CN105874705B - 具有受控包络跟踪调制器和经适配的静态电压的功率放大器设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率放大器设备，该功率放大器设备包括：放大器组件(A)，可操作为根据控制信号(ctrl)接收输入信号(s；)并且提供经放大的输出信号(so)；包络跟踪调制器(ET)，根据静态电压(Vs)和动态电压(VD)提供控制信号(ctrl)；电源(S)，根据由功率传感器(PS)对经放大的输出信号执行的测量来提供所述静态电压和所述动态电压，以使得静态电压(Vs)被确定为在预定的时间持续期内的输出信号(So)的平均值。
Description
技术领域
本发明一般性地涉及信号放大，并且更特别地，涉及一种用于提高放大设备的效率的设备和方法。
背景技术
无线设备使用射频(RF)来发射信息。例如，蜂窝电话使用经放大的RF向基站发射语音和数据信号，基站允许信号被中继到通信网络。其他已有的无线通信设备包括WiFi、蓝牙、WLAN、3G/4G设备、UMTS及其长期演进(LTE)......。
在常规的无线设备中，功率放大器消耗整个无线系统的大部分功率。对于借助电池运行的系统，具有低效率的功率放大器导致了对于给定的电池寿命而言减少的通信时间。另外，效率上的降低导致了对于热移除的增加的要求，这可能增加装备和运行成本并且可能减少一些组件的寿命。此外，节能对于促进绿色运动的通信运营商是一种巨大的需求。
由于这个原因，在提高RF功率放大器的效率上已经花费了许多努力。
一种通常使用的放大器类型是Doherty类型功率放大器。
这种类型的功率放大器由W.H.Doherty于1936年设计。
在数十年中，调制方案(AM和FM)采用所要求的线性放大。尽管它具有良好的效率，但是Doherty放大器因为它的非线性而没有被使用。
在最近几年，Doherty放大器的流行度的复苏基于它在放大具有高PAR(峰均比)的输入信号(例如，像OFDM(正交频分复用)信号)时非常高的功率附加效率。在这样的背景下，Doherty放大器的合理的非线性能够通过模拟和数字技术而被补偿。
然而，进一步改进电信设备的功率放大器的效率仍然是合意的，特别是由于先前所提及的原因。
发明内容
本发明的目的是至少部分地减轻上文提到的缺点。
这一目的利用功率放大器设备而被实现，该功率放大器包括：
-放大器组件，可操作为根据控制信号接收输入信号并且提供经放大的输出信号；
-包络跟踪调制器，根据静态电压和动态电压提供所述控制信号；
-电源，根据由功率传感器对所述经放大的输出信号执行的测量来提供所述静态电压和所述动态电压，以使得所述静态电压被确定为在预定的时间持续期内的所述输出信号的平均值。
优选的实施例包括以下特征中的一个或多个特征，它们能够在部分组合中或者在完全组合中单独地或者一起被采用：
-功率放大器设备进一步包括匹配电路，用于根据由所述功率传感器执行的测量来将所述放大器组件保持在与峰值效率相对应的操作条件下。
-功率传感器是RMS传感器。
-预定的时间持续期显著地高于所述动态电压的变化的持续期，特别是以大约十亿的因子。
-匹配电路包括组件，该组件关注于由PIN二极管、变容二极管、MEMS......构成的群组。
-包络跟踪调制器具有由公司Emerson生产的种类。
-输出信号符合于WCDMA或LTE标准。
本发明的另一方面涉及一种包括如之前所描述的功率放大器设备的电信设备。
本发明的另一方面涉及一种用于放大输入信号的方法，该方法包括：
-根据控制信号从所述输入信号提供经放大的输出信号；
-根据静态电压和动态电压提供所述控制信号；
-根据由功率传感器对所述经放大的输出信号执行的测量来提供所述静态电压和所述动态电压，以使得所述静态电压被确定为在预定的时间持续期内的所述输出信号的平均值。
这一方法的优选实施例包括以下特征中的一个或多个特征，它们能够在部分组合中或者在完全组合中单独地或者一起被采用：
-该方法进一步包括：根据由所述功率传感器执行的测量，将所述放大器组件保持在与峰值效率相对应的操作条件下。
-功率传感器是RMS传感器。
-预定的时间持续期显著地高于所述动态电压的变化的持续期，特别是以大约十亿的因子。
-将所述放大器组件保持在操作条件下在于部署包括组件的匹配电路，该组件关注于由PIN二极管、变容二极管、MEMS......构成的群组。
-由跟踪调制器(ET)根据静态电压(VS)和动态电压(VD)来提供所述控制信号(ctrl)，该跟踪调制器(ET)具有由公司Emerson生产的种类。
-所述输出信号(so)符合于WCDMA或LTE标准。
参考下文所列出的附图，从作为非限制性示例所给出的本发明的实施例的以下描述来看，本发明的进一步特征和优点将是明显的。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于功率放大器设备的实施例。
图2示出了对于放大器而言的似然密度和漏极效率对漏极电压。
图3a、3b和3c示出了用于匹配电路的可能的实施例。
图4在史密斯图上示出了静态电压的适配的影响和匹配的影响。
图5a、5b、5c、5d示出了曲线的示例，这些曲线示出了功率放大器设备的行为。
具体实施方式
一般而言，功率放大器设备包括放大器组件A或者由放大器组件A组成。这一放大器能够由晶体管组成，并且可操作为接收输入信号并提供经放大的输出信号。
这一晶体管能够基于LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)或者基于VDMOS(垂直扩散金属氧化物半导体)、CMOS(互补金属氧化物半导体)、GaAs(砷化镓)或GaN(氮化镓)技术。
根据被使用用于放大器组件A的技术，稍后将被描述的用于静态电压和动态电压以及用于匹配的电压范围被适配。
在包络跟踪(ET)之下的晶体管能够是A类、B类、C类、D类、E类、F类、F-1类。
市场的放大器组件具有针对专用于包络跟踪的架构的一些典型的技术特性：一般而言，它们被设计以使得根据电压给出效率的曲线在给定的电压间隔内是平坦的。
例如，在图2上描绘了这一特性，其中曲线b表示对于由LDMOS晶体管组成的放大器而言的漏极效率对漏极电压。它清楚地示出了该曲线在大约[17V；28V]的间隔内是平坦的。
当经放大的信号关注于(behold to)这一平坦区域时，这样的特性是令人感兴趣的，因为效率那时是最大的。然而，在电信网络中，功率信号可能变化，并且它的偏移(excursion)也可能走出这一区域。在这样的情况下，效率显著地下降。
在这一图2上所示出的示例中，曲线a表示似然密度或概率密度函数(PDF)。这样的函数表示电压的统计分布：根据所发射的数据信号并且根据调制方案，电压不是等同地被分布，而是相反地示出在10V周围的重要峰值。
这个值典型地对应于具有大调制的信号，像WCDMA(宽带码分多址)或LTE(长期演进)。
换句话说，在10V处具有信号存在高概率，但是这样的信号对应于差的效率(大约45)，而对于与低发生概率相对应的电压值，效率在它的最高值(大约55)。
因此，这样的布置的总效率远离最佳。
相应地，本发明的一个目标在于修改放大器组件的操作条件，以便使得概率密度函数与效率曲线相匹配。简单地并且以图形来陈述，这意味着移动曲线b以使得曲线a的峰值对应于平坦区域：在所描绘的示例中，操作条件的这样的修改可以导致曲线c。
由于这个原因，放大器组件被控制为根据所放大的输出信号来修改它的操作条件。
相应地，所放大的输出信号由功率传感器来测量，以反馈调节信号用于修改这些运行条件。
图1示出了根据本发明的用于功率放大器设备的实施例。
在这个实施例中，根据由包络跟踪调制器ET提供的控制信号ctrl，放大器组件A可操作为接收输入信号si并且提供经放大的输出信号so。
这样的包络跟踪调制器ET能够是现成的产品，例如像由公司Emerson设计的产品。
这一类别的产品和技术的描述例如在公司Emerson的主页上是可得到的：
https：//www.powerconversion.com/assets/whitepapers/EnvelopeTracking-WP0.pdf
这一包络跟踪调制器具有两个输入：动态电压VD和静态电压VS。这两个电压由电源S根据功率传感器PS对经放大的输出信号so执行的测量来提供。
通过这样做，反馈控制从所测量的输出信号朝向放大器被执行，以使得放大器组件A连续地处于效率为最大的操作条件中，而不管输出信号如何。
通过根据预定的时间持续期内的输出信号so的平均值直接修改静态电压VS，使得这成为可能。
虽然动态地被修改，但是这一静态电压VS应当仍然被考虑为“静态”，因为它随时间的变化显著地慢于动态电压VD：该动态电压实时地跟随输出信号so。相反地，该静态电压被确定为在70微秒(即，大约是LTE实施方式中的符号时间)直到1秒左右的时间段内的平均值。
对静态电压VS的修改目标在于将放大器设备适配于直接影响输出功率和输出电压Vo的网络条件。例如，如果放大器设备被放置于电信网络的基站内的地方，则输出功率将取决于在给定时间所连接的移动设备的数目而变化。
然而，这一数目以及因此这一输出功率以一种节律(rhythm)变化，该节律完全不同于所发射的信号它们本身的变化(其由控制信号ctrl所捕获)。
因此，根据其来确定平均值的预定的时间持续期显著地长于控制信号ctrl的变化的持续期，特别是以大约1.4万到百亿的因子。
针对静态电压VS的平均值的确定能够由RMS传感器(代表“均方根”)简单地执行。这种类别的功率传感器通常被使用在电信系统中，并且被适配为确定所测量的输出功率而不管所使用的信号调制的类型如何。
静态电压和动态电压VS、VD二者能够由电源S来提供，电源S采用调节信号reg作为输入，调节信号reg由功率传感器PS基于测量和这些测量的表示而输出。相应地，静态电压和动态电压能够被适配于输出信号so的变化。
电源S还能够提供命令信号cmd来调谐匹配电路M。这一匹配电路的目标是将放大器A保持在与它的峰值效率相对应的操作条件下。
对于匹配电路M，不同的实施例是可能的。图3a、3b和3c示出了可能的实施例。
在图3a上，隔离器10被放置在放大器组件A的输出处。归因于组件11，让第三端口未被匹配。这一组件11能够是PIN二极管、变容二极管、MEMS......。组件11必须符合于高功率电平。
在图3b上，混合耦合器20被放置在放大器组件A的输出处。归因于组件21，如在先前的示例中那样，让输入端口未被匹配。再次地，这一组件能够是PIN二极管、变容二极管、MEMS......。
在图3c上，归因于所添加的组件35和36，放大器组件A的两个匹配网络被修改。这些组件能够是PIN二极管、变容二极管、MEMS......。
图4在史密斯图上表示了静电电压VS的适配的影响和匹配的影响。在这个图上，对于一个恒定的静态电压VS，每个闭合曲线表示对于不同阻抗值的相同晶体管效率。所有的这些曲线形成相同的族(family)。最小的曲线用于最大的效率，并且位于最接近围绕该族的中心。连续的线40表示与用于静态电压VS的高值相对应的第一族，并且虚线40表示与用于静态电压VS的低值相对应的第二族。
双线43表示从静态电压VS的低值到高值的族中心的路径。放大器组件A由匹配电路M进行匹配，以使得阻抗被保持为沿着这一路径以维持最大效率。
返回转向图3a、3b和3c，它意味着组件11、21、35、36已经根据史密斯图上所描绘的路径修改了阻抗，以使得放大器组件A的效率被保持在它的最大值。
图5a、5b、5c、5d示出了曲线的示例，这些曲线示出了功率放大器设备的行为。
图5a描绘了理论曲线，该理论曲线根据输出功率Pout示出了包络跟踪(ET)之下的功率放大器设备的效率。
虚线将输出功率Pout域划分为两个子域，位于左侧的第一子域S1对应于用于输出功率和电压的低值并且对应于图5b；以及位于右侧的第二子域S2对应于输出功率和电压的高值并且对应于图5c。
在图5c上，曲线C1表示信号包络，并且曲线C3表示静态电压VS。包络跟踪调制器ET递送对应于控制信号ctrl的漏极电压。这一控制信号由曲线C2来图示，当这一信号超过静态电压C3时，曲线C2跟随(即“跟踪”)包络C1，并且当该信号低于它的值时，曲线C2被这一静态电压C3所限制。
作为这种行为的结果，效率是最大的并且图5a的右侧子域上的曲线是平坦的曲线。
图5d示出了没有针对静态电压的低值进行静态电压VS的适配的电势情形。这样的情形不符合于本发明并且被描述在此处仅为了做出更清楚和更容易理解的解释。这一附图示出了当降低输出电压时，它在一个点处变得完全低于VDDMAX/2处的恒定静态电压。
在这样的情形中，放大器的效率显著地降低并且在图5a上描绘了这一效率损失，除了左侧子域上的虚线之外。
归因于本发明，静态电压不再是恒定的，而是取决于输出功率。图5b示出了已经针对输出电压的低值降低了静态电压的情形。相应地，该情形在如下的意义上变得与图5b上所描绘的情形相类似：在输出信号C2高于静态电压VS的场合中它能够跟踪信号包络C1，并且在包络下降到低于静态电压VS时被它所限制。以这种方式，效率被保持为最大，正如这由图5a上的左侧子域的平坦连续线所描绘。
已经参考优选的实施例描述了本发明。然而，许多变化可能在本发明的范围内。
Claims (12)
1.一种功率放大器设备，包括：
-放大器组件(A)，被配置为根据控制信号(ctrl)接收输入信号(si)并提供经放大的输出信号(so)；
-包络跟踪调制器(ET)，被布置为根据静态电压(VS)和动态电压(VD)提供所述控制信号(ctrl)；
-电源(S)，被布置为根据由功率传感器(PS)对所述经放大的输出信号执行的测量，向所述包络跟踪调制器(ET)提供所述静态电压和所述动态电压，以使得所述静态电压(VS)被确定为在预定的时间持续期内的所述输出信号(so)的平均值，并且所述动态电压(VD)实时地跟随所述输出信号(so)，所述测量从所述功率传感器(PS)被输入到所述电源(S)作为调节信号；
-匹配电路(M)，包括具有阻抗的至少一个组件(11、21、35、36)，所述阻抗基于由所述功率传感器(PS)提供给所述匹配电路(M)的命令信号而可修改以匹配所述放大器组件(A)，并且所述匹配电路(M)进一步布置为被提供来自所述电源(S)的所述静态电压(VS)，以针对不同的阻抗值使所述放大器组件(A)的晶体管效率最大，达到针对所提供的静态电压(VS)的所述输入信号(si)的峰值放大效率。
2.根据权利要求1所述的功率放大器设备，其中所述功率传感器(PS)是RMS传感器。
3.根据权利要求1所述的功率放大器设备，其中所述预定的时间持续期长于所述动态电压(VD)的变化的持续期，所述持续期在70微秒与1秒之间的时间段内。
4.根据权利要求1所述的功率放大器设备，其中所述组件关注于由PIN二极管、变容二极管、以及MEMS构成的群组。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的功率放大器设备，其中所述输出信号(so)符合于WCDMA或LTE标准。
6.一种电信设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的功率放大器设备。
7.一种用于放大输入信号(si)的方法，包括：
-根据控制信号(ctrl)从放大器组件(A)接收的所述输入信号(si)提供经放大的输出信号(so)；
-借助于包络跟踪调制器(ET)，根据静态电压(VS)和动态电压(VD)提供所述控制信号(ctrl)；
-根据由功率传感器(PS)对所述经放大的输出信号执行的测量，从电源(S)向所述包络跟踪调制器(ET)提供所述静态电压和所述动态电压，以使得所述静态电压(VS)被确定为在预定的时间持续期内的所述输出信号(so)的平均值，并且所述动态电压(VD)实时地跟随所述输出信号(so)，所述测量从所述功率传感器(PS)被输入到所述电源(S)作为调节信号；
-部署匹配电路(M)，所述匹配电路(M)包括具有可修改阻抗的至少一个组件(11、21、35、36)；
-从所述电源(S)向所述匹配电路(M)提供所述静态电压(VS)；
-基于由所述功率传感器(PS)提供给所述匹配电路(M)的命令信号来修改所述阻抗，以针对不同的阻抗值使所述放大器组件(A)的晶体管效率最大，达到针对所提供的静态电压(VS)的所述输入信号(si)的峰值放大效率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述功率传感器(PS)是RMS传感器。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述预定的时间持续期长于所述动态电压(VD)的变化的持续期，所述持续期包括70微秒与1秒之间的时间段。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述组件关注于由PIN二极管、变容二极管、以及MEMS构成的群组。
11.根据权利要求7所述的方法，其中由跟踪调制器(ET)根据静态电压(VS)和动态电压(VD)来提供所述控制信号(ctrl)。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中所述输出信号(so)符合于WCDMA或LTE标准。
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