CN108370235B - 功率放大器装置、包络跟踪放大器装置和放大信号的方法 - Google Patents

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Abstract

放大器装置(332)包括具有主驱动信号输入端子(331)和主放大器输出端子(406)的主线性放大器子电路(402)。该装置还包括具有辅助驱动信号输入端子(357)和辅助放大器输出端子(408)的辅助线性放大器子电路(404)。组合网络(410)可操作地耦合在主放大器输出端子(406)和辅助放大器输出端子(408)之间，组合网络(410)具有主侧端子(424)和辅助侧端子(434)。主线性放大器子电路(402)被布置为在使用时响应于施加在主驱动信号输入端子(331)处的主驱动信号而生成主放大信号。辅助线性放大器子电路(404)被布置为在使用时响应于辅助驱动信号并且与主线性放大器子电路(402)生成主放大信号基本上同时地在辅助侧端子(357)处生成阻抗修改信号，辅助线性放大器子电路(404)还被布置为放大辅助驱动信号的每个波周期的基本一半以上。

Description

功率放大器装置、包络跟踪放大器装置和放大信号的方法
技术领域
本发明涉及一种例如包括主线性放大器子电路和辅助线性放大器子电路的类型的功率放大器装置。本发明还涉及一种例如跟随输入信号的包络变化的类型的包络跟踪放大器装置。本发明还涉及一种放大信号的方法，该方法是例如包括提供主线性放大器子电路和辅助线性放大器子电路的类型。
背景技术
功率放大器在电气和电子工程领域有很多用途。例如，功率放大器可以在音频放大器电路、伺服电动机控制器和射频(RF)系统中找到，诸如关于无线数字通信使用。
在这方面，在许多国家中，多代无线(例如蜂窝)通信系统目前并肩操作。例如，作为现有2G和3G通信系统的后继者的所谓的4G或长期演进(LTE)通信系统提供了在类似地理区域上的通信覆盖。通常，这些无线通信系统包括网络基础设施和用户装备，其可以例如是便携式通信设备。这种通信设备通常通过相同的一个或多个天线接收和发射信号。对于发射信号，施加到天线的RF信号通常在将信号施加到天线之前由功率放大器进行放大。
但是，设计可以实现从功率放大器到天线的高效功率传输的无线调制解调器是跨越多代系统的通信设备所共有的挑战。在这方面，RF功率放大器被设计为连接到标准的负载阻抗(通常为50欧姆)，并进行优化，以便以最高效率向该负载传递所需的功率。用不精确的术语来说，功率放大器被称为与50欧姆“匹配”。通常选择50欧姆的值，因为它是RF测试装备的通用接口阻抗。但是，在这种上下文中，术语“匹配”在常规的“匹配阻抗”意义上是用词不当的。
出于多种原因，包括支持多代通信系统的需要，大多数用于蜂窝通信设备的调制解调器现在必须在宽频率范围内操作。例如，在欧洲，嵌入式LTE通信设备可能需要在从700MHz至2500MHz的许可频段内操作，并且天线必须在这个范围内的所有频段内合理有效。由于大多数应用对尺寸敏感，因此天线也必须非常小，从而影响了效率，尤其对于低于1GHz的频带，而这是对覆盖最有用的频带。对于移动通信设备，特别是智能电话，由于通信设备的长维度在最低操作频率下大约为四分之一波长，因此这些设备的普通形式因子对设备无线电设计者是有帮助的。但是，没有“标准”的形式因子，因此原始设备制造商(OEM)可以自由地尝试将通信模块设计为在它们的设备中尽可能小地占用空间，通常不太考虑将必须尽可能小的天线。
鉴于对天线的有限考虑，改善电小天线的性能的常用方法是通过天线调谐单元。随着天线缩短，共振时天线的阻抗变得电抗性的，例如电容性的，并且该电抗可以通过添加电感器来消除。因此可以提供天线匹配网络来修改呈现给天线耦合到的50欧姆信号源的阻抗，以便向信号源呈现50欧姆的电阻阻抗，由此使得来自信号源的所有可用功率能够被传输到天线。如果天线和匹配网络无损失，那么传递到天线的所有功率都将被辐射，但是当然通常存在低效率。
关于天线匹配网络，期望使这样的电路可调谐，使得它们可以被调整以取决于正在被使用的操作频带来优化从信号源的功率传输和/或以适应其它变化，例如，由于用户的手接近天线而引起的天线失谐。但是，实际上可用的可调谐匹配网络(通常为开关电容器网络)伴随有非期望的损耗，其降低了发射器路径的整体效率。因此，天线调谐主要相对于通信设备的较低操作频带(即，较长波长)应用，以便校正由于使用比最佳长度短的天线而导致的与阻抗相关的低效率。
此外，该方法可能涉及使用两个“匹配”网络：第一网络被用于将功率放大器“匹配”到50欧姆以与测试装备接口，并且第二网络被用于将天线的阻抗变换为50欧姆。
用于影响阻抗的另一种已知技术采用所谓的“有源负载牵引”，其应用于例如被称为Doherty放大器的一种类型的功率放大器中。Doherty放大器的示例在“ControllingActive Load-Pull in a Dual-Input Inverse Load Modulated Doherty Architecture”(Hone等人，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，卷60，2012年6月，第1797-1804页)中描述。Doherty型放大器包括组合的主功率放大器和辅助(峰值)C类功率放大器，使得在低功率水平时辅助功率放大器被偏置截止，但是在较高的功率水平时，例如输入信号功率从6dB以下峰值向上时，辅助功率放大器开始以高效率接管“基线”负载的供应，同时主功率放大器关于输入信号的峰值放大。
需要关于放大器设计考虑的无线数字通信的另一个方面是有时调制信号具有的高峰值平均功率比(PAPR)。在这方面，难以为可以在宽范围的输出功率上传递高效率的通信设备设计RF功率放大器，特别是在通信设备由电池供电的情况下，其本质上具有有限的可用功率，但是通信设备所需的实际发射功率在网络基础设施所规定的宽范围内变化。实际上，对于频谱高效的通信系统，例如根据LTE标准操作并采用单载波频分多址(SC-FDMA)调制方案的那些系统，要发射的信号的PAPR可以取决于信号占用的带宽和不时选择的调制参数的细节而大于10dB。在信号具有如此高的PAPR的情况下，当必须满足严格的线性要求时，负责放大要发射的信号的功率放大器必须在大的回退(back-off)下操作。虽然在相对高的输出功率回退下操作功率放大器确保了LTE信号在其包络接近其峰值时不会严重失真，但是功率放大器的效率随着施加的输出功率回退量的增加而降低。
一种补偿由于需要在回退区域中操作功率放大器而导致的功率放大器的低操作效率的方式是使用所谓的包络跟踪(ET)，该技术允许功率放大器的电源电压跟踪施加到功率放大器的RF驱动信号的包络的幅度。在这方面，当RF驱动信号的包络的幅度低时，电源电压降低，使得功率放大器更接近其最佳效率点操作。由此，功率放大器的晶体管的电源电压是变化的，使得晶体管在每个瞬间对于期望的功率输出仅具有恰好足够的电压余量空间，即，晶体管始终在几乎压缩状态下操作。
但是，包络跟踪对所采用的RF功率放大器电路提出了技术要求。包络跟踪需要包括用于高效率的开关模式电源的调制器，其具有可以跟随具有被放大的RF驱动信号的带宽的数倍带宽的RF驱动信号的包络的输出电压，例如对于20MHz LTE载波信号的大约100MHz。此外，为了实现包络跟踪，RF功率放大器电路的电源电压必须响应于参考跟踪表的瞬时包络振幅而将固定电源电压降至可变电压值。此外，噪声必须最小化，因为任何噪声(例如调制器输出处的开关噪声)直接表现为载波信号的振幅调制并增加带外噪声。除了展现低噪声和高效率之外，调制器必须以低成本提供。因此，包络跟踪功率放大器的设计和集成过程是复杂的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种放大器装置，包括：具有主驱动信号输入端子和主放大器输出端子的主线性放大器子电路；具有辅助驱动信号输入端子和辅助放大器输出端子的辅助线性放大器子电路；可操作地耦合在主放大器输出端子和辅助放大器输出端子之间的组合网络，组合网络具有主侧端子和辅助侧端子；其中主线性放大器子电路被布置为在使用时，响应于在主驱动信号输入端子处施加的主驱动信号而生成主放大信号；以及辅助线性放大器子电路被布置为在使用时，响应于辅助驱动信号并与主线性放大器子电路生成主放大信号基本上同时地在辅助侧端子处生成阻抗修改信号，辅助线性放大器子电路还被布置为放大辅助驱动信号的每个波周期的基本一半以上。
辅助线性放大器子电路可以被布置为在使用时响应于通过复比例因子(complexscaling factor)与主驱动信号相关的辅助驱动信号而生成阻抗修改信号，以便修改呈现给主线性放大器子电路的阻抗，从而使来自主放大器输出端子的电力传输最大化。
可以生成阻抗修改信号以修改辅助侧端子处的阻抗值，以便维持呈现给主线性放大器子电路的预定负载阻抗值。
主线性放大器子电路可以被布置为A类、B类或A/B类放大器。辅助线性放大器子电路可以被布置为A类、B类或A/B类放大器。
主线性放大器子电路和辅助线性放大器子电路两者可以分别被布置为同一类的放大器。
组合网络可以是导纳逆变器。导纳逆变器可以是频率不变电纳的π网络。
主线性放大器子电路、辅助线性放大器子电路和组合网络可以被布置为Doherty放大器结构。
组合网络可以是正交混合连接。
装置还可以包括：可操作地耦合到辅助线性放大器子电路的驱动信号生成器。
驱动信号生成器可以被布置为通过应用复比例因子来生成辅助驱动信号。
复比例因子的应用可以是数字信号处理操作。
根据本发明的第二方面，提供了一种射频处理资源，包括：如以上关于本发明的第一方面所述的放大器装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种通信装置，包括：如以上关于本发明的第二方面所述的射频处理资源；以及可操作地耦合到组合网络的辅助侧端子的负载。
施加在辅助侧端子处的阻抗修改信号可以被布置为修改负载关于主线性放大器子电路的阻抗值，从而使从主线性放大器子电路到负载中的功率传输最大化。
负载可以包括天线。
装置还可以包括：包括主信号路径和辅助信号路径的基带处理资源；其中主信号路径和辅助信号路径分别耦合到公共发射信号源；并且复比例因子被应用于辅助信号路径中。
复比例因子ɑ是：
Figure BDA0001695041000000041
其中Z0是要呈现给主线性放大器子电路的负载的阻抗值，k是频率不变电纳的π网络的每个个体电纳的电纳值，并且Yl是负载的导纳值。
根据本发明的第四方面，提供了一种包络跟踪放大器装置，包括：如以上关于本发明的第一方面所述的功率放大器装置；以及被布置为控制主线性放大器子电路的偏置并且生成复比例因子的包络响应处理器。
包络响应处理器可以包括：偏置整形器；以及阻抗整形器。
包络响应处理器可以包括：包络检测器，其被布置为在使用时生成包络检测信号。
偏置整形器可以被布置为接收包络检测信号并且响应于包络检测信号来生成偏置网络控制信号。
主线性放大器子电路可以包括偏置网络电路；偏置网络电路可以可操作地耦合到偏置整形器。
主线性放大器子电路可以包括主驱动电路。主驱动电路可以包括偏置网络电路。
装置还可以包括：信号缩放模块；其中阻抗整形器可以被布置为接收包络检测信号并且与信号缩放模块协作以便响应于包络检测信号和组合网络的阻抗的获知来生成复比例因子。
辅助线性放大器子电路可以包括辅助驱动电路。辅助驱动电路可以可操作地耦合到驱动信号生成器。
根据本发明的第五方面，提供了一种功率放大器装置，其包括以上关于本发明的第一方面所述的放大器装置。
根据本发明的第六方面，提供了一种通信装置，其包括如以上关于本发明的第一方面所述的放大器装置。
根据本发明的第七方面，提供了一种放大主驱动信号的方法，该方法包括：提供具有主驱动信号输入端子和主放大器输出端子的主放大器子电路；提供具有辅助驱动信号输入端子和辅助放大器输出端子的辅助放大器子电路；在主放大器输出端子和辅助放大器输出端子之间可操作地耦合组合网络；将主驱动信号施加到主驱动信号输入端子，主线性放大器子电路响应于主驱动信号而生成主放大信号；将辅助驱动信号施加到辅助驱动信号输入端子，辅助线性放大器子电路响应于辅助驱动信号并与主线性放大器子电路基本上同时地生成阻抗修改信号；以及辅助线性放大器子电路放大辅助驱动信号的每个波周期的基本一半以上。
根据本发明的第八方面，提供了一种放大器装置，包括：具有主驱动信号输入端子和主放大器输出端子的主线性放大器子电路；具有辅助驱动信号输入端子和辅助放大器输出端子的辅助线性放大器子电路；可操作地耦合在主放大器输出端子和辅助放大器输出端子之间的组合网络，组合网络具有主侧端子和辅助侧端子；其中主线性放大器子电路被布置为在使用时响应于在主驱动信号输入端子处施加的主驱动信号而生成主放大信号；并且辅助线性放大器子电路被布置为在使用时响应于通过复比例因子与主驱动信号相关的辅助驱动信号而在辅助侧端子处生成辅助放大信号，从而使来自主放大器输出端子的电力传输最大化。
根据本发明的第九方面，提供一种驱动放大器电路的方法，该方法包括：提供具有主驱动信号输入端子和主放大器输出端子的主放大器子电路；提供具有辅助驱动信号输入端子和辅助放大器输出端子的辅助放大器子电路；在主放大器输出端子和辅助放大器输出端子之间可操作地耦合组合网络；将主驱动信号施加到主驱动信号输入端子；以及将辅助驱动信号施加到辅助驱动信号输入端子；其中辅助驱动信号通过复比例因子与主驱动信号相关。
因此可以提供一种能够实现从放大器子电路到负载(例如天线)的最佳功率传输的装置和方法。该装置和方法避免使用可变无源部件来实现最佳功率传输，从而减少了功率损耗。此外，针对优化功率传输的适应可以应用于数字领域，例如应用于基带集成电路。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的至少一个实施例，其中：
图1是在通信网络的一部分中操作的用户装备单元的示意图；
图2是图1的用户装备设备的示意图；
图3是更详细的图1的用户装备设备的收发器的一部分的示意图；
图4是图3的并且构成本发明的实施例的收发器的放大器装置的示意图；
图5是图4的放大器装置的组合网络的示意图；
图6是构成本发明的另一个实施例的放大信号的方法的流程图；
图7是与图4的放大器装置结合使用用于包络跟踪并构成本发明的另一个实施例的替代驱动信号生成器的示意图；
图8是构成本发明又一个实施例的放大信号的另一种方法的流程图；以及
图9是由正交混合连接形成并构成本发明的另一个实施例的组合网络的示意图。
具体实施方式
贯穿以下描述，将使用相同的附图标记来识别相同的部分。为了避免疑惑，本文对“线性放大器”的引用应该被理解为意味着在线性操作模式中操作或布置为在线性操作模式中操作的放大器。
参考图1，在例如长期演进(LTE)通信系统100的无线通信系统中，通信网络由布置成在地理区域上提供无线通信接入的多个小区支持。在这个示例中，为了描述的简单和简洁，仅示出了单个小区。但是，本领域技术人员将认识到的是，在整个通信网络中通常部署更多数量的小区。在这方面，小区102由在LTE通信系统100的上下文中被称为演进节点B(eNode B)104的基站支持。eNode B 104能够与例如用户装备(UE)单元106的通信装置经空中接口无线通信。eNode B 104可操作地耦合到演进的分组核心(EPC)108。但是，由于本文阐述的示例涉及UE单元106，因此为了描述的清楚和简洁起见，无线通信网络基础设施的进一步细节将不在本文进行描述。
转到图2，在LTE通信系统中操作的用户装备(UE)设备106/200包括处理资源202，处理资源202在这个示例中是蜂窝通信终端的芯片组。处理资源202耦合到包括发射器链204和接收器链206的收发器，发射器链204和接收器链206耦合到双工部件208，其在下文中被称为“双工器”208。双工器208耦合到天线210。
UE单元200还拥有各自耦合到处理资源202的易失性存储器(例如RAM 212)和非易失性存储器(例如数字存储器214)。处理资源202还耦合到麦克风216、扬声器单元218、小键盘220和显示器222。本领域技术人员应当认识到的是，上述UE单元200的体系架构包括其它元件，例如多个天线，但是为了保持描述的简洁和清晰起见，这样的附加元件没有在本文中详细描述。
发射器链204和接收器链206由硬件子系统支持。发射器链204和接收器链206是作为UE单元200的调制解调器的一部分的收发器的一部分。调制解调器被配置为例如根据诸如在LTE标准中定义的SC-FDMA上行链路通信方案来提供无线网络接入。但是，应该认识到的是，本文阐述的示例不应该被解释为限于所描述的通信系统和标准。在本文阐述的示例中，术语调制解调器应该被理解为包括任何合适的信号调制和/或解调装置。硬件子系统是与其它子系统一起为发射器链204和/或接收器链206贡献的硬件和/或软件元素的集合。
参考图3，示出其一部分的硬件子系统300根据SC-FDMA通信方案配置并且包括基带处理部件和射频(RF)处理部件，其中的一些或全部可以分别由基带集成电路(IC)302和射频(RF)IC 304支持。RF处理部件构成RF处理资源以支持发射器链204和接收器链206。在这个示例中，虽然采用了两个单独的IC，即，基带IC 302和RF IC 304，但是本领域技术人员将会认识到，其中RF和基带处理部件被实现为单个IC的其它实现是可能的。RF处理部件包括分级布置的功能部件。对于发射器链204，RF处理部件是被布置为将接收到的以基带频率范围(即，零频率)为中心的数字信号调制到载波信号上的功能部件。
基带处理部件包括分级布置的功能部件。对于发射器链204，基带处理部件被布置为在被转换到模拟域并被上变频到载波频率上之前处理基带频率范围中的信号。为了保持简洁，本文的描述限于发射器链204，因为本文阐述的示例不涉及接收器链206。
基带处理部件的一些支持具有同相(I)和正交(Q)信号输入的驱动信号生成器306以及信号缩放模块307。在本文阐述的这个和其它示例中，仅描述了基带处理的一部分，因为基带处理的其它部件将容易被本领域技术人员理解，但与对在本文阐述的示例中解释的发明性概念的理解无关。因此，将不进一步详细描述这样的其它部件，并且因此本文包含的示例仅在已经由基带处理部件生成的I和Q信号的上下文中进行描述，该I和Q信号然后进行进一步处理以便支持RF处理部件的功率放大。
驱动信号生成器306的第一输出308和驱动信号生成器306的第二输出310耦合到由RF处理部件支持的收发器的发射器链204的一部分。在这个示例中，发射器链204支持主上变频链312和辅助上变频链314。在这方面，第一输出308可操作地耦合到主上变频链312并且第二输出310可操作地耦合到辅助上变频链314，使得分别地，主I和Q信号路径从第一输出308延伸到主上变频链312，并且辅助I和Q信号路径从第二输出310延伸到辅助上变频链314。
首先参考主上变频链312，第一输出308可操作地耦合到主数模转换器(DAC)部件320的输入，主DAC部件320的模拟I和Q输出可操作地耦合到主发射信号混频器部件322的I和Q发射信号输入。主发射信号混频器部件322具有用于接收两相发射本地振荡器信号的主两相发射本地振荡器输入324。主发射信号混频器部件322的输出可操作地耦合到功率放大器装置332的主输入331，其进一步的细节将在本文后面描述。功率放大器装置332被实现为硬件子系统的一部分，并且可以被认为是其部件。本领域技术人员将认识到的是，功率放大器部件332不需要一定被实现为RF IC 304的一部分，并且可以单独地提供给由RF IC304支持的发射器链的部分，但是在发射器链204中的适当点处耦合到发射器链204。功率放大器部件332的输出可操作地耦合到双工器208的发射侧端口338。双工器208的天线侧端口340可操作地耦合到天线210。双工器208的接收侧端口342可操作地耦合到接收器链206，由于上文已经解释的原因，其细节将不在本文进一步描述。
转到辅助上变频链314，第二输出310可操作地耦合到辅助数模转换器(DAC)部件348的输入，辅助DAC部件348的输出可操作地耦合到辅助发射信号混频器部件350的I和Q辅助发射信号输入。辅助发射信号混频器部件350具有用于接收上述(相同)两相发射本地振荡器信号的辅助两相发射本地振荡器输入352。辅助发射信号混频器部件350的输出可操作地耦合到功率放大器部件332的辅助输入357。
如图3所示，主和辅助I、Q信号路径从驱动信号生成器306延伸到用于对要被功率放大器部件332放大的信号上变频的主和辅助发射信号混频器部件322、350。本领域技术人员当然将认识到，可以以多种不同的方式(例如分级地)来实现上变频。
应该注意的是，主和辅助上变频链312、314都可以包括附加的模拟增益级以便实现所需的放大。这些增益级可以是可控制的。此外，本领域技术人员将认识到的是，取决于所选择的实现，相应链中不同级处的信号可以是单端的或差分的。
参考图4，其包括对在模拟域或数字域中生成辅助驱动信号的支持，功率放大器部件332的主输入331和功率放大器部件332的辅助输入357分别耦合到主发射信号混频器部件322的输出和辅助发射信号混频器部件350的输出，如上所述。在一个实施例中，RF信号源可以被认为是耦合到主输入331和辅助输入357，但是就辅助输入357而言，信号源的输出在被施加到辅助输入处之前在概念上经历复缩放ɑ。上面已经关于图3描述了负责应用复比例因子ɑ的处理部件。实际上，没有信号缩放模块307，驱动信号生成器306和主上变频链312构成信号源，而驱动信号生成器306、信号缩放模块307和辅助上变频链314提供修改后的信号源。在本示例中，信号缩放模块307由基带处理部件支持，并且因此复比例因子的计算和应用是数字信号处理操作。但是，本领域技术人员将认识到的是，在其它实现中，可以在模拟域中应用复缩放。
功率放大器部件332包括具有构成主驱动信号输入端子的主输入331的主线性放大器子电路402。功率放大器部件332还包括具有构成辅助驱动信号输入端子的辅助输入357的辅助线性放大器子电路404。主线性放大器子电路402还包括主放大器输出端子406，并且辅助线性放大器子电路404包括辅助放大器输出端子408。功率放大器部件332包括可操作地耦合在主放大器输出端子406和辅助放大器输出端子408之间的组合网络410。
在这个示例中，主线性放大器子电路402包括具有可操作地耦合到主输入331的输入和可操作地耦合到主放大设备(例如主晶体管，诸如主场效应晶体管(FET)414)的输出的主驱动网络412。在这方面，主驱动网络412的输出耦合到主FET 414的栅极端子。主FET414的漏极端子经由主放大器输出端子406和电源轨416之间耦合的主电感418可操作地耦合到电源轨416。主电容420耦合在主放大器输出端子406和地电势422之间。主电感418和主电容420一起构成主“槽(tank)”子电路。主电容420的一个端子、主电感418的一个端子和主放大器输出端子406因此耦合到组合网络410的主侧端子424。主FET 414的源端子耦合到地电势422。如本领域技术人员将认识到的，主驱动网络412被布置为配置与主FET 414的操作相关联的参数，例如主FET414的放大的类别，诸如操作点和偏置电压。主驱动网络412还用于调节在主输入331处施加的信号，以便使得主FET414能够以功率放大器部件332的应用所需的方式放大施加的信号。
类似地，辅助线性放大器子电路404包括具有可操作地耦合到辅助输入357的输入和可操作地耦合到辅助放大设备(例如辅助晶体管，诸如辅助FET 428)的输出的辅助驱动网络426。在这方面，辅助驱动网络426的输出耦合到辅助FET 428的栅极端子。辅助FET 428的漏极端子经由辅助放大器输出端子408和电源轨416之间耦合的辅助电感430可操作地耦合到电源轨416。辅助FET 428的源极端子耦合到地电势422。辅助电容432耦合在辅助放大器输出端子408和地电势422之间。辅助电感430和辅助电容432一起构成辅助“槽”子电路。辅助电容432的一个端子、辅助电感430的一个端子和辅助放大器输出端子408耦合到组合网络410的辅助侧端子434。构成负载的天线210也可操作地耦合到组合网络410的辅助侧端子。如本领域技术人员将认识到的，辅助驱动网络426被布置为配置与辅助FET 428的操作相关联的参数，例如辅助FET 428的放大的类别，诸如操作点和偏置电压。辅助驱动网络426还用于调节在辅助输入端357处施加的信号，以便使得辅助FET 428能够以功率放大器部件332的应用所需的方式放大施加的信号。
在以上示例中，主线性放大器子部件402和辅助线性放大器子部件404各自分别包括FET并且被布置为A类放大器。但是，本领域技术人员应该认识到的是，虽然在上述示例中放大器当然是同一类别，但是主线性放大器子部件402和辅助线性放大器子部件404各自可以分别布置为不同类别的放大器，其不必是相同类别的放大器。主线性放大器子部件402可以被布置为A类、A/B类或B类放大器。类似地，辅助放大器子部件404可以被布置为A类、A/B类或B类放大器。还应该认识到的是，虽然本文阐述的示例采用场效应器件，但是可以采用其它器件技术，例如双极型晶体管。
本领域技术人员将注意到，放大器装置332的结构与所谓的Doherty放大器结构相似。但是，如上所述，辅助放大器子部件与已知的Doherty放大器不同地布置和驱动，特别是其以线性模式操作而不是C类操作。
为了完整性，应该注意的是，功率放大器部件还包括放大器控制输入334，其在这个示例中是用于设置主驱动网络412和辅助驱动网络426的偏置参数的偏置控制输入。在这方面，虽然在图4中未示出，但是主驱动网络包括用于偏置主FET 414的偏置网络，并且辅助驱动网络426包括用于偏置辅助FET 428的另一个偏置网络。但是，取决于实现偏好，放大器控制输入334可以用于将其它控制数据传送到放大器部件332，附加地或替代地，例如放大器增益。在这个示例中，偏置参数不变，但在稍后的示例中，偏置参数响应于信号的包络而变化。
转到图5，在这个示例中，组合网络410是导纳逆变器500。导纳逆变器410被实现为包括第一电纳502、第二电纳504和第三个电纳506的频率不变电纳的π网络。第一和第三电纳的值是-jk，而第二电纳的值是jk。
组合网络410的π网络的导纳矩阵Yinv可以被表达为：
Figure BDA0001695041000000111
但是，导纳矩阵由于负载210的导纳Yl的存在而被修改成变成“增大的”导纳矩阵Yaug，其可以通过测量被确定为：
Figure BDA0001695041000000112
为了能够确定辅助侧端子434处的电压变化的影响，给定导纳和阻抗之间的相反关系，可以如下写出等效阻抗矩阵Zaug：
Figure BDA0001695041000000113
然后可以使用欧姆定律导出组合网络410的端口处的电压：
Figure BDA0001695041000000114
这为端口处的电压产生以下表达式：
Figure BDA0001695041000000115
Figure BDA0001695041000000116
因此，呈现给主线性放大器子电路402的输入阻抗Z1是：
Figure BDA0001695041000000117
呈现给辅助线性放大器子电路404的阻抗Z2是：
Figure BDA0001695041000000118
如可以看到的，辅助线性放大器子电路404呈现有固定电抗，该固定电抗基本上是组合网络410的特性阻抗。
由于主线性放大器子电路402必须呈现有负载线阻抗Z0以用于向负载210的最佳功率传输：
Figure BDA0001695041000000119
重新排列这个表达式产生复比例因子ɑ的表达式，其由驱动信号生成器306使用，以根据需要计算复比例因子ɑ：
Figure BDA0001695041000000121
Figure BDA0001695041000000122
在操作中(图6)，驱动信号生成器306被预编程有预定阻抗Z0，其需要被呈现给主线性放大器子电路402，以便在给定天线210的导纳Yl的情况下使从主线性放大器子电路402到天线210的功率传输最大化。利用这个信息，信号缩放模块307使用上面导出的等式(1)来计算(步骤600)复比例因子ɑ。
驱动信号生成器306接收(步骤602)旨在由天线210辐射的数字发射信号的同相和正交相位分量。为了描述的清楚和简洁起见，如本领域技术人员将容易认识到的，假设数字发射信号在所有其它必要方面已经由基带处理部件处理。驱动信号生成器306复制(步骤604)数字发射信号，以便有效地分别提供主信号路径和辅助信号路径，提供的同相和正交相位分量源自基带处理部件内的公共发射信号源，例如完成上述其它先前的基带处理级之后的输出。使用以上计算出的复比例因子ɑ，驱动信号生成器306将复比例因子ɑ应用于数字域中的数字发射信号的I和Q分量的副本(步骤606)，从而对复制的数字发射信号进行缩放和相移。此后，数字发射信号及其缩放后的副本将分别被称为主驱动信号和辅助驱动信号。
主驱动信号和辅助驱动信号然后被驱动信号生成器306输出(步骤608)到RF处理部件并且特别地，分别输出到主上变频链312和辅助上变频链314，其中在将主驱动信号和辅助驱动信号分别施加到功率放大器部件332的主输入331和辅助输入357之前，将主驱动信号和辅助驱动信号上变频(步骤610)。为了描述的清楚和简洁起见，如本领域技术人员熟悉的主上变频链312和辅助上变频链314的结构的操作一样，这些部件的操作将不在本文中进一步详细描述。
现在在模拟域中的主驱动信号和辅助驱动信号如上所述分别应用于主线性放大器子电路402和辅助线性放大器子电路404。主驱动信号和辅助驱动信号对主线性放大器子电路402和辅助线性放大器子电路404的施加是基本上同时的，从而导致(步骤612、614)在主放大器子电路402的主FET 414中放大主驱动信号以产生主放大信号，以及辅助放大器子电路404的辅助FET 428放大作为主驱动信号的缩放版本的辅助驱动信号。由于辅助放大器子电路404被布置为线性放大器，例如A类放大器，因此辅助放大器子电路404放大辅助驱动信号的每个波周期的基本上一半以上。响应于辅助驱动信号，辅助线性放大器子电路404在组合网络410的辅助侧端子434处生成阻抗修改信号，其与天线210的导纳Yl组合，根据上面的等式(1)将最佳阻抗Z0呈现给主线性放大器子电路402。阻抗修改信号有效地修改呈现给主线性放大器子电路402的阻抗，从而使来自主线性放大器子电路402的主输出端子406的电力传输最大化。因此，电力传输到天线210的效率得到改善。
返回参考图3，通过实现包络跟踪可以改善上述放大器装置332的性能。在这个示例中，驱动信号生成器306经由放大器控制输入334可操作地耦合到放大器装置332，在这个示例中，放大器控制输入334是偏置控制输入。但是，取决于实现偏好，放大器控制输入334可以用于将其它控制数据传送给放大器部件332，附加地或替代地，例如放大器增益。
转到图7，为了使得功率放大器装置332能够支持所谓的包络跟踪，除了信号缩放模块307之外，驱动信号生成器306还包括可操作地耦合到驱动信号生成器306的同相和正交输入的包络检测器440。包络检测器440的输出耦合到偏置整形器442的输入和阻抗整形器444的输入。阻抗整形器444的输出可操作地耦合到信号缩放模块307。包络检测器440、偏置整形器442和阻抗整形器444一起构成包络响应处理器。偏置整形器442包括预定的偏置整形数据，例如偏置整形表数据，并且阻抗整形器444包括预定的阻抗整形数据，例如阻抗整形表数据。
在这个示例中，偏置整形器442的输出可操作地耦合到主驱动网络412，以便对主驱动网络412的偏置网络进行编程。
在操作中(图8)，驱动信号生成器306在基带处理部件内接收(步骤700)来自构成主信号源的公共发射信号源的数字发射信号的同相和正交相位分量，该数字发射信号旨在由天线210辐射。为了描述的清楚和简洁起见，如本领域技术人员将容易理解的，假定数字发射信号在所有其它必要方面已经由基带处理部件处理。响应于同相和正交信号分量，包络检测器440使用任何合适的已知技术，例如通过对同相和正交分量进行平方、求和和平滑，生成(步骤702)包络检测信号。作为数字发射信号的包络的量度的包络检测信号被传送到偏置整形器442和阻抗整形器444。
为了执行包络跟踪，在这个示例中，主线性放大器子电路402的电源电压被设置为固定的最大电源电压值。为了实现提供给负载210的功率的变化，使用复比例因子ɑ来修改负载线阻抗，以修改由信号缩放模块307设置的辅助驱动信号。但是，有必要确保在主FET414的漏极处以及因此主放大器输出端子406处的电压摆动处于设备的操作阈值和直到所支持的所有功率水平的电源电压值的大约两倍之间的范围。如本领域技术人员将认识到的，这可以通过例如设置主FET 414的偏置以跟踪检测到的包络来实现。偏置的变化由主驱动网络412的偏置网络提供。应该注意的是，所需的偏置是与放大器实现相关的并且它们可以存储在先前提到的偏置整形表中。本领域技术人员将认识到的是，主驱动网络412也可以用于设置主FET 414的操作点。
因此，偏置整形器442采用预先存储的偏置整形表数据来生成(步骤704)偏置网络控制信号以实现期望的设备偏置电流。阻抗整形器444响应于包络的测量并且使用预先存储的阻抗整形表数据并且与信号缩放模块307协作以便生成(步骤706)要被应用以生成辅助驱动信号的复比例因子ɑ。在这方面，阻抗整形数据从上面的等式(1)导出，其中预定阻抗Z0被假定为取决于期望的功率水平而变化。
驱动信号生成器306复制(步骤708)数字发射信号。使用上面计算出的复比例因子ɑ，驱动信号生成器306的信号缩放模块307将复比例因子ɑ应用(步骤710)于数字发射信号的副本的I和Q分量，从而缩放复制的数字发射信号。此后，数字发射信号及其缩放后的副本将分别被称为主驱动信号和辅助驱动信号。
主驱动信号和辅助驱动信号然后被驱动信号生成器306输出(步骤712)到RF处理部件并且特别地，分别输出到主上变频链312和辅助上变频链314，其中在将主驱动信号和辅助驱动信号分别施加到功率放大器部件332的主输入331和辅助输入357之前，将主驱动信号和辅助驱动信号上变频(步骤714)。为了描述的清楚和简洁起见，如技术人员熟悉的主上变频链312和辅助上变频链314的结构的操作一样，这些部件的操作将不在本文中进一步详细描述。
上面生成的偏置网络控制信号也被同步施加到主线性放大器子电路412的偏置网络(步骤716)。现在在模拟域中的主驱动信号和辅助驱动信号如上所述地被分别施加到主线性放大器子电路402和辅助线性放大器子电路404。将主驱动信号和辅助驱动信号施加到主线性放大器子电路402和辅助线性放大器子电路404是基本上同时的，从而导致(步骤718、720)主放大器子电路402的主FET414放大主驱动信号以产生放大信号，并且辅助放大器子电路404的辅助FET 428放大作为主驱动信号的缩放版本的辅助驱动信号。但是，主线性放大器子电路402的偏置电压由偏置网络控制信号修改，偏置网络控制信号基本上与包络同步地修改主FET 414的偏置电流。如此，并且如上所述，主FET 414的漏极端子处的电压摆动保持恒定，但设备在其阈值附近操作。但是，传递给天线210的功率通过改变呈现给主线性放大器子电路402的阻抗而变化。
在这方面，由于辅助放大器子电路404被布置为线性放大器，例如A类放大器，因此辅助放大器子电路404放大辅助驱动信号的每个波周期的基本上一半以上。响应于辅助驱动信号，辅助线性放大器子电路404在组合网络410的辅助侧端子434处生成阻抗修改信号，其与天线210的导纳Yl组合，根据阻抗整形数据的内容向主线性放大器子电路402呈现期望的阻抗。阻抗修改信号有效地与包络的变化同步地修改呈现给主线性放大器子电路402的阻抗，从而优化来自主线性放大器子电路402的主输出端子406的在期望水平下的电力传输。因此，电力传输到天线210的效率得到改善。重复上述处理步骤(步骤700至720)，使得主放大器子电路402的功率使用跟踪要放大和辐射的信号的包络。
在另一个示例中，可以使用正交混合连接来形成组合网络410。参考图9，正交混合连接510包括第一端口512、第二端口514、第三端口516和第四端口518。第一端口512和第二端口514构成第一共轭端口对，并且第三端口和第四端口516、518构成第二共轭端口对。本领域技术人员将认识到的是，如果混合正交连接的所有端口都匹配，则入射到端口上的信号与共轭端口隔离，并且在其它两个端口之间相位正交均分。例如，可以使用耦合传输线结构或集总元件网络来制作正交混合连接。在本示例中，主线性放大器子电路402的输出被应用到第一端口512，并且辅助线性放大器子电路404的输出被应用到第二端口514。第三端口516保持开路，并且第四端口518耦合到天线210。例如，通过应用标准阻抗矩阵计算方法，可以表明可以导出比例因子ɑ的表达式，以将主线性放大器子电路402看到的阻抗设置为所需的负载线阻抗Z0：
Figure BDA0001695041000000151
其中YL是天线210的负载导纳，并且ZC是混合连接510的特性阻抗。
本领域技术人员应该认识到的是，上述实现仅仅是在所附权利要求的范围内可想到的各种实现的示例。事实上，在整个上面的描述中，已经引用了在数字域中应用复比例因子。但是，如上所述，可以在模拟域中应用复比例因子。本领域技术人员还将认识到的是，上面描述的体系架构是简化的形式，并且所示出和描述的电路配置可以并且通常确实采用用于期望的放大应用的其它部件和技术。但是，本领域技术人员将容易理解所需的部件和技术，但由于它们与对在本文阐述的示例中解释的发明性概念的理解无关，因此为了清楚和简洁起见，没有进一步详细描述这些部件。
放大器装置和相关联方法的应用不应该被认为限于通信装置，并且本领域技术人员应该认识到的是，放大器装置和/或相关联的方法可以用于任何其它合适的放大应用。事实上，虽然上述示例已经在3GPP LTE通信标准，特别是在SC-FDMA调制方案的上下文中进行了描述，但是本领域技术人员将认识到的是，放大器装置和相关联的方法相对于许多其它通信装置、方案和标准，例如相对于其它蜂窝通信标准、短距离无线连接标准(诸如
Figure BDA0001695041000000152
标准)和广播发射器可以找到应用。
除了所描述的结构部件和用户交互之外，上述实施例的系统和方法可以在计算机系统中(特别地在计算机硬件中)或者在专门制造或适配的集成电路中实现。
术语“计算机可读介质”包括但不限于可以由计算机或计算机系统直接读取和访问的任何媒介或介质。介质可以包括但不限于磁存储介质，诸如软盘、硬盘存储介质和磁带；光存储介质，诸如光盘或CD-ROM；电存储介质，诸如存储器，包括RAM、ROM和闪存；以及以上的混合和组合，诸如磁/光存储介质。
虽然以上已经描述了本发明的特定示例，但是本领域技术人员将认识到的是，许多等同的修改和变化是可能的。因此，以上阐述的本发明的示例性实施例被认为是说明性的而不是限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。

Claims (20)

1.一种放大器装置，包括：
主线性放大器子电路，具有主驱动信号输入端子和主放大器输出端子；
辅助线性放大器子电路，具有辅助驱动信号输入端子和辅助放大器输出端子；
组合网络，可操作地耦合在所述主放大器输出端子和所述辅助放大器输出端子之间，所述组合网络具有主侧端子和辅助侧端子；其中，
所述主线性放大器子电路被布置为在使用时，响应于在所述主驱动信号输入端子处施加的主驱动信号而生成主放大信号；以及
所述辅助线性放大器子电路被布置为在使用时，响应于辅助驱动信号并且与所述主线性放大器子电路生成所述主放大信号基本上同时地在所述辅助侧端子处生成阻抗修改信号，所述辅助线性放大器子电路还被布置为放大所述辅助驱动信号的每个波周期的基本一半以上，
其中，所述辅助线性放大器子电路被布置为在使用时，响应于通过复比例因子与所述主驱动信号相关的所述辅助驱动信号而生成所述阻抗修改信号，以便修改呈现给所述主线性放大器子电路的阻抗，从而使来自所述主放大器输出端子的电力传输最大化，
其中，所述放大器装置还包括驱动信号生成器，该驱动信号生成器可操作地耦合到所述辅助线性放大器子电路，并且所述驱动信号生成器被布置为通过所述复比例因子的应用来生成所述辅助驱动信号，
其中，所述放大器装置是包络跟踪放大器装置，该包络跟踪放大器装置包括包络响应处理器，该包络响应处理器被布置为控制所述主线性放大器子电路的偏置并且生成所述复比例因子，
其中，所述包络响应处理器包括偏置整形器和阻抗整形器，
其中，所述包络响应处理器包括包络检测器，该包络检测器被布置为在使用时生成包络检测信号，并且
其中，所述包络跟踪放大器装置还包括信号缩放模块，其中，所述阻抗整形器被配置为接收所述包络检测信号并且与所述信号缩放模块协作以便响应于所述包络检测信号和组合网络的阻抗的获知而生成所述复比例因子。
2.如权利要求1所述的装置，其中生成所述阻抗修改信号以修改所述辅助侧端子处的阻抗值，以便维持呈现给所述主线性放大器子电路的预定负载阻抗值。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述主线性放大器子电路被布置为A类放大器、B类放大器或A/B类放大器。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述辅助线性放大器子电路被布置为A类放大器、B类放大器或A/B类放大器。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述主线性放大器子电路和所述辅助线性放大器子电路都被分别布置为同一类的放大器。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述组合网络是导纳逆变器。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述导纳逆变器是频率不变电纳的π网络。
8.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述组合网络是正交混合连接。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述复比例因子的应用是数字信号处理操作。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述偏置整形器被布置为接收所述包络检测信号并且响应于所述包络检测信号而生成偏置网络控制信号。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述主线性放大器子电路包括偏置网络电路，所述偏置网络电路可操作地耦合到所述偏置整形器。
12.一种射频处理资源，包括：
如权利要求1至11中任一项所述的放大器装置。
13.一种通信装置，包括：
如权利要求12所述的射频处理资源；以及
负载，可操作地耦合到所述组合网络的所述辅助侧端子。
14.如权利要求13所述的装置，其中施加在所述辅助侧端子处的所述阻抗修改信号被布置为修改所述负载关于所述主线性放大器子电路的阻抗值，从而使从所述主线性放大器子电路到所述负载中的功率传输最大化。
15.如权利要求13或权利要求14所述的装置，其中所述负载包括天线。
16.如权利要求13或权利要求14所述的装置，还包括：
基带处理资源，包括主信号路径和辅助信号路径；其中，
所述主信号路径和所述辅助信号路径分别耦合到公共发射信号源；以及
所述复比例因子被应用于所述辅助信号路径中。
17.如权利要求13所述的装置，其中所述复比例因子ɑ是：
Figure FDA0003116723100000031
其中Z0是待呈现给所述主线性放大器子电路的所述负载的阻抗值，k是频率不变电纳的π网络的每个个体电纳的电纳值，Yl是所述负载的导纳值。
18.一种功率放大器装置，包括如权利要求1至11中任一项所述的放大器装置。
19.一种通信装置，包括如权利要求1至11中任一项所述的放大器装置。
20.一种利用放大器装置放大主驱动信号的方法，所述方法包括：
提供具有主驱动信号输入端子和主放大器输出端子的主线性放大器子电路；
提供具有辅助驱动信号输入端子和辅助放大器输出端子的辅助线性放大器子电路；
在所述主放大器输出端子和所述辅助放大器输出端子之间可操作地耦合组合网络；
将主驱动信号施加到主驱动信号输入端子，所述主线性放大器子电路响应于所述主驱动信号而生成主放大信号；
将辅助驱动信号施加到所述辅助驱动信号输入端子，所述辅助线性放大器子电路响应于所述辅助驱动信号并与所述主线性放大器子电路基本上同时地生成阻抗修改信号；以及
所述辅助线性放大器子电路放大所述辅助驱动信号的每个波周期的基本一半以上，
其中，所述辅助线性放大器子电路被布置为在使用时，响应于通过复比例因子与所述主驱动信号相关的所述辅助驱动信号而生成所述阻抗修改信号，以便修改呈现给所述主线性放大器子电路的阻抗，从而使来自所述主放大器输出端子的电力传输最大化，
其中，所述放大器装置还包括驱动信号生成器，该驱动信号生成器可操作地耦合到所述辅助线性放大器子电路，并且所述驱动信号生成器被布置为通过所述复比例因子的应用来生成所述辅助驱动信号，
其中，所述放大器装置是包络跟踪放大器装置，该包络跟踪放大器装置包括包络响应处理器，该包络响应处理器被布置为控制所述主线性放大器子电路的偏置并且生成所述复比例因子，
其中，所述包络响应处理器包括偏置整形器和阻抗整形器，
其中，所述包络响应处理器包括包络检测器，该包络检测器被布置为在使用时生成包络检测信号，并且
其中，所述包络跟踪放大器装置还包括信号缩放模块，其中，所述阻抗整形器被配置为接收所述包络检测信号并且与所述信号缩放模块协作以便响应于所述包络检测信号和组合网络的阻抗的获知而生成所述复比例因子。
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