CN1314198C - 射频功率放大器及改进其效率的方法 - Google Patents

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CN1314198C CNB018101992A CN01810199A CN1314198C CN 1314198 C CN1314198 C CN 1314198C CN B018101992 A CNB018101992 A CN B018101992A CN 01810199 A CN01810199 A CN 01810199A CN 1314198 C CN1314198 C CN 1314198C
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    • H03F1/0294—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers using vector summing of two or more constant amplitude phase-modulated signals

Abstract

一种射频功率放大器，其特征在于在所需的输出功率时的效率以及可操作地产生一个输出信号，所述射频功率放大器包括：带旁路电抗(142和144)的移相系统(128)以及控制(130)。该带有旁路电抗(142和144)的移相系统具有可变相位并可操作地从输入信号中产生输出信号。控制器(130)可操作地控制可变相位和输出信号的幅度以在较低的所需输出功率上产生高效率。用于控制射频功率放大器的输出功率的方法包括：当所需的输出功率低于阈值时，降低至功率放大器的输出信号的功率，以及当所需的输出功率不低于该阈值时，执行移相处理。

Description

射频功率放大器及改进其效率的方法
技术领域
本发明涉及射频功率放大器及改进其效率的方法。
背景技术
典型的无线发送器使用射频(RF)功率放大器来放大通过天线向外发送的信号。线性功率放大器接收具有一输入功率的信号，并产生具有一输出功率的信号，输出功率为输入功率放大了某一增益后的功率。线性功率放大器由例如发送器中电池提供的直流(DC)输入电压驱动。功率放大器的效率由输出功率与输入功率的比率给出。通常，RF功率放大器被设计成在最大输出功率时提供最大的效率。当功率放大器产生的功率比最大输出功率小时，功率放大器的效率可能显著地降低了。
在几种情况下，RF发送器的输出功率必须小于最大输出功率(“功率控制”)。例如，在调幅(amplitude modification)(AM)无线发送中，根据将被发送的调制音频的瞬时强度设置瞬时输出功率。在使用由电池提供能量的诸如蜂窝移动电话以及寻呼机之类的便携手持小型设备的情况中，功率放大器是主要的电流消耗组件之一，并且采用了功率控制以延长电池的使用时间。功率控制还用于减小同一周围区域中不同呼叫之间的干扰，以及减少由便携手持小型设备发射的辐射。实际上，现代的蜂窝移动系统允许便携手持小型设备低功率长时间地进行发送。
但是，由于在功率放大器产生的输出功率小于最大输出功率时，功率放大器的效率显著降低，更多的电池能量实际上是在较低的输出功率被消耗的。因此，改进RF功率放大器较低输出功率时的效率而不降低其在最大输出功率时的效率将是有益的。
发明内容
本发明涉及射频功率放大器及改进其效率的方法。该方法可以包括在输出功率值的第一范围上，改变至移相系统的输入信号的功率，以及在输出功率值的第二范围上，调节所述移相系统的相位。
该方法可以包括当所需的输出功率低于阈值时，改变至功率放大器的输入信号的功率，以及当该所需的输出功率等于或高于所述阈值时，执行移相处理。
该方法可以包括在该所需的输出功率等于或高于所述阈值时，执行移相处理，以及在所需的输出功率低于阈值时，将一具有旁路电抗移相系统的可变相位设置成固定值，以及降低至包括所述移相系统的功率放大器的输入信号的功率。
该方法可以包括在低于阈值的功率值的第一范围上，为所需的输出功率提供功率控制第一方法，以及在高于所述阈值的功率值的第二范围上，为所需的输出功率提供功率控制第二方法。
该方法可以包括改变至带有旁路电抗的移相系统的输入信号的幅度。
该方法可以包括改变至带有旁路电抗的移相系统的两个支路放大器中的至少一个的输入信号的幅度。
该方法可以包括在所述的移相系统中执行偏置控制。
一种射频功率放大器可以包括：一个耦合至移相系统的控制器，用于在所述功率值的第一范围上提供至所述移相系统的输入信号的功率变化，以及在输出功率的第二范围上提供移相系统的相位调整。
一种射频功率放大器可以包括：一个耦合至移相系统的控制器，用于在所需输出功率低于阈值时提供至所述移相系统的输入信号的功率变化，以及在所需输出功率等于和高于所述阈值时，所述控制器执行移相处理。
一种射频功率放大器可以包括：耦合到射频前置放大器和中频放大器中的至少一个的控制器。该控制器耦合到带有旁路电抗的移相系统上。该控制器用于提供对至所述移相系统的输入信号的幅度改变。
一种射频功率放大器可以包括：耦合到控制器的带有旁路电抗的移相系统，其中所述控制器耦合到所述移相系统以提供至所述移相系统的输入信号的改变，并执行所述移相系统中的偏置控制。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明将会被充分地理解和认识。其中，
图1A和1B是包括根据本发明实施例的示范性的功率放大器的示范射频(RF)发送器的原理图；
图2A是作为标准化(normalize)输出功率的函数的图1A和1B的RF发送器的效率η的说明图；
图2B是当相移具有离散值时，作为标准化输出功率的函数的、图1A和1B的RF发送器的效率η的说明图；
图3是包括根据本发明实施例的另一个示范功率放大器的另一个示范RF发送器的原理图；
图4是根据本发明实施例的另一个示范功率放大器的原理图；以及
图5是根据本发明实施例的、当以两个输出功率执行偏置控制时，作为标准化输出功率的函数的、图1A和1B的RF发送器的效率η的说明图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及射频(RF)功率放大器。本发明还涉及用于控制射频放大器的输出功率的方法。
从基带频率到射频的上变换涉及上变换链，其包括由散布在调制器、混合器和带通滤波器中的前置放大器和放大器组成的链。现在参考图1A和1B，图1A和1B是包括根据本发明实施例的示范性的功率放大器的示范射频(RF)发送器的原理图。基带调制信号100可以提供给中频(IF)调制器102。IF调制器102可以接收来自IF本地振荡器(LO)104的IF本地振荡器(LO)信号。IF调制器102可以用基带调制信号100调制IF LO信号，由此产生IF调制信号106。IF调制信号106可以提供给IF放大器108，IF放大器108将其放大增益γIF倍，由此产生放大的IF调制信号110。混合器112可以接收来自RF本地振荡器114的RF LO信号。混合器112可以将RF LO信号与信号110混合，由此产生RF信号116。RF信号116可以由带通滤波器118进行滤波，并接着将其提供给RF前置放大器120，前置放大器120将其放大增益γRF倍，由此产生RF信号122。RF信号122可以提供给功率放大器124，功率放大器124将其放大至天线126发送的所需的输出功率。IF放大器108或者RF前置放大器120之一，或者IF放大器108和RF前置放大器120，可以具有根据所需的输出功率值可由功率放大器控制的可变增益(γIF和/或γRF)。无线发送器的控制器可以如箭头127所示将所需的输出功率值提供给功率放大器124。
功率放大器124详细地在图1B中示出。功率放大器124包括具有旁路电抗的移相系统128和逻辑控制器130。至移相系统128的输入是RF信号122。RF信号122的幅度可以由多种因素确定，其中包括IF放大器108和RF前置放大器120的增益和调制方法。
具有旁路电抗的移相系统(如众所周知的Chireix移相系统)是本领域公知技术。在1985年10月第10号的IEEE Transactions onCommunications的COM-33卷中，F.aab的“移相RF功率放大器系统的效率(Efficiency of Outphasing RF Power-Amplfier System)”一文中描述了一个例子。Chireix移相系统设计于1935年，用于改进AM广播发送器的线性度和效率。其包括具有旁路电抗的发送线耦合器。具有旁路电抗的移相系统对两个输出功率值取得最大效率。
移相系统128包括并联连接的支路放大器132和134以及用于分解RF信号122的分解器136，使得具有一半输入功率的信号被提供给支路放大器132，具有另一半输入功率的信号被提供给支路放大器134。支路放大器132和134由DC输入电压VDC驱动。移相系统128还包括移相器138和140，用于改变分别提供给支路放大器132和134的RF信号122的相位。移相系统128可以包括分别位于支路放大器132和134的输出端的旁路电抗元件142和144。BS是元件142的旁路电抗，-BS是元件144的旁路电抗。通过选择合适的旁路电抗BS，在特定的输出功率上可以使效率最大化。通过调整旁路电抗BS，可以改进特定输出功率的效率。
移相系统128还可以包括用于组合支路放大器132和134的输出的发送线耦合器146。发送线耦合器146包括两个发送线148和150，每一个都用做连接至天线126的阻抗变换器，使得支路电流和流经负载。也可以使用另一个产生相同效果的组合器方案，即混合平衡转换器或中心抽头电感器来代替。
逻辑控制器130根据所需的输出功率值控制功率放大器124的输出功率。逻辑控制器130通过利用两种功率控制方法控制功率放大器的输出功率。对于输出功率的第一个范围，例如15dB，逻辑控制器130执行移相。逻辑控制器130可以改变移相系统128的相位以便移相系统128根据输出功率所需值将一信号提供给天线126。对于输出功率的第二个范围，逻辑控制器130改变输入到移相系统128的RF信号122的幅度。如果参照图2A和2B，则较容易理解逻辑控制器130的操作。
图2A是作为标准化输出功率的函数的图1A和1B的RF发送器的效率BS的说明图。具有旁路电抗的移相系统在P1处具有峰值效率，并且在P2处也具有峰值效率。当所需的输出功率等于或大于阈值，即P1时，逻辑控制器130执行移相，并设置相位φm，使得移相系统128将+φm施加到移相器138，并将-φm施加到移相器140，由此，根据所需值产生输出功率。由此可知，当输出功率等于或大于P1时，图1A和1B的RF发送器的效率与纯粹的Chireix移相系统的效率相同。
对于输出功率低于阈值P1的范围，逻辑控制器130保持相位φm恒定为φm-MAX，并减小IF放大器108或RF前置放大器120，或者IF放大器108和RF前置放大器120的增益(γIF和/或γRF)，由此减小了输入到移相系统128的RF信号122的幅度。由此可以看出，相对于B类功率放大器和纯Chireix移相系统，当输出功率的范围低于阈值P1时，图1A和1B的RF发送器的效率明显改善。
本领域普通技术人员将理解IF放大器108可以用一系列IF放大器来代替，当所需的输出功率低于P1时，其中至少一个IF放大器具有由逻辑控制器130控制的可变增益。同样，将理解RF前置放大器120可以用一系列RF前置放大器来代替，当所需的输出功率低于P1时，其中至少一个RF放大器具有由逻辑控制器130控制的可变增益。通常可以使用在混合器112之前IF放大器的任何串联组合以及在功率放大器124之前的RF前置放大器的任何串联组合，假设当所需的输出功率低于P1时，IF放大器和RF前置放大器中至少一个具有由逻辑控制130控制的可变增益。
在本发明的另一个例子中，由逻辑控制器提供给移相器的相移φm和-φm在φm-MIN和φm-MAX之间不连续变化，但是将该相位设置为来自离散相位值的集合中的一个值。图2B是图1A和1B的RF发送器的效率η的说明图，当相移具有离散值时，其为标准化输出功率的函数。
现在参照图3进行说明，图3是包括根据本发明实施例的示范的功率放大器的另一个示范RF发送器的原理图。基带调制信号300可以提供给RF调制器313。RF调制器313可以接受来自RF本地振荡器314的RF LO信号。RF调制器313可以使用基带调制信号300调制RF LO信号，由此产生RF信号316。RF信号316可以由带通滤波器318进行滤波，并且接着可以将其提供给包括至少一个RF前置放大器320的链，RF前置放大器320将其放大增益γRF倍，由此产生RF信号322。RF信号322可以提供给功率放大器324，功率放大器324可以将其放大至天线326发送所需的输出功率。至少RF前置放大器320之一可以具有根据所需的输出功率值由功率放大器324控制的可变增益(γRF)。无线发送器的控制器可以如箭头327所示将所需的输出功率值提供给功率放大器324。
功率放大器324可以包括具有旁路电抗的移相系统328和逻辑控制器330。至移相系统328的输入是RF信号322。RF信号322的幅度可以由多种因素确定，其中包括RF前置放大器320的增益和调制。将进一步描述的移相系统328可以与图1B的移相系统128相同或相似。
逻辑控制器330可以根据所需的输出功率值控制功率放大器324的输出功率。再次简单参考图2A，当所需的输出功率值等于或大于阈值，即P1时，逻辑控制器130执行移相，设置相位φm，使得移相系统328为天线326提供一个具有所需值的输出功率的信号。可以看出，当输出功率等于或大于P1时，图3的RF发送器的效率与纯Chireix移相系统的效率相同。对于所需输出功率低于P1的情况，逻辑控制器330可以保持相位φm恒定为φm-MAX，并改变至少一个可变增益RF前置放大器320的增益(γRF)，由此减小输入到移相系统328的RF信号322的幅度。由此可以看出，相对于B类功率放大器和纯Chireix移相系统，当输出功率低于阈值P1时，图3的RF发送器的效率明显改善。
根据本发明的另一方面，即使当所需的输出功率等于或高于阈值P1时，为了改善移相系统128和/或328的效率，逻辑控制器设置至少多个RF前置放大器和多个IF放大器之一的增益。
现在参照图4进行说明，图4是根据本发明实施例的另一个示范的功率放大器的原理图。功率放大器424接收输入RF信号422，并将其放大以便天线426发送。功率放大器424包括带有旁路电抗的移相系统428和逻辑控制器430。
移相系统428包括并联连接的支路放大器432和434，使得具有一半输入功率的信号被提供给支路放大器432，具有另一半输入功率的信号被提供给支路放大器434。支路放大器432和434由DC输入电压VDC驱动。移相系统428还包括移相器438和440，用于改变分别提供给支路放大器432和434的RF信号422的相位。移相系统428包括分别位于支路放大器432和434的输出端的旁路电抗元件442和444。BS是元件442的旁路电抗，-BS是元件444的旁路电抗。通过选择合适的旁路电抗BS，在特定的输出功率上可以改善效率。
移相系统428还可以包括用于组合支路放大器432和434的输出的发送线耦合器446。发送线耦合器446包括两个发送线448和450，每一个都用做连接至天线426的阻抗变换器，使得支路电流和流经负载。也可以使用另一个产生相同效果的组合器方案，即混合平衡转换器或中心抽头电感器来代替。
移相系统428类似于图1B的移相系统128，不同的是移相系统428还包括位于分离器436和移相器438之间的至少一个RF前置放大器400，以及位于分离器436和移相器440之间的至少一个RF前置放大器402。至少一个的RF前置放大器400可以具有可变增益γRF (1)并且至少一个的RF前置放大器402具有可变增益γRF (2)。逻辑控制器430分别设置RF前置放大器400和RF前置放大器402的每一个的增益以改善移相系统428的效率。
功率放大器可以具有偏置电流以保持线性。偏置电流的损耗可能降低功率放大器的效率。在高输出功率时，这样的效率减低可以说是相对不重要的。但是，在低输出功率时，效率损失则是显著的。偏置控制的作用是调节偏置电流以增加功率放大器的效率，这是本领域的常识。
根据本发明的另一方面，一个包括具有旁路电抗的移相系统的功率放大器的内部偏置电流可以在较低的输出功率下被减小，在这种情况下，该功率放大器可能更线性。这可能影响功率放大器的线性度，但是它也可以改善效率。
现在参照图5进行说明，图5是当执行偏置控制时，作为标准化输出功率的函数的图1A和1B的RF发送器的效率η的说明图。偏置控制是在由峰值500和502指示的两个输出功率上进行的。通过比较图5与图2A，可以看出在低输出功率时，偏置控制可以改善图1A和1B的RF发送器的效率。
如上文所述，具有旁路电路的移相系统的支路放大器由直流(DC)输出电压驱动，直流输出电压例如是发送器中的电池。本领域都知道在低输出功率时，降低DC输入电压改进支路放大器的效率而不显著影响线性度。通过降低图1B支路放大器132和134以及图4的支路放大器432和434的供电电压，在低于P1的输出功率范围上，改善了移相系统的效率。
根据本发明的另一个方面，在低于P1的输出功率范围上，带有旁路电抗的移相系统的支路放大器的DC输入电压被降低了。
本领域普通技术人员将理解，本发明不限于在此所特定描述和显示的那些。

Claims (35)

1.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
在输出功率值的第一范围上，改变至移相系统的输入信号的功率；以及
在输出功率值的第二范围上，调节所述移相系统的相位。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的移相系统具有旁路电抗。
3.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
当所需的输出功率低于阈值时，改变至功率放大器的输入信号的功率；以及
当该所需的输出功率等于或高于所述阈值时，执行移相处理。
4.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
当所需输出功率低于阈值时，将带有旁路电抗的移相系统的可变相位设置成固定值，并降低包括所述移相系统的功率放大器的输入信号的功率；以及
当该所需输出功率等于所述阈值和高于所述阈值时，执行移相处理。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述移相系统，在位于所述可变相位第一值的较高功率和在位于所述可变相位第二值的较低功率时，具有峰值效率，其中所述阈值是所述较低功率，并且所述固定值是所述第二值。
6.如权利要求4所述的方法，其中移相系统是可操作地耦合到射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个上，所述降低输入信号功率的步骤包括：
降低所述RF前置放大器和所述IF放大器中至少一个的增益。
射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个上，所述改变步骤包括：
降低所述RF前置放大器和所述IF放大器中至少一个的增益。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述可变相位是离散相位值的集合。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述移相系统在位于所述可变相位第一值的较高功率以及在位于所述可变相位第二值的较低功率上，具有峰值效率，其中所述阈值是所述较低功率，并且所述固定值是所述第二值。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述移相系统可操作地耦合到射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个上，所述降低输入信号功率的步骤包括：
降低所述RF前置放大器和所述IF放大器中至少一个的增益。
10.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
在低于阈值的功率值的第一范围上，为所需的输出功率提供功率控制第一方法；以及
在高于所述阈值的功率值的第二范围上，为所需的输出功率提供功率控制第二方法。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一方法是降低至所述功率放大器的输入信号的功率，以及所述第二方法是移相处理。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述移相处理是从离散相位值的集合中设置至少一个相位值。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述第一方法是降低至所述功率放大器的输入信号的功率，以及所述第二方法是移相处理并降低所述输入信号的功率。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述移相处理是从离散相位值的集合中设置至少一个相位值。
15.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
改变至带有旁路电抗的移相系统的输入信号的幅度。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述移相系统可操作地耦合到射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个上，所述改变步骤包括：
调整所述RF前置放大器和所述IF放大器中至少一个的增益。
17.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
改变至带有旁路电抗的移相系统的两个支路放大器中的至少一个的输入信号的幅度。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述两个支路放大器中的第一个可操作地耦合到第一射频前置放大器，以及所述两个支路放大器中的第二个可操作地耦合到第二射频前置放大器，所述改变步骤包括：
调整所述第一射频前置放大器的增益，以及调整所述第二射频前置放大器的增益。
19.一种用于改进射频功率放大器的效率的方法，包括：
改变至带有旁路电抗的移相系统的输入信号；以及
在所述移相系统中执行偏置控制。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述执行步骤包括：
降低所述移相系统中至少一个支路放大器的内部偏置电流。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述执行步骤包括：
降低所述移相系统中至少一个支路放大器的供电电压。
22.一种射频(RF)功率放大器，包括：
一个耦合至移相系统的控制器，用于在所述功率值的第一范围上提供至所述移相系统的输入信号的功率变化，以及在输出功率的第二范围上提供移相系统的相位调整。
23.如权利要求22所述的RF功率放大器，其中所述移相系统还带有一个旁路电抗。
24.一种射频(RF)功率放大器，包括：
一个耦合至移相系统的控制器，用于在所需输出功率低于阈值时提供至所述移相系统的输入信号的功率变化，以及在所需输出功率等于和高于所述阈值时，所述控制器执行移相处理。
25.如权利要求24所述的RF功率放大器，其中所述移相系统还包括旁路电抗以及至少两个移相器，并且其中所述控制器耦合至所述移相器以为每个移相器提供相位值。
26.如权利要求25所述的RF功率放大器，其中所述移相系统在较高功率和较低功率具有峰值效率，其中所述阈值是所述较低功率。
27.如权利要求25所述的RF功率放大器，其中所述移相系统可操作地耦合至射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个上，并且所述控制器耦合至所述RF前置放大器和所述中频IF放大器中的至少一个上，以提供对所述RF前置放大器和所述IF放大器中至少一个的增益调整。
28.如权利要求24所述的RF功率放大器，其中所述移相系统包括至少两个移相器，并且所述控制器耦合至所述至少两个移相器以向所述至少两个移相器提供离散相位值的集合。
29.如权利要求28所述的RF功率放大器，其中所述移相系统包括一个旁路电抗，并且在较高功率和较低功率具有峰值效率，其中所述阈值是所述较低功率。
30.如权利要求28所述的RF功率放大器，其中移相系统可操作地耦合到射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个上，并且所述控制器耦合至所述RF前置放大器和所述中频IF放大器中的至少一个上，以提供对所述RF前置放大器和所述IF放大器中至少一个的增益调整。
31.一种射频(RF)功率放大器，包括：
控制器，可操作地耦合到射频(RF)前置放大器和中频(IF)放大器中的至少一个，并且其中所述控制器耦合到带有旁路电抗的移相系统上，以提供对至所述移相系统的输入信号的幅度改变。
32.如权利要求31所述的RF功率放大器，其中所述带有旁路电抗的移相系统包括：
分离器，可操作地耦合到至少两个RF前置放大器上；
至少两个移相器，每一个可操作地耦合到所述至少两个RF前置放大器中的相应一个上；以及
至少两个支路放大器，每一个可操作地耦合到所述至少两个移相器中的相应一个上；
其中所述控制器可操作地耦合到所述至少两个RF前置放大器中的至少一个上以提供对所述至少两个RF前置放大器中至少一个的增益改变。
33.一种射频(RF)功率放大器，包括：
带有旁路电抗的移相系统，可操作地耦合到控制器，其中所述控制器耦合到所述移相系统以提供至所述移相系统的输入信号的改变，并执行所述移相系统中的偏置控制。
34.如权利要求33所述的RF功率放大器，其中所述移相系统包括至少一个支路放大器，并且所述控制器耦合到所述移相系统以降低所述至少一个支路放大器的内部偏置电流。
35.如权利要求33所述的RF功率放大器，其中所述移相系统包括至少一个支路放大器，并且所述控制器耦合到所述移相系统以降低所述至少一个支路放大器的供电电压。
CNB018101992A 2000-05-26 2001-05-24 射频功率放大器及改进其效率的方法 Expired - Fee Related CN1314198C (zh)

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