專利名稱：有效的多模式功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及射頻功率放大器，尤其涉及用于提高射頻功率放大器的效率的裝置和方法，該射頻功率放大器用于可工作于多種通信模式的移動無線電設(shè)備中。
便攜式無線通信系統(tǒng)設(shè)置于所有城市區(qū)域中，并且很大程度地延伸到城市區(qū)域之外。多種通信業(yè)務(wù)可以為利用移動通信設(shè)備進(jìn)行通信的公眾所利用。最常見的移動電話業(yè)務(wù)被提供，并且該業(yè)務(wù)一般被稱作蜂窩電話業(yè)務(wù)。雖然其他種類的通信業(yè)務(wù)業(yè)已被介紹，但是移動電話是最常見的業(yè)務(wù)種類。
業(yè)已使用了多種移動電話，諸如模擬電話，更常見的如AMPS，根據(jù)IS-136的數(shù)字蜂窩電話，根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)(GSM)的系統(tǒng)，以及多種其他電話。當(dāng)一個用戶離開它的初始區(qū)域時，他可以在非初始系統(tǒng)上登記業(yè)務(wù)，這通常稱為漫游模式。然而，通常只有在指定給用戶移動通信設(shè)備的通信業(yè)務(wù)種類已經(jīng)在非初始區(qū)域中提供時，這才是可能的。例如，如果用戶移動通信設(shè)備被指定為數(shù)字蜂窩電話，并且用戶處于只能支持模擬蜂窩電話的區(qū)域，則該用戶將不能利用移動通信設(shè)備進(jìn)行通信。
根據(jù)能夠在包括不同城市的寬地區(qū)性區(qū)域中通信的市場要求，產(chǎn)業(yè)上已經(jīng)開始提供所謂的多模式通信設(shè)備。多模式通信設(shè)備是能夠支持一種以上通信業(yè)務(wù)的設(shè)備，意味著它可以在一種以上的空中接口上建立通信。最常見的多模式通信設(shè)備是雙模式的模擬和數(shù)字蜂窩設(shè)備，諸如高級移動電話業(yè)務(wù)(AMPS)以及北美數(shù)字蜂窩(NADC)標(biāo)準(zhǔn)IS-136電話，以及根據(jù)NADC標(biāo)準(zhǔn)IS-95的AMPS和碼分多址(CDMA)電話。
由于電路和元件可利用空間的限制，在這些對模式移動通信設(shè)備中產(chǎn)生了一個問題。每種不同的通信模式使用一種不同的空中接口，且不同的空中接口包括不同的調(diào)制方案。一種空中接口的調(diào)制方案的調(diào)制頻率與另一種空中接口的調(diào)制頻率是不同的。每個不同的調(diào)制方案通常需要不同配置的功率放大器，以實現(xiàn)最佳效率來增加電池壽命。一般來說，在小的手持移動通信設(shè)備中沒有足夠的空間來容納一個以上的功率放大器，于是一個或多個通信模式中的多模式移動通信設(shè)備的效率為了可利用性而被犧牲。功率放大器一般在被認(rèn)為大多數(shù)時間上將可能被使用的通信模式中被設(shè)計成有效率。在其他工作模式中，由于功率放大器中低于最佳效率的結(jié)果，電池壽命受到損害。
因此，需要一種在多模式移動通信設(shè)備中有效地放大調(diào)制信號的裝置和方法。為了實現(xiàn)效率最佳，放大器的特性必須根據(jù)通信模式的選擇而改變。而且，放大設(shè)備必須保持很小，以便它不會顯著地影響當(dāng)前移動通信設(shè)備的大小以及體積目標(biāo)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明，用于多模式通信設(shè)備的多模式功率放大器裝置的方框圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明多模式功率放大器裝置的效率-輸出功率的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明多模式功率放大器裝置的功率增加效率-輸出功率的示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明多模式功率放大器裝置的增益壓縮-輸出功率的示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多模式功率放大器裝置的輸出組合器。
盡管本說明書得出定義被認(rèn)為具有新穎性的本發(fā)明特征的權(quán)利要求書，但應(yīng)該相信的是，本發(fā)明根據(jù)下文的描述并且參照附圖將會得到更好的理解，在附圖中使用了相同的附圖標(biāo)記?，F(xiàn)有技術(shù)的簡要描述也應(yīng)被認(rèn)為是有用的。
本發(fā)明提供了一種用于多模式移動通信設(shè)備的功率放大裝置。該放大裝置能夠改變放大器的特性，以便放大器的特性可以在各種通信模式中實現(xiàn)優(yōu)化?？偟膩碚f，本發(fā)明使用了一對以Doherty配置來設(shè)置的放大器。載波放大器一般是帶有導(dǎo)通期間大約為1800或者更多的線性放大器，該線性放大器包括A,AB或B類放大器。峰值放大器為可調(diào)節(jié)的，在輸入信號幅度高于可調(diào)節(jié)的門限電平時導(dǎo)通，并且該可調(diào)節(jié)電平根據(jù)通信設(shè)備模式的選擇而設(shè)置。
現(xiàn)在參照圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于多模式通信設(shè)備100中的多模式功率放大器裝置102的方框示意圖。多模式意味著該通信設(shè)備能夠利用一個以上的接口方案進(jìn)行通信，該接口方案諸如AMPS和數(shù)字蜂窩電話。還有多種其他通信系統(tǒng)同樣地適用并且需要被包括。該多模式功率放大器解決多個通信模式中每一個的優(yōu)化放大器效率問題。多模式通信設(shè)備還包括一個信號源104，調(diào)制器106以及本地振蕩器裝置108，該調(diào)制器利用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法來調(diào)制從信號源104接收的信號，用于需要的通信模式。例如，信號源是一個包括話筒的聲頻電路，如現(xiàn)有技術(shù)所已知的，用于從多模式通信設(shè)備的用戶接收語音信號，并且將其轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾娦盘?。根?jù)所需要的通信模式，信號源可以提供將被調(diào)制的模擬信號或者數(shù)字信號。多模式通系統(tǒng)還包括一個控制器110以及一個天線112，該天線用于經(jīng)過空中發(fā)射及接收信號，并且該天線以常規(guī)的方式可操作地耦合到功率放大器。
功率放大器裝置包括5個主要部件，載波放大器114，峰值放大器116，分路裝置118，組合裝置120以及門限控制裝置122。在工作中，放大器裝置接收線路124上的來自調(diào)制器裝置118的輸入信號。該輸入信號是一個射頻信號，且該射頻信號包括一個根據(jù)當(dāng)前選擇的通信模式調(diào)制的載波。
載波放大器或者載波放大器裝置114是一個常規(guī)的線性放大器，其以固定工作類別工作，例如以A,AB,B類別工作。該載波放大器具有一個用于接收來自分路裝置118的信號的載波輸入126，以及耦合到組合裝置的載波輸出128。峰值放大器或者峰值放大器裝置16一般是一個非線性放大器，這意味著它以C類模式工作。然而，峰值放大器裝置包括一個門限控制輸入130，其與門限控制裝置122耦合，用于控制峰值放大器的偏壓電平。這使得峰值放大器具有一個可調(diào)節(jié)的工作類別，更具體地，這使得能夠精確控制從分路裝置118接收的輸入信號的導(dǎo)通角度范圍，該分路裝置耦合到峰值輸入132。換句話說，門限控制輸入允許調(diào)節(jié)峰值放大器的工作點，以便峰值放大器可以以線性和非線性類別工作。峰值輸出134耦合到組合裝置120。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，在此示出的代表載波和峰值放大器的方框不僅包括一般是晶體管裝置的有源放大器裝置，而且包括用于匹配輸入和輸出阻抗的無源阻抗匹配部件，如現(xiàn)有技術(shù)業(yè)已知道的。
在工作中，分路裝置118將輸入信號124分成兩路，一路用于載波放大器，另一路用于峰值放大器。分路裝置在載波路徑和峰值路徑之間提供一個相位差，例如為90°。峰值放大器的工作點根據(jù)移動通信設(shè)備的當(dāng)前選擇模式來調(diào)節(jié)。也就是說，峰值放大器偏壓電平在該通信模式的持續(xù)期間被設(shè)置成固定的預(yù)定電平。例如，如果當(dāng)前選擇的通信模式為AMPS，那么峰值放大器門限控制輸入電壓電平被設(shè)置成一個斷開該峰值放大器的值。這具有僅使載波放大器工作的效果，以便在減少功率電平上優(yōu)化效率，諸如那些可以在AMPS工作模式期間所使用的。在AMPS模式中，輸入信號124將是一個連續(xù)頻率調(diào)制的載波信號。然而，其他通信模式使用振幅調(diào)制，或者更一般地，使用線性調(diào)制。利用數(shù)字正交類型的調(diào)制方案正是這種情形，該方案諸如用于綜合數(shù)字無線電通系統(tǒng)的方案，其中一個實例是由摩托羅拉公司銷售的商品名iDEN的無線電系統(tǒng)。如現(xiàn)有技術(shù)業(yè)已知道的，放大線性調(diào)制信號本來是低效的。然而，通過將峰值放大器設(shè)置成非線性工作類別，Doherty放大器配置就被實現(xiàn)，它顯著地增加了工作效率，該工作效率超過了利用工作于線性類別的放大器可以實現(xiàn)的效率。用于提高放大器效率的Doherty操作的實例可以在美國專利申請No.09/347675中發(fā)現(xiàn)，該申請的題目為“POWER AMPLIFIER FOREFFICIENTLY AMPLIFING LINEARLY MODULATED SIGNAL”，并且與本發(fā)明共同轉(zhuǎn)讓，所公開的內(nèi)容作為參考包含于此。最后，組合裝置120組合載波和峰值放大器的輸出，并且校正兩條路徑之間的相位差。該組合裝置從組合裝置內(nèi)也提供Doherty組合功能，意味著當(dāng)峰值放大器工作于非線性類別，并且沒有導(dǎo)通時，峰值路徑從載波輸出端看起來像一個非常大的阻抗，以便不會對載波輸出增加負(fù)載。
現(xiàn)在參照圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明多模式功率放大器裝置的效率202對輸出功率204的圖形200。第一曲線206表示當(dāng)峰值放大器沒有被偏壓時，或者斷開時，如在選擇AMPS通信模式時的多模式功率放大器裝置的效率。由于AMPS模式中的輸入信號具有一個固定的包絡(luò)幅度，因此放大器裝置的輸出是一個固定功率信號。因而，放大器裝置以最大輸出功率電平工作，這也是一種最有效的工作模式。然而，在線性調(diào)制系統(tǒng)中，輸入信號的包絡(luò)是不斷地變化的。因此，放大器不能被設(shè)置成一個最佳電平。當(dāng)選擇利用線性調(diào)制的通信模式時，峰值放大器被設(shè)置為非線性工作，以實現(xiàn)Doherty效應(yīng)，如第二曲線208所表示的。第二曲線示出了經(jīng)典的Doherty工作，該曲線從低輸出功率電平傾斜向上，接著平穩(wěn)，并且對輸出功率的較高范圍具有更加固定的效率。這種工作方式在平均功率增加效率中提供了顯著的改進(jìn)，如在上述專利申請中所描述的?，F(xiàn)在參照圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明多模式功率放大器的功率增加效率302對輸出功率304的圖形300。第一曲線306表示放大器裝置工作于線性高效率模式時的曲線，前述模式諸如AMPS通信模式，而第二曲線308表示該放大器裝置工作于高線性模式時實現(xiàn)的特性，諸如當(dāng)工作于使用高非線性調(diào)制的通信模式時，前述高非線性調(diào)制諸如GSM演進(jìn)的增強型數(shù)據(jù)率(EDGE)標(biāo)準(zhǔn)所要求的，該標(biāo)準(zhǔn)是對較高數(shù)據(jù)率的GSM標(biāo)準(zhǔn)的即將到來的擴展。它可以以較高的速率訪問互聯(lián)網(wǎng)。線310表示放大器裝置例如工作于AMPS模式時的輸出功率點，并且該輸出功率是固定的。這是本發(fā)明的一個優(yōu)點，因為對于AMPS類型的通信來說，它使得移動通信設(shè)備工作于高效率模式，對于高數(shù)據(jù)率通信來說，它使得移動通信設(shè)備工作于高線性模式。根據(jù)所需要的通信模式，使用了偏壓放大器的高效率或者高線性模式。如果增加超過這一點，輸出信號的質(zhì)量一般會降低?，F(xiàn)在參照圖4，其示出了根據(jù)本發(fā)明多模式功率放大器裝置的增益壓縮402對輸出功率404的曲線。而且，第一區(qū)線406表示放大器裝置工作于高效率模式，諸如AMPS模式時的特性，而第二曲線表示高線性模式時的特性。
應(yīng)該注意的是，由于峰值放大器的工作點是可調(diào)節(jié)的，圖2-4所示的曲線僅僅代表兩個選擇的工作點。放大器裝置可以在這些曲線之間的任何點上工作，并且可以在這些曲線之外工作，它們僅僅示出了在峰值放大器不同工作點上實現(xiàn)的特性。選擇對于給定通信模式最有效的工作點是工程選擇的事情。然而，由給定通信模式所使用的調(diào)制支配著放大器裝置將被設(shè)置成哪種工作特性。
現(xiàn)在參照圖5，示出了諸如用于圖1的方框2的代表性組合裝置500。組合可以利用經(jīng)典的Doherty組合起來實現(xiàn)，如現(xiàn)有技術(shù)業(yè)已知道的，但是在優(yōu)選實施例中，組合器是一個倒置Doherty組合器，如上述參考專利申請所描述的。組合器的主要部件是一個能夠相位延遲的相位延遲裝置502，該相位延遲裝置耦合在載波輸出128和峰值輸出134之間。相位延遲裝置優(yōu)選地是一個四分之一部件，以在峰值放大器沒有導(dǎo)通時，向載波輸出提供必要的高阻抗。由相位延遲裝置所提供的相位延遲基本上與分路裝置所提供的相位差，以及載波和峰值路徑之間的傳播延遲差相同，以便在求和節(jié)點504上，載波和峰值路徑基本上同相。求和后信號接著通過阻抗變換裝置506饋送到天線112。
在操作多模式放大器裝置時，第一步是選擇移動通信設(shè)備的通信模式。接著調(diào)制器開始產(chǎn)生一個將被傳送的調(diào)制信號。分路裝置執(zhí)行調(diào)制信號的分路，以提供一個具有一定幅度的同相信號以及一個正交信號。在優(yōu)選實施例中，同相信號被饋送到峰值路徑，而正交信號被饋送給載波路徑，這意味著從同相信號中減去90°相位差。載波放大器執(zhí)行放大正交信號，以提供一個放大的正交信號，并且在同相信號幅度高于預(yù)先選擇的門限電平時，峰值放大器執(zhí)行放大該同相信號，以提供一個放大的同相信號。設(shè)置預(yù)先選擇的門限電平是對應(yīng)于通信模式的。也就是說，門限電平是由移動通信設(shè)備的通信模式確定的，并且只要移動通信設(shè)備保持在該通信模式，該門限電平就保持固定在該電平。在組合器中執(zhí)行相位上加性地組合放大的正交信號和放大的同相信號，并且組合后的信號通過天線傳送。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識的是，如果組合器部件與經(jīng)典Doherty配置相反，由分路裝置所提供的同相和正交信號可以相反。
盡管已經(jīng)示意和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，很顯然的是，本發(fā)明并不限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種修改、變化、改進(jìn)、替換和等效物，而不會背離如所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種有效多模式功率放大器，用于可以工作于多個通信模式的移動通信設(shè)備，其包括一個具有載波輸入和載波輸出的載波放大器；一個具有門限控制輸入、峰值輸入以及峰值輸出的峰值放大器；分路裝置，用于接收輸入信號并且提供耦合到載波輸入的第一輸出，以及耦合到峰值輸入的第二輸出，其中該第一和第二輸出具有一個相位差；相位延遲裝置，具有一個相位延遲，并且耦合在峰值輸出與載波輸出之間，用于校正峰值輸出與載波輸出之間的相位差；門限控制裝置，可操作地耦合到門限控制輸入，該門限控制輸入用于選擇性地向峰值放大器的門限控制輸入提供一個控制電壓，該控制電壓具有一個電壓電平，該電壓電平根據(jù)移動通信設(shè)備的通信模式選擇來選擇性地調(diào)節(jié)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的有效多模式功率放大器，其中相位延遲基本上為90°。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的有效多模式功率放大器，其中載波輸出形成一個求和節(jié)點，多模式功率放大器還包括一個在累加節(jié)點和負(fù)載之間耦合的阻抗變換裝置。
4．一種功率放大器，其包括一個用于放大載波輸入信號的載波放大器，其具有載波輸入和載波輸出；一個峰值放大器裝置，當(dāng)峰值信號高于門限值時，放大峰值輸入信號，并且具有峰值輸入、峰值輸出以及用于設(shè)置門限電平的門限控制輸入；分路裝置，用于接收輸入信號并且提供載波輸入信號以及峰值輸入信號，其中該載波輸入信號和峰值輸入信號具有一個相位差；相位延遲裝置，用與延遲耦合在峰值輸出和載波輸出之間的峰值放大器的輸出；門限控制裝置，可操作地耦合到門限控制輸入，該門限控制輸入用于選擇性地向峰值放大器的門限控制輸入提供一個控制電壓，該控制電壓具有一個電壓電平，該電壓電平根據(jù)移動通信設(shè)備的通信模式選擇來選擇性地調(diào)節(jié)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的功率放大器裝置，其中載波放大器裝置是一個線性放大器，該線性放大器的類別從A,AB,B類放大器組中選擇。
6．一種在多模式移動通信設(shè)備中放大調(diào)制信號的方法，包括步驟選擇移動通信設(shè)備的通信模式；分路該調(diào)制信號，以提供一個具有一定幅度的同相信號以及一個正交信號；放大該正交信號，以提供放大的正交信號；在同相信號的幅度高于預(yù)先選擇的門限電平時，放大該同相信號，以提供放大的同相信號；設(shè)置與該通信模式相對應(yīng)的預(yù)先選擇的門限電平；在相位上加性地組合放大的正交和放大的同相信號。
7．一種在多模式移動通信設(shè)備中放大調(diào)制信號的方法，包括步驟選擇移動通信設(shè)備的通信模式；分路該調(diào)制信號，以提供一個具有一定幅度的正交信號以及一個同相信號；放大該同相信號，以提供放大的同相信號；在正交信號的幅度高于預(yù)先選擇的門限電平時，放大該正交信號，以提供放大的正交信號；設(shè)置與該通信模式相對應(yīng)的預(yù)先選擇的門限電平；在相位上加性地組合放大的正交和放大的同相信號。
8．一種有效的多模式功率放大器，用于可以工作于多個通信模式的移動通信設(shè)備，其包括一個具有固定偏壓和載波輸出的載波放大器；一個具有可調(diào)節(jié)偏壓電平和峰值輸出的峰值放大器，其中峰值放大置的偏壓電平根據(jù)通信模式的選擇來調(diào)節(jié)；用于在相位上加性地組合載波輸出和峰值輸出的組合裝置。
全文摘要
一種用于多模式移動通信設(shè)備的功率放大器包括一個載波放大器(114)和一個峰值放大器(116)。峰值放大器具有一個可調(diào)節(jié)的偏壓電平,并且根據(jù)所選擇的通信模式,由調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到預(yù)定電平。只要通信模式相同,峰值放大器上的偏壓電平就保持不變。通過調(diào)節(jié)與通信模式選擇相關(guān)的峰值放大器的偏壓點,可以優(yōu)化對于特定通信模式的調(diào)制效率和線性。
文檔編號H03F1/02GK1300132SQ00134818
公開日2001年6月20日 申請日期2000年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月4日
發(fā)明者古斯塔夫·D·萊澤羅維奇, 勞倫斯·F·賽甘 申請人:摩托羅拉公司