CN1324147A - 发射机/接收机链阻抗最佳化 - Google Patents

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Abstract

一种射频(RF)放大器电路包括RF放大器,具有接收RF信号的输入端和输出放大的RF信号到负载的输出端。具有可控制阻抗的滤波器元件,耦合到RF放大器的输出端。滤波器元件与RF放大器分隔开,并具有接收放大的RF信号的输入端,输出滤波RF信号到负载的输出端,和接收控制信号的控制端。还揭示了一种接收链,包括RF信号源,具有输出端,在第一运行模式下耦合到第一RF电路的输入端,在第二运行模式下耦合到第二RF电路的输入端。

Description

发射机/接收机链阻抗最佳化
本发明一般涉及无线电话，具体地，涉及具有要求以不同的功率电平运行的发射机或接收机的无线电话或移动台。
在移动台使用期间，重要的考虑是功率放大器效率。对于固定的功率放大器的电源，输出概率由工作负载线确定。然而，功率放大器当在某个预定的峰值输出功率工作点以下的输出功率电平运行时，效率将降低。
另外，在某些接收机电路应用中，希望改变输入/输出阻抗。例如，移动台可包括能够双模式运行的集成电路，其中并行的模拟和数字放大器与混频器在不同的运行模式下被接通和关断。在许多情形下，这种类型的运行需要不同的输入/输出阻抗来使得接收机增益和灵敏度性能最佳化。
对于我们提出的这种的问题的解决办法是在1994年1月4日发布的、授权给Siwiak等的、题目为“Radio Frequency PowerAmplifier Having Variable Output Power(具有可变输出功率的射频功率放大器)”的美国专利No.5,276,912中给出的。在这个方法中，将RF放大器构建成为包括可控制的阻抗变换网络。该变换网络用来把放大器负载阻抗变换到放大器输出端处的变换阻抗。就是说，结果，当输出信号的功率电平改变时，RF放大器的效率没有太大恶化。
另一个方法是在1996年7月30日发布的、授权给Stengel等的、题目为“Multi-Mode Power Amplifier(多模式功率放大器)”的美国专利No.5,541,554中提出的，其中功率放大器输出电路具有至少两条并行地耦合到放大器的输入端口的放大增益路径。输出端在公共节点处被组合，以及在输出节点与在至少一个增益路径中的有源放大元件之间提供了阻抗变换网络。提供了用于把特定的增益路径切换到放大器以外的装置。
这些方法具有共同的缺点，它们需要把放大器效率改进电路插入到RF功率放大器的设计中，而且需要把附加的元件加到放大器电路。另一个缺点是很差的阻抗匹配，以及在RF功率放大器的输出端与输出部件(诸如双工器、滤波器或收发(T/R)开关)之间会存在反射。如果严重的话，阻抗失配和反射会损坏放大器，或当工作在不同的过渡模式时(例如，线性/非线性，线性/更线性)，至少恶化它的效率。
本发明的第一目的和优点是提供增强RF功率放大器的效率的改进的技术，特别是当它工作在较低的输出功率电平时。
本发明的另一个目的和优点是通过提供与RF放大器分开的、和被耦合到它的输出端的可调谐的或可切换的滤波器元件，而提供增强RF功率放大器的效率的改进技术，由此，控制滤波器元件的阻抗，以使得RF放大器的效率最佳化。
本发明的另一个目的和优点是通过提供被插入到与RF放大器分开的、和被耦合到它的输出端的双工滤波器、独立的滤波器或T/R开关的可调谐的或可切换的滤波器元件，来改进RF功率放大器的效率。
本发明的再一个目的和优点是通过提供滤波器作为被插入到双工滤波器、独立的滤波器的诸如低通滤波器，或T/R开关的可调谐的或可切换的滤波器元件，来减小在RF放大器的输出端与分开的滤波器之间的阻抗失配和反射。
本发明的再一个目的和优点是，当存在并行切换的具有不同的输入/输出阻抗的RF块时，减小在两个(或多个)运行模式下的接收链中RF放大器/混频器的输入端和/或输出端之间的阻抗失配和反射。
发明概要
通过按照本发明的教导构建和运行的移动台，克服上述的和其它的问题并实现本发明的目的和优点。
本发明提出了较低的成本、较低的元件数的RF发射机或接收机，通过提供与RF放大器分开的、和被耦合到它的输出端的可调谐的或可切换的滤波器元件，而给出具有改进的效率的RF放大器。控制滤波器元件的阻抗，以使得RF放大器的效率最佳化，特别是当工作在比最大设计的输出功率电平更低的输出功率电平时。最好将控制的阻抗滤波器元件做成为插入到与RF放大器分开的、和被耦合到它的输出端的双工滤波器、独立的滤波器(诸如低通滤波器)，或T/R开关模块的可调谐的或可切换的滤波器元件。这些教导也用来减小在RF放大器的输出端与分开的、可调谐的或可切换的滤波器元件之间的阻抗失配和反射。
射频(RF)放大器电路因此被揭示为使得RF放大器具有用于接收要被放大的RF信号的输入端和用于输出放大的RF信号到负载的输出端，以及提供了具有可控制的阻抗的滤波器元件，被耦合到在输出端与负载之间的RF放大器的输出端。滤波器元件与RF放大器分隔开，它具有用于接收放大的RF信号的输入端口，用于输出滤波RF信号到负载的输出端口，和用于接收控制信号的控制端口。滤波器元件响应于控制信号，以设置滤波器元件的阻抗。控制滤波器元件的阻抗，以便当RF放大器工作在不同于最大设计输出功率电平的功率电平时，提高它的效率。
具有可控阻抗的滤波器元件可形成双工器、独立滤波器，或收/发(T/R)开关模块的一部分。
在一个实施例中，具有可控制阻抗的滤波器元件包括多个分立的滤波器元件，每个具有特性阻抗，并包括切换网络，响应控制信号，用于选择地耦合和去耦合在输入端口与输出端口之间的多个分立的滤波器元件的各个滤波器元件。
在另一个实施例中，具有可控制阻抗的滤波器元件包括多个分立的滤波器元件，每个具有特性阻抗，和带线匹配元件，通过响应控制信号的开关，将其选择地电耦合和去耦合到分立的滤波器元件上。当该带线匹配元件没有被电耦合到分立的滤波器元件时，其特性阻抗不同于当带线匹配元件被电耦合到分立的滤波器元件时由分立的滤波器元件得到的阻抗。
也揭示了一种接收链，包括RF信号源，具有输出端，通过可切换的阻抗装置，在第一运行模式下被耦合到第一RF电路的输入端，以及在第二运行模式下被耦合到第二RF电路的输入端。该可切换阻抗装置当工作在所述第一运行模式时提供第一阻抗，而当工作在所述第二运行模式时提供第二、不同的阻抗，由此减小了阻抗失配和反射。
在一个实施例中，第一RF电路包括第一RF放大器电路，第二RF电路包括第二RF放大器电路，其中第一RF放大器电路的输入阻抗不同于第二RF放大器电路的输入阻抗。在这种情况下，第一RF放大器电路的输入阻抗近似等于第一阻抗，而第二RF放大器电路的输入阻抗近似等于第二阻抗。
在另一个实施例中，RF信号源可包括RF放大器，第一RF电路包括第一RF混频器电路，第二RF电路包括第二RF混频器电路。在这种情况下，第一RF混频器电路的输入阻抗可以近似等于第一阻抗，而第二RF混频器电路的输入阻抗可以近似等于第二阻抗。
                 附图简述
当结合附图阅读以下的本发明的详细说明时可以更好地了解本发明的上述的和其它的特性，其中：
图1是按照这里教导的控制的阻抗滤波器元件的方框图；
图2显示图1的控制的阻抗滤波器元件的结构；
图3显示当被实施在T/R开关模块时的控制的阻抗滤波器元件的
实施例；以及
图4A和4B显示在接收链运行中，切换的阻抗滤波器的使用。
发明详细描述
现在参照图1，说明按照本发明的教导的、示例性控制的阻抗滤波器元件的电路图。滤波器元件10可被看作为三端装置，其中第一端口10A是用于接收来自RF放大器12的输出信号的输入端口，第二端口10B是用于提供滤波RF信号到负载(诸如天线14)的输出端口，以及第三端口10C是用于接收来自控制器16的控制信号(Zcontrol)的阻抗控制端口。控制器16可以是无线电话的控制微处理器，诸如蜂窝电话或个人通信器。假定控制器16也控制，或至少知道，加到RF放大器12的输入信号(RFin)的电平，因此随之在控制输入端10C处设置控制信号。在这些教导中，假定RF放大器12以几乎恒定的电源电压(V+)运行，因此当输入驱动信号RFin的减小造成工作点改变为远离最佳的最大值设计工作点时，放大器的效率降低。
可以清楚地看到，控制的阻抗滤波器元件10可以是被插入在RF放大器12的输出端与负载之间的独立的滤波器，或它可以是双工滤波器的一半(即，发射的一半)。可以看到，控制的阻抗滤波器元件10与RF放大器12分隔开，以及被耦合在任何的阻抗变换网络的后面，它可被包括在RF放大器12内，正如以上的提到的现有技术实施方案中讨论的。也就是，增强RF功率放大器12的效率的功能放在负载端，诸如在双工滤波器中，而不是在功率放大器12本身。
图2显示图1的滤波器10的结构的一个实施例。提供了两个高通滤波器11A和11B，每个分别具有选择的阻抗Z1和Z2。用开关S1和S2实行在滤波器11A和11B之间的选择，该开关是由Zcontrol的状态控制的。例如，当Zcontrol是低时，S1和S2是在所显示的位置，以及在输入端10A与输出端10B之间连接滤波器11B，而当Zcontrol是高时，S1和S2是在所显示的相反的位置，以及在输入端10A与输出端10B之间连接滤波器11A。实际上，开关S1和S2可以是机械开关，晶体管开关，PIN二极管开关等等。
在图1所示的情形下，RF放大器12的输出端看到的阻抗在Z1和Z2之间变动，因此RF放大器12的效率可被增强和改进。例如，当以高的驱动信号运行时，例如，用把放大器12驱动到或接近于它的最大效率点的驱动信号，则Z1可被控制器16切换进去，而当以减小的驱动信号运行时，例如，用把放大器12驱动到大约它的最大效率点的一半的驱动信号，则Z2可被控制器16切换进去。Z1和Z2的适当的阻抗值当然是应用项特定的。各种滤波器可以是低通、带通、高通、或任何想要的和适当的类型。
最好，在Z1和Z2之间切换的门限值与蜂窝电话或个人通信器的最大功率电平有关。在大多数优选实施例中，最高的和次最高的功率电平采用Z1，而其余(较低的)功率电平采用Z2。
应当指出，阻抗值也可以作为调制类型的函数而改变，诸如当在双模式(或更高模式)电话中应用时，诸如GSM/EDGE电话，TDMA/EDGE电话，GSM/CDMA电话等等。
图3显示本发明的一个实施例，其中T/R开关模块20具有附加输出端，用于把接收的RF信号提供开关S4路由到接收机22的输入端。按照本发明的教导，T/R开关模块20包括滤波器11C，具有在Z1和Z2之间的可调谐的阻抗。在这种情况下，调谐是通过使用带线匹配元件24完成的，该带线匹配元件由开关S3在Zcontrol的控制下被选择地插入或去除。例如，当工作在1900MHz时，带线匹配元件24具有约10欧姆的阻抗，以及滤波器阻抗Z1被调谐在大约50欧姆与大约10欧姆之间。
应当看到，这里看到的教导通过提供与RF放大器12分开的、和在负载处被耦合到放大器12的输出端的、可调谐的或可切换的滤波器元件10，而提供了较低成本的、较少元件数的、具有改进的效率的RF放大器12的RF发射机。滤波器元件10的阻抗被控制或被切换成以使得RF放大器12的效率最佳化，特别是当工作在比最大设计输出功率电平更低的输出功率电平时。控制的阻抗滤波器元件10优选地被实现为被插入到与RF放大器12分开的、和被耦合到它的输出端的双工滤波器、独立的滤波器或T/R开关20的一个或多个可调谐的或可切换的滤波器元件。这里地教导也用来减小在RF放大器12的输出端与到分开的可调谐的或可切换的滤波器元件10的输入端之间的阻抗失配和反射，由此进一步提高RF放大器12的效率。
可将本发明的教导可应用于单频带，双频带，三频带(和更高的)无线电话，并且对于需要选择地运行在不同的类别的、以及具有不同的输出功率电平的RF放大器也可以是有效的。本发明的教导可被应用于TDMA无线电话，CDMA无线电话，模拟(FM)无线电话，以及可被应用于能够以两种或多种这些接入方法运行的无线电话。
图4A显示当运行在接收链时本发明的可应用性。控制的阻抗滤波器元件10具有输出端，被耦合到包含模式1放大器30A和模式2放大器30B的集成电路(IC)30的输入端31。模式1放大器30A具有特性输入阻抗Z1，以及模式2放大器30B具有特性输入阻抗Z2。控制的阻抗滤波器元件10用来当运行在模式1时把Z1耦合到IC30的输入端31，由此与放大器30A的输入阻抗匹配，以及用来当运行在模式2时把Z2耦合到IC30的输入端31，由此与放大器30B的输入阻抗匹配。假定当运行在模式1时模式2放大器30B的输入端具有高阻抗，以便可忽略地加载到控制的阻抗滤波器元件10的输出端。
图4B显示其中控制的阻抗滤波器元件10的输出端被耦合到包含模拟模式混频器34A(例如，适用于AMPS运行的混频器)和数字模式混频器34B(例如，适用于GSM或CDMA运行的混频器)的双混频器电路34的输入端33。模式信号随之被设置，以使得放大器36输出端阻抗匹配到当前选择的混频器34A和34B的输入端。加到混频器34A和34B的本地振荡器(LO)信号的频率根据运行模式被适当的设置。
在该接收链中，这些混频器34A和34B可以是下变频器，而如果被应用于发送链中，混频器34A和34B可以是上变频器。
虽然在最佳实施例方面进行了描述，但应当看到，本领域技术人员可以对这些教导作出多种修改。例如，本发明的教导不是只限于上述的特定的频率或阻抗值。而且，RF放大器12实际上可包括多个级联的增益元件，而不一定实施为如图1和3为简明起见所显示的单个放大器。
另外，虽然在Z1和Z2之间改变的可变阻抗滤波器元件方面描述了本发明，但安排控制信号输入端以使得可变阻抗滤波器元件在Z1,Z2和Z3，或Z1,Z2,Z3和Z4之间改变，或一般地在Z1与Zn之间改变，其中n是正整数，也属于本发明的范围。在这种情况下，ZC可以是具有各种电平的模拟信号，它们被滤波器10内的多电平门限比较器检测，或一个以上的信号线可以结合滤波器元件内的数字译码器一起被使用。例如，在后一种实施例中，如果ZC在三条信号线上被输送，则阻抗可被设置为8个不同的数值(23)。而且，应当看到，如图所示的可切换的带线匹配技术也可被使用于图2的实施例，以使得Z1和Z2用Z1和带线匹配元件24代替。
因此，虽然参照最佳实施例具体表示和描述了本发明，但本领域技术人员将会看到，其中可以在形式和细节方面作出改变，而不背离本发明的范围和精神。

Claims (18)

1．一种射频(RF)放大器电路，包括：
RF放大器，具有用于接收要被放大的RF信号的输入端和用于输出放大的RF信号到负载的输出端；以及
具有可控制的阻抗的滤波器元件，被耦合到在所述输出端与所述负载之间的所述RF放大器的所述输出端，所述滤波器元件与所述RF放大器分隔开，所述滤波器元件具有用于接收放大的RF信号的输入端口，用于输出滤波的RF信号到所述负载的输出端口，和用于接收控制信号的控制端口，所述滤波器元件响应于所述控制信号，随之设置所述滤波器元件的阻抗，所述滤波器元件的阻抗被控制，以便当所述RF放大器工作在不同于最大设计输出功率电平的输出功率电平时，提高所述RF放大器的效率。
2．如权利要求1的RF放大器电路，其中具有可控制的阻抗的所述滤波器元件包括双工器的一部分。
3．如权利要求1的RF放大器电路，其中具有可控制的阻抗的所述滤波器元件包括独立的滤波器的一部分。
4．如权利要求1的RF放大器电路，其中具有可控制的阻抗的所述滤波器元件包括收/发(T/R)开关模块的一部分。
5．如权利要求1的RF放大器电路，其中具有可控制的阻抗的所述滤波器元件包括多个分立的滤波器元件，每个具有特性阻抗，以及切换装置，响应于所述控制信号，用于选择地耦合和去耦合在所述输入端口与所述输出端口之间的所述多个分立的滤波器元件的各个滤波器元件。
6．如权利要求1的RF放大器电路，其中具有可控制的阻抗的所述滤波器元件包括具有特性阻抗的分立的滤波器元件，被耦合到所述分立的滤波器元件的带线匹配元件，和响应于控制信号的开关装置，用于选择地电耦合和去耦合所述带线匹配元件到所述分立的滤波器元件，其中当所述带线匹配元件没有被电耦合到所述分立的滤波器元件时，所述特性阻抗不同于当所述带线匹配元件被电耦合到所述分立的滤波器元件时由所述分立的滤波器元件得到的阻抗。
7．如权利要求1的RF放大器电路，其中所述RF放大器电路形成无线电话的一部分。
8．如权利要求1的RF放大器电路，其中所述RF放大器电路形成双模式或更高模式无线电话的一部分。
9．如权利要求1的RF放大器电路，其中所述RF放大器电路形成运行在不同的频段的无线电话的一部分。
10．如权利要求1的RF放大器电路，其中所述RF放大器电路形成其中需要所述RF放大器运行在不同的放大器类别的无线电话的一部分。
11．一种接收链，包括RF信号源，具有输出端，通过可切换的阻抗装置，在第一运行模式下被耦合到第一RF电路的输入端，以及在第二运行模式下被耦合到第二RF电路的输入端，所述可切换的阻抗装置当工作在所述第一运行模式时提供第一阻抗，以及当工作在所述第二运行模式时提供第二的、不同的阻抗。
12．如权利要求11的接收链，其中所述第一RF电路包括第一RF放大器电路和第二RF电路包括第二RF放大器电路，其中所述第一RF放大器电路的输入阻抗不同于所述第二RF放大器电路的输入阻抗。
13．如权利要求11的接收链，其中所述第一RF放大器电路的输入阻抗近似等于所述第一阻抗，以及所述第二RF放大器电路的输入阻抗近似等于所述第二阻抗。
14．如权利要求11的接收链，其中所述RF信号源包括RF放大器，其中所述第一RF电路包括第一RF混频器电路，以及其中所述第二RF电路包括第二RF混频器电路。
15．如权利要求14的接收链，其中所述第一RF混频器电路的输入阻抗近似等于所述第一阻抗，以及其中所述第二RF混频器电路的输入阻抗近似等于所述第二阻抗。
16．一种用于运行RF电路的方法，包括以下步骤：
提供RF信号源；以及
通过可切换的阻抗装置，把所述RF信号源的输出可切换地，在第一运行模式下，被耦合到第一RF电路的输入端，以及在第二运行模式下，被耦合到第二RF电路的输入端，可切换的阻抗装置当工作在第一运行模式时提供第一阻抗，以及当工作在第二运行模式时提供第二的、不同的阻抗。
17．一种用于运行RF放大器电路的方法，包括以下步骤：
提供RF信号放大器；以及
通过可切换的阻抗装置，把所述RF信号放大器源的输出可切换地耦合到负载，其中可切换的阻抗装置当用第一RF信号放大器输出功率电平运行时提供第一阻抗，以及当用第二RF信号放大器输出功率电平运行时提供第二的、不同的阻抗。
18．一种用于运行RF放大器电路的方法，包括以下步骤：
提供RF信号放大器；以及
通过可切换的阻抗装置，把所述RF信号放大器源的输出可切换地耦合到负载，其中可切换的阻抗装置当用第一种RF信号调制类型运行时提供第一阻抗，以及当用第二种RF信号调制类型运行时提供第二的、不同的阻抗。
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