CN1137198A - 用于便携式设备的高效可配置功率放大器 - Google Patents

Abstract

提供一种高效可配置功率放大器，适用于放大便携式设备进行无线传输的信号。该可配置功率放大器包括多个放大器级，每级都有其自己的输出线路接法，使得功率放大器需输出的功率电平大小的选择可直接从所选择的放大器级获得。该放大器的各级也可以按串接方式配置，以使得放大器的第一级输出作为放大器的第二级的输入，且以此类推。当仅使用部分放大电路时，其未使用的各级都转换到关断状态，基本上不消耗操作功率。

Description

用于便携式设备的高效可配置 功率放大器

本发明涉及便携通信设备，更具体地涉及在这样的设备中使用的射频功率放大器。

如在蜂窝通信系统中使用的便携式设备能够将其所幅射的输出功率连续地调整到某个电平，使之能维持与某个基站的满意的无线通信。因此当某个便携式设备的用户在某一地理范围内移动时，该便携式设备所幅射的输出功率自动的增加或减少以保持与该基站的满意的通信。举例来说，当该便携式设备位于其通信范围的外极限时，从基站所接收的信号电平就最小，就将该便携式设备所幅射的输出功率设置到其最大电平。当该便携式设备靠近基站且使用比最大可用功率低的电平就可维护满意地通信时，则该便携式设备所幅射的输出功率可随着所接收的信号电平的增加成比例的减小。这样，便携式设备所幅射的输出功率就可以根据该便携式设备与基站之间距离的变化而产生的信号强度的变化进行调整，所幅射的输出功率也可根据信号强度衰落和影响接收信号质量的其它损耗进行调整。

便携式设备所幅射的输出功率的控制可以通过位于该便携式设备或者基站内的控制电路来实现。这种电路对所接收的来自其它设备的信号强度电平进行检测并提供一控制信号用于增加或减小便携式设备所幅射的输出功率电平。如果该控制电路是位于便携式设备中，则直接对所幅射的输出功率电平进行控制。如果该控制电路是位于基站，则在基站生成一个控制信号并将该控制信号传送到该便携式设备以便在便携式设备调整所幅射的输出功率。

便携式设备所幅射的输出功率通常是由位于其内部的一个射频功率放大器提供的。这个功率放大器的效率是由该放大器的信号输出功率与该便携式设备的电池向此放大器所提供的工作功率之比确定的。当今使用的便携式设备所采用的典型功率放大器在其最高功率电平设置时，效率大约为50％，在其最低功率电平设置时，其效率低于5％。

如在蜂窝系统中采用的那些便携式设备和从便携电池时得到的工作能源，都受限于不更换电池某个有限的时间周期或对电池进行充电可工作的。当这些便携式设备监视某个信道以便接收某个呼入时，这些设备所消耗的电池能量很小。但当这些便携式设备处于和基站通信时，所消耗的电池能量要大得多。统计表明，便携设备的使用或“通话时间”最可能发生在其以较低的幅射输出功率电平工作的时候。这主要是由于一个或多个基站的布局，使得大多数便携式设备的用户在他们通话期间所处的位置都相对靠近他们的基站。另外，当用户人口密度增加且安装了更多的基站时，基站间的地理间隔将变得更小，这也允许该便携式设备工作在较低的幅射输出功率电平。因此，便携式设备常常在较低的幅射输出功率电平上工作，此时的效率很低。因此人们希望改进便携式设备工作在较低幅射输出工率电平时的效率，且在较高幅射输出功率电平工作时维持在相同的效率水平上。

根据本发明，通过采用在便携式设备中使用的一种高效可配置功率放大器，上述的问题是可以解决的。通过采用这种可配置功率放大器，该功率放大器的效率在较低幅射功率输出电平时可被明显的改进，且在较高幅射功率输出电平时被保持。

根据本发明的实施例的第一方面，该可配置功率放大器包括多个放大器级，每级都有其自己的输出配置，以使得功率放大器的所选的一系列希望的输出功率电平可直接从所选择的放大器级来获得。该放大器的各级也可以按串接方式配置，使得第一放大级的输出作为第二放大级的输入，以此类推，以便在维持所希望被增加的效率的同时，获得大范围可选择功率输出电平。

根据所介绍的本发明的实施例的第二方面，当仅使用部分放大电路时，每个或多个未使用的放大器级转换到关断状态，此时处于关断状态的放大级基本上不消耗工作功率。通过采用可配置功率放大器，便携式设备的体积、造价和重量都可因采用小容量低造价的电池而大大的减少，或者换句话说，如果使用相同容量的电池，可大大增加“通话”时间。

当与附图一起阅读时，从下面的详细介绍中将能更清楚的了解本发明和其工作方式，其中：

图1示出通信系统中与基站进行通信的便携式设备；

图2是图1用于和基站进行通信的便携式设备某些电路部分的方框图；

图3是用在便携式设备中向基站传送射频信号的已有技术的放大器；

图4是一个图表，用于示出图3所示的已有技术的放大器的效率是输出功率的一个函数；

图5是根据本发明图1所示的便携式设备使用的一种可配置功率放大器，其是图2所示电路部分之一；

图6是根据本发明适于由可配置功率放大器(在图5中示出)使用的晶体管放大器，其作为此放大器的增益级之一；

图7是一个图表，用于示出图5所示的放大器的效率是输出功率的一个函数；和

图8是根据本发明的一过程流程图，适于将其编入通信系统的便携式设备之中，以执行图5所示的可配置功率放大器的功率电平转换。

在整个图示中，使用相同的标号标示一个以上的图中所示出时的相同的部件。

现参照图1，图中示出一个基站10和一个便携式设备20，在两者之间蜂窝网络的一个通信信道提供无线通信。当该便携式设备的用户位于相关的网孔的地理范围内时，基站10可与该便携式设备20进行通信，该网孔是基站提供的射频覆盖区域。网孔的概念是众所周知的，此概念在1979年1月贝尔系统技术杂志的第58卷第一期上作了一般性介绍，特别是在该期杂志的第15到41页上的由V.H.Mac Donald著名的题为“网孔概念”(The cellularConcept)一文中作了介绍。AT&T公司的3770型网孔电话可适于用作便携式设备20的一种便携式设备的一个例子。

便携式设备20能根据该设备与基站10之间现有的无线通信链路的信号质量对其所幅射的输出功率进行调整。因此，当一个便携式设备的用户在一地理区域内移动时，由该便携式设备所幅射的输出功率就自动地增加或减小，以保持与基站进行满意的通信。例如，当该便携式设备位于其通信范围的外界时，从该基站所接收的信号质量通常最小，由该便携式设备所幅射的输出功率可设置到其最大电平。但当该便携式设备靠近该基站且使用比最大可用功率低的电平就可保持满意地通信时，由该便携式设备所幅射的输出功率可随着所接收信号的信号质量的增加而成比例的减小。这样，便携式设备所幅射的输出功率就可根据该便携式设备与该基站之间距离的变化而产生的信号质量的变化进行调整。所幅射的输出功率也可根据信号强度衰落和影响接收信号质量的其它损耗进行调整。

下面参照图2，图中示出该便携式设备20的某些被选择出的部分方框图。在便携式设备20中，来自一基带设备21的信号和也在便携式设备20中来自射频本地振荡器22的信号提供给混频器23。按常规的和众所周知的方法获得的话音和数据控制信号在基带设备21中被调制产生一中频(IF)信号。此中频信号在混频器23中与由RF本地振荡器22所产生的载频进行混频。RF调制信号由混频器23传送到滤波器24，任何假的和/或不需要的信号都在该滤波器中滤除掉。经滤波的RF信号由滤波器24传送到功率放大器25，以将该信号放大到所希望的功率输出电平上。该RF信号由功率放大器25传送到天线27，以经RF链路将其传送到基站10。便携式设备20中所有电路元件都由袖珍电池26供电，该电池26被插在此设备的壳体内，或者以某种方式附在壳体上，此时与该电池的总体相配而且变成此设备外壳的一部分。

下面参照图3，图中示出的功率放大器31，该放大器用在采用已有技术的便携式设备中放大RF信号。当便携式设备实现所要求的可变功率输出电平时，这样的放大器可适于且已被用作图2所示的放大器25。功率放大器31的输入在输入线32上提供，此功率放大器的输出在输出线33上获得。为了从放大器31中得到可变功率电平，采用功率电平控制设备35。此功率电平控制设备35根据控制信号控制由功率放大器产生的功率电平，该控制信号可由便携式设备在本地产生，或者由该基站发送到该便携式设备。这种功率电平控制设备能改变功率放大器的输出功率典型地从6至9电平级。但是，当工作在较低输出功率电平时，此放大器的效率将受到不利的影响。这一点在图4所示的图表中示出，该图表示出在输出功率电平有效范围内效率和放大器31输出功率的函数关系。

如图4的图表所示，功率放大器31在最大输出功率电平时效率可高达50％。还是图4的图表所示，该功率放大器在较低输出功率电平上的效率是5％甚至更低。不幸的是这种工作(状态)发生在同一功率放大器要在功率输出电平的一个范围上工作时。这样，虽然在放大器提供低输出功率电平时输出功率可适当的减小，但是由电池提供的使放大器工作的输入功率却没有成比例的减小。因此，对于这种类形的工作，向便携式设备供电所使用的电池在主要处于低输出功率电平工作时与正常的(消耗)速率相比被更快的无用地耗尽。

图5示出根据本发明的一可再配置的功率放大器50，该放大器适用于图2所示的放大器25，此时希望对一便携式设备而言，可变化的功率输出电平，最大的工作效率以及节省电能。此再配置功率放大器50包括多个放大器级51，52，53和相关的开关54，55和56。每一级都有其自己的输出连接方式，以实现希望的输出功率电平，这些级的任意一个级的输出都可直接作为功率放大器50的输出提供。也可以将放大器的各级按串接方式配置，以使得，例如，放大级51的输出提供给放大级52的输入，放大级52的输出提供给放大级53的输入。这样安排的优点是在保持所希望的增加的效率时仍允许大范围的功率输出电平。为了获得更大范围的功率输出电平，又保持所希望的效率，可以很容易地在此电路上增加放大器的级数。最后，一个或多个级根据放大器和开关控制设备57的选择转换到关断状态，以实现节省电源的目的。适于用作放大器各级51，52和53的放大器装置可是西门子公司的CGY-120CLY-2和CLY-10。适于用作开关54，55和56的针形二极管可是HewlettPackard公司的HSMP-3894型。

图6示出在图5所示的放大器各级的每一级中增益是如何变化的，也示出这些放大器各级中的每级是如何实现在接通(ON)状态和关断(OFF)状态之间转换的。图6示出了一个典型的n-沟道场效应晶体管(FET)60，该晶体管可用于对功率放大器50的放大器各级51，52和53中的每级进行放大。场效应晶体管在已有技术中是众所周知的。场效应晶体管用作功率放大器的实例被用在很多该技术领域的教材中。例如有两种这样的教材，《Designing WithField-Effect-Transistors》第二版，Siliconix公司著1990年MC-Graw-Hill公司出版；《Power FETs and their application》E.S.Oxner著，1982年Prentice-Hall公司出版。

工作时，在线61上提供一输入信号由FET60进行放大。此输入信号加到FET60的栅极(G)上。很容易由插入电压V_G设置FET60的栅极(G)的偏压，V_G加在导线b2上，通过一电感线圈63加到栅极(G)上。导线62上的电压V_G由放大器和开关控制装置57提供，如图5所示。当此电压V_G减小到FET60的夹断电压以下时，FET60完全关断(OFF)，基本上无电流在漏(D)和源(S)极之间流过，漏极(D)经电感线圈64与电压V_D相连，源极(S)与地电位相连。在这种装置处于关断(OFF)状态时，FET60的漏极(D)和源极(S)之间流过的电流可忽略不计，因为这种类型的装置当处于这种状态时其阻抗的典型值为10¹²欧姆。

此外，当该放大器和开关控制装置57将电压V_G置为特定的可选值时，对导线61上的输入信号进行放大，FET60可获得相应所选定的增益电平。这样，图5所示的每个放大增益级选择的可变增益电平都是通过改变加在FET60栅极G上的电压V_G选择的。FET60的经放大的输出信号在导线65供出。虽然仅作为实例示范性地介绍了适于用在放大器50的放大器各级51，52和53的一种放大电路，人们可以理解在放大器电路中提供可变放大和断通转换功能的其它方法也是可能的，且是可预料的。

所示出的放大器有三级，“N”个放大功率电平可供选择，虽然在所示的实施例中“N”为9，但人们可以理解根据本发明可选择的功率放大电平可少可多。当放大器的某一级未处于可对RF信号进行放大的接通状态时，至该放大级的工作功率也被该放大器和开关控制装置57转换到关断状态以节省电池中的功率，当然该电池是供给便携式设备的工作电源。

再参照图5，与放大器和开关控制装置57相连的是信号强度监视电路28，该电路检测便携式设备20的无线通信链路的质量。该信号强度监视电路28能区分接收信号电平的范围，可以看作是接收信号强度指示(RSSI)电路。一个RSSI电路产生与从远端所接收的信号强度成比例的输出电压。通过使用与信号强度监视电路有关联的模-数变换器，就可从接收信号电平的范围内选择代表接收信号强度的相应的数字信号输出，该输出提供给放大器和开关控制装置57。信号强度监视电路28的输入可在线路29上获得，该输入信号来自便携式设备中常规使用的RF接收器(未示出)。虽然便携式设备20被示出有位于其内的信号强度监视电路28，人们可以理解此电路也可以位于基站10，信号强度信息以控制信号的方式经无线通信链路从该基站传送到该便携式设备，然后在这两设备之间存在。

在功率放大器50工作过程中，经滤波的RF调制输入信号在输入线58上提供给此放大器的放大级51。放大级51可提供对输入信号的四种(举例来说)电平放大。这些放大的电平是可由放大器和开关控制装置57选择的，用于从便携式设备提供较低功率输出信号电平。当这四种功率输出信号电平中的一种被选定之后，至放大器级52和53的工作电源就被放大器和开关控制装置57关断。当处于这种关断状态时，这些被关断的各级是不需要来自电池的功率，因此也不耗电。开关54，当功率放大器50处于第一种连接方式时，55和56被安排用于只将来自放大器级51的信号传送到输出线59上。因此在这第一种连接方式时，开关54将来自放大器级51的信号连到其B端，而开关55被安排用于将一信号连到其A端。因为在功率放大器50是处于其第一种连接方式时，在放大器级52中没有信号出现，则在这种方式下，设置开关55阻止不需的负荷从放大器级51的信号耦合到输出线59。最后，开关56被安排用于将来自开关54的信号(此信号出现在其B端)连到输出线59。对于采用放大器级57得到的四个低功率电平(5-10dBm)的功率放大器50的输出功率在图7中示出。

采用放大级51可得到的最高放大电平不足以保持便携式设备20和基站10之间合适的通信时，这种不合适的信息由信号强度监视电路28检测出之后，按顺序重新配置放大器和开关控制装57以便使功率放大器50提供中等强度的幅射输出功率电平。如果可从串接的放大器级51和52获得所希望的放大电平，那未可选择将放大器和开关控制装置57打开这些放大器级，且为功率放大器50的这第二种连接方式配置开关。典型地，在放大器级52中可用的中间放大有三种。对于这第二种连接方式而言，放大器级51保持在接通状态上，其输出通过开关54的A端连到放大器级52的输入。放大器级52通过开关55的B端以及开关56在其B端上连接放大器级52的输出将其输出接到输出线59上。在这种连接方式中，不仅放大器级53没用于放大信号，而且该放大器级也未被提供工作电源，放大的电平仅是由放大器级51和52提供的。当放大器级53转到关断时，漏极是被无效的，否则的话漏极应和电池连通。可由放大器级52得到的三种中间放大电平(14-22dBm)的功率放大器50的输出功率在图7中示出。

为了保持与基站10的合适的通信，需要从便携式设备20得到比放大器级51和52串连安排所得到的可用功率还要大时，则可由信号强度监视电路可实现功率放大器50的第三种连接方式。在第三种连接方式中，开关54，55和56被重新配置以便于工作。当放大器级53被使用且作为串接安排的放大器级51，52和53的最后放大器，则从功率放大器50有二种高功率电平可用，具体由放大器和开关控制装置57选定。对于这第三种连接方式，开关54和55分别将来自放大器51和52的信号连接到它们的A端。开关56也安排将其呈现在A端的信号连接到输出线59。可由放大器级53的输出得到二种高功率电平(26-30dBm)的功率放大器50的输出功率在图7中示出。

虽然已经示出并介绍了一个三级功率放大器，人们能够理解，只有两级放大的功率放大器或有三个放大级以上的功率放大器是可能的，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下予以实现。例如，增加功率放大器的放大器级数，就可以达到在低功率电平时总的放大器效率增加以及使相邻功率电平之间的效率一致的目的。还有，通过改变加到放大器各级的功率，也可以使串接方式使用时放大电平之间效率的一致性获得改善。

下面参照图8，图中示出一流程图，它示出执行图5所示的可配置放大器50的功率电平转换中放大器和开关控制装置57的工作流程。由放大器和开关控制装置57所提供的功能由包含在此装置中的存贮器所存贮的过程或程序来决定。

过程进入判决81，对便携式设备是否作了初始化进行判决。当便携式设备第一次打开，或者因某种原因需要初始化时，对该便携式设备进行初始化。然后过程直接进到判决84。如果便携式设备已初始化了，则进入步骤82，在该步骤选择N个功率电平中初始的一个。此选定的功率电平作为缺省的功率电平。选定这种功率电平主要是为了提供可在便携式设备中方便地设置得到的最高功率电平。最高功率电平的选择是为了保证便携式设备和基站之间能够建立起最初的通信。但其它的功率电平如果需要也可以作为缺省的功率电平来选择。

过程从步骤82进到步骤83，在该步骤中每级放大器都按照要求都转到接通(ON)或关断(OFF)状态。与放大器相关连的各个开关也有选择地将射频信号接至各个放大器以达到所希望的信号放大电平。

一旦放大器和开关都安排就绪并且建立了通信。则在判决84中由过程完成测试，用以确定所建立的通信在所选定的功率电平上是否可接受所建立的通信。此测试包括确定在低功率电平时是否能保持合适的通信，或者确定在较高的功率电平时是否能保持合适的通信，(这后一种情况是在选择了低功率电平后执行此过程期间出现的)。如果在所选择的功率电平上的通信是可接受的，则执行此过程。如果在所选择的功率电平上的通信是不可接受的，则过程进入步骤85。

在步骤85，确定合适的新的功率电平，在该电平下将提供令人满意的效率，节省功率且仍可在便携式设备和基站之间提供可靠工作的通信链路。从步骤85，过程进入步骤87，在该步骤中，放大器和开关控制装置57选择新的功率电平。从步骤87，过程进入步骤88，在该步骤中放大器和开关控制装置57为新选择的功率电平重新配置放大器和开关。步骤88之后过程退出。此功率电平转换过程被周期性的执行，例如60秒执行一次，以保证便携式设备20所幅射的输出功率在现有的接收信号电平条件可调整到其最佳值，以达到令人满意的效率和节省此便携式设备的功率。

本发明的各种其它的修正都已虑及且都可明显地归属到已有技术之中而不脱离本发明的精神和范畴，例如，在本发明实施例所示出和介绍的便携式设备与通信系统中另一个位于远端的便携式设备进行通信是可行的，即在该系统中两个这样的便携式设备被安排互相进行通信。很明显，在不脱离本发明此后的权利要求所规定的精神和范围的前提下，不受文中实施例的限制，可以实现本发明。

Claims (20)

1.一种适用于便携式设备的可配置的功率放大器，该放大器包括：

功率放大装置，用于放大所述的便携式设备传输的信号，所述的功率放大装置包括多个放大器级，用于将所述的信号放大到多个可选功率电平之一；和

控制装置，用于配置所述的功率放大装置，所述的控制装置可选择地启动该放大器的一级或多级，以便将所述的信号放大到多个可选功率电平之一。

2.根据权利要求1的可配置功率放大器，其中所述的控制装置包括在放大所述信号时未使用的多个放大器的各个级的装置，该取消装置将被取消的放大器各级关断，以使得被取消的放大器各级基本上不消耗工作功率。

3.根据权利要求2的可配置功率放大器，进一步包括转换装置，用于将所述的信号输送到启动的放大器各级以便将所述信号放大到多个可选功率电平的所述电平上。

4.根据权利要求3的可配置功率放大器，其中所述的转换装置包括将所述信号从启动的放大器级输送到该便携式设备进行发送的天线的装置。

5.根据权利要求3的可配置功率放大器，其中所述的多级放大器都以串接方式连接。

6.根据权利要求5的可配置功率放大器，进一步包括将所述的多级放大器按所述的串接方式启动的装置，按照所述的串接方式多级放大器中的放大器第一级首先被启动，多级放大器中的放大器最后一级最后被启动。

7.根据权利要求6的可配置功率放大器，其中所述的将所述放大器的多级按所述串接方式启动的装置进一步包括将放大器的中间级(一级或多级)启动的装置，所述的放大器的中间级位于多级放大器中的第一级和最后一级之间，放大器的第一中间级邻接被启动的放大器第一级且在第一级之后，放大器的第二中间级邻接被启动放大器的最后一级，位于放大器的第一中间级之后和放大器的最后一级之前。

8.根据权利要求3的可配置功率放大器，其中所述的控制装置包括可选择地启动多级放大器的其中每一级的装置以在各级放大器中获得多个可选功率电平的多个电平。

9.根据权利要求8的可配置功率放大器，其中所述的多级放大器包括三个放大器级。

10.根据权利要求8的可配置功率放大器，其中所述的在所述多个放大器级中的每级放大器都是一个晶体管放大器。

11.根据权利要求10的可配置功率放大器，其中所述的晶体管放大器的每个放大器都是一个场效应晶体管。

12.一种配置适用于便携式设备的功率放大器的方法，该方法包括以下步骤：

在多级放大器中将供所述的便携式设备传送的信号放大，所述的信号可放大到多个可选功率电平的每个电平上；和

有选择地启动该放大器的一级或多级，以便将所述信号放大到多个可选功率电平的其中一个电平上。

13.根据权利要求12配置功率放大器的方法，进一步包括在放大所述信号时取消没有使用的多级放大器的每一级的步骤，该取消步骤关断每个被取消放大器级，以使得放大器被取消的各级基本上不消耗工作功率。

14.根据权利要求13配置功率放大器的方法，进一步包括将所述信号转换到被启动的放大器级的步骤，用于将所述信号放大到多个可选功率电平的所述一个电平上。

15.根据权利要求14配置功率放大器的方法，其中所述转换步骤包括将所述信号从被启动的放大器输送到一个天线的步骤，以便传输到所述的远端站。

16.根据权利要求14配置功率放大器的方法，其中所述多级放大器都以串接方式连接。

17.根据权利要求16配置功率放大器的方法，进一步包括将所述多级放大器按所述串接方式启动的步骤，按照所述串接方式多个放大器级中的第一级被首先启动，在多级放大器中的最后一级被最后启动。

18.根据权利要求17配置功率放大器的方法，其中所述的按照所述串接方式启动用所述多个放大器级的启动步骤进一步包括将放大器的中间级(一级或多级)启动的步骤，所述的放大器的中间级位于多级放大器级中第一放大器级和最后一级之间，放大器的第一中间级邻接被启动的第一放大器组且在第一放大器级之后，放大器的第二中间级邻接被启动最后放大器级，且位于第一中间放大器级之后和最后放大器级之前。

19.根据权利要求14配置功率放大器的方法，其中所述配置步骤包括可选择地启动多级放大器多级的其中每一级的步骤，以在每个放大器级中获得多个可选功率电平的多个电平。

20.根据权利要求19配置功率放大器的方法，其中所述多级放大器包括三个放大器级。

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