专利名称：有效生成低功率射频信号的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及低功率射频通信技术。具体讲，公开了一个可以在峰值效率下提供多电平调制射频信号的功率放大器。
为了节约电池能量，蜂窝电话技术要求有效地生成和传输射频信号。已在蜂窝电话技术中实施了一种补偿(backed-off)功率传输模式，这样，当基站接收到的信号电平足够使用低功率时，可以减小传输功率。进一步讲，当蜂窝电话工作在基站附近时，有必要减小传输功率，以避免基站接收电路过载。
在蜂窝电话传输电路中使用多功率电平会因活动的放大设备(典型如双极型晶体管)能够在单输出功率电平下提供峰值效率的事实而变得复杂化。随着功率的减少，晶体管的效率也显著下降。这样，在满功率条件下，功率输出晶体管的工作效率接近50％(同时也是它们的峰值)，在补偿功率模式下，效率会降至10％，甚至更少。
提供多个传输功率电平的办法是让输出晶体管工作在不同的输入信号驱动和偏置电平下。当改变偏置电平或驱动电平时，输出阻抗值保持满功率操作时不变。在低功率操作时，对于减小的功率操作和最大效率而言，阻抗不能呈现出最佳效果。因此，从功率输出晶体管到天线的功率传输也不是最佳效果，进一步减少了输出晶体管的净射频功率。
本发明提供了一个生成多电平低功率射频信号的电路。许多放大晶体管连接在一起放大一个普通的射频信号。通过有选择地将要放大的信号加在一个或多个晶体管输入端上，可有选择地得到多个输出功率电平。每一个晶体管都有一个连接着单输出终端的匹配网络，当选择了任何数量的晶体管来放大信号时，这些匹配网络对每个集电极提供一个基本恒定的阻抗。每一个晶体管，当获选来放大输入信号时，都可以工作在它的最大功率发生电平上，这样，可为任何一个获选的功率电平有效地产生射频信号。
图1是一个示意图，显示了产生射频信号的多个功率电平的功率放大器。
图2是本发明的一个优先实施例，其中，两个晶体管被用来产生两个功率电平。
图3是在满功率工作模式下放大器的输出阻抗的史密斯圆图。
图4是在补偿工作模式下放大器的输出阻抗的史密斯圆图。
图5是一个用来控制射频功率发生的电平的电路的一个实施例。
图1是一个依照本发明的电路的总体视图，该电路用于根据用户选择来提供多个射频输出功率电平。在图中，展示了可以在输出终端30产生一个叠加输出功率的射频放大部分。一个要放大的普通射频信号被加在终端11上，并可以有选择地加到各晶体管20，21和22的输入上。可通过根据想获得的输出电平对放大晶体管20，21和22中的一个或多个提供输入信号来控制输出功率电平。
通过偏置控制电路16，17，18来控制功率选择。要放大的射频信号会根据偏置控制电路16，17，18的状态而被“加”在晶体管20-22中的一个或多个上。输入电容12-14会在由每个偏置控制电路16-18产生的控制电压间产生有效的直流隔离。
每一个放大晶体管20，21，22都连接着一个输出匹配网络24，25，26。从这些输出匹配网络出来的信号叠加在一起，提供一个输出信号，通过“隔直”电容27后加在输出终端30上。射频抑制阻抗29会允许一个工作电压Vcc“加”在晶体管20-22的集电极和发射极间，同时又使工作电压源与射频信号隔离开来。
设计输出匹配网络24，25和26是用来使每一个晶体管20-22都可以看到与跨输出终端30相连的天线间的阻抗匹配。设计输出匹配网络24和26的作用是，当一个或多个相邻的晶体管被置于非放大状态时，仍处于放大状态下的晶体管所看到的负载阻抗基本上保持不变。这样，由于在由已连接的晶体管20-22的集电极所代表的源和天线阻抗之间的阻抗失配所引起的功率损耗，对于输出功率的所有选定电平来说基本上都一样。
应用在蜂窝电话上，上述电路可以使用两个功率放大晶体管20和21来实现。由于蜂窝电话发射机工作在满功率电平和补偿功率电平这两个输出功率电平上，因而可以使用图2中所示的电路。现在参看图2，它展示了一个可以提供两个输出功率电平的功率输出放大电路。功率输出晶体管20，21通过它们的集电极发射极电路与匹配网络相连。作用于晶体管20，21的匹配网络包括一个含电感32和电容33的第一LC部分和一个含电感34和电容35的第二LC部分。还有一个类似的匹配网络，包括一个含电感38和电容39的第一LC部分和一个含电感40和电容41的第二LC部分，它使晶体管21的输出阻抗与天线(连接在终端30)负载阻抗相匹配。
第二匹配网络包括一个单个LC部分，由电感46和电容47构成，用来匹配在每个匹配网络24，25的输出处呈现出的复合阻抗。
电阻42作为一个去耦元件，连接在匹配网络24中第一，第二LC部分间的结点间并与匹配网络25中各LC部分的结点相连。当晶体管22被置于非放大OFF状态时，去耦电阻42会减小晶体管20所看到的阻抗的变化。通过选择去耦元件为150欧姆左右，当晶体管22进入非放大状态时，以补偿模式工作在800兆赫～1吉赫频率范围的发射机会在晶体管21的负载阻抗上只产生极少的变化。当两个晶体管都进入放大状态时，它们产生基本上相同的输出射频信号电平，且基本上没有电流流过去耦元件42。
当晶体管21从放大状态进入非放大状态时，晶体管20看到的阻抗上的微小变化显示在图3，4中。图3，4是在高功率电平和低功率电平工作状态下，晶体管20看到的输出阻抗的史密斯圆图描述。如图3所示，当处于放大状态下时，会在晶体管20以及晶体管21(它们拥有相同的匹配网络和与匹配网络相连的阻抗)的集电极上产生一个阻抗M1。在两个晶体管都处于放大状态的条件下，阻抗M1的值为0.254＋j0.052。当晶体管21进入非放大状态时，这个阻抗如在图4的史密斯圆图中的M2所示，它只会有很小的变化，值变为0.245＋j0.055。本领域中的技术人员都会明白，当晶体管工作在低功率模式下来将晶体管放大效率维持在高和低功率输出电平间时，阻抗上总的变化只会引起小小的失配。
包含有电感46和电容47的单个LC部分构成了输出阻抗匹配部分，它为该装置提供了一个额外的阻抗级。这样，从天线(连接在输出终端30上)看去的阻抗会与在匹配网络24，25的输出终端看到的阻抗几乎匹配。
图5详细地展示了一个作用于每个放大晶体管20和21的偏置控制电路。现在参看图5，第一，第二放大晶体管20，21分别具有与电感61和62的基级连接。电感61和62向偏置电压源提供了一个连接着晶体管基级的射频抑制。晶体管20和21被加偏压而进入它们的最佳功率放大电平。
终端11上的输入信号经过电容13和14被耦合到FET开关54，55。FET开关52，54和53，55受控于开关信号VSW，VSW把输入信号加在每个晶体管20和21的基级上或只加到一个晶体管20上。晶体管52，54和53，55工作在互补模式下，这样，信号或者被衰减，或者基本上以全幅加在晶体管20和21的基级上。电容58和60把偏置电压源VB和FET晶体管52，53分隔开，这样无论晶体管是工作在放大ON状态还是非放大OFF状态，各晶体管20和21都不会发生偏压改变。当晶体管21处在非放大OFF状态时，维持非放大晶体管处于偏置条件下会进一步减少晶体管20所看到的集电极阻抗的变化。
因此，通过使用依照先前所述的各功能的组合，可以维持在产生射频信号功率的各晶体管与输出负载阻抗(通常是连在终端30上的天线)之间的阻抗匹配。进一步讲，每一个晶体管在处于放大状态时都能以它最大的功率放大效率来工作，使电池能量得到有效利用。
前面对本发明的说明展示并介绍了本发明。此外，公开的内容只展示和介绍了本发明的优先实施例，但正如上面提到的，应理解，本发明可以应用于其他的组合，改进和环境下，而且也可以依照上述内容和/或相关技术的技能或知识在本发明理念的范围(如上所述)内对其进行改变或修改。上述的实施例可以进一步用来解释那些已知的实现本发明的最佳模式，以及让本领域中其他技术人员在这些或其它实施例中利用本发明，以及通过本发明的特定应用或使用所要求的各种更改来利用本发明。所以说，本说明并不意味着把本发明限制为此处公开的形式。而且，期望将随附的权利要求看作包括替换实施例。
权利要求
1.一个多功率电平低功率射频放大器包括一个第一晶体管，用于基本上在峰值效率下放大射频信号，所述晶体管有一个集电极电路与第一阻抗匹配网络相连，一个基级电路用于接收所述的射频信号；一个第二晶体管，用于基本上在峰值效率下放大所述的射频信号，所述第二晶体管有一个集电极电路与第二阻抗匹配网络相连，一个基级电路用于接收所述的射频信号；一个输出阻抗匹配网络，与所述的第一，第二阻抗匹配网络以及一个负载阻抗相连；一个基级控制电路，用来有选择地启用一个或两个所述的晶体管基级电路，以在峰值效率下放大所述的射频信号，由此，启用了一个或多个所述的晶体管来放大所述的射频信号；以及一个去耦元件，连接在所述的第一，第二阻抗匹配网络间，其中，当有一个所述晶体管正在放大所述信号时，所述的晶体管被去耦合，因此，无论启用一个还是多个晶体管来放大所述的射频信号，每一个放大晶体管的集电极都会看到基本相同的阻抗。
2.根据权利要求1所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的第一，第二阻抗匹配网络包括多个由串联电感接有电容而组成的部分。
3.根据权利要求2所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的去耦元件连接在所述的第一、第二匹配网络的第一和第二部分之间。
4.根据权利要求3所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的去耦元件是一个电阻。
5.根据权利要求1所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的第一，第二阻抗匹配电路向每一个所述晶体管的集电极提供一个阻抗，该阻抗可以使所述的晶体管的放大线性得以优化。
6.根据权利要求1所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的偏置装置向未被启用的晶体管提供一个基极电流，以便当启用所述的晶体管来放大所述的射频信号时，所述的集电极阻抗基本上保持不变。
7.根据权利要求1所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的基级控制电路提供一个射频开关，启用该开关以使得，当晶体管在放大状态下时将所述的射频信号传输到各个晶体管的基级上。
8.根据权利要求1所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的输出阻抗匹配网络包括至少一个串联电感，与所述第一，第二阻抗匹配网络串联，以及一个并联电容，与所述串联电感的第二末端和所述的负载阻抗相连。
9.根据权利要求1所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述的负载阻抗是一个天线。
10.一个多功率电平射频放大器包括多个放大晶体管，用来放大一个普通射频信号；装置，用于在所述晶体管的集电极和所述晶体管的发射极间加工作电压；装置，用于有选择地将要放大的信号加在各所述晶体管中一个或多个基级连接上，其中，一个或多个所述晶体管放大所述的普通射频信号；多个匹配网络，与每一个所述放大晶体管的集电极相连；所述匹配网络具有连在一起的输出终端；当有任何数量的所述晶体管正在放大所述信号时，所述匹配网络向每个集电极提供一个基本恒定的阻抗；一个负载阻抗网络，与一个使负载阻抗和所述多个匹配网络相匹配的所述多个匹配网络的输出终端相连；
11.根据权利要求10所述的多功率电平射频放大器，其特征在于当所述晶体管没有放大所述射频信号时，一个偏置装置对所述晶体管中的任何一个维持一个偏置电流，以便当所述晶体管在放大射频信号时可以生成一个与所述集电极阻抗基本相等的集电极阻抗。
12.根据权利要求11所述的多功率电平射频放大器，其特征在于所述匹配网络包含第一和第二串联连接LC滤波部分，第一个所述滤波部分包含一个电感，其一端接在所述晶体管集电极上，以及一个电容，与所述电感的另一端以及由所述晶体管的发射极连接形成的公共连接上。
13.根据权利要求12所述的多功率电平射频放大器，进一步包含一个连接在所述匹配网络间的去耦元件，用来将不放大所述信号的晶体管去耦为放大所述信号的晶体管，由此，由放大所述信号的所述晶体管的集电极看到的阻抗变化实际不受不放大所述信号的所述晶体管的状态的影响。
14.根据权利要求13所述的多功率电平射频放大器，其特征在于去耦元件是一个电阻。
全文摘要
一个多功率电平低功率射频放大器。第一晶体管在接近峰值效率下放大射频信号。放大后的信号被馈送到第一阻抗匹配网络。第二晶体管接收该射频信号,并在峰值效率下放大该信号。第二晶体管放大器与第二阻抗匹配网络相连。一个控制电路有选择地把要放大的信号加在每个晶体管上。可以启用一个或多个晶体管在晶体管峰值工作效率下放大射频信号,而不考虑是否启用了其他晶体管来放大信号。
文档编号H03F3/21GK1330500SQ0112261
公开日2002年1月9日 申请日期2001年6月26日 优先权日2000年6月27日
发明者詹姆斯·R·格里菲斯 申请人:国际商业机器公司