CN1130823C - 双频段双模式功率放大器 - Google Patents

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Abstract

用于射频收发信机的功率放大器电路具有线性模式放大器和饱和(非线性)模式放大器，被连接到线性模式放大器、用于阻抗匹配和用于分开在多个频段中发送的信号的同向双工匹配电路，被连接到饱和模式放大器的低通匹配电路，以及用于把功率放大器电路选择地设置为线性模式或饱和模式的装置，分别相应于蜂窝无线电话的运行的数字和模拟模式，在线性或数字模式下，线性放大器被偏置为接通状态以及饱和模式放大器可被偏置为断开状态。同样地，在饱和或模拟模式下，饱和模式放大器被偏置为接通状态以及线性放大器可被偏置为断开状态。放大器电路可包括开关或电路，被连接到同向双工匹配电路的输出端和低通匹配电路的输出端，当放大器电路被分别设置成线性模式或饱和模式时，用于把第一同向双工匹配电路输出或低通匹配电路输出选择地连接到输出线路上。

Description

双频段双模式功率放大器
1.发明领域
本发明总的涉及功率放大器，具体地，涉及双频段双模式功率放大器。
2.相关技术描述
在美国，联邦通信委员会(FCC)已经对于把国家划分成地理服务市场的一个许可方案授予了蜂窝运行许可证。原先获准的蜂窝许可证是对于800MHz范围的射频(RF)块的。美国的大多数800MHz蜂窝电话系统利用高级移动电话业务(AMPS)模拟空中接口标准。随后开发和实现了被称为D-AMPS的用于800MHz的近一代的空中接口标准。D-AMPS标准包括数字和模拟蜂窝通信。因此，在美国现在有运行在800MHz的模拟(AMPS)和数字(D-AMPS)蜂窝电话网。
响应于对于蜂窝业务的增长的要求，在“个人通信服务”或PCS的名义下，开发了多种数字空中接口标准，用于提供话音、数据、传真、和文本消息的有效的数字通信。
FCC最近拍卖了1900MHz范围内的频谱供PCS系统使用。营运的PCS系统，诸如基于GSM TDMA(时分多址)或IS95 CDMA(码分多址)空中接口标准的系统，现在开始出现在美国。同时，现有的800MHz蜂窝系统继续在营运。
因此，现在在美国营运的有800MHz的模拟与数字蜂窝系统以及1900MHz的数字PCS系统。希望从运行在800MHz的系统和从运行在1900MHz的系统接收业务的移动用户必须或者使用能够工作在蜂窝和800MHz频段和PCS或1900MHz内的两个不同的移动收发信机，或者，优选地，使用能够在两个频段上接收和发送信号的一个单个的“双频段”移动收发信机。而且，希望通过使用模拟和数字系统来通信的移动用户还必须或者使用两个不同的移动收发信机，或者，优选地，使用一个单个“双模式”收发信机。理想地，移动收发信机能够双模式和双频段地为用户提供最大的灵活性和功能性。
然而，出现的问题是，在移动收发信机中使用的功率放大器典型地是对于在特定频段(即，PCS或AMPS)和特定的模式(即，模拟或数字)下的使用进行最佳化的。这个问题表现在两个方面：阻抗匹配问题和放大器偏置问题。
为了最大的效率，在发射前，放大器的输出端处的阻抗必须与收发双工器/同向双工器的阻抗相匹配。然而，匹配电路的阻抗依赖于工作频率。因此，对于800MHz的放大器的阻抗匹配最佳化的传统的匹配电路，通常将不能最佳地匹配于同一个放大器工作在1900MHz时的阻抗。而且，放大器的阻抗依赖于运行模式。因此，对于在AMPS模式下工作在800MHz的放大器的阻抗匹配最佳化的传统的匹配电路，将不适当地匹配于在D-AMPS模式下工作在800MHz时的同一个放大器的阻抗。
偏置问题是由于放大器的效率依赖于由所采用的调制方法确定的放大器的工作的模式或类别而引起的。典型地，模拟通信系统采用熟知的频率调制(FM)方法来把模拟信息调制到载波信号上，而数字通信系统采用数字调制方案，诸如π/4 DQPSK(差分四相移位键控)调制。使用调频而发射的信号由被偏置和工作在非线性或饱和模式下的功率放大器最有效地发射。另一方面，使用π/4 DQPSK调制而发射的信号由被偏置和工作在线性模式下的功率放大器最有效地发射。
对于阻抗匹配问题的一个可能的解决办法是，在放大器的输出端处为放大器提供分开的切换的高通和低通匹配网络。然而，开关必须能够操纵高功率，这势必需要一个大的、昂贵的开关。而且，在800MHz处的匹配将不可避免地是混合性的匹配，造成模拟模式时效率的损失。
对于阻抗匹配问题的另一个解决办法是，在提供一个宽带功率匹配电路，它覆盖两个想要的频段以及在发射频段具有峰值。然而，当想要的匹配频率相差倍频程或更多，以及每个频段的想要的带宽相对较窄时，这样的结构就趋向于浪费带宽。著名的Fano限制条件表明，当存在有电抗元件(诸如，晶体管的漏极-源极电容)时，对宽带匹配有一个物理限制。
在具有单个放大器链的收发信机中，对于阻抗匹配问题的现有技术的解决办法通过提供分开的偏压电平来解决偏置问题，虽然阻抗匹配保持不变。如果单个放大器被使用来放大模拟和数字信号，则放大器必须被偏置到仅仅满足线性度要求，而同时保持尽可能大的模拟效率。这样的安排趋向于低效率。随着无线电话变得越来越小和电源消耗要求越来越严格，这样的低效率运行是非常不希望的。
所以，在技术上需要功率放大器电路能够有效地运行在800MHz和1900MHz系统以及运行在模拟和数字系统。这样的双频段、双模式功率放大器提供对于上述问题的集成的、有效的解决办法。
                           发明概要
所以，本发明的一个目的是，提供用于射频收发信机的、能够在线性或饱和工作模式下有效地放大RF信号的功率放大器电路。
本发明的另一个目的是，提供用于多个频段或范围内有效地放大RF信号的功率放大器电路。
本发明的再一个目的是，提供双频段、双模式功率放大器电路，它可以选择地被设置在用于放大DQPSK调制信号的线性工作模式，以及用于放大调频信号的饱和工作模式。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于放大RF信号的功率放大器电路，所述功率放大器电路可选择地运行在线性模式或非线性模式，包括：一个RF输入端口；第一放大器，当所述功率放大器电路工作于线性模式时，该第一放大器选择性地连接到所述RF输出端口；第二放大器，当所述功率放大器电路工作于非线性模式时，该第二放大器选择性地连接到所述RF输出端口；被连接到所述第一放大器的同向双工匹配电路，所述同向双工匹配电路具有第一和第二输出端；被连接到所述第二放大器的低通匹配电路，所述低通匹配电路具有一个输出端；以及切换电路，被连接到所述同向双工匹配电路的第一输出端和所述低通匹配电路的输出端，当所述放大器电路被选择地设置为分别是所述线性模式或所述非线性模式时，用于把所述第一同向双工匹配电路输出或所述低通匹配电路输出选择地连接到输出线路上。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于放大RF信号的功率放大器电路，包括：一个RF输入端口；第一放大器，其当所述功率放大器电路工作于数字模式时被选择性地连接到所述RF输入端口并被偏置于线性工作模式；第二放大器，其当所述功率放大器电路工作于模拟模式时被选择性地连接到所述RF输入端口并被偏置于非线性工作模式；被连接到所述第一放大器的同向双工匹配电路，所述同向双工匹配电路具有第一和第二输出端；被连接到所述第二放大器的输出端的低通匹配电路，所述低通匹配电路具有一个输出端；切换电路，被连接到所述同向双工匹配电路的第一输出端和所述低通匹配电路的输出端，当所述放大器电路被选择地设置为分别是所述线性模式或所述非线性模式时，用于把所述第一同向双工匹配电路输出或所述低通匹配电路输出选择地连接到输出线路上。
在具有用于放大数字调制信号的线性模式放大器和具有用于放大调频(模拟)信号的饱和(非线性)模式放大器的功率放大器电路中完成了上述的和其它的目的。同向双工匹配电路被连接到用于阻抗匹配和用于分开D-AMPS(800MHz频段)和PCS(1900MHz频段)数字信号的线性模式放大器。功率阻抗匹配电路被连接到饱和模式放大器的输出端。
放大器电路包括用于分别响应于无线电话的数字和模拟模式，选择地设置放大器电路为线性模式或饱和模式的装置。在线性或数字模式下，线性放大器被偏置在接通状态，饱和模式放大器可被偏置关断状态。同样地，在饱和或模拟工作模式下，饱和模式放大器被偏置在接通状态，以及线性放大器可被偏置在关断状态。
放大器电路可包括当放大器电路可分别选择地被设置成线性模式或饱和模式时，用于把第一双工匹配电路输出端或低通匹配电路输出端选择地连接到输出线的装置。
当结合附图阅读时，从以下的详细说明将明白本发明的这些和其它目的，以及本发明的特性和优点，其中相同的数字是指相同的单元。
                          附图简述
图1是本发明的实施例的示意图。
图2是图1所示的双工功率匹配电路的示意图。
图3是图1所示的双工功率匹配电路的另一个实施例的示意图。
图4是本发明的另一个实施例的示意图。
                      优选实施例详细描述
现在将参照附图描述本发明，图上显示了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，以及不应当认为它限制于所显示的具体实施例。相反，提供优选实施例以使得本揭示内容是透彻的和完全的，以及将充分传达本发明的范围给本领域技术人员。
现在参照图1，按照本发明的一个实施例的双模式、双频段放大器电路，总的用参考数字100表示。放大器电路100有利地被包括在无线电话(未示出)的发射机或收发信机中，它用于放大在两个不同的频段内的模拟和数字信号，由此为无线电话提供了双频段。双模式功能。放大器电路100包括被连接到模式选择开关104的RF输入端口102。根据无线电话工作在数字模式还是模拟模式，模式选择开关104的设置将使得输入RF信号被发送到数字路径106，或模拟路径108。模式选择开关104的位置被来自无线电话内的微处理器(未示出)的模式控制信号控制。由微处理器提供的控制信号被使用来选择地设置放大器电路100为线性工作模式或饱和(非线性)工作模式。
数字路径106包括线性放大器110，它有效地放大通过使用DQPSK调制方法调制的信号。线性放大器110的输出被连接到双工匹配电路130，它有效地分离1900MHz信号与800MHz信号，而同时提供在两个频段内对于线性放大器110的阻抗匹配。下面更详细地描述双工匹配电路130的结构和功能。
双工匹配电路130具有1900MHz输出端134和800MHz输出端136。1900MHz输出端经过路径139连接到双工器170，它把1900MHz输出信号连接到天线180。
模拟路径108包括有效地放大调频信号的非线性放大器120。非线性放大器120的输出端被连接到匹配电路140，它为非线性放大器120提供50-欧姆阻抗匹配。匹配电路140也帮助压缩会反馈到1900MHz路径139的谐波分量。在RF功率放大器中使用的匹配电路在技术上是熟知的。
由于分别提供了分开的线性和非线性放大器110、120，非线性放大器可以以深度饱和的C类放大器或以切换模式的E类放大器来运行。先前的解决办法是其中使用单个放大器用于线性放大和非线性放大，它要求放大器被偏置(以AB类)仅仅满足线性要求而保持尽可能大的非线性效率。结果是混合性的匹配，它对于线性放大和非线性放大都不是最优化的。本发明克服了这个限制，而同时提供能够有力地和高效率地放大不同频段的信号的放大器电路。
在线路145上的匹配电路140的输出和在线路138上的双工匹配电路130的800MHz的输出被提供给高功率开关150。高功率开关150根据蜂窝电话是工作在数字模式还是模拟模式，通过线路161连接双工匹配电路130的800MHz的输出(相应于数字800MHz信号)或匹配电路140的输出(相应于模拟800MHz信号)到收发双工器160。通过模式选择开关104，高功率开关150被来自无线电话的微处理器的模式控制信号控制。此外，高功率开关150为线性放大器110提供隔离，这样阻止线性放大器110被非线性放大器120和匹配电路140加载。
在本申请中，术语“收发双工器(duplexer)”和“同向双工器(diplexer)”都是指三端口、频率选择性分路器。收发双工器被使用来使得RF收发信机使用共同的天线在靠近的相邻频率上同时发送和接收，而同向双工器是把输入信号分离成高频段或低频段信号。
用于线性放大器110和非线性放大器120的直流(DC)偏置，根据蜂窝电话的想要的工作模式(即，数字或模拟)，通过切换Vcc输入116，126接通或关断而提供的。
收发双工器160是传统的被设计来允许在800MHz的全双工运行的双工器。收发双工器160把800MHz信号连接到同向双工器170，它又把信号连接到天线180进行发射。
图2所示的实施例特别适合于以半双工运行在1900MHz的TDMA收发信机使用。然而，该电路可以通过在路径139上提供附加的收发双工器以允许以全双工运行在1900MHz，而很容易地适合于CDMA收发信机使用。
图2显示了同向双工匹配电路130的一个实施例。同向双工匹配电路130的功能是为线性放大器110提供对于800MHz信号和1900MHz信号的50-欧姆阻抗匹配，而阻止800MHz信号装载1900MHz路径210，以及反之亦然。为了达到想要的结果，提供了阻抗匹配电路230，具有输入端口205，800MHz(或AMPS频段)路径220，和1900MHz(或PCS频段)路径210。AMPS频段路径220包括低通LC匹配电路222和模式选择开关225，它优选地包括PIN二极管开关。模式选择开关225响应于来自无线电话的微处理器的模式控制信号，当蜂窝电话运行在数字AMPS模式时，它被闭合，否则，它被断开。这样，当运行在PCS模式时，1900MHz信号在AMPS频段路径220上将被大大地衰减，以及AMPS频段匹配电路222将不装载PCS频段路径210。
PCS频段路径210包括高通LC匹配电路212和第二模式选择开关215。第二模式选择开关215响应于模式控制信号，当蜂窝电话运行在数字PCS模式时，它被闭合，否则，它被断开。这样，当运行在AMPS模式时，800MHz信号将不被发送到PCS频段路径210上，以及PCS频段匹配电路212将不装载AMPS频段路径220。
同向双工匹配电路130的第二实施例在图3上被显示为同向双工匹配电路330。同向双工匹配电路330与图2所示的同向双工匹配电路达到同样的结果，但它不需要提供模式选择开关215，225。同向双工匹配电路330包括RF输入端口305，AMPS频段路径320，和PCS频段路径310。AMPS频段路径320包括滤波/匹配电路322，它在AMPS频段提供到线性放大器130(图1)的50-欧姆阻抗匹配，而在PCS频段呈现带阻零点。同样地，PCS频段路径310包括滤波/匹配电路312，它在PCS频段提供到线性放大器130(图1)的50-欧姆阻抗匹配，而在AMPS频段呈现带阻零点。
Ronald Boesch和Kevin Conroy，发明人，在1997年7月3日提交的、并委托给本发明的代理人的、共同待决的美国专利申请序列号No.08/888,168，题目为“Impedance Matching Circuit for PowerAmplifier(用于功率放大器的阻抗匹配电路)”中描述了同向双工匹配电路330的结构和运行，包括其替换实施例和附加特性，该专利申请整体地在此引用，以供参考。
本发明的放大器电路的第二实施例在图4上被显示为放大器电路400。正如放大器电路100那样，放大器电路400包括RF输入端口102，模式选择开关104，包含线性放大器110和收发双工匹配电路130的数字路径106，以及包括非线性放大器120和低通匹配电路140的模拟路径108。收发双工匹配电路130的1900MHz(PCS频段)输出被连接到同向双工器170，它把RF信号连接到天线180进行发送。
在放大器电路400中，从低通匹配电路140输出的800MHz频段信号和同向双工匹配电路130的800MHz输出信号被提供给连接网络450。连接网络450包括第一节点451和第二节点452。同向双工匹配电路130的800MHz输出信号通过线路138被连接到第一节点451。低通匹配电路140的输出信号通过线路145被连接到第二节点452。电容C5被连接在第一节点451与地之间，而电容C2被连接在第二节点452与地之间。电感L1通过模式选择开关456被连接在第一节点451与线性Vcc电源453之间，而电感L2通过模式选择开关457被连接在第一节点452与非线性Vcc电源454之间。当模式选择开关457闭合时，电感L2和电容C2形成并联谐振电路，它对于谐波只起到RF接地的作用。
连接网络450包括第三节点455，它通过DC阻塞电容C3被连接到第一节点451，以及通过DC阻塞电容C4被连接到第二节点452。第三节点455通过输出线路161被连接到收发双工器160的输入端，该收发双工器是在上面结合图1所示的实施例描述的。
连接网络450运行为如下。当蜂窝电话工作在数字模式时，线性放大器110如上所述地被偏置在具体状态。开关456被闭合，开关457被打开，把电感L2切换出连接网络450。然后，并联电容C2把第二节点452处的输出阻抗变换成几乎开路，由此，减小了加到线性放大器110上的负载。这在线性放大器110包括GaAs HBT(砷化镓异质结双极性晶体管)时是特别正确的。电感L1和电容C5形成并联谐振电路，它短路了由线性放大器110产生的谐波能量，从而提高了放大器的效率。
当蜂窝电话工作在模拟模式时，偏置方案被颠倒过来。即，电感L1被切换出连接网络450，以及电感L2和电容C2形成并联谐振电路，电容C1把HBT的输出阻抗变换成在第一节点451处几乎开路。
虽然已经对于本发明的优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，本发明并不限于这里所描述和显示的具体实施例。通过上述的说明和附图，将会明白或合理地提出除了这里所描述和显示的以外的不同实施例和调整方案以及许多变例，修改和等价的安排，而不背离本发明的实质或范围。因此，本发明只是由附属权利要求的精神和范围所限制。

Claims (11)

1.用于放大射频信号的功率放大器电路，所述功率放大器电路可选择地运行在线性模式或非线性模式，包括：
一个射频信号输入端口；
第一放大器，当所述功率放大器电路工作于线性模式时，该第一放大器选择性地连接到所述射频信号输出端口；
第二放大器，当所述功率放大器电路工作于非线性模式时，该第二放大器选择性地连接到所述射频信号输出端口；
被连接到所述第一放大器的同向双工匹配电路，所述同向双工匹配电路具有第一和第二输出端；
被连接到所述第二放大器的低通匹配电路，所述低通匹配电路具有一个输出端；以及
切换电路，被连接到所述同向双工匹配电路的第一输出端和所述低通匹配电路的输出端，当所述放大器电路被选择地设置为分别是所述线性模式或所述非线性模式时，用于把所述第一同向双工匹配电路输出或所述低通匹配电路输出选择地连接到输出线路上。
2.如权利要求1所述的功率放大器电路，其特征在于，还包括：
同向双工器，被连接到所述同向双工匹配电路的所述第二输出端；
收发双工器，被连接到所述输出线路和所述同向双工器；以及
天线，被连接到所述同向双工器。
3.如权利要求1所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述同向双工匹配电路包括：
第一信号路径，用于把第一频段中的所述射频信号连接到所述第一输出端口；以及
第二信号路径，用于把第二频段中的射频信号连接到所述第二输出端口；
其中所述第一信号路径包括用于匹配在所述第一频段时所述第一放大器的阻抗的装置，以及用于阻止所述第二频段的信号发送到所述第一输出端口的装置。
4.如权利要求3所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述第二信号路径包括用于匹配在所述第二频段时所述第二放大器的阻抗的装置，以及用于阻止所述第一频段的所述信号发送到所述第二输出端口的装置。
5.如权利要求3所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述用于阻止的装置包括PIN二极管。
6.如权利要求3所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述用于阻止的装置包括一个电路，被调谐来对于所述第二频段中的信号呈现带阻零点。
7.如权利要求1所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述切换电路包括高功率开关。
8.如权利要求1所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述切换电路包括连接网络装置。
9.如权利要求1所述的功率放大器电路，其特征在于，其中所述第一放大器是线性放大器以及所述第二放大器是非线性放大器。
10.用于放大射频信号的功率放大器电路，包括：
一个射频信号输入端口；
第一放大器，其当所述功率放大器电路工作于数字模式时被选择性地连接到所述射频信号输入端口并被偏置于线性工作模式；
第二放大器，其当所述功率放大器电路工作于模拟模式时被选择性地连接到所述射频信号输入端口并被偏置于非线性工作模式；
被连接到所述第一放大器的同向双工匹配电路，所述同向双工匹配电路具有第一和第二输出端；
被连接到所述第二放大器的输出端的低通匹配电路，所述低通匹配电路具有一个输出端；
切换电路，被连接到所述同向双工匹配电路的第一输出端和所述低通匹配电路的输出端，当所述放大器电路被选择地设置为分别是所述线性模式或所述非线性模式时，用于把所述第一同向双工匹配电路输出或所述低通匹配电路输出选择地连接到输出线路上。
11.能运行在多种模式下接收和发送在多个频段中的射频信号的蜂窝电话，包括：
一个射频信号输入端口；
第一放大器，其当所述蜂窝电话工作于数字模式时被选择性地连接到所述射频信号输入端口并被偏置于线性工作模式；
第二放大器，其当所述蜂窝电话工作于模拟模式时被选择性地连接到所述射频信号输入端口并被偏置于非线性工作模式；
被连接到所述第一放大器的同向双工匹配电路，所述同向双工匹配电路具有第一和第二输出端；
被连接到所述第二放大器的输出端的低通匹配电路，所述低通匹配电路具有一个输出端；
切换电路，被连接到所述同向双工匹配电路的第一输出端和所述低通匹配电路的输出端，当所述放大器电路被选择地设置为分别是所述线性模式或所述非线性模式时，用于把所述第一同向双工匹配电路输出或所述低通匹配电路输出选择地连接到输出线路上。
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