JP2022183043A - 負荷変調電力増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】広いダイナミックレンジにわたって高い効率が得られる負荷変調電力増幅器及び方法を提供する。【解決手段】負荷変調電力増幅器１０は、受信入力において無線周波数信号（ＲＦ入力信号ＲＦＩＮ）を受信して、出力において増幅無線周波数信号を与える電力増幅器５と、電力増幅器５の出力に結合される制御可能負荷インピーダンス６と、を含む。制御可能負荷インピーダンスは、無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号ＥＮＶを受信する。包絡線信号は、制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御して電力増幅器の出力における負荷を変調するように動作可能である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は電子システムに関し、詳しくは無線周波数（ＲＦ）電子機器に関する。
ＲＦ通信システムにおいて、アンテナを介した送信を目的としてＲＦ信号を増幅するべく電力増幅器が使用される。
一以上の電力増幅器を有するＲＦ通信システムの例は、携帯電話機、タブレット、基地局、ネットワークアクセスポイント、顧客宅内機器（ＣＰＥ）、ラップトップ、及びウェアラブル電子機器を含むがこれらに限られない。例えば、セルラー規格、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）規格、及び／又は任意の他の適切な通信規格を使用して通信する無線デバイスにおいては、ＲＦ信号増幅を目的として電力増幅器を使用することができる。ＲＦ信号は、第５世代（５Ｇ）通信規格の周波数レンジ１（ＦＲ１）のための約４００ＭＨｚ～約７．１２５ＧＨｚの範囲、又は５Ｇ通信規格の周波数レンジ２（ＦＲ２）のための約２４．２５０ＧＨｚ～約７１．０００ＧＨｚの範囲にある、例えば約３０ｋＨｚ～３００ＧＨｚの範囲にある周波数を有し得る。
所定の実施形態において、本開示は携帯デバイスに関する。携帯デバイスは、無線周波数信号、及び当該無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号を生成するべく構成される送受信器と、当該無線周波数信号を増幅するべく構成される負荷変調電力増幅器を含むフロントエンドシステムとを含む。負荷変調電力増幅器は、入力において無線周波数信号を受信して出力において増幅無線周波数信号を与えるべく構成される電力増幅器と、当該電力増幅器の出力に結合される制御可能負荷インピーダンスとを含む。包絡線信号は、制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御して電力増幅器の出力における負荷を変調するように動作可能である。
様々な実施形態において、送受信器は、較正データに基づいて包絡線信号を整形するべく構成される整形回路を含む。一定数の実施形態によれば、整形回路は、平坦な利得対入力電力特性を電力増幅器に与えるように動作可能である。
いくつかの実施形態において、制御可能負荷インピーダンスは、包絡線信号によって制御される制御可能キャパシタと、電力増幅器の出力に結合される第１巻線、及び当該制御可能キャパシタに結合される第２巻線を有する出力バランとを含む。一定数の実施形態によれば、電力増幅器は、入力バランと、当該入力バランと出力バランとの間に結合される一対の増幅器とを含む。様々な実施形態によれば、第２巻線は、増幅無線周波数信号を出力する第１端子と、制御可能キャパシタに結合される第２端子とを含む。いくつかの実施形態によれば、制御可能キャパシタは、バイポーラトランジスタと、当該バイポーラトランジスタのコレクタに結合される負荷キャパシタとを含み、包絡線信号は、当該バイポーラトランジスタのベースを制御するべく動作可能である。一定数の実施形態によれば、制御可能負荷インピーダンスは、インダクタと、包絡線信号によって制御されるキャパシタンスを有する制御可能キャパシタとの直列結合を含む。
様々な実施形態において、携帯デバイスはさらに、増幅無線周波数信号を送信するべく動作可能なアンテナを含む。
所定の実施形態において、本開示は負荷変調電力増幅器システムに関する。負荷変調電力増幅器システムは、入力において無線周波数信号を受信して出力において増幅無線周波数信号を与えるように構成される電力増幅器を含む。負荷変調電力増幅器システムはさらに、電力増幅器の出力に結合される制御可能負荷インピーダンスを含み、当該制御可能負荷インピーダンスは、無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号を受信するように構成される。包絡線信号は、制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御して電力増幅器の出力における負荷を変調するように動作可能である。
いくつかの実施形態において、制御可能負荷インピーダンスは、包絡線信号によって制御される制御可能キャパシタと、電力増幅器の出力に結合される第１巻線、及び当該制御可能キャパシタに結合される第２巻線を有する出力バランとを含む。一定数の実施形態によれば、電力増幅器は、入力バランと、当該入力バランと出力バランとの間に結合される一対の増幅器とを含む。様々な実施形態によれば、第２巻線は、増幅無線周波数信号を出力する第１端子と、制御可能キャパシタに結合される第２端子とを含む。いくつかの実施形態によれば、制御可能キャパシタは、バイポーラトランジスタと、当該バイポーラトランジスタのコレクタに結合される負荷キャパシタとを含み、包絡線信号は、当該バイポーラトランジスタのベースを制御するべく動作可能である。
様々な実施形態において、制御可能負荷インピーダンスは、インダクタと、包絡線信号によって制御されるキャパシタンスを有する制御可能キャパシタとの直列結合を含む。
所定の実施形態において、本開示は、携帯デバイスにおける増幅の方法に関する。方法は、送受信器を使用して無線周波数信号と、当該無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号とを生成することを含む。方法はさらに、電力増幅器を使用して無線周波数信号を増幅することを含み、これは、当該電力増幅器の入力において当該無線周波数信号を受信して当該電力増幅器の出力において増幅無線周波数信号を与えることを含む。方法はさらに、電力増幅器の出力に結合される制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御するべく、包絡線信号を使用して当該電力増幅器の負荷を変調することを含む。
様々な実施形態において、方法はさらに、較正データに基づいて包絡線信号を整形することによって電力増幅器を較正することを含む。一定数の実施形態によれば、電力増幅器を較正することは、平坦な利得対入力電力特性を与えることを含む。
いくつかの実施形態において、電力増幅器の負荷を変調することは、出力バランに結合される制御可能キャパシタのキャパシタンスを制御することを含む。一定数の実施形態によれば、方法はさらに、出力バランの第１巻線に増幅無線周波数信号を与えることを含み、制御可能キャパシタは当該出力バランの第２巻線に結合される。
本開示の実施形態が、添付図面を参照する非限定的な例を介して以下に記載される。
一実施形態の負荷変調電力増幅器の模式的な図である。 他実施形態の負荷変調電力増幅器の模式的な図である。 一実施形態の負荷変調電力増幅器システムの模式的な図である。 他実施形態の負荷変調電力増幅器システムの模式的な図である。 他実施形態の負荷変調電力増幅器システムの模式的な図である。 負荷変調電力増幅器のための、一実施形態の制御可能キャパシタの模式的な図である。 負荷変調電力増幅器のための、一実施形態の制御可能キャパシタの模式的な図である。 負荷変調電力増幅器のためのコレクタインピーダンス対制御電圧のスミスチャートの一例である。 負荷変調電力増幅器のための利得対出力電力プロットの一例のグラフである。 負荷変調電力増幅器のための、電力付加効率（ＰＡＥ）対出力電力プロットの一例のグラフである。 負荷変調電力増幅器のための利得対出力電力プロットの一例のグラフである。 負荷変調電力増幅器のためのＰＡＥ対出力電力プロットの他例のグラフである。 一実施形態の携帯デバイスの模式的な図である。 一実施形態のパッケージモジュールの模式的な図である。 図１２Ａの１２Ｂ－１２Ｂ線に沿ったパッケージモジュールの断面の模式的な図である。 ＲＦ信号を送信する通信システムの一実施形態の模式的な図である。
所定の実施形態の以下の詳細な説明は、特定の実施形態の様々な記載を提示する。しかしながら、ここに記載されるイノベーションは、例えば特許請求の範囲により画定かつカバーされる数多くの異なる態様で具体化することができる。本明細書において、同じ参照番号が同一の又は機能的に同様の要素を示す図面が参照される。理解されることだが、図面に示される要素は必ずしも縮尺どおりとは限らない。さらに理解されることだが、所定の実施形態は、図面に示されるよりも多くの要素、及び／又は図面に示される要素の部分集合を含み得る。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴の任意の適切な組み合わせも含み得る。
負荷変調電力増幅器がここに与えられる。所定の実施形態において、負荷変調電力増幅器は、無線周波数（ＲＦ）入力信号を増幅する電力増幅器と、当該電力増幅器の出力に結合される負荷インピーダンスとを含む。負荷インピーダンスは、負荷変調を電力増幅器の出力に与えるべく、ＲＦ入力信号の包絡線に基づいて制御される。この態様で負荷インピーダンス変調を与えることにより、広いダイナミックレンジにわたって高い効率が得られる。
所定の実装例において、負荷インピーダンスは出力バランを含み、この出力バランは、互いに電磁的に結合される第１巻線及び第２巻線を含む。付加的に、電力増幅器の出力が、第１巻線の第１端子に結合される（又は出力が第１巻線の２つの端子に結合されるプッシュプル構成にされる）一方、増幅されたＲＦ信号が第２巻線の第１端子から出力される。負荷インピーダンスはさらに、第２巻線の第２端子に結合される制御可能キャパシタを含む。この制御可能キャパシタは、ＲＦ信号の包絡線によって制御されるキャパシタンスを有する。
すなわち、負荷変調を、バランの二次ポートにおいて終端キャパシタのインピーダンスを掃引することによって行うことができる。所定の実装例において、終端キャパシタは、送受信器からのアナログ包絡線制御信号によって制御され、これは、アイソゲイン（ｉｓｏｇａｉｎ）のような所望の利得及び／又は効率特性を達成することによって較正することができる。
所定の実装例において、負荷インピーダンスは、キャパシタに結合されるコレクタと包絡線信号によって制御されるベースとを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）スイッチを含む。付加的に、ＨＢＴスイッチは、スイッチが開のときに達成される最高負荷ラインとスイッチが閉のときに最高包絡線電圧レベルにおいて達成される最低負荷ラインとを有する可変抵抗器として動作する。かかる構成において、最低損失が最高負荷ラインにおいて達成され、この最高負荷ラインは、５Ｇ通信において使用されるもののような高いピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）波形の変調される効率にとって有益となる。
包絡線追跡器が包絡線信号に基づいて電力増幅器の供給電圧を制御する電力増幅器と比較すると、負荷変調電力増幅器は、包絡線信号に基づいて制御される負荷インピーダンスを有する。この態様で負荷変調を与えることにより、包絡線追跡増幅器よりも複雑性が低い一方で所望の性能を目的として包絡線信号を生成及び較正する回路を活用する高効率電力増幅器が得られる。
例えば、負荷変調電力増幅器は、例えば、９３％以上の効率で動作する電力管理ユニット（ＰＭＵ）のような高効率ＤＣ／ＤＣ変換器によって電力を受けることができる。かかるＰＭＵは、例えば、（非ゼロのニー電圧ゆえに高い供給電圧において電力増幅器効率が良好となり得る）５．５Ｖ＋２．５～３．０Ｖにわたって平均電力追跡（ＡＰＴ）を使用して動作することができる。これとは対照的に、包絡線追跡システムは、（非ゼロのニー電圧ゆえに低い供給電圧において電力増幅器効率が悪化し得る）ほぼ２．５～３．０Ｖの供給電圧で、ほんの８０％の効率しか有しない。ＰＭＵはここでは、電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）とも称する。
負荷変調電力増幅器は、基地局、ネットワークアクセスポイント、携帯電話機、タブレット、顧客宅内機器（ＣＰＥ）、ラップトップ、コンピュータ、ウェアラブル電子機器、及び／又は他の通信デバイスを含むがこれらに限られない多種多様なＲＦ通信システムに含まれてよい。
図１は、一実施形態の負荷変調電力増幅器１０の模式的な図である。負荷変調電力増幅器１０は、電力増幅器５及び制御可能負荷インピーダンス６を含む。負荷変調電力増幅器１０は、ＲＦ入力信号ＲＦＩＮを増幅してＲＦ出力信号ＲＦＯＵＴを生成する。
負荷変調電力増幅器１０は、ＲＦ入力信号ＲＦＩＮの包絡線に関連して変化する包絡線信号ＥＮＶを受信する。包絡線信号ＥＮＶは、制御可能負荷インピーダンス６のインピーダンスを制御するべく使用される。例えば、この実施形態において、制御可能負荷インピーダンス６は、インダクタ８と制御可能キャパシタ７との直列結合を含み、包絡線信号ＥＮＶは、制御可能キャパシタ７のキャパシタンスを制御するべく使用される。制御可能負荷インピーダンスの一例が描かれるにもかかわらず、ここでの教示は、制御可能負荷インピーダンスの他実装例にも適用可能である。
図２は、他実施形態の負荷変調電力増幅器２０の模式的な図である。図２の負荷変調電力増幅器２０は図１の負荷変調電力増幅器１０と同様であるが、図２の負荷変調電力増幅器２０が、異なる実装の制御可能負荷インピーダンス１６を含む点が異なる。
詳しくは、制御可能負荷インピーダンス１６はバラン１８及び制御可能キャパシタ７を含む。電力増幅器５の出力がバラン１８の第１巻線を駆動する。付加的に、バラン１８の第２巻線の第１端子がＲＦ出力信号ＲＦＯＵＴを出力する一方、第２巻線の第２端子が制御可能キャパシタ７に結合される。制御可能キャパシタ７は、包絡線信号ＥＮＶによって制御される。
制御可能キャパシタ７の値を変化させることによって、第２巻線のインダクタンスの一部が有効に共振し、これによりバラン１８の巻数比が有効に変化する。
図３は、一実施形態の負荷変調電力増幅器システム４０の模式的な図である。負荷変調電力増幅器システム４０は、負荷変調電力増幅器２５、帯域スイッチング及びチューニング回路２６、並びにアンテナ３を含む。
図示の実施形態において、負荷変調電力増幅器２５は、駆動器増幅器３１、入力バラン３２、第１出力増幅器３３、第２出力増幅器３４、並びに、出力バラン１８及び制御可能キャパシタ７を含む制御可能負荷インピーダンス１６を含む。
負荷変調電力増幅器２５は、この実施形態において、プッシュプル増幅器として実装される。付加的に、第１出力増幅器３３の出力がバラン１８の第１巻線の第１端子に接続される一方、第２出力増幅器３４の出力がバラン１８の第１巻線の第２端子に接続される。
図４Ａは、他実施形態の負荷変調電力増幅器システム１１０の模式的な図である。負荷変調電力増幅器システム１１０は、出力バラン１８、電力増幅器ダイ１０１、スイッチダイ１０２、包絡線生成器ダイ１０３、及び駆動器ダイ１０４を含む。電力増幅器ダイ１０１は、駆動器増幅器３１、入力バラン３２、第１出力増幅器３３、第２出力増幅器３４、及び制御可能キャパシタ７を含む。スイッチダイ１０２はキャパシタ１０７及びスイッチ１０８を含む。さらに、包絡線生成器ダイ１０３は、駆動器ダイ１０４に与えられる差動包絡線信号ＥＮＶＤＩＦＦを整形する整形回路１０５を含む。駆動器ダイ１０４は、差動包絡線信号ＥＮＶＤＩＦＦを受信する増幅器１０６を含む。これは、制御可能キャパシタ７を制御する包絡線制御信号ＥＮＶを出力する。
負荷変調電力増幅器システム１１０は、制御可能キャパシタ７のための包絡線制御信号を、プッシュプル増幅器によって増幅されるＲＦ入力信号に対して整合及び整形するシステムレベル較正によって動作することができる。
図４Ｂは、他実施形態の負荷変調電力増幅器システム１２０の模式的な図である。負荷変調電力増幅器システム１２０は、出力バラン１８、電力増幅器ダイ１１１、スイッチダイ１１２、包絡線生成器ダイ１０３、及び駆動器ダイ１０４を含む。
図４Ｂの負荷変調電力増幅器システム１２０は図４Ａの負荷変調電力増幅器システム１１０と同様であるが、負荷変調電力増幅器システム１２０が、制御可能キャパシタ７がスイッチダイ１１２上に存在する実装例を示す点が異なる。スイッチダイ１１２が典型的にシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）プロセスを使用して実装され、電力増幅器ダイ１１１が化合物半導体プロセス（例えばＧａＡｓ）を使用して実装されるので、制御可能キャパシタ７をスイッチダイ１１２上に配置することにより、高い品質係数（Ｑ値）のキャパシタを得ることが支援される。
図５Ａは、負荷変調電力増幅器のための、一実施形態の制御可能キャパシタ２１０の模式的な図である。制御可能キャパシタ２１０は、バイポーラトランジスタ２０１（例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタすなわちＨＢＴ）、ベース抵抗器２０２、ベースキャパシタ２０３、及び負荷キャパシタ２０４を含む。バイポーラトランジスタ２０１のベースが、（包絡線追跡器からベース抵抗器２０２を介して受信される）包絡線信号ＥＮＶによって制御される一方、バイポーラトランジスタ２０１のエミッタは接地される。負荷キャパシタ２０４は、バイポーラトランジスタ２０１のコレクタと、（例えば、電力増幅器によって駆動される出力バランに対する終端キャパシタとしての役割を果たすことによって）電力増幅器に負荷を与える負荷端子ＬＤとの間に結合される。ベースキャパシタ２０３は、バイポーラトランジスタ２０１のベースと、グランドとの間に接続される。
バイポーラトランジスタ２０１は、包絡線信号ＥＮＶが低のときに達成される最高負荷ラインを備え、かつ、包絡線信号ＥＮＶが高のときに達成される最低負荷ラインを備えた可変抵抗器として動作する。最高負荷ラインにおいて最低損失が達成される。これは、高いＰＡＰＲ波形の修正された効率にとって有益となる。
図５Ｂは、負荷変調電力増幅器のための、一実施形態の制御可能キャパシタ２２０の模式的な図である。制御可能キャパシタ２２０は、（電力増幅器に負荷を与える）負荷端子ＬＤとグランドとの間に互いに並列に接続される複数の制御可能キャパシタセル２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、…、２１１ｎを含む。
図５Ｂに示されるように、制御可能キャパシタセル２１１ａが、バイポーラトランジスタ２０１ａ、ベース抵抗器２０２ａ、ベースキャパシタ２０３ａ、負荷キャパシタ２０４ａ、クランプダイオード２０５ａ、及びクランプ抵抗器２０６ａを含む。バイポーラトランジスタ２０１ａのベースが、ベース抵抗器２０２ａを介して受信される包絡線信号ＥＮＶによって制御される一方、バイポーラトランジスタ２０１ａのエミッタは接地される。負荷キャパシタ２０４ａは、バイポーラトランジスタ２０１ａのコレクタと、負荷端子ＬＤとの間に結合される。ベースキャパシタ２０３ａは、バイポーラトランジスタ２０１ａのベースと、グランドとの間に接続される。付加的に、クランプダイオード２０５ａ及びクランプ抵抗器２０６ａは、バイポーラトランジスタ２０１ａのベースと、グランドとの間に直列に接続される。キャパシタ２０３ａは、クランプダイオード２０５ａとクランプ抵抗器２０６ａとの直列結合に対して並列である。
引き続き図５Ｂを参照すると、制御可能キャパシタセル２１１ｂが、バイポーラトランジスタ２０１ｂ、ベース抵抗器２０２ｂ、ベースキャパシタ２０３ｂ、負荷キャパシタ２０４ｂ、クランプダイオード２０５ｂ、クランプ抵抗器２０６ｂ、ダイオードバイアス抵抗器２０７ｂ、及びショットキーダイオード２０８ｂ１を含む。付加的に、制御可能キャパシタセル２１１ｃが、バイポーラトランジスタ２０１ｃ、ベース抵抗器２０２ｃ、ベースキャパシタ２０３ｃ、負荷キャパシタ２０４ｃ、クランプダイオード２０５ｃ、クランプ抵抗器２０６ｃ、ダイオードバイアス抵抗器２０７ｃ、並びにショットキーダイオード２０８ｃ１及び２０８ｃ２を含む。さらに、制御可能キャパシタセル２１１ｎが、バイポーラトランジスタ２０１ｎ、ベース抵抗器２０２ｎ、ベースキャパシタ２０３ｎ、負荷キャパシタ２０４ｎ、クランプダイオード２０５ｎ、クランプ抵抗器２０６ｎ、ダイオードバイアス抵抗器２０７ｎ、並びにショットキーダイオード２０８ｎ１、２０８ｎ２、…、２０８ｎｍを含む。
４つの制御可能キャパシタセルが描かれるにもかかわらず、任意数の制御可能キャパシタセルが含まれてもよい。図５Ｂに示されるように、付加的な制御可能キャパシタセルはそれぞれが、先行制御可能キャパシタと比べて付加的なショットキーダイオードを含む。
図６は、負荷変調電力増幅器のためのコレクタインピーダンス対制御電圧のスミスチャートの一例である。この例において、包絡線制御電圧（ＶＣＴＲＬ）が０．７Ｖから２．１Ｖまで変化すると負荷インピーダンスにおいて２ｘ変化（二倍）を超える変化が達成される。
図７は、負荷変調電力増幅器のための利得対出力電力プロットの一例のグラフである。
図８は、負荷変調電力増幅器のための、電力付加効率（ＰＡＥ）対出力電力プロットの一例のグラフである。
図７及び図８を参照すると、グラフは、０．３ｄＢのバラン損失を有する２段プッシュプル電力増幅器の一実装例に関する。
ウォーターフォール曲線が、（例えば、包絡線整形回路における整形値を選択することによって）包絡線較正を使用してアイソゲイン（ｉｓｏｇａｉｎ）を達成するために示される例示的な値とともに描かれる。
図９は、負荷変調電力増幅器のための利得対出力電力プロットの一例のグラフである。
図１０は、負荷変調電力増幅器のためのＰＡＥ対出力電力プロットの他例のグラフである。
図９及び図１０を参照すると、この例において、６ｄＢのダイナミックレンジにわたって極めて平坦なＰＡＥが達成される。
図１１は、一実施形態の携帯デバイス８００の模式的な図である。携帯デバイス８００は、ベース帯域システム８０１、送受信器８０２、フロントエンドシステム８０３、アンテナ８０４、電力管理システム８０５、メモリ８０６、ユーザインタフェイス８０７、及び電池８０８を含む。
携帯デバイス８００は、２Ｇ、３Ｇ、４Ｇ（ＬＴＥ、ＬＴＥアドバンスト、及びＬＴＥアドバンストプロ）、５ＧＮＲ、ＷＬＡＮ（例えばＷｉＦｉ）、ＷＰＡＮ（例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）及びＺｉｇＢｅｅ（登録商標））、ＷＭＡＮ（例えばＷｉＭａｘ）、及び／又はＧＰＳ技術を含むがこれらに限られない多種多様な通信技術を使用して通信するように使用することができる。
送受信器８０２は、送信のためのＲＦ信号を生成し、アンテナ８０４から受信した入来ＲＦ信号を処理する。理解されることだが、ＲＦ信号の送信及び受信に関連付けられる様々な機能は、図１１においてまとめて送受信器８０２として代表される一以上のコンポーネントによって達成することができる。一例において、所定タイプのＲＦ信号を取り扱うべく別個のコンポーネント（例えば別個の回路又はダイ）を設けてもよい。
フロントエンドシステム８０３は、アンテナ８０４に送信し及び／又はアンテナ８０４から受信する信号のコンディショニングを支援する。図示される実施形態において、フロントエンドシステム８０３は、アンテナチューニング回路８１０、複数の電力増幅器（ＰＡ）８０１、複数の低雑音増幅器（ＬＮＡ）８１２、複数のフィルタ８１３、複数のスイッチ８１４、及び信号分割／結合回路８１５を含む。しかしながら、他の実装例も可能である。
例えば、フロントエンドシステム８０３は、送信信号の増幅、受信信号の増幅、信号のフィルタリング、異なる帯域間のスイッチング、異なる電力モード間のスイッチング、送信モード及び受信モード間のスイッチング、信号のデュプレクシング、信号のマルチプレクシング（例えばダイプレクシング又はトライプレクシング）、又はこれらの何らかの組み合わせを含むがこれらに限られない一定数の機能を与えることができる。
複数の電力増幅器８１１の少なくとも一つは、ここでの教示に係る負荷変調電力増幅器として実装される。携帯デバイス８００が一以上の負荷変調電力増幅器を実装し得る一実施形態の通信システムを示すにもかかわらず、ここでの教示は、広範囲のシステムに適用可能である。したがって、他の実装例も可能である。
所定の実装例において、携帯デバイス８００は、キャリアアグリゲーションをサポートするので、ピークデータレートを増加させる柔軟性が得られる。キャリアアグリゲーションは、周波数分割デュプレクシング（ＦＤＤ）及び時間分割デュプレクシング（ＴＤＤ）の双方に使用することができるので、複数のキャリア又はチャネルを集約（アグリゲーション）するべく使用してよい。キャリアアグリゲーションは、同じ動作周波数帯域内に連続キャリアが集約される連続アグリゲーションを含む。キャリアアグリゲーションは不連続でもよく、共通帯域内又は異なる帯域内で周波数が分離したキャリアを含んでもよい。
複数のアンテナ８０４は、多種多様なタイプの通信のために使用されるアンテナを含み得る。例えば、アンテナ８０４は、多種多様な周波数及び通信規格に関連付けられる信号の送信及び／又は受信のためのアンテナを含み得る。
所定の実装例において、アンテナ８０４は、ＭＩＭＯ通信及び／又はスイッチ式ダイバーシティ通信をサポートする。例えば、ＭＩＭＯ通信は、単数の無線周波数チャネルを経由して多重データストリームを通信する多重アンテナを使用する。ＭＩＭＯ通信は、無線環境の空間的多重化（マルチプレクシング）に起因して高信号対雑音比、改善されたコーディング、及び／又は信号干渉低減からの利益を受ける。スイッチ式ダイバーシティとは、特定の時刻に動作する特定のアンテナが選択される通信を言及する。例えば、観測ビット誤り率及び／又は信号強度指標のような様々な因子に基づいて一群のアンテナから特定のアンテナを選択するようにスイッチを使用することができる。
携帯デバイス８００は、所定の実装例においてビームフォーミングとともに動作し得る。例えば、フロントエンドシステム８０３は、制御可能利得を有する増幅器と、アンテナ８０４を使用する信号の送信及び／又は受信のためのビームフォーミング及び指向性を与えるべく制御可能な位相を有する位相シフタとを含み得る。例えば、信号送信の文脈において、アンテナ８０４に与えられる送信信号の振幅及び位相が、アンテナ８０４から放射される信号が建設的及び破壊的な干渉を使用して結合されるように、制御され、所与の方向に伝播する強い信号強度を有するビームのような品質を示す集約送信信号が生成される。信号受信の文脈において、振幅及び位相は、信号が特定の方向からアンテナ８０４に到達するときに多くの信号エネルギーが受信されるように制御される。所定の実装例において、アンテナ８０４は、ビームフォーミングを強化するべく一以上のアレイのアンテナ素子を含む。
ベース帯域システム８０１は、音声及びデータのような様々なユーザ入出力（Ｉ／Ｏ）の処理を容易にするユーザインタフェイス８０７に結合される。ベース帯域システム８０１は、送受信器８０２に送信信号のデジタル表現を与え、これを送受信器８０２が処理して送信用のＲＦ信号が生成される。ベース帯域システム８０１はまた、送受信器８０２により与えられる受信信号のデジタル表現も処理する。図１１に示されるように、携帯デバイス８００の動作を容易にするべく、ベース帯域システム８０１がメモリ８０６に結合される。
メモリ８０６は、携帯デバイス８００の動作を容易にするべく及び／又はユーザ情報の格納を与えるべく、データ及び／又は命令の格納のような多種多様な目的のために使用することができる。
電力管理システム８０５は、携帯デバイス８００の一定数の電力管理機能を与える。所定の実装例において、電力管理システム８０５は、複数の電力増幅器８１１の供給電圧を制御するＰＡ供給制御回路を含む。例えば、電力管理システム８０５は、電力付加効率（ＰＡＥ）のような効率を改善するべく複数の電力増幅器８１１のうちの一以上に与えられる供給電圧を変化させるように構成してよい。
図１１に示されるように、電力管理システム８０５は、電池８０８から電池電圧を受信する。電池８０８は、携帯デバイス８００における使用のための、例えばリチウムイオン電池を含む任意の適切な電池としてよい。
図１２Ａは、一実施形態のパッケージモジュール９００の模式的な図である。図１２Ｂは、図１２Ａの１２Ｂ－１２Ｂ線に沿ったパッケージモジュール９００の断面の模式的な図である。
パッケージモジュール９００は、無線周波数コンポーネント９０１、半導体ダイ９０２、表面実装デバイス９０３、ワイヤボンド９０８、パッケージ基板９２０、及び封入構造物９４０を含む。パッケージ基板９２０は、中に配置された導体から形成されるパッド９０６を含む。付加的に、半導体ダイ９０２はピン又はパッド９０４を含み、ワイヤボンド９０８は、ダイ９０２のパッド９０４をパッケージ基板９２０のパッド９０６に接続するべく使用される。
半導体ダイ９０２は、ここでの実施形態のいずれかに従って実装され得る負荷変調電力増幅器９４５を含む。
パッケージング基板９２０は、例えば表面実装キャパシタ及び／又はインダクタを含む無線周波数コンポーネント９０１、半導体ダイ９０２、及び表面実装デバイス９０３のような複数のコンポーネントを受容するように構成される。一実装例において、無線周波数コンポーネント９０１は集積受動デバイス（ＩＰＤ）を含む。
図１２Ｂに示されるように、パッケージモジュール９００は複数のコンタクトパッド９３２を含む。複数のコンタクトパッド９３２は、パッケージモジュール９００の、半導体ダイ９０２を取り付けるべく使用される側の反対側に配置される。パッケージモジュール９００をこの態様で構成することにより、携帯デバイスの電話機基板のような回路基板にパッケージモジュール９００を接続することが補助され得る。コンタクトパッド９３２の例は、無線周波数信号、バイアス信号、及び／又は電力（例えば電力供給電圧及びグランド）を半導体ダイ９０２及び／又は他のコンポーネントに与えるように構成することができる。図１２Ｂに示されるように、コンタクトパッド９３２と半導体ダイ９０２との電気接続は、パッケージ基板９２０を介した接続部９３３によって容易となり得る。接続部９３３は、多層積層パッケージ基板のビア及び導体に関連付けられる接続部のような、パッケージ基板９２０を通るように形成される電気経路を表し得る。
いくつかの実施形態において、パッケージモジュール９００はまた、例えば保護を与え及び／又は取り扱いを容易にする一以上のパッケージ構造物を含み得る。かかるパッケージ構造物は、コンポーネント及びダイが配置されるパッケージ基板９２０の上に形成されるオーバーモールド又は封入構造物９４０を含み得る。
理解されることだが、パッケージモジュール９００がワイヤボンドに基づく電気接続の文脈で描かれるにもかかわらず、本開示の一以上の特徴は、例えばフリップチップ構成のような他のパッケージ構成に実装することもできる。
図１３は、ＲＦ信号を送信する通信システム１１３０の一実施形態の模式的な図である。通信システム１１３０は、ベース帯域プロセッサ１１０７、信号遅延回路１１０８、デジタルプリディストーション（ＤＰＤ）回路１１０９、Ｉ／Ｑ変調器１１１０、観測受信器１１１１、相互変調検出回路１１１２、電力増幅器１１１３、方向性結合器１１１４、デュプレクシング及びスイッチング回路１１１５、アンテナ１１１６、包絡線遅延回路１１２１、座標回転デジタル計算（ＣＯＲＤＩＣ）回路１１２２、整形回路１１２３、デジタル／アナログ変換器１１２４、並びに再構成フィルタ１１２５を含む。
図１３の通信システム１１３０は、ここでの教示に係る負荷変調電力増幅器を含むＲＦシステムの一例を示す。しかしながら、負荷変調電力増幅器は、多種多様なＲＦシステムにおいて使用することができる。
ベース帯域プロセッサ１１０７は、所望の振幅、周波数及び位相の正弦波又は正弦信号の信号成分に対応するＩ信号及びＱ信号を生成するべく動作する。例えば、Ｉ信号は正弦波の同相成分を表すべく使用され、Ｑ信号は正弦波の直角位相成分を表すべく使用される、これらにより正弦波の等価表現が与えられる。所定の実装例において、Ｉ信号及びＱ信号は、デジタル形式でＩ／Ｑ変調器１１１０に与えられる。ベース帯域プロセッサ１１０７は、ベース帯域信号を処理するべく構成される任意の適切なプロセッサとしてよい。例えば、ベース帯域プロセッサ１１０７は、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、プログラミング可能コア、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る。
信号遅延回路１１０８は、Ｉ信号及びＱ信号に調整可能な遅延を与え、包絡線信号とＲＦ信号ＲＦＩＮとの相対的な整合性の制御を補助する。信号遅延回路１１０８が与える遅延量は、相互変調検出回路１１１２が検出する相互変調量に基づいて制御される。
ＤＰＤ回路１１０９は、信号遅延回路１１０８からの遅延されたＩ信号及びＱ信号にデジタル整形を与え、デジタルプリディストーション（ＤＰＤ）されたＩ信号及びＱ信号を生成するように動作する。図示の実施形態において、ＤＰＤ回路１１０９が与えるプリディストーションは、相互変調検出回路１１１２が検出する相互変調量に基づいて制御される。ＤＰＤ回路１１０９は、電力増幅器１１１３のディストーションを低減し及び／又は電力増幅器１１１３の効率を増加させる役割を果たす。
Ｉ／Ｑ変調器１１１０は、デジタルプリディストーションされたＩ信号及びＱ信号を受信し、これらの信号はＲＦ信号ＲＦＩＮを生成するべく処理される。例えば、Ｉ／Ｑ変調器１１１０は、デジタルプリディストーションされたＩ信号及びＱ信号をアナログ形式に変換するように構成されるＤＡＣ、アナログＩ信号及びＱ信号を無線周波数にアップコンバートする混合器、並びに、アップコンバートされたＩ信号及びＱ信号を結合して電力増幅器１１１３が増幅するのに適切なＲＦ信号にする信号結合器を含み得る。所定の実装例において、Ｉ／Ｑ変調器１１１０は、処理される信号の周波数成分をフィルタリングするべく構成される一以上のフィルタを含み得る。
包絡線遅延回路１１２１は、ベース帯域プロセッサ１１０７からのＩ信号及びＱ信号を遅延させる。付加的に、ＣＯＲＤＩＣ回路１１２２は、遅延されたＩ信号及びＱ信号を処理し、ＲＦ信号ＲＦＩＮの包絡線を代表するデジタル包絡線信号を生成する。図１３がＣＯＲＤＩＣ回路１１２２を使用する一実装例を示すにもかかわらず、包絡線信号を他の態様で取得することもできる。
整形回路１１２３は、通信システム１１３０の性能を高めるべくデジタル包絡線信号を整形するように動作する。所定の実装例において、整形回路１１２３は、デジタル包絡線信号の各レベルを対応する整形される包絡線信号レベルにマッピングする整形表を含む。包絡線整形は、電力増幅器１１１３の線形性、ディストーション、及び／又は効率の制御に役立ち得る。
図示の実施形態において、整形された包絡線信号は、ＤＡＣ１１２４によってアナログ包絡線信号に変換されたデジタル信号である。付加的に、アナログ包絡線信号は、再構成フィルタ１１２５によってフィルタリングされ、電力増幅器１１１３の負荷を変調するのに適切な包絡線信号が生成される。所定の実装例において、再構成フィルタ１１２５は低域通過フィルタを含む。
引き続き図１３を参照すると、電力増幅器１１１３が、Ｉ／Ｑ変調器１１１０からＲＦ信号ＲＦＩＮを受信し、増幅されたＲＦ信号ＲＦＯＵＴを、この例ではデュプレクシング及びスイッチング回路１１１５を介してアンテナ１１１６に与える。
方向性結合器１１１４が電力増幅器１１１３の出力とデュプレクシング及びスイッチング回路１１１５の入力との間に配置されることにより、デュプレクシング及びスイッチング回路１１１５の挿入損失を含まない電力増幅器１１１３の出力電力測定が許容される。方向性結合器１１１４から検知された出力信号が観測受信器１１１１に与えられる。観測受信器１１１１は、ダウンコンバートされたＩ信号及びＱ信号を生成する混合器、並びに当該ダウンコンバートされた信号からＩ観測信号及びＱ観測信号を生成するＤＡＣを含み得る。
相互変調検出回路１１１２は、Ｉ観測信号及びＱ観測信号とベース帯域プロセッサ１１０７からのＩ信号及びＱ信号との相互変調積を決定する。付加的に、相互変調検出回路１１１２は、ＤＰＤ回路１１０９が与えるプリディストーション及び／又は信号遅延回路１１０８の遅延を制御し、包絡線信号とＲＦ信号ＲＦＩＮとの相対的整合性を制御する。所定の実装例において、相互変調検出回路１１１２はまた、整形回路１１２３が与える整形を制御する役割も果たす。
電力増幅器１１１３の出力からのフィードバック経路とベース帯域とを含めることにより、Ｉ信号及びＱ信号を、通信システム１１３０の動作を最適化するべく動的に調整することができる。例えば、通信システム１１３０をこの態様で構成することにより、電力の制御、送信器障害の補償、及び／又はＤＰＤの実行を補助することができる。
単数段として示されるにもかかわらず、電力増幅器１１１３は一以上の段を含んでよい。さらに、ここでの教示は、多数の電力増幅器を含む通信システムにも適用可能である。
おわりに
文脈が明確にそうでないことを要求しない限り、明細書及び特許請求の範囲全体を通して、「含む」、「備える」等の用語は、排他的又は網羅的な意味とは逆の、包括的な意味で、すなわち「～を含むがこれに限られない」意味で解釈されるべきである。ここで一般に使用される用語「結合」は、２以上の要素が、直接に接続されるか、又は一以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかとなり得ることを言及する。同様に、ここで一般に使用される用語「接続」も、２以上の要素が、直接に接続されるか、又は一以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかとなり得ることを言及する。加えて、本願において使用される場合、用語「ここで」、「上」、「下」、及び同様の意味の用語は、本願全体を言及するものとし、本願のいずれか特定の部分を言及するわけではない。文脈上許容される場合、単数又は複数の数を使用する上記の詳細な説明における用語は、それぞれ複数又は単数の数も含み得る。２以上の項目のリストを参照する「又は」及び「若しくは」という用語は、その用語の以下の解釈、すなわち、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目のすべて、及びリスト内の項目の任意の組み合わせ、のすべてをカバーする。
さらに、具体的に記述されない限り、又は使用される文脈内でそうでないと理解されない限り、とりわけ「してよい」、「し得る」、「できる」、「かもしれない」、「例えば」、「のような」等のようなここで使用される条件的言語は一般に、所定の実施形態が所定の特徴、要素、及び／又は状態を含む一方で他の実施形態がこれらを含まないことを意図する。すなわち、かかる条件的言語は一般に、特徴、要素及び／若しくは状態が、一以上の実施形態に必要な任意の態様で存在すること、又は一以上の実施形態が、著者のインプット若しくはプロンプトあり若しくはなしで、これらの特徴、要素及び／若しくは状態が含まれるか否か、若しくは任意の特定の実施形態において行われるべきか否かを決定する論理を必ず含むこと、を含意することが意図されていない。
本発明の実施形態の上記説明は、網羅的であることを意図したものではなく、又は上記開示の正確な形態に本発明を限定することを意図したものでもない。本発明の特定の実施形態及び例は、説明目的のために上述されているが、当業者が認識するように、本発明の範囲内で様々な等価な修正例が可能である。例えば、プロセス又はブロックが所与の順序で提示される一方、代替の実施形態が異なる順序でステップを有するルーチンを実行し又はブロックを有するシステムを用いることができ、いくつかのプロセス又はブロックは、削除、移動、追加、細分化、結合及び／又は修正され得る。これらのプロセス又はブロックはそれぞれが、様々な異なる態様で実装してよい。また、プロセス又はブロックは、直列に実行されるように示されることがある一方、これらのプロセス又はブロックは、その代わりに並列に実行されてもよく、又は異なる時刻に実行されてもよい。
ここに与えられる本発明の教示は、必ずしも上述のシステムというわけではない他のシステムに適用することができる。上述の様々な実施形態の要素及び作用は、さらなる実施形態を与えるべく組み合わせてよい。
本発明の所定の実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態は例としてのみ提示されており、本開示の範囲を限定することを意図しない。実際のところ、ここに記載される新規な方法及びシステムは、様々な他の形式で具体化してよく、さらには、ここに記載される方法及びシステムの形式の様々な省略、置換及び変更を、本開示の要旨から逸脱することなく行ってよい。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本開示の範囲及び要旨に収まるような形式又は修正をカバーすることが意図される。

Claims (20)

  1. 携帯デバイスであって、
    無線周波数信号、及び前記無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号を生成するべく構成される送受信器と、
    前記無線周波数信号を増幅するべく構成される負荷変調電力増幅器を含むフロントエンドシステムと
    を含み、
    前記負荷変調電力増幅器は、
    入力において前記無線周波数信号を受信して出力において増幅無線周波数信号を与えるべく構成される電力増幅器と、
    前記電力増幅器の出力に結合される制御可能負荷インピーダンスと
    を含み、
    前記包絡線信号は、前記制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御して前記電力増幅器の出力における負荷を変調するように動作可能である、携帯デバイス。
  2. 前記送受信器は、較正データに基づいて前記包絡線信号を整形するべく構成される整形回路を含む、請求項１の携帯デバイス。
  3. 前記整形回路は、平坦な利得対入力電力特性を前記電力増幅器に与えるように動作可能である、請求項２の携帯デバイス。
  4. 前記制御可能負荷インピーダンスは、
    包絡線信号によって制御される制御可能キャパシタと、
    前記電力増幅器の出力に結合される第１巻線、及び前記制御可能キャパシタに結合される第２巻線を有する出力バランと
    を含む、請求項１の携帯デバイス。
  5. 前記電力増幅器は、
    入力バランと、
    前記入力バランと前記出力バランとの間に結合される一対の増幅器と
    を含む、請求項４の携帯デバイス。
  6. 前記第２巻線は、
    前記増幅無線周波数信号を出力する第１端子と、
    前記制御可能キャパシタに結合される第２端子と
    を含む、請求項４の携帯デバイス。
  7. 前記制御可能キャパシタは、
    バイポーラトランジスタと、
    前記バイポーラトランジスタのコレクタに結合される負荷キャパシタと
    を含み、
    前記包絡線信号は、前記バイポーラトランジスタのベースを制御するべく動作可能である、請求項４の携帯デバイス。
  8. 前記制御可能負荷インピーダンスは、インダクタと、前記包絡線信号によって制御されるキャパシタンスを有する制御可能キャパシタとの直列結合を含む、請求項４の携帯デバイス。
  9. 前記増幅無線周波数信号を送信するべく動作可能なアンテナをさらに含む、請求項１の携帯デバイス。
  10. 負荷変調電力増幅器システムであって、
    入力において無線周波数信号を受信して出力において増幅無線周波数信号を与えるように構成される電力増幅器と、
    前記電力増幅器の出力に結合される制御可能負荷インピーダンスと
    を含み、
    前記制御可能負荷インピーダンスは、前記無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号を受信するように構成され、
    前記包絡線信号は、前記制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御して前記電力増幅器の出力における負荷を変調するように動作可能である、負荷変調電力増幅器システム。
  11. 前記制御可能負荷インピーダンスは、
    前記包絡線信号によって制御される制御可能キャパシタと、
    前記電力増幅器の出力に結合される第１巻線、及び前記制御可能キャパシタに結合される第２巻線を有する出力バランと
    を含む、請求項１０の負荷変調電力増幅器システム。
  12. 前記電力増幅器は、
    入力バランと、
    前記入力バランと前記出力バランとの間に結合される一対の増幅器と
    を含む、請求項１１の負荷変調電力増幅器システム。
  13. 前記第２巻線は、
    前記増幅無線周波数信号を出力する第１端子と、
    前記制御可能キャパシタに結合される第２端子と
    を含む、請求項１１の負荷変調電力増幅器システム。
  14. 前記制御可能キャパシタは、
    バイポーラトランジスタと、
    前記バイポーラトランジスタのコレクタに結合される負荷キャパシタと
    を含み、
    前記包絡線信号は、前記バイポーラトランジスタのベースを制御するべく動作可能である、請求項１１の負荷変調電力増幅器システム。
  15. 前記制御可能負荷インピーダンスは、インダクタと、前記包絡線信号によって制御されるキャパシタンスを有する制御可能キャパシタとの直列結合を含む、請求項１０の負荷変調電力増幅器システム。
  16. 携帯デバイスにおける増幅の方法であって、
    送受信器を使用して無線周波数信号と、前記無線周波数信号の包絡線に関連して変化する包絡線信号とを生成することと、
    電力増幅器を使用して前記無線周波数信号を増幅することであって、前記電力増幅器の入力において前記無線周波数信号を受信して前記電力増幅器の出力において増幅無線周波数信号を与えることを含むことと、
    前記電力増幅器の出力に結合される制御可能負荷インピーダンスのインピーダンスを制御するべく、前記包絡線信号を使用して前記電力増幅器の負荷を変調することと
    を含む、方法。
  17. 較正データに基づいて前記包絡線信号を整形することによって前記電力増幅器を較正することをさらに含む、請求項１６の方法。
  18. 前記電力増幅器を較正することは、平坦な利得対入力電力特性を与えることを含む、請求項１７の方法。
  19. 前記電力増幅器の負荷を変調することは、出力バランに結合される制御可能キャパシタのキャパシタンスを制御することを含む、請求項１６の方法。
  20. 前記出力バランの第１巻線に前記増幅無線周波数信号を与えることをさらに含み、
    前記制御可能キャパシタは前記出力バランの第２巻線に結合される、請求項１９の方法。
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