具有受控包絡跟蹤調制器和經(jīng)適配的靜態(tài)電壓的功率放大器設備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種功率放大器設備，該功率放大器設備包括：放大器組件(A)，可操作為根據(jù)控制信號(ctrl)接收輸入信號(s；)并且提供經(jīng)放大的輸出信號(so)；包絡跟蹤調制器(ET)，根據(jù)靜態(tài)電壓(Vs)和動態(tài)電壓(VD)提供控制信號(ctrl)；電源(S)，根據(jù)由功率傳感器(PS)對經(jīng)放大的輸出信號執(zhí)行的測量來提供所述靜態(tài)電壓和所述動態(tài)電壓，以使得靜態(tài)電壓(Vs)被確定為在預定的時間持續(xù)期內的輸出信號(So)的平均值。
【專利說明】
具有受控包絡跟蹤調制器和經(jīng)適配的靜態(tài)電壓的功率放大器設備
技術領域
[0001]本發(fā)明一般性地涉及信號放大，并且更特別地，涉及一種用于提高放大設備的效率的設備和方法。
【背景技術】
[0002]無線設備使用射頻(RF)來發(fā)射信息。例如，蜂窩電話使用經(jīng)放大的RF向基站發(fā)射語音和數(shù)據(jù)信號，基站允許信號被中繼到通信網(wǎng)絡。其他已有的無線通信設備包括WiF1、藍牙、WLAN、3G/4G設備、UMTS及其長期演進(LTE).......
[0003]在常規(guī)的無線設備中，功率放大器消耗整個無線系統(tǒng)的大部分功率。對于借助電池運行的系統(tǒng)，具有低效率的功率放大器導致了對于給定的電池壽命而言減少的通信時間。另外，效率上的降低導致了對于熱移除的增加的要求，這可能增加裝備和運行成本并且可能減少一些組件的壽命。此外，節(jié)能對于促進綠色運動的通信運營商是一種巨大的需求。
[0004]由于這個原因，在提高RF功率放大器的效率上已經(jīng)花費了許多努力。
[0005]—種通常使用的放大器類型是Doherty類型功率放大器。
[0006]這種類型的功率放大器由W.H.Doherty于1936年設計。
[0007]在數(shù)十年中，調制方案(AM和FM)采用所要求的線性放大。盡管它具有良好的效率，但是Doherty放大器因為它的非線性而沒有被使用。
[0008]在最近幾年，Doherty放大器的流行度的復蘇基于它在放大具有高PAR(峰均比)的輸入信號(例如，像OFDM(正交頻分復用)信號)時非常高的功率附加效率。在這樣的背景下，Doherty放大器的合理的非線性能夠通過模擬和數(shù)字技術而被補償。
[0009]然而，進一步改進電信設備的功率放大器的效率仍然是合意的，特別是由于先前所提及的原因。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是至少部分地減輕上文提到的缺點。
[0011 ]這一目的利用功率放大器設備而被實現(xiàn)，該功率放大器包括:
[0012]-放大器組件，可操作為根據(jù)控制信號接收輸入信號并且提供經(jīng)放大的輸出信號；
[0013]-包絡跟蹤調制器，根據(jù)靜態(tài)電壓和動態(tài)電壓提供所述控制信號；
[0014]-電源，根據(jù)由功率傳感器對所述經(jīng)放大的輸出信號執(zhí)行的測量來提供所述靜態(tài)電壓和所述動態(tài)電壓，以使得所述靜態(tài)電壓被確定為在預定的時間持續(xù)期內的所述輸出信號的平均值。
[0015]優(yōu)選的實施例包括以下特征中的一個或多個特征，它們能夠在部分組合中或者在完全組合中單獨地或者一起被采用:
[0016]-功率放大器設備進一步包括匹配電路，用于根據(jù)由所述功率傳感器執(zhí)行的測量來將所述放大器組件保持在與峰值效率相對應的操作條件下。
[0017]-功率傳感器是RMS傳感器。
[0018]-預定的時間持續(xù)期顯著地高于所述動態(tài)電壓的變化的持續(xù)期，特別是以大約十億的因子。
[0019]-匹配電路包括組件，該組件關注于由PIN二極管、變容二極管、MEMS......構成的群組。
[0020]-包絡跟蹤調制器具有由公司Emerson生產(chǎn)的種類。
[0021]-輸出信號符合于WCDMA或LTE標準。
[0022]本發(fā)明的另一方面涉及一種包括如之前所描述的功率放大器設備的電信設備。
[0023]本發(fā)明的另一方面涉及一種用于放大輸入信號的方法，該方法包括:
[0024]-根據(jù)控制信號從所述輸入信號提供經(jīng)放大的輸出信號；
[0025]-根據(jù)靜態(tài)電壓和動態(tài)電壓提供所述控制信號；
[0026]-根據(jù)由功率傳感器對所述經(jīng)放大的輸出信號執(zhí)行的測量來提供所述靜態(tài)電壓和所述動態(tài)電壓，以使得所述靜態(tài)電壓被確定為在預定的時間持續(xù)期內的所述輸出信號的平均值。
[0027]這一方法的優(yōu)選實施例包括以下特征中的一個或多個特征，它們能夠在部分組合中或者在完全組合中單獨地或者一起被采用:
[0028]-該方法進一步包括:根據(jù)由所述功率傳感器執(zhí)行的測量，將所述放大器組件保持在與峰值效率相對應的操作條件下。
[0029]-功率傳感器是RMS傳感器。
[0030]-預定的時間持續(xù)期顯著地高于所述動態(tài)電壓的變化的持續(xù)期，特別是以大約十億的因子。
[0031]-將所述放大器組件保持在操作條件下在于部署包括組件的匹配電路，該組件關注于由PIN 二極管、變容二極管、MEMS......構成的群組。
[0032]-由跟蹤調制器(ET)根據(jù)靜態(tài)電壓(Vs)和動態(tài)電壓(Vd)來提供所述控制信號(ctrl)，該跟蹤調制器(ET)具有由公司Emerson生產(chǎn)的種類。
[0033]-所述輸出信號(S。)符合于WCDMA或LTE標準。
[0034]參考下文所列出的附圖，從作為非限制性示例所給出的本發(fā)明的實施例的以下描述來看，本發(fā)明的進一步特征和優(yōu)點將是明顯的。
【附圖說明】
[0035]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于功率放大器設備的實施例。
[0036]圖2示出了對于放大器而言的似然密度和漏極效率對漏極電壓。
[0037]圖3a、3b和3c示出了用于匹配電路的可能的實施例。
[0038]圖4在史密斯圖上示出了靜態(tài)電壓的適配的影響和匹配的影響。
[0039]圖5a、5b、5c、5d示出了曲線的示例，這些曲線示出了功率放大器設備的行為。
【具體實施方式】
[0040]一般而言，功率放大器設備包括放大器組件A或者由放大器組件A組成。這一放大器能夠由晶體管組成，并且可操作為接收輸入信號并提供經(jīng)放大的輸出信號。[0041 ]這一晶體管能夠基于LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)或者基于VDM0S(垂直擴散金屬氧化物半導體)、CM0S(互補金屬氧化物半導體)、GaAs(砷化鎵)或GaN(氮化鎵)技術。
[0042]根據(jù)被使用用于放大器組件A的技術，稍后將被描述的用于靜態(tài)電壓和動態(tài)電壓以及用于匹配的電壓范圍被適配。
[0043]在包絡跟蹤(ET)之下的晶體管能夠是A類、B類、C類、D類、E類、F類、F-1類。
[0044]市場的放大器組件具有針對專用于包絡跟蹤的架構的一些典型的技術特性:一般而言，它們被設計以使得根據(jù)電壓給出效率的曲線在給定的電壓間隔內是平坦的。
[0045]例如，在圖2上描繪了這一特性，其中曲線b表示對于由LDMOS晶體管組成的放大器而言的漏極效率對漏極電壓。它清楚地示出了該曲線在大約[17V;28V]的間隔內是平坦的。
[0046]當經(jīng)放大的信號關注于(beholdto)這一平坦區(qū)域時，這樣的特性是令人感興趣的，因為效率那時是最大的。然而，在電信網(wǎng)絡中，功率信號可能變化，并且它的偏移(excurs1n)也可能走出這一區(qū)域。在這樣的情況下，效率顯著地下降。
[0047]在這一圖2上所示出的示例中，曲線a表示似然密度或概率密度函數(shù)(PDF)。這樣的函數(shù)表示電壓的統(tǒng)計分布:根據(jù)所發(fā)射的數(shù)據(jù)信號并且根據(jù)調制方案，電壓不是等同地被分布，而是相反地示出在1V周圍的重要峰值。
[0048]這個值典型地對應于具有大調制的信號，像W⑶MA(寬帶碼分多址)或LTE(長期演進)。
[0049]換句話說，在1V處具有信號存在高概率，但是這樣的信號對應于差的效率(大約45)，而對于與低發(fā)生概率相對應的電壓值，效率在它的最高值(大約55)。
[0050]因此，這樣的布置的總效率遠離最佳。
[0051 ]相應地，本發(fā)明的一個目標在于修改放大器組件的操作條件，以便使得概率密度函數(shù)與效率曲線相匹配。簡單地并且以圖形來陳述，這意味著移動曲線b以使得曲線a的峰值對應于平坦區(qū)域:在所描繪的示例中，操作條件的這樣的修改可以導致曲線C。
[0052]由于這個原因，放大器組件被控制為根據(jù)所放大的輸出信號來修改它的操作條件。
[0053]相應地，所放大的輸出信號由功率傳感器來測量，以反饋調節(jié)信號用于修改這些運行條件。
[0054]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于功率放大器設備的實施例。
[0055]在這個實施例中，根據(jù)由包絡跟蹤調制器ET提供的控制信號ctrl，放大器組件A可操作為接收輸入信號S1并且提供經(jīng)放大的輸出信號S。。
[0056]這樣的包絡跟蹤調制器ET能夠是現(xiàn)成的產(chǎn)品，例如像由公司Emerson設計的產(chǎn)品。
[0057]這一類別的產(chǎn)品和技術的描述例如在公司Emerson的主頁上是可得到的:
[0058]https://www.powerconvers1n.com/assets/whitepapers/Enve1peTracking-WP0.pdf
[0059]這一包絡跟蹤調制器具有兩個輸入:動態(tài)電壓Vd和靜態(tài)電壓Vs。這兩個電壓由電源S根據(jù)功率傳感器PS對經(jīng)放大的輸出信號S。執(zhí)行的測量來提供。
[0060]通過這樣做，反饋控制從所測量的輸出信號朝向放大器被執(zhí)行，以使得放大器組件A連續(xù)地處于效率為最大的操作條件中，而不管輸出信號如何。
[0061]通過根據(jù)預定的時間持續(xù)期內的輸出信號S。的平均值直接修改靜態(tài)電壓Vs，使得這成為可能。
[0062]雖然動態(tài)地被修改，但是這一靜態(tài)電壓Vs應當仍然被考慮為“靜態(tài)”，因為它隨時間的變化顯著地慢于動態(tài)電壓Vd:該動態(tài)電壓實時地跟隨輸出信號S。。相反地，該靜態(tài)電壓被確定為在70微秒(S卩，大約是LTE實施方式中的符號時間)直到I秒左右的時間段內的平均值。
[0063]對靜態(tài)電壓Vs的修改目標在于將放大器設備適配于直接影響輸出功率和輸出電壓V。的網(wǎng)絡條件。例如，如果放大器設備被放置于電信網(wǎng)絡的基站內的地方，則輸出功率將取決于在給定時間所連接的移動設備的數(shù)目而變化。
[0064]然而，這一數(shù)目以及因此這一輸出功率以一種節(jié)律(rhythm)變化，該節(jié)律完全不同于所發(fā)射的信號它們本身的變化(其由控制信號ctrl所捕獲)。
[0065]因此，根據(jù)其來確定平均值的預定的時間持續(xù)期顯著地長于控制信號ctrl的變化的持續(xù)期，特別是以大約1.4萬到百億的因子。
[0066]針對靜態(tài)電壓Vs的平均值的確定能夠由RMS傳感器(代表“均方根”)簡單地執(zhí)行。這種類別的功率傳感器通常被使用在電信系統(tǒng)中，并且被適配為確定所測量的輸出功率而不管所使用的信號調制的類型如何。
[0067]靜態(tài)電壓和動態(tài)電壓Vs、VD二者能夠由電源S來提供，電源S采用調節(jié)信號reg作為輸入，調節(jié)信號reg由功率傳感器PS基于測量和這些測量的表示而輸出。相應地，靜態(tài)電壓和動態(tài)電壓能夠被適配于輸出信號S。的變化。
[0068]電源S還能夠提供命令信號cmd來調諧匹配電路M。這一匹配電路的目標是將放大器A保持在與它的峰值效率相對應的操作條件下。
[0069]對于匹配電路M，不同的實施例是可能的。圖3a、3b和3c示出了可能的實施例。
[0070]在圖3a上，隔離器10被放置在放大器組件A的輸出處。歸因于組件11，讓第三端口未被匹配。這一組件11能夠是PIN 二極管、變容二極管、MEMS......。組件11必須符合于高功率電平。
[0071]在圖3b上，混合耦合器20被放置在放大器組件A的輸出處。歸因于組件21，如在先前的示例中那樣，讓輸入端口未被匹配。再次地，這一組件能夠是PIN 二極管、變容二極管、MEMS......ο
[0072]在圖3c上，歸因于所添加的組件35和36，放大器組件A的兩個匹配網(wǎng)絡被修改。這些組件能夠是PIN 二極管、變容二極管、MEMS.......
[0073]圖4在史密斯圖上表示了靜電電壓Vs的適配的影響和匹配的影響。在這個圖上，對于一個恒定的靜態(tài)電壓Vs，每個閉合曲線表示對于不同阻抗值的相同晶體管效率。所有的這些曲線形成相同的族(family)。最小的曲線用于最大的效率，并且位于最接近圍繞該族的中心。連續(xù)的線40表示與用于靜態(tài)電壓Vs的高值相對應的第一族，并且虛線40表示與用于靜態(tài)電壓Vs的低值相對應的第二族。
[0074]雙線43表示從靜態(tài)電壓Vs的低值到高值的族中心的路徑。放大器組件A由匹配電路M進行匹配，以使得阻抗被保持為沿著這一路徑以維持最大效率。
[0075]返回轉向圖3a、3b和3c，它意味著組件11、21、35、36已經(jīng)根據(jù)史密斯圖上所描繪的路徑修改了阻抗，以使得放大器組件A的效率被保持在它的最大值。
[0076]圖5a、5b、5c、5d示出了曲線的示例，這些曲線示出了功率放大器設備的行為。
[0077]圖5a描繪了理論曲線，該理論曲線根據(jù)輸出功率P-示出了包絡跟蹤(ET)之下的功率放大器設備的效率。
[0078]虛線將輸出功率Pciut域劃分為兩個子域，位于左側的第一子域SI對應于用于輸出功率和電壓的低值并且對應于圖5b;以及位于右側的第二子域S2對應于輸出功率和電壓的高值并且對應于圖5c。
[0079]在圖5c上，曲線C1表示信號包絡，并且曲線C3表示靜態(tài)電壓Vs。包絡跟蹤調制器ET遞送對應于控制信號ctrl的漏極電壓。這一控制信號由曲線(:2來圖示，當這一信號超過靜態(tài)電壓C3時，曲線C2跟隨(即“跟蹤”)包絡C1，并且當該信號低于它的值時，曲線(:2被這一靜態(tài)電壓C3所限制。
[0080]作為這種行為的結果，效率是最大的并且圖5a的右側子域上的曲線是平坦的曲線。
[0081]圖5d示出了沒有針對靜態(tài)電壓的低值進行靜態(tài)電壓Vs的適配的電勢情形。這樣的情形不符合于本發(fā)明并且被描述在此處僅為了做出更清楚和更容易理解的解釋。這一附圖示出了當降低輸出電壓時，它在一個點處變得完全低于Vddmax/2處的恒定靜態(tài)電壓。
[0082]在這樣的情形中，放大器的效率顯著地降低并且在圖5a上描繪了這一效率損失，除了左側子域上的虛線之外。
[0083]歸因于本發(fā)明，靜態(tài)電壓不再是恒定的，而是取決于輸出功率。圖5b示出了已經(jīng)針對輸出電壓的低值降低了靜態(tài)電壓的情形。相應地，該情形在如下的意義上變得與圖5b上所描繪的情形相類似:在輸出信號C2高于靜態(tài)電壓Vs的場合中它能夠跟蹤信號包絡&，并且在包絡下降到低于靜態(tài)電壓Vs時被它所限制。以這種方式，效率被保持為最大，正如這由圖5a上的左側子域的平坦連續(xù)線所描繪。
[0084]已經(jīng)參考優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明。然而，許多變化可能在本發(fā)明的范圍內。
【主權項】
1.一種功率放大器設備，包括: -放大器組件(A)，可操作為根據(jù)控制信號(Ctrl)接收輸入信號(S1)并提供經(jīng)放大的輸出信號(S。)； -包絡跟蹤調制器(ET)，根據(jù)靜態(tài)電壓(Vs)和動態(tài)電壓(Vd)提供所述控制信號(ctrl); -電源(S)，根據(jù)由功率傳感器(PS)對所述經(jīng)放大的輸出信號執(zhí)行的測量來提供所述靜態(tài)電壓和所述動態(tài)電壓，以使得所述靜態(tài)電壓(Vs)被確定為在預定的時間持續(xù)期內的所述輸出信號(S。)的平均值。2.根據(jù)前述權利要求所述的功率放大器設備，進一步包括匹配電路(M)，用于根據(jù)由所述功率傳感器執(zhí)行的測量來將所述放大器組件保持在與峰值效率相對應的操作條件下。3.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的功率放大器設備，其中所述功率傳感器(PS)是RMS傳感器。4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的功率放大器設備，其中所述預定的時間持續(xù)期顯著地高于所述動態(tài)電壓(Vd)的變化的持續(xù)期，特別是以大約十億的因子高于所述動態(tài)電壓(Vd)的變化的持續(xù)期。5.根據(jù)權利要求2至4中任一項所述的功率放大器設備，其中所述匹配電路(M)包括組件，所述組件關注于由PIN 二極管、變容二極管、MEMS......構成的群組。6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的功率放大器設備，其中所述包絡跟蹤調制器(ET)具有由公司Emerson生產(chǎn)的種類。7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的功率放大器設備，其中所述輸出信號(S。)符合于WCDMA或LTE標準。8.—種電信設備，包括根據(jù)前述權利要求中任一項所述的功率放大器設備。9.一種用于放大輸入信號(S1)的方法，包括: -根據(jù)控制信號(ctrl)從所述輸入信號(S1)提供經(jīng)放大的輸出信號(S。)； -根據(jù)靜態(tài)電壓(Vs)和動態(tài)電壓(Vd)提供所述控制信號(ctrl); -根據(jù)由功率傳感器(PS)對所述經(jīng)放大的輸出信號執(zhí)行的測量來提供所述靜態(tài)電壓和所述動態(tài)電壓，以使得所述靜態(tài)電壓(Vs)被確定為在預定的時間持續(xù)期內的所述輸出信號(S。)的平均值。10.根據(jù)前述權利要求所述的方法，進一步包括:根據(jù)由所述功率傳感器執(zhí)行的測量，將所述放大器組件保持在與峰值效率相對應的操作條件下。11.根據(jù)權利要求9或10中任一項所述的方法，其中所述功率傳感器(PS)是RMS傳感器。12.根據(jù)權利要求9至11中任一項所述的方法，其中所述預定的時間持續(xù)期顯著地高于所述動態(tài)電壓(Vd)的變化的持續(xù)期，特別是以大約十億的因子高于所述動態(tài)電壓(Vd)的變化的持續(xù)期。13.根據(jù)權利要求10至12中任一項所述的方法，其中將所述放大器組件保持在操作條件下在于部署包括組件的匹配電路(M)，所述組件關注于由PIN二極管、變容二極管、MEMS......構成的群組。14.根據(jù)權利要求9至13中任一項所述的方法，其中由跟蹤調制器(ET)根據(jù)靜態(tài)電壓(Vs)和動態(tài)電壓(Vd)來提供所述控制信號(ctrl)，所述跟蹤調制器(ET)具有由公司Emerson生產(chǎn)的種類。15.根據(jù)權利要求9至14中任一項所述的方法，其中所述輸出信號(S。)符合于WCDMA或LTE標準。
【文檔編號】H03F1/02GK105874705SQ201480066506
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月25日
【發(fā)明人】M·里克斯艾因
【申請人】阿爾卡特朗訊