CN106537768A - 调相负载装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了方法和装置，以通过调制异相放大器(110)中反射信号的相位角来提高异相放大器(110)的效率。一种异相放大器(110)包括第一放大器(112)和第二放大器(114)。提供了一种环行器(302)，具有耦合到异相放大器(110)的输出端的第一端口、耦合到负载(108)的第二端口以及耦合到移相器(304)的第三端口。所述移相器(304)被配置用于为自所述移相器(304)、通过所述环行器(302)至所述异相放大器(110)的反射信号提供不同的相位角。

Description

调相负载装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求获得2014年5月19日提交的申请号为14/281,522、名称为“调相负载装置和方法”的美国非临时专利申请的优先权，现以引用的方式并入本文，以重现其全部内容。
技术领域
本发明涉及异相(outphasing)放大器装置，并且更具体地，涉及一种通过调制异相放大器中反射信号的相位角来提高异相放大器效率的方法和装置。
背景技术
无线通信系统被广泛用于为使用各种接入终端(如蜂窝电话、膝上计算机和各种多媒体设备)的多个用户提供语音和数据服务。这些通信系统可包括局域网(如IEEE801.11网)、蜂窝电话和/或移动宽带网。这些通信系统可运用一种或多种多址接入技术，如频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)、码分多址接入(CDMA)、正交频分多址接入(OFDMA)、单载波频分多址接入(SC-FDMA)等。移动宽带网可遵循若干种标准，如第2代(2G)技术(例如全球移动通信系统(GSM)和/或其他)、第3代(3G)技术(例如通用移动通信系统(UMTS)和/或其他)和第4代(4G)技术(例如长期演进(LTE)和/或其他)。
无线网络可包括多个无线设备和多个基站。无线设备可以是笔记本电脑、移动电话或个人数字助理(PDA)设备、媒体播放器、平板电脑、大屏(large format)移动电话、数字阅读器、游戏设备等中的一种或多种的组合。
基站通过耦合在无线设备与基站之间的多个无线信道(如从基站到无线设备的下行链路信道)与无线设备进行通信。无线设备可以通过多个反馈信道(如从无线设备到基站的上行链路信道)向基站发送回信息，该信息包括信道信息，采用的方式为向期望的覆盖区域提供服务而不至增加过度的干扰。
功率放大器是无线网络基站的重要组成部分。为了改进无线通信系统的性能，期望功率放大器具有高效率和高线性度。
随着无线技术进一步发展，已开始使用异相放大器来提高调幅射频系统的效率和线性度。在具有异相放大器的无线系统中，调幅信号被信号分量分离器分解为两路调相信号。这两路调相信号所具有的包络相同而相位变化相反。这样的两路恒包络信号由两个单独的放大器放大，产生两路放大信号，这两路放大信号被发送至功率组合器，在异相放大器的输出端组合，形成原始调幅信号的放大副本。
发明内容
本发明的优选实施例提供了一种通过调制异相放大器中反射信号的相位来提高异相放大器的效率的系统、装置和方法，总体上解决或规避了前述及其他问题，并且总体上实现了技术进步。本发明的一种优选实施例的一优点在于：通过动态调整异相放大器中反射信号的相位角来改进异相放大器的效率。
根据一实施例，提供了一种异相放大器，具有第一放大器和第二放大器。提供了一种环行器，具有第一端口，该第一端口耦合到所述异相放大器的输出端。第二端口耦合到负载，并且第三端口耦合到移相器。所述移相器被配置用于，响应于控制信号，为自所述移相器、通过所述环行器至所述异相放大器的反射信号提供不同的相位角。
根据另一实施例，处理器被配置用于自调幅信号生成第一恒包络信号和第二恒包络信号。提供了一种异相放大器，包括第一放大器和第二放大器，其中所述第一放大器和所述第二放大器分别接收所述第一恒包络信号和所述第二恒包络信号。一种环行器包括耦合到所述异相放大器的输出端的第一端口、耦合到负载的第二端口以及耦合到移相器的第三端口。
所述系统还包括移相器，所述移相器被配置用于，响应于控制信号，为自所述移相器、通过所述环行器至所述异相放大器的反射信号提供不同的相位角。
根据又一实施例，使用放大器系统将调幅信号分解为第一调相信号以及第二调相信号。异相放大单元的第一和第二放大单元分别放大所述第一调相信号以及所述第二调相信号，产生第一放大信号和第二放大信号。组合单元在异相放大单元的输出端组合所述第一放大信号和所述第二放大信号，并且响应于负载变化，调整自移相单元至所述异相放大单元的反射信号的相位角。
以上较为宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便于更好地理解下文对本发明的详细描述。以下将对本发明的附加特征和优点进行描述，并构成本发明权利要求的主题。本领域普通技术人员应理解的是，可以很容易地在本公开的构想和具体实施例基础之上，修改或设计其他的结构或过程，并从而达成与本发明相同的目的。本领域普通技术人员还应意识到的是，此类同等构造并不背离本发明随附权利要求书所阐明的精神与范围。
附图说明
为更全面地理解本发明及其优点，将结合相关附图进行参照描述，其中：
图1示出了根据本公开各种实施例的放大器系统的方框图；
图2A显示了多条曲线来示出根据本公开各种实施例的图1所示放大器系统的效率-功率特性；
图2B显示了三条曲线来示出根据本公开各种实施例的图1所示放大器系统的效率-功率特性；
图3示出了根据本公开各种实施例的调相放大器系统的方框图；
图4示出了根据本公开各种实施例的图3所示移相器的方框图；
图5示出了根据本公开各种实施例的图4所示移相器的示意图；以及
图6示出了根据本公开各种实施例的图4所示移相器的另一示意图。
除非另有说明，在不同的附图中，相应的标号和符号代表相应的部分。各附图为了清楚地示出各种实施例的有关方面，未必是精确比例绘制。
具体实施方式
披露的实施例提供了大量具有实用性的创造性概念，可在广泛的具体上下文中实施。所讨论的具体实施例仅为本发明的具体配置方式的示意，并非限制本发明的范围。
将比照在具体上下文中的优选实施例描述本发明，即通过调整自移相器至异相放大器的反射信号的相位角来提高异相放大器的效率。本发明也可应用于各种电信产品(如无线基站和/或其他)的效率增强。以下将参照有关附图，详细解释各种实施例。
图1示出了根据本公开各种实施例的放大器系统的方框图。该放大器系统100包括处理器102、异相放大器110和负载108。如图1所示，处理器102生成两路恒包络信号，并可馈入异相放大器110。恒包络信号在异相放大器110中被放大并组合为单路信号，然后馈入负载108。
处理器102可为任意合适的基带处理器，如数字信号处理器(DSP)芯片和/或其他。处理器102被用于管理射频功能，如将发射信号分解为两路恒幅信号，以及为射频通信提供控制软件。处理器102还可耦合到其他移动设备功能单元，例如应用处理器和/或其他。
异相放大器110耦合在处理器102与负载108之间。具体而言，异相放大器110可包括第一放大器112和第二放大器114。如图1所示，在放大器(如放大器112和114)的输出端与负载108之间可以耦合有功率组合器。在一些实施例中，该功率组合器可以是传输线阻抗变换器。
在如图1所示的可替代实施例中，功率组合器可包括第一四分之一波长传输线104和第二四分之一波长传输线106。如图1所示，第一四分之一波长传输线104耦合在第一放大器112的输出端与负载108的输入端之间。类似的，第二四分之一波长传输线106耦合在第二放大器114的输出端与负载108的输入端之间。
功率组合器还可包括两个电抗部件。如图1所示，第一电抗部件103耦合在第一放大器112的输出端与地之间。类似的，第二电抗部件105耦合在第二放大器114的输出端与地之间。
根据一些实施例，第一电抗部件103和第二电抗部件105均可起到分路阻抗的作用。放大器112和114的输出可包括有功功率分量和无功功率分量。本领域内已知的是，无功功率分量可导致效率下降。为最大限度降低无功功率分量的影响，采用第一电抗部件103和第二电抗部件105来使放大器所见的输出阻抗表现为电阻阻抗。采用电抗部件(如第一电抗部件103和第二电抗部件105)进行无功功率补偿的做法是公知的，故而本文不再做更多探讨。具有电抗部件所带来的一个有益特性在于：利用电抗部件103和105所得到的电阻阻抗有助于减少异相放大器110所处理的无功功率。因此，可提高异相放大器110的效率。
第一放大器112具有输入端，接收来自处理器102的第一信号。类似的，第二放大器114具有输入端，接收来自处理器102的第二信号。该第一信号和第二信号均为来源于调幅信号的恒包络信号。在一些实施例中，该第一信号和第二信号均具有相同的幅值和相反的调相变化。根据可替代实施例，第一信号的幅值与第二信号的幅值大体相同。
如图1所示，第一信号和第二信号分别由第一放大器112和第二放大器114独立放大。第一放大器112和第二放大器114所生成的放大信号在功率组合器处被组合在一起，在负载108的输入端形成调幅信号的放大副本。
负载108的形式可以是天线，该天线可在操作下接收和发射射频信号。虽然图1所示天线108直接耦合到异相放大器110，但在异相放大器110与负载108之间还可以耦合有多个其他射频装置，例如滤波器。
此外，该天线可包括多天线阵列，例如被布置为主天线和副天线的两个独立天线。主天线被配置用于将来自移动设备的出站(outbound)无线信号传输至基站，或者自基站接收入站(inbound)无线信号。副天线作为辅助天线，可能无法将来自移动设备的高性能出站信号传输至基站。副天线的主要功能是接收分集无线信号。
要注意的是，虽然上文描述了两个天线，但提供的天线阵列的数量可以更多或更少。而且，天线阵列未必被配置为一主一副的形式，或者被配置为单独工作。
在一些实施例中，放大器系统100可发射基于各种标准来调制的无线信号，如第2代(2G)技术(例如全球移动通信系统(GSM)和/或其他)、第3代(3G)技术(例如通用移动通信系统(UMTS)和/或其他)和第4代(4G)技术(例如长期演进(LTE)和/或其他)。此外，该无线信号还可以基于其他标准调制，如全球互通微波存取(WiMAX)、无线局域网(WLAN)、超宽带(UWB)和/或其他。
图2A显示了多条曲线来示出根据本公开各种实施例的图1所示放大器系统的效率-功率特性。图2A的横轴代表放大器系统100所处理的功率。横轴的单位为dBmW，其为测得的功率参考一毫瓦的功率比转化为分贝单位的缩写。图2A的纵轴代表放大器系统100的效率。
图2A包括第一曲线122、曲线族124和包络曲线126。第一曲线122是当放大器系统100连接到匹配的网络(如阻抗约等于50欧的负载)时的效率-功率曲线。换言之，此时可能不存在从该负载至异相放大器110的反射。
曲线124代表放大器系统100连接到非理想负载和移相器时的效率性能。如图2A所示，可有多条曲线124。每条曲线124均是移相器(未示出，但在图3中有示意)所提供的具体相位角上的效率-功率曲线。
包络曲线126基于第一曲线122和曲线124生成。如图2A所示，包络曲线126是最大值包络曲线，连接第一曲线122和曲线124的最大效率值。由于图2A的纵轴代表放大器系统100的效率，故包络曲线126代表放大器系统100通过在不同的功率级下利用不同的相移所能达到的效率性能。因此，响应于功率级的变化，可根据包络曲线126动态选取新的相位角。故此，放大器系统100的效率遵循包络曲线126。这样动态选取的相位角可帮助放大器系统100达到对应功率级上的最高效率。以下将对照附图2B描述具有两个调相点的系统示例。
图2B显示了三条曲线来示出根据本公开各种实施例的图1所示放大器系统的效率-功率特性。图2B的横轴代表放大器系统100所处理的功率。横轴的单位为dBmW。图2B的纵轴代表放大器系统100的效率。
图2B包括第一曲线222、第二曲线224和第三曲线226。在一些实施例中，曲线222、224和226基于具有18dBmW的功率的反射信号而测得。
第一曲线222为异相放大器110在第一相移工作时的效率-功率曲线。第二曲线224为异相放大器110在第二相移工作时的效率-功率曲线。在一些实施例中，第一相移和第二相移由耦合到异相放大器110的移相器提供。以下将对照图3-6描述该移相器的详细工作原理。
第一曲线222和第二曲线224所代表的相移可导致变化的性能。如图2B所示，包括第二相移的反射信号可有助于提高异相放大器110在具体功率范围内的效率。例如，如图2B所示，当异相放大器110所处理的功率在约44dBmW至约48dBmW的范围之内时，通过选择第二相移而非第一相移，可以提高异相放大器110的效率。另一方面，当异相放大器110所处理的功率低于44dBmW时，通过选择第一相移而非第二相移，可以提高异相放大器110的效率。
简言之，如图2B所示，当异相放大器110所处理的功率低于44dBmW时，通过让异相放大器110在第一曲线222下工作，可实现进一步的效率提高。类似的，当功率在约44dBmW至约48dBmW的范围之内时，通过让异相放大器110在第二曲线224下工作，可提高效率。
总之，通过控制反射信号的相位角，即便异相放大器110连接的是非理想负载，也可在较宽的动态范围内实现更佳的性能(例如提高的效率)。
要注意的是，这些曲线(如第二曲线124)可代表具有具体相位角的反射信号。通过改变反射信号的相位角，可以得到一组曲线(未示出)，且这些曲线所具有的效率优于不存在从负载至异相放大器110的反射的理想系统。照此，为提高异相放大器110的效率，可向异相放大器110中注入反射信号。具体而言，在不同的功率级下利用不同的相位角，可以实现进一步的提高。
还要注意的是，图2B所示曲线仅为一种示例，不应失当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将意识到多种变型、替代和修改。例如，反射信号所具有的功率级可以不是18dBmW，而是其他的功率级，如20dBmW、22dBmW、24dBmW、28dBmW和/或其他。
总之，图2B中曲线所显示的有益特性在于：在不同的功率级下，通过选择不同的相位角可以进一步提高异相放大器110的效率。
图3示出了根据本公开各种实施例的调相放大器系统的方框图。调相放大器系统300包括处理器102、异相放大器110、环行器302、移相器304和负载108。处理器102、异相放大器110和负载108的结构可以与图1中所示相同，故而在此不做进一步详论。
如图3所示，环行器302具有三个端口，即端口1、端口2和端口3。端口1耦合到异相放大器110的输出端。端口2耦合到负载108。端口3耦合到移相器304。
在一些实施例中，环行器302是三端口装置。具体而言，施加到环行器302的第一端口的信号被传输至环行器302的第二端口。类似的，施加到环行器302的第二端口的信号被传输至环行器302的第三端口，而施加到环行器302的第三端口的信号被传输至环行器302的第一端口。总之，信号进入环行器302的一个端口(如图3所示端口1)之后，会转至环行器302的下一个端口(如图3所示端口2)离开。
在异相放大器110和负载108之间耦合环行器302的一个有益特性在于：环行器302可以起到解耦装置的作用，将发往负载108的信号与自移相器304发送的反射信号分离。
移相器304接收来自处理器102的控制信号。该控制信号用于动态调整自移相器304至异相放大器110的反射信号的相位角。具体而言，可以将相位角作为异相放大器110所处理的射频信号的包络的函数，进行动态调整。
在一些实施例中，在检测到输入异相放大器110的信号的幅值改变之后，处理器102可以基于该幅值改变寻找对应的相位角值。将该相位角值包括在发送至移相器304的控制信号中。移相器304基于该控制信号调整反射信号的相位角。
在一些实施例中，该控制信号可以基于查找表生成。另选地，该控制信号可以基于流经异相放大器110的功率实时计算。此外，该控制信号可以基于优化算法生成。例如，通过试错法选择较好的相位角，使得异相放大器110可以实现更高的效率。以下将对照图4-6描述移相器304的详细工作原理。
图4示出了根据本公开各种实施例的图3所示移相器的方框图。移相器304包括第一固定阻抗网402、可调阻抗网404和第二固定阻抗网406。固定阻抗网和可调阻抗网串联在环行器(图3所示)的端口和地之间。换言之，第一固定阻抗网402、可调阻抗网404和第二固定阻抗网406采取级联连接。移相器304的第一端子耦合到环行器，且移相器304的第二端子耦合到地。可调阻抗网404接收控制信号408，此信号可以由处理器102(图3所示)生成。响应于不同的控制信号，阻抗，具体地自移相器304至异相放大器110的反射信号的相位角，可相应变化。反射信号相位角的改变有助于提高在具体功率范围内工作的异相放大器110的效率。
要注意的是，移相器304可以利用与若干个可调阻抗网串联或并联的多个固定阻抗网。为简洁起见，图4显示一个可调阻抗网和两个固定阻抗网。
还要注意的是，图4所示方框图仅为示例，不应失当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将意识到多种变型、替代和修改。例如，固定阻抗网406的端子可以不接地，而是浮动的。
图5示出了根据本公开各种实施例的图4所示移相器的示意图。第一固定阻抗网402可以实施为第一传输线。第一传输线可以表示为集总单元模型，包括多个串联电感器(如电感器L10、L11和L1n)和多个并联(shunt)电容器(如电容器C11和C1n)。计算传输线参数(如电感和电容)的方法是公知的，故而本文不再做更多探讨。
第二固定阻抗网406可以实施为如图5所示的第二传输线。第二传输线的集总单元模型可以类似于第一传输线的，故而此处不再讨论，以免赘述。
在一些实施例中，移相器304的阻抗的改变以及自移相器304至异相放大器110的反射信号的相位角的改变可以通过在第一固定阻抗网402与第二固定阻抗网406之间耦合的开关实现。
根据一些实施例，当开关S1打开时，移相器304处于第一阻抗。信号进入移相器304，然后以第一相位角反射回到环行器302。另一方面，当开关S1关闭时，只有第一固定阻抗网402连接到环行器302，则移相器304处于第二阻抗。信号进入移相器304，然后以第二相位角反射回到环行器302。通过打开或关闭开关S1，移相器304可以为自移相器304至异相放大器110(图3所示)的反射信号提供至少两种不同的相位角。
图6示出了根据本公开各种实施例的图4所示移相器的另一示意图。移相器304包括如图6所示的多条并联连接的可调传输线。每条可调传输线可包括多个固定阻抗网，如N11、N12和N1n。多个开关例如S11和S1n与所述多个固定阻抗网串联连接。更具体地，开关例如S11耦合在两个相邻的固定阻抗网(如网N11和N12)之间。通过控制这些开关的开/关状态，可得到各种相位角。
总之，移相器304可被实施为如图5所示的有限相移的离散集。另一方面，移相器304可以被一般化为具有如图6所示的多个状态。图5和图6所示图仅为示例。本领域技术人员将可意识到还存在大量可替代方案、修改和变化。
虽然详述了本发明的实施例及其优点，但应当理解的是，在不偏离本文所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提之下，可以做出各种更改、替代和改换。
此外，本申请的范围并非旨在限定为本说明书中所述的过程、机器、制造、物质组合、手段、方法和步骤的具体实施例。正如本领域普通技术人员自本发明的披露中所易于理解的，根据本发明，凡可以执行与本文所述相应实施例大体相同的功能或可以达成大体相同的结果的过程、机器、制造、物质组合、手段、方法或步骤，无论是现已存在或今后将要开发的，均可利用。相应地，随附权利要求意在将此类过程、机器、制造、物质组合、手段、方法或步骤包含在其范围之内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
异相放大器，包括第一放大器和第二放大器；以及
环行器，具有耦合到所述异相放大器的输出端的第一端口、耦合到负载的第二端口以及耦合到移相器的第三端口，其中，所述移相器被配置用于，响应于控制信号，为自所述移相器、通过所述环行器至所述异相放大器的反射信号提供不同的相位角。
2.如权利要求1所述的装置，其中：
所述移相器包括：
第一固定阻抗网；
可调阻抗网；以及
第二固定阻抗网。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中：
所述第一固定阻抗网、所述可调阻抗网和所述第二固定阻抗网采取级联连接。
4.如权利要求3所述的装置，其中：
所述第一固定阻抗网包括第一传输线；
所述可调阻抗网包括开关；以及
所述第二固定阻抗网包括第二传输线。
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其中：
所述移相器的第一端子耦合到所述环行器；以及
所述移相器的第二端子接地。
6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中：
所述移相器的第一端子耦合到所述环行器；以及
所述移相器的第二端子为浮动的。
7.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其中：
所述移相器被配置用于接收来自处理器的所述控制信号，其中所述处理器耦合到所述异相放大器。
8.一种系统，包括：
处理器，被配置用于自调幅信号中生成第一恒包络信号和第二恒包络信号；
异相放大器，包括第一放大器和第二放大器，其中所述第一放大器和所述第二放大器分别接收所述第一恒包络信号和所述第二恒包络信号；
环行器，包括：
耦合到所述异相放大器的输出端的第一端口；
耦合到负载的第二端口；以及
耦合到移相器的第三端口；以及
所述移相器，被配置用于，响应于控制信号，为自所述移相器、通过所述环行器至所述异相放大器的反射信号提供不同的相位角。
9.如权利要求8所述的系统，其中：
所述控制信号由所述处理器生成。
10.如权利要求8或9所述的系统，还包括：
组合器，耦合到所述第一放大器和所述第二放大器，其中所述组合器包括：
耦合到所述第一放大器的输出端的第一传输线；
耦合到所述第二放大器的输出端的第二传输线；
耦合到所述第一传输线与所述第一放大器的输出端之间的联结节点的第一电抗部件；以及
耦合到所述第二传输线与所述第二放大器的输出端之间的联结节点的第二电抗部件。
11.如权利要求8-10中任一项所述的系统，其中：
所述负载为天线。
12.如权利要求8-11中任一项所述的系统，还包括：
耦合在所述负载与所述环行器之间的多个滤波器。
13.如权利要求8-12中任一项所述的系统，其中：
所述移相器包括多个级联的传输线和开关，其中每个开关均耦合在两个相邻的传输线之间。
14.一种方法，包括：
将调幅信号分解为第一调相信号以及第二调相信号；
分别通过第一放大器和第二放大器放大所述第一调相信号以及所述第二调相信号，产生第一放大信号和第二放大信号；
在异相放大器的输出端组合所述第一放大信号和所述第二放大信号，其中所述异相放大器包括所述第一放大器和所述第二放大器；以及
响应于负载的变化，调整自移相器至所述异相放大器的反射信号的相位角。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：
将所述调幅信号分解为所述第一调相信号以及所述第二调相信号，其中所述第一调相信号以及所述第二调相信号具有大体相等的恒包络。
16.如权利要求14或15所述的方法，还包括：
将所述调幅信号分解为所述第一调相信号以及所述第二调相信号，其中所述第一调相信号以及所述第二调相信号具有大体相反的相位变化。
17.如权利要求14-16中任一项所述的方法，还包括：
在调整自所述移相器至所述异相放大器的反射信号的所述相位角的步骤中，激活耦合在第一固定阻抗网与第二固定阻抗网之间的开关。
18.如权利要求14-17中任一项所述的方法，还包括：
在调整自所述移相器至所述异相放大器的反射信号的所述相位角的步骤中，取消激活耦合在第一固定阻抗网与第二固定阻抗网之间的开关。
19.如权利要求14-18中任一项所述的方法，还包括：
检测所述负载的变化；
基于所述负载的变化，在查找表中寻找相位角值；以及
基于所述相位角值生成控制信号，其中所述控制信号用于调整自所述移相器至所述异相放大器的反射信号的所述相位角。
20.如权利要求14-19中任一项所述的方法，还包括：
检测所述负载的变化；
基于所述负载的变化，实时计算相位角值；以及
基于所述相位角值生成控制信号，其中所述控制信号用于调整自所述移相器至所述异相放大器的反射信号的所述相位角。
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