CN1969460A - 使用多频带信号处理输出阻抗匹配的装置、方法和制造产品 - Google Patents

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Abstract

提供用于在多频带功率放大中输出阻抗匹配的装置、方法和制造产品，其中将包括一个或更多输出匹配部件、多频带同向双工器和开关的输出匹配配置连接到有源器件。

Description

使用多频带信号处理输出阻抗匹配的装置、方法和制造产品
本发明涉及信号处理，而且更为具体地涉及对于多频带功率放大器的输出阻抗匹配。
可以优化在发射机中所使用的功率放大器以适用于具体模式和频带从而使效率最大化。这样的优化可以需要以某种方式偏置放大器。另外，需要匹配在放大器中组件之间和放大器与邻接组件之间的阻抗。
然而，伴随一些通信系统对于放大器所提出的需求，出现一些问题。例如，在W-CDMA或CDMA2000发射机中，传统上通过功率放大器来馈送具有非恒定包络的信号。然而，难于达到放大器效率和线性度的最佳水平：经常需要兼顾二者的设计。此外，需要宽范围(典型地为大约80dB)的输出功率。
更多的问题随着多频带发射机而出现。例如，阻抗依赖于操作频率，因此，不会为了操作于不同的频带而优化在一个频带中具有最优阻抗匹配的放大器。可以通过提供单独的放大链来解决在不同频率下与阻抗匹配相关的问题。然而，单独的放大链可能价格不菲，增加发射机的尺寸以及增加发射机所需的功率。
放大器设计与阻抗匹配也是困难的，其原因为在目前的通信系统中，期望放大器操作于多个频带。例如，发射机可以用于GSM900(880-915MHz)和DCS1800(1710-1785MHz)频带。作为另一示例，发射机可以用于CDMA2000(824-849MHz和1850-1910MHz)或PCS1900(1850-1910MHz)频带。典型地，双频带移动电话无线电收发机包括两个功率放大器，每一个操作于单一的频率带宽中，而且每一个需要阻抗匹配。
现有技术试图为放大器设计和阻抗匹配难题提供解决方案。例如，图1示出一项现有技术，其试图对操作于800MHz或1900MHz频带的双频带单级功率放大器进行阻抗匹配。单个的有源器件包括在输入端的开关阻抗网络104和106、放大器102、偏置控制103、电压源107、开关阻抗网络105和在输出端的开关阻抗网络108和110，以提供预期的输入和输出阻抗。然而，对于这些开关阻抗网络的需求提高了器件的成本并降低了效率。
在图2中示出了另一种在双频带功率放大器中进行匹配阻抗的方法。将放大器214匹配到第一匹配电路202。将包括两个单独的阻抗网络206和208的第二匹配电路204调谐到每一频率带宽。这种方法中需要两个开关210和212。这种方法再次地提高了器件的成本，同时降低了效率。
因此，对于多频带功率放大器，需要改进的输出匹配。
提供用于多频带信号处理的装置、方法和制造产品。在一个示例性实施例中，提供一种输出阻抗匹配配置，其包括至少一个输出阻抗匹配部件、多频带同向双工器和开关。
现在将参考附图通过示例来描述本发明，附图中：
图1描述现有技术的双频带装置。
图2描述现有技术的双频带装置。
图3示出输出匹配配置的实施例。
图4示出双频带同向双工器的实施例。
图5示出双频带同向双工器的实施例。
图6示出输出阻抗匹配电路的实施例。
图7示出输出阻抗匹配电路的实施例。
图8示出输出阻抗匹配电路的实施例。
图9示出输出阻抗匹配电路的实施例。
图10示出输出阻抗匹配电路的实施例。
图11示出输出匹配配置的实施例。
图12示出输出匹配配置的实施例。
本发明包括装置、方法和制造产品，其用于使用多频带信号处理进行输出阻抗匹配，例如，对于用在蜂窝式电话中的多频带功率功率放大器进行输出阻抗匹配。图3示出包括输出匹配配置10的示例性实施例。如所示的输出匹配配置10在其输入端连接到包括功率放大器100的有源器件，而且在其输出端连接到诸如天线一样的负载102。在该实施例中，输出匹配配置10包括作为其部分的宽带输出匹配部件12、包括双频带同向双工器14的多频带同向双工器、分别的两个单频带匹配部件16和18以及开关20。
宽带输出匹配部件12在其输入端连接到功率放大器100的输出端并且在其输出端与双频带同向双工器14相连。尽管其应该理解为，还可以提供任何其它预期的范围，在一个示例性实施例中，宽带匹配部件12提供大约从5Ω到10-15Ω的宽带匹配。
双频带同向双工器14在其输出端分别与单频带匹配部件16和18相连。本实施例中的功率放大器100在一个或多个规定的频带中传送输入信号，其由双频带同向双工器14来接收。例如，在诸如操作于GSM/DCS模式的系统一样的双频带系统中，可以在两个不同的频带之间调整从功率放大器100所传送的输入信号，这取决于该系统操作于GSM模式或DCS模式。双频带同向双工器14根据信号的特定频带处理输入信号，然后向单频带匹配部件16和18产生输出信号。在本实施例中，双频带同向双工器14优选地在较高的频带中，向单频带匹配部件16产生第一输出信号，并且优选地在较低的频带中，向单频带匹配部件18产生第二输出信号，在下面将对其进行更详细的描述。根据系统的指定频带，将单频带匹配部件16和18中的每一个优选地调谐到具体带宽。例如，在双频带系统中，根据第一操作频率，优选地将单频带匹配部件16调谐到较高的频带，而且根据第二操作频率，优选地将单频带匹配部件18调谐到较低的频带。在本实施例中，单频带匹配部件16和18用以分离地实现低频带和高频带的高效操作。
在双频带同向双工器14和单频带匹配部件16之间部署诸如PIN-二极管一样的开关20，其用以抑制来自较低频带的不理想的谐波。通常，在功率放大器输出多个传送频率的信号的情况下，当较低传送频率的谐波处于低于或等于较高传送频率时，会出现不理想的谐波。例如，在包括GSM/DCS模式的双频带结构中，将抑制GSM模式的不理想的谐波，其正好位于DCS带宽，而且在包括CDMA2000模式的双频带结构中，将抑制825-849MHz模式的不理想谐波，该模式非常接近于1850-1910MHz模式。
在根据本实施例的第一操作模式中，在从功率放大器100传送第一较低频带([例如，824-849MHz或880-915MHz)的信号的情况下，接通PIN-二极管20，缩短不理想的谐波而对较低频率传送的电性能不产生影响。此外，在根据本实施例的第二操作模式中，在从功率放大器100传送第二较高频带(例如，1710-1795MHz或1850-1910MHz)的信号的情况下，关断PIN-二极管20，导致在较高频带阻抗非常高。
根据本实施例，可以实现单个多频带放大器，其中输出功率级别(level)对于变化的频率大约是一样的，例如，对于CDMA 2000(1850-1910MHz)模式频带的29dBm和对于CDMA 2000(824-849MHz)模式的28.5dBm的线性输出功率，以及对于DCS1800频带的33dBm和对于GSM800的35dBm的饱和输出功率。
不同电路配置和技术可以用作输出匹配配置10的组件。下面描述一些示例。
作为示例，PIN-二极管20可以由任何可转换的带阻滤波器来替换。同时还可以利用其它合适的开关。
在图4中示出了适用于双频带同向双工器14的同向双工器的示例性实施例，其包括高通滤波器和低通滤波器。高通滤波器1100包括电感器1102和电容器1104和1106。低通滤波器1111包括电感器1108和1110和电容器1112。在另外一个实施例中，电感器可以由具有高特性阻抗的短传输线来替代而且电容器可以由开路线抽头(stub)来替代。
可替换地，在另外一个实施例中，可以使用在图5中所示的四分之一波长或半波长传输线来形成双频带同向双工器14。在本实施例中，传输线长度l1和l2为800MHz时四分之一波长以保护较高的频率路径免受较低频率信号影响，然而长度l4和l5为1900MHz时四分之一波长以保护较低频率路径免受较高信号影响。为了减少或消除任何附加的所需匹配，选择长度l3来实现具有开路线抽头的并联等效电路，即全长l2+l3应该是在1900MHz时的半波长，同时全长l5+l6应该是在800MHz时的半波长。该串行传输线优选地具有50Ω的特性阻抗。
图6示出输出阻抗匹配电路的一个示例性实施例，其可以用作一个或多个宽带输出匹配部件12以及两个单频带匹配部件16和18。偏置电压Vbias1和Vbias2向变容二极管350和351提供电容值。电容器355、356和357均为直流分量阻塞电容器；而且电阻器360和361足够大以防止射频(R-F)泄漏。
图7示出输出阻抗匹配电路的另一个示例性实施例，其可以用作一个或多个宽带输出匹配部件12以及两个单频带匹配部件16和18。这里，四个单向开关380-383和四个电容器390-393匹配阻抗值。传输线395少于四分之一波长线，从而提供电感性阻抗。注意在本实施例和其它实施例中的输入的数量可以确定组件的组成。例如，如果将该实施例用于具有7个晶体管的实施例中，则可以期望使用较少的组件，例如，三个电容器，由于其将提供对于7个可能的输出进行匹配的必需条件。电容器390-393是匹配电容器。
现在转向图8，示出了输出阻抗匹配电路的另一个实施例，其可以用作一个或多个宽带输出匹配部件12以及两个单频带匹配部件16和18。本实施例中的阻抗匹配使用诸如在第6,554,610美国专利中所公开的类型一样的并联电路E级负载网络以提高效率。根据系统的合适的值，将该并联电路负载网络调谐到对于阻抗、电容和电阻的具体值。该负载网络包括谐振电路501，其包括电容器501C、电阻器501R(具有电阻R)和负载501R2(具有电阻RL)、并联短路传输线502和四分之一波长传输线503。并联短路传输线502和并联电容501C在中心频率f0＝√f1f2提供电感性阻抗，其中f1是低频带而f2是高频带。
当然，负载网络的电感性阻抗可以与不同的频率不一致，通常，其可以通过下式来确定：
在基频时，Zin1＝R/(1-j tan 34.244°)。
其中R是所需的输出电阻而且 R L = Z 01 2 / R . 在高阶谐波处的任何阻抗应
该是电容性的。
在示例性实施例中，可以由下列式子来确定最佳的负载网络的参数：
tan θ = 0.732 R Z 0 , C = 0.685 ωR , R = 1.365 V cc 2 P out
其中Vcc是电源电压，Pout是输出功率，而Z0和θ分别是并联短路传输线502的特性阻抗和电长度。
电容C是内部器件电容(尽管也可以使用一些外部输出电容，而且相应地应当将其考虑)，这是对于适当的频率的公知技术，将其选用。例如，如果输出阻抗匹配电路计划用于双极性器件，则将利用集电极电容。作为另一示例，如果输出阻抗匹配电路计划用于FET器件，则将利用漏电容。
四分之一波长传输线503具有θ1＝90°的电长度(electrical length)和阻抗Z01。可以将四分之一波长传输线503作为高频串联谐振电路，从而有效地拓宽了整个频率范围。当然，在其它实施例中，也可以使用其它公知方法，或者不使用。
在图9示出了可以用作一个或多个宽带输出匹配部件12以及两个单频带匹配部件16和18的输出阻抗匹配电路的另一可替换实施例。此处，用两个电容器602和604以及较短传输线606替换了在图8中的四分之一波长传输线503。可以如下来确定该组件的参数：
Z 02 = Z 01 sin θ 2 , C = cos θ 2 ω Z 01
在图10中示出了可以用作一个或多个宽带输出匹配部件12以及两个单频带匹配部件16和18的输出阻抗匹配电路的另一可替换实施例。当输出阻抗较小约为5Ω时，本实施例优选用于宽带实施例中。将两个具有串行传输线的L-部分(L-section)变压器701和702以及并联电容增加到诸如在图9中所示一样的实施例中。
当然，其它实施例可以使用其它输出阻抗匹配电路，例如低通梯式滤波器。
在其它实施例中，在任何输出阻抗匹配电路或频带同向双工器的实施例中可以使用一个或多个陷波滤波器，因此，还衰减任何不理想的频率。例如，在CDMA2000实施例中，在840MHz期望抑制信号的第二谐波(1.68GHz)。该谐波处于功率放大器频率带宽中，因此将被衰减掉。所以，可以使用陷波滤波器。
在图11中说明根据本发明的输出匹配配置的另一个实施例。在本实施例中，示出输出匹配配置110，其包括作为其部分的宽带输出匹配电路112、同向双工器114和PIN-二极管开关120。不同于在图3中所示的实施例，宽带输出匹配电路112在有源器件和负载之间提供整个频率范围的完整的输出阻抗匹配，因此没有提供单频带匹配部件。在本实施例中，同向双工器114和PIN-二极管开关120和上述同向双工器14和PIN-二极管20相同。在本实施例中，宽带输出匹配电路112、同向双工器114和PIN-二极管开关120可以采取诸如上述实施例中的任何一个的多种适合的组件或技术的形式。
在图12中说明根据本发明的输出匹配配置的另一实施例。在本实施例中，示出输出匹配配置210，其包括直接连接到有源器件200的同向双工器214。例如，在有源器件200包括功率放大器的情况下，可以将同向双工器214连接到功率放大器的晶体管，例如，在集电极处。本实施例中的输出匹配配置210还包括两个单频带开关部件216和218以及PIN-二极管开关220，其分别类似于图3中所示的单频带匹配部件16和18以及PIN-二极管开关20。相似地，在本实施例中，输出匹配配置210的组件可以采取诸如上述实施例中的任何一个的多种适合的组件或技术的形式。
本发明的实施例可以用于诸如蜂窝式电话一样的双频带和其它多频带结构中。双频带结构的示例包括GSM900/DCS1800或CDMA2000。三频带结构的示例GSM900/DCS1800/PCS1900或CDMA2000/PCS1900。
可以利用不同类型的系统结构来构建本发明的实施例。因此，本领域普通技术人员将理解本发明的实施例或其不同组件和/或特征可以全部包括硬件、软件或可以是软件和硬件的结合。尽管通过说明性实施例已经描述本发明，本领域技术人员将想到附加的优势和修改。例如，尽管在不同实施例中说明了包括功率放大器的有源器件，该有源器件也可以包括其它组件，例如，衰减器。因此，本发明在其更宽的方面不限于此处所显示和描述的具体细节。在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对其进行修改。因此，其意图是本发明不限于具体的说明性实施例，但应该在所附权利和其同等物的全部精神和范围内对其进行解释。

Claims (19)

1.一种用于对多频带信号处理器进行输出阻抗匹配的装置，包括：
多频带同向双工器，其适用于接收具有规定的频带的输入信号并产生至少第一和第二输出信号，其中第一输出信号的频带高于第二输出信号的频带；和
至少一个开关，来自多频带同向双工器的第一输出信号经过该开关，该开关具有“接通”和“关断”状态，当该输入信号具有第一频带时，该开关处于“接通”状态，用于抑制不理想的谐波，而且当该输入信号具有第二频带时，该开关处于“关断”状态。
2.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个与所述多频带同向双工器连接的阻抗匹配部件，其中通过第一输出信号和第二输出信号中的至少一个。
3.如权利要求1所述的装置，还包括与所述多频带同向双工器连接的第一阻抗匹配部件，其中通过第二输出信号。
4.如权利要求3所述的装置，还包括与所述开关连接的第二阻抗匹配部件，其中通过第一输出信号。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述多频带信号处理器包括用于传送输入信号的有源器件，该输入信号由所述多频带同向双工器来接收，该装置还包括连接在有源器件和多频带同向双工器之间的阻抗匹配部件，其中通过该输入信号。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述多频带信号处理器包括用于传送输入信号的有源器件和负载，其中该输入信号由所述多频带同向双工器来接收，该负载接收由所述多频带同向双工器所产生的第一和第二输出信号，该装置还包括：
阻抗匹配部件，其连接在所述有源器件和所述多频带同向双工器之间，其中通过该输入信号；
第一阻抗匹配部件，其连接在所述多频带同向双工器和所述负载之间，其中通过第二输出信号；
第二阻抗匹配部件，其连接在所述开关和所述负载之间，其中通过第一输出信号。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述开关包括PIN-二极管。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述输入信号包括第二频带，其高于第一频带。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述多频带信号处理器包括传送所述输入信号的有源器件，该输入信号由所述多频带同向双工器来接收，从由功率放大器和衰减器所组成的组中来选择所述有源器件。
10.一种用于在多频带信号处理器中输出匹配的方法包括：
接收具有规定的频带的输入信号并向负载产生至少第一和第二输出信号，第一输出信号的频带高于第二输出信号的频带；以及
根据该输入信号的规定的频带来调整第一输出信号，当该输入信号具有第一频带时，抑制来自第一输出信号的不理想谐波。
11.如权利要求10所述的方法，其中第一输出信号由至少一个具有“接通”和“关断”状态的开关来调整，所述方法还包括当所述输入信号具有第一频带时，操作开关处于“接通”状态，以抑制不理想的谐波，并且当输入信号具有第二频带时，操作开关处于“关断”状态。
12.如权利要求10所述的方法，还包括分离地对于第一和第二输出信号进行匹配阻抗。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述接收和产生步骤包括多频带同向双工器，而且匹配阻抗的步骤还包括：
在所述多频带同向双工器和所述负载之间提供第一阻抗匹配部件，第二输出信号经过该负载；以及
在所述多频带同向双工器和所述负载之间提供第二阻抗匹配部件，第一输出信号经过该负载。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述多频带信号处理器包括传送所述输入信号的有源器件，而且其中所述接收和产生步骤包括多频带同向双工器，所述方法还包括在所述有源器件和多频带同向双工器之间提供阻抗匹配部件，其中通过所述输入信号。
15.一种放大器输出阻抗匹配配置，包括：
多频带同向双工器，其从功率放大器接收具有规定的频带的输入信号，并向负载产生至少第一和第二输出信号，其中所述第一输出信号的频带高于第二输出信号的频带；
至少一个连接在所述多频带同向双工器和负载之间的开关，用于从该多频带同向双工器接收第一输出信号，该开关具有“接通”和“关断”状态，当所述输入信号具有第一频带时，该开关处于“接通”状态，以抑制不理想的谐波，并且当所述输入信号处于第二频带时，该开关处于“关断”状态；和
一个或多个阻抗匹配部件，其连接在至少下列情况之一：
所述多频带同向双工器和所述负载之间，其中通过第一输出信号和第二输出信号中的至少一个；和
所述功率放大器和所述多频带同向双工器之间，其中通过所述输入信号。
16.如权利要求15所述的放大器输出阻抗匹配配置，还包括连接在所述多频带同向双工器和所述负载之间的第一阻抗匹配部件，其中通过第二输出信号，以及连接在所述开关和所述负载之间的第二阻抗匹配部件，其中通过第一输出信号。
17.如权利要求15所述的放大器输出阻抗匹配配置，还包括：
连接在所述功率放大器和所述多频带同向双工器之间的阻抗匹配部件，所述输入信号经过其中；
连接在所述多频带同向双工器和所述负载之间的第一阻抗匹配部件，其中通过第二输出信号；和
连接在所述开关和所述负载之间的第二阻抗匹配部件，其中通过第一输出信号。
18.如权利要求15所述的放大器输出阻抗匹配配置，其中所述开关包括PIN-二极管。
19.如权利要求15所述的放大器输出阻抗匹配配置，其中所述输入信号包括第二频带，其频带高于第一频带的频带。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070523