CN1437793A - 提高在大的峰值对平均值比下工作的功率放大器的效率的改进方法及装置 - Google Patents

提高在大的峰值对平均值比下工作的功率放大器的效率的改进方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种用于改善在具有大的峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围的方法和装置。确定参考电平，在该电平以上，作为输入功率放大器的调制信号或者用来产生调制信号的基带波形的输入信号的至少一部分幅度被定义为过量输入信号。不断对输入信号的幅度进行采样，以便检测过量输入信号。如果未检测到过量输入信号，则将低电平工作电压提供给功率放大器。低电平工作电压足以有效地放大幅度低于参考电平的输入信号。当检测到过量输入信号时，将高电平工作电压提供给功率放大器。高电平工作电压足以有效地放大幅度高于参考电平的输入信号。

Description

提高在大的峰值对平均值比下工作的 功率放大器的效率的改进方法及装置
发明领域
本发明涉及功率放大器领域。更具体地说，本发明涉及一种方法及装置，用于提高在大的峰值对平均值比下工作的功率放大器的效率，而不需要对具有大峰值幅度的信号进行削波。
发明背景
如蜂窝系统之类的现代通信系统在其基站中采用功率放大器，以便与分布在各小区中的用户进行通信。需要这些功率放大器来放大射频(RF)信号、如需要同时发送多个信号的通信系统中所用的信号。例如，由于多个用户共享相同的频带，因此需要发送多个信号，如按照码分多址(CDMA)方式工作的蜂窝系统。另一种要求同时传输的通信方法采用例如称作“多音”的调制格式或者正交频分复用(OFDM)，在这种方式中，首先对来自单个用户的信号进行细分。各细分由多个交错副载波进行调制。然后将调制后的副载波加起来，从而产生大的峰值偏移。
需要同时放大具有大的峰值对平均值比的RF信号的传统RF放大器成本高而且效率较低(消耗很多DC功率)。这种效率低下的原因在于：功率放大器只在峰值出现期间、即瞬时功率输出较大时，才变得高效率。然而，在大部分时间，功率输出只是从直流(DC)电源中消耗的功率的一小部分，从而导致低效率。
为了降低平均功耗，通信系统的设计人员根据信号峰值的削波，使用传统技术来降低峰值对平均值比。Kim等人的“通过决策辅助的重构为ODFM保持噪声缓和”(IEEE Communications Letters，第3卷，1999年1月第1期)以及J.S.Kenney等人的“对多载波CDMA基站功率放大器的设计考虑”(Microwave Journal，1999年2月)描述了这类处理OFDM和多载波通信的技术。还要说明的是，削波极大地增加了系统所不希望的误码率，并且在某些情况下会引起部分频谱重新增长。针对减缓在提高削波量时误码率的增大进行了大量工作。
W.Liu等人的“关于在高效功率放大器中应用OFDM的考虑”(IEEE transactions on circuits and systems，第46卷，1999年11月第11期)论及OFDM的典型包络消除与重构(EER)。P.Asbeck等人的“下一代无线通信的装置及电路方法”(Microwave Journal，1999年2月)公开了OFDM的类似特征EER，其中包含了对多载波传输的各种修改。但是，所有上述引用都依赖于包络重构或增强所用的不断改变的电源，这在大带宽和大峰值对平均值比的情况下难以实现。此外，EER技术主要用于低频调制。
对于提高在大峰值对平均值比下工作的功率放大器的效率而不需要对具有大峰值幅度的信号进行削波的问题，上述所有方法仍未提供令人满意的解决方案。
本发明的一个目的是提供一种方法及装置，用于提高在大峰值对平均值比下工作的功率放大器的效率，而不需要对信号进行削波。
本发明的另一个目的是提供一种方法及装置，用于提高在大峰值对平均值比下工作的功率放大器的效率，同时消除不必要边带的频谱再生。
本发明的又一个目的是提供一种方法及装置，用于扩展在大峰值对平均值比下工作的功率放大器的动态范围。
通过以下描述，本发明的其它目的和优点会变得显而易见。
发明概述
本发明的目的在于一种用于改进在具有大峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围的方法。确定参考电平，在该电平以上，作为输入功率放大器的调制信号或者是用来产生调制信号的基带波形的输入信号的至少一部分幅度被定义为过量输入信号。不断地对输入信号的幅度进行抽样，以便检测过量输入信号。如果没有检测到过量输入信号，则将低电平工作电压提供给功率放大器。低电平工作电压足以有效地放大具有低于参考电平的幅度的输入信号。当检测到过量输入信号时，将高电平工作电压提供给功率放大器。高电平工作电压足以有效地放大具有高于参考电平的幅度的输入信号。
自动增益控制电路最好连接到功率放大器的输入端，以便在放大之前控制输入信号的幅度。当检测到过量输入信号时，对该过量输入信号进行抽样。根据过量输入信号的抽样值，通过控制自动增益控制电路的增益来补偿出现过量输入信号期间功率放大器增益的变化。
当未检测到过量输入信号时，工作电压的电平由低电压源提供给功率放大器，为该功率放大器供电；当检测到过量输入信号时，则由高电压源为该功率放大器供电。功率放大器的电压馈送触点trough第一可变阻抗连接到低电压源，并且可以trough第二可变阻抗连接到高电压源。当没有检测到过量输入信号时，可以同时将第一和第二可变阻抗分别控制在适当的低阻抗状态和最高阻抗状态。当检测到过量输入信号时，可以同时将第一和第二可变阻抗分别控制在最高阻抗状态以及适当的低阻抗状态。
最好是，当检测到过量输入信号时，利用另一个电压源把工作电压的电平提供给功率放大器，为该功率放大器供电。功率放大器的电压馈送触点trough可变阻抗连接到第一电压源，并trough电压放大器连接到另一个电压源。可变阻抗能够对DC呈现低电阻而对快速变化的脉冲呈现高阻抗。使可变阻抗在没有检测到过量输入信号时可以达到适当的低电阻，而在检测到过量输入信号时达到其高阻抗。当检测到过量输入信号时，使电压放大器能够将高于第一电压源的电压的电压电平提供给功率放大器的电压馈送触点。至少一个可变阻抗可以是电感器或二极管，或者可控阻抗、比如双极型晶体管或场效应晶体管(FET)。
最好是，将提供给功率放大器的工作电压电平归一化为过量输入信号的相应预定电平。对提供给功率放大器的工作电压电平进行抽样，并通过抽样电平与过量输入信号之间的比较而生成误差信号。误差信号用来操作负反馈环路，以便准确地控制提供给功率放大器的工作电压。
或者，将提供给功率放大器的工作电压电平归一化为功率放大器所放大的RF输出信号的相应预定电平。对功率放大器所放大的RF输出信号电平进行抽样，并通过抽样电平与过量输入信号之间的比较而生成误差信号。误差信号用来操作负反馈环路，以便准确地控制提供给功率放大器的工作电压。
根据本发明的另一方面，采用基带波形对提供给功率放大器的DC电压电平进行控制。基带信号源将基带波形输出到调制器中，调制器生成调制的输入信号，该信号被馈入功率放大器。确定一个参考电平，在这个电平以上，至少一部分基带波形被定义为过量基带信号。不断地对基带波形的幅度进行抽样，以便检测过量基带信号。如果没有检测到过量基带信号，则将低电平工作电压提供给功率放大器。低电平工作电压足以有效地放大采用低于参考电平的幅度的基带波形进行调制的输入信号。当检测到过量基带信号时，则将高电平工作电压提供给功率放大器。高电平工作电压足以有效地放大采用高于参考电平的幅度的基带波形进行调制的输入信号。
根据本发明的另一方面，所述功率放大器可以是多赫蒂配置的辅助放大电路，多赫蒂配置包括直接连接到负载的辅助放大器和通过多赫蒂耦合器连接到所述负载的主放大器。确定一个参考电平，在这个电平以上，作为输入所述功率放大器的调制信号或者用来产生调制信号的基带波形的输入信号的至少一部分幅度被定义为过量输入信号，使得参考电平基本上与导致主、辅助功率放大电路向负载输出基本相同功率的输入信号电平相等，从而在所述DC工作电压下达到最大输出功率电平。不断对输入信号的幅度进行抽样，以便检测过量输入信号。通过将恒定工作电压提供给所述主放大器电路，采用主放大器电路对输入信号连续进行放大。只要没有检测到过量电压，就通过把与提供给主放大器相同的DC工作电压提供给辅助放大器，由辅助放大器电路对输入信号进行放大。当检测到过量电压时，把DC工作电压经提高的较高电平提供给辅助放大电路。工作电压的提高电平足以有效地放大具有高于参考电平的幅度的输入信号。
本发明的目的还在于一种装置，用于改善在具有大的峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围。该装置包括抽样电路，用于对输入信号的幅度不断进行抽样，输入信号可以是输入功率放大器的调制信号，或者是用于生成调制信号的基带波形的信号。抽样电路根据预定参考电平来检测过量输入信号，在该参考电平以上，至少一部分输入信号被定义为过量输入信号；间接将工作电压提供给功率放大器的电源；以及与电源配合工作的控制电路，用于在没有检测到过量输入信号时，使电源将足以有效地对幅度低于参考电平的输入信号进行放大的较低电平工作电压提供给功率放大器，并且在检测到过量输入信号时，将足以有效地对幅度高于参考电平的输入信号进行放大的较高电平工作电压提供给功率放大器。
该装置可进一步包括：
a)自动增益控制电路，它连接到功率放大器的输入端，用于在放大之前控制输入信号的幅度；
b)对过量输入信号进行抽样的电路；以及
c)控制电路，用于根据过量输入信号的抽样值，通过控制自动增益控制电路的增益来补偿过量输入信号出现期间功率放大器增益的变化。
该装置可以包括：
a)低电压源，在未检测到过量输入信号时为功率放大器供电；
b)高电压源，在检测到过量输入信号时为功率放大器供电；
c)第一可变阻抗，连接在功率放大器的电压馈送输入端与低电压源之间；
d)第二可变阻抗，连接在功率放大器的电压馈送输入端与高电压源之间；以及
e)控制电路，用于在没有检测到过量输入信号时，同时将第一和第二可变阻抗分别控制在适当的低阻抗状态和最高阻抗状态，以及在检测到过量输入信号时，将它们分别控制在最高阻抗状态和适当的低阻抗状态。
该装置最好是包括：
a)第一电压源，用于在没有检测到过量输入信号时为功率放大器供电；
b)另一个电压源，用于在检测到过量输入信号时为功率放大器供电；
c)可变阻抗，连接在功率放大器的电压馈送触点和第一电压源之间，该可变阻抗能够对DC呈低电阻以及对快速变化的脉冲呈高阻抗；
d)电压放大器，连接在功率放大器的电压馈送触点和另一个电压源之间，用于将高于第一电压源电压的电压电平提供给功率放大器的电压馈送触点；
e)控制电路，当未检测到过量输入信号时，并且当可变阻抗为可控阻抗时，控制电压放大器将高于第一电压源电压的电压电平提供给功率放大器的电压馈送触点：
控制可变阻抗在检测到过量输入信号时达到其最高阻抗值，在未检测到过量输入信号时达到适当的低电阻。
该装置的可变阻抗中的至少一个可以是电感器或二极管，或者是可控阻抗、如双极型晶体管或FET。该装置还可包括：
a)抽样电路，用于对提供给功率放大器的工作电压的电平进行抽样；
b)比较器，通过提供给功率放大器的工作电压的抽样电平与过量输入信号的电平之间的比较，生成误差信号；以及
c)负反馈环路，利用误差信号准确地控制提供给功率放大器的工作电压。
该装置还可包括：
a)抽样电路，用于对功率放大器放大的RF输出信号的电平进行抽样；
b)比较器，通过功率放大器放大的RF输出信号的抽样电平与过量输入信号的电平之间的比较，生成误差信号；以及
c)负反馈环路，利用误差信号准确地控制提供给功率放大器的工作电压。
或者，该装置还可以包括：
a)调制器，用于产生输入功率放大器的调制信号；
b)基带信号源，用于产生输入调制器的基带波形；
c)抽样电路，用于对基带波形的幅度不断进行抽样，以便根据预定参考电平来检测过量输入信号，在该参考电平以上，至少一部分基带波形被定义为过量基带信号；
d)电源，用于间接地将工作电压提供给功率放大器；以及
e)控制电路，与电源配合工作，用于在未检测到过量输入信号时，使电源将足以有效地对具有低于参考电平的幅度的输入信号进行放大的低电平工作电压提供给功率放大器，以及在检测到过量输入信号时，将足以有效地对具有高于参考电平的幅度的输入信号进行放大的高电平工作电压提供给功率放大器。
该装置可以连接一种功率放大器，该功率放大器是用在多赫蒂配置中的辅助放大电路，使得所述辅助放大电路的输出端直接连接到负载，并且与通过多赫蒂耦合器耦合到所述负载的主放大器配合工作。所述辅助放大电路的输入端通过相移电路耦合到所述主放大器的输入端，该相移电路具有与所述多赫蒂耦合器引入的相移基本相同的相移。
附图简介
通过下面参考附图对最佳实施例进行的说明性而非限定性的描述，会更好地理解本发明的上述及其它特征和优点，图中：
图1A和1B根据本发明的最佳实施例，分别示意地说明了功率放大器的输入信号的波形和功率放大器的电源电压的所需波形；
图2A是根据本发明的最佳实施例、用于控制提供给功率放大器的电源电压的基本电路的框图；
图2B是根据本发明的最佳实施例、用于通过反馈一部分提高电压来控制提供给功率放大器的提高电源电压的电路的框图；
图2C至2E示意地说明了根据本发明最佳实施例、采用和不采用过量信号(ES)反馈的情况下提供的电压的计算模拟结果；
图3是根据本发明最佳实施例的电路的框图，该电路在有到基带信号的通路时控制提供给功率放大器的电源电压；
图4是根据本发明最佳实施例的电路的框图，该电路采用输出控制来控制提供给功率放大器的电源电压；
图5以图表说明通过与多赫蒂配置配合使用VEC，在效率方面预期改善的分析结果；以及
图6示意地说明根据本发明的最佳实施例的多赫蒂配置，其中包括VEC，用于提高其辅助放大电路的DC电源电压。
最佳实施例的详细描述
图1A和1B根据本发明的最佳实施例，分别示意地说明功率放大器的输入信号的波形和功率放大器的电源电压的所需波形。图1A中的波形Ven(t)表示输入功率放大器的输入RF信号的正包络。当信号包络(SE)的电平超过系统设计人员所定义的预定参考电平(L)时，出现过量信号(ES)。本发明提供一种称作电压提高(VE)电路(VEC)的电路，下面进一步说明，该电路使RF放大器的电源电压具有所需波形，如图1B所示：电源电压通常保持在常数值+BC(下标C表示“传统的”)，并且仅在输入信号电平高于预定参考电平(L)(即存在ES)的异常过程中才会改变(提高)。通过比较图1A和1B可以看出，所产生的提高电压(EV)波形是ES波形的近似复制品。
图2A是根据本发明最佳实施例的控制功率放大器的电源电压的基本电路的框图。电路200包括过量包络传感器(EES)201、VEC202、RF级209、204以及点14处的输入耦合器。RF功率放大器204是这样设计的：当点12处没有过量信号ES时，DC电源+BC足以以所需的保真度来放大点25处的调制RF信号。但是，当信号25达到峰值时，如果提供了电压+BC，则RF功率放大器204会饱和。这类峰值由EES201进行检测，把点12处由这些峰值引起的过量信号ES输出给VEC单元202，VEC单元202又适当地提高电压Vout(t)(出现在点15)，再馈送给RF功率放大器204。这实际上是图1B所示的提高电压EV。因此，在出现输入RF信号峰值时，具有提高电源电压的RF功率放大器204保持不饱和状态，放大也是充分的。
EES201通过对输入端14处的RF信号进行抽样，并将出现在EES201的输入端11的抽样值与出现在EES201的输入端13的参考电平L进行比较，从而检测ES。EES201在点12处输出过量信号(ES)。然后，把ES输入VEC单元202，VEC单元202被这样配置，使得它在点15处将所需的电源电压Vout(t)(图1B所示)输出给RF放大器204。当点12处没有ES的正常过程中，模拟功率管(APV)203基本上处于截止状态，VE负载单元205引入低DC电阻。这样，点16处的DC电压+BC完全加在RF放大器204上。在这种状态下，Vout＝+BC，如上图1B所示。另一方面，VE负载单元205对正脉冲、比如模拟功率管(APV)203由ES激励时所提供的电压提高脉冲提供高阻抗。根据本发明的一个最佳实施例，VE负载单元205可以采用RF扼流圈、阳极连接到电压+BC的二极管、或者电压控制的晶体管[如场效应晶体管(FET)或双极型晶体管]来实现。
APV单元203可以用例如场效应晶体管(FET)或双极型晶体管之类的晶体管来实现，并且可方便地被偏置，从而通常在截止状态，除非受到过量信号放大器(ESA)206输出的激励。APV单元203可以由单独的DC电压源BV来供电。可选的过量信号整形器(ESS)207将ES转换为ESA206的输入，它是无记忆且单调非线性的。ESA206的用途是在点23输出在点12出现的过量信号的改形，以便抵消APV单元203以及RF放大器204特征中可能引入的非线性。
根据本发明的一个最佳实施例，点12处的过量信号(ES)输出还可以用来在电压提高(VE)的实现过程中调节RF链的整体增益，以便改善保真度。这种选择如图2A中的点划线所示。ES由AGC整形器(AGCS)单元208进行适当调整之后，再用来控制瞬时自动增益控制(IAGC)级209的增益。AGCS单元208与ESS207极为相似，也是无记忆且单调非线性的。两个整形器ESS207和AGCS208的设计思想如下：RF放大器204的电压提高基本上是用来增加其动态范围。但是，这种VE在一定程度上也提高了RF放大器204的增益。IAGC级209用来通过相应地降低其自身增益来补偿增益变化。可以针对增益线性来调整ESS207和AGCS单元208的传递函数，同时在电压提高期间扩展动态范围。
图2B是根据本发明最佳实施例的电路的框图，该电路通过反馈一部分提高电压来控制功率放大器的提高电源电压。利用这种选择，能够获得优于仅采用图2A所示的过量信号整形器(ESS)单元207的保真度。比较器210将出现在点15的输出电压Vout(t)与出现在点12的ES进行比较。出现在点32的差值电压被馈入VEC202。这构成了修改后的反馈VEC(FB-VEC)，如图2B中参考标号211所示。根据所述差值电压的极性，VEC202的viltage放大将增大或减小，直到EV跟踪ES为止。
图2C至2E示意地说明了传统放大器和根据本发明最佳实施例的图2B所示FB-VEC的计算机模拟结果。上图(图2B)说明了RF放大器204的输入信号的包络波形，其中包括CDMA信号的九条信道(按3.6的比例)。其它图(图2D和2E)说明了RF放大器204输出的包络。中间的图(图2D)说明了当停用VEC并且仅提供电压+BC时的传统情况。80V以上的输出的严重失真是显而易见的。下图(图2E)说明了当FB-VEC211(图2B所示)工作时的情况。在下图中，对80V值以上的包络幅度的变化的快速跟踪是显著的。
图3是根据本发明最佳实施例的电路的框图，该电路用于在有到基带信号的通路时控制功率放大器的电源电压。电路300采用VEC单元301，它可以是不带反馈的基本VEC202(图2B所示)，或者是FB-VEC(图2B所示)。电路300通过在点31取得基带信号源(BBSS)302的幅度值来实现。从基带信号源302获取RF信号时，RF功率放大器204应放大具有超过其平均值的大峰值的RF信号。BBSS302在点34输出复合信号，该信号输入到适当的调制器303，来自RF振荡器304的RF正弦波也馈入该调制器303。BBSS302将出现在点31的幅度信息馈入电压限幅器305。电压限幅器305对基带信号执行操作，该操作与EES单元201对输入RF信号执行的操作相同：当点31的幅度超过参考电平L时，它在点32提取过量信号ES。随后的操作正如上图2A所示。
图4是通过反馈一部分RF放大器输出信号而不是图2B所示的部分EV来控制送到功率放大器的提高电源电压的电路的框图。电路400是图2B所示FB-VEC单元211的改进。比较器401将EES201的输出与附加EES402的输出进行比较，附加EES402经耦合器212与RF功率放大器204的输出耦合(点48)。如上图2B所示，出现在比较器401输出端的点32处的差值电压被馈入VEC单元202。在这种实现中，反馈环路还包括RF功率放大器204，这是有利的，因为电路400还能够潜在地纠正RF功率放大器204的非线性。
根据本发明的另一个实施例，VEC用来提高功率放大器的效率，其中采用了多赫蒂配置[例如在美国专利2210028中，以及在“无线通信所用的RF功率放大器”(Artech House，1999年，第225-239页，第八章，Steve C.Cripps)中介绍了多赫蒂配置]。
多赫蒂配置通过引入附加放大电路(以下称作辅助放大电路)，提高了功率放大器(以下称作主放大电路)的效率，其中，所述各放大器的输出通过耦合电路(称作多赫蒂耦合)来耦合。主放大电路连续工作时，如果输入值超过预定阈值(以下称作多赫蒂阈值)，则激活辅助放大电路。这样，通过设置放大电路的输出之间的适当耦合，主放大电路的工作保持在固定工作点(即以恒定的输出电压工作)。
通过允许主放大电路对幅度高于阈值的所有输入信号均以其最大输出电压(Vmax)进行工作，大大提高了效率。在该工作点上，主放大器的效率最高，这是由于多赫蒂耦合而保持的。这样，当输入信号超过预定值时，激活辅助放大电路，并将功率输出提升到2的因数，而不会影响主放大电路的输出电压。
但是，多赫蒂配置工作的电压范围受到用来激活辅助放大电路的阈值的限制。实际上，它被限制为接近所述阈值的两倍(2的因数)。具体地说，根据先有技术，利用多赫蒂配置，直到主放大电路和辅助放大电路的电流相遇的点(即每个电流均等于值Imax的点)，因而在具有大的峰值对平均值比(波峰因数)的系统中，这不是完全令人满意的方案。
为了克服这种限制(2的因数)，根据本发明的一个最佳实施例，结合多赫蒂配置，如图6中示意说明，采用VEC。图6中的系统包括放大单元256以及另一个单元255，用于过量包络信号的检测以及用于电压提高(VE)。后者用于在检测到过量包络信号时，提高放大单元256的电源，下面会进行详细说明。
EES的输出12驱动电压提高电路(VEC)202，VEC202在过量包络信号被引入到其输入端12时，提高供给放大电路256的电力，并且用作放大电路256的附加电源。对于超过预定参考电平(L)的幅度，该输入信号成为过量信号。应当指出，激活VEC202的电压提高功能的预定参考电平(L)大于多赫蒂阈值。
放大电路256包括两个放大器：主放大电路253和辅助放大电路204。这些放大器按照多赫蒂配置进行连接，其中，主放大电路253连续工作，而辅助放大电路204仅在15处接收来自VEC202的功率提高时才被激活。
多赫蒂配置用来提高效率，如上所述，这是通过多赫蒂耦合器252来耦合放大器204与253的输出来实现的。多赫蒂耦合器252的作用在于，当输入信号18的值增加时，减少主放大电路253“所看到的”负载的阻抗。这样，提高了功率输出，同时保持主放大电路的输出电压不变。多赫蒂配置256用来产生超过主放大电路的标准输出电压Vmax的输出电压。通常这样设计多赫蒂配置，使得当输入信号18超过平均输入值时，激活辅助放大电路来提高输出功率。当辅助放大电路激活时，主放大电路253的电压通常达到其最大输出电压(Vmax)。增加高于平均输入值的输入信号将会提高辅助放大电路的输出电压以及主、辅助放大器两者的电流。
多赫蒂耦合电路252具有相位常数(即延迟)，通常为π/2。因此，放大电路204和253的输出电压可能具有相位差，除非在放大电路204和253其中一个(或两个)的输入端引入补偿电路254。补偿电路254影响放大电路204和253的输入，从而消除耦合电路252所产生的相位差。所述补偿电路254的输入通过采用耦合电路19与18处的输入信号进行耦合。
但是，放大器的输出电压和电流在多赫蒂配置中均受到限制。通常，辅助放大电路的输出电压可以提高到Vmax，主、辅助放大电路的电流可以分别提高到Imax。根据本发明，通过采用VEC来提高辅助放大电路204的电源电压，多赫蒂配置中的辅助放大电路的输出电压以及主、辅助放大电路的电流现在可以分别超过Vmax和Imax。
图5说明根据本发明的一个最佳实施例，经过对各种电压提高值的分析所得出的期望效率η-归一化的负载上输出电压的关系。曲线602说明传统B类放大器所得到的线性效率。如曲线603所示，当按照传统方式使用多赫蒂配置时，效率被大大提高。当VEC202用于提高供给多赫蒂配置的辅助放大电路的电压，使负载两端电压提高到超过Vmax时，根据提高因数Z(提高因数Z被定义为针对过量输入信号的最大值而提供给功率放大器的DC电压的电平与没有过量输入信号时提供给所述功率放大器的DC电压的电平之比)，进一步提高了效率。曲线603、604以及605分别说明了提高因数Z＝1(无提高)、Z＝1.5以及Z＝2时的多赫蒂配置的操作。如果Vmax表示传统多赫蒂配置的负载两端的最大电压，则在图5中，曲线605被归一化为0.5Vmax，曲线604被归一化为0.66Vmax，以及曲线603被归一化为Vmax。
在曲线603中，点c表示辅助放大电路开始进入有效状态时、负载两端的归一化电压，点e表示辅助放大电路完全为有效状态并将其最大功率未经提高地提供给负载时、负载两端的归一化电压。在这种情况下(Z＝1)，负载两端可获得的最大电压为Vmax。
在曲线604中，点b表示辅助放大电路开始进入有效状态时、负载两端的归一化电压，点d表示辅助放大电路完全为有效状态并将其最大功率未经提高就提供给负载时、负载两端的归一化电压。在点d，负载两端可获得的最大电压为Vmax。当采用Z＝1.5的提高因数时，效率η从点g沿曲线增大到点e。在这种情况下，对于Z＝1.5，负载两端可获得的最大电压为1.33Vmax。
在曲线605中，点a表示辅助放大电路开始进入有效状态时、负载两端的归一化电压，点c表示辅助放大电路完全为有效状态并将其最大功率未经提高地提供给负载时、负载两端的归一化电压。在点c，负载两端可获得的最大电压为Vmax。当采用Z＝2的提高因数时，效率η从点f沿曲线增大到点e。在这种情况下，对于Z＝2，负载两端可获得的最高电压为2Vmax。因此，根据提高因数Z的值，加到多赫蒂配置的辅助放大电路上的电压的提高允许在负载两端获得高于Vmax的输出电压电平(这当然会产生较高的输出功率)。
提供上述实例和描述当然仅仅是为了说明，绝不是为了限制本发明。技术人员可以理解，本发明可用不同的方式、采用一种以上的上述技术来实现，这都没有超越本发明的范围。

Claims (25)

1.一种用于改善在具有大的峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围的方法，它包括：
a)确定参考电平，在这个电平以上，作为输入所述功率放大器的调制信号或者用来产生所述调制信号的基带波形的输入信号的至少一部分幅度被定义为过量输入信号；
b)对所述输入信号的所述幅度不断地进行抽样，以便检测过量输入信号；
c)如果未检测到过量输入信号，则将低电平工作电压提供给所述功率放大器，所述低电平工作电压足以有效地对幅度低于所述参考电平的输入信号进行放大；以及
d)当检测到过量输入信号时，将高电平工作电压提供给所述功率放大器，所述高电平工作电压足以有效地对幅度高于所述参考电平的输入信号进行放大。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
a)将自动增益控制电路连接到所述功率放大器的输入端，以便在放大之前控制所述输入信号的幅度；
b)当检测到过量输入信号时，对所述过量输入信号进行抽样；以及
c)根据所述过量输入信号的抽样值，通过控制所述自动增益控制电路的增益来补偿所述过量输入信号出现期间所述功率放大器的增益的变化。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过执行以下步骤，将所述电平的工作电压提供给所述功率放大器：
a)在未检测到过量输入信号时，提供低电压源来为所述功率放大器供电；
b)在检测到过量输入信号时，提供高电压源来为所述功率放大器供电；
c)将所述功率放大器的电压馈送触点通过第一可变阻抗连接到所述低电压源，通过第二可变阻抗连接到所述高电压源；
d)当未检测到过量输入信号时，同时将所述第一可变阻抗和所述第二可变阻抗分别控制在其最低阻抗状态和最高阻抗状态；以及
e)当检测到过量输入信号时，同时将所述第一可变阻抗和所述第二可变阻抗分别控制在其最高阻抗状态和最低阻抗状态。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过执行以下步骤，将所述电平的工作电压提供给所述功率放大器：
a)在未检测到过量输入信号时，提供第一电压源来为所述功率放大器供电；
b)在检测到过量输入信号时，提供另一电压源来为所述功率放大器供电；
c)将所述功率放大器的电压馈送触点通过可变阻抗连接到所述第一电压源，并且通过电压放大器连接到所述另一电压源，所述可变阻抗能够对DC呈低电阻以及对快速变化的脉冲呈高阻抗；
d)当未检测到过量输入信号时，允许所述可变阻抗达到其最低电阻；以及
e)当检测到过量输入信号时，允许所述可变阻抗达到其高阻抗，并且允许所述电压放大器将高于所述第一电压源的电压的电压电平提供给所述功率放大器的所述电压馈送触点。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述可变阻抗中至少一个为可控阻抗。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述可变阻抗为电感器或二极管。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可控阻抗为双极型晶体管或场效应晶体管(FET)。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
a)将提供给所述功率放大器的工作电压电平归一化为所述过量输入信号的相应预定电平；
b)对提供给所述功率放大器的工作电压的电平进行抽样；
c)通过将所述抽样电平与所述过量输入信号进行比较，产生误差信号；以及
d)将所述误差信号用于操作负反馈环路，以便准确地控制提供给所述功率放大器的所述工作电压。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
a)将所述过量输入信号的电平归一化为所述功率放大器所放大的RF输出信号的相应预定电平；
b)对所述功率放大器所放大的RF输出信号的电平进行抽样；
c)通过将所述抽样电平与所述过量输入信号进行比较，产生误差信号；以及
d)将所述误差信号用于操作负反馈环路，以便准确地控制提供给所述功率放大器的工作电压。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过执行以下步骤，用所述基带波形控制提供给所述功率放大器的DC电压的电平：
a)提供调制器，由输出所述基带波形的基带信号源提供信号，用于产生给所述功率放大器的调制输入信号；
b)确定参考电平，在所述电平以上，所述基带波形中至少一部分被定义为过量基带信号；
b)对所述基带波形的幅度不断地进行抽样，以便检测过量基带信号；
c)如果未检测到过量基带信号，则将低电平工作电压提供给所述功率放大器，所述低电平工作电压足以有效地对采用幅度低于所述参考电平的基带波形进行调制的输入信号进行放大；以及
e)当检测到过量基带信号时，将高电平工作电压提供给所述功率放大器，所述高电平工作电压足以有效地对采用幅度高于所述参考电平的基带波形进行调制的输入信号进行放大。
11.一种用于改善在具有大的峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围的装置，它包括：
a)抽样电路，对作为输入所述功率放大器的调制信号或者用来产生所述调制信号的基带波形的输入信号的幅度不断地进行抽样，以便根据预定参考电平来检测过量输入信号，在所述参考电平以上，至少一部分所述输入信号被定义为过量输入信号；
b)电源，用于间接地将工作电压提供给所述功率放大器；以及
c)控制电路，与所述电源配合工作，使所述电源在未检测到过量输入信号时，将足以有效地对幅度低于所述参考电平的输入信号进行放大的低电平工作电压提供给所述功率放大器，以及在检测到过量输入信号时，将足以有效地对幅度高于所述参考电平的输入信号进行放大的高电平工作电压提供给所述功率放大器。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于还包括：
a)自动增益控制电路，连接到所述功率放大器的输入端，以便在放大之前控制所述输入信号的幅度；
b)对所述过量输入信号进行抽样的电路；以及
c)控制电路，根据所述过量输入信号的抽样值，通过控制所述自动增益控制电路的增益来补偿所述过量输入信号出现期间所述功率放大器的增益的变化。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于包括：
a)低电压源，在未检测到过量输入信号时为所述功率放大器供电；
b)高电压源，在检测到过量输入信号时为所述功率放大器供电；
c)第一可变阻抗，连接在所述功率放大器的电压馈送输入端和所述低电压源之间；
d)第二可变阻抗，连接在所述功率放大器的电压馈送输入端和所述高电压源之间；以及
e)控制电路，在未检测到过量输入信号时，同时将所述第一和所述第二可变阻抗分别控制在其最低和最高阻抗状态，以及在检测到过量输入信号时，将它们分别控制在其最高和最低阻抗状态。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于包括：
a)第一电压源，在未检测到过量输入信号时为所述功率放大器供电；
b)另一电压源，在检测到过量输入信号时为所述功率放大器供电；
c)可变阻抗，连接在所述功率放大器的所述电压馈送触点和所述第一电压源之间，所述可变阻抗能够对DC呈低电阻以及对快速变化的脉冲呈高阻抗；
d)电压放大器，连接在所述功率放大器的所述电压馈送触点和所述另一电压源之间，用于将高于所述第一电压源的电压的电压电平提供给所述功率放大器的所述电压馈送触点；
e)控制电路，当未检测到过量输入信号时，并且当所述可变阻抗为可控阻抗时，控制所述电压放大器将高于所述第一电压源的电压的电压电平提供给所述功率放大器的所述电压馈送触点：
控制所述可变阻抗在检测到过量输入信号时达到其最高阻抗值，在未检测到过量输入信号时达到其最低电阻。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述可变阻抗中至少一个为可控阻抗。
16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述可变阻抗为电感器或二极管。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述可控阻抗为双极型晶体管或FET。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于还包括：
a)抽样电路，用于对提供给所述功率放大器的工作电压的电平进行抽样；
b)比较器，通过提供给所述功率放大器的工作电压的抽样电平与所述过量输入信号的电平之间进行比较，生成误差信号；以及
c)负反馈环路，利用所述误差信号准确地控制提供给所述功率放大器的工作电压。
19.如权利要求11所述的装置，其特征在于还包括：
a)抽样电路，用于对所述功率放大器所放大的RF输出信号的电平进行抽样；
b)比较器，通过所述功率放大器所放大的RF输出信号的抽样电平与所述过量输入信号的电平之间进行比较，生成误差信号；以及
c)负反馈环路，利用所述误差信号准确地控制提供给所述功率放大器的工作电压。
20.如权利要求11所述的装置，其特征在于包括：
a)调制器，用于产生输入所述功率放大器的调制信号；
b)基带信号源，用于产生输入所述调制器的基带波形；
c)抽样电路，用于对所述基带波形的幅度不断地进行抽样，以便根据预定参考电平来检测过量输入信号，在所述参考电平以上，所述基带波形的至少一部分被定义为过量基带信号；
b)电源，用于间接地将工作电压提供给所述功率放大器；以及
e)控制电路，与所述电源配合工作，使所述电源在未检测到过量输入信号时，将足以有效地对幅度低于所述参考电平的输入信号进行放大的低电平工作电压提供给所述功率放大器，以及在检测到过量输入信号时，将足以有效地对幅度高于所述参考电平的输入信号进行放大的高电平工作电压提供给所述功率放大器。
21.一种实质上如所描述和说明的、用于改善在具有大的峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围的方法。
22.一种实质上如所描述和说明的、用于改善在具有大的峰值对平均值比的信号下工作的功率放大器的效率和动态范围的装置。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率放大器是多赫蒂配置的辅助放大电路。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于包括：
a)提供多赫蒂配置，该配置包括直接连接负载的辅助放大器和通过多赫蒂耦合器与所述负载耦合的主放大器；
b)确定参考电平，在这个电平以上，作为输入所述功率放大器的调制信号或者用来产生所述调制信号的基带波形的输入信号的至少一部分幅度被定义为过量输入信号，使得所述参考电平基本上与导致主、辅助放大器电路向负载输出基本相同功率的输入信号电平相等，从而在所述DC工作电压下达到最大输出功率电平；
c)对所述输入信号的所述幅度不断地进行抽样，以便检测过量输入信号；
d)通过将恒定工作电压提供给所述主放大器电路，用所述主放大器不断地放大输入信号。
e)只要未检测到过量电压，就通过把提供给所述主放大器的相同DC工作电压提供给所述辅助放大器，由所述辅助放大器电路对所述输入信号进行放大；以及
f)当检测到过量电压时，将提高的较高电平的DC工作电压提供给所述辅助放大电路，所述提高的工作电压电平足以有效地对具有高于所述参考电平的所述幅度的输入信号进行放大。
25.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述功率放大器是用于所述多赫蒂配置中的辅助放大电路，所述辅助放大电路的输出端直接连接到负载，并且与通过多赫蒂耦合器耦合到所述负载的主放大器配合工作，所述辅助放大电路的输入端通过相移电路与所述主放大器的输入端耦合，所述相移电路具有与所述多赫蒂耦合器引入的相移基本相同的相移。
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