TWI492549B - 多模式功率放大電路、多模式無線發射模組及其方法 - Google Patents

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Description

多模式功率放大電路、多模式無線發射模組及其方法
本發明係關於一種功率放大器，特別係關於一種多模式功率放大電路、多模式無線發射模組及其方法。
在無線通訊系統中，功率放大器是發射端的最後一部分放大器。於此，調變後的較小信號輸入至功率放大器後，經由一級或多級的功率放大器放大訊號的功率，以達到所需規格的功率後將功率輸出。
隨著無線通訊系統的訊號調變方式的不同，所需要的發射器規格亦不相同，並且每種規格所需的輸出功率也不相同。以無線網路標準(例如：802.11abg)而言，所使用的正交分頻多工技術(Orthogonal frequency-division multiplexing；OFDM)類似振幅調變(amplitude modulation，AM)技術，故其需要高線性度之功率放大器，並且傳輸距離屬於中長距離之傳輸。而藍牙技術主要應用短距離傳輸，故需要低功耗之功率放大器來進行低功率之傳輸。
近年來，單一通訊設備都具有多種無線傳輸技術，例如：無線網路標準和藍牙技術。為了縮小無線設備的尺寸，其發射器則多半設計成同時可適用高功率及低功率之傳輸。因此，如何維持在不同輸出功率傳輸時，皆能具有高效率(power efficiency)之放大運作為輸出端之功率放大電路的設計重點之一。
有鑑於此，本發明的眾多目的之一在於提供一種多模式功率放大電路、多模式無線發射模組及其方法，以提供高效率之放大運作，進而節省電力的消耗或提高電源的使用效率，但本發明之 應用不限於此。
根據本發明之一實施例之多模式功率放大電路，其包括信號輸入端、第一阻抗匹配電路、第一功率放大模組和第二功率放大模組。第二功率放大模組包括第二功率放大器、第二阻抗匹配電路和開關電路。
第一功率放大器係電性連接在信號輸入端與第一阻抗匹配電路之間。第二功率放大器電性連接至信號輸入端，並且第二阻抗匹配電路電性連接在第二功率放大器與第一阻抗匹配電路之間。開關電路則電性連接在第二阻抗匹配電路的輸入端。於此，開關電路分別相應第一功率放大器的運作和第二功率放大器的運作而進行開關。
根據本發明之一實施例之多模式無線發射模組包括前述之多模式功率放大電路及天線，並且天線係電性連接第一阻抗匹配電路。
根據本發明之一實施例之多模式無線發射方法包括根據一射頻信號選擇一第一輸出模式和一第二輸出模式中之一者、各輸出模式的對應執行步驟以及利用天線無線輸出來自第一阻抗匹配電路的射頻信號。
當執行第一輸出模式時，利用第一功率放大器放大射頻信號、利用第二阻抗匹配電路的阻抗值阻斷第一功率放大器放大後的射頻信號流至一第二功率放大器、以及經由第一阻抗匹配電路傳輸第一功率放大器放大後的射頻信號至天線。
當執行第二輸出模式時，包括：利用第二功率放大器放大射頻信號、以及經由第二阻抗匹配電路和第一阻抗匹配電路傳輸第二功率放大器放大後的射頻信號至一天線。
功率放大器的效率(η)定義是輸出的最大負載功率(PL(max) )除以輸入的電源功率(PS )，如下式一。
其中，Vdd為操作電壓，而RL 為輸出阻抗(output impedance)。
由公式1可知，在相同操作電壓下，高輸出功率的功率放大器和低輸出功率的功率放大器均要有高效率，則要高輸出功率的功率放大器具有較小的輸出阻抗；反之，低輸出功率的功率放大器則具有較大的輸出阻抗。是以，根據本發明之多模式功率放大電路、多模式之無線發射模組及其方法係為一種可轉換輸出阻抗的功率放大電路的設計，以致使大和小輸出功率傳輸時均具有高效率。
參照第1圖，多模式無線發射模組包括多模式功率放大電路10及天線20。
多模式功率放大電路10具有信號輸入端110、第一阻抗匹配電路130、第一功率放大模組150和第二功率放大模組170。
第一功率放大模組150電性連接在信號輸入端110和第一阻抗匹配電路130之間，並且第二功率放大模組170電性連接在信號輸入端110和第一阻抗匹配電路130之間。在一些實施例中，第一功率放大模組150和第二功率放大模組170係並聯在信號輸入端110和第一阻抗匹配電路130之間。
第一功率放大模組150包括第一功率放大器151。第一功率放大器151電性連接在信號輸入端110和第一阻抗匹配電路130之間。
第二功率放大模組170包括第二功率放大器171、第二阻抗匹配電路173和開關電路175。第二功率放大器171電性連接在信號輸入端110和第二阻抗匹配電路173。第二阻抗匹配電路173電性 連接在第二功率放大器171和第一阻抗匹配電路130之間。而開關電路175則電性連接在第二阻抗匹配電路173的輸入端和接地G之間。
第一阻抗匹配電路130經由信號輸出端112電性連接至天線20。於此，第一阻抗匹配電路130係電性連接在第一功率放大器151與天線20之間，並且電性連接在第二阻抗匹配電路173與天線20之間。
於此，開關電路175係分別相應第一功率放大器151的運作和第二功率放大器171的運作進行開關。
在一些實施例中，第二阻抗匹配電路173具有一阻抗值係高於第一阻抗匹配電路130的輸入阻抗。換言之，當第一功率放大器151運作時，開關電路175切換電性連接關係，以在第二阻抗匹配電路173的輸入端形成交流接地(AC ground)，藉以利用第二阻抗匹配電路173的阻抗值來阻斷第一功率放大器151放大後的射頻信號流至第二功率放大器171。
在一些實施例中，由於第一功率放大器151的輸出端實體耦接至第一阻抗匹配電路130的輸入端，因此第一阻抗匹配電路130的輸入阻抗係為第一功率放大器151的輸出阻抗。
在一些實施例中，由於第二功率放大器171的輸出端實體耦接至第二阻抗匹配電路173的輸入端，因此第二阻抗匹配電路173的輸入阻抗係為第二功率放大器171的輸出阻抗。並且，第二阻抗匹配電路173的輸出端和第一功率放大器151的輸出端實體耦接至第一阻抗匹配電路130的輸入端，因此第二阻抗匹配電路173的輸出阻抗、第一阻抗匹配電路130的輸入阻抗和第一功率放大器151的輸出阻抗係為相同阻抗值。
在一些實施例中，多模式無線發射模組具有多種輸出模式，並且此些輸出模式係使用不同輸出功率之無線發射規格。多模式功率放大電路10所具有的功率放大器(如，第一功率放大器151 和第二功率放大器171)各別會對應一種輸出模式。在一些實施例中，輸出模式例如為基於無線網路標準(例如：802.11abg)之無線輸出模式、利用藍芽技術之無線輸出模式等。
以第1圖所示之架構為例，第一功率放大器151對應於第一輸出模式，而第二功率放大器171對應於第二輸出模式。於此，第一功率放大器151和第二功率放大器171具有不同之功率。
在一些實施例中，第一功率放大器151的功率係大於第二功率放大器171的功率。
由於第一阻抗匹配電路130的輸出端係耦接至天線20，因此第一阻抗匹配電路130的輸出阻抗一般係配合天線20而設計成約50歐姆(Ω)。也就是說，第一阻抗匹配電路130係將第一功率放大器151的輸出阻抗匹配至50歐姆(Ω)。
第二功率放大器171的輸出阻抗則大於第一阻抗匹配電路130的輸入阻抗。也就是說，第二阻抗匹配電路173係將第二功率放大器171的輸出阻抗匹配至第一阻抗匹配電路130的輸入阻抗。
在一些實施例中，第二功率放大器171的輸出阻抗係大於第一阻抗匹配電路130的輸出阻抗。
於此，多模式功率放大電路10係為多模式無線發射模組的輸出級。前處理模組將欲發送的訊號進行數位類比轉換、濾波、增頻等信號處理後產生一射頻信號。此射頻信號經由信號輸入端110輸入至多模式功率放大電路10以進行信號放大處理。
此時，多模式功率放大電路10根據射頻信號選擇第一輸出模式或第二輸出模式。
當射頻信號係要以第一輸出模式無線發射時，射頻信號係輸入至對應第一輸出模式之第一功率放大模組150，並由第一功率放大器151進行信號放大處理。此時，開關電路175切換電性連接關係，以利用第二阻抗匹配電路173的阻抗值阻斷第一功率放大 器151放大後的射頻信號流向第二功率放大器171。放大後的射頻信號再經由第一阻抗匹配電路130傳輸至天線20，並且由天線20進行無線發射。
當射頻信號係要以第二輸出模式無線發射時，射頻信號係輸入至對應第二輸出模式之第二功率放大模組170，並由第二功率放大器171進行信號放大處理。此時，開關電路175切換電性連接關係，使第二功率放大器171的輸出端與第二阻抗匹配電路173的輸入端之間形成通訊。放大後的射頻信號再經由第一阻抗匹配電路130傳輸至天線20，並且由天線20進行無線發射。
在一些實施例中，參照第2圖，可設置有控制器190以根據選擇之輸出模式(如，第一輸出模式或第二輸出模式)產生控制信號Sc來控制開關電路175的運作。
在一些實施例中，多模式功率放大電路10可為差動運作。參照第3圖，信號輸入端110具有第一輸入端110a和第二輸入端110b，並且第一輸入端110a和第二輸入端110b係接收來自前處理模組之差動射頻信號。
第一功率放大器151的二輸入端分別耦接至第一輸入端110a和第二輸入端110b，而第一功率放大器151的二輸出端則分別耦接至第一阻抗匹配電路130的二輸入端。
第二功率放大器171的二輸入端分別耦接至第一輸入端110a和第二輸入端110b，而第二功率放大器171的二輸出端則分別耦接至第二阻抗匹配電路173的二輸入端。並且，第二阻抗匹配電路173的二輸出端係分別耦接至第一阻抗匹配電路130的二輸入端。
第一阻抗匹配電路130的正輸出端耦接信號輸出端112，而第一阻抗匹配電路130的負輸出端耦接至接地G。
在一些實施例中，第一阻抗匹配電路130可採用阻抗轉換器 (Impedance Converter)。
第二阻抗匹配電路173的二輸出端係分別耦接至阻抗轉換器的一次側的兩端。而第一功率放大器151的二輸出端亦係分別耦接至阻抗轉換器的一次側的兩端。
阻抗轉換器的二次側的兩端即分別為正輸出端和負輸出端。也就是說，阻抗轉換器的二次側的兩端分別耦接至信號輸出端112和接地G。
在一些實施例中，參照第3圖，開關電路175可包括電容C1、電容C2、開關SW1和開關SW2。
電容C1的第一端耦接至第二功率放大器171的一輸入端和第二阻抗匹配電路173的一輸入端。而電容C2的第一端耦接至第二功率放大器171的另一輸入端和第二阻抗匹配電路173的另一輸入端。
開關SW1係耦接在電容C1的第二端和接地G之間，並且開關SW2係耦接在電容C2的第二端和接地G之間。開關SW1的控制端和開關SW2的控制端係耦接至控制器190。
開關SW1係根據控制器190產生的控制信號Sc進行開關，藉以決定電容C1和接地G之間的導通與否。開關SW2係根據控制器190產生的控制信號Sc進行開關，藉以決定電容C2和接地G之間的導通與否。
其中，電容C1和電容C2係為大電容。例如，大於4pF之大電容。
當射頻信號係要以第一輸出模式無線發射時，開關SW1根據控制信號Sc導通電容C1和接地G，並且開關SW2根據控制信號Sc導通電容C2和接地G，以致於在第二阻抗匹配電路173的輸入端形成交流接地。此時，因為第二阻抗匹配電路173的阻抗值大於第一阻抗匹配電路130的輸入阻抗，第一功率放大器151所 輸出的信號會流向第一阻抗匹配電路130，而非第二功率放大器171。
在一些實施例中，參照第3圖，第二阻抗匹配電路173可包括電容C3、電感L1和電感L2。
電容C3係耦接在第二功率放大器171的輸出端。於差動模式下，電容C3係耦接在第二功率放大器171的二輸出端之間。
電感L1耦接在第二功率放大器171的一輸出端和第一功率放大器151的一輸入端(阻抗轉換器的一次側的一端)之間。電感L2耦接在第二功率放大器171的另一輸出端和第一功率放大器151的另一輸入端(阻抗轉換器的一次側的另一端)之間。
在一些實施例中，參照第4圖，第二阻抗匹配電路173可包括電容C4、電容C5和電感L3。
電感L3係耦接在第二功率放大器171的輸出端。於差動模式下，電感L3係耦接在第二功率放大器171的二輸出端之間。
電容C4耦接在第二功率放大器171的一輸出端和第一功率放大器151的一輸入端(阻抗轉換器的一次側的一端)之間。電容C5耦接在第二功率放大器171的另一輸出端和第一功率放大器151的另一輸入端(阻抗轉換器的一次側的另一端)之間。
其中，在第二阻抗匹配電路173中所使用的電感(如，L1、L2和L3)可為大電感，例如，大於5nH，以致將阻抗值大幅度拉高，例如升高為第一阻抗匹配電路130的輸出阻抗的10倍以上。
相應於前述之多模式無線發射模組，本發明更揭露一種多模式無線發射方法。在一實施例中，多模式無線發射方法包括根據一射頻信號選擇一第一輸出模式和一第二輸出模式中之一者、各輸出模式的對應執行步驟以及利用天線無線輸出來自第一阻抗匹配電路的射頻信號。
當執行第一輸出模式時，利用第一功率放大器放大射頻信 號、利用第二阻抗匹配電路的阻抗值阻斷第一功率放大器放大後的射頻信號流至一第二功率放大器、以及經由第一阻抗匹配電路傳輸第一功率放大器放大後的射頻信號至天線。
當執行第二輸出模式時，包括：利用第二功率放大器放大射頻信號、以及經由第二阻抗匹配電路和第一阻抗匹配電路傳輸第二功率放大器放大後的射頻信號至一天線。
於前述之實施例中，雖然是以一組第二功率放大模組為例，然而此數量非本發明之限制，亦可配合實際需求而設置二組或二組以上之第二功率放大模組。
綜上所述，根據本發明之多模式功率放大電路、多模式無線發射模組及其方法，可提供多種放大功率做為選擇，並且在執行任意一種放大功率時，均可具備有相對高的效率，進而可節省電力的消耗或提高電源的使用效率。
10‧‧‧多模式功率放大電路
20‧‧‧天線
110‧‧‧信號輸入端
110a‧‧‧第一輸入端
110b‧‧‧第二輸入端
112‧‧‧信號輸出端
130‧‧‧第一阻抗匹配電路
150‧‧‧第一功率放大模組
151‧‧‧第一功率放大器
170‧‧‧第二功率放大模組
171‧‧‧第二功率放大器
173‧‧‧第二阻抗匹配電路
175‧‧‧開關電路
190‧‧‧控制器
G‧‧‧接地
C1‧‧‧電容
C2‧‧‧電容
C3‧‧‧電容
C4‧‧‧電容
C5‧‧‧電容
L1‧‧‧電感
L2‧‧‧電感
L3‧‧‧電感
SW1‧‧‧開關
SW2‧‧‧開關
Sc‧‧‧控制信號
第1圖係為根據本發明一實施例之多模式無線發射模組的示意圖。
第2圖係為根據本發明另一實施例之多模式無線發射模組的示意圖。
第3圖係為根據本發明一實施例之多模式功率放大電路的概要電路圖。
第4圖係為根據本發明另一實施例之多模式功率放大電路的概要電路圖。
10‧‧‧多模式功率放大電路
20‧‧‧天線
110‧‧‧信號輸入端
110a‧‧‧第一輸入端
110b‧‧‧第二輸入端
112‧‧‧信號輸出端
130‧‧‧第一阻抗匹配電路
150‧‧‧第一功率放大模組
151‧‧‧第一功率放大器
170‧‧‧第二功率放大模組
171‧‧‧第二功率放大器
173‧‧‧第二阻抗匹配電路
175‧‧‧開關電路
G‧‧‧接地

Claims (18)

  1. 一種多模式功率放大電路，包括：一信號輸入端；一第一阻抗匹配電路；一第一功率放大模組，包括：一第一功率放大器，電性連接在該信號輸入端與該第一阻抗匹配電路之間；以及一第二功率放大模組，包括：一第二功率放大器，電性連接該信號輸入端；一第二阻抗匹配電路，電性連接在該第二功率放大器與該第一阻抗匹配電路之間；以及一開關電路，電性連接該第二阻抗匹配電路的輸入端，以分別相應該第一功率放大器的運作和該第二功率放大器的運作而進行開關；其中，當該第一功率放大器運作時，利用該第二阻抗匹配電路的阻抗值阻斷該第一功率放大器放大後之一射頻信號流向該第二功率放大器。
  2. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，其中該第二阻抗匹配電路的阻抗值大於該第一阻抗匹配電路的輸入阻抗。
  3. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，更包括：一控制器，耦接該開關電路，以在該第一功率放大器運作時，控制該開關電路耦接該第二阻抗匹配電路的輸入端至一交流接地。
  4. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，其中該開關電路包括：一電容，電性連接該第二阻抗匹配電路的輸入端；以及一開關，電性連接在該電容與接地之間。
  5. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，其中該第二阻抗匹配電路包括：一電感，電性連接在該第一阻抗匹配電路與該第二功率放大器的輸出端之間；以及一電容，電性連接該第二功率放大器的該輸出端。
  6. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，其中該第二阻抗匹配電路包括：一電容，電性連接在該第一阻抗匹配電路與該第二功率放大器的輸出端之間；以及一電感，電性連接該第二功率放大器的該輸出端。
  7. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，其中該第一功率放大模組和該第二功率放大模組係並聯在該信號輸入端與該第一阻抗匹配電路之間。
  8. 如請求項1所述之多模式功率放大電路，其中該第一功率放大器與該第二功率放大器具有不同功率。
  9. 如請求項7所述之多模式功率放大電路，其中該第一功率放大器的功率係大於該第二功率放大器的功率。
  10. 如請求項1之多模式功率放大電路，其中該第一阻抗匹配電路係為一阻抗轉換器，且該第一功率放大器和該第二阻抗匹配電路係耦接至該阻抗轉換器之一次側的兩端。
  11. 一種多模式無線發射模組，包括：如請求項1-9中之任一項所述之多模式功率放大電路；以及一天線，電性連接該第一阻抗匹配電路。
  12. 一種多模式無線發射模組，包括：如請求項10所述之多模式功率放大電路；以及一天線，電性連接該阻抗轉換器之二次側。
  13. 一種多模式無線發射方法，包括：根據一射頻信號選擇一第一輸出模式和一第二輸出模式中之一者；當執行該第一輸出模式時，包括：利用一第一功率放大器放大一射頻信號；利用一第二阻抗匹配電路的阻抗值阻斷該第一功率放大器放大後的該射頻信號流至一第二功率放大器；以及經由一第一阻抗匹配電路傳輸該第一功率放大器放 大後的該射頻信號至一天線；當執行該第二輸出模式時，包括：利用一第二功率放大器放大該射頻信號；以及經由一第二阻抗匹配電路和該第一阻抗匹配電路傳輸該第二功率放大器放大後的該射頻信號至一天線；以及利用該天線無線輸出來自該第一阻抗匹配電路的該射頻信號。
  14. 如請求項13所述之多模式無線發射方法，其中該第二阻抗匹配電路的阻抗值大於該第一阻抗匹配電路的輸入阻抗。
  15. 如請求項13所述之多模式無線發射方法，其中該第一功率放大器與該第二功率放大器具有不同功率。
  16. 如請求項15所述之多模式無線發射方法，其中該第一功率放大器的功率大於該第二功率放大器的功率。
  17. 如請求項13所述之多模式無線發射方法，其中該第一阻抗匹配電路的輸入阻抗係匹配至該第一功率放大器的輸出阻抗。
  18. 如請求項13所述之多模式無線發射方法，其中該阻斷步驟包括：利用耦接該第二阻抗匹配電路的一開關電路相應該第一功率放大器的運作和該第二功率放大器的運作而進行開關。
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