專(zhuān)利名稱(chēng)：放大器電路及其在射頻發(fā)射器中的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及放大器電路及其在RF(射頻)電路如發(fā)射器，特別是RF通信發(fā)射器中的用途，尤其涉及用于該RF發(fā)射器或收發(fā)器單元的RF功率放大器電路。
背景技術(shù)：
許多射頻發(fā)生器如在RF發(fā)射器中使用的射頻發(fā)生器都包括功率放大器電路。該電路可以如用于通信發(fā)射器以放大已調(diào)RF載波信號(hào)，該已調(diào)RF載波信號(hào)用于通過(guò)相關(guān)的發(fā)射裝置如RF天線(xiàn)進(jìn)行的外部傳輸。該電路通常需要具有實(shí)質(zhì)線(xiàn)性響應(yīng)，提供與輸入呈線(xiàn)性函數(shù)的輸出。工作在A類(lèi)并在較小程度上工作在AB類(lèi)組態(tài)的電路廣泛地用于提供線(xiàn)性。然而，此類(lèi)電路效率很低并因而相對(duì)浪費(fèi)了大量的輸入功率，尤其是在高功率輸出應(yīng)用中。工作在C類(lèi)組態(tài)的放大器電路可選地用來(lái)作為功率放大器。C類(lèi)組態(tài)提供由正弦RF輸入產(chǎn)生的近似為矩形波形形式的輸出信號(hào)。此類(lèi)放大器電路比A類(lèi)和AB類(lèi)電路具有更好的效率，但遺憾地是具有很高的非線(xiàn)性。因此C類(lèi)放大器電路在現(xiàn)代要求復(fù)雜線(xiàn)性調(diào)制形式的通信應(yīng)用中沒(méi)有商業(yè)使用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種RF放大器電路，該RF放大器電路包括具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端的RF放大裝置，向第一輸入端施加要放大的輸入RF信號(hào)I的裝置，產(chǎn)生閾值信號(hào)T并將其施加到第二輸入端的裝置，和用于在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)O的放大裝置，該輸出信號(hào)O在當(dāng)I的振幅瞬時(shí)值大于T時(shí)具有高有限值并提供布爾值“1”，在當(dāng)I的振幅瞬時(shí)值小于T時(shí)具有低有限值并提供布爾值“0”，其中，該閾值信號(hào)T是以適于將在輸出信號(hào)O的振幅和輸入信號(hào)I的振幅之間的至少部分范圍的關(guān)系線(xiàn)性化的方式動(dòng)態(tài)變化的。
優(yōu)選地，放大裝置具有比用于放大的信號(hào)的平均工作頻率大至少五倍，最好是至少十倍的帶寬。
所述閾值信號(hào)T可以是可變信號(hào)，其可以與輸入信號(hào)I在放大裝置結(jié)合，如后面詳細(xì)說(shuō)明的一樣，適當(dāng)?shù)囊越Y(jié)合方式給出線(xiàn)性響應(yīng)?？蛇x地，閾值信號(hào)T可以作為可變偏置信號(hào)施加給放大裝置。
閾值信號(hào)T可以在作為輸入信號(hào)I的函數(shù)動(dòng)態(tài)變化，例如通過(guò)在施加給放大裝置之前對(duì)輸入信號(hào)I采樣。這種情況下，施加閾值信號(hào)T的裝置可能包括前饋回路，該回路包括象產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置一樣的裝置，用于產(chǎn)生至少部分衍生自采樣的輸入信號(hào)I的信號(hào)。
可選地，或者另外，閾值信號(hào)T可以在實(shí)施中作為輸出信號(hào)O的函數(shù)動(dòng)態(tài)變化，例如通過(guò)采樣由放大裝置產(chǎn)生的輸出信號(hào)O，可選的是在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理如濾波后。這種情況下，施加閾值信號(hào)T的裝置可能包括反饋回路，該回路包括象產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置一樣的裝置，用于產(chǎn)生至少部分衍生自采樣的輸出信號(hào)O的信號(hào)。
閾值信號(hào)T來(lái)自輸入信號(hào)I和/或輸出信號(hào)O的情況下，可以通過(guò)采樣相關(guān)的信號(hào)作為閾值信號(hào)T，或從與監(jiān)視信號(hào)的包絡(luò)相關(guān)的信號(hào)中導(dǎo)出部分信號(hào)為閾值信號(hào)T。例如，閾值信號(hào)T可以衍生自變化的監(jiān)視信號(hào)的峰值振幅或均方根振幅的輪廓。
在本發(fā)明的另一個(gè)可選實(shí)施例中，閾值信號(hào)T可以在如下運(yùn)行的裝置中產(chǎn)生。輸入信號(hào)I的振幅中的變化來(lái)自于將施加到調(diào)制器上的調(diào)制信號(hào)應(yīng)用到RF載波信號(hào)以形成輸入信號(hào)I。調(diào)制信號(hào)可以在調(diào)制器中以公知的方式通過(guò)將要通信的輸入信息轉(zhuǎn)換成要求的調(diào)制來(lái)產(chǎn)生，該輸入信息例如是作為數(shù)字信號(hào)處理器的輸出產(chǎn)生的數(shù)字信息。調(diào)制信號(hào)可以例如包括數(shù)字相移調(diào)制的載波信號(hào)。相移調(diào)制可以應(yīng)用于例如公知的DQPSK(差分四進(jìn)制相移鍵控)過(guò)程。閾值信號(hào)T可以是衍生自調(diào)制信息或要被轉(zhuǎn)換為調(diào)制信號(hào)的信息如數(shù)字(包括雙數(shù)字(bidigital))信息的信號(hào)。因此，閾值信號(hào)T可以衍生自數(shù)字信號(hào)處理器的輸出，該處理器也產(chǎn)生施加于調(diào)制器的輸出。
閾值信號(hào)T可以具有通過(guò)應(yīng)用于調(diào)制信號(hào)的適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)運(yùn)算計(jì)算出的與輸入信號(hào)I的振幅輪廓一致的振幅輪廓，或具有與用于從(例如)數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的信息的、計(jì)算出的振幅輪廓一致的振幅輪廓。作為施加的調(diào)制信號(hào)的函數(shù)的輸入信號(hào)I或者用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的信息例如數(shù)字信息的振幅輪廓能夠被計(jì)算出，因?yàn)閺慕o定的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的振幅輪廓通常是一個(gè)公知函數(shù)。可選地，或者另外，訓(xùn)練測(cè)量，例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，能夠由輸入振幅組成，作為施加的調(diào)制信息或被轉(zhuǎn)換為調(diào)制信息的數(shù)字信息的函數(shù)。
在收發(fā)器裝置中，以上述方式產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)最初可以是基帶頻率信號(hào)，該基帶頻率信號(hào)通過(guò)上變換器轉(zhuǎn)換為RF以產(chǎn)生輸入信號(hào)I。在這種情況下，計(jì)算出的從給定的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的振幅函數(shù)將考慮到上變換步驟。
數(shù)學(xué)運(yùn)算的應(yīng)用可以通過(guò)這里稱(chēng)之為運(yùn)算器的裝置來(lái)執(zhí)行。如本領(lǐng)域中已知的控制設(shè)計(jì)，由運(yùn)算器執(zhí)行以從施加到運(yùn)算器的給定輸入信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算或函數(shù)被稱(chēng)為傳遞函數(shù)。在上述本發(fā)明的實(shí)施例中，選擇在每種情況下所用的運(yùn)算器，以對(duì)特定的輸入信號(hào)I應(yīng)用特定的適合的傳遞函數(shù)，從而產(chǎn)生特定的閾值信號(hào)T，例如后面進(jìn)一步說(shuō)明的。
可以用于提供這種運(yùn)算器的裝置自身是公知的。通常，這種裝置可能包括用于執(zhí)行傳遞函數(shù)的信號(hào)處理器，如數(shù)字信號(hào)處理器。運(yùn)算器也可以包括(i)測(cè)量被采樣信號(hào)的峰值并產(chǎn)生峰值包絡(luò)信號(hào)的信號(hào)峰值監(jiān)視器，(ii)將峰值包絡(luò)信號(hào)數(shù)字化以施加于信號(hào)處理器的AD(模擬至數(shù)字)轉(zhuǎn)換器和將由信號(hào)處理器產(chǎn)生的數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)再轉(zhuǎn)換回適于作為閾值信號(hào)T使用的波形的DA(數(shù)字至模擬)轉(zhuǎn)換器。運(yùn)算器也可以包括一個(gè)或多個(gè)放大器或者與之結(jié)合使用以放大正在處理的信號(hào)，從而產(chǎn)生可變閾值信號(hào)T。
運(yùn)算器可能可選地是模擬裝置，用于給出適合的傳遞函數(shù)或近似值。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，如果運(yùn)算器的輸入包括由信號(hào)處理器產(chǎn)生并施加于調(diào)制器的信號(hào)，運(yùn)算器的信號(hào)處理器功能可以由同一個(gè)信號(hào)處理器提供。
在以上任一個(gè)實(shí)施例中，如果傳遞函數(shù)由運(yùn)算器應(yīng)用于監(jiān)視信號(hào)以產(chǎn)生閾值信號(hào)T，在應(yīng)用傳遞函數(shù)之前或之后，可以通過(guò)使用保存在存儲(chǔ)信號(hào)的相應(yīng)值的存儲(chǔ)器中的查詢(xún)表來(lái)應(yīng)用傳遞函數(shù)。查詢(xún)表中存儲(chǔ)的相應(yīng)值可以從公知理論計(jì)算出和/或通過(guò)例如訓(xùn)練模式的測(cè)量得到。存儲(chǔ)器可以組成用于產(chǎn)生施加于調(diào)制器的輸出信息的信號(hào)處理器的一部分或與該信號(hào)處理器關(guān)聯(lián)。
可預(yù)編程以對(duì)可變輸入信號(hào)執(zhí)行如傳遞函數(shù)一樣的預(yù)定數(shù)學(xué)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)自身是公知的。在本發(fā)明上下文中所用的這種數(shù)學(xué)運(yùn)算的例子在后面說(shuō)明。
運(yùn)算器可能可選地是模擬裝置，用于給出適合的傳遞函數(shù)或近似值。
由傳遞函數(shù)運(yùn)算器執(zhí)行的數(shù)學(xué)運(yùn)算是一個(gè)提供可變閾值信號(hào)T值的數(shù)學(xué)運(yùn)算，該閾值信號(hào)T值與輸入RF信號(hào)振幅值a在RF放大器結(jié)合或比較時(shí)，使RF放大器產(chǎn)生具有振幅的輸出信號(hào)O，該振幅作為輸入RF信號(hào)I的振幅值a的函數(shù)繪出時(shí)，至少其繪圖的一部分實(shí)質(zhì)上是線(xiàn)性或近似線(xiàn)性的。優(yōu)選地，繪圖至少其范圍的80％，期望至少90％是線(xiàn)性的。這和常規(guī)的C類(lèi)放大器組態(tài)不同，C類(lèi)放大器在以常規(guī)方式工作時(shí)，給出具有很高非線(xiàn)性的振幅繪圖。
在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電路中使用的放大裝置可以包括布置在改進(jìn)的C類(lèi)組態(tài)中的放大裝置，使輸入信號(hào)I和閾值信號(hào)T經(jīng)各自的輸入端一起施加，以在放大裝置的單個(gè)電極上結(jié)合。放大裝置可以包括固態(tài)放大裝置，如可以是雙極形或場(chǎng)效應(yīng)(JFET或MOSFET)形的晶體管。例如，如果使用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，輸入信號(hào)I和閾值信號(hào)T可以在晶體管的柵極結(jié)合。輸出信號(hào)O可以從漏極提取。如果晶體管是雙極結(jié)晶體管形式，輸入信號(hào)I和閾值信號(hào)T可以在晶體管基極結(jié)合，輸出信號(hào)O可以從晶體管集電極提取。在每種情況下，偏壓可以象在普通C類(lèi)組態(tài)中一樣施加。如前所述，在一個(gè)實(shí)施例中，例如加在C類(lèi)組態(tài)中結(jié)式晶體管的發(fā)射極的偏壓，可以根據(jù)閾值信號(hào)T的變化而變化。
根據(jù)第一方面的放大電路可以包括兩個(gè)或更多放大裝置。這些裝置可以相互以公知方式的并聯(lián)或串聯(lián)組態(tài)連接以對(duì)給定輸入提供更大的輸出。
本發(fā)明提供一種放大電路，該電路可以具有與C類(lèi)RF放大器類(lèi)似的基本組態(tài)，然而它能夠顯著地和有利地提供放大輸出，該輸出在輸出范圍的大部分是其輸入的線(xiàn)性函數(shù)，并仍然保留C類(lèi)放大器的高效率。同樣的線(xiàn)性通常只能用A類(lèi)或AB類(lèi)放大器獲得，改良的線(xiàn)性為RF信號(hào)的放大提供意外好的響應(yīng)線(xiàn)性和高效率的結(jié)合。與A類(lèi)或AB類(lèi)組態(tài)相比，高運(yùn)行效率有利地產(chǎn)生了顯著的功率消耗的下降。
根據(jù)本發(fā)明的放大電路可以在大量裝置尤其是數(shù)字裝置的RF電路中得到應(yīng)用。這些裝置包括用于RF通信的發(fā)射器、RF智能卡、RF近場(chǎng)激勵(lì)裝置、無(wú)線(xiàn)電和電視廣播裝置、雷達(dá)以及其它許多裝置。在本說(shuō)明書(shū)中，“RF”通常理解為表示大于10KHz的頻率，例如達(dá)500GHz。在許多情況下，在應(yīng)用中產(chǎn)生的RF能量具有從100KHz到100GHz的一個(gè)頻率。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的放大電路的射頻通信發(fā)射器。
如果將本發(fā)明用于RF通信發(fā)射器，該發(fā)射器可以合并在通信裝置中。例如，通信裝置可以包括一個(gè)移動(dòng)的或固定的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器。移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器在這里也稱(chēng)為移動(dòng)站(MS)。術(shù)語(yǔ)“移動(dòng)站(MS)”試圖包括在其含義內(nèi)的裝置，如移動(dòng)和便攜式電話(huà)及移動(dòng)和便攜式無(wú)線(xiàn)電，并包括通過(guò)無(wú)線(xiàn)電通信工作的類(lèi)似裝置。通過(guò)固定的或本領(lǐng)域內(nèi)稱(chēng)為“基站收發(fā)信臺(tái)”或“BTS”的基站收發(fā)器向或從MS提供通信的系統(tǒng)可以布置為在稱(chēng)為蜂窩的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)提供通信覆蓋，并在這里稱(chēng)之為蜂窩式無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明可以在移動(dòng)裝置或蜂窩式通信系統(tǒng)的MS或BTS中得到特定應(yīng)用。在BTS中的運(yùn)行功率級(jí)比在MS中大得多，因此本發(fā)明的收益在BTS中可能更大。例如，在可能使用本發(fā)明的BTS功率放大階段，RF信號(hào)可以從典型的1W的功率級(jí)被放大到典型的50W的功率級(jí)(例如從25W到75W)。以下的潛在好處在一個(gè)或多個(gè)同時(shí)在通常稱(chēng)為SwMI(交換和管理基礎(chǔ)設(shè)施)的網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備中使用的BTS中是可得到的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以在線(xiàn)性響應(yīng)電路中獲得的更高的效率提供了降低的功率消耗，該功率消耗又允許制造更小的運(yùn)行單元。與目前可用的單元相比，該更小的單元能夠使用較少的元件更便宜地制造，并且只需更少的冷卻和空氣調(diào)節(jié)裝置即能在更低的運(yùn)行溫度更可靠地運(yùn)行。BTS站點(diǎn)的占地面積和租用成本也可以有利地降低。
本發(fā)明可以在其中得到應(yīng)用的移動(dòng)裝置或蜂窩式通信系統(tǒng)的MS或BTS可以是指定按照TETRA(陸地集群無(wú)線(xiàn)通信)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的單元。這是一套由ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì))確定的用于現(xiàn)代集群RF通信系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，通信協(xié)議包括被包含在RF信號(hào)的相分量中的數(shù)字信息(例如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)或視頻信息)，該RF信號(hào)使用前面所述的DQPSK(差分四相移鍵控)系統(tǒng)調(diào)制。從MS發(fā)送至BTS(上行鏈路)和從BTS至MS(下行鏈路)的信號(hào)處于不同的頻率(FDD或頻分雙工)。TETRA系統(tǒng)的運(yùn)行頻率是窄帶頻率信道，其處于幾個(gè)特定的頻率范圍，包括以下幾個(gè)(i)380MHz-390MHz上行鏈路/390MHz-400MHz下行鏈路；(ii)410MHz-420MHz上行鏈路/420MHz-430MHz下行鏈路。所用的每一個(gè)信道具有25KHz的帶寬并能夠傳輸36kbit/sec。
TETRA調(diào)制協(xié)議是這樣的，即在信息的連續(xù)數(shù)字之間的信號(hào)振幅決不會(huì)跌至低于最小電平，例如大約為最大振幅的15％，而且這尤其適于使用根據(jù)本發(fā)明的放大電路來(lái)放大這種信號(hào)。這是因?yàn)榉糯笃麟娐返捻憫?yīng)可以設(shè)計(jì)成這樣，使要處理的輸入信號(hào)的振幅在電路的線(xiàn)性響應(yīng)區(qū)域高于可能應(yīng)用在非常小的振幅上的任何非線(xiàn)性響應(yīng)區(qū)域。
然而，如果需要，附加的線(xiàn)性補(bǔ)償器，例如本領(lǐng)域公知的用于與常規(guī)非線(xiàn)性C類(lèi)放大器結(jié)合使用以補(bǔ)償電路運(yùn)行的非線(xiàn)性的線(xiàn)性補(bǔ)償器，可以與本發(fā)明的放大器電路結(jié)合使用，以處理任何在使用本發(fā)明的放大器電路的部分響應(yīng)繪圖中發(fā)生的非線(xiàn)性響應(yīng)。本發(fā)明的放大器電路的輸出可以例如為笛卡兒(Cartesian)回路放大器電路提供輸入。
為了在將用于TETRA通信系統(tǒng)的收發(fā)器(如BTS或MS)中使用，包括有一個(gè)或更多根據(jù)本發(fā)明的放大器電路的功率放大器優(yōu)選地提供在至少為70dB，最好至少為80dB的輸出信號(hào)強(qiáng)度范圍內(nèi)的線(xiàn)性響應(yīng)。
公知的自動(dòng)增益控制(AGC)放大電路使用閾值信號(hào)。然而，根據(jù)本發(fā)明的放大器電路從根本上不同于這種電路。對(duì)于AGC電路，目的是調(diào)整增益以使對(duì)于不同的輸入信號(hào)強(qiáng)度電平的輸出電平都相同。與之相反，本發(fā)明的電路試圖調(diào)整閾值以使對(duì)于給定信號(hào)的變化的輸入電平的增益相同(或保持相近)。
現(xiàn)在根據(jù)附圖通過(guò)例子對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其中


圖1是在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的RF閾值功率放大器的圖示。
圖2是圖1所示的RF閾值功率放大器的對(duì)應(yīng)于時(shí)間繪出的輸入和輸出振幅圖。
圖3是放大器響應(yīng)的圖，即對(duì)于在圖1所示的RF閾值功率放大器中使用的不同閾值函數(shù)，對(duì)應(yīng)于輸入振幅繪出的輸出振幅。
圖4至圖8是均包含體現(xiàn)使用圖1所示RF閾值功率放大器的本發(fā)明的放大器電路的可選RF收發(fā)器的示意電路框圖。
圖9是作為C類(lèi)功率放大器的標(biāo)準(zhǔn)化輸入的函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出的圖，并顯示當(dāng)放大器用于體現(xiàn)本發(fā)明的電路時(shí)提供線(xiàn)性響應(yīng)所要求的閾值信號(hào)T。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明使用RF“閾值PA(功率放大器)”，其包括具有適當(dāng)?shù)钠秒娐返男滦偷母邘?BW)RF放大器。該放大器具有比被放大的信號(hào)的運(yùn)行頻率大至少5倍，優(yōu)選地大至少10倍的帶寬。閾值PA定義為輸出O為取決于輸入信號(hào)I的或者為0(如接地)或者為1(如由使用的電源電壓確定的電壓)的PA。如果輸入信號(hào)I高于給定閾值T的電平，則輸出為1。如果輸入等于或低于給定的閾值電平T，則輸出為0。
這樣的閾值放大TPA在圖1示出。閾值放大器TPA具有兩路輸入，即施加于第一輸入端E1的要放大的輸入信號(hào)I和施加于第二輸入端E2的閾值信號(hào)T，還具有在第三或輸出端E3產(chǎn)生的輸出信號(hào)O。對(duì)于給定的輸入信號(hào)I和閾值信號(hào)T，輸出信號(hào)O象上面一樣確定。實(shí)際上，輸入端E1和E2可以合為一個(gè)在閾值PA內(nèi)的放大裝置的共同的輸入電極，例如MOSFET的柵極。
下面根據(jù)圖2描述和說(shuō)明這種閾值PA的運(yùn)算原理。閾值PA的輸入信號(hào)I是具有如下形式的振幅和相位信息的窄帶信號(hào)。
I＝A COS(ωt+) 方程式1其中A表示峰值振幅，ω、t和分別表示角頻率、時(shí)間和相位。
閾值PA的輸出O為O＝1如果I＞TO＝0如果I≤T對(duì)于窄帶信號(hào)，假定對(duì)于給定時(shí)刻A和的值是恒定的，閾值PA的運(yùn)算可以分析。該運(yùn)算在圖2示出。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可以將ω標(biāo)準(zhǔn)化為1，將設(shè)置為0，可見(jiàn)閾值PA的輸出O為O＝1 對(duì)于0＜t＜α0 對(duì)于α＜t＜2π-α1 對(duì)于2π-α＜t＜2π其中t是信號(hào)的相位角(或經(jīng)過(guò)時(shí)間)，α是由下式給出的特定相位角。
α＝arccos(T/A) 對(duì)于A＞T 及α＝0對(duì)于A≥T。
閾值T被假定為正的(如同輸入I的峰值振幅A)。
對(duì)于閾值PA的輸入I，其為具有1.5(任意的)振幅單位的峰值振幅的正弦波，如圖2中曲線(xiàn)A2所示，而閾值T為0.8振幅單位，閾值PA的輸出O大致為如波形B2所示的矩形波，具有大約為1振幅單位的高度，如圖2所示。
可見(jiàn)，由閾值PA產(chǎn)生的波形B2的輸出信號(hào)脈沖的寬度是與輸入I的振幅成比例的，即輸出信號(hào)O是根據(jù)輸入振幅的變化調(diào)制的脈沖寬度。實(shí)際上，閾值PA的輸出O包含諧波。較高的諧波可以用公知的方式利用使輸出O通過(guò)低通濾波器(LPF)而過(guò)濾掉，從而只保留基波。使用傅立葉分析可見(jiàn)，輸出信號(hào)O的基波的振幅和相位由下式給出。
O1st＝2/πsin(α)cos(ωt+)， -方程式2，其可以表示為O1st＝2/πsin(arccos(T/A))cos(ωt+)-方程式3對(duì)于A＞T，閾值PA顯示有限小信號(hào)增益。這是常規(guī)C類(lèi)放大器沒(méi)有顯示出的特征。這個(gè)意料外的有利特征使得閾值PA可以作為功率放大系統(tǒng)的一部分。
通過(guò)對(duì)于閾值T的值具有固定電平，閾值PA會(huì)具有很高的非線(xiàn)性。然而，調(diào)整輸入信號(hào)I的振幅和輸出信號(hào)O的振幅之間的函數(shù)關(guān)系是可能的。特別是，根據(jù)本發(fā)明，閾值T能夠動(dòng)態(tài)或適應(yīng)性地調(diào)整，以便閾值PA產(chǎn)生至少在其范圍的一部分具有與輸入信號(hào)I的振幅為線(xiàn)性函數(shù)的振幅的輸出信號(hào)O。例如，閾值信號(hào)T可以以前面所述的一種方式變化，即(i)通過(guò)使用前饋回路裝置采樣輸入振幅作為輸入振幅的函數(shù)；或者(ii)通過(guò)計(jì)算輸入振幅將是怎樣的來(lái)作為代表輸入振幅的信號(hào)的函數(shù)；或者(iii)通過(guò)在反饋回路裝置中采樣輸出振幅作為輸出振幅的函數(shù)；或者以這些方式的組合，以獲得這種線(xiàn)性化。
施加于閾值PA的適合的閾值信號(hào)T可以通過(guò)使用運(yùn)算器對(duì)運(yùn)算器的適合的輸入應(yīng)用傳遞函數(shù)獲得。這在下面進(jìn)一步說(shuō)明。
圖3表示使用不同的傳遞函數(shù)產(chǎn)生閾值信號(hào)T的效果。如果閾值信號(hào)T是恒定的(0.2輸入振幅單位)，圖3所示的高非線(xiàn)性曲線(xiàn)A3由輸入振幅和輸出振幅之間的關(guān)系而獲得。然而，如果傳遞函數(shù)變?yōu)門(mén)＝A-(π2/8)A3方程式4方程式4是前面給出的方程式3的用于獲得T的近似簡(jiǎn)化解，得到圖3所示的響應(yīng)曲線(xiàn)B3。曲線(xiàn)B3與曲線(xiàn)A3相比具有改善的線(xiàn)性。
如果通過(guò)使用作為如下傳遞函數(shù)從方程式3得到用于T的更精確的解T＝A cos(arcsin[Aπ/2]) 方程式5那么獲得的響應(yīng)如圖3中曲線(xiàn)C3所示，其有利地在其范圍的大部分是實(shí)質(zhì)上線(xiàn)性的。
如同圖3中曲線(xiàn)B3和C3所示的響應(yīng)可以通過(guò)利用合適的傳遞函數(shù)以導(dǎo)出適合的變化的信號(hào)作為閾值信號(hào)T來(lái)獲得。變化的信號(hào)可以通過(guò)在運(yùn)算器中對(duì)代表輸入I的信號(hào)應(yīng)用合適的傳遞函數(shù)(方程式4或方程式5)來(lái)產(chǎn)生，如前所述，該代表輸入I的信號(hào)或者通過(guò)采樣輸入信號(hào)I或者通過(guò)從用于將產(chǎn)生給定輸入信號(hào)I的調(diào)制的信號(hào)計(jì)算產(chǎn)生。
在響應(yīng)曲線(xiàn)的至少一部分上的線(xiàn)性也可以通過(guò)采樣閾值PA的輸出O和在反饋回路裝置中的運(yùn)算器對(duì)采樣信號(hào)應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)傳遞函數(shù)以得到合適的動(dòng)態(tài)變化的閾值信號(hào)T來(lái)獲得。
對(duì)于非常小的輸入振幅，閾值T可能僅在邊緣上變的小于輸入信號(hào)，而且由于輸出O相應(yīng)變成一系列非常窄的脈沖，閾值PA要求的帶寬可能變的非常大。然而，實(shí)際上，由于對(duì)于小信號(hào)不會(huì)有無(wú)限大的增益，放大器也具有有限的BW，在C類(lèi)PA實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于閾值PA的平滑變換將幾乎自動(dòng)發(fā)生。
圖4至圖8顯示體現(xiàn)本發(fā)明的使用根據(jù)圖1至圖3說(shuō)明的閾值PA的電路的例子。圖4至圖8所示的電路是在無(wú)線(xiàn)電通信收發(fā)器的MS或BTS中使用的收發(fā)器電路的不同形式。在圖4至圖8中具有相同參考數(shù)字的元件具有同樣的功能。
在圖4中，示出了收發(fā)器1a。載波頻率發(fā)生器3產(chǎn)生基帶載波頻率信號(hào)，該信號(hào)施加給調(diào)制器5。在調(diào)制器5中用從DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)7施加的數(shù)字信號(hào)對(duì)基帶載波頻率信號(hào)調(diào)制。來(lái)自調(diào)制器5的已調(diào)輸出施加給上變換器9，上變換器9將已調(diào)基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為已調(diào)RF信號(hào)。已調(diào)RF信號(hào)作為輸入信號(hào)I施加給如前所述的閾值PA(功率放大器)11。輸入信號(hào)I的采樣被供應(yīng)給運(yùn)算器13，運(yùn)算器13對(duì)該采樣信號(hào)應(yīng)用傳遞函數(shù)以產(chǎn)生閾值信號(hào)T，閾值信號(hào)T又作為輸入被施加給閾值PA11。放大的輸出信號(hào)O由閾值PA11產(chǎn)生并通過(guò)LPF(低通濾波器)15濾波，低通濾波器15從輸出信號(hào)O中提取出除了基波之外的諧波。放大和從LPF15濾波后的輸出信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)17傳送到天線(xiàn)19，天線(xiàn)19將信號(hào)作為RF信號(hào)在空中發(fā)射給遠(yuǎn)程接收器(未示出)。進(jìn)來(lái)的RF信號(hào)可以通過(guò)天線(xiàn)19接收并通過(guò)開(kāi)關(guān)17傳送以由接收器以公知的方式處理。
運(yùn)算器13是以前面所述的方式之一對(duì)采樣的輸入信號(hào)I應(yīng)用適合的傳遞函數(shù)(例如，使用由方程式3或方程式4確定的函數(shù))以產(chǎn)生適合的閾值信號(hào)T的裝置。所產(chǎn)生的閾值信號(hào)T具有是輸入信號(hào)的瞬時(shí)振幅的適合片段(fraction)的瞬時(shí)振幅以在輸出信號(hào)O中提供合適的脈沖寬度，如前面根據(jù)圖2所述的一樣。如前所述，運(yùn)算器13可以包括以下元件測(cè)量被采樣的輸入信號(hào)的峰值包絡(luò)的值的信號(hào)峰值監(jiān)視器，和處理器。處理器可以包括用于將測(cè)量值數(shù)字化的AD(模擬至數(shù)字)轉(zhuǎn)換器、應(yīng)用傳遞函數(shù)作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器、將數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)再轉(zhuǎn)換回適于作為閾值信號(hào)T使用的電壓波形的DA(數(shù)字至模擬)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)用于放大正處理的信號(hào)的放大器。
DSP 7的功能以及圖4示出的至少一部分運(yùn)算器13(尤其是執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的部分)在實(shí)際中可以在單個(gè)處理器(例如，以公知方式進(jìn)行產(chǎn)生信號(hào)和編程的數(shù)字微處理器)組合在一起。
可選地，運(yùn)算器13的處理器可以是模擬電路，其通過(guò)應(yīng)用近似方程式5的函數(shù)影響峰值信號(hào)。
在圖5中示出了可選的收發(fā)器1b。收發(fā)器1b以與圖4中的收發(fā)器1a相似的方式運(yùn)行，只是使用運(yùn)算器21代替了運(yùn)算器13。運(yùn)算器21接收來(lái)自DSP 7的輸入。來(lái)自DSP 7的信號(hào)包含用于在調(diào)制器5產(chǎn)生調(diào)制的數(shù)字信息。信號(hào)由運(yùn)算器21處理以便將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的閾值信號(hào)T，閾值信號(hào)T具有計(jì)算出的與實(shí)際的輸入信號(hào)I的振幅變化成比例的振幅變化。
在圖6中示出了另一個(gè)可選收發(fā)器1c。在該例中，運(yùn)算器21被運(yùn)算器25替代。運(yùn)算器25經(jīng)反饋回路27接收由LPF 15產(chǎn)生的輸出信號(hào)的采樣。運(yùn)算器25通過(guò)應(yīng)用傳遞函數(shù)處理采樣的信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)換信號(hào)被作為可變閾值信號(hào)T施加給閾值PA 11時(shí)，該傳遞函數(shù)線(xiàn)性化閾值PA 11的響應(yīng)。在如圖6所示的反饋回路裝置中，運(yùn)算器25的時(shí)間常數(shù)被調(diào)整為適于反饋回路的動(dòng)態(tài)和在反饋回路中處理的信號(hào)的帶寬。
圖7示出了另一個(gè)可選的收發(fā)器1d。在該例中，運(yùn)算器25被運(yùn)算器29代替。運(yùn)算器29經(jīng)反饋回路31以與圖4中使用反饋回路27的裝置相似的方式接收由LPF 15產(chǎn)生的輸出信號(hào)的采樣。然而，在圖7中，運(yùn)算器29還經(jīng)另一個(gè)反饋回路33在LPF濾波之前接收包括閾值PA 11的輸出的采樣的輸入。運(yùn)算器29通過(guò)應(yīng)用適合的傳遞函數(shù)處理采樣的信號(hào)。處理后的信號(hào)結(jié)合起來(lái)提供變化的閾值信號(hào)T，閾值信號(hào)T被施加給閾值PA 11以線(xiàn)性化閾值PA 11的響應(yīng)。
圖8示出了一個(gè)可選的收發(fā)器。在該例中，運(yùn)算器25(圖6)被運(yùn)算器35代替。運(yùn)算器35經(jīng)反饋回路37接收由LPF 15產(chǎn)生的輸出信號(hào)的采樣。運(yùn)算器35還經(jīng)前饋連接39接收象圖4的裝置中的輸入信號(hào)一樣的輸入信號(hào)I的采樣。運(yùn)算器35通過(guò)應(yīng)用適合的傳遞函數(shù)處理采樣的信號(hào)形成其各自的輸入。轉(zhuǎn)換的信號(hào)結(jié)合起來(lái)并用于提供變化的閾值信號(hào)T，閾值信號(hào)T當(dāng)與輸入信號(hào)I一起施加給閾值PA 11時(shí)，進(jìn)一步線(xiàn)性化閾值PA 11的響應(yīng)。
在另一個(gè)可選的圖8所示的改進(jìn)形式的收發(fā)器(未示出)中，用于產(chǎn)生閾值信號(hào)T的運(yùn)算器可以應(yīng)用提供閾值信號(hào)T的PID(比例、積分和微分的組合)控制的傳遞函數(shù)。
圖9以圖形給出在如圖4所示的收發(fā)器裝置中提供閾值信號(hào)T以在C類(lèi)組態(tài)的RF功率放大器的運(yùn)行中提供線(xiàn)性響應(yīng)所要求的傳遞函數(shù)的另一個(gè)例子。假定放大器(“C類(lèi)PA”) 具有如圖9中曲線(xiàn)A9所示的常規(guī)響應(yīng)。直到輸入的振幅高于0.1才會(huì)有輸出。電平0.1是一個(gè)任意的振幅電平，它可以(例如)從具有很高增益的MOSFET的柵極電源電壓降產(chǎn)生。可以看到，曲線(xiàn)A9具有高的非線(xiàn)性。當(dāng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化輸入電平2/π時(shí)，獲得C類(lèi)PA的最大輸出電平。
假定在如圖4所示的裝置中，C類(lèi)PA被用來(lái)作為閾值PA 11，并提供閾值信號(hào)T以使所要求的響應(yīng)曲線(xiàn)為線(xiàn)性的。所要求的線(xiàn)性響應(yīng)曲線(xiàn)如圖9中線(xiàn)B9所示。提供這種響應(yīng)作為輸入的函數(shù)所需要的閾值信號(hào)T為曲線(xiàn)C9。對(duì)于輸入電平低于0.1，需要一個(gè)負(fù)的閾值以偏移(offset)C類(lèi)PA的輸入，從而使它的所有輸入都大于0.1，以使C類(lèi)PA仍然是激勵(lì)的。對(duì)于輸入電平高于0.1，閾值信號(hào)T偏移C類(lèi)PA的輸入信號(hào)I低于提供的輸入信號(hào)I的峰值，從而相對(duì)于如果沒(méi)有施加閾值信號(hào)得到的輸出(曲線(xiàn)A9)而降低輸出(曲線(xiàn)B9)。給出曲線(xiàn)C9的傳遞函數(shù)可用前面所述的方式之一來(lái)執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種RF放大器電路，其包括具有第一輸入端(E1)、第二輸入端(E2)和輸出端(E3)的RF放大裝置，向第一輸入端施加要放大的輸入RF信號(hào)I的裝置，產(chǎn)生并施加閾值信號(hào)T到第二輸入端的裝置，所述放大裝置能夠用于在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)O，該輸出信號(hào)O在當(dāng)I的振幅瞬時(shí)值大于T時(shí)具有高有限值并提供布爾值“1”，在當(dāng)I的振幅瞬時(shí)值小于T時(shí)具有低有限值并提供布爾值“0”，其中，所述閾值信號(hào)是以適于將在輸出信號(hào)O的振幅和輸入信號(hào)I的振幅之間的至少部分范圍的關(guān)系線(xiàn)性化的方式動(dòng)態(tài)變化的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的RF放大器電路，其中，所述產(chǎn)生并施加閾值信號(hào)T的裝置可用于對(duì)代表輸入信號(hào)的信號(hào)應(yīng)用非常量的傳遞函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的RF放大器電路，其具有比用于放大的信號(hào)的平均工作頻率大至少五倍，優(yōu)選地是大至少十倍的帶寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的RF放大器電路，其中，所述輸出端連接低通濾波器，該低通濾波器用于濾掉輸出信號(hào)O中的高于基波的諧波。
5.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大器電路，其中，所述閾值信號(hào)T被控制為具有恒定的符號(hào)的可變信號(hào)。
6.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大器電路，其中，所述閾值信號(hào)T在實(shí)施中作為輸入信號(hào)I的函數(shù)通過(guò)在施加給放大裝置之前對(duì)輸入信號(hào)I采樣而動(dòng)態(tài)地變化，所述產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置包括前饋回路，該前饋回路包括用于從所述采樣的輸入信號(hào)I導(dǎo)出至少部分閾值信號(hào)T的裝置。
7.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大器電路，其中，通過(guò)對(duì)由所述放大裝置產(chǎn)生的輸出信號(hào)O采樣，可選的是在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后，所述閾值信號(hào)T在實(shí)施中作為輸出信號(hào)O的函數(shù)動(dòng)態(tài)變化，所述施加閾值信號(hào)T的裝置包括反饋回路，該反饋回路包括用于提供至少部分衍生自采樣的輸出信號(hào)O的信號(hào)作為閾值信號(hào)T的裝置。
8.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大器電路，其中，所述提供閾值信號(hào)T的裝置可用于從采樣的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)中產(chǎn)生與所述采樣信號(hào)的包絡(luò)相關(guān)的信號(hào)。
9.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置包括數(shù)字信號(hào)處理器，用于從施加以產(chǎn)生輸入信號(hào)I的調(diào)制信息中計(jì)算輸入信號(hào)I的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的RF放大電路，其中，所述電路包括數(shù)字信號(hào)處理器，用于產(chǎn)生在調(diào)制中使用以形成輸入信號(hào)I的調(diào)制信息，并使用所述調(diào)制信息執(zhí)行計(jì)算以導(dǎo)出至少部分閾值信號(hào)T。
11.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置包括(i)用于測(cè)量被采樣信號(hào)的峰值并產(chǎn)生峰值包絡(luò)信號(hào)的信號(hào)峰值監(jiān)視器，(ii)用于將峰值包絡(luò)信號(hào)數(shù)字化的AD(模擬至數(shù)字)轉(zhuǎn)換器；用于對(duì)所述數(shù)字化的峰值包絡(luò)信號(hào)應(yīng)用傳遞函數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理器；和用于將由所述信號(hào)處理器產(chǎn)生的數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)再轉(zhuǎn)換回適于象閾值信號(hào)T和其中的成分一樣使用的波形的DA(數(shù)字至模擬)轉(zhuǎn)換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的RF放大電路，其中，所述產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置還包括一個(gè)或多個(gè)放大器以放大處理的信號(hào)從而產(chǎn)生可變閾值信號(hào)T。
13.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置可用于應(yīng)用比例、微分和積分控制以產(chǎn)生閾值信號(hào)T。
14.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述產(chǎn)生閾值信號(hào)T的裝置可用于通過(guò)使用保存在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)相應(yīng)的信號(hào)值的查詢(xún)表，在應(yīng)用傳遞函數(shù)之前或之后，將傳遞函數(shù)應(yīng)用到所述監(jiān)視的信號(hào)。
15.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，相對(duì)輸入信號(hào)I的振幅的輸出信號(hào)O的振幅的繪圖在至少該RF放大電路的90％的范圍內(nèi)是線(xiàn)性的。
16.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述在電路中使用的放大裝置以改進(jìn)的C類(lèi)組態(tài)配置，以便在實(shí)施中，輸入信號(hào)I和閾值信號(hào)T經(jīng)各自的輸入端一起被施加，以在所述放大裝置的單個(gè)電極上結(jié)合。
17.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述放大裝置包括固態(tài)放大裝置。
18.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，在實(shí)施中，所述閾值信號(hào)T作為可變偏壓施加給放大裝置，或者在所述放大裝置的輸入端與輸入信號(hào)I結(jié)合。
19.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的RF放大電路，其中，所述放大器電路包括兩個(gè)或多個(gè)相互串聯(lián)或并聯(lián)連接的放大裝置。
20.一種RF通信發(fā)射器，其包括根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任一個(gè)的放大器電路。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的RF通信發(fā)射器，其可被合并到在移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的移動(dòng)站或基站收發(fā)臺(tái)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的RF通信發(fā)射器，其可被合并到在使用相位調(diào)制RF信號(hào)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的移動(dòng)站或基站收發(fā)臺(tái)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的RF通信發(fā)射器，其合并到在按照TETRA標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的移動(dòng)站或基站收發(fā)臺(tái)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的RF通信發(fā)射器，其中，所述放大器電路可用于提供在至少為70dB的輸出信號(hào)強(qiáng)度范圍的線(xiàn)性響應(yīng)。
全文摘要
一種RF放大器電路，其包括具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端的RF放大裝置、向第一輸入端施加要放大的輸入RF信號(hào)I的裝置、產(chǎn)生并施加閾值信號(hào)T到第二輸入端的裝置和用于在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)O的放大裝置，該輸出信號(hào)O當(dāng)I的振幅瞬時(shí)值大于T時(shí)具有高有限值并提供布爾值“1”，當(dāng)I的振幅瞬時(shí)值小于T時(shí)具有低有限值并提供布爾值“0”，其中閾值信號(hào)是以適于將在輸出信號(hào)O的振幅和輸入信號(hào)I的振幅之間的至少部分范圍的關(guān)系線(xiàn)性化的方式動(dòng)態(tài)變化的。該放大器電路能夠有利地提供線(xiàn)性和高效率的結(jié)合并適于在用于RF通信及其它應(yīng)用的功率放大器中使用。
文檔編號(hào)H03F1/32GK1650513SQ03805122
公開(kāi)日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2003年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月2日
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