本发明的实施例在低输出幅度和中输出幅度处的效率非常高，尽管本发明的实施例是基于在该区域都严重受到分流损耗影响的两种现有技术方法构建的。

图5a示出了二进制加权的分段放大器电路501的示意图，电路501具有三个分段502，带有动态调节的负载507和用于利用四分之一波长线将放大器段耦合进该电路的动态调谐电路503。用于放大幅度调制信号504的放大器电路501包括多个分段放大器502和连接器503，连接器503用于将所述多个分段放大器502互连以用于放大幅度调制信号504。放大器电路还包括逻辑单元505，逻辑单元505用于确定所述多个分段放大器502中的要用于放大幅度调制信号504的至少一个放大器506。逻辑单元505接收要放大的信号的幅度或功率电平，并且向网络单元(例如开关或受控电容)输出控制信号，以控制放大器段的连接或断开。如上面所述，通过组合分段放大器和负载调节，实现了降低的损耗，由此放大器电路包括连接到多个分段放大器502的负载507。该负载被配置为施加给放大的信号，以及基于放大的信号504的幅度来进行动态调节，以实现对所确定的放大器的增大的利用率。

连接器可以包括动态调谐电路509或者开关512，例如SPST。如图5a中所示，动态调谐电路可以是动态受控的谐振器，适合于在开路和闭路之间交替。此外，无源元件可以是位于多个放大器段之间的、用以连接所确定的放大器段的开关(例如SPST)512。开关可以适合于在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被连接，而在闭合位置时放大器段被断开。

此外，负载507可以是具有一个或多个受控元件的可变匹配网络，所述受控元件诸如是连接到诸如天线之类的负载的可变电容511，如图5a和图7所示。在匹配网络中使用的受控元件的其他示例是可变电感以及受控的特性阻抗。

图6示出了二进制加权的分段放大器电路501的示意图，电路501具有三个分段502，带有动态调节的负载507和用于在无四分之一波长线的情况下将放大器段耦合进该电路的动态调谐电路503。动态调谐电路509可以是动态受控的谐振器，适合于在开路和闭路之间交替。此外，无源元件可以是位于多个放大器段之间的、用以连接所确定的放大器段的开关(例如SPST)512。开关可以适合于在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被连接，而在闭合位置路时放大器段被断开。

在图5a公开的实施例中，针对动态负载匹配和放大器段的切换使用了相同类型的元件(可变调谐电路)。以别的方式，可以使用开关(例如，SPST(单刀单掷))加其他无源元件(诸如开关、晶体管、MEMS、中继器)来替代可变调谐电路。图5b示出了针对动态负载匹配和放大器段的切换都使用了可变调谐电容的二进制加权的分段放大器的实施例。

放大器输出处的动态(可变)调谐电路(例如，图5b中的电容601)工作如下：针对非激活的分段，提供到地的RF闭路；以及针对激活的分段，充当开路。针对非激活的分段，可变电容601被调谐为使得串联谐振器对于RF提供到地的闭路。这样，放大器段变成非激活的，并且也不应该被驱动，而四分之一波长线602将闭路转换成另一端(即负载调节器的输入端)的开路。针对激活的分段，左电容601被调谐为使得串联谐振在不同于RF的频率处，以及该电路在RF处提供并联谐振(或者放大器段的操作类型需要的任何阻抗)。用于施加负载调节的装置例如可以如图7中所示，利用具有一个或两个受控元件(可变电容)的匹配网络来实现。其他受控元件的示例是可变电感、受控的特性阻抗和受控的电气长度。

越多的受控的可变元件通常给出越宽的匹配范围和越好的负载匹配(越小的残余电抗)。

图8中示出了示例放大器的相对于输出幅度的动态调节的负载电阻(从左方向负载调节器内看)。

图9中示出了相对于输出幅度的总输出RF电流，其按在每个级别使用的放大器段的组合的最大输出电流进行了归一化。在该示例中，在针对增大的幅度设置新的组合之前，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，原因是输出电流受到输入电压的控制。

使得在不同的放大器段配置之间发生切换的幅度点也因此随着负载调节的施加而发生改变。负载调节降低了每个分段组合的上部范围中的有源晶体管输出处的负载电阻，其因此可以用于输出较高的功率。

另一实施例具有四个放大器段，这四个放大器段仅以下述组合进行使用：1放大器段(AS)、1AS+2AS、1AS+2AS+3AS、1AS+2AS+3AS+4AS。所述组合近似成指数比例。该示例中的晶体管技术具有较低的分流损耗，但是具有较高的Rds损耗(“三极管区域”中的漏-源电阻)。图10示出了具有四个放大器段的放大器的效率曲线。

图11示出了相对于输出幅度的总输出RF电流，其按在每个级别使用的放大器段的组合的最大输出电流进行了归一化。与前一示例相反，此处它并不总是使得较小的段组合达到最大输出，因此更加高效。

根据本发明的实施例，可以使用从放大器段开始的四分之一波长线。使用从放大器段开始的四分之一波长线具有的优点在于：负载调节器的调谐范围对于所有分段组合近似相同。备选方案是使用简单的分段的并联。然后设置开关或可变调谐电路，使得它们在激活时将放大器段的输出与负载调节器的输入相连接，以及在非激活时断开连接。

上面描述的示例已经涉及完全动态的放大器段。在分段切换或调谐不够快速时，可以以较慢的模式(比幅度变换所需的速度慢)来使用本发明的实施例。于是需要一些输出功率(分段大小)开销。

利用示例系统，到所有激活放大器段的公共的输入RF信号是可能的。在实践中，利用各自优化的信号来驱动有效元件可以增大效率。非激活的分段应该具有低的RF驱动，或者优选地无RF驱动。

使用不止一个负载调节器(例如每个分段一个负载调节器)是可能的，并且可以带来一些效率益处。然而，在单个负载调节器中使用多个调谐的元件可能产生更多的复杂度的增加。另一备选方案是在放大器输出处使用动态调谐电路，其某种程度上可以用于“每个分段的负载调节”功能。在不止一个负载调节器的情况下，“较低”的分段的输出电流可以是在某个幅度点之上保持恒定，随着幅度高于某个点而逐步增大，或者是减小所涉及的信号的锯齿的某个其他函数。

现在转到图12，其示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。在该方法中，在步骤1201a中，基于要放大的信号的幅度来确定要用于放大具有变化幅度的信号的多个放大器段，即至少一个放大器段，以获得基本上是最佳的放大器效率。因此，在步骤1202，利用所确定的放大器段来放大信号。在步骤1203，根据本发明对放大的信号施加负载，以及在步骤1204中基于放大的信号的幅度来动态调节该负载，以实现对放大器段的增大的利用率，这意味着放大器段的增大的输出电压或电流。

根据一个实施例，在步骤1201b中通过多个分段放大器的动态调谐(1205)电路连接(即，激活)所确定的放大器段。这种调谐电路的示例是在开路和闭路之间交替的动态受控谐振器。

根据另一个实施例，在步骤1201b中，通过在多个分段放大器之间应用开关(1206)连接(即，激活)所确定的放大器段。开关可以在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被连接，而在闭合位置时放大器段被断开；或者开关可以在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被断开，而在闭合位置时放大器段被连接。

本发明不限于上面描述的优选实施例。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

1.一种用于放大具有变化幅度的信号的方法，包括步骤：

基于要放大的信号的幅度来确定(1201a)多个放大器段中的要用于放大所述具有变化幅度的信号的至少一个放大器段，以获得基本上是最佳的放大器效率，

利用所确定的放大器段来放大(1202)所述信号，

其特征在于还包括步骤：

对放大的信号施加(1203)负载，以及

基于所述放大的信号的幅度来动态调节(1204)所述负载。

2.根据前一权利要求所述的方法，其中所述放大器段通过四分之一波长线连接到输出。

3.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述方法还包括步骤：

通过动态调谐(1205)电路来处理所确定的放大器段的连接(1201b)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述动态调谐电路是在开路和闭路之间交替的动态受控谐振器。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括步骤：

通过在所述多个放大器段之间应用(1206)开关来连接(1201b)所确定的放大器段，以及

所述开关在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被连接，而在闭合位置时放大器段被断开。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括步骤：

所述开关在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被断开，而在闭合位置时放大器段被连接。

7.根据前述权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述负载是包括受控元件的匹配网络，以及通过调谐所述受控元件来实现所述动态调节。

8.根据前一权利要求所述的方法，其中所述受控元件是可变电容。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述受控元件是可变电感。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述受控元件是受控的特性阻抗。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述受控元件是受控的电气长度。

12.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分段放大器是二进制加权的分段放大器。

13.一种用于放大具有变化幅度的信号(504)的放大器电路(501)，包括：

多个放大器段(502)，

连接器(503)，用于将所述多个放大器段(502)互连以用于放大所述具有变化幅度的信号(504)，

逻辑单元(505)，用于基于所述信号的幅度或功率电平来确定所述多个放大器段(502)中的用于放大所述信号(504)的至少一个放大器段(506)，

其特征在于还包括：

施加到放大的信号的负载(507)，所述负载连接到所述多个放大器段(502)，其中所述负载被配置为基于所述信号(504)的幅度被动态调节。

14.根据前一权利要求所述的放大器电路(501)，其中所述放大器段通过四分之一波长线(602)连接到输出。

15.根据权利要求13-14中任一项所述的放大器电路(501)，其中所述连接器包括动态调谐电路(509)，所述动态调谐电路(509)用于连接所确定的放大器段。

16.根据权利要求15所述的放大器电路(501)，其中所述动态调谐电路(509)是适合于在开路和闭路之间交替的动态受控谐振器。

17.根据权利要求14所述的放大器电路(501)，其中所述连接器包括在所述多个放大器段之间的开关(512)，所述开关(512)用于连接所确定的放大器段，其中所述开关适合于在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被连接，而在闭合位置时放大器段被断开。

18.根据权利要求13所述的放大器电路(501)，其中所述连接器包括在所述多个放大器段之间的开关(512)，所述开关(512)用于连接所确定的放大器段，其中所述开关适合于在开路和闭合位置之间交替，其中在开路时放大器段被断开，而在闭合位置时放大器段被连接。

19.根据权利要求13-18中任一项所述的放大器电路(501)，其中所述负载(507)是包括受控元件的匹配网络，以及通过调谐所述受控元件来实现所述动态调节。

20.根据前一权利要求所述的放大器电路(501)，其中所述受控元件是可变电容。

21.根据权利要求19所述的放大器电路(501)，其中所述受控元件是可变电感。

22.根据权利要求19所述的放大器电路(501)，其中所述受控元件是受控的特性阻抗。

23.根据权利要求19所述的放大器电路(501)，其中所述受控元件是受控的电气长度。

24.根据权利要求13-23中任一项所述的放大器电路(501)，其中所述分段放大器是二进制加权的分段放大器。