專利名稱：可重新配置希萊克斯放大器的電源控制及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此公開的各種典型實(shí)施例通常涉及功率放大器。更具體地是涉及希萊克斯 (Chireix)反相功率放大器和方法。相關(guān)申請的交叉應(yīng)用本申請是2010年5月 4 日遞交的題為 “ RECONFIGURABLE OUTPHASINGCHIREIX AMPLIFIERS AND METHODS”的美國專利申請No. 12/773，498的部分接續(xù)申請。本申請通過參考其全部內(nèi)容予以援引。
背景技術(shù)：
功率放大器被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，例如蜂窩通信系統(tǒng)和蜂窩基站，其中高頻通信信號被放大用于傳輸。帶寬和效率是功率放大器設(shè)計(jì)中的重要考慮因素。在蜂窩基站的情況下，對改進(jìn)的功率放大器(PA)效率的需求日益增長。由于越來越多的標(biāo)準(zhǔn)以及對不影響整體功率放大器的效率和線性的向后兼容的需求，還需要可重新配置蜂窩基站。常規(guī)功率放大器，諸如 B類放大器，通常提供達(dá)到或者接近其最大飽和功率輸出水平的最大效率。為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)變振幅信號，峰值輸出信號水平應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蛘咝∮谧畲箫柡凸β仕?。?dāng)瞬時(shí)信號輸出水平小于峰值輸出水平時(shí)，常規(guī)的B類功率放大器通常工作在小于最大功率下。最新的蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，諸如在3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)中產(chǎn)生的UMTS(通用移動(dòng)通信系統(tǒng))和LTE(長期演進(jìn))，采用復(fù)雜的調(diào)制方案，其振幅分量在發(fā)射器的瞬時(shí)載波輸出功率中產(chǎn)生較大的變化。峰值載波輸出功率與平均輸出功率的比值(定義為“峰值因子”(crest factor))，當(dāng)用分貝(dB)表示時(shí)，可以達(dá)到IOdB的數(shù)量級。有了這樣大小的峰值因子，基站功率放大器的效率嚴(yán)重減小。為了能夠處理大峰值載波功率，常規(guī)線性功率放大器在大多數(shù)工作時(shí)間內(nèi)工作在比其最大輸出功率能力低幾分貝下(例如幾分貝功率回退(back-off))。已經(jīng)提出了各種方法來解決上述問題。在其中一種方法中，提出了由希萊克斯 (按照RCA公司的品牌名“Ampl iphase”出售)改進(jìn)的反相技術(shù)。術(shù)語“反相”涉及一種通過組合若干(通常是兩個(gè))相位調(diào)制恒定幅度信號獲得振幅調(diào)制(AM)的方法，將進(jìn)一步描述如下。這些信號在“信號分量分離器(signal component separator) " (SCS)中產(chǎn)生，并且隨后通過射頻鏈(混頻器濾波器和放大器)上變頻和放大之后進(jìn)行組合以便在輸出組合器網(wǎng)絡(luò)中形成放大的線性信號。因?yàn)槔糜蓛蓚€(gè)信號之間的相位差導(dǎo)致的加或減的程度來實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，選擇這些恒定幅度信號的相位使得其矢量求和的結(jié)果帶來期望的振幅。在如上所述的希萊克斯方法中，預(yù)期輸出信號的低水平副本(low-level copy)被分解為兩個(gè)等幅分量，具有由預(yù)期輸出信號瞬時(shí)振幅確定的相位差。然后這兩個(gè)等幅分量被一對工作在用于最佳功率效率的飽和或者開關(guān)模式下的射頻功率放大器放大。然后在低損失希萊克斯組合器中組合這兩個(gè)功率放大器的輸出以便重建全調(diào)制射頻載波。這樣，兩個(gè)功率放大器的電阻負(fù)載阻抗有效地變成了輸出相位角的函數(shù)并且導(dǎo)致了輸出功率的包絡(luò)調(diào)制，表示為\Ρ0υ (Μ ^COS2(^Cd)(1)在上述希萊克斯方法中，開關(guān)模式而非線性模式功率放大器的使用是有益的。常規(guī)的希萊克斯反相功率放大器在帶寬和效率方面具有缺點(diǎn)。功率組合器(例如 1/4波長傳輸線)和固定的電納補(bǔ)償元件(士 jBc，如下所述)造成了頻率限制。常規(guī)希萊克斯功率放大器中的另一個(gè)缺點(diǎn)是它通常源自飽和線性功率放大器(例如AB類)或者調(diào)諧的功率放大器(例如F類)，它們不使用匹配網(wǎng)絡(luò)中的諧波勢阱(harmonic trap)則不能理想地提供100%效率?；贓類和其他基于開關(guān)模式(例如DE類)反相的其他方法具有其他的缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儾荒芸紤]整體性，具有寬的射頻帶寬并且不能將可重新配置方面考慮在內(nèi)。此外， 其他方法，諸如η路多爾蒂(Doherty)功率放大器，由于使用若干1/4波傳輸線通常需要更多的可調(diào)元件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)對具有增強(qiáng)的功率放大器效率和可重新配置性的基站的通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有需求，提供了各種典型實(shí)施例的簡述。在以下簡述中做出一些簡化和省略，其目的在于強(qiáng)調(diào)和引入各種典型實(shí)施例的某些方面，但不限制實(shí)施例的范圍。將在后面的章節(jié)中說明足以允許本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和使用本發(fā)明概念的優(yōu)選典型實(shí)施例的詳細(xì)描述。一方面，集成數(shù)字希萊克斯功率放大器設(shè)備可以包括具有接收可變電源電壓的多個(gè)功率晶體管和并聯(lián)-串聯(lián)(shunt-series)電路的功率晶體管電路，其中所述功率晶體管電路產(chǎn)生與可變電源電壓成比例的輸出功率。所述集成希萊克斯功率放大器設(shè)備還可以包括具有希萊克斯補(bǔ)償元件的寬帶組合器和阻抗匹配濾波器，其中所述功率晶體管電路、寬帶組合器和阻抗匹配濾波器設(shè)置集成在統(tǒng)一封裝(unified package)中。另一方面，公開了一種具有數(shù)字希萊克斯功率放大器結(jié)構(gòu)的蜂窩基站終端。還有一方面，公開了一種驅(qū)動(dòng)希萊克斯功率放大器結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括提供含有多個(gè)接收可變電源電壓的功率晶體管和并聯(lián)-串聯(lián)電路的功率晶體管電路，其中所述功率晶體管電路產(chǎn)生與可變電源電壓成比例的輸出功率。所述方法還可以包括提供在統(tǒng)一封裝中的具有希萊克斯補(bǔ)償元件的寬帶組合器和阻抗匹配濾波器。所述方法還可以包括調(diào)諧并聯(lián)-串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)使得能夠重新配置功率放大器結(jié)構(gòu)。所述方法還可以包括按照實(shí)際開關(guān)模式驅(qū)動(dòng)功率晶體管電路。


為了更好地理解各種典型實(shí)施例，參考附圖其中圖IA是常規(guī)希萊克斯放大器的框圖，以及圖IB示出了一種具有希萊克斯組合器拓?fù)涞某Ｒ?guī)開關(guān)模式E類反相功率放大器；圖2示出了具有可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖3 (a)是一張圖表，示出了對于圖2所示的功率放大器以及對于沒有補(bǔ)償?shù)木哂?3dB輸出功率回退的希萊克斯補(bǔ)償，效率是以dB為單位的標(biāo)稱輸出功率的函數(shù)；圖3(b)是一張圖表，示出了對于圖2所示的功率放大器以及對于根據(jù)表1提供的信息在頻帶邊緣的頻率下通過調(diào)整電容實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)木哂?3dB輸出功率回退的希萊克斯補(bǔ)償，效率是以dB單位的標(biāo)稱輸出功率的函數(shù)；圖4是一張圖表，示出了對于圖2所示的功率放大器以及對于根據(jù)表2提供的信息在頻帶邊緣的頻率下利用占空比控制實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)木哂?3dB輸出功率回退的希萊克斯補(bǔ)償，效率是以dB為單位的標(biāo)稱輸出功率的函數(shù)；圖5示出了根據(jù)實(shí)施例所述具有可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖6A和圖6B示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例所述具有可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖7示出了對于圖2所示的功率放大器具有集成希萊克斯元件的不對稱馬紹爾德不平衡變壓器(Marchand balun)的電路示意圖；圖8A和圖8B示出了對于理想的基于變壓器的組合器、圖IB所示的1/4波長組合器以及圖7所示的馬紹爾德組合器，輸入阻抗與頻率的關(guān)系曲線；圖9示出了對于理想的基于變壓器的組合器、圖IB所示的1/4波長組合器以及圖 7所示的馬紹爾德組合器，希萊克斯組合器效率與頻率的關(guān)系曲線；圖10示出了根據(jù)實(shí)施例所述的具有可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖11示出了根據(jù)實(shí)施例所述的具有可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖12示出了圖6A和圖6B所示的功率放大器的具體實(shí)現(xiàn)；圖13示出了漏極效率與圖12所示并且實(shí)現(xiàn)為CMOS-GaN的E類反相功率放大器的放大器輸出功率的關(guān)系曲線；圖14示出了根據(jù)實(shí)施例所述的具有可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖15示出了根據(jù)實(shí)施例所述的具有可變電源電壓、可變并聯(lián)電感器、寬帶組合器和匹配網(wǎng)絡(luò)的反相功率放大器的示意圖；圖16示出了由具有可變峰值電壓的功率放大器的典型前置驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的典型電壓信號；圖17A示出了對于圖14所示的反相功率放大器，漏極效率與輸出功率的關(guān)系曲線.
一入 ，圖17B示出了對于圖14所示的反相功率放大器，功率放大器效率(PAE)與輸出功率的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式參考附圖，其中相似的數(shù)字表示相似的部件或者步驟，公開了各種典型實(shí)施例的廣泛方面。圖IA是常規(guī)希萊克斯放大器100的框圖。關(guān)于希萊克斯放大器，反相被定義為一
6種在信號分量分離器102中通過組合兩個(gè)相位調(diào)制恒定幅度信號獲得振幅調(diào)制(AM)的方法?？梢栽谏漕l電路104、106中上變頻所述分離的信號分量，并且利用功率放大器108、110 放大。然后組合所述異相信號以便在希萊克斯型輸出網(wǎng)絡(luò)112中形成放大的線性信號。選擇恒定幅度異相信號的相位，使得其矢量求和的結(jié)果產(chǎn)生所需的幅度。所述希萊克斯輸出網(wǎng)絡(luò)112可以包括兩個(gè)1/4波線λ/4(其中λ是放大器工作頻帶的中心頻率的波長)和用于擴(kuò)展高頻區(qū)域以便包括較低輸出功率水平的兩個(gè)補(bǔ)償電抗+jX和_jX。圖IB示出了一種具有希萊克斯組合器拓?fù)涞某Ｒ?guī)開關(guān)模式E類反相功率放大器。 E類功率放大器可以用于高頻，其中開關(guān)時(shí)間與功率晶體管的占空比相當(dāng)。下面的設(shè)計(jì)方程適用于圖IB所示的拓?fù)?br> 權(quán)利要求
1.一種集成數(shù)字希萊克斯功率放大器設(shè)備，設(shè)備包括功率晶體管電路，包括多個(gè)功率晶體管，接收可變的電源電壓，以及并聯(lián)-串聯(lián)電路，其中所述功率晶體管電路產(chǎn)生與可變電源電壓成比例的輸出功率；具有希萊克斯補(bǔ)償元件的寬帶組合器；以及阻抗匹配濾波器，其中所述功率晶體管電路、所述寬帶組合器和所述阻抗匹配濾波器集成在統(tǒng)一的封裝中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器設(shè)備，其中所述寬帶組合器包括固定寬帶網(wǎng)絡(luò)， 并且其中通過調(diào)節(jié)所述多個(gè)功率晶體管的至少一個(gè)的占空比來對不同的頻帶重新配置所述功率放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器設(shè)備，其中所述寬帶組合器包括具有小于90度相位角的馬紹爾德不平衡變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率放大器設(shè)備，其中所述寬帶組合器設(shè)置用于在感興趣的帶寬上提供恒定實(shí)際阻抗水平，并且其中所述寬帶組合器還包括設(shè)置在寬帶組合器輸出節(jié)點(diǎn)處的低通LC濾波器，用于提供附加的阻抗匹配，并且建立用于功率放大器的E類操作的品質(zhì)因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器設(shè)備，其中所述由前置驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的可變電源電壓包括具有可變峰值電壓(Vpeak)的方波信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率放大器設(shè)備，其中所述由前置驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的可變電源電壓包括非零上升時(shí)間段(、)和下降時(shí)間段(tf)，其中上升時(shí)間段和下降時(shí)間段的總和小于峰值電壓時(shí)間段(tpeak)的20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器設(shè)備，還包括輸入電路，向多個(gè)功率晶體管提供可變電源電壓，所述輸入電路包括數(shù)字信號處理器(DSP)，接收同相(I)和正交相位(Q)信號對，并且基于所述(I，Q)值對于可變電源電壓產(chǎn)生基帶包絡(luò)(A)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器設(shè)備，其中所述輸入電路還包括第一模塊，提供所述(I，Q)值，所述第一模塊包括基帶(BB)電路，以及數(shù)字上變頻(DUC)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器設(shè)備，其中所述輸入電路還包括RF調(diào)制器，接收由DSP產(chǎn)生的相位調(diào)制信號，并且對于多個(gè)功率晶體管產(chǎn)生恒定幅度相位調(diào)制信號。
10.一種驅(qū)動(dòng)集成希萊克斯功率放大器設(shè)備的方法，所述方法包括提供功率晶體管電路，所述功率晶體管電路包括在統(tǒng)一封裝中的接收可變電源電壓的多個(gè)功率晶體管和并聯(lián)-串聯(lián)電路、具有希萊克斯補(bǔ)償元件的寬帶組合器和阻抗匹配濾波器；驅(qū)動(dòng)寬帶組合器中的可變電容器以便使能功率放大器結(jié)構(gòu)的重新配置；以及通過功率晶體管電路產(chǎn)生與可變電源電壓成比例的輸出功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，所述方法還包括通過調(diào)節(jié)所述多個(gè)功率晶體管的至少一個(gè)的占空比，重新配置所述寬帶組合器工作在不同的頻帶下，其中所述寬帶組合器包括固定寬帶網(wǎng)絡(luò)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，所述方法還包括通過輸入電路中的數(shù)字信號處理器(DSP)接收同相⑴和正交相位(Q)信號對；以及通過DSP基于(I，Q)值產(chǎn)生用于可變電源電壓的基帶包絡(luò)㈧；以及通過輸入電路向多個(gè)功率晶體管提供可變電源電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括通過包括基帶(BB)電路和數(shù)字上變頻(DUC)電路的輸入電路中的第一模塊提供(I， Q)值。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括通過輸入電路中的RF調(diào)制器接收由DSP產(chǎn)生的相位調(diào)制信號；以及通過RF調(diào)制器產(chǎn)生用于多個(gè)功率晶體管的恒定幅度相位調(diào)制信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述寬帶組合器包括具有小于90度相位角的馬紹爾德不平衡變壓器。
全文摘要
描述了涉及用于高功率基站的可重新配置集成數(shù)字希萊克斯反相功率放大器的各種實(shí)施例以及所述設(shè)計(jì)的相關(guān)方法。所述功率放大器可以包括具有多個(gè)功率晶體管和并聯(lián)電路(L1C1、L2C2)的功率晶體管電路，具有希萊克斯補(bǔ)償元件的寬帶組合器，以及阻抗匹配濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，為了方便希萊克斯補(bǔ)償元件的集成，所述功率放大器實(shí)現(xiàn)為實(shí)際開關(guān)模式，以便使希萊克斯功率放大器可調(diào)。還描述了一種驅(qū)動(dòng)希萊克斯功率放大器結(jié)構(gòu)的方法。在一些實(shí)施例中，可變電源電壓可以給基于希萊克斯功率放大器的期望輸出功率的晶體管電路供電。在一些實(shí)施例中，可變電源電壓可以依賴于晶體管電路中的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的反相角。
文檔編號H03F3/21GK102237853SQ20111011571
公開日2011年11月9日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者慕斯塔法·阿卡, 楊·索菲亞·弗羅芒斯, 梅麗娜·阿波斯托李杜, 馬克·范·德·海登 申請人:Nxp股份有限公司