专利名称：可重新配置希莱克斯放大器的电源控制及方法
技术领域：
在此公开的各种典型实施例通常涉及功率放大器。更具体地是涉及希莱克斯 (Chireix)反相功率放大器和方法。相关申请的交叉应用本申请是2010年5月 4 日递交的题为 “ RECONFIGURABLE OUTPHASINGCHIREIX AMPLIFIERS AND METHODS”的美国专利申请No. 12/773，498的部分接续申请。本申请通过参考其全部内容予以援引。
背景技术：
功率放大器被广泛应用于通信系统，例如蜂窝通信系统和蜂窝基站，其中高频通信信号被放大用于传输。带宽和效率是功率放大器设计中的重要考虑因素。在蜂窝基站的情况下，对改进的功率放大器(PA)效率的需求日益增长。由于越来越多的标准以及对不影响整体功率放大器的效率和线性的向后兼容的需求，还需要可重新配置蜂窝基站。常规功率放大器，诸如 B类放大器，通常提供达到或者接近其最大饱和功率输出水平的最大效率。为了准确地再现变振幅信号，峰值输出信号水平应当等于或者小于最大饱和功率水平。当瞬时信号输出水平小于峰值输出水平时，常规的B类功率放大器通常工作在小于最大功率下。最新的蜂窝通信标准，诸如在3GPP(第三代合作伙伴计划)中产生的UMTS(通用移动通信系统)和LTE(长期演进)，采用复杂的调制方案，其振幅分量在发射器的瞬时载波输出功率中产生较大的变化。峰值载波输出功率与平均输出功率的比值(定义为“峰值因子”(crest factor))，当用分贝(dB)表示时，可以达到IOdB的数量级。有了这样大小的峰值因子，基站功率放大器的效率严重减小。为了能够处理大峰值载波功率，常规线性功率放大器在大多数工作时间内工作在比其最大输出功率能力低几分贝下(例如几分贝功率回退(back-off))。已经提出了各种方法来解决上述问题。在其中一种方法中，提出了由希莱克斯 (按照RCA公司的品牌名“Ampl iphase”出售)改进的反相技术。术语“反相”涉及一种通过组合若干(通常是两个)相位调制恒定幅度信号获得振幅调制(AM)的方法，将进一步描述如下。这些信号在“信号分量分离器(signal component separator) " (SCS)中产生，并且随后通过射频链(混频器滤波器和放大器)上变频和放大之后进行组合以便在输出组合器网络中形成放大的线性信号。因为利用由两个信号之间的相位差导致的加或减的程度来实现振幅调制，选择这些恒定幅度信号的相位使得其矢量求和的结果带来期望的振幅。在如上所述的希莱克斯方法中，预期输出信号的低水平副本(low-level copy)被分解为两个等幅分量，具有由预期输出信号瞬时振幅确定的相位差。然后这两个等幅分量被一对工作在用于最佳功率效率的饱和或者开关模式下的射频功率放大器放大。然后在低损失希莱克斯组合器中组合这两个功率放大器的输出以便重建全调制射频载波。这样，两个功率放大器的电阻负载阻抗有效地变成了输出相位角的函数并且导致了输出功率的包络调制，表示为\Ρ0υ (Μ ^COS2(^Cd)(1)在上述希莱克斯方法中，开关模式而非线性模式功率放大器的使用是有益的。常规的希莱克斯反相功率放大器在带宽和效率方面具有缺点。功率组合器(例如 1/4波长传输线)和固定的电纳补偿元件(士 jBc，如下所述)造成了频率限制。常规希莱克斯功率放大器中的另一个缺点是它通常源自饱和线性功率放大器(例如AB类)或者调谐的功率放大器(例如F类)，它们不使用匹配网络中的谐波势阱(harmonic trap)则不能理想地提供100%效率。基于E类和其他基于开关模式(例如DE类)反相的其他方法具有其他的缺点，因为它们不能考虑整体性，具有宽的射频带宽并且不能将可重新配置方面考虑在内。此外， 其他方法，诸如η路多尔蒂(Doherty)功率放大器，由于使用若干1/4波传输线通常需要更多的可调元件。
发明内容
根据对具有增强的功率放大器效率和可重新配置性的基站的通信网络的现有需求，提供了各种典型实施例的简述。在以下简述中做出一些简化和省略，其目的在于强调和引入各种典型实施例的某些方面，但不限制实施例的范围。将在后面的章节中说明足以允许本领域普通技术人员理解和使用本发明概念的优选典型实施例的详细描述。一方面，集成数字希莱克斯功率放大器设备可以包括具有接收可变电源电压的多个功率晶体管和并联-串联(shunt-series)电路的功率晶体管电路，其中所述功率晶体管电路产生与可变电源电压成比例的输出功率。所述集成希莱克斯功率放大器设备还可以包括具有希莱克斯补偿元件的宽带组合器和阻抗匹配滤波器，其中所述功率晶体管电路、宽带组合器和阻抗匹配滤波器设置集成在统一封装(unified package)中。另一方面，公开了一种具有数字希莱克斯功率放大器结构的蜂窝基站终端。还有一方面，公开了一种驱动希莱克斯功率放大器结构的方法。所述方法包括提供含有多个接收可变电源电压的功率晶体管和并联-串联电路的功率晶体管电路，其中所述功率晶体管电路产生与可变电源电压成比例的输出功率。所述方法还可以包括提供在统一封装中的具有希莱克斯补偿元件的宽带组合器和阻抗匹配滤波器。所述方法还可以包括调谐并联-串联网络使得能够重新配置功率放大器结构。所述方法还可以包括按照实际开关模式驱动功率晶体管电路。
为了更好地理解各种典型实施例，参考附图其中图IA是常规希莱克斯放大器的框图，以及图IB示出了一种具有希莱克斯组合器拓扑的常规开关模式E类反相功率放大器；图2示出了具有可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图3 (a)是一张图表，示出了对于图2所示的功率放大器以及对于没有补偿的具有13dB输出功率回退的希莱克斯补偿，效率是以dB为单位的标称输出功率的函数；图3(b)是一张图表，示出了对于图2所示的功率放大器以及对于根据表1提供的信息在频带边缘的频率下通过调整电容实现补偿的具有13dB输出功率回退的希莱克斯补偿，效率是以dB单位的标称输出功率的函数；图4是一张图表，示出了对于图2所示的功率放大器以及对于根据表2提供的信息在频带边缘的频率下利用占空比控制实现补偿的具有13dB输出功率回退的希莱克斯补偿，效率是以dB为单位的标称输出功率的函数；图5示出了根据实施例所述具有可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图6A和图6B示出了根据另一个实施例所述具有可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图7示出了对于图2所示的功率放大器具有集成希莱克斯元件的不对称马绍尔德不平衡变压器(Marchand balun)的电路示意图；图8A和图8B示出了对于理想的基于变压器的组合器、图IB所示的1/4波长组合器以及图7所示的马绍尔德组合器，输入阻抗与频率的关系曲线；图9示出了对于理想的基于变压器的组合器、图IB所示的1/4波长组合器以及图 7所示的马绍尔德组合器，希莱克斯组合器效率与频率的关系曲线；图10示出了根据实施例所述的具有可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图11示出了根据实施例所述的具有可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图12示出了图6A和图6B所示的功率放大器的具体实现；图13示出了漏极效率与图12所示并且实现为CMOS-GaN的E类反相功率放大器的放大器输出功率的关系曲线；图14示出了根据实施例所述的具有可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图15示出了根据实施例所述的具有可变电源电压、可变并联电感器、宽带组合器和匹配网络的反相功率放大器的示意图；图16示出了由具有可变峰值电压的功率放大器的典型前置驱动器产生的典型电压信号；图17A示出了对于图14所示的反相功率放大器，漏极效率与输出功率的关系曲线.
一入 ，图17B示出了对于图14所示的反相功率放大器，功率放大器效率(PAE)与输出功率的关系曲线。
具体实施例方式参考附图，其中相似的数字表示相似的部件或者步骤，公开了各种典型实施例的广泛方面。图IA是常规希莱克斯放大器100的框图。关于希莱克斯放大器，反相被定义为一
6种在信号分量分离器102中通过组合两个相位调制恒定幅度信号获得振幅调制(AM)的方法。可以在射频电路104、106中上变频所述分离的信号分量，并且利用功率放大器108、110 放大。然后组合所述异相信号以便在希莱克斯型输出网络112中形成放大的线性信号。选择恒定幅度异相信号的相位，使得其矢量求和的结果产生所需的幅度。所述希莱克斯输出网络112可以包括两个1/4波线λ/4(其中λ是放大器工作频带的中心频率的波长)和用于扩展高频区域以便包括较低输出功率水平的两个补偿电抗+jX和_jX。图IB示出了一种具有希莱克斯组合器拓扑的常规开关模式E类反相功率放大器。 E类功率放大器可以用于高频，其中开关时间与功率晶体管的占空比相当。下面的设计方程适用于图IB所示的拓扑
权利要求
1.一种集成数字希莱克斯功率放大器设备，设备包括功率晶体管电路，包括多个功率晶体管，接收可变的电源电压，以及并联-串联电路，其中所述功率晶体管电路产生与可变电源电压成比例的输出功率；具有希莱克斯补偿元件的宽带组合器；以及阻抗匹配滤波器，其中所述功率晶体管电路、所述宽带组合器和所述阻抗匹配滤波器集成在统一的封装中。
2.根据权利要求1所述的功率放大器设备，其中所述宽带组合器包括固定宽带网络， 并且其中通过调节所述多个功率晶体管的至少一个的占空比来对不同的频带重新配置所述功率放大器。
3.根据权利要求1所述的功率放大器设备，其中所述宽带组合器包括具有小于90度相位角的马绍尔德不平衡变压器。
4.根据权利要求3所述的功率放大器设备，其中所述宽带组合器设置用于在感兴趣的带宽上提供恒定实际阻抗水平，并且其中所述宽带组合器还包括设置在宽带组合器输出节点处的低通LC滤波器，用于提供附加的阻抗匹配，并且建立用于功率放大器的E类操作的品质因子。
5.根据权利要求1所述的功率放大器设备，其中所述由前置驱动器产生的可变电源电压包括具有可变峰值电压(Vpeak)的方波信号。
6.根据权利要求5所述的功率放大器设备，其中所述由前置驱动器产生的可变电源电压包括非零上升时间段(、)和下降时间段(tf)，其中上升时间段和下降时间段的总和小于峰值电压时间段(tpeak)的20%。
7.根据权利要求1所述的功率放大器设备，还包括输入电路，向多个功率晶体管提供可变电源电压，所述输入电路包括数字信号处理器(DSP)，接收同相(I)和正交相位(Q)信号对，并且基于所述(I，Q)值对于可变电源电压产生基带包络(A)。
8.根据权利要求7所述的功率放大器设备，其中所述输入电路还包括第一模块，提供所述(I，Q)值，所述第一模块包括基带(BB)电路，以及数字上变频(DUC)电路。
9.根据权利要求7所述的功率放大器设备，其中所述输入电路还包括RF调制器，接收由DSP产生的相位调制信号，并且对于多个功率晶体管产生恒定幅度相位调制信号。
10.一种驱动集成希莱克斯功率放大器设备的方法，所述方法包括提供功率晶体管电路，所述功率晶体管电路包括在统一封装中的接收可变电源电压的多个功率晶体管和并联-串联电路、具有希莱克斯补偿元件的宽带组合器和阻抗匹配滤波器；驱动宽带组合器中的可变电容器以便使能功率放大器结构的重新配置；以及通过功率晶体管电路产生与可变电源电压成比例的输出功率。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括通过调节所述多个功率晶体管的至少一个的占空比，重新配置所述宽带组合器工作在不同的频带下，其中所述宽带组合器包括固定宽带网络。
12.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括通过输入电路中的数字信号处理器(DSP)接收同相⑴和正交相位(Q)信号对；以及通过DSP基于(I，Q)值产生用于可变电源电压的基带包络㈧；以及通过输入电路向多个功率晶体管提供可变电源电压。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括通过包括基带(BB)电路和数字上变频(DUC)电路的输入电路中的第一模块提供(I， Q)值。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括通过输入电路中的RF调制器接收由DSP产生的相位调制信号；以及通过RF调制器产生用于多个功率晶体管的恒定幅度相位调制信号。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述宽带组合器包括具有小于90度相位角的马绍尔德不平衡变压器。
全文摘要
描述了涉及用于高功率基站的可重新配置集成数字希莱克斯反相功率放大器的各种实施例以及所述设计的相关方法。所述功率放大器可以包括具有多个功率晶体管和并联电路(L1C1、L2C2)的功率晶体管电路，具有希莱克斯补偿元件的宽带组合器，以及阻抗匹配滤波器。在一个实施例中，为了方便希莱克斯补偿元件的集成，所述功率放大器实现为实际开关模式，以便使希莱克斯功率放大器可调。还描述了一种驱动希莱克斯功率放大器结构的方法。在一些实施例中，可变电源电压可以给基于希莱克斯功率放大器的期望输出功率的晶体管电路供电。在一些实施例中，可变电源电压可以依赖于晶体管电路中的两个驱动器之间的反相角。
文档编号H03F3/21GK102237853SQ20111011571
公开日2011年11月9日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月4日
发明者慕斯塔法·阿卡, 杨·索菲亚·弗罗芒斯, 梅丽娜·阿波斯托李杜, 马克·范·德·海登 申请人:Nxp股份有限公司