CN1029717C

CN1029717C - 功率放大器组合网络

Info

Publication number: CN1029717C
Application number: CN93101249A
Authority: CN
Inventors: 戴尔·G·施文特; 拉什德·M·奥斯曼; 罗伯特·N·韦斯哈佩尔
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1993-02-13
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2013-02-13
Also published as: CN1076566A; JPH06507775A; MX9301365A; GB2270433B; GB9321472D0; US5438684A; GB2270433A; CA2108461C; RU2144260C1; WO1993018590A1; CA2108461A1; BR9305438A

Abstract

一种双模式RF信号功率放大器组合网络是由两个支路组成的，每个支路具有一个功率放大器(200和201)。第一支路含有一个非线性模式功率放大器(200)，而第二支路含一个线性模式功率放大器(201)。两个支路耦合到一个公共的输出结点(220)。该公共结点(220)在耦合到天线(106)之前耦合到滤波器(107)。当FM信号要被放大时非线性模式功率放大器(200)工作，同时线性放大器(201)被偏置为截止状态。当数字信号要被放大时，线性模式功率放大器(201)工作，同时非线性放大器(200)被偏置为截止状态。

Description

一般来讲，本发明涉及放大器技术领域，具体来讲，是涉及放大器的转换。

与提供各种附加业务的要求相联系的蜂窝无线电话数量的迅速发展，促进了称为时分多址（TDMA）的改进传输技术的利用。TDMA通过利用数字调制和话音编码技术增加了蜂窝系统的容量，从而胜过了当前美国的模拟AMPS峰窝系统（电子工业协会标准EIA-553）。对于美国数字蜂窝系统（电子工业协会标准IS-54）的TDMA信号传输是由连续的时隙序列组成的。工作在美国数字蜂窝系统的无线电话仅利用每个第三时隙。

一种称为π/4差分正交相移键控（π/4DQPSK）的线性调制技术用于通过蜂窝无线信道传送数字信息。在美国数字蜂窝系统中利用线性调制提供了允许利用48.6kbps信道数据速率的频谱效率。π/4DQPSK是根据葛莱（grsy）编码利用将已知的符号，即连续比特对编码为四个相角（±π/4、±3π/4）之一来传送数据信息。这些相角而后再被差分编码，产生一个八点的点阵。

设计为用于美国数字蜂窝系统的发射机要求工作在模拟和数字两种模式，称为双模式操作。TDMA数字模式利用π/4DQPSK 调制，并能够利用线性发射机实现。FM模拟模式利用常规的频率调制并允许利用高效率的非线性发射机。

从在调频（FM）模拟模式中以工作在非线性的平均功率输出的意义上讲，线性发射机相对是低效率的，但是这在TDMA数字模式中并不成为严重的问题，因为线性发射机在三分之一的工作周期开通工作。换言之，在TDMA数字模式中线性发射机仅在每三个时隙中的一个时隙开通工作。因为线性发射机仅在三分之一时间开通，所以实际上线性发射机的电流消耗低于现有FM产品中连续操作的非线性发射机。

然而，当线性发射机以与TDMA数字模式相同的平均功率电平连续地工作在FM模拟模式中时，存在一个问题。线性发射机将具有相当差的效率和将消耗常规非线性发射机更多的电流。结果，需要有一种工作在TDMA数字模式和FM模拟模式的高效率的双模式功率放大器网络。

本发明包括一种功率放大器组合网络，这时网络包含有多个放大装置。每个放大装置耦合到一个输出传输线上。一个公共结点耦合所有输出线。另外，一个转换装置与至少一个输出传输线相串联地设置在公共结点与放大装置之间。

图1表示本发明的功率放大器组合网络的优选实施例。

图2表示本发明的功率放大器组合网络的替代的一种实施例。

图3表示本发明的功率放大器组合网络的另外一种替代实施例。

图4仍表示本发明的功率放大器组合网络另外一种替代实施例。

图5表示本发明的功率放大器在印制板上的一种安装构形。

图6表示按照本发明的典型无线电话设备的方框图。

图7表示图1中功率放大器组合网络中的射频开关的详细电路图。

本发明的功率放大器组合网络能够使射频通信设备有效地工作在FM模拟模式和TDMA数字模式。如图2所表示的优选实施例是由包括分为两个支路的模拟射频信号和数字射频信号的单一的射频输入信号线组成的。在其他实施例中，该单一的射频信号输入线可以是两个分开的射频输入线。每个射频信号输入通路含有单独的功率放大器。

第一支路含有一个非线性模式功率放大器（200），而第二支路含有一个线性功率放大器（201）。非线性模式支路还有一个RF开关（210）。两个支路耦合到一个公共的输出结点（220）。公共结点（220）在到达天线（106）前连接到滤波器（107）。当FM信号将要被放大时非线性模式功率放大器（200）工作，同时线性放大器（201）被偏置为关断状态。当数字信号将要被放大时，线性模式功率放大器（201）工作，同时非线性放大器（200）被偏置为关断状态。RF开关（210）从电路中去掉非线性放大器以防止对线性放大器（201）状态的加载。

在第一支路的功率放大器（200）被设计为叫做饱和模式操作（例如丙类模式）的高效率非线性放大。这种放大器的一个例子是两级富士通（Fujitsu）FMCO80802-20型GaAs FET功率放大器模块。在第二支路的功率放大器（201）被设计为叫做线性模式操作（例如甲乙类模式）的线性放大。这种放大器的一个例子是两级Motorola SHW5096型双极功率放大器模块。在优选实施例中，线性放大器（201）用于放大π/4DQPSK调制的TDMA RF信号，而非线性放大器（200）放大FM RF信号。

这些放大器任何一个的输出都可以耦合到RF开关（210）。在优选实施例中，开关（210）是一个PIN二极管并耦合到非线性放大器（200）。线性放大器（201）的输出线和RF开关（210）都耦合到公共结点（220）。在优选实施例中，各输出线是传输线（202和203）。线性放大器（201）的输出线是一段50Ω、16°的传输线（203）而非线性放大器（200）的输出线是一段50Ω、107°的传输线（202）。公共结点（220）而后再耦合到滤波器（107），该滤波器（107）而后再耦合到天线（106）。

因为功率放大器（200和201）的两个输入端是连接在一起的，如果没有某种控制的话，两个放大器（200和201）将会同时产生输出。这种控制除通过在非线性放大器（200）输出端的RF开关（210）外还通过对放大器（200和201）进行偏置来实现的。

将要被使用的放大器是正常偏置，而不使用的放大器被偏置为在其输出端呈现高的电抗性负载。这种改变偏置是利用开关（230、240和250）去将一个或多个放大器的V_B和/或V_S输入端的偏置电压和/或供电电压接通，或者关断（即使悬浮）实现的。开关（230、240和250）可以是具有控制信号输入端的常规模拟开关（例如Motorola MC14551型模拟开关）。在优选实施例中，偏置与供电电压转换是利用开关（230、240和250）实现的，因为这些开关比PIN二极管有更高的泄流因数。

为了说明本发明的功率放大器网络的利用，首先假设，利用该功率放大器组合网络的混合数字/模拟无线电话是工作在美国数字蜂窝系统。无线电话的微控制器利用控制开关（230、240和250）通过控制信号（CS1、CS2、和CS3）选择TDMA数字模式。对于非线性功率放大器（200）由控制信号（CS1和CS2）将开关（230和240）打开，因此允许GaAs FET功率放大器V_B和V_S的输入端悬浮。开关（240）在开关（230）之前操作，在偏压V_B之前去掉供电电压V_S。接下来，线性放大器（201）的偏置电压V_B输入端由控制信号（CS3）将开关（250）转换到5.5V，同时集电极输入电压保持在6V。

当偏置和供电电压输入端（V_B和V_S）悬浮时，因为非线性功率放大器是一种需要漏极供电开关的耗尽型场效应器晶体管，所以该非线性功率放大器（200）是一种短路电路（short circut）。悬浮非线性功率放大器（200）在公共结点（220）呈现最高输出阻抗，以对线性功率放大器（201）实现最低的加载。在这种情况下，该悬浮非线性功率放大器（200）具有约55dB泄漏隔离，因此，全功率可以加到该悬浮非线性功率放大器上，但对其输出不具有任何明显的影响。由于悬浮的非线性功率放大器（200）的加载。在线性功率放大器（201）的输出功率中产生0.6dB的下降，其它在相同功率输出的情况下仅通过4dBc降低2个单音的驱动率。这种微小的降低可以通过重新优化线性功率放大器（201）来补救，以达到略高一些的功率的输出。

对于模拟蜂窝系统中的操作而言，线性功率放大器（201）的与偏置电压VB输入端相连的开关（250）首先通过控制信号（CS3）被打开，使这个VB输入端悬浮。然后，控制信号（CS2）闭合开关（240），将6V漏极供电电压Vs加到非线性功率放大器（200），在此一段短的时间之后，控制信号（CS1）闭合开关（230），将-4.2V栅极供电电压VB加到非线功率放大器（200）。

VB输入端的悬浮偏置电压使线性放大器（201）在公共结点（220）呈现约在-147°1.9dB的其最高输出阻抗，对非线性功率放大器（200）很小的加载。在这种情况下，悬浮的线性功率放大器（201）具有约60dB的泄漏隔离，以便全输入功率可以加到悬浮线性功率放大器上，而在其输出端没有明显的影响。悬浮线性功率放大器（201）的进一步隔离可以通过与输出线203相串联的PIN二极管来实现。悬浮线性功率放大器（201）的存在使非线性功率放大器（200）的输出功率下降0.3dB。如果对于输出功率而言维持效率恒定的话，这种下降在相同功率输出情况下增加泄流30mA。在实际中，效率实际略微地改善，使电流消耗大致相同。16°的输出传输线（203）将悬浮的线性功率放大器（201）的输出阻抗旋转到在公共结点（220）处为其最高输出阻抗。

参照图7，其中表示出了RF开关（220）的详细电路图。RF开关（210）包括一个PIN二极管，当开关（702）由控制信号（CS4）闭合，通过电感（704）连接到4.8V供电电压时，该二极管导通。当PIN二极管导通时，放大器（200）与结点（220）之间的通路闭合。相反，当开关（704）由控制信号（CS4）打开时，PIN二极管被关断。当PIN二极管被关断时，放大器（200）与结点（220）之间的通路被打开。

在优选实施例中，RF开关（210）即PIN二极管设置为与非线性放大器（200）的输出端相串联的。因为处在悬浮状态下的非线性放大器（200）可以加载处在工作状态下的线性放大器（201），则要求悬浮的非线性放大器（200）对于线性放大器（201）是一个开路电路。RF开关（210）隔离悬浮非线性放大器（200），而对现存的线性放大器模块（201）未做任何修改。利用这种开关（210）允许利用常规的功率放大器模块来实现功率放大器组合网络，而常规的功率放大器在不用时不能偏置为可接受的低损耗状态。在优选实施例中，对非线性功率放大器的偏置电压VB仍被关断，以消除其静态电流泄漏。

在图3所示的替低实施例中包括与两个功率放大器的输出端相串联的PIN二极管开关（210和301）。这允许利用两个当不用时不能偏置为可以接受的低损耗状态的常规功率放大器。在另外的代替的实施例中，PIN二极管开关可以与耦合到功率放大器的输入RF信号线相串联。

在另外的替代实施例中，利用线性功率放大器（201）的TDMA数字模式可以利用更负地截止GaAs FET器件来偏置非线性功率放大器（200）的栅极来启动。利用漏极供电电压VS的栅极偏置电压，输出反射损耗接近于幅度为0dB和0°，但相位是正的，因此允许一种较短的输出传输线。然而，在这种组态中由线性功率放大器（201）施加到非线性功率放大器（200）的GaAs FET的漏极的RF电压可以驱动该FET进入漏一栅击穿，而使非线性功率放大器的输出阻抗趋近于50Ω。这种限制仅仅是由于当前可以得到的砷化镓场效应晶体管（GaAs FET）器件的击穿特性所致。如果具有足够击穿电压的FET器件或者具有不导致在器件两端有高的RF电压的输出匹配特性的FET器件变为商品化，则利用这样一些器件将非线性功率放大器的栅极偏置电压VB转变为一个更负的值的实施例就可以实现。

图2所表示的另外的替代实施例是由其输出驱动两个功率放大器（260和270）支路的线性驱动放大器（250）组成的。一个支路具有一个单级的GaAs FET放大器（260），用作非线性功率放大器。第二个支路具有两级双极型功率放大器（270），用作线性功率放大器。两个输出在通过滤波器（107）耦合到天线（106）之前，通过50Ω输出传输线耦合到一个公共结点。

在如图2所示的实施例中，因为GaAs FET放大器每级具有高于双极型功率放大器的增益，所以驱动放大器（250）的FM输出功率要求接近于在TDMA数字模式对它的峰值功率要求。驱动放大器（250）在其峰值功率输出时可以具有良好的FM效率。这个放大器与高效率GaAs FET非线性功率放大器（260）相耦合，将在FM模拟模式中形成一种非常高效率的发射机。

此外，本发明的功率放大器组合网络的另外的实施例表示在图4。在这个实施例中，当那个放大器不用时，则将该功率放大器的输入阻抗转至一种很高的电抗性状态。通过适当选择输入传输线（401和402），在输入RF信号的分路结合点上可以呈现一个开路阻抗，使功率将被从悬浮放大器转到使用的放大器中。如在优选实施例那样，如果所选的常规功率放大器器件不能被偏置为一种适合的低损耗状态，或者如果所要求的输入传输线的长度不能实际地实施，则可以将PIN二极管开关用于一个或两个支路中。

在图5中，用作图1中的功率放大器（200和201）的两个功率放大器模块（501和502）通过两个螺钉或其他合适的紧固件装置背靠背地安装在印刷电路板（504）中。这种安装形式显著地减小了所要求的印制板的面积，因为一般来说，每个功率放大器模块（501或502）的背面除散热器外不会用于任何用途。在这种情况下，一个时刻仅仅一个功率放大器模块（501或502）在工作，这样两个功率放大器模块（501和502）的背面可以用于工作的那只模块的散热器。另外，功率放大器模块（501和502）可以共同一个公共的散热器（503），从而减小了无线设备的成本、重量和复杂性，因为一般来讲，在无线设备中，特别是在轻型便携式无线设备中，散热器是昂贵和因难的课题。

图6表示结合有本发明的发射机的双模式无线电话的框图。该以功能方框图实现的实际电路可以安排在一块或多块印制电路板上和装入一个常规的无线电话的机壳中。发射机（104）包括本发明的功率放大器组合网络，以便在TDMA数字式或FM模拟模式中任一种模式的双模式无线电话中。因此，频率调制信号放大与π/4DQPSK调到信号放大的效率都是可以接受的，而同时，减小了电路的尺寸和成本。

送话器（54）将送给它的话音变换为电的信息信号，和产生该电信息信号的输出表示特征的信息信号（56和58）。

当类似于常规的蜂窝无线电话通信时，利用在线（56）上提供的信息信号，该无线电话将产生一个调频的信息信号。当为一种离散系统时，利用在线（58）提供的信息信号，该无线电话产生将由编码信号调制形成一个复合调制信息信号。

在线（56）上产生的信息信号被送到电压控制振荡器（60），在该振荡器中信息信号与某一频率的振荡信号相组合。由电压控制振荡器（60）产生的调频的信息信号（62）到达调制器（64）。当在FM模拟模式中无线电话要发射调频信息信号时，调制器（64）不改变调频信息信号（62），而“通过”该调频信息信号。振荡器（60）和调制器（64）可以一起组成混合调制设备（63）。

信息信号（58）被送到声码器（72），在声码器中模拟的信息信号被数字化和按照一种编码方案进行编码，并产生一个送到调制器（64）的离散的编码信号（76）。调制器（64）将该离散的、编码信号（76）调制成为TDMA数字模式预定频率的复合已调信息信号。

按照频率调制技术或复合调制技术调制的已调信息信号被送到混频器（80），混频器（80）将这个信号与由频率综合器（90）产生并送到混频器（80）的一个偏移传输频率载波相混频。混频器（80）而后产生一个在由频率综合器（90和60）的振荡频率确定的载波频率的载波之上的已调信息信号（96）。

已调信息信号（96）耦合到滤波器（100），该滤波器形成一个中心频率约在，或接近发射电磁波的载频的通频带。这个滤波器（100）产生含有该已调信息信号的已滤波信号（102），该信号（102）被耦合到含有本发明的功率放大器（104）。功率放大器（104）将该已调信息信号放大到足够通过天线（106）发射的功率电平。已放大信号在发射之前，和如所表示的那样，该已放大信号可以由另外的滤波器（107）滤波，滤波器（107）例如可以构成一个双工器的一部分。这个滤波器（107）设置在功率放大器（104）与天线（106）之间的线路中。

处理器（108）提供各控制信号（110，112、114、和115），分别控制振荡器（60）、声码器（72）、调制器（64）和频率综合器（90），以控制由送话器（54）产生的信息信号的调制。

处理器（108）控制由送话器954）产生的信息信号是通过振荡器（60）调制以形成FM模拟模式的调频信息信号，还是另一方面，通过声码器（72）按照一种离散编码方案编码并通过调制器（64）调制以形成TDMA数字模式的复合已调信息信号。

在优选实施例中，当送到放大器（104）的已调信号是调频或复合已调信息信号时，处理器（108）在线（116）上提供控制信号（CS1、CS2、CS3和CS4）到放大器（104），而产生在FM模拟模式或TDMA数字模式中放大器（104）的操作。当π/4DQPSK已调信号将被发送时，启动TDMA数字模式，并且当FM信号将被发送时，启动FM模拟模式。

图6还表示对于传送到天线（106）上的信号的无线电话的接收电路。传送到天线（106）的信号被送到滤波器（117），该滤波器将要求的频率的信号传送到混频器（118）。混频器（118）从频率综合器（90）接收一个振荡信号（119）并产生一个送到解调器（120）的混频信号。解调器（120）送已解调的电信息信号到扬声器（121）。处理器（108）可以送一个信号（120A）到解调器（120）去控制其操作。扬声器（121）变换电的信息信号为可闻性信号。

Claims

1、一种响应于控制信号用于工作在线性模式或饱和模式的射频(RF)信号功率放大器组合网络，上述RF信号功率放大器组合网络包括一个第一放大器，一个第二放大器，分别与第一和第二放大器相耦合的第一和第二输出传输线，

其特征在于：

第一放大器在线性模式中放大一个第一RF信号；第二放大器在饱和模式中放大一个第二RF信号；第二放大器以一种电并联结构与第一放大器相耦合；一个公共结点将第一和第二输出传输线耦合起来；一个转换装置与第一和第二输出传输线中的至少一个相串联，并响应于该控制信号以便对第一和第二放大器的相对应的一个及该公共点进行耦合或去耦合。

2、权利要求1的RF信号功率放大器组合网络，其特征在于：转换装置是与第一和第二输出传输线中的至少一个相串联的PIN二极管装置。

3、权利要求1的RF信号功率放大器组合网络，其特征在于：还包括用于将第一和第二放大器的输入组合为一个单一的输入RF信号线的第二结点。

4、权利要求1的RF信号功率放大器组合网络，其特征在于：还包括耦合到第一和第二放大器的第一和第二偏置装置，它们响应于控制信号将不同的偏置电压与第一和第二放大器相耦合和去耦合。

5、权利要求3的RF信号功率放大器组合网络，其特征在于：第一RF信号是一种差分正交相移键控（DQPSK）调制的输入RF信号，第二RF信号是频率调制（FM）的输入RF信号，第一放大器对DQPSK调制的输入RF信号提供大于1增益，而第二放大器对FM输入RF信号提供大于1的增益。

6、权利要求1的RF信号功率放大器组合网络，其特征在于：第一输出传输线是16°的传输线而第二输出传输线是107°传输线。

7、权利要求1的RF信号功率放大器组合网络，其特征在于：公共节点被耦合到用于辐射来自第一和第二放大器的被放大的RF信号的天线。

8、一种响应于控制信号用于工作在线性模式或饱和模式的射频（FR）信号功率放大器组合网络，上述RF信号功率放大器组合网络包括：一个第一和一个第二RF信号输入线;一个与第一和第二RF信号输入线相耦合的第一公共结点;一个第一放大器;一个第二放大器;一个与第一放大器相耦合的第一输出传输线;一个第二输出传输线;

其特征在于：

第一放大器在线性模式中放大一个第一RF信号，而第二放大器与第一放大器相并联，在饱和模式中放大一个第二RF信号;一个转换装置被耦合到第二放大器的输出端;第二输出传输线与该转换装置相耦合，上述转换装置响应于控制信号用于与第二放大器装置和第二输出传输线相耦合或去耦合;以及一个第二结点，它与第一和第二输出传输线相耦合。

9、一种双模式射频（RF）信号通信设备，该设备包括：用于产生一控制信号以便工作在线性模式或饱和模式的控制装置;用于响应该控制信号产生一个在饱和模式中的频率调制（FM）信号和一个在线性模式中的时分多路存取（TDMA）信号的调制器;

其特征在于：

一个与该调制器相耦合的功率放大器组合网络，它包括：一个用于放大TDMA信号的第一放大器;一个用于放大FM信号的第二放大器，该第二放大器与第一放大器以电并联的结构相耦合;分别与第一和第二放大器相耦合的一个第一和一个第二输出传输线;一个与第一和第二输出传输线相耦合的公共结点;一个与第一或第二输出传输线之一相串联耦合的转换装置，它响应于该控制信号使第一或第二放大器之一与该公共结点相耦合或去耦合;以及一个与该公共结点相耦合的天线。