CN1157848C - 用于运行高频功放的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

通过调节放大器的至少一个工作参数或至少一个有效元件,用近似线性的特性曲线来运行尤其是移动无线发射末级的高频功率放大器(100;200)的方法,其中,根据放大器输出信号的谐波功率与有用信号功率之比来控制有效元件或者放大器级的最小集电极电流或漏极电流以及高频功率放大器的输入信号电平。

Description

用于运行高频功放的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行特别是移动无线发射末级的高频功放的方法以及用于实施该方法的装置。
背景技术
移动语音和数据通信是一个具有较大经济前景的且发展极其迅速的技术领域。实现该前景的先决条件是不断地改善利用可用的频率资源以及开发一些可能性来以必要的可靠性传输越来越大的数据量。
在必须考虑该要求的新标准的制订中,规定使用具有非恒定包络线的调制方法-不同于譬如现有的GSM标准-,也即比如使用相位及振幅的组合调制方法。从而,在决定了将来不久的移动技术的UMTS(通用移动电信系统)标准的范围内,规定采用QPSK(正交相移键控)调制来作为这种调制方法的例子。
比如在移动无线终端设备的发射末级中,如此进行调制的高频信号的放大必须没有失真且具有较高的精确度,也即,不会由于放大器特性曲线的非线性而产生振幅失真,以及没有相位失真,其中相位失真是由于“调幅至调相的变换”而引起的。在诸如前述UMTS标准等将来移动无线标准中所定义的数字调制方法同样对取决于失真的误码非常敏感。从而在该系统标准及规范中包含有关于允许振幅和相位误差以及允许相邻信道功率(ACP-相邻信道功率)的严格规定。
可以仅仅借助线性运行的发射放大器或通过采用辅助校正电路来使传输特性曲线线性化来遵守规范中所确定的误差界限和相邻信道功率。A类放大器线性运行的前提条件是,放大器的1dB输出压缩点明显位于输出信号最大功率级的上方。在设计所有放大器级和偏置电流时要注意该要求。在用于提供最大输出功率的放大器的设计中,在小功率情况下将会产生不必要的大电流消耗。放大器的效率从而随输出功率级的下降而很快地下降。这对于用户来说意味着大大增加损耗这个缺点,原因是这会带来不必要的大电流消耗,从而对于移动无线终端设备的蓄电池来说会相对缩短放电周期。这在将来符合UMTS标准的设备中尤其重要,原因是在这些设备中,发射器以所谓的全双工运行方式连续运行。
在用于使非线性放大器装置的传输特性曲线(本身具有的)线性化的辅助措施方面,比如已公开了一种对调制信号进行预校正的方法,借助该预校正对原来放大器的非线性传输特性曲线进行逆向模拟,使得放大器的实际传输特性曲线与调制信号的逆向模拟振幅特性相叠加,并由此共同生成近似线性的传输函数。然而也象类似种类的其它措施一样,该措施在电子实现方面相对耗费较大,并且只能使整个传输特性曲线的实际线性达到一定的程度。
在本申请人的实践中还公开了以放大器特性曲线的线性化为目标,把单个晶体管级的电流消耗与同期望输出功率有关的理论值相比较,并且根据比较结果对晶体管工作点进行跟踪。
为了降低发射放大器的放大器特性曲线非线性的所不期望的副效应(也即由于交叉调制效应而扩展了发射频谱-主要是第三级),另外还公知:通过比较输入和输出信号,并且通过对振幅和相位进行合适地调节,在比较器的输出上把交叉调制结果作为错误信号从整个信号中分离出来。为了获得交叉调制的负反馈,然后则可以把所获得的错误信号通过合适的耦合元件送到要线性化的放大器的输出上(或者在其输出上实现正反馈)。然而这是一种辅助措施,仅仅可以减少所提及的非线性作用。
发明内容
由此,本发明的任务在于,提供一种用近似线性的特性曲线来运行高频功率放大器的有效方法以及一种相应的电路装置,其中该装置能够以合适的费用来实现。
根据本发明的通过调节放大器的至少一个工作参数或至少一个有效元件,用近似线性的特性曲线来运行尤其是移动无线发射末级的高频功率放大器的方法,其特征在于:根据放大器输出信号的谐波功率与有用信号功率之比,通过偏置调节回路来控制所述高频功率放大器的有效元件或者放大器级的最小集电极电流或漏极电流,以及通过功率调节回路控制所述高频功率放大器的输入信号电平。
根据本发明的高频功率放大器装置,尤其是具有近似线性特线曲线的移动无线发射末级,其特征在于:用于分别根据放大器输出信号的谐波功率与有用信号功率之比来对所述高频功率放大器装置的至少一个有效元件或放大器级的最小集电极电流或漏极电流进行调节的偏置调节装置,和对输入信号电平进行调节的输入信号电平调节装置。
一方面,本发明包括如下基本思想,即把晶体管及高频功率放大器级的集电极电流或漏极电流调节到最小值,其中该最小值保证满足合适的线性要求。另外还包括如下思想,即通过输入信号电平的变化来控制输出信号电平。本发明还有最后一种基本想法,就是把输出信号的谐波功率和有用信号功率之比作为分析准则而被考虑进来。
遵照前述原则,可以与需提供的输出功率无关地始终使高频功率放大器保持一种高效优化的工作点。由此可以明显减少在较小调制时的电流消耗,并从而比如为移动电话的蓄电池明显延长放电周期时间。
在前述解决方案的一种优选实施方案中,输入信号电平的控制是借助一种调节回路以“经典的”功率控制来实施的。
在另一有利的实施方案中,输入信号电平的控制是通过由一种特殊的控制单元对以表格方式存储的分配规则进行访问来实施的,其中该规则是指增益值或输出信号电平值与输入信号电平值之间的分配规则。这种实现方式是以现有的相应存储器装置和处理装置为前提的,但是在由微处理器控制的设备中(比如移动电话)就能够毫无问题地实现。
在一种特殊的改进方案中,也可以根据控制信号来进行所提及的输入信号电平的控制,其中该控制信号是从外部输入到发射设备的-比如在按照UMTS标准的“下行链路闭环功率控制”的范围内,其中,由基站定期地给移动电话传输发射功率电平的调节指令(以一个确定值或因数升高或下降)。
输入信号电平的变化过程尤其可以作为前联在放大器输入上的衰减元件的衰减变化来运行。
为了进行偏置调节以及集电极/漏极调节,以有利的方式使用了一种与前述功率调节回路相分离的调节回路。
附图说明
另外,本发明的优点及实用性可根据借助附图对下述优选实施例的说明来获得。其中:
图1以功能框图的形式示出了用于解释本发明第一实施方案的图示,以及
图2以功能框图的形式示出了用于解释本发明第二实施方案的图示。
具体实施方式
图1示出了按照第一实施例的发射放大器装置100,其核心为高频功率放大器101,该放大器鉴于发射信号ST的QPSK调制而必须满足高线性要求。
在高频功率放大器101之前联接了可控衰减元件103,其中该衰减元件为了调节高频功率放大器101的输入信号电平而通过功率调节回路105来进行控制。高频功率放大器101后面联接了定向耦合器107,其中该耦合器把放大器输出功率的一部分耦合输出到至天线ANT的信号路径上去,并且传输至另外的可控衰减元件109。其衰减是通过控制单元111来调节的,其中该控制单元将在下面进行详细解释。在通过衰减元件109之后,放大器输出信号的耦合输出部分到达节点113,其中该节点构成前述功率调节回路105与偏置调节回路115之间的分支点。
在功率调节回路105中,节点113之后(可选地)设置了低通滤波器117和线性小信号放大器119。小信号放大器或者线性放大器119的输出上联接了功率检测器121,该功率检测器的输出与用作调节放大器的运放123的反相输入相联接。与运放123的正相输入相联接的是温度补偿元件125,其中该补偿元件的输入与参考电压源127相联接。运放123的输出信号构成了用于调节衰减元件103的可变衰减的控制信号。
在偏置调节回路115中,接点113之后联接了高通滤波器129和线性信号放大器131,该线性放大器的输出与功率检测器133相联接。其输出与运放(调节放大器)135的反相输入相联接,该运放的正相输入与另外的温度补偿元件137相联接。该元件137从控制单元111获取偏置补偿电压,其中该偏置补偿电压(类似于为可变衰减元件109获取控制信号)从控制单元111内存储的表格式分配中导出,该分配是指位于偏置补偿值(或者用于调节衰减元件的衰减值)与要调节的输出信号电平之间的分配。
由于功率调节,在节点113上出现了具有恒定有用功率电平的信号(除了由于输出信号调幅而引起的包络线波动之外)。由接下来滤波器129中的高通滤波而获得的信号谐波功率在线性放大之后进行功率测定,其结果中包含了实际电压值,该值与控制单元111中所生成的理论电压值进行比较。通过从比较结果所获得的控制信号(调节放大器135的输出信号)来如此地调节高频功率放大器101的工作点,使得该放大器以足够线性特性曲线运行。
通过控制单元111可以调节静态电流(或者集电极电流或漏极电流),该电流也可以在高频功率放大器小调制的情况下而不降低。在附图所示的实施例中,在调节回路中使用了控制量“偏置补偿”,而在可选实施例中,该控制量也可以直接传输至功率放大器。在设计偏置调节回路时必须注意有满足系统要求的带宽。
谐波功率与有用信号功率的比值(该值直接表征了高频功率放大器101的线性)通过调节回路105并动态地根据各自调节的输出功率来与系统规范中所给定的要求相匹配。
图2中示出了一种变型实施方案的发射放大器装置200,该装置能够与功率调节无关地进行末级偏置调节。这里高频功率放大器201再次被供给了QPSK调制的发射信号ST,并且放大的输出信号被传输至双工器203,在至天线ANT的信号路径中,该双工器之后联接了定向耦合器205。双工器203在这里被用作输出信号的谐波滤波器,并且能够针对远远高于有用频率的频率而与放大器输出的恒定阻抗相匹配,而且与双工器的第二输出端上的终端电阻无关。
双工器203通过所述的第二输出端并经过高通滤波器207与线性放大器209的输入相联接,该放大器的输出信号传输至功率检测器211,由该检测器测定高频功率放大器201的输出信号的谐波功率部分。功率检测器211的输出信号被传输至运放213(调节放大器)的正相输入上,而该运放的输出信号构成了用于控制高频功率放大器201的控制信号。
最初通过定向耦合器205而分支出的被谐波衰减的有用信号成分被传输至运放213的反相输入上,该信号成分通过衰减元件215到达第二功率检测器217,其中由该功率检测器测定高频放大器201的总输出信号的有用功率部分。功率检测器217后面联接了加法器219,其中用于匹配谐波间隔的补偿电压U补偿(比如通过再次查取分配表)可以传输至该加法器。
谐波功率与有用功率的比值在前述情况中是用作放大器调节的评价准则,而在该装置中它是通过元件链“双工器203-定向耦合器205-衰减元件215-功率检测器217(有用信号功率)”与元件链“双工器203-高通207-线性放大器209-功率检测器211(谐波功率)”的增益之比来确定的。
在根据图2而改变的实施方案中,放弃了加法器219,而代替它的是把衰减元件215作为可控衰减元件来实施,其中该元件的衰减可以通过控制电压(根据U补偿)来改变。在此,功率检测器211、217持续地在相同的直流和高频工作点下运行。
另外,本发明的实施方案也不局限于前述的例子,而且还可以适合于专业处理的范围内的很多变型。

Claims (12)

1.通过调节放大器的至少一个工作参数或至少一个有效元件,用近似线性的特性曲线来运行尤其是移动无线发射末级的高频功率放大器(100;200)的方法,
其特征在于:
根据放大器输出信号的谐波功率与有用信号功率之比,通过偏置调节回路(115)来控制所述高频功率放大器的有效元件或者放大器级的最小集电极电流或漏极电流,以及通过功率调节回路(105)控制所述高频功率放大器的输入信号电平。
2.如权利要求1所述的方法,
其特征在于:
输入信号电平(ST)的控制是以功率调节的形式借助调节回路(105)来实施的。
3.如权利要求1所述的方法,
其特征在于:
输入信号电平的控制是通过对一种尤其以查询表方式存储的分配规则进行访问而由一种输入电平控制单元来实施的,其中该分配规则是指增益值或者输出信号电平值与输入信号电平值之间的分配规则。
4.如权利要求3所述的方法,
其特征在于:
输入电平控制单元是根据由外部传送来的增益值或输出信号电平值或者放大变化指令或输出信号变化指令来工作的。
5.如前述权利要求之一所述的方法,
其特征在于:
为了对输入信号电平进行控制,对前联的衰减元件(103)的衰减和/或前联的小信号放大器的增益进行变化。
6.高频功率放大器装置(100;200),尤其是具有近似线性特线曲线的移动无线发射末级,
其特征在于:
用于分别根据放大器输出信号的谐波功率与有用信号功率之比来对所述高频功率放大器装置的至少一个有效元件或放大器级的最小集电极电流或漏极电流进行调节的偏置调节装置(115;205至217)和
对输入信号电平进行调节的输入信号电平调节装置。
7.如权利要求6所述的高频功率放大器装置,
其特征在于:
偏置调节装置包括偏置调节回路(115),并且输入信号电平调节装置包括与偏置调节回路基本分开的功率调节回路(105)。
8.如权利要求6所述的高频功率放大器装置,
其特征在于:
输入信号电平调节装置具有一种包含存储单元的输入信号电平控制单元(111),在该存储单元中尤其以查询表的形式存储了一种分配规则,该规则是指增益值或者输出信号电平值与输入信号电平值之间的分配规则。
9.如权利要求6所述的高频功率放大器装置,
其特征在于:
输入信号电平调节装置具有可控的衰减元件(103)或者可控的线性小信号放大器。
10.如权利要求6至9之一所述的高频功率放大器装置,
其特征在于:
偏置调节装置具有高通滤波器(129;207)和至少间接联接在该滤波器后面的第一功率检测器(133;211),并且输入信号电平调节装置具有低通滤波器(117)和至少间接联接在该滤波器后面的第二功率检测器(121)。
11.如权利要求6至9之一所述的高频功率放大器装置,
其特征在于:
偏置调节装置(115)和输入信号电平调节装置(105)均具有温度补偿元件(125、137)。
12.如权利要求6至9之一所述的高频功率放大器装置,
其特征在于:偏置调节装置(115)和/或输入信号电平调节装置(105)具有参考值提供装置(111、127)以及通过输入端与该参考值提供装置相联接的比较器装置或减法器装置(123、135)。
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