CN1134196C - 用于无线通信系统的手机单元的射频功率放大装置 - Google Patents

用于无线通信系统的手机单元的射频功率放大装置 Download PDF

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Abstract

用于无线通信系统的电池供电手机单元的射频功率放大器，具有低功率信号放大路径和高功率信号放大路径。在手机内的逻辑和偏置装置，根据手机位于离基站规定的距离以内或以外，在低功率信号路径和高功率信号路径之间进行选择。这样，在基站处从手机接收的信号处在需要的功率电平。

Description

用于无线通信系统的手机单元的 射频功率放大装置
技术领域
本发明总的涉及射频功率放大器，具体地，涉及具有改进效率、适合于无线通信系统的电池供电手机单元使用的射频功率放大器。
背景技术
在无线通信系统的电池供电手机单元使用的、射频功率放大器的效率是主要的考虑，因为这个功率放大器是电池的最大功率负载。功率放大器的效率越高，电池供电的手机不需再次充电而可以一直使用的时间越长。
对于J-CDMA功率放大器，单元应当满足在全功率(即，+27dBm)下对于功率放大器效率、增益、和相邻信道功率比值(ACPR)的可接受的性能标准，而同时提供在较低的功率下特别良好的效率。
27dBm到28dBm功率放大器的典型的现有技术实施例提供28dB左右的增益，对于GaAs MOSFET(Anadigics)的功率放大器效率约为32％。据信，外国制造的和昂贵的技术，如GaAs PHMET在这样的现有技术结构中在全功率下达到45％到50％的功率放大器效率。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于无线通信系统的电池供电手机单元的、新的和改进的射频功率放大器。
本发明的另一个目的是提供用于无线通信系统的电池供电手机单元的射频功率放大装置，它克服了现有技术中的此类射频功率放大器的缺陷。
为了达到这些和其它目的，按照本发明构建的、用于无线通信系统的电池供电的手机单元的射频功率放大装置，包括用于提供射频信号的装置，低功率信号路径具有：用于放大射频信号的第一射频放大器，和用于控制射频信号通过低功率信号路径到第一输出端的第一控制开关，该第一输出端是该第一射频功率放大器的输出端；以及高功率信号路径具有：用于放大射频信号的第二射频放大器，和用于控制射频信号通过高功率信号路径到第二输出端的第二控制开关，该第二输出端是该第二射频功率放大器的输出端。这个射频功率放大装置还包括偏置和逻辑装置，用于(a)当手机处在离基站的预定的距离的范围内时，控制第一控制开关许可射频信号通过低功率信号路径，以及当手机处在离基站的预定的距离的范围以外时，阻止射频信号通过低功率信号路径，(b)当手机处在离基站的预定距离范围内时，给第一射频放大器加偏置，放大射频信号，以及当手机处在离基站的预定距离范围以外时，阻止第一射频放大器放大射频信号，(c)当手机处在离基站的预定距离范围以外时，控制第二控制开关许可射频信号通过高功率信号路径，以及当手机处在离基站的预定的距离范围内时，阻止射频信号通过高功率信号路径，以及(d)当手机处在离基站的预定距离范围以外时，给第二射频放大器加偏置，放大射频信号，以及当手机处在离基站的预定的距离的范围以外时，许可第二射频放大器放大射频信号。这个射频功率放大装置还包括用于将第一输出和第二输出耦连在一起的装置。
附图说明
结合附图阅读以下的详细说明可最好地了解本发明。
图1是按照本发明构建的、用于无线通信系统的电池供电手机单元的射频功率放大器的方框图。
图2是按照本发明构建的、用于无线通信系统的电池供电手机单元的射频功率放大器的放大器和开关部分的电路图。
具体实施方式
参照图1，按照本发明构建的、用于无线通信系统的电池供电手机单元的射频功率放大器，包括用于提供射频信号的装置。这样的装置包括端子10，来自音频源和调制器(图1上未示出)的射频信号被加到这个端子上。
按照本发明构建的射频放大器，还包括低功率信号路径12，它具有传统设计的用于放大射频信号的第一射频功率放大器14，和传统设计的用于控制射频信号通过低功率信号路径到第一输出端(即，第一射频功率放大器14的输出端)的第一控制开关16。对于如图1所示的、本发明的实施例，控制开关16是串联开关。
按照本发明构建的射频放大器，还包括高功率信号路径18，它具有传统设计的用于放大射频信号的第二射频功率放大器20，和传统设计的用于控制射频信号通过高功率信号路径到第二输出端(即，第二射频功率放大器20的输出端)的第二控制开关22。对于如图1所示的、本发明的实施例，控制开关22是并联开关。
对于如图1所示的、本发明的实施例，高功率信号路径18也包括在第二射频功率放大器20上游的、传统设计的驱动射频放大器24。驱动射频放大器24被包括在高功率路径18，支持为提供放大的射频信号到第二射频放大器20所需要的较高增益。在高功率信号路径18中的第二控制开关22被放置在第二射频功率放大器20与驱动射频放大器24之间。因此，高功率信号路径18具有两个放大级。相对地，低功率信号路径12只有一个放大级。
按照本发明构建的射频放大器也包括偏置和逻辑装置26，用于控制第一控制开关16，给第一射频功率放大器14加偏置，控制第二控制开关22，以及给第二射频功率放大器20加偏置。具体地，偏置和逻辑装置26通过采用传统的设计技术被安排成：
(1)控制第一控制开关16以或者许可射频信号通过低功率信号路径12，或者阻止射频信号通过低功率信号路径12，
(2)给第一射频功率放大器14加偏置以或者放大射频信号，或者阻止第一射频功率放大器14放大射频信号，
(3)控制第二控制开关22以或者许可射频信号通过高功率信号路径18，或者阻止射频信号通过高功率信号路径18，以及
(4)给第二射频功率放大器20加偏置以或者放大射频信号，或者阻止第二射频功率放大器20放大射频信号。
CDMA运行要求在基站处接收的、来自在小区内的手机的信号具有相同的功率电平。按照本发明，偏置和逻辑装置26控制在低功率信号路径12与高功率信号路径18之间的选择，以便确保来自手机的、在基站接收的信号是在所需要的功率电平上。这种选择是由手机通过接收来自基站的信号检测基站是否正在接收来自手机的以需要的功率电平的信号以及由偏置和逻辑装置26响应于控制信号按需要在低功率信号路径12和高功率信号路径16之间切换来以需要的功率电平从手机发送信号到基站，而完成的。
为了运行低功率信号路径12，由偏置和逻辑装置26接通第一控制开关16，即在低功率信号路径中的串联开关，以便许可射频信号传送到第一射频功率放大器14。同时，偏置和逻辑装置26给第一射频功率放大器14加偏置，以便许可第一射频功率放大器放大射频信号。同时，为了不运行高功率信号路径18和节省功率，第二射频功率放大器20不提取功率，由偏置和逻辑装置26接通第二控制开关22，即在高功率信号路径中的并联开关，以便把第二射频功率放大器接地以及阻止射频信号传送到第二射频功率放大器。同时，偏置和逻辑装置26断开给第二射频功率放大器20和驱动射频放大器的偏置，以便阻止第二射频功率放大器放大射频信号和阻止驱动射频放大器放大射频信号。
为了运行高功率信号路径18，由偏置和逻辑装置26断开第二控制开关22，即在高功率信号路径中的并联开关，以便使第二射频功率放大器20与地断开，和许可射频信号传送到第二射频功率放大器20。同时，偏置和逻辑装置26把偏置连接到第二射频功率放大器20和驱动射频放大器24以许可第二射频功率放大器放大射频信号和驱动射频放大器放大射频信号。同时，为了不运行低功率信号路径12和节省功率，第一射频功率放大器14不提取功率，由偏置和逻辑装置26断开第一控制开关16，即在低功率信号路径中的串联开关，以阻止射频信号传送到第一射频功率放大器。同时，偏置和逻辑装置26断开给第一射频功率放大器14的偏置，以便阻止第一射频功率放大器放大射频信号。
按照本发明构建的、射频功率放大器还包括用于将第一输出，即第一射频功率放大器14的输出，与第二输出，即第二射频功率放大器20的输出，耦连在一起的装置。两个射频功率放大器14和20的输出在端子30处被连接在一起，来自射频功率放大器的信号从这个端子被加到天线(图1上未示出)。在CDMA应用中，为了保护射频功率放大器不会由于天线处的阻抗失配而反射功率，典型地把环行器(circulator)或隔离器(图1上都未示出)放置在射频功率放大器与天线之间。
按照图1方框图构建的射频放大器的实施例中的修改可以在27dBm的性能与13dBm的性能之间进行折衷。参照图2的电路图，上半部分，表示为“MODE1(模式1)”，相应于图1的射频放大器的高功率信号路径18，以及下半部分，表示为“MODE2(模式2)”，相应于图1的射频放大器的低功率信号路径12。偏压分别通过三个集成电感32，34和36加到三个射频放大晶体管Q1，Q2和Q3(在图1上，分别相应于附图标记24，20和14)。
对于模式1(高功率信号路径18)运行，电阻38和电容40的RC并联反馈被利用来确保稳定度。串联C和并联L元件，即，电容42和电感34，被使用来提供级间匹配。
对于模式2(低功率信号路径1 2)运行，相应于图1的开关16的串行NFET控制开关44把输入射频信号耦合到DC阻塞电容46。寄生电感48，电容50和电感36组成的附加调谐装置用来建立低功率信号路径中的阻抗匹配。
如果喜欢低功率性能，如图所示，把并联电容52和54以及串联电感56加在低功率信号路径与高功率信号路径之间。这确保从低功率信号路径参考面到高功率信号路径参考面的正确阻抗变换，以使得在高功率信号路径运行时它匹配到电路板。然而，如果这个级间匹配被取消和OFF(关断)功率信号路径被直接耦连，则可得到在高功率信号路径中的较高性能。
把较低的功率信号路径控制开关16(图2的附图标记44)放置在第一射频功率放大器14的内侧而不是放置在射频功率放大器14的外侧是重要的，因为电压容差，典型地0.5微米CMOS(3.6伏)，否则有电压摆动8伏左右的问题(在最大电源和由环行器缓冲的最高VSWR的条件下)，同样地，把较高的功率信号路径控制开关22(图2的附图标记58)放置在第二射频功率放大器20的内侧而不是放置在射频功率放大器20的外侧避免了同样的问题，以及给出同样的好处。
而且，当开关运行在较低的功率电平而不是较高的功率电平时开关中总的功率损耗大大地减小。通过分开两条信号路径，有可能，优选地，在高功率信号路径输入级使用具有较高的截止频率(Ft)和较低的击穿电压的晶体管。这允许对于该模式的较好的效率对线性度的关系，而没有电压容差问题。然而，这需要单独的3伏电源，因为电池的4.5伏会损害该器件。
最后，应当指出，当第二射频功率放大器20不在使用和被短路到地时，在使用的晶体管(即，在第一射频功率信号路径中的晶体管)的线性度被改进，因为存在清楚的短路而不是非线性容性负载。
虽然参照某些示例性实施例显示和描述本发明，但无论如何，本发明不打算限于所显示和描述的细节。而是可以在权利要求的等价范围内对那些示例性实施例作出各种修改，而不背离本发明。

Claims (4)

1.用于无线通信系统的电池供电的手机单元的射频功率放大装置，包括：
用于提供射频信号的装置；
低功率信号路径，具有：
(a)用于放大射频信号的第一射频功率放大器，和
(b)用于控制射频信号通过所述低功率信号路径到第一输出端的第一控制开关，该第一输出端是该第一射频功率放大器的输出端；
高功率信号路径，具有：
(a)用于放大射频信号的第二射频功率放大器，和
(b)用于控制射频信号通过所述高功率信号路径到第二输出端的第二控制开关，该第二输出端是该第二射频功率放大器的输出端；
偏置和逻辑装置，用于：
(a)当所述手机位于离基站预定距离内时，控制所述第一控制开关许可射频信号通过所述低功率信号路径，以及当所述手机位于离基站预定距离以外时，阻止射频信号通过所述低功率信号路径，
(b)当所述手机位于离基站预定距离内时，给所述第一射频功率放大器加偏置以放大射频信号，以及当所述手机位于离基站预定距离以外时，阻止所述第一射频功率放大器放大射频信号，
(c)当所述手机位于离基站预定距离以外时，控制所述第二控制开关许可射频信号通过所述高功率信号路径，以及当所述手机位于离基站预定距离内时，阻止射频信号通过所述高功率信号路径，
(d)当所述手机位于离基站预定距离以外时，给所述第二射频功率放大器加偏置以放大射频信号，以及当所述手机位于离基站预定距离内时，阻止所述第二射频功率放大器放大射频信号；以及
用于将所述第一输出端与所述第二输出端耦连在一起的装置。
2.按照权利要求1的射频功率放大装置，其特征在于，其中所述高功率信号路径具有在第二射频功率放大器上游的第三射频放大器，用于放大射频信号。
3.按照权利要求2的射频功率放大装置，其特征在于，其中在所述高功率信号路径中的所述第二控制开关被放置在所述第二射频功率放大器和所述第三射频放大器之间。
4.按照权利要求1的射频功率放大装置，其特征在于，其中：
(a)当所述手机位于离基站预定距离内时，由所述偏置和逻辑装置接通在所述低功率信号路径中的所述第一控制开关，以便许可射频信号传送到所述第一射频功率放大器，
(b)当所述手机位于离基站预定距离内时，由所述偏置和逻辑装置接通在所述高功率信号路径中的所述第二控制开关以把所述第二射频功率放大器接地，以及阻止射频信号传送到所述第二射频功率放大器，
(c)当所述手机位于离基站预定距离以外时，由所述偏置和逻辑装置断开在所述高功率信号路径中的所述第二控制开关以断开所述第二射频功率放大器与地的连接，以及许可射频信号传送到所述第二射频功率放大器，以及
(d)当所述手机位于离基站预定距离以外时，由所述偏置和逻辑装置断开在所述低功率信号路径中的所述第一控制开关，以便阻止射频信号传送到所述第一射频功率放大器。
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