專利名稱：高效功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及非線性放大器線性化的改進，以對包括幅度調(diào)制或幅度和相位調(diào)制的射頻信號進行有效的射頻功率放大。
隨著對移動和個人通信服務(wù)要求的增加，重新開始對譜的有效調(diào)制電路感興趣。由于射頻功率放大的最有效形式是非線性的，所以對于手提式無線電話的應(yīng)用(例如高斯最小頻移鍵控Gaussian Minimum ShiftKeying(GMSK))一直優(yōu)先選用連續(xù)相位調(diào)制電路(Continuous PhaseModulation(CPM))。但是，因為不斷增長的擴容壓力保持恒包絡(luò)的優(yōu)點正在讓位于線性調(diào)制(例如數(shù)字正交相移鍵控π/4 Digital QuadraturePhase Shift Keying(DQPSK)或16相正交幅度調(diào)制Quad-16 QuadratureAmplitude Modulation(QAM))。
雖然應(yīng)用在線性調(diào)制電路中的濾波一般會導(dǎo)致譜利用的擴展，也會引起包絡(luò)的變化，但這種信號當通過非線性射頻(Radio Frequency(RF))放大時將發(fā)生畸變(幅度-幅度調(diào)制和幅度-相位調(diào)制Amplitude-to-Amplitude Modulation and Amplitude-to-PhaseModulation[AM/AM & AM/PM])，這種畸變將使頻譜展寬超出指定的信道因而使性能下降。常規(guī)的線性射頻(RF)放大器(例如工作在適當補償下的A類)的低效率將對便攜式無線電話發(fā)送部件的電池壽命造成嚴重的損害。射頻(RF)放大器效率的提高將直接導(dǎo)致無線電話在通話期間內(nèi)重新充電的時間間隔改善，也將使整個無線電話單元的大小和重量改善。所以用于線性調(diào)制移動系統(tǒng)的理想放大器是線性放大器，并且該線性放大器應(yīng)是高效率的。
因為線性放大器能夠放大具有幅度和相位調(diào)制的任何組合形式的信號，調(diào)制電路的選擇不受發(fā)射機的限制，因而可用軟件選擇。這在軍事應(yīng)用中是有利的，在跨國和跨標準的商業(yè)應(yīng)用中也是有利的。線性放大器的其它應(yīng)用包括各種數(shù)字蜂窩狀的和專用的移動無線電(PrivateMobile Radio(PMR))系統(tǒng)、傳統(tǒng)的幅度調(diào)制(AmplitudeModulation(AM))、單邊帶系統(tǒng)(Single Side-Band(SSB))；線性放大器的應(yīng)用還有許多例子，在這些例子中能很好地控制發(fā)射機的接通，例如在雷達和尋呼(Paging)應(yīng)用以及時分多址(Time Division MultipleAccess(TDMA))系統(tǒng)中存在的帶寬受限的脈沖系統(tǒng)。線性放大器也能適應(yīng)由多個信號組合引起的包絡(luò)變化，例如在多載波基站中存在這種多信號組合。
前饋線性化是一種方法，這種方法能使非線性但效率高的放大器線性化。前饋線性化是基于在放大器的輸出端抵消放大器的畸變，這種畸變或誤差信號通過將放大器的輸出信號與輸入信號進行比較來測定。在取適當?shù)谋壤脱舆t匹配使這種誤差信號與畸變信號不同相后把它加到放大器的輸出端，合成的結(jié)果使畸變減小。但是上述的誤差信號必須用線性射頻(RF)功率放大器放大，結(jié)果使這是一個折衷方案，因為一般當一個射頻功率放大器的效率增加時，它造成的畸變也增加，因而由這個線性放大器放大的誤差信號電平也增加。誤差信號電平越大，線性放大器就越大，因而功率消耗量越大，效率就越低。這種系統(tǒng)已具體應(yīng)用在寬波段線性化電路中，典型的例子是由P.B.Kenington,M.A.Beach,A.Bateman和J.P.MeGeeham在PCT專利No.WO91/16760中公開的。
長期以來已經(jīng)知道反饋能使非線性系統(tǒng)線性化例如Cartesiam反饋把負反饋加到基帶正交調(diào)制上，用低復(fù)雜程度和低成本極好地減小了交調(diào)畸變。用笛卡爾反饋實現(xiàn)的一個典型例子是由M.Johannson和T.Mattson發(fā)表的題為“笛卡爾反饋用于線性時分多址調(diào)制使發(fā)射機線性化(Transmitter Linearization Using笛卡爾Feedback for Linear TDMAModulation)”論文，該文發(fā)表在1991年5月第41屆美國電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)車載技術(shù)會議會刊第439至444頁中(Theproceedings of thd 41st IEEE Vehicular Technology Conference,St.Louis,U.S.A.VTC-91 PP.439-444,May 1991.)。另一典型的反饋方法包括在美國專利No.502397中敘述的極性反饋；由K.G.Voyce和J.H.McCandless論證的中頻(Intermediate Frequency(IF))反饋，論文題目是“利用中頻反饋使功率放大器線性化(Power AmplifierLinearization Using IF Feedback)”，發(fā)表在1989 IEEE微波理論與技術(shù)年會文集第863至866頁中(IEEE MTT-S digest,pp.863～866,1989)；由H.A.Rosen和A.T.Owens論證的射頻(RF)反饋，論文題目是“用于單邊帶(SSB)傳輸?shù)墓β史糯笃骶€性化研究(PowerAmplifier Linearity Studies for SSB Transmissions)”，發(fā)表在IEEE通信系統(tǒng)分會會刊1964年6月號第150至159頁中(IEEETransactions on Communications Systems,pp.150-159,June 1964)。
用于幅度(或包絡(luò))調(diào)制的射頻(RF)功率放大器電源的高電平調(diào)制是一種成熟了的技術(shù)，當與高效的高電平電源調(diào)制器結(jié)合在一起時，這種技術(shù)能保證高的功率效率。這是

圖19的EP專利No.431201(也是WO9100653)；圖1和圖2的美國專利U.S.Pat.No.3,900,823；K.Chiba,to Nojima和S.Tomisato在1990年全球通信系統(tǒng)會議會刊第1958頁至1962頁中(The Proceedings of Globecomm(IEEE),PP.1958～1962,1960)發(fā)表的論文“對于數(shù)字移動無線電用雙向控制使飽和放大器線性化(Linearized Satufation Amplfier with Bi-directionalControl for Digital Mobile Radio)”也是M.J.Koch和R.E.Fisher發(fā)表在1989年5月第39屆IEEE車載技術(shù)會議會刊中題為“用于數(shù)字蜂窩電話的高效835兆赫線性功率放大器(A High Efficiency 835 MhzLinear Power Amplifier for Digital Cellular Telephony)”中的技術(shù)(The proceeding of the 39th IEEE Vehicular TechnologyConference,USA,VTC89,PP.17-18,May 1989)的唯幅度反饋技術(shù)的基礎(chǔ)。同相應(yīng)的基帶正交調(diào)制相比，幅度調(diào)制信號相對較大的帶寬及不能控制調(diào)幅-調(diào)相(AM-PM)的畸變是這些系統(tǒng)存在的問題。因此頻譜控制一般不如笛卡爾反饋和中頻(IF)反饋，也不如射頻(RF)反饋。完全的極性反饋(無論幅度還是相位反饋)克服了不能控制調(diào)幅-調(diào)相(AM-PM)畸變的限制的缺點，但是無論對幅度還是相位信號仍會遇到帶寬展寬的問題。
已表明直流柵偏壓的動態(tài)控制能改善放大器的效率，這是由A.A.M.Saleh和D.C.Cox在題為“用可變包絡(luò)信號控制改善場效應(yīng)晶體管(FET)放大器的功率-增加效率(Improving the Power-AddedEfficiency of FET Amplifiers Operating with Varving EnvelopeSignals)”的論文中提出來的，并發(fā)表在IEEE微波理論與微波技術(shù)1983年1月號上(IEEE Transactions on Mierowave Theory and Techniques,Vol.31,January 1983)。美國專利No.4631491也論證了在基于雙結(jié)晶體管的射頻放大器中反饋可用來控制集電極和基極偏壓，以改善放大器的效率。最近，美國專利No.5420536論證了射頻放大器可以利用動態(tài)偏壓調(diào)制使譜控制達到最大而使中頻畸變減小。
圖1是表明現(xiàn)有技術(shù)笛卡爾反饋線性化電路的方塊圖，其中包絡(luò)是從正交輸入端得到的；圖2是現(xiàn)有技術(shù)射頻反饋線性化電路的方塊圖，其中包絡(luò)是由射頻檢波得到的；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中頻反饋線性化電路的方塊圖，其中包絡(luò)是由射頻檢波得到的；圖4是現(xiàn)有技術(shù)前饋線性化電路的方塊圖，其中包絡(luò)是由射頻檢波得到的；圖5仍是現(xiàn)有技術(shù)的另一個電路的方塊圖，它表明射頻檢波通常怎樣加到一線性化電路上；圖6是根據(jù)本發(fā)明的高效功率放大器的方塊圖；圖7表明了圖6中功率放大器的壓縮和效率特性；以及圖8表明了本發(fā)明的功率放大器中相鄰耦合功率比(adjacent coupled power ratio(ACCPR))特性。
雖然說明書后附的權(quán)利要求書定義了被認為是新的本發(fā)明的特征，深信從下面結(jié)合附圖的描述中可以更好地理解本發(fā)明。附圖中相同標號表示相同部件。
在下面和附圖一起詳述的說明只作為本發(fā)明目前最佳實施方式的一個說明，而并不表明是可能實施或利用本發(fā)明的唯一形式(例如可以用場效應(yīng)晶體管(FETs)或真空管代替雙結(jié)型晶體管(BJT)有源器件)。該說明書結(jié)合示例性的實施方式描述了本發(fā)明的實現(xiàn)。但是，本發(fā)明的實現(xiàn)當然可以由不同的電子實施方式來完成，而且這些實施方式包含在本發(fā)明的實質(zhì)和范圍之內(nèi)。
為了完全理解本發(fā)明，對現(xiàn)有技術(shù)作一回顧是合理的。讀者首先注意圖1。為了達到高效線性射頻放大的目的，一個高效但非線性射頻(RF)放大器6常用來作為本技術(shù)的基礎(chǔ)。這個放大器可能是基于有源器件，例如雙結(jié)型晶體管(BJTs)、場效應(yīng)晶體管(FETs)和真空管。它也可能工作在不同類別，例如AB類、B類、C類、D類或F類和其它類。這里描述的現(xiàn)有技術(shù)的實施方式是基于雙結(jié)型晶體管射頻放大器，其工作狀態(tài)的類別與基極的偏置電壓有關(guān)。
很久以來就知道負反饋能使非線性系統(tǒng)線性化。為使射頻放大器線性化，許多途徑可以形成負反饋，即在射頻或中頻或在基帶中以極性表示法或笛卡爾表示法的形式來形成負反饋。圖1描繪了一個使功率放大器線性化的最初的現(xiàn)有技術(shù)實施方式。標準的笛卡爾反饋環(huán)用33表示，動態(tài)的偏壓電路61代表附加的部件，這些部件給笛卡爾反饋系統(tǒng)帶來附加的效率改善。
在工作期間正交的輸入信號加到包絡(luò)限定電路56，這個電路實際上根據(jù)Pythagorean方程由I和Q決定包絡(luò)“R”R=I2+Q2]]>包絡(luò)限定電路56可以是數(shù)字信號處理器(digital signalprocessor(DSP))電路和模擬計算電路，或者甚至射頻包絡(luò)檢波電路(圖2和圖3)，數(shù)字信號處理器中包絡(luò)“R”可以通過計算或查表得到。
一但得到“R”信號，它由功能部件57和58加以調(diào)整，為了得到所希望的輸出射頻包絡(luò)電平，功能部件57和58選擇最佳的射頻放大器的電源電壓和直流(direct current(DC))偏壓。這些功能是預(yù)先計算的，并且由所測量的放大器的特性得到。然后由這些功能部件得到的總的信號通過電源驅(qū)動器59、60加到射頻功率放大器上。根據(jù)本發(fā)明所用的這些驅(qū)動器，59可以采用開關(guān)模式電源，不過也可采用其它的電子實施方式，例如諧振式的，半諧振式的或多諧振式的電源轉(zhuǎn)換器，D類調(diào)制器等。而驅(qū)動器60采用線性驅(qū)動器。由于高電平電源調(diào)制器在精度方面允許的偏差，功率部件59接入不同的電源路徑也是可能的。
通常信號通過動態(tài)偏壓電路61的延時與通過線性化電路的延時是不同的，因此通過引入延時單元66a和66b使信號的路徑差相等來改進動態(tài)偏壓電路61的工作是可能的。必須說明的是這些延時單元不是必須的，在這公開的技術(shù)中所敘述的本發(fā)明的最佳實施方式包括兩種，一種具有延時單元66a和66b，另一種沒有延時單元66a和66b。而且如果是使延時相等，一般只要求一個延時單元，且這個延時單元是加在造成最小延時的信號通道中，使得在這個信號通道中總的延時增加到另一個具有較大延時的信道中的延時。
圖2所示第二種現(xiàn)有技術(shù)的實施方式，表明動態(tài)偏壓電路61加到射頻反饋線性化電路38上。圖1和圖2中的系統(tǒng)工作之間僅有的不同是獲得“R”的方法不同。在圖2中“R”是由包絡(luò)檢波電路62得到的。用這種系統(tǒng)得到的效率的改善原因與前面討論的原因是一樣的，即為了實現(xiàn)精確的線性化，對給定的輸出信號，動態(tài)偏壓電路61選擇最好的工作偏壓和射頻反饋把輸入的預(yù)矯正調(diào)整到適合放大器。
圖3是說明加到中頻反饋的第三種現(xiàn)有技術(shù)實施方式的方塊圖。由動態(tài)偏壓電路61帶來的工作和效率的改善仍與前述的實施方式是一樣的。
加到具有前饋的放大器上的另一種現(xiàn)有技術(shù)的實施方式表示在圖4中。動態(tài)偏壓電路61與前述的實施方式一樣加在射頻放大器6上。當動態(tài)偏壓電路61加在前饋線性化電路55上時，其優(yōu)點既有主射頻放大器在效率方面的改善，也有射頻放大器6的線性化，因為通過加動態(tài)偏壓電路61使射頻放大器的非線性變小。附加的線性放大器52可以做得較小，因而消耗較小的功率，所以整個前饋系統(tǒng)的效率得到改善。
圖5說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一種實施方式。線性化電路表示為一通用的方塊63，通過把預(yù)矯正驅(qū)動信號加到射頻放大器和(或)在輸出端加一個畸變相消信號65，方塊63既可以利用反饋也可以利用前饋控制使射頻放大器6線性化。圖5中提供了一種能夠獲得反饋信號的耦合裝置64。
同前述的技術(shù)實施方式表明的一樣，動態(tài)偏壓電路61加到射頻放大器的偏壓和電源線上，通過迫使這些電源線達到已知的使方塊57、58能給出最佳工作效率的電平時，線性化電路自動地選用一必須的狀態(tài)以保持線性化。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明高效功率放大器600的最佳實施方式的方塊圖。像現(xiàn)有的技術(shù)一樣，功率放大器600用于射頻通信裝置(沒有標出)中的發(fā)射機電路內(nèi)是特別合適的，例如雙向無線電、蜂窩電話、無線電話、基站設(shè)備、無線中繼站等等。
因為上述裝置600采用圖1中的笛卡爾反饋電路作為最佳線性化技術(shù)。進一步觀看，Doherty放大器67表示附加的部件，這些部件使本發(fā)明中的放大器電路600效率得到更大的改善。據(jù)此，Doherty放大器電路67代替了射頻放大器6以及本發(fā)明所講述的動態(tài)偏壓電路。
Doherty放大器67包括耦合到線性化電路33中的調(diào)制器21的驅(qū)動器70。驅(qū)動器70把調(diào)制器21的輸出提供給分隔電路72。分隔電路72用相應(yīng)的輸入信號給Doherty峰值放大器74和載波放大器76饋電。根據(jù)最佳實施方式，分隔電路72是一個90度分隔電路，因此加到載波放大器76的信號的相位超出加到峰值放大器74上的信號的相位90度。此后，從峰值放大器74和載波放大器76的輸出端通過組合電路78組合在一起，然后送到給天線8饋電的射頻耦合器7。
根據(jù)本發(fā)明最佳的實施方式，本發(fā)明的功率放大器600預(yù)先考慮是用于手提式電池供電的雙向無線電通信裝置，這種裝置具有電話互連、短消息服務(wù)(Short message service(SMS))和無線電傳遞信息的功能。上面所述的裝置是設(shè)計工作在許多頻率上。在第一組頻率中，工作頻率從800兆赫至900兆赫，工作的最佳頻段是在806兆赫與824兆赫之間。
在第二組頻率中，工作頻率范圍是從1.4千兆赫到1.6千兆赫，最佳工作頻段是在1.453千兆赫與1.525千兆赫之間。此外，該裝置工作范圍的輸出功率典型的是從5毫瓦至10瓦。
圖7和圖8中表明本發(fā)明的優(yōu)點。圖7用曲線說明圖6中的Doherty放大器的壓縮和效率特性，熟練的技術(shù)人員可以知道，甚至在飽和補償期間內(nèi)效率也將保持，這使本實施方式成為一引起注意的辦法，它可與具有高的峰值與平均功率比值的調(diào)制電路一起使用。
正與圖中曲線所說明的一樣，曲線700表示Doherty放大器功率增加的效率與單音頻輸出功率的關(guān)系。另一邊的曲線702表示Doherty放大器增益壓縮與單音頻輸出功率的關(guān)系。
圖8中的曲線800表示本發(fā)明的該最佳實施方式的相鄰耦合功率比性能(adjacent coupled power ratio performance(ACCPR))。將如所知道的一樣，無論線性還是高效率都可得到。
盡管本發(fā)明的最佳實施方式已經(jīng)說明和敘述，而有一點是很清楚的，即本發(fā)明并不限于此。熟悉本技術(shù)的人員可以進行許多變形、變化、改變、替代和等效，但并沒有越出本發(fā)明所附權(quán)利要求書定義的精髓和范圍。例如雖然分隔器72產(chǎn)生90度相移，而熟悉本技術(shù)的人員就可知道另外的相移值和裝置可以替代，像45度分隔器。雖然為峰值放大器74和載波放大器76預(yù)先考慮選擇的晶體管是異質(zhì)結(jié)型雙極晶體管(hetero junction bipolar transistor(HBT))，但也可用其它器件代替?，F(xiàn)有的替代品包括場效應(yīng)晶體管(field effectt ransisitors(FETs))，異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(heterostructure field effect transistors(H-FETs))，雙極結(jié)型晶體管(bipolar junction transistors(BJTs))，假同晶高電子遷移率晶體管(pseudomorphic high electronmobility transistor(PHEMT))或任何其它功率放大器技術(shù)或器件，但并不限于此。
設(shè)計可供選擇的方法包括將峰值放大級74和載波放大級76各自做成多級裝置。若要求在較寬范圍內(nèi)高效率，可以采用級聯(lián)峰值放大級和載波放大級。此外，在此作為參考，本發(fā)明中的Doberty放大器67可以用美國專利No.5568086中公開的電路代替，該專利1996年10月22日頒布，轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人。而且，雖然線性化電路33由笛卡爾反饋環(huán)組成，但其它線性化電路可以很方便地代替它；即圖2中的射頻(RF)反饋線性化電路38，圖3中的中頻(IF)反饋電路48，圖4中的前饋線性化電路55或圖5中的一般化的線性化模塊63都可替代。
權(quán)利要求
1．一種高效功率放大器，包括一個Doherty放大級，它有一個輸入通道，用于放大一個輸入信號和產(chǎn)生一個與輸入信號對應(yīng)的輸出信號，所述的Doherty放大級呈現(xiàn)非線性幅度和相位特性；以及一個耦合到Doherty放大級的線性化電路，所述的線性化電路對產(chǎn)生誤差信號的輸出端的信號是敏感的，為了線性化和修正輸出端的非線性幅度和相位特性從輸入通道中減去該信號。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的高效功率放大器，其中所述線性化電路包括一個笛卡爾反饋線性化電路。
3．一種高效率功率放大器電路，它有一個輸入通道，所述電路包括用于接收一個輸入信號和產(chǎn)生第一種和第二種輸出信號的功率分隔器，所述第一種和第二種輸出信號有不同的相位；一個耦合到功率分隔器的放大級，有一用于放大所述第一種輸出信號的載波放大器和用于放大所述第二種輸出信號的峰值放大器；一個耦合到放大級的組合器，用于產(chǎn)生一個與該處對應(yīng)的輸出信號，所述的輸出信號顯示非線性幅度和相位特性；以及一個耦合到組合器的線性化電路，所述線性化電路接收到輸出后用于產(chǎn)生一個從輸入通道減去的誤差信號，從而線性化和修正輸出端的非線性幅度和相位特性。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的高效功率放大器，其中所述放大級工作在許多頻率，范圍從800兆赫至900兆赫。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的高效功率放大器，其中所述放大級工作在許多頻率，范圍從1.4千兆赫至1.6千兆赫。
6．根據(jù)權(quán)利要求3的高效功率放大器，其中所述放大級產(chǎn)生5毫瓦到10瓦間范圍的輸出功率。
7．一種射頻(RF)通信裝置，它具有高效率功率放大器，所述功率放大器包括一個用于放大輸入信號并產(chǎn)生一個與其對應(yīng)的輸出信號的Doherty放大級，所述Doherty放大級呈現(xiàn)非線性幅度和相位特性；以及一個耦合到Doherty放大級的笛卡爾反饋線性化電路，所述笛卡爾反饋線性化電路接收到輸出后用于線性化和修正輸出信號的非線性幅度和相位特性。
全文摘要
一種高效的功率放大器600由非線性射頻(RF)Doherty功率放大器(67)和線性化電路組成,這種線性化電路如笛卡爾反饋電路(33),射頻(RF)反饋電路(38),中頻(IF)反饋電路(48)或前饋電路(55)。Doherty放大級(67)可以用BJTs、FETs、HBTs、H－FETs、PHEMTs或任何其它類型的功率晶體管工藝或器件實現(xiàn)。
文檔編號H03F1/32GK1222787SQ9810794
公開日1999年7月14日 申請日期1998年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月8日
發(fā)明者古斯塔瓦·D·勒齊羅維奇, 勞倫斯·F·塞甘 申請人:摩托羅拉公司