DE60026710T2

DE60026710T2 - Leistungsverstärker mit hohem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE60026710T2
Application number: DE60026710T
Authority: DE
Inventors: Eugene Bernard Gilbert SIGMON; Gene Ronald Scottsdale MYERS
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: WO2001018956A1; FR2798244B1; US6157253A; EP1127406A1; EP1127406B1; FR2798244A1; DE60026710D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsverstärker und insbesondere auf Leistungsverstärkerschaltungen mit hohem Wirkungsgrad.
Hintergrund der Erfindung
Da moderne drahtlose Kommunikationssysteme weiter in der Beliebtheit steigen, muss ein bestimmter Kommunikationsknoten einer immer größer werdenden Gruppe von Teilnehmern Dienste zur Verfügung stellen. In einem drahtlosen terrestrischen zellularen Kommunikationssystem muss zum Beispiel eine zellulare Basisstation eine Fähigkeit aufrechterhalten, Konnektivität mit einer steigenden Anzahl von Benutzern innerhalb des Kommunikationsbereichs der Station zur Verfügung zu stellen. In einem zellularen Satellitenkommunikationssystem muss der Satellitenkommunikations knoten im Stande sein, Nachrichten an eine große Anzahl von erdbasierten Teilnehmern zu übertragen und von ihr zu empfangen.
Wenn ein Kommunikationsknoten, wie z. B. eine zellulare Basisstation oder ein Kommunikationssatellit, an eine Gruppe von Teilnehmern überträgt, kann eine einzelne Leistungsverstärkerschaltung verwendet werden, um die Signale an die Teilnehmer zu übertragen. Folglich kann die Leistungsverstärkerschaltung, die verwendet wird, um diese Übertragung durchzuführen, für eine Leistung bei einem relativ hohen Leistungsausgang optimiert werden. Wenn allerdings die Leistungsverstärkerschaltung an nur einen einzelnen Teilnehmer oder an eine kleine Gruppe von Teilnehmern überträgt, beginnt der Wirkungsgrad der Leistungsverstärkerschaltung mit Sinken des Verstärkerleistungsausgangs schlechter zu werden. Die Fähigkeit, dass eine Leistungsverstärkerschaltung den Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Leistungsausgangspegeln aufrechterhält, wird als ein dynamischer Backoffbereich bezeichnet. Ein Verlust des Leistungsverstärkerwirkungsgrads unter dynamischen Backoffbedingungen kann besonders problematisch sein, wenn es sich bei dem Kommunikationsknoten um einen Umlaufsatelliten handelt, wo Leistungsressourcen knapp und vergleichsweise teuer sind.
Ein Artikel von Smely et al. mit dem Titel "Improvement of Efficiency and Linearity of a Harmonize Control Amplifier by Envelope Control Bias Voltage" und in dem IEEE International Symposium Digest am 7. Juni 1998 veröffentlicht, offenbart ein Verfahren zum Erhöhen des Wirkungsgrads in einem harmonisch gesteuerten Leistungsverstärker durch Variieren der Drainspannung basierend auf der Amplitudenhüllkurve des empfangenen Signals.
Deshalb ist es äußerst wünschenswert, eine Leistungsverstärkerschaltung zu verwenden, die Verfahren mit hohem Wirkungsgrad umfasst, die einen effizienten Betrieb über einen weiten dynamischen Backoffbereich zur Verfügung stellen können. Eine Leistungsverstärkerschaltung, die diese Funktionen zur Verfügung stellt, kann die primären Leistungsanforderungen eines Satellitenkommunikationsknotens reduzieren, wodurch die Kosten für den Dienst an die Teilnehmer reduziert werden. Das wiederum kann zu erhöhter Verfügbarkeit von Satellitenkommunikationsdiensten für Teilnehmer führen.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Leistungsverstärkerschaltung wie in Anspruch 1 beansprucht zur Verfügung.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verstärken eines zusammengesetzten Signals in einer Leistungsverstärkerschaltung wie in Anspruch 9 beansprucht zur Verfügung.
Weitere Aspekte der Erfindung sind wie in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird in den angehängten Ansprüchen ausführlich dargelegt. Es kann jedoch ein umfassenderes Verständnis für die vorliegende Erfindung erlangt werden, in dem man sich unter Berücksichtigung der Figuren auf die ausführliche Beschreibung und Ansprüche bezieht, wobei sich in allen Figuren ähnliche Bezugsziffern auf ähnliche Elemente beziehen und
1 ein Blockdiagramm einer dreistufigen Hüllkurven nachführenden Schaltung ist, wobei eine Dreitransistorleistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Spannung versorgt wird;
2 ein Blockdiagramm einer M-stufigen Hüllkurven nachführenden Schaltung ist, wobei eine N-Transistorleistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Spannung versorgt wird;
3 eine graphische Darstellung des erwarteten Wirkungsgrads versus relativen Radiofrequenzleistungsausgang für die Leistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
4 ein Ablaufdiagramm eines durch die Vorrichtung von 1 oder 2 ausgeführten Verfahrens zur Bereitstellung von Leistungsverstärkung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist; und
5 ein Ablaufdiagramm eines weiteren durch die Vorrichtung von 1 oder 2 ausgeführten Verfahrens zur Bereitstellung von Leistungsverstärkung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Leistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich ermöglicht es einem satelliten- oder erdbasierten Kommunikationsknoten, über eine Reihe von Ausgangsleistungspegeln eine effiziente Leistungsverstärkung zur Verfügung zu stellen. Somit können satelliten- und erdbasierte Kommunikationsknoten unter Verwendung kleinerer primärer Leistungsquellen errichtet werden, ohne dass verwendbare Radiofrequenzausgangsleistung geopfert wird. Zusätzlich kann, da ein größerer Prozentsatz an verwendbarer Leistung durch eine Kommunikationsantenne übertragen werden kann, das zugeordnete Kommunikationssystem unter Verwendung von kleineren und weniger komplizierten Kühleinrichtungen einwandfrei arbeiten. Dadurch können die Kosten drahtloser satelliten- oder erdbasierter Kommunikationen reduziert werden, was diese Dienste für Teilnehmer erschwinglicher macht.
1 ist ein Blockdiagramm einer dreistufigen Hüllkurven nachführenden Schaltung, wobei eine Dreitransistorleistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Spannung versorgt wird. In 1 ist ein Radiofrequenzsignal 5 auf einen Koppler 10 einfallend. Bei dem Radiofrequenzsignal 5 kann es sich um ein zusammengesetztes Signal handeln, das ein oder mehrere Kommunikationssignale, bestimmt für eine entsprechende Anzahl von Teilnehmern, umfasst. Somit kann das Radiofrequenzsignal 5 in einem erdbasierten drahtlosen Kommunikationssystem Kommunikationssignale für jeden gegenwärtig mit einem Telefongespräch unter Verwendung einer bestimmten zellularen Basisstation beschäftigten Teilnehmer umfassen. Ähnlich kann das Radiofrequenzsignal 5 in einem Satellitenkommunikationssystem Kommunikationssignale für jeden Teilnehmer, der einen bestimmten Satellitenkommunikationsknoten verwendet, umfassen.
Der Koppler 10 präsentiert vorzugsweise eine an das Radiofrequenzsignal 5 angepasste Last, wodurch jegliche zu der Quelle des Signals zurückreflektierte Energie minimiert wird. Somit kann der Koppler 10 konzentrierte oder verteilte Schaltungselemente umfassen, die eine geeignete Anpassung an die Übertragungsleitung, die das Radiofrequenzsignal 5 auf die Leistungsverstärkerschaltung von 1 überträgt, zur Verfügung stellen. Der Koppler 10 funktioniert auch, um einen Radiofrequenzsignalabtastwert 15 mit einem Videodetektor 20 zu verbinden. Der Radiofrequenzsignalabtastwert 15 ist vorzugsweise eine Variante mit reduzierter Leistung des Radiofrequenzsignals 5, die nur einen kleinen Anteil der in dem Radiofrequenzsignal 5 vorhandenen Energie umfasst.
Der Koppler 10 überträgt den Großteil der in dem Radiofrequenzsignal 5 umfassten Energie auf einen Leistungsverteiler und Anpassungseinheit 50. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Leistungsverteiler und Anpassungseinheit 50 geeignete konzentrierte oder verteilte Elemente, die die Eingangsimpedanzen, die durch Leistungsverstärker (PA) 90, 100 und 110 präsentiert werden, an einen Standardimpedanzwert, wie z. B. 50 oder 75 Ohm, anpassen. Zusätzlich teilt der Leistungsverteiler und Anpassungseinheit 50 das Signal von dem Koppler 10 auf eine Art und Weise auf, die ein im Wesentlichen gleiches Verbinden von E nergie mit jedem der Leistungsverstärker 90, 100 und 110 ermöglicht.
Der Videodetektor 20 empfängt den Radiofrequenzsignalabtastwert 15 und ermittelt die Hüllkurvenamplitude des Signals. Der Videodetektor 20 kann eine Diode und andere passive lineare und/oder nichtlineare Komponenten umfassen, die zum Filtern der Trägerfrequenz von dem Radiofrequenzsignalabtastwert 15 funktionieren und seine Hüllkurvenamplitude an einem Ausgang präsentieren. Die Hüllkurvenamplitude des Radiofrequenzsignalabtastwerts 15 von dem Videodetektor 20 wird vorzugsweise auf einen Komparator 30, eine Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 40 und auf eine Hüllkurven nachführende Schaltung 80 übertragen.
Wie vorher erwähnt, nimmt der Komparator 30 eine Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 an. In einer bevorzugten Ausführungsform evaluiert der Komparator 30 die Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 als eine Zeitfunktion. Wenn ein Teil der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 von minimaler Amplitude ist, wie z. B. wenn die Hüllkurvenamplitude von einem Nahe-Null-Wert steigt, aktiviert der Komparator 30 einen bestimmten Ausgang, wie z. B. einen Ausgang 32, während Ausgänge 34 und 36 inaktiviert werden. Während sich die Amplitude über eine vorgegebene Grenze hinaus erhöht, aktiviert der Komparator 30 einen zweiten Ausgang, wie z. B. den Ausgang 34, zusätzlich zu dem Ausgang 32. Während sich die Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 weiter über eine zweite vorgegebene Grenze hinaus und auf ihren Höchstwert erhöht, aktiviert der Komparator 30 einen dritten Ausgang, wie z. B. den Ausgang 36. Somit wählt der Komparator 30 als eine Zeitfunkti on und einen zugeordneten Bereich in der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 zwischen ein und drei Ausgänge aus.
Die Ausgänge 32, 34 und 36 übertragen diskrete Signale auf Schaltertreiber 70. In einer bevorzugten Ausführungsform funktionieren die Schaltertreiber 70 zum Auswählen einer von drei Versorgungsspannungen, die in die Hüllkurven nachführende Schaltung 80 eingegeben werden. Deshalb können die Schaltertreiber 70 Steuervorrichtungen, wie z. B. Transistorschalter, umfassen, die Schalter in der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 steuern, die es ermöglichen, dass elektrische Ströme von Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 zu den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110 fließen.
Vorzugsweise umfasst die Hüllkurven nachführende Schaltung 80 zumindest ein Bauelement, wie z. B. einen Operationsverstärker, mit einer Bandbreite, die der Bandbreite der Radiofrequenzhüllkurve an dem Ausgang des Videodetektors 20 entspricht. Die Verwendung eines Operationsverstärkers oder anderen geeigneten Bauelements ermöglicht die Anpassung in den mit den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110 verbundenen Spannungen. Somit werden durch die Wirkungsweise der Schaltertreiber 70 und der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 elektrische Ströme von den Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 gemäß der Hüllkurvenamplitude des Radiofrequenzsignalabtastwerts 15 nachgeführt. Das resultierende Potential wird mit den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110 verbunden, wobei der Beinahsättigungsbetriebszustand jedes Leistungsverstärkers ermöglicht wird.
Es ist vorgesehen, dass die Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 verschiedene Spannungspegel darstellen. In ei nem Beispiel, das die vorliegende Erfindung nicht beschränken soll, kann die Versorgungsspannung 140 elektrischen Strom auf einem Vier-Volt-Potential zur Verfügung stellen. Unterdessen – und auch zu Beispielzwecken – können die Versorgungsspannungen 150 und 160 elektrische Ströme auf einem Sechs- beziehungsweise Sieben-Volt-Potential zur Verfügung stellen. Somit aktiviert der Komparator 30 für niedrige Pegel der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 den Ausgang 32, was die Versorgungsspannung 140 als die Quelle des mit einem Ausgang 82 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 verbundenen Potentials auswählt. Diese Auswahl führt dazu, dass ein elektrischer Strom mit einem Potential, das als eine Zeitfunktion gemäß der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 bis zu dem Vier-Volt-Wert der Versorgungsspannung 140 variiert, mit den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110 verbunden wird. Für dieses Niedrigpegelsignal bleiben die Leistungsverstärker 100 und 110 in einem inaktiven Zustand.
Während der Pegel der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 steigt, aktiviert der Komparator 30 den Ausgang 34, was die Versorgungsspannung 150 zum Verbinden mit dem Ausgang 82 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 auswählt. Das führt dazu, dass ein elektrischer Strom mit einem Potential, das als eine Zeitfunktion bis zu dem Sechs-Volt-Wert der Versorgungsspannung 150 variiert, mit dem Leistungsverstärker 90, 100 und 110 verbunden wird. Für dieses Mittelpegelsignal bleibt der Leistungsverstärker 110 in einem inaktiven Zustand.
Während der Pegel der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 steigt und sich seinem Spitzenwert nähert, aktiviert der Komparator 30 den Ausgang 36, was die Versor gungsspannung 160 zum Verbinden mit dem Ausgang 82 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 auswählt. Das führt dazu, dass ein elektrischer Strom mit einem Potential, das als eine Zeitfunktion bis zu dem Sieben-Volt-Wert der Versorgungsspannung 160 variiert, mit dem Leistungsverstärker 90, 100 und 110 verbunden wird. Für dieses Hochpegelsignal werden alle Leistungsverstärker 90, 100 und 110 aktiviert.
In dem Beispiel der vorangehenden Abschnitte ist angenommen worden, dass die Leistungsverstärker 100 und 110 für einen Teil der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 inaktiv sind. In dem Beispiel bleibt der Leistungsverstärker 110 nur während Hochpegelteilen der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 aktiv. Zusätzlich bleibt der Leistungsverstärker 100 nur während Mittel- und Hochpegelteilen der Hüllkurvenamplitude aktiv. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung, die von anderen Arten von Transistoren oder vielleicht Leistungsverstärkern vom Röhrentyp Gebrauch machen, muss es allerdings nicht unbedingt von Vorteil sein, dass Leistungsverstärker während Teilen der Hüllkurvenamplitude in einen inaktiven Zustand gesetzt werden.
Es versteht sich, dass es die Auswahl der Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 gemäß dem momentanen Pegel der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110 ermöglicht, nahe einem Sättigungspegel zu arbeiten. Wie in der Technik wohl bekannt ist, ermöglicht es der Betrieb eines Leistungsverstärkers auf oder nahe dem Sättigungspegel dem Verstärker bei seinem höchsten Wirkungsgrad zu arbeiten. Durch eine richtige Auswahl von Gatevorspannungen können die Leistungsverstärker 90, 100 und 110 so unter Vorspannung gesetzt werden, dass maximale Leistung auf oder nahe den Werten für die Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 erzielt wird.
Wie vorher erwähnt, wird die Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 auf einen Eingang der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 übertragen. Durch Verbinden der tatsächlichen Hüllkurvenamplitude des Radiofrequenzsignalabtastwerts 15 und das Schalten der durch die Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 erzeugten Potentiale kann der Ausgang 82 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 vorteilhaft zum Aufrechterhalten eines hohen Wirkungsgrads angepasst werden. Diese Anpassung in der Spannung ermöglicht es den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110 in Sättigung zu arbeiten, bevor die obere Grenze der Versorgungsspannung erreicht wird.
Zu Beispielzwecken, die die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen, kann die Hüllkurven nachführende Schaltung 80 auf niedrigen Pegeln der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 eine entsprechend niedrige Spannung mit dem Leistungsverstärker 90, 100 und 110 verbinden. Das ermöglicht es, dass der Leistungsverstärker 90 von sehr niedrigen Pegeln der Hüllkurvenamplitude bis zu einem Wert im Wesentlichen nahe der Vier-Volt-Grenze der Versorgungsspannung 140 auf oder nahe seiner Sättigungsgrenze arbeitet. Ähnlich kann, während der Pegel der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 auf eine Höhe steigt, die ausreicht, damit der Komparator 30 die Versorgungsspannung 150 auswählt, die Hüllkurven nachführende Schaltung 80 einen entsprechenden Spannungspegel mit dem Leistungsverstärker 90, 100 und 110 verbinden, wodurch es den Leistungsverstärkern 90 und 100 ermöglicht wird, bis zu der Sechs-Volt- Grenze der Versorgungsspannung 150 auf oder nahe Sättigung zu arbeiten.
Schließlich kann die Hüllkurven nachführende Schaltung 80, während der Pegel der Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 steigt und sich einem Spitzenwert nähert, einen entsprechenden Spannungspegel mit dem Leistungsverstärker 90, 100 und 110 verbinden, wodurch es dem Leistungsverstärker 90, 100 und 110 ermöglicht wird, bis zu der Sieben-Volt-Grenze der Versorgungsspannung 160 auf oder nahe Sättigung zu arbeiten. Somit werden durch diesen Prozess, bei dem es den Versorgungsspannungen ermöglicht wird, die Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 20 nachzuführen, die Leistungsverstärker 90, 100 und 110 für einen großen Teil der Hüllkurvenamplitude des Radiofrequenzsignalabtastwerts 15 auf oder nahe Sättigung betrieben.
Wie vorher erwähnt erfolgt das Verbinden des Videodetektors 20 mit einer Hüllkurven nachführenden und Gatevorspannungsschaltung 40. Die Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 40 stellt ein Mittel zum Anpassen der an jeden der Leistungsverstärker 90, 100 und 110 angelegten Gatevorspannung zur Verfügung. Diese variable Gatevorspannung ermöglicht es den Leistungsverstärkern 90, 100 und 110, eine stabile Verstärkungsleistung aufrechtzuerhalten, während die an jeden angelegte Drainspannung zum kontinuierlichen Arbeiten auf oder nahe dem Sättigungspegel für jeden angepasst wird. Somit wird, während der Ausgang 82 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 erhöht oder gesenkt wird, um den Wirkungsgrad der Leistungsverstärker 90, 100 und 110 aufrechtzuerhalten, die an jeden angelegte Gatevorspannung vorzugsweise geändert. Zum Beispiel wird ein Ausgang 42 der Hüllkurven nachführenden und Gate vorspannungsschaltung 40 aufwärts angepasst, während der Ausgang 82 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 80 abwärts angepasst wird. Diese Aufwärtsanpassung ermöglicht es, dass der Transkonduktanz (g_m)-Wert des Leistungsverstärkers konstant bleibt, was zu stabiler Verstärkungsleistung des Leistungsverstärkers während Schwankungen in der Drainspannung führt. Auf eine ähnliche Art und Weise stellen Ausgänge 44 und 46 der Hüllkurven nachführenden und Gatevorspannungsschaltung 40 ähnliche Aufwärts- und Abwärtsanpassung der Gatevorspannung auf dem Leistungsverstärker 100 beziehungsweise 110 als Reaktion auf Änderungen in den Drainspannungen dieser Leistungsverstärker zur Verfügung.
Für den Fall, dass andere Arten von Leistungsverstärkern als Leistungsverstärker 90, 100 und 110 verwendet werden, kann die Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 40 so ausgelegt sein, dass sie konstante Transkonduktanz (g_m) gemäß der spezifischen Eigenschaften des gewählten Leistungsverstärkertyps zur Verfügung stellt. Somit kann die Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 40 für den Fall, dass der gewählte Leistungsverstärkertyp Transkonduktanz aufweist, die sich mit Sinken der Drainspannung erhöht, so ausgelegt sein, dass die Gatevorspannung mit Sinken der Drainspannung sinkt, wobei auf diese Art und Weise konstante Transkonduktanz zur Verfügung gestellt wird.
Ein Ausgang von jedem der Leistungsverstärker 90, 100 und 110 ist mit einer Leistung kombinierenden und Anpassungseinheit 120 verbunden. Die Leistung kombinierende und Anpassungseinheit 120 dient dazu, die Leistungsausgänge von jedem der Leistungsverstärker 90, 100 und 110 zu einem einzigen Ausgang zum Verbinden mit einer Radiofrequenzlast 130 zu kombinieren. Die Leistung kombinierende und Anpassungseinheit 120 funktioniert auch, um die Ausgangsimpedanz von jedem der Leistungsverstärker 90, 100 und 110 an eine Standardimpedanz, wie z. B. 50 oder 75 Ohm, anzupassen.
Zwar wurde 1 unter Verwendung einer dreistufigen Hüllkurven nachführenden Schaltung und dreier Leistungsverstärkerelemente erörtert, doch verhindert nichts die Verwendung einer größeren Anzahl an Hüllkurven nachführenden Stufen und Leistungsverstärkerelementen. Somit kann die Erfindung unter Verwendung von M Hüllkurven nachführenden Stufen und N Leistungsverstärkerelementen, wie z. B. mit Bezug auf 2 beschrieben wird, praktiziert werden.
2 ist ein Blockdiagramm einer M-stufigen Hüllkurven nachführenden Schaltung, wobei eine N-Transistorleistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Spannung versorgt wird. Zwar gibt es keine Begrenzung bei der Anzahl M an Hüllkurven nachführenden Stufen, doch wird antizipiert, dass M zwischen zwei und sechs entspricht, obschon eine größere Anzahl verwendet werden kann. In 2 ist ein Radiofrequenzsignal 205 auf einen Koppler 210 einfallend. Das Radiofrequenzsignal 205 kann ein oder mehrere Kommunikationssignale, bestimmt für eine entsprechende Anzahl an Teilnehmern, auf eine Art und Weise umfassen, die mit dem Radiofrequenzsignal 5 von 1 vergleichbar ist.
Der Koppler 210 präsentiert, ähnlich dem Koppler 10 von 1, vorzugsweise eine an das Radiofrequenzsignal 205 angepasste Last. Der Koppler 210 minimiert vorzugsweise die zu der Quelle des Radiofrequenzsignals 205 zurückreflektierte Energie. Somit kann der Koppler 210 konzentrier te oder verteilte Schaltungselemente umfassen, die eine geeignete Anpassung zur Verfügung stellen. Der Koppler 210 überträgt zusätzlich einen Radiofrequenzsignalabtastwert 215 auf einen Videodetektor 220. Somit ist der Radiofrequenzsignalabtastwert 215 eine Variante mit reduzierter Leistung des Radiofrequenzsignals 205, die nur einen kleinen Anteil der in dem Radiofrequenzsignal 205 vorhandenen Energie umfasst.
Der Koppler 210 überträgt den Großteil der in dem Radiofrequenzsignal 205 umfassten Energie auf einen Leistungsverteiler und Anpassungseinheit 250. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Leistungsverteiler und Anpassungseinheit 250 geeignete konzentrierte oder verteilte Elemente, die das Signal von dem Koppler 210 an die Kombination der Eingangsimpedanzen, präsentiert durch die Kombination der N-Anzahl an Leistungsverstärkern (PA) 390, anpassen. Zusätzlich teilt der Leistungsverteiler und Anpassungseinheit 250 das Signal von dem Koppler 210 auf, um ein im Wesentlichen gleiches Verbinden von Radiofrequenzsignalenergie mit jedem der Leistungsverstärker 390 zu ermöglichen.
Ein Videodetektor 220 empfängt den Radiofrequenzsignalabtastwert 215 und ermittelt die Hüllkurvenamplitude des Signals. Der Videodetektor 220 umfasst ähnlich dem Videodetektor 20 von 1 eine Diode und andere passive lineare und/oder nichtlineare Komponenten. Die Hüllkurvenamplitude des Radiofrequenzsignalabtastwerts 215 von dem Videodetektor 220 wird auf einen Komparator 230, eine Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 240 und auf eine Hüllkurven nachführende Schaltung 280 übertragen.
Wie vorher in Bezug auf 2 erwähnt, nimmt der Komparator 230 eine Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 220 an. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Komparator 230 ähnlich dem Komparator 30 von 1. Der Komparator 230 enthält jedoch eine M Anzahl an Ausgängen 232. Somit ist der Komparator 230 im Stande, jeden der Ausgänge 232 als Reaktion auf die Hüllkurvenamplitude von dem Videodetektor 220 zu aktivieren. Somit wählt der Komparator 230 als eine Zeitfunktion und einen zugeordneten Amplitudenbereich in der Hüllkörperamplitude von dem Videodetektor 220 zwischen l und M Anzahl an Ausgängen 232 aus.
Jeder der Ausgänge 232 wird, ähnlich den Funktionen der Schaltertreiber 70 von 1, auf Schaltertreiber 270 übertragen. Die Schaltertreiber 270 wählen eine von N Versorgungsspannungen 340 aus, die in die Hüllkurven nachführende Schaltung 280 eingegeben werden. Deshalb werden durch die Wirkungsweise der Schaltertreiber 270 elektrische Ströme von den Versorgungsspannungen 340 mit jedem der N Leistungsverstärker 390 verbunden.
Es ist vorgesehen, dass jede der Versorgungsspannungen 340 verschiedene Spannungspegel repräsentiert. Somit wird, ähnlich dem Betrieb der Versorgungsspannungen 140, 150 und 160 von 1, jede der Versorgungsspannungen 340 durch einen Ausgang 282 der Hüllkurven nachführenden Schaltung 280 mit den Drains von jedem der Verstärker 390 verbunden. Durch ein Betreiben von jedem der Leistungsverstärker 390 nahe einem Sättigungspegel als Reaktion auf eine Hüllkurvenamplitude kann der Wirkungsgrad von jedem der Leistungsverstärker 390 auf einem hohen Level aufrechterhalten werden. Durch eine richtige Auswahl von Vorspannungen für jeden der Leistungsverstärker 390 kann jedem eine solche Vor spannung zugeführt werden, so dass eine maximale Leistung auf oder nahe den Werten für eine bestimmte der Versorgungsspannungen 340 erreicht wird.
Wie vorher erwähnt, ist der Videodetektor 220 mit der Hüllkurven nachführenden und Gatevorspannungsschaltung 240 verbunden. Die Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 240 stellt ein Mittel zum Anpassen der an jeden der Leistungsverstärker 390 angelegten Gatevorspannung zur Verfügung. Diese variable Gatevorspannung ermöglicht es den Leistungsverstärkern 390, eine stabile Verstärkungsleistung aufrechtzuerhalten, während die an jeden angelegte Drainspannung variiert wird. Die Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 240 arbeitet ähnlich der Hüllkurven nachführenden und Gatevorspannungsschaltung 40 von 1, außer dass die Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung 240 eine N Anzahl an Ausgängen umfasst.
Ein Ausgang von jedem der Leistungsverstärker 390 ist mit einer Leistung kombinierenden und Anpassungseinheit 320 verbunden. Die Leistung kombinierende und Anpassungseinheit 320 dient dazu, die Leistungsausgänge von jedem der Leistungsverstärker 390 zum Verbinden mit einer Radiofrequenzlast 330 zu einem einzigen Ausgang zu kombinieren. Die Leistung kombinierende und Anpassungseinheit 320 funktioniert auch, um die Ausgangsimpedanz von jedem der Leistungsverstärker 390 an eine Standardimpedanz, wie z. B. 50 oder 75 Ohm, anzupassen.
3 ist eine graphische Darstellung des erwarteten Wirkungsgrads versus relativen Radiofrequenzleistungsausgang für die Dreitransistorleistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In 3 stellt eine Kurve 410 den erwarteten Wirkungsgrad der Verstärkerschaltung von 1 dar, wenn unter Verwendung von QPSK (Quadraturphasenumtastungs-) Modulation betrieben. Eine Kurve 400 von 3 stellt den erwarteten Wirkungsgrad dar, wenn die Leistungsverstärker 90, 100 und 110 von 1 für einen B-Betrieb unter Verwendung desselben Modulationsverfahrens unter Vorspannung gesetzt werden. Die vertikale Achse von 3 stellt ein Maß des Wirkungsgrads der zwei Verstärkerschaltungen dar, wobei ein 60-Prozent-Maximum für heute erhältliche Feldeffekttransistoren mit Verarmungsschicht typisch ist. Die horizontale Achse von 3 stellt ein Maß an relativer Radiofrequenzausgangsleistung dar, wobei 0 dBm der maximale Leistungsausgang ist.
Die Signifikanz von 3 liegt in dem Bereich zwischen den Kurven 400 und 410. Es versteht sich, dass eine gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung konstruierte Leistungsverstärkerschaltung zu einer wesentlichen Verbesserung im Wirkungsgrad führt, während der Verstärker auf weniger als seinem maximalen Leistungsausgangspegel betrieben wird. Wenn zum Beispiel der Leistungsausgang der Verstärkerschaltung 10 dB in den Backoffbereich (d. h. 10 dB unter dem maximalen Leistungsausgang) betrieben wird, kann der Wirkungsgrad der Verstärkerschaltung nahe 40 Prozent angenommen werden. Dieser Level an Wirkungsgrad steht in Gegensatz zu der B-Kurve von 3, die einen Wirkungsgrad von etwas weniger als 15 Prozent erwartet.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines durch die Vorrichtung von 1 oder 2 ausgeführten Verfahrens zur Bereitstellung von Leistungsverstärkung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren von 4 beginnt mit einem Schritt 500, wo ein kleiner Anteil von Energie von einem eingehenden Radiofrequenzsignal entnommen wird, um einen Abtastwert des eingehenden Radiofrequenzsignals zu erzeugen. In einem Schritt 510 wird die Hüllkurvenamplitude des eingehenden Radiofrequenzsignalabtastwerts ermittelt. In einem Schritt 520 wird die Hüllkurvenamplitude mit einem vorgegebenen Spannungspegel verglichen. In einem Schritt 530 wird eine Versorgungsspannung ausgewählt und angepasst, um die Verstärker mit Leistung zu versorgen und es jedem zu ermöglichen, nahe Sättigung zu arbeiten.
In einem Schritt 540 wird eine aus der Mehrzahl von Versorgungsspannungen angepasst und anschließend über die Hüllkurven nachführenden Schaltungen mit den Leistungsverstärkerdrains verbunden. In einem Schritt 550 wird die Gatevorspannung von zumindest einem Leistungsverstärker auf Grund der Hüllkurvenamplitude des eingehenden Radiofrequenzsignals modifiziert. In einem Schritt 560 wird das eingehende Radiofrequenzsignal in eine Anzahl von Signalkomponenten aufgeteilt. In einem Schritt 570 werden die eingehenden Signale unter Verwendung zumindest eines Leistungsverstärkers verstärkt. In einem Schritt 580 wird die Ausgangsleistung von jedem der Leistungsverstärker zu einem einzigen Ausgang kombiniert. Das Verfahren endet nach der Durchführung des Schritts 580.
5 ist ein Ablaufdiagramm eines weiteren durch die Vorrichtung von 1 oder 2 ausgeführten Verfahrens zum Bereitstellen von Leistungsverstärkung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren von
5 beginnt bei einem Schritt 600, wo eine Mehrzahl von Kommunikationssignalen in einer Leistungsverstärkerschaltung kombiniert wird, um ein zusammengesetztes Radiofrequenzsignal zu bilden. In einem Schritt 610 wird ein Teil einer Hüllkurvenamplitude mit einer vorgegebenen Spannung verglichen. In einem Schritt 620 wird eine Versorgungsspannung ausgewählt und gemäß einem Teil der in dem Schritt 610 verglichenen Hüllkurvenamplitude angepasst.
In einem Schritt 630 wird ein Zustand eines Steuerschalters als Reaktion auf die Versorgungsspannungsauswahl des Schritts 620 modifiziert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schalter des Schritts 630 auf einen Zustand EIN geschaltet, was es ermöglicht, dass ein Strom auf einem durch die Hüllkurve des zusammengesetzten Radiofrequenzsignals ermittelten Potential durch den Schalter fließt. Die Auswahl von dem Schritt 630 ermöglicht es, dass ein Schritt 640 ausgeführt wird, in dem ein Leistungsverstärker durch einen Strom, der von dem Schalter des Schritts 630 in den Leistungsverstärker des Schritts 640 fließt, ausgewählt wird. In einem Schritt 650 wird die Gatevorspannung von zumindest einem Leistungsverstärker als Reaktion auf die Hüllkurvenamplitude des eingehenden Radiofrequenzsignals beeinflusst. In einem Schritt 660 verstärken ein oder mehrere Leistungsverstärker das eingehende Radiofrequenzsignal, um ein verstärktes zusammengesetztes Signal zu erzeugen. Der Schritt 660 wird unter Verwendung der in dem Schritt 640 ausgewählten Leistungsverstärker durchgeführt. Das Verfahren endet dann nach dem Schritt 660.
Die Leistungsverstärkerschaltung mit hohem Wirkungsgrad mit weitem dynamischem Backoffbereich wie hier be schrieben ermöglicht es einem satelliten- oder erdbasierten Kommunikationsknoten, eine effiziente Leistungsverstärkung über eine Reihe von Ausgangsleistungspegeln zur Verfügung zu stellen. Das ermöglicht es, dass ein satelliten- und erdbasierter Kommunikationsknoten unter Verwendung kleinerer primärer Leistungsquellen errichtet wird, ohne dass verwendbare Radiofrequenzausgangsleistung geopfert wird. Da zusätzlich ein größerer Prozentsatz an verwendbarer Leistung durch eine Kommunikationsantenne übertragen werden kann, kann das zugeordnete Kommunikationssystem unter Verwendung von kleineren und weniger komplizierten Kühleinrichtungen exakt funktionieren. Das kann die Kosten drahtloser satelliten- oder erdbasierter Kommunikationen reduzieren, was diese Dienste für Teilnehmer erschwinglicher macht.
Demgemäß ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die angehängten Ansprüche definiert werden soll.

Claims

Leistungsverstärkerschaltung, die umfasst: eine Mehrzahl von Schaltern (275), wobei ein erstes Ende von jedem der Mehrzahl von Schaltern (275) mit einer entsprechenden von einer Mehrzahl von Versorgungsspannungen (340) verbunden ist; gekennzeichnet durch: eine Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390), wobei ein Drain von jedem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) mit der Mehrzahl von Versorgungsspannungen (340) durch ein zweites Ende des entsprechenden der Mehrzahl von Schaltern (275) verbunden ist; und einen Komparator (230), der auf eine Amplitude einer Radiofrequenzsignalhüllkurve anspricht, wobei der Komparator (230) mit dem zweiten Ende von jedem der Mehrzahl von Schaltern (275) verbunden ist und einen Modus von jedem der Mehrzahl von Schaltern (275) steuert, wodurch ein Versorgungszustand von aktiv oder inaktiv von jedem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) gesteuert wird.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, die zusätzlich einen Videodetektor (220) zum Ermitteln der Amplitude der Radiofrequenzsignalhüllkurve als eine Zeitfunktion und Übertragen der Amplitude auf die Mehrzahl von Schaltern (275) zum Nachführen der Radiofrequenzsignalhüllkurve umfasst.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 2, die zusätzlich eine Hüllkurven nachführende und Gatevorspannungsschaltung (240) umfasst, die mit zumindest einem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) zum Modifizieren einer Gatevorspannung auf Grund der Radiofrequenzsignalhüllkurve verbunden ist.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 2, die zusätzlich einen Koppler (210) zum Entnehmen eines Abtastwerts eines Radiofrequenzsignals (205) und Übertagen des Abtastwerts auf den Videodetektor (220) umfasst.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, die zusätzlich einen Leistungsverteiler und Anpassungseinheit (250) zum Aufteilen eines Radiofrequenzsignals (205) in eine Anzahl von Signalkomponenten und Übertragen der Signalkomponenten auf jeden der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) umfasst.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 5, wobei der Leistungsverteiler und Anpassungseinheit (250) zusätzlich eine Eingangsimpedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) an einen Standardimpedanzwert anpasst.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 1, die zusätzlich eine Leistung kombinierende und Anpassungseinheit (320) zum Kombinieren von Ausgangsleistung von jedem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) umfasst.
Leistungsverstärkerschaltung nach Anspruch 7, wobei die Leistung kombinierende und Anpassungseinheit (320) zusätzlich eine Ausgangsimpedanz von zumindest einem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) an einen Standardimpedanzwert anpasst.
Verfahren zum Verstärken eines zusammengesetzten Signals in einer Leistungsverstärkerschaltung, mit den Schritten: Ermitteln einer Hüllkurvenamplitude eines Radiofrequenzsignals (205); Vergleichen der Hüllkurvenamplitude mit einer Mehrzahl von Spannungspegeln; Auswählen einer von einer Mehrzahl von Versorgungsspannungen (340) basierend auf dem Vergleichsschritt; Verbinden der einen von der Mehrzahl von Versorgungsspannungen (340) mit einer Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) basierend auf dem Auswahlschritt, wodurch ein Versorgungszustand von aktiv oder inaktiv eines jeden der Mehrzahl von Leistungsverstärkern gesteuert wird; und gekennzeichnet durch: Verstärken des Radiofrequenzsignals (205) unter Verwendung einer Anzahl der Mehrzahl von Leistungsverstärkern basierend auf dem Vergleichen des Hüllkurvenschritts.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Auswahlschritt darüber hinaus den Schritt zum Verbinden der Mehrzahl von Versorgungsspannungen (340) mit einem Drain der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ermittlungsschritt darüber hinaus den Schritt zum Entnehmen eines kleinen Anteils von Energie des Radiofrequenzsignals (205) umfasst, um die Hüllkurvenamplitude zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Verstärkungsschritt darüber hinaus den Schritt zum Modifizieren einer Gatevorspannung auf Grund der Hüllkurvenamplitude umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Modifizierungsschritt darüber hinaus den Schritt zum Erhöhen der Gatevorspannung umfasst, wenn ein momentaner Pegel der Hüllkurvenamplitude sinkt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Verstärkungsschritt darüber hinaus den Schritt zum Aufteilen des Radiofrequenzsignals (205) in eine Anzahl von Signalkomponenten und Übertragen der Signalkomponenten auf jeden der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Verstärkungsschritt darüber hinaus den Schritt zum Kombinieren von Ausgangsleistung von jedem der Mehrzahl von Leistungsverstärkern (390) zu einem einzigen Ausgang umfasst.