CN103095229B - 射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种射频功率放大器，该射频功率放大器包括射频信号处理单元、驱动单元和输出单元。射频信号处理单元利用输入射频信号生成第一射频信号和第二射频信号，其中第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第一角度的顺时针角度差，第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第二角度的逆时针角度差，第一角度和第二角度的范围为0°到90°；驱动单元分别对第一射频信号和第二射频信号进行放大，以分别得到第一放大信号和第二放大信号；输出单元利用第一放大信号和第二放大信号的差作为射频输出信号。通过利用第一角度和第二角度，可以对射频功率放大器的输出功率大小进行控制，从而满足通信系统的功率控制要求。

Description

射频功率放大器

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种射频功率放大器。

背景技术

GSM（GlobalSystemforMobileCommunication，全球移动通信系统）及EDGE（EnhancedDataRateforGSMEvolution，增强数据速率的GSM演进）移动通信标准是目前世界上应用最为广泛的移动通信标准，GSM手持设备的出货量，占据了目前所有移动通信设备出货量的绝大多数。尽管CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）/WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess，宽带码分多址）等新一代移动通信系统正在全球范围内越来越广泛地进行部署和应用，其手持设备仍然需要支持GSM/EDGE等通信标准。因此，对于手持设备制造厂商来说，降低GSM/EDGE部分器件成本对于提升其产品竞争力具有非常重要的意义。

在GSM/EDGE通信系统中，射频功率放大器是必不可少的关键组成部分，并且射频功率功率放大器的成本占据了所有射频前端成本的绝大部分，而且其性能也是影响整个GSM/EDGE手持设备性能的重要因素。目前，大多数GSM射频功率放大器的管芯是采用砷化镓异质结双极型晶体管（GaAsHeterojunctionBipolarTransistor，简称：GaAsHBT）或者金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET）工艺制造，而这些半导体工艺相对于常用的互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，简称：CMOS）工艺来说，价格高昂且供应商集中于有限的几家半导体公司。众所周知，通信系统的数字基带芯片采用CMOS半导体工艺，随着CMOS制造工艺和电路设计技术进步，芯片集成度越来越高。因此，产业界的一个趋势是研究用廉价的CMOS工艺制造GSM/EDGE射频功率放大器的方案，以提高系统集成度，降低成本。近年来，基于CMOS工艺的射频功率放大器取得了一些进展，然而目前面世的CMOS射频功率放大器产品仅能支持GSM通信且性能较低，还不能实现同时支持EDGE以及第三代通信标准。

在US6701138发明专利中，公开了一种GSM射频功率放大器功率控制的方法，其基本思想是通过控制GSM射频功率放大器管芯的供电电源电压来控制其输出射频功率的大小。这种功率控制方法及其类似方法在业界被广泛使用，然而众所周知，GSM射频功率放大器供电电源通常需要输出高达1A以上的电流，因此这种功率控制方式需要较为复杂的电路处理，并需要较大尺寸的芯片面积来实现。

综上所述，需要提供一种CMOS射频功率放大器，能够支持GSM/EDGE以及第三代UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统）通信甚至第四代LTE（LongTermEvolution，长期演进）等通信标准，同时具有高性能及低成本优势，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种射频功率放大器，可以支持GSM/EDGE通信标准，具有高性能、低成本优势，可以有效降低GSM/EDGE手持设备的整体功率消耗和生产成本，并具有可与GSM/EDGE移动通信终端中其他CMOS芯片进行集成的优势。

根据本发明的一个方面，提供一种射频功率放大器，包括射频信号处理单元、驱动单元和输出单元，其中：

射频信号处理单元，用于利用输入射频信号生成第一射频信号和第二射频信号，其中将第一射频信号和第二射频信号在具有相同相位时称为零角度参考矢量信号，第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第一角度的顺时针角度差，第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第二角度的逆时针角度差，第一角度和第二角度的范围为0°到90°；

驱动单元，用于分别对第一射频信号和第二射频信号进行放大，以分别得到第一放大信号和第二放大信号；

输出单元，用于利用第一放大信号和第二放大信号的差作为射频输出信号。

优选的，射频信号处理单元包括分配器、第一移相器、第二移相器、第一矢量信号处理器、第二矢量信号处理器，其中：

分配器，用于将输入射频信号分别分配到第一移相器和第二移相器；

第一移相器，用于利用接收的输入射频信号生成第一相位信号；

第二移相器，用于利用接收的输入射频信号生成第二相位信号，其中第一相位信号和第二相位信号的相位差为90°；

第一矢量信号处理器，用于利用第一相位信号和第二相位信号生成第一射频信号；

第二矢量信号处理器，用于利用第一相位信号和第二相位信号生成第二射频信号。

优选的，第一矢量信号处理器还用于根据第一控制信号，调整第一角度的大小；

第二矢量信号处理器还用于根据第一控制信号，调整第二角度的大小。

优选的，第一矢量信号处理器还用于根据第二控制信号，使第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有第三角度的额外角度差；

和/或

第二矢量信号处理器还用于根据第二控制信号，使第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有第三角度的额外角度差。

优选的，驱动单元包括第一放大器和第二放大器，其中：

第一放大器，用于对第一射频信号进行放大，以得到第一放大信号；

第二放大器，用于对第二射频信号进行放大，以得到第二放大信号。

优选的，射频功率放大器还包括控制单元，用于控制驱动单元和输出单元中有源器件的偏置电压。

优选的，不同发射功率值对应的第一角度和第二角度之和不同。

优选的，输出单元包括至少一个射频输出模块，在每个射频输出模块中，包括两组晶体管和电磁耦合变压器，电磁耦合变压器包括初级线圈和次级线圈，其中在第一组晶体管中，第一晶体管和第二晶体管的栅极分别与第一放大信号连接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接，第二晶体管的源极与第一电源连接；在第二组晶体管中，第三晶体管和第四晶体管的栅极分别与第二放大信号连接，第三晶体管的源极接地，第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极连接，第四晶体管的源极与第一电源连接；第一晶体管和第二晶体管的漏极还与初级线圈的第一端连接，第三晶体管和第四晶体管的漏极还与初级线圈的第二端连接；

当输出单元仅包括一个射频输出模块时，次级线圈的第一端为射频信号输出端，次级线圈的第二端接地；

当输出单元包括N个射频输出模块时，N为大于1的自然数，第i个射频输出模块中次级线圈的第一端与第i-1个射频输出模块中次级线圈的第二端连接，1<i≤N，第1个射频输出模块中次级线圈的第一端为射频信号输出端，第N个射频输出模块中次级线圈的第二端接地。

优选的，在每个射频输出模块中，初级线圈的第一端通过第一堆叠晶体管集合与第一晶体管连接，在第一堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第一堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，堆叠晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，M为大于1的自然数，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，1≤j<M，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接；

初级线圈的第一端通过第二堆叠晶体管集合与第二晶体管连接，在第二堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第二堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，堆叠晶体管的源极与第二晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第二晶体管的漏极连接；

初级线圈的第二端通过第三堆叠晶体管集合与第三晶体管连接，在第三堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第三堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，堆叠晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接；

初级线圈的第二端通过第四堆叠晶体管集合与第四晶体管连接，在第四堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第四堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，堆叠晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接。

本发明通过利用第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有的顺时针角度差、以及第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有的逆时针角度差，可以对射频功率放大器的输出功率大小进行控制，从而满足通信系统的功率控制要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明射频功率放大器一个实施例的示意图。

图2为本发明射频信号处理单元一个实施例的示意图。

图3为本发明第一射频信号的示意图。

图4为本发明第二射频信号的示意图。

图5为本发明驱动单元一个实施例的示意图。

图6为本发明相位失配补偿的示意图。

图7为本发明第一射频信号相位补偿的示意图。

图8为本发明第二射频信号相位补偿的示意图。

图9为本发明射频功率放大器另一实施例的示意图。

图10为GSM通信标准中规定的发射机功率发射时隙的示意图。

图11为本发明发射时隙中第一角度与第二角度之和的示意图。

图12为本发明输出单元一个实施例的示意图。

图13为本发明输出单元另一实施例的示意图。

图14为本发明输出单元又一实施例的示意图。

图15为本发明输出单元又一实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明射频功率放大器一个实施例的示意图。如图1所示，

射频功率放大器包括射频信号处理单元101、驱动单元102和输出单元103。其中：

射频信号处理单元101，用于利用输入射频信号生成第一射频信号和第二射频信号，其中将第一射频信号和第二射频信号在具有相同相位时称为零角度参考矢量信号，第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第一角度的顺时针角度差，第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第二角度的逆时针角度差，第一角度和第二角度的范围为0°到90°。

驱动单元102，用于分别对第一射频信号和第二射频信号进行放大，以分别得到第一放大信号和第二放大信号。

输出单元103，用于利用第一放大信号和第二放大信号的差作为射频输出信号。

基于本发明上述实施例提供的射频功率放大器，通过利用第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有的顺时针角度差、以及第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有的逆时针角度差，可以对射频功率放大器的输出功率大小进行控制，从而满足通信系统的功率控制要求。

图2为本发明射频信号处理单元101一个实施例的示意图。如图2所示，射频信号处理单元包括分配器201、第一移相器202、第二移相器203、第一矢量信号处理器204、第二矢量信号处理器205。其中：

分配器201，用于将输入射频信号分别分配到第一移相器201和第二移相器202。

第一移相器202，用于利用接收的输入射频信号生成第一相位信号。

第二移相器203，用于利用接收的输入射频信号生成第二相位信号，其中第一相位信号和第二相位信号的相位差为90°。

第一矢量信号处理器204，用于利用第一相位信号和第二相位信号生成第一射频信号。

第二矢量信号处理器205，用于利用第一相位信号和第二相位信号生成第二射频信号。

例如，来自于射频收发器（Transceiver）的输入射频信号RFin输入到射频信号处理单元101中，输入射频信号RFin被等功率分配到第一移相器202和第二移相器203中。对于本发明涉及的GSM通信系统应用中，输入射频信号RFin为恒定包络的相位调制信号。经过第一移相器202和第二移相器203处理之后，输入射频信号RFin被处理为相互相位差为90°的第一相位信号和第二相位信号。例如，第一相位信号和第二相位信号可以分别记为0°和90°，分别用sinωt及cosωt来表示。

第一矢量信号处理器204和第二矢量信号处理器205的功能是分别对输入的第一相位信号sinωt及第二相位信号cosωt进行矢量运算。第一矢量信号处理器204对第一相位信号sinωt及第二相位信号cosωt进行处理，得到第一射频信号V₁(t)。第二矢量信号处理器205对第一相位信号sinωt及第二相位信号cosωt进行处理，得到第二射频信号V₂(t)。其中：

V₁(t)=cos(ωt+θ₁)

V₂(t)=cos(ωt-θ₂)

其中，当第一矢量信号处理器204和第二矢量信号处理器205输出信号的相位相同时，此时第一矢量信号处理器204和第二矢量信号处理器205的输出为V₀(t)＝cosωt，在本发明中将V₀(t)＝cosωt被称作零角度参考矢量信号。

图3为本发明第一射频信号的示意图，图4为本发明第二射频信号的示意图。从图中可以看出，第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第一角度θ₁的顺时针角度差，第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第二角度θ₂的逆时针角度差，第一角度θ₁和第二角度θ₂的范围为0°到90°。

优选的，第一矢量信号处理器204还用于根据第一控制信号，调整第一角度的大小。第二矢量信号处理器205还用于根据第一控制信号，调整第二角度的大小。

第一矢量信号处理器204和第二矢量信号处理器205的相位旋转角度θ₁、θ₂的大小由其外部输入信号Vramp来决定。Vramp信号通常来自于基带处理器或者射频收发器，用于指示系统输出功率等级。Vramp信号经过一个低通滤波器处理之后输入到第一矢量信号处理器204和第二矢量信号处理器205中。需要说明的是，在大多数实现中，Vramp信号是一个模拟电压信号，但是Vramp也可以用多比特的数字信号表示。

图5为本发明驱动单元一个实施例的示意图。如图5所示，驱动单元102包括第一放大器501和第二放大器502。其中：

第一放大器501，用于对第一射频信号进行放大，以得到第一放大信号。

第二放大器502，用于对第二射频信号进行放大，以得到第二放大信号。

驱动单元102中的放大器，可以是单级或多级放大器，为输入的第一射频信号V₁(t)、第二射频信号V₂(t)提供足够的功率增益。驱动单元的电源供电由Vcc1管脚提供。需要说明的是，本实施例中的驱动单元可以工作于开关模式，输出的饱和功率大小和具体实现中Vcc1电压大小相关。

输出单元利用第一放大信号和第二放大信号的差作为射频输出信号，其电源供电由Vcc2管脚提供。设射频输出信号为PO(t)，则其可以表达为：

$\mathrm{PO}\left(t\right)=A_2\&CenterDot;(P_1\left(t\right)-P_2\left(t\right))$

$=A_2\&CenterDot;(A_1\&CenterDot;V_1\left(t\right)-A_1\&CenterDot;V_2\left(t\right))$

$=A_2{A}_1\&CenterDot;(\cos (\mathrm{\&omega;t}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-\cos (\mathrm{\&omega;t}-{\mathrm{\&theta;}}_2))$

$=-2A_2{A}_1\sin \left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2}{2}\right)\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2}{2})$

其中，A₁和A₂分别为驱动单元和输出单元对射频信号放大的增益，通常A₁和A₂的大小和驱动单元、输出单元的的电源供电电压大小有关。

优选的，第一矢量信号处理器204还用于根据第二控制信号，使第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有第三角度的额外角度差。和/或第二矢量信号处理器205还用于根据第二控制信号，使第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有第三角度的额外角度差。

在实际半导体制造中，芯片上的器件通常会有一定的工艺偏差，例如在本发明中，由于工艺偏差的影响，将使得两组驱动放大器具有一定范围内的特性失配，从而导致两路射频信号具有相位失配偏差，进而影响射频功率放大器的幅度特性。比如，假设第一射频信号V₁(t)存在一个由工艺偏差带来的固定超前相位，其大小为α；根据目前半导体工艺水平，这样的工艺偏差所带来的相位失配α通常能做到小于1°。为此，为第一矢量信号处理器提供第二控制信号Vph。Vph可以是一个模拟电压信号，也可以是多比特的数字信号。Vph信号通过一个低通滤波器之后输入到第一矢量信号处理器中。Vph信号的功能是，提供一种补偿机制，使第一矢量信号处理器的角度旋转仍然等于第一角度θ₁，即如图6所示，在Vramp信号及Vph信号的共同作用下，第一射频信号V₁(t)的相位与零角度参考矢量信号V₀(t)＝cosωt的相位相比保持第一角度θ₁的顺时针角度差。同样，也可以对第二矢量信号处理器进行相同的控制。由以上描述及图6所示，可以理解第二控制信号Vph对于工艺偏差的补偿作用。易于理解，第二控制信号Vph还可以用于其他情形的失配补偿。

如前所述，在采用极化调制实现EDGE等线性信号放大时要求第一角度θ₁和第二角度θ₂相等；假设由于制造工艺偏差导致在功率合成网络前发生第一角度θ₁和第二角度θ₂略有差异，本发明所提出的方案还可以对这种工艺偏差导致的输出信号相位特性偏离进行有效补偿。另外一个实施例中，Vph信号可同时控制第一矢量信号处理器204和第一矢量信号处理器205，从而分别使第一矢量信号处理器204和第一矢量信号处理器205产生的第一角度θ₁和第二角度θ₂都具有第三角度θ₃的额外旋转，如图7和图8所示，在Vramp信号及Vph信号的共同作用下，第一射频信号V₁(t)的相位与零角度参考矢量信号V₀(t)＝cosωt的相位相比有第四角度的顺时针角度差；第二射频信号V₂(t)的相位与零角度参考矢量信号V₀(t)=cosωt的相位相比有第五角度的逆时针角度差。因此，此时射频输出信号可以表达为：

由此，当Vph信号使第三角度θ₃满足下列条件：

则输出信号相位特性和输入信号保持一致。同时Vph也可以用于补偿由于工艺偏差所产生相位失配对射频功率放大器相位特性的影响，并且此时幅度特性与此Vph信号产生的第三角度θ₃无关。

图9为本发明射频功率放大器另一实施例的示意图。相比于前述射频功率放大器的实施例，在图9所示实施例，射频功率放大器还包括控制单元901，用于控制驱动单元102和输出单元103中有源器件的偏置电压。

优选的，控制单元901的输入逻辑控制信号Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3、Ctrl4来自于系统中基带芯片或者控制器芯片，用于控制射频功率放大器的工作状态，譬如功率放大器的关闭、打开、输出功率高低和工作模式等等。在本发明中，控制单元901根据输入逻辑控制信号Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3、Ctrl4，产生多个内部控制信号，分别用于控制驱动单元102中放大器偏置电压及电源电压Vcc1，控制输出单元103中放大器偏置电压及电源电压Vcc2等。

由前述PO(t)表达式

$\mathrm{PO}\left(t\right)=A_2\&CenterDot;(P_1\left(t\right)-P_2\left(t\right))$

$=-2A_2{A}_1\sin \left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2}{2}\right)\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2}{2})$

可以看到，输出信号PO(t)的功率大小与第一角度θ₁和第二角度θ₂的大小是相关的，即通过第一角度θ₁和第二角度θ₂的大小就可以实现对射频功率放大器输出功率大小的控制，可以满足GSM通信系统下的功率控制要求。优选的，本发明用于GSM通信系统，其实现功率控制的原理阐述如下。

图10为GSM通信标准中规定的发射机功率发射时隙的示意图。在一个功率发射时隙中，发射功率的上升、稳定及下降的时间及功率大小都被严格限制，所有GSM功率放大器的工作都需要遵循这个规定，并且通常GSM功率放大器受到来自于基带芯片的Vramp信号控制来满足要求的功率控制机制。在现有技术的方案中，通常Vramp信号通过控制各级放大器的供电电源的电压大小而实现对输出功率的控制。而众所周知，功率放大器供电电源通常需要输出高达1A以上的电流，因此这种功率控制方式需要较为复杂的电路处理，并需要较大尺寸的芯片面积来实现。

在本发明方案中，Vcc1和Vcc2可以固定在一个指定的工作电压，例如系统电源电压。Vramp信号控制第一矢量信号处理器204和第二矢量信号处理器205工作，从而决定第一角度θ₁和第二角度θ₂的大小，继而达到对射频功率放大器输出功率的控制。图11为与图10所对应的在一个功率发射时隙中，第一角度θ₁和第二角度θ₂之和(θ₁+θ₂)的变化曲线。在整个发射时隙内的各个时间点，不同发射功率值所对应的第一角度θ₁和第二角度θ₂之和(θ₁+θ₂)不同。结合上述计算公式，本发明所述方案采用第一角度θ₁和第二角度θ₂之和(θ₁+θ₂)对输出功率进行控制是易于理解的。对比现有技术方案中的功率控制方式，本发明方案的功率控制方式更加简单且易于实现。

另外，还需要说明的是，本发明所述方案还可以用于极化调制EDGE信号（PolarEDGE）的功率放大。当第一角度θ₁和第二角度θ₂相等，即时，射频输出信号PO(t)为：

由上式可以看到，此时射频功率放大器的输出信号PO(t)幅度特性仅与相关；而其相位特性和输入信号保持一致。由此可以看到，本发明可以采用极化调制的方法来实现EDGE等线性调制信号的功率放大。具体实现上只要在Vramp信号中包含幅度调制信息，而在恒定包络输入射频信号RFin中包含相位调制信息。相比于现有的通过控制Vcc2电压大小来实现极化调制EDGE信号功率放大的方案，本发明所述方案更加简单且易于实现。

优选的，在上述各实施例中，输出单元103包括至少一个射频输出模块，在每个射频输出模块中，包括两组晶体管和电磁耦合变压器，电磁耦合变压器包括初级线圈和次级线圈，其中在第一组晶体管中，第一晶体管和第二晶体管的栅极分别与第一放大信号连接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接，第二晶体管的源极与第一电源连接；在第二组晶体管中，第三晶体管和第四晶体管的栅极分别与第二放大信号连接，第三晶体管的源极接地，第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极连接，第四晶体管的源极与第一电源连接；第一晶体管和第二晶体管的漏极还与初级线圈的第一端连接，第三晶体管和第四晶体管的漏极还与初级线圈的第二端连接。

当输出单元103仅包括一个射频输出模块时，次级线圈的第一端为射频信号输出端，次级线圈的第二端接地。

当输出单元103包括N个射频输出模块时，N为大于1的自然数，第i个射频输出模块中次级线圈的第一端与第i-1个射频输出模块中次级线圈的第二端连接，1<i≤N，第1个射频输出模块中次级线圈的第一端为射频信号输出端，第N个射频输出模块中次级线圈的第二端接地。

下面通过具体示例来描述本发明的输出单元103。

图12为本发明输出单元103一个实施例的示意图。在图12所示实施例中，输出单元103仅包括一个射频输出模块。在图12中，射频输出模块包括4个CMOS晶体管1201－1204。第一晶体管1201为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₁(t)，源级连接到地，漏极连接到第二晶体管1202的漏极；第二晶体管1202为PMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₁(t)，源级连接到第四晶体管1204的源级，漏极连接到第一晶体管1201的漏极；第三晶体管1203为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₂(t)，源级连接到地，漏极连接到第四晶体管1204的漏极；第四晶体管1204为PMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₂(t)，源级连接到第二晶体管1202的源级，漏极连接到第三晶体管1203的漏极。第二晶体管1202的源级、第四晶体管1204的源级连接到电源供电管脚Vcc2。第二晶体管1202的漏极、第一晶体管1201的漏极还连接到电感1205的第一端，电感1205的第二端连接到第三晶体管1203的漏极和第四晶体管1204的漏极。电感1205和电感1206组成了一个电磁耦合变压器，其中电感1205为变压器的初级线圈，电感1206为变压器的次级线圈；电感1206的一端连接到地，另外一端连接到射频功率放大器的射频输出端RFout。电感1205和电感1206组成的电磁耦合变压器，形成一个功率合成网络，将输出级电路对射频信号P₁(t)和P₂(t)放大之后的信号进行功率合成并输出到射频输出端RFout。

图13为本发明输出单元另一实施例的示意图。与图12所示实施例相比，在图13所示实施例中，输出单元103包括两个射频输出模块，其中在每个射频输出模块中，各晶体管以及初级线圈的连接与图12所示实施例中相应的晶体管以及初级线圈的连接方式相同。同时本领域技术人员可以了解的是，输出单元103中包括两个射频输出模块仅是一种示例，输出单元103中还可包括多个射频输出模块。

在图13所示实施例中，共包括8个CMOS晶体管1301－1308。在第一个射频输出模块中，第一晶体管1301为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₁(t)，源级连接到地，漏极连接到第二晶体管1302的漏极；第二晶体管1302为PMOS器件，其栅极连接到输入信号P₁(t)，源级连接到第四晶体管1304的源级，漏极连接到第一晶体管1301的漏极；第三晶体管1303为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₂(t)，源级连接到地，漏极连接到第四晶体管1304的漏极；第四晶体管1304为PMOS器件，其栅极连接到输入信号P₂(t)，源级连接到第二晶体管1302的源级，漏极连接到第三晶体管1303的漏极。

在第二个射频输出模块中，第一晶体管1305为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₁(t)，源级连接到地，漏极连接到第二晶体管1306的漏极；第二晶体管1306为PMOS器件，其栅极连接到输入信号P₁(t)，源级连接到第四晶体管1308的源级，漏极连接到第一晶体管1305的漏极；第三晶体管1307为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₂(t)，源级连接到地，漏极连接到第四晶体管1308的漏极；第四晶体管1308为PMOS器件，其栅极连接到输入信号P₂(t)，源级连接到第二晶体管1306的源级，漏极连接到第三晶体管1307的漏极。

第一个射频输出模块中的第二晶体管1302的源级、第四晶体管1304的源级、以及第二个射频输出模块中的第二晶体管1306的源级、第四晶体管1308的源级连接到电源供电管脚Vcc2。在第一个射频输出模块中，第二晶体管1302的漏极、第一晶体管1301的漏极还连接到电感1309的一端，电感1309的另外一端连接到第三晶体管1303的漏极和第四晶体管1304的漏极。在第二个射频输出模块中，第二晶体管1306的漏极、第一晶体管1305的漏极还连接到电感1311的一端，电感1311的另外一端连接到第三晶体管1307的漏极和第四晶体管1308的漏极。这里，电感1309和电感1310组成了第一个电磁耦合变压器，电感1311和电感1312组成了第二个电磁耦合变压器；在由电感1309和电感1310组成的第一个变压器中，电感1309为初级线圈，电感1310为次级线圈；在由电感1311和电感1312组成的第二个变压器中，电感1311为初级线圈，电感1312为次级线圈；电感1310的一端连接到射频功率放大器的射频输出端RFout，另外一端连接到电感1312的一端，电感1312的另外一端连接到地。这样，电感1309、电感1310、电感1311、电感1312组成了级联的电磁耦合变压器，形成一个功率合成网络，将输出级电路对射频信号P₁(t)和P₂(t)放大之后的信号进行功率合成并输出到射频输出端RFout。

优选的，在每个射频输出模块中，初级线圈的第一端通过第一堆叠晶体管集合与第一晶体管连接，在第一堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第一堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，堆叠晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，M为大于1的自然数，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，1≤j<M，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接；

初级线圈的第一端通过第二堆叠晶体管集合与第二晶体管连接，在第二堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第二堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，堆叠晶体管的源极与第二晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第二晶体管的漏极连接；

初级线圈的第二端通过第三堆叠晶体管集合与第三晶体管连接，在第三堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第三堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，堆叠晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接；

初级线圈的第二端通过第四堆叠晶体管集合与第四晶体管连接，在第四堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第四堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，堆叠晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接。

下面通过具体示例来描述本发明的输出单元103中的堆叠晶体管集合。

图14为本发明输出单元又一实施例的示意图。在图14所示实施例中，输出单元103仅包括一个射频输出模块。与图12所示实施例相比，在图14所示实施例中，线圈1409的第一端通过第五晶体管1405与第一晶体管1401连接，通过第六晶体管1406与第二晶体管1402连接，线圈1409的第二端通过第七晶体管1407与第三晶体管1403连接，通过第八晶体管1408与第四晶体管1404连接。即，在该实施例中，各堆叠晶体管集合中只有一个晶体管。由上面的描述可知，各堆叠晶体管集合中还可以包括多个晶体管。例如第五晶体管1405与第一晶体管1401堆叠实现图12所示实施例中第一晶体管1201的功能，通过晶体管堆叠可以有效提高电路的耐压。

具体的，与图12所示实施例相比，在图14所示实施例中，包括8个CMOS晶体管1401－1408。第一晶体管1401为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₁(t)，源极连接到地，漏极连接到第五晶体管1405的源极；第五晶体管1405为NMOS器件，其栅极连接到偏置电压V_b，源极连接到第一晶体管1401的漏极，漏极连接到第六晶体管1406的漏极；第六晶体管1406为PMOS器件，其栅极连接到偏置电压V_b，漏极连接到第五晶体管1405的漏极，源极连接到第二晶体管1402的漏极；第二晶体管1402为PMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₁(t)，漏极连接到第六晶体管1406的源极，源极连接第四晶体管1404的源极；第三晶体管1403为NMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₂(t)，源极连接到地，漏极连接到第七晶体管1407的源极；第七晶体管1407为NMOS器件，其栅极连接到偏置电压V_b，源极连接到第三晶体管1403的漏极，漏极连接到第八晶体管1408的漏极；第八晶体管1408为PMOS器件，其栅极连接到偏置电压V_b，漏极连接到第七晶体管1407的漏极，源极连接到第四晶体管1404的漏极；第四晶体管1404为PMOS器件，其栅极连接到输入射频信号P₂(t)，漏极连接到第八晶体管1408的源极，源极连接第二晶体管1402的源极。

第二晶体管1402的源级、第四晶体管1404的源级连接到电源供电管脚Vcc2。第六晶体管1406的漏极、第五晶体管1405的漏极还连接到电感1409的第一端，电感1409的第二端连接到第七晶体管1407的漏极和第八晶体管1408的漏极。电感1409和电感1410组成了一个电磁耦合变压器，其中电感1409为变压器的初级线圈，电感1410为变压器的次级线圈；电感1410的一端连接到地，另外一端连接到射频功率放大器的射频输出端RFout。电感1409和电感1410组成的电磁耦合变压器，形成一个功率合成网络，将输出级电路对射频信号P₁(t)和P₂(t)放大之后的信号进行功率合成并输出到射频输出端RFout。

图15为本发明输出单元又一实施例的示意图。在图15所示实施例中，输出单元103包括两个射频输出模块。同时本领域技术人员可以了解的是，输出单元103中包括两个射频输出模块仅是一种示例，输出单元103中还可包括多个射频输出模块。其中作为一种示例，在图15所示实施例中，在每个射频输出模块中，各晶体管以及初级线圈的连接与图14所示实施例中相应的晶体管以及初级线圈的连接方式相同，同时在图15所示实施例中，各次级线圈的连接方式与图13所示实施例中的各次级线圈的连接方式相同。

优选的，输出单元可工作于高效率的开关功率放大器状态，从而能够提高整个射频功率放大器的效率。

综上所述，本发明所述的射频功率放大器基于CMOS半导体工艺，可以支持GSM/EDGE通信标准，且具有高效率、高性能、高线性及低成本优势，可以有效降低GSM/EDGE手持设备的整体成本，并具有与GSM/EDGE通信终端中其他CMOS芯片可集成的优势。另外，需要说明的是，本发明所述实施例中采用了CMOS半导体工艺作为优先选择；但是，熟悉本领域的专业技术人员所公知的是，本发明所述方案也可以通过CMOS工艺之外的其余半导体工艺来实现，例如硅双极型晶体管工艺，砷化镓异质结双极型晶体管工艺，砷化镓高电子迁移率场效应晶体管，以及锗化硅半导体工艺等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种射频功率放大器，其特征在于，包括射频信号处理单元、驱动单元和输出单元，其中：

射频信号处理单元，用于利用输入射频信号生成第一射频信号和第二射频信号，其中将第一射频信号和第二射频信号在具有相同相位时称为零角度参考矢量信号，第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第一角度的顺时针角度差，第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位有第二角度的逆时针角度差，第一角度和第二角度的范围为0°到90°；

驱动单元，用于分别对第一射频信号和第二射频信号进行放大，以分别得到第一放大信号和第二放大信号；

输出单元，用于利用第一放大信号和第二放大信号的差作为射频输出信号，以便通过第一角度和第二角度的大小对射频功率放大器输出功率进行控制；

其中，射频信号处理单元包括分配器、第一移相器、第二移相器、第一矢量信号处理器、第二矢量信号处理器，其中：

分配器，用于将输入射频信号分别分配到第一移相器和第二移相器；

第一移相器，用于利用接收的输入射频信号生成第一相位信号；

第二移相器，用于利用接收的输入射频信号生成第二相位信号，其中第一相位信号和第二相位信号的相位差为90°；

第一矢量信号处理器，用于利用第一相位信号和第二相位信号生成第一射频信号；

第二矢量信号处理器，用于利用第一相位信号和第二相位信号生成第二射频信号。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：

第一矢量信号处理器还用于根据第一控制信号，调整第一角度的大小；

第二矢量信号处理器还用于根据第一控制信号，调整第二角度的大小。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：

第一矢量信号处理器还用于根据第二控制信号，使第一射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有第三角度的额外角度差；

和/或

第二矢量信号处理器还用于根据第二控制信号，使第二射频信号的相位相对于零角度参考矢量信号的相位具有第三角度的额外角度差。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：

驱动单元包括第一放大器和第二放大器，其中：

第一放大器，用于对第一射频信号进行放大，以得到第一放大信号；

第二放大器，用于对第二射频信号进行放大，以得到第二放大信号。

5.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，射频功率放大器还包括控制单元，用于控制驱动单元和输出单元中有源器件的偏置电压。

6.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，不同发射功率值对应的第一角度和第二角度之和不同。

7.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：

输出单元包括至少一个射频输出模块，在每个射频输出模块中，包括两组晶体管和电磁耦合变压器，电磁耦合变压器包括初级线圈和次级线圈，其中在第一组晶体管中，第一晶体管和第二晶体管的栅极分别与第一放大信号连接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接，第二晶体管的源极与第一电源连接；在第二组晶体管中，第三晶体管和第四晶体管的栅极分别与第二放大信号连接，第三晶体管的源极接地，第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极连接，第四晶体管的源极与第一电源连接；第一晶体管和第二晶体管的漏极还与初级线圈的第一端连接，第三晶体管和第四晶体管的漏极还与初级线圈的第二端连接；

当输出单元仅包括一个射频输出模块时，次级线圈的第一端为射频信号输出端，次级线圈的第二端接地；

当输出单元包括N个射频输出模块时，N为大于1的自然数，第i个射频输出模块中次级线圈的第一端与第i-1个射频输出模块中次级线圈的第二端连接，1<i≤N，第1个射频输出模块中次级线圈的第一端为射频信号输出端，第N个射频输出模块中次级线圈的第二端接地。

8.根据权利要求7所述的射频功率放大器，其特征在于：

在每个射频输出模块中，初级线圈的第一端通过第一堆叠晶体管集合与第一晶体管连接，在第一堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第一堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，堆叠晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，M为大于1的自然数，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，1≤j<M，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接；

初级线圈的第一端通过第二堆叠晶体管集合与第二晶体管连接，在第二堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第二堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，堆叠晶体管的源极与第二晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第一端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第二晶体管的漏极连接；

初级线圈的第二端通过第三堆叠晶体管集合与第三晶体管连接，在第三堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第三堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，堆叠晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接；

初级线圈的第二端通过第四堆叠晶体管集合与第四晶体管连接，在第四堆叠晶体管集合中包括至少一个堆叠晶体管，堆叠晶体管的栅极均与第二电源连接，当第四堆叠晶体管集合中仅包括一个堆叠晶体管时，堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，堆叠晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接；当第一堆叠晶体管集合中包括M个堆叠晶体管，则第j个堆叠晶体管的源极与第j+1个堆叠晶体管的漏极连接，第1个堆叠晶体管的漏极与初级线圈的第二端连接，第M个堆叠晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接。