具有线性化的射频功率放大器的制作方法

专利名称：具有线性化的射频功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频(RF)功率放大器设计和技术。
背景技术：
功率放大器(PA)被设计为放大RF信号的功率，并被广泛地用于各种RF电路和器 件。例如，收发机系统包括RF PA, RF PA通常占据非常大的芯片/面板面积，需要较高的DC 功率，并且必须对操作期间所产生的热量进行散热。RFPA的一个功能是放大RF信号的较低 输入功率，通过将来自直流电源的直流功率转换为RF能量来产生较高功率水平的RF输出。

发明内容
本发明公开了与功率放大器相关联的设计和技术，该功率放大器用来放大RF信 号以在各种RF放大电路中提供可变的功率放大和改进的线性，所述功率放大器包括在功 率回退条件下工作的功率放大器。在一方面中，提供可变功率放大器装置，该可变功率放大器装置包括发送RF信 号的传输线 ’放大RF信号的分段晶体管组；以及通过打开或关闭一个或多个分段晶体管组 来改变功率水平和效率的机构。在另一方面中，提供可变功率放大器装置，该可变功率放大器装置包括发送RF信 号的传输线 ’放大RF信号的分段晶体管组；以及通过单独地将分段晶体管组偏置来改变功 率水平和效率的机构。在另一方面中，提供功率放大器装置，该功率放大器装置包括输入端，其接收将 要进行功率放大的RF信号；输出端，其输出已经被功率放大的RF信号；以及电耦接的单 元，其放大所接收的RF信号。所述单元中的每一个具有耦接至输入端的第一终端以及耦接 至输出端的第二终端，并包括一组或多组晶体管。该装置中包括偏置电路，以提供偏置信 号，导通所述多个单元中的至少一组晶体管，并在RF信号放大期间在至少一组晶体管处保 持偏置。提供RF信号检测电路，检测RF信号以产生检测电压。该装置还包括偏置控制电 路，该偏置控制电路接收检测电压，基于检测电压产生控制信号，并分别向除了已经进行了 偏置的至少一组晶体管之外的多组晶体管提供控制信号，以控制输出电流随着所述控制信 号的增加而增加。在该装置中，将所述单元、所述偏置电路、所述RF信号检测电路和所述偏 置控制电路配置为增加与输出电流相关的输出功率，以增加功率回退条件下的线性区域和效率。在另一方面中，提供功率放大器装置，该功率放大器装置包括输入端，其接收将 要进行功率放大的RF信号；输出端，其输出被进行了功率放大的RF信号；单元，其包括耦 接到所述输入端的第一终端以及耦接到所述输出端的第二终端；以及多个晶体管，所述多 个晶体管被分段为第一组和第二组，以放大RF信号的功率。该装置包括可变输出匹配网 络(OMN)，其耦接在所述单元和所述输出端之间，将进行了功率放大的所述RF信号引导至 所述输出端；偏置电路，其提供偏置信号，以导通所述第一组晶体管，并在所述RF信号的放 大期间将所述第一组晶体管保持为偏置；RF信号检测电路，其检测所述RF信号，以产生检 测电压；以及偏置控制电路，其接收检测电压，基于检测电压产生第一控制信号和第二控制 信号，并将所述第一控制信号导向所述第二组晶体管，以控制输出电流随着所述第一控制 信号的增加而增加并将所述第二控制信号导向至所述可变0ΜΝ。在该装置中，将所述单元、 所述RF信号检测电路、所述偏置电路、所述OMN和所述偏置控制电路配置为随着所述输出 电流的增加而增加输出功率，以在功率回退时扩大线性区域并增加效率。在另一方面中，提供功率放大器装置，用来接收与输入端处的输入功率相关联的 RF信号，将所述RF信号放大成具有较高功率水平的输出功率，并在输出端呈现已经被放大 并与所述输出功率相关联的所述RF信号。该装置包括多个单元，所述多个单元中的每一个 具有耦接到所述输入端的第一终端和耦接到所述输出端的第二终端，并包括至少一组晶 体管；传输线，其连接所述单元、所述输出端和所述输入端；以及控制电路，其耦接到所述 单元，分别为所述多组晶体管提供控制信号，以通过单独打开或关闭所述多组晶体管来改 变所述输出功率。在另一方面中，提供了一种利用包括多个单元的功率放大器装置来将与输入功率 相关联的RF信号放大为具有较高功率水平的输出功率，以得到经过放大并与所述输出功 率相关联的RF信号，其中，所述多个单元中的每一个具有耦接到输入端的第一终端和耦接 到输出端的第二终端，并包括一组或更多组晶体管。该方法包括施加偏置信号，以导通所述 多个单元中的至少一组晶体管，并在工作期间将所述至少一组晶体管保持为偏置；检测所 述RF信号；将在所述检测步骤中检测的所述RF信号转换为检测电压；基于检测电压来产 生控制信号；分别向除了已经被偏置的所述至少一组晶体管之外的晶体管组施加所述控制 信号，以控制输出电流随着所述控制信号的增加而增加，从而在功率回退时扩大该装置的 线性区域并增加该装置的效率。在另一方面中，提供了一种利用包括第一单元和第二单元的功率放大器来将与输 入功率相关联的RF信号放大为具有较高功率水平的输出功率，以得到经过放大并与所述 输出功率相关联的RF信号。所述第一单元和所述第二单元中的每一个具有耦接到输入端 的第一终端和耦接到输出端的第二终端。所述第一单元包括分段为第一组晶体管和第二组 晶体管的多个晶体管，并且所述第二单元包括第三组晶体管。该方法包括施加偏置信号， 以导通所述第一组晶体管，并在工作期间将所述第一组晶体管保持为偏置；检测所述RF信 号；将所检测的RF信号转换为直流电压；基于所述直流电压来产生控制信号；向所述第二 组晶体管和所述第三组晶体管施加所述控制信号，以控制输出电流随着所述控制信号的增 加而增加，从而在功率回退时扩大线性区域并增加效率。在另一方面中，公开了一种功率放大器装置，该功率放大器装置基于复合左右手8超材料结构向RF信号提供可变的放大。该装置包括输入端，以接收将要被放大的输入RF 信号；输出端，以输出通过放大所述输入RF信号来进行放大的输出RF信号；一个或更多个 晶体管组，其放大RF信号，并耦接在所述输入端和所述输出端之间；传输线，其进行耦接以 连接所述一个或更多个晶体管组、所述输入端和所述输出端；以及控制机构，其耦接到所述 一个或更多个晶体管组，以选择性打开或关闭一个或更多个晶体管的一个或更多个组，所 述一个或更多个晶体管的一个或更多个组被打开以改变所述输入RF信号的功率水平以及 该装置的效率。在该装置中，所述多个传输线中的至少一个包括复合左右手超材料(CRLH MTM)结构。在附图、详细说明和权利要求中详细说明这些和其它特征，以及它们的实现和变 化。


图1示意性示出功率放大器中的功率回退情形的示例，其中，绘出输出功率 (Pout)、电流⑴和效率(η)作为输入功率(Pin)的函数。图2示出基于针对没有功率回退情况的Pout、avg-versus-Pin、avg图在输出 PAPR(PAPRout)中观察到的信号失真。图3示出功率放大器的功率回退情形的示例，其中，将PAPRin从图2所示的 3. 5dBm至11. 5dBm之间的范围降低为OdBm至8dBm之间的范围，从而恢复线性。图4示出连接到输入端和输出端的示例可变功率放大器(VPA)的框图。图5示出 单元的示例，其中，将晶体管分段为组，Q1、Q2. .. QN-I和QN。图6示出输出匹配网络(OMN)电路的示例。图7A和图7B分别示意性示出平均输出功率(Pout，aVg)作为平均输入功率(Pin， avg)的函数以及效率(η)作为Pout，avg的函数。图8示出示例VPA的示意图，其包括四个组，Q1-Q4。图9利用对称表示示出CRLH单位单元的示例。图10基于图8所示的示意图示出Pout、avg和PAE的测量结果，作为针对VPA实 现的Pin、avg的函数。图11示出效率的测量结果，作为Pout、avg的函数。图12示出示例ACE PA架构的框图，其包括VPA、RF信号检测电路、偏置电路和偏 置控制电路。图13示出针对低功率模式、高功率模式和峰值功率线性化(PPL)的情况的平均输 出功率(Pout，avg)对平均输入功率(Pin，avg)的模拟结果。图14示出针对低功率模式和峰值功率线性化(PPL)的情况的功率增加效率(PAE) 对平均输出功率(Pout，avg)。图15示出针对高功率模式和峰值功率线性化(PPL)的PAE对Pout，avg。图16示出另一种示例ACE PA架构的示意图，该ACE PA架构包括VPA、RF信号检 测电路、偏置电路和偏置控制电路。图17A和图17B示出具有RF信号检测电路的ACE PA的框图示意图，该RF信号检 测电路分别在输出侧检测输出RF信号，并在输入侧检测输入RF信号。
图18示出针对高功率模式、低功率模式和峰值功率线性化(PPL)的情况的ACE PA 的PAE对Pout，avg以及增益对Pout，avg的模拟结果。图19A示出Pin，avg = 15daii的OFDM信号的示例，示出了输入电压Vin中的非恒定包络。图19B示出馈送入偏置控制电路的Vdet的时间变化，其中，将Vdet转换为偏置控 制电流Ib230图19C示出Λ23的时间变化，Ib23是组Q2和Q3的基电流。图20A针对低功率模式的非恒定包络信号示出Pout，avg = 2IdBm的输出电压 Vout的波形。图20B示出对失真进行量化的EVM星座图，示出了与EVM线性要求的不一致。图20C示出具有与使用峰值功率线性化(PPL)的情况相同的Pout，avg的输出电 压Vout的波形。图20D示出对失真进行量化的EVM星座图，其示出与EVM线性要求一致。图21示出另一种示例ACE PA架构的框图，其中，VPA包括超材料输入匹配网络 (MTM IMN)和超材料输出匹配网络(MTM 0ΜΝ)。图22示出另一种示例ACE PA架构的框图，其中，VPA包括单元的输入端处的CRLH 功率分配器和单元的输出端处的CRLH功率结合器。图23示出针对使用CRLH TL的双波段操作的示例ACE PA架构的框图，其中，分别 在前向端口和反向端口处提取具有两个不同的频率的信号。图M示出包括VPA中的多个单元的示例ACE PA架构的框图。图25示出基于单个单元线性功率放大的示例ACE PA架构的框图。
具体实施例方式各种功率放大器架构可用来设计RF装置和系统。针对本发明所述的技术、装置和 系统的一些实现可以并入各种功率放大器架构中的特征。例如，线性PA偏置型AB广泛用于RF应用中，而还使用其它PA架构，诸如用于全 球移动通信系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRQ通信系统和增强型数据速率GSM演进技 术(EDGE)应用中使用的一些PA架构，其中一些使用高斯最小频移键控(GMSK)调制。一般 地说，当直流偏置电流是主要的或者明显大于RF电流时，可以使用A型PA。当RF电流变得 显著并且开始影响PA的偏置点时，可以使用AB型PA。AB型放大器在很多实施中可以实现 比A型放大器更高的效率。—般地说，PA被设计为在相应的最大功率水平上实现最大的效率。致力于高通信 吞吐量的各种无线标准通过操作幅度和相位这两个分量来使用复杂的调制方案产生RF信 号。这样的技术可以对系统中的PA施加严格的线性要求。与此同时，可要求PA在适当的 效率水平上工作，以使电池功耗最小化并减少热耗散。因此，针对无线通信系统期望能够实 现优良效率和线性化的PA设计。除了在线性区域中工作同时保持合适的效率之外，现代无 线应用可以要求装置支持多频段。在一些实现中，PA被设计为在它们各自的单频段中工作， 并被打包成单模块，以提供多频段操作。无线系统中使用的一些调制方案(例如，利用正交频分多址(OFDMA)或码分多址(CDMA)的正交幅度调制(QAM))产生具有在7-15dB范围内的高峰均值功率比(PAPR)的 RF信号。为了避免这种情况，PA被设置为进行工作以使得输出比其峰值输出功率更低的 功率，直到线性要求正好得到满足。该操作被称为“功率回退”，并能够在PA被设计为在其 最大功率水平处或在其最大功率水平附近实现最大效率时显著降低PA的效率。OFDM信号 (802. lla/g, WiMax)的典型的功率增加效率(PAE)值在5%的RMS EVM处是15%至20%的 峰值PAE，在2%的RMS EVM处是小于10%的峰值PAE，其中EVM代表误差向量幅度。在RF 功率放大器中，PAE被限定为输出和输入功率的差与所消耗的直流功率之间的比例，然而， 效率被限定为输出功率与所消耗的直流功率之间的比例。图1示意性示出PA的功率回退情形的示例，其中，绘出输出功率(Pout)、电流⑴ 和效率(η)作为输入功率(Pin)的函数。在此示例中，当使用非恒定调制信号时，Pout和 Pin处于平均意义。如图1所示，线性和优良效率不同时出现。操作PA以使得PA的功率从 其最大水平回退，以满足线性要求。在该功率回退条件下，效率和电流随着PA的工作点沿 着点1到点2的路径从点1处的最大功率水平降低到点2处的功率回退点。为了增加PA的输出功率，PA的电压摆动或PA的电流摆动都需要得到增加。在传 统方式中，装置外围的尺寸增加，以允许大的电流摆动。装置尺寸的增加能够增加其最大功 率，但是也降低其最优负载阻抗，这很难匹配。此外，这样的装置不服从CMOS制造，并要求 诸如基于GaAs或基于SiGe的制造技术的特殊装置技术。图2示出针对没有功率回退的情况基于Pout，avg对Pin，avg图在输出 PAPR(PAPRout)中观察到的信号失真的示例。饱和功率(Psat)是指装置能够实现的最大额 定功率，而峰值输出功率(Pout，peak)是指经调制的RF信号的峰值输出功率水平。Pout， avg和Pin，avg分别是指平均输出功率和平均输入功率。在此示例中，输入PAPR(PAPRin)的 范围是从3. 5daii至11.5dBm，但是由于非线性，PAPRout值的范围被限制为M-28dBm。此外， 由于Pout，peak水平接近并超过I3Sat水平(此例中为^dBm)，输出RF信号在高PAPRout 点经受了失真，如图2中的示意性波形所示。因此，在该功率水平上很难满足EVM要求。
图3示出PA的功率回退情形的示例，其中，PAPRin从图2所示的3. 5dBm至 11. 5daii之间的范围降低到Ocffim至Scffim之间的范围，从而恢复线性。由于所恢复的线性，现 在将PAPRout值的范围从图2的M-28dan加宽到图3的20_27daii。此外，由于现在Pout， peak水平被定位在hat水平之下，信号波形得到恢复。因此，EVM要求在功率回退条件下 得到满足，但是整体PAE被显著降低，如图中的PAE@back-0ff所示。诸如WiMax (微波存取全球互通技术)和LTE (长期演进技术)的4G (第4代)无 线通信技术要求相对较高的功耗，从而相比3G(第3代)技术会降低手机电池寿命。4G技 术中的相对高功耗的原因之一是4G芯片中的RF功率放大器和RF收发机链中的增加的功 耗。由于较高级的调制和0FDM，非恒定包络调制信号的较高PAI^R可以导致该增加的功耗。可以实现本发明所述的功率放大器架构，以合并可切换的晶体管组以及晶体管组 的单个偏置控制。这样的实施可以用来实现高线性和效率。这样的实施可以在无线通信系 统的无线终端应用中提供经改进的电池寿命性能。所述的功率放大器架构可以用于基站、 接入点和毫微微小区技术，以降低功耗。在一些实现中，功率放大器架构使用分布式功率放大器类型拓扑结构，其中，多个 单元被并行耦接，各个单元的一端连接到输入线，而另一端连接到输出线，以将RF输入功率放大为更高水平，并在输出端口处呈现所放大的RF功率信号。各个单元包括至少一个分 段晶体管组。可以通过打开或关闭一个或更多个分段晶体管组来改变功率水平。这样的PA 是可变功率放大器(VPA)。分段晶体管的组可以被配置为单独的电气偏置。VPA中的偏置 点和切换弹性允许通过提供调制输出功率水平的功能来优化线性和效率。明显的是，可以 控制分段晶体管的各组来改变输出功率水平，从而允许在功率回退的条件下恢复效率。可以基于不同的电路结构来实现该PA架构。电磁波在大多数材料中的传播服从 (Ε，Η，β)向量场的右手定则，其中，E是电场，H是磁场，并且β是波矢量。相速度方向和 信号能量传播(群速度)方向相同，折射率是正数。这样的材料是“右手”(RH)的。大多数 自然材料是RH材料。人工材料也可以是RH材料。超材料(MTM)具有人工结构。当被设计 成具有比超材料所传导的电磁能量波长更短的结构平均单位单元(unit cell)尺寸ρ时， 超材料对于所传导的电磁能量可表现为均质介质。和RH材料不一样，超材料可以展示出负 折射率，介电常数ε和磁导率μ同时为负，并且相速度方向与信号能量传播方向相反，其 中，(Ε，Η，β)向量场的相对方向遵循左手定则。仅支持负折射率并且介电常数ε和磁导 率μ同时为负的超材料是纯“左手”(LH)超材料。很多超材料是LH超材料和RH材料的 混合体，因此是复合左右手(CRLH)超材料。CRLH超材料在低频可以表现得像LH超材料， 而在高频表现得像RH材料。在Caloz和Itoh著的“Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory andMicrowave Applications，，，John Wiley&Sons (2006),中 描述了各种CRLH超材料的设计和特性。Tatsuo Itoh在Electronics Letters，第40卷， No. 16 (2004 ^ 8 B )的 “Invited paper =Prospects for Metamaterials"CRLH 超材料及其在天线中的应用。可以构造和设计CRLH超材料，使其展现出为特定应用定制的电磁特性，并且可将 其用于对于其它材料而言困难、不现实、不能实行的那些应用中。此外，可以使用CRLH超材 料来开发用RH材料无法开发的新应用，构造用RH材料无法构造的新设备。2007年4月27 日提交的名为"Antennas,Devices,and Systems Based on Metamaterial Structures，，的 序号为11/741，674的美国专利申请(美国公开号US-2008-0258981-Al)、2007年8月24日 提交的名为“Antennas Based on Metamaterial Mructures”的序号为 11/844，982 的美国 专利申请(美国公开号US-2008-0048917-A1)以及2007年12月21日提交的名为“Power combiners and Dividers Based on Composite Right and Left Handed MetamaterialMructures”的序号为11/963，710 (美国公开号_)中说明了 MTM天线、传输线、RF功率分配器和组合器的示例。通过引用将它们结合在本文中，作为本申请说明的一部分。 本PA架构的电路结构可基于RH材料结构或CRLH MTM结构。作为示例，可以通过CRLH超 材料(MTM)传输线或电路组件来实现本PA架构中使用的传输线，从而以紧凑形式因子实现 多频段或宽带操作，同时遵循阻抗和相位匹配条件。考虑包括MTM单位单元的CRLH MTM元 件的1维结构的简单示例，其中，所述MTM单位单元的特征在于单元旁路电感(LL)、单元旁 路电容(CR)、单元串联电感(LR)和单元串联电容(CL)。这些参数和MTM单位单元的数目 确定了共振频率、对应的带宽、输入和输出阻抗匹配以及电路的结构和尺寸。MTM结构的LH 特性允许MTM结构的尺寸比RH材料制成的等效电路更小，例如，λ/2的一部分，其中，λ是 RF信号在自由空间中的传播波长。CRLH传输线可被设计为在工作信号频率上具有与零度、 180度或180度的倍数、90度或90度的倍数的相位相对应的电波长。CRLH结构还可被设计为在PA系统中支持两个或更多个频段或宽带操作。PA系统可合并CRLH MTM结构，以提供 多频段操作、高效率、可变输出功率以及紧凑形式因子，同时遵循阻抗和相位匹配条件。图4示出连接到输入和输出端口的示例性可变功率放大器(VPA)。该VPA是分 布式功率放大器类型，该VPA包括传输线(TL)，其由非MTM电路组件或CRLH MTM组件制 成；输入负载，其吸收输入反射；以及输出匹配网络(0ΜΝ)。可选地，还可以包括输出负载。 图4中的示例性VPA包括两个单元，单元1和单元2，用来放大输入信号。各个单元具有分 段晶体管的一个或更多个组或群。控制电路在此例中在VPA外部，提供控制电压Vctll、 Vctl2...以及VctlN来通过选择性地打开或关闭单元中的单个组来控制所述单个组。可 以根据应用的具体需要来选择放大单元的数目以及单元中的分段晶体管的组的数目，以作 为VPA设计的一部分。在图4所示的示例中，单元1包含附个组，其由与Vctll-VctlN的 子集相对应的V(I) I-V(I)Nl来分别进行控制，其中m ( N。类似地，单元2包含N2个组， 其由与Vctll-VctlN的另一个子集相对应的VQ) I-V(2)N2来分别进行控制，其中N2 ^ N。 可以将V(I) I-V⑴m以及V⑵I-V⑵N2配置为相同，从而共同控制对应的组。在图4中的VPA的操作中，将输入信号导入VPA的输入端口。在通过TL传输之后， 将输入信号分为至单元1的第一信号以及在通过另一个TL传输之后至单元2的第二信号。 在TL中组合来自单元1和单元2的经放大的输出，并导向输出匹配网络(OMN)，该输出匹配 网络在VPA的输出端产生经放大的输出信号。可以在所示的位置耦接输入负载，以吸收来 自单元2或单元1的反射。图5示出单元的示例，其中，将晶体管分段为晶体管的组，Q1、Q2. . . QN-I和QN，其 中，各个组Q表示一组分段晶体管。例如，第M个组QM具有第M组分段晶体管ql，q2，...和 qK，其中，1彡M彡N并且1彡K。将组Ql、Q2、. . . QN-I和QN配置为根据相应的控制电压 VctlU Vctl2、. . . VctlN-I和VctlN来单独打开和关闭或者偏置。各个组中的晶体管的源 极端、栅极端和漏极端连接到它们相应的公共源极、栅极和漏极连接端，并且由特定于该组 的控制电压来同时进行控制。更具体地说，在各组中，晶体管的源极端互相连接到公共源极 连接端，晶体管的栅极端互相连接到公共栅极连接端，而晶体管的漏极端互相连接到公共 漏极连接端。施加控制电压以控制特定组的所有晶体管。在图5的示例中，如上所述连接 组QM中的不同的晶体管，并且，此外，将不同组的公共漏极连接端连接在一起，并且将不同 组的公共源极连接端连接到接地端。然而，不同组的公共栅极连接端相连接，以接收它们各 自的控制电压VctlM(M= 1，2，...和N)。在此例中，电容器耦接到各个组的公共栅极连接 端，以进行隔离。在实施中，不同的单元可以具有一个或更多个晶体管的相同或不同数目的组。例 如，单元可以仅具有由控制电压控制的一组晶体管或单个晶体管，同时另一个单元可具有 一个或更多个晶体管的两个或更多个组。可以基于目标应用和所期望的功率水平来预先确 定VPA中的单元数、单元中的组数N以及各个组中的分段晶体管数K。具体地说，VPA的组 的尺寸取决于应用所需要的最大RF输出功率(所有组开启)以及最小RF输出功率(一个 组开启)。一般地说，VPA的放大随着已经开启的组数的增加而增加。因而，将晶体管划分 为不同的单独控制的组允许实现可变的放大。例如，可以操作VPA使得在初始操作时晶体 管的一些组开启同时另一些组关闭，然后开启一些额外的晶体管以增加放大从而将输出信 号设置为预先确定的功率水平。
可以利用场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT)和其它类型的晶体管来实 现图5的晶体管。在使用BJT的示例中，利用基极端、集电极端和发射极端来代替栅极端、 漏极端和源极端，基极电流控制开/关以及分段BJT的单个组的偏置。可以使用各种半导 体制造技术来实现所述晶体管，包括但不限于GaAs pHEMT、GaAs和SiGe HBT以及Si CMOS。再次参照图4，VPA的一个示例可包括一共20个晶体管10个在单元1中，10个在 单元2中。单元1中的10个晶体管形成组Ql，而单元2中的10个晶体管可以被分为两个 组，Q2和Q3，各自具有5个晶体管。取决于目标功率和效率水平，控制电路可被配置为针对 三个组提供两个控制电压，例如，针对Ql和Q2的Vctll以及针对Q3的Vctl2。图6示出图4中的VPA的输出匹配网络(OMN)电路的示例。这是可切换的0ΜΝ，其 包括调谐电容器和串联的开关。该开关提供关闭连接的选择，以将调谐电容器从OMN电路 隔离。在正常的操作中，开关闭合，从而调谐电容器作为OMN的一部分工作。对于简单和成 本节约版本，可以省略该开关。图7A和图7B分别示意性示出平均输出功率(Pout，aVg)作为平均输入功率(Pin， avg)的函数以及效率(η)作为Pout，avg的函数。可以通过关闭分段晶体管的一个或更 多个组来实现VPA中的低功率水平上的效率恢复。点l(Pt. 1)表示通过开启所有晶体管来 实现最大线性功率和效率的点，但是非线性开始变得显著。为了满足线性要求，平均输出功 率(Pout，avg)后退到点2(Pt. 2)，其中，如图7B所示，效率显著降低。通过关闭分段晶体 管的一个或更多个组来获得点3 (Pt. 3)处的更高的效率，同时保持点2和点3之间的输出 功率水平大致相同。在功率回退条件下提高效率的另一种方案包括使VPA中的分段晶体管的组单独 偏置。以下再次参照图7A和7B来考虑四组Q1-Q4的示例性情况。点1代表通过使AB类 偏置点处的所有晶体管偏置来实现接近饱和的输出功率和最大效率的点。随着Pout回退 到点2，效率降低。通过将Ql和Q2保持为AB类偏置，并且驱动Q3和Q4朝向切断偏置，可 以达到点3，在点3处，输出功率水平与点2处输出功率水平大致相同，同时实现较高的效 率。图8示出基于图4的示例VPA的示意图。该VPA包括具有四个晶体管组Q1-Q4的 两个单元。组Ql和Q2包含在单元1中，共同被控制电压Vctll控制。组Q3和Q4包含在 单元2中，共同被控制电压Vctl2控制。针对使用FR-4PCB的实现，可将商用或其它pHEMT 封装(例如，柜下表面安装版本)用于Q1-Q4。包含输入负载以吸收输入反射。与图6所示 的可切换OMN不同，非可切换版本可用于OMN电路。将电源电压Vdd施加于Q1-Q4。在该图 中，将传统的非MTM传输线表示为“TL”，并将基于CRLH的传输线表示为“CRLH TL”。CRLH 传输线可用来偏移实现此例中的封装装置所需要的物理长度。CRLH传输线还可用来减少 信号损失并提供改进的阻抗匹配和相位匹配。根据特定装置的具体要求和需要，可以利用 CRLH结构来实现至少一个传输线。在一些设计中，所有传输线可包括CRLH MTM结构。在其 它实现中，非MTM TL可用于所有传输线。图9针对构造本PA设计中使用的MTM电路(例如，TL或匹配网络)来示出CRLH 单位单元的示例。在该实例中使用对称的表示，其中，RH是指右手传输线，CL是指左手串联 电容器，而LL是指左手旁路电感器。RH传输线等效地提供右手串联电感器LR/2以及右手 旁路电容器2CR。本VPA实现针对CL和LL使用集总元件。CRLH传输线可用来有效地缩短14电气长度，从而使得尺寸减小。再次参照图8，由于使用CRLH传输线所导致的电容，加入电 感器Ll和L2以分别连接Ql和Q2的漏极端以及Q3和Q4的漏极端，以对于两个组(单元 1中的Ql和Q2 ；单元2中的Q3和Q4)保持相同的偏置点。图10示出Pout、avg和PAE的测量结果，作为针对基于图8所示的示意图的VPA 实现的Pin、avg的函数。在该图中对Q1-Q4全部开启的情况和Q3和Q4关闭(Ql和Q2开 启)的另一种情况进行了比较。从这些测量结果可明显看出，当两个组关闭时输出功率下 降，但是，在两种情况中，PAE保持几乎相同。图11示出效率的测量结果，作为Pout、aVg的函数。当Q3和Q4关闭时，在整个测 量范围内获得经改进的效率。在本VPA设计中，可以通过开启或关闭一个或更多个晶体管组来改变VPA的功率 水平。初始时，该架构中的VPA可以使得至少一个组开启并且至少一个组关闭。可以将 VPA配置为使得在一定条件下控制初始关闭的组开启，从而增加输出功率同时增加放大器 的线性。因而，在VPA中可以在功率回退处获得较高效率，同时，关于例如相邻信道功率比 (ACPR)和误差向量幅度(EVM)满足无线系统线性要求。可以进行配置，使得在通过将反馈 机构与VPA合并来检测到峰值RF信号时开启关闭的晶体管组。该技术在本文中被称为峰 值功率线性化(PPL)，并且该技术通过在检测到峰值信号时增加功率饱和水平来增加放大 器的提供诸如OFDM的信号所需要的峰值功率水平的能力。合并了 PPL方案的基于VPA的 架构在此处被称为自适应电流消耗包络检测(ACE)功率放大器(PA)。以下给出详细说明。在各种实现中，PA线性化技术涉及将输出处的RF信号包络的幅度和相位与输入 处的RF信号包络的幅度和相位进行比较，以通过反馈环进行适当的纠正。用来解决功率回 退情形的PA架构中的线性化技术的示例包括前馈技术、数字预失真技术、利用非线性组件 的线性放大以及包络消除和恢复。例如，可以在Cripps的名为“RF Power Amplifiers for Wireless Communications”(Artech House，1999 年)的著作的第 9 章中找到 PA 架构中的 一些线性化技术的细节。无需系统水平的变化，可以利用各种现有的集成电路和模块实践来实现本发明所 述的合并了 VPA的PPL技术。图12示出示例性ACE PA架构的框图。该ACE PA包括VPA，其放大输入信号；RF 信号检测电路，其为反馈控制提供检测机构；偏置电路，其在VPA的控制中提供偏置；以及 偏置控制电路，其结合偏置电路将控制对VPA的该偏置。该VPA是图4所示的VPA的具体 示例，其中，单元1包括分段晶体管的两个组，Ql和Q2，而单元2包括分段晶体管的一个组 Q3。分段允许关闭的组在基于RF信号检测、利用RF信号检测电路和相关联的反馈机构确 定的功率水平上开启。例如，RF信号检测电路可包括电阻型耦接器网络和二极管。偏置控 制电路可包括电阻器和运算放大器，并可被实现在芯片或其它现有的IC组件上。电压求和 器和电流镜像是能够用于ACE PA的偏置控制电路的示例。可以基于VPA中与RF信号检测电路和偏置控制电路耦接的分段晶体管的两个或 更多个组来实现PPL技术。如前所述，各种类型的晶体管可用来形成组。该示例使用具有 从偏置电路和偏置控制电路提供至VPA的栅极电压的FET型晶体管。具体地说，如图所示， 单元1中的两个组Ql和Q2分别受Vbias和Vctl的控制，而单元2中的一个组Q3受Vctl 的控制。初始时，偏置电路施加Vbias以开启Q1，Q1在整个处理中保持偏置。RF信号检测电路检测RF信号波形，并将其转换为直流电压Vdet。RF信号检测电路可被配置为检测RF 功率或电压信号波形。所检测的RF信号中的峰值对应于针对非恒定包络信号波形的Vdet 中的峰值。将所检测的电压Vdet馈送到偏置控制电路，该偏置控制电路输出Vctl以开启 组Q2和Q3。Vctl是Vdet的函数。例如，如果将电压求和器作为偏置控制电路，Vctl可为 Vbias+Vdet。在ACE PA架构中，可以与偏置控制方案一起改变单元数目、单元中的组数以及组 中的晶体管数目。例如，ACE PA可被配置为包括单元1中的第一组和第二组以及单元2中 的第四组，其中，利用Vbias在初始时将第一组和第三组偏置开启，利用Vctl开启第二组， 并且根据值和/或定时来利用不同于Vctll的Vctl2开启第四组。图13示出针对低功率模式、高功率模式和PPL的情况的平均输出功率(Pout，aVg) 对平均输入功率(Pin，avg)的模拟结果。该低功率模式是指最小数目个组被偏置开启的 情形。在本示例中，仅组Ql开启。该高功率模式是指所有组都偏置开启的情形。在本示例 中，所有三个组Q1、Q2和Q3都开启。在此模拟中，将连续波(CW)用于RF信号。连续波的 一个示例包括具有恒定包络的正弦波。由RF信号检测电路进行的直流电压转换提供基本 恒定的Vdet值作为针对恒定包络信号的时间的函数。然后，将Vdet馈送入偏置控制电路， 该偏置控制电路输出Vctl作为Vdet的函数，从而控制组Q2和Q3的漏电流。当Q2和Q3 开启时，来自单元1和单元2的集合性漏电流增加，从而导致输出功率增加。随着输入功率 增加，Vdet增加，从而Vctl增加。当输入功率仍然较低时(即，图13中，Pin，avg低于约 12dBm)，Vdet和Vctl较低。因而，来自Q2和Q3的漏电流仍然可忽略，并且输出功率曲线遵 循低功率模式曲线。在约Pout, avg = 20dBm(Pin, avg = 12dBm)处，Vdet和Vctl到达增 加来自Q2和Q3的漏电流的点，从而输出功率偏离低功率模式。如图13所示，按照与二极 管的电流-电压特性类似的方式，漏电流随着Vctl的增加而增加，在约Pout，avg = 28dBm 处提供与高功率模式相对应的全部输出功率。因此，利用将PPL方案与VPA合并的ACE PA 来将线性区域扩展至约^dBm处。图14示出针对低功率模式和PPL的情况的功率增加效率(PAE)对平均输出功率 (Pout, avg)。类似地，图15示出针对高功率模式和PPL的情况下的PAE对Pout，avg。这 两者都是基于与图13相同的条件的模拟结果。无需ACE PA的PPL方案，满足EVM要求的 回退处的PAE在图14中的低功率模式曲线的点1处，在该点1处，Pout，avg回退到17dBm， 并在图15中的高功率模式曲线的点3处，Pout，avg回退到20daii。由于采用了 ACE PA的 PPL技术，如图所示，约为20dBm的回退处的PAE向上移动到点2处。在具有两个或更多个具有用于信号放大的晶体管的单元的本PA设计中，各个单 元包括一个或更多个组的晶体管，并且不同的单元可以具有不同的晶体管数目。针对一些 应用，可以实现两单元PA，以包括具有一个或更多个晶体管的两个组的第一单元和具有一 个或更多个晶体管的一个组的第二单元，从而提供足够的功率放大，同时针对紧凑的电路 尺寸和简单的制造保持晶体管的较少数目的组。在两单元中的各组中，晶体管的源极端相 互连接，晶体管的栅极端相互连接，并且晶体管的漏极端相互连接。将三个控制电压施加于 两单元PA设计中的三个晶体管组两个控制电压用于第一单元中的两个组，并且一个控制 电压用于第二单元中的单个组。在使用BJT的示例中，在各组内部，晶体管的发射极端相互 连接，晶体管的基极端相互连接，并且晶体管的集电极端相互连接。在此例中，将控制电流，即，基电流施加于晶体管的相应组。图16示出另一种示例ACE PA架构的示意图，该ACE PA架构包括具有两个单元1 和单元2的VPA、RF信号检测电路、偏置电路和偏置控制电路。单元1包括分段晶体管的 两个组Ql和Q2，单元2包括分段晶体管的一个组Q3。图12中的ACE PA和图16中的ACE PA之间的一些差异如下(i)将RF信号检测电路放置在图16中的输入侧而不是图12中的 设计中的输出侧；以及(ii)BJT型晶体管用于利用图16中表示为Vcc的电源电压来形成 组Q1，Q2和Q3;以及(iii)偏置控制电路将Vdet转换为基电流Λ23，以控制图16中的组 Q2和Q3的集电极电流。在图16的示例中，除了 OMN之外，还使用输入匹配网络(IMN)，从 而对输入阻抗匹配进行优化。初始时，偏置电路施加Ibl来开启Ql，Ql在整个操作中被偏 置开启。此示例中的RF信号检测电路包括电阻型耦接器网络(RN)和二极管(Dl)以检测 输入RF信号波形，并将其转换为直流电压Vdet。将所检测的电压Vdet馈送到偏置控制电 路，该偏置控制电路输出偏置电流Λ23以控制组Q2和Q3的集电极电流。随着输入功率增 加，Vdet和Λ23增加。来自Q2和Q3的集电极电流按照与二极管型I_V特性类似的方式 随着Λ23的增加而增加，最终提供与高功率模式相对应的全部输出功率。此示例中，可以 利用RF信号检测电路中的电阻型耦接器网络(RN)的RF耦合值来调整Vdet的直流转换电 平。过度耦合会导致不希望的大的增益扩展，从而产生不期望的信号失真，并且由于电流消 耗过早导致效率降低。另一方面，过少的耦合会降低RF信号检测电路的检测范围。可以基 于目标功率和效率水平来预先确定最优直流转换水平。图17A和图17B示出具有RF信号检测电路的ACE PA的框图示意图，该RF信号检 测电路分别在输出侧检测输出RF信号，并在输入侧检测输入RF信号。一般地说，输入侧的 RF信号检测电路对于输出负载变化不太敏感，能够被配置为处理比输出功率检测更少的功 率。ACE PA根据目标应用以及可能的空间限制提供是将RF信号检测电路放置在输入侧还 是放置在输出侧的选择。图18示出针对高功率模式、低功率模式和峰值功率线性化(PPL)的情况的ACE PA 的PAE对Pout，avg以及增益对Pout，avg的模拟结果。该模拟基于图16中示意性示出的 单片微波集成电路(MMIC)。高功率模式是指所有组都开启的情形；而低功率模式是指最小 数目的组开启的情形。在此示例中，组Q1-Q3在高功率模式中是开启的；而在低功率模式中 仅组Ql开启。将增益定义为Pout，aVg/Pin，aVg，这在线性区域中给出了基本恒定的数值。 从图中明显看出，相比高功率模式和低功率模式的情况，利用PPL的增益在更宽的Pout， avg范围上保持基本恒定。利用PPL的PAE基本上比高功率模式的PAE更高，同时相比低功 率模式显示出非常小的下降。在此示例中，针对PPL情况满足EVA要求的功率回退点大约 是21daii。因此，如图所示，使用合并了 PPL的ACE PA将该回退点的PAE提高了大约10%。图19A示出Pin，avg = 15daii的OFDM信号的示例，示出了输入电压Vin中的非恒 定包络。ACE PA的输入侧处的RF信号检测电路检测Vin波形，并且将其转换为检测电压 Vdet0此例中使用直流转换。针对非恒定的包络信号，通过直流转换获得的Vdet是时变的， 并且Vin波形中的峰值对应于Vdet中的峰值。图19B示出馈送入偏置控制电路的Vdet的时间变化，其中，将Vdet转换为偏置控 制电流Λ23。图19C示出Λ23的时间变化，Ib23是组Q2和Q3的基极电流。由于OFDM输 入信号的非恒定包络，来自组Q2和Q3的集电极电流Ic也是时间变化的。随着输入功率增加，Vdet以及Λ23增加。集电极电流Ic按照与二极管类型I-V特性类似的方式随着Λ23 的增加而增加。因此，随着Pin，avg值增加，平均Ic以及Pout，avg增加，导致也利用ACE PA在针对非恒定包络信号的功率后退处得到改进的线性和高效率。图20A针对低功率模式的非恒定包络信号示出Pout，avg = 2IdBm的输出电压 Vout的波形，其中波形失真明显。通常，误差向量幅度(EVM)是该点离开理想的格点多远的 度量。在这里的情况中，理想的格点对应于非失真。图20B示出对失真进行量化的EVM星 座图，示出了与EVM线性要求的不一致。如参照图2所解释，这使得导致效率下降的功率回 退成为必须。图20C示出具有与使用峰值功率线性化(PPL)的情况相同的Pout，avg的输 出电压Vout的波形，其中观察到了所恢复的波形。图20D示出对失真进行量化的EVM星座 图，从而示出与EVM线性要求一致。因此，利用ACE PA在Pout，avg = 21dBm处实现线性和 较高的效率。图21示出另一种示例ACE PA架构的框图，其中，VPA包括超材料输入匹配网络 (MTM IMN)和超材料输出匹配网络(MTM 0ΜΝ)。在此示例和随后的示例中，RF信号检测电 路被放置在输入侧处。在图6中示出可切换的0ΜΝ。可切换或不可切换的非MTM OMN包括 诸如串联电感器和旁路电容器的RH组件。如图9中的CRLH单位单元示例中所示，可以通 过增加诸如旁路电感器和串联电容器的LH组件来实现MTM MN和MTM 0ΜΝ。可以构造MTM 匹配网络以提供比非MTM匹配网络更好的匹配。根据匹配条件和其它要求，可以包含MTM IMN或MTM OMN或者同时包含这两者。MTM IMN或MTM OMN还可用来例如在FR-4实现中减 小电路尺寸。图22示出利用基于MTM技术的另一种示例ACE PA架构的框图。此例中，CRLH功 率分配器用在单元的输入端，而CRLH功率组合器用在单元的输出端，以提供装置匹配以及 构造性的功率组合。根据匹配条件和其它要求，可以包含CRLH分配器或CRLH组合器或者 同时包含这两者。在序号为11/963,710的美国专利申请和XXXX年XX月XX日提交的名 % "Power Amplifier Architectures for High Efficiency and High Linearity UsingMetameterial Structures”序号为_美国专利申请(代理案号为20784-0022001)中可发现CRLH功率分配器和组合器以及其它相关电路的示例。可以设计CRLH功率组合器 和分配器，使得具有与0度、180度的倍数、90度的倍数等的相位相对应的电气长度，以使得 能够进行弹性的阻抗匹配。还可以通过操作CRLH相位响应来实现双波段、多波段以及宽带 信号传输和接收。图23示出针对使用CRLH TL的双波段操作的示例ACE PA架构的框图，其中，分 别在前向端口和反向端口处提取具有两个不同的频率的信号。例如，J. Mata-Contreras 等 在"Assessment of a Composite Right/Left-handed Transmission Line-based Distributed Amplifier implemented in microstrip technology，，(第 36 届欧洲 微波会议论文集，第 1586-1589 页，2006 年)和"Experimental Performance of a Meta-Distributed Amplif ier”(第37届欧洲微波会议论文集，第743-746页，2007年)中 展现了利用CRLH TL和两端口提取的双波段分布式放大器。在图23所示的ACE PA示例中， 在各个输出路径中提供OMN和开关，以提高匹配和隔离。具体地说，开关1关闭并且开关2 开启，以通过输出端1以频率2发送信号，然而，开关1开启并且开关2关闭，以通过输出端 1以频率1发送信号，以便增加各个频段的输出功率或使各个频率的输出功率最大化，从而18提高效率。图M示出包括VPA中的多个单元的示例ACE PA架构的框图。第一单元(单元 1)包含分段晶体管的两个组，一个组始终由Vbias偏置，而另一个组由控制电压Vctll基 于PPL方案开启。在此例中，将第二单元和剩余的单元(单元2-单元N)配置为各自包含 一个晶体管组，这些组分别由Vctl2-VctlN进行控制。另选地，可以将各个单元配置为包括 一个或更多个组，该多个组中的每一个能够被选作利用Vbias偏置的组。可以将偏置控制 电路配置为以不同的定时和/或不同的值输出Vctll-VctlN。在一些实现中，可以包括多个 偏置控制电路，每个偏置控制电路接收Vdet，并将该Vdet转换为Vctll-VctlN中的一个。 对于多个组的这样的可变控制在增加输出功率时提供了弹性，并根据基本的应用和性能要 求提高了线性和效率。例如，可以依次将多个组开启，以控制输出从低功率转为高功率。作 为另一个示例，可以利用单个控制电压Vctl = Vctll = ... = VctlN来一起开启除了利用 Vbias偏置的组之外的所有组。通常，可以利用具有多个单元的分布式功率放大器实现宽带 信号传输和/或接收，其中，各个单元包含一组少量的晶体管。基于小晶体管尺寸方案，可 以调整具有多个单元的ACE PA的本示例，以便得到比传统的多单元分布式PA具有更好的 线性和效率的宽带操作。图25示出基于单个单元线性功率放大的示例ACE PA架构的框图。在该单个单 元构造中，输出功率随着单个单元的使用而变化，其中，该单个单元包含分段晶体管的两个 组。RF信号检测电路被放置在输出侧，以检测输出RF信号并将其转换为检测电压Vdet。另 选地，可以将RF信号检测电路放置在输入侧，以检测输入RF信号。在此例中使用直流转换。 一个组始终由Vbias偏置，而另一个组在检测到峰值信号时由Vctll开启。将偏置控制电 路配置为产生控制电压Vctll和Vctl2作为Vdet的函数。基于第二控制电压Vctl2的值 来开启/关闭可变OMN或使其偏置。根据单元中的晶体管的数目来开启/关闭可变OMN中 的匹配组件或使其偏置，并且在功率回退条件下以及在饱和功率水平时帮助保持最优功率 禾口效率。在将PPL方案合并到各种ACE PA架构中的上述实现中，至少一个组始终由Vbias 偏置。在其它实现中，可以将所述多个组中的一个配置为具有一个晶体管，该晶体管具有两 个或更多个偏置水平、具有高功率处理能力。可以施加第一偏置电压，以在整个工作中保持 最低水平的导电，这等效于前述示例中的偏置组，并且可利用偏置控制电路来施加第二偏 置控制电压和任何附加的偏置电压，以在检测到峰值信号时增加输出功率。可以以多种方式制造本发明所述的ACE PA架构。这类示例包括在传统的FR-4PCB 上印制设计，并基于铝或低温共烧陶瓷(LTCC)来使用薄/厚膜陶瓷技术。另一个示例是单 片制造。这里所示的ACE PA设计适用于大多数单片微波集成电路(MMIC)半导体处理。这 些包括GaAs-UnGaP-、SiGe-和基于Si的制造过程。VPA的单元中的分段晶体管可以是基 于适当的器件处理技术的FET、pHEMT、HBT、CMOS和BiCMOS晶体管等。很多无线PA使用InGaP HBT或GaAs HBT0成本和性能度量通常决定了哪种处理 工艺适用于该应用。针对一些现有的制造处理，每平方毫米的制造成本的量级是基于GaAs 的处理、基于SiGe的处理以及基于Si的处理。基于Si的CMOS在利用一些类型的分布式 方法提供低成本和优良性能或高性能中似乎是有希望的。可以分布CMOS器件以使得利用 与它们的GaAs和SiGe对等物类似的结果来实现所期望的功率水平和优良的效率。如果然后将具有PPL技术的CMOS PA集成在RFIC系统链中，则可以得到进一步的成本节省。在 CMOS工艺中，诸如电压求和器的偏置控制电路也被放置在芯片上。针对PHEMT和HBT工艺， 需要在ASIC中或者利用商用可变运算放大器来实现诸如电压求和器的偏置控制电路。在 HBT工艺中，可以利用基于电流镜的片上偏置方案来实现该偏置电路。尽管本说明书包含了很多具体例子，但这些例子不应被理解为是对本发明或权利 要求的范围的限制，而应仅是对本发明的特定实施例的具体特征的描述。也可以在单个实 施例中组合实施在本说明中就不同的独立实施例的上下文而描述的某些特征。反之亦然， 也可以在多个不同的独立实施例中或者在任何适当的子组合中分开实施在单个实施例的 上下文中所描述的各种特征。并且，尽管上文描述的特征是按照它们在某些组合中出现时 的样子描述的，甚至最初就是这样在权利要求中提出的，但是，在一些情况下，可以从权利 要求的组合中切除一个或多个特征，并且权利要求所保护的组合可以针对子组合或子组合 的变形。仅公开了少数实现。可以基于所说明和所述来对所公开的实现和其它实现进行改 变和增强。
权利要求
1.一种功率放大器装置，该功率放大器装置包括 输入端，其接收将要进行功率放大的RF信号； 输出端，其输出经过功率放大的RF信号；以及电耦接的多个单元，其放大所接收的RF信号，所述多个单元中的每一个具有耦接至输 入端的第一终端以及耦接至输出端的第二终端，并包括一组或更多组晶体管；偏置电路，其提供偏置信号，导通所述多个单元中的至少一组晶体管，并在放大所述RF 信号期间在至少一组晶体管处保持偏置；RF信号检测电路，其检测RF信号以产生检测电压；以及偏置控制电路，该偏置控制电路接收检测电压，基于检测电压产生控制信号，并分别向 除了已经进行了偏置的至少一组晶体管之外的多组晶体管提供控制信号，以控制输出电流 随着所述控制信号的增加而增加，其中，将所述单元、所述偏置电路、所述RF信号检测电路和所述偏置控制电路配置为 增加与输出电流相关的输出功率，以增加功率后退条件下的线性区域和效率。
2.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中，所述RF信号检测电路耦接到所述输 入端，以检测与输入功率相关联的所述RF信号。
3.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中，所述RF信号检测电路耦接到所述输 出端，以检测与所述输出功率相关联的所述RF信号。
4.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中， 所述晶体管是双极结型晶体管；所述偏置电路为所述至少一组晶体管提供作为偏置基极电流的所述偏置信号；以及 所述偏置控制电路分别为除了所述至少一组晶体管之外的多组晶体管提供控制信号， 所述控制信号是基于检测电压而确定的控制基极电流。
5.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中， 所述晶体管是场效应晶体管；所述偏置电路为所述至少一组晶体管提供作为偏置栅极电压的所述偏置信号；以及 所述偏置控制电路分别为除了所述至少一组晶体管之外的多组晶体管提供所述控制 信号，所述控制信号是基于检测电压而确定的控制栅极电压。
6.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中，所述偏置控制电路基于检测电压对将成为单个控制信号的所述多个控制信号中的至 少两个进行配置，并向除了被偏置开启的至少一组晶体管之外的所述多组晶体管中的至少 两组晶体管一起提供所述单个控制信号，以控制所述输出电流。
7.根据权利要求1所述的功率放大器装置，该功率放大器装置还包括输入负载和输出 匹配网络(OMN)。
8.根据权利要求1所述的功率放大器装置，该功率放大器装置还包括输入匹配网络 (IMN)。
9.根据权利要求1所述的功率放大器装置，该功率放大器装置还包括传输线，该传输 线连接所述多个单元、所述偏置电路、所述偏置控制电路、所述输入端、所述输出端和电气 组件，其中，传输线的至少一段包括复合左右手超材料(CRLH MTM)。
10.根据权利要求7所述的功率放大器装置，其中，所述OMN包括CRLHMTM。
11.根据权利要求8所述的功率放大器装置，其中，所述IMN包括CRLHMTM。
12.根据权利要求1所述的功率放大器装置，该功率放大器装置还包括功率分配器，该 功率分配器具有复合左右手超材料结构，以将所述输入端耦接到所述多个单元的所述第一 终端，并在所述输入端和所述第一终端之间提供阻抗匹配。
13.根据权利要求1所述的功率放大器装置，该功率放大器装置还包括功率组合器，该 功率组合器具有复合左右手超材料结构，以将所述输出端耦接到所述多个单元的所述第二 终端，并在所述输出端和所述第二终端之间提供阻抗匹配。
14.根据权利要求1所述的功率放大器装置，该功率放大器装置还包括第一复合左右手超材料(CRLH MTM)传输线，其耦接所述输入端和所述多个单元的所述 第一终端；第二 CRLH MTM传输线，其耦接所述输出端和所述多个单元的所述第二终端；第一开关，其耦接到所述输出端；以及第二开关，其耦接到所述输出端，其中，所述输出端包括第一输出点和第二输出点，该第一输出点以第一频率输出信号， 并耦接到控制所述第一输出点处的输出的所述第一开关，而该第二输出点以不同的第二频 率输出信号，并耦接到控制所述第二输出点处的输出的所述第二开关。
15.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中，所述RF信号检测电路包括电阻型耦 接器网络和二极管。
16.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中，所述多个单元包括第一单元和第二单元，所述第一单元包括被分为第一组和第二组的 晶体管，而所述第二单元包括第三组晶体管；所述偏置电路提供所述偏置信号，以开启所述第一组，并在工作期间将所述第一组保 持为偏置开启；以及所述偏置控制电路基于检测电压来确定控制信号，并向所述第二组和所述第三组一起 提供所述控制信号，以控制所述输出电流。
17.根据权利要求16所述的功率放大器装置，其中所述第一组、第二组和第三组中的至少一个包括两个或更多个场效应晶体管，并且所 述两个或更多个晶体管的栅极端相互连接，以接收控制栅极电压，所述两个或更多个晶体 管的漏极端以公共的漏电势相互连接，而所述两个或更多个晶体管的源极端以公共的源电 势相互连接。
18.根据权利要求16所述的功率放大器装置，其中所述第一组、第二组和第三组中的至少一个包括两个或更多个双极结型晶体管，并且 所述两个或更多个晶体管的基极端相互连接，以接收控制基极电流，所述两个或更多个晶 体管的集电极以公共的集电极电势相互连接，而所述两个或更多个晶体管的发射极以公共 的发射极电势相互连接。
19.根据权利要求1所述的功率放大器装置，其中，所述多个单元包括第一单元，该第一单元包括具有两个或更多个偏置水平的晶体管；所述偏置电路提供偏置信号，以在工作期间保持最低的偏置水平；以及所述偏置控制电路基于检测电压确定所述控制信号，并针对第二最低偏置水平或更高的偏置水平来提供所述控制信号，以控制所述输出电流。
20.一种功率放大器装置，该功率放大器装置包括 输入端，其接收将要进行功率放大的RF信号；输出端，其输出已经进行功率放大的RF信号；单元，其包括耦接到所述输入端的第一终端和耦接到所述输出端的第二终端，以及多 个晶体管，所述多个晶体管被分为第一组和第二组，以放大RF信号的功率；可变输出匹配网络(OMN)，其耦接在所述单元和所述输出端之间，将已经进行功率放大 的所述RF信号引导至所述输出端；偏置电路，其提供偏置信号，以导通所述第一组晶体管，并在所述RF信号的放大期间 将所述第一组晶体管保持为偏置开启；RF信号检测电路，其检测所述RF信号，以产生检测电压；以及 偏置控制电路，其接收检测电压，基于检测电压产生第一控制信号和第二控制信号，并 将所述第一控制信号导向所述第二组，以控制输出电流随着所述第一控制信号的增加而增 加，并将所述第二控制信号导向至所述可变0ΜΝ，其中，将所述单元、所述RF信号检测电路、所述偏置电路、所述OMN和所述偏置控制电 路配置为增加与所述输出电流相关联的输出功率，以在功率后退时扩大线性区域并增加效 率。
21.根据权利要求20所述的功率放大器装置，其中，所述RF信号检测电路耦接到所述 输入端，以检测与输入功率相关联的所述RF信号。
22.根据权利要求20所述的功率放大器装置，其中，所述RF信号检测电路耦接到所述 输出端，以检测与所述输出功率相关联的所述RF信号。
23.一种功率放大器装置，用来接收与输入端处的输入功率相关联的RF信号，将所述 RF信号放大为具有较高功率水平的输出功率，并在输出端呈现已经放大并与所述输出功率 相关联的所述RF信号，该功率放大器装置包括多个单元，所述多个单元中的每一个具有耦接到所述输入端的第一终端和耦接到所述 输出端的第二终端，并包括至少一组晶体管；多个传输线，其连接所述多个单元、所述输出端和所述输入端；以及 控制电路，其耦接到所述单元，分别为所述多组晶体管提供控制信号，以通过单独开启 和关闭所述多组晶体管来改变所述输出功率。
24.根据权利要求23所述的功率放大器，其中，至少一个单元包括多个晶体管，所述多 个晶体管被分为至少两组晶体管。
25.根据权利要求23所述的功率放大器，其中，所述多个传输线的至少一段包括复合 左右手超材料(CRLH MTM)结构。
26.根据权利要求23所述的功率放大器，其中，所述控制电路被配置为产生公共的控 制信号作为至少两组晶体管的控制信号。
27.一种利用包括多个单元的功率放大器装置来将与输入功率相关联的RF信号放大 为具有较高功率水平的输出功率，以得到经过放大并与所述输出功率相关联的RF信号的 方法，其中，所述多个单元中的每一个具有耦接到输入端的第一终端和耦接到输出端的第 二终端，并包括一组或更多组晶体管，该方法包括如下步骤施加偏置信号，以导通所述多个单元中的至少一组晶体管，并在工作期间将所述至少 一组晶体管保持为偏置开启； 检测所述RF信号；将在所述检测步骤中检测的所述RF信号转换为检测电压； 基于所述检测电压来产生控制信号；分别向除了已经偏置开启的所述至少一组晶体管之外的多组晶体管施加所述控制信 号，以控制输出电流随着所述控制信号的增加而增加，从而在功率后退时扩大该装置的线 性区域并增加该装置的效率。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述检测步骤中的所述RF信号是与所述输入 功率相关联的所述RF信号。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述检测步骤中的所述RF信号是经过放大并 与所述输出功率相关联的所述RF信号。
30.根据权利要求27所述的方法，其中， 所述晶体管是双极结型晶体管；所述施加步骤中的所述偏置信号是所述至少一组晶体管的偏置基极电流；以及 所述控制信号分别是除所述至少一组晶体管之外的多组晶体管的控制基极电流。
31.根据权利要求27所述的方法，其中， 所述晶体管是场效应晶体管；所述施加步骤中的所述偏置信号是所述至少一个晶体管组的偏置栅极电压；以及 所述控制信号分别是除所述至少一组晶体管之外的多组晶体管的控制栅极电压。
32.一种利用包括第一单元和第二单元的功率放大器来将与输入功率相关联的RF信 号放大为具有较高功率水平的输出功率，以得到经过放大并与所述输出功率相关联的RF 信号的方法，其中，所述第一单元和所述第二单元中的每一个具有耦接到输入端的第一终 端和耦接到输出端的第二终端，所述第一单元包括分段为第一组晶体管和第二组晶体管的 多个晶体管，并且所述第二单元包括第三组晶体管，该方法包括如下步骤施加偏置信号，以导通所述第一组晶体管，并在装置工作期间将所述第一组晶体管保 持为偏置开启；检测所述RF信号；利用直流转换将所述检测步骤中检测的RF信号转换为检测电压； 基于所述检测电压来产生控制信号；向所述第二组晶体管和所述第三组晶体管施加所述控制信号，以控制输出电流随着所 述控制信号的增加而增加，从而在功率后退情况下扩大线性区域并增加效率。
33.一种功率放大器装置，该功率放大器装置基于复合左右手超材料结构向RF信号提 供可变的放大，该装置包括输入端，以接收将要放大的输入RF信号；输出端，以输出通过放大所述输入RF信号来进行放大的输出RF信号；一个或更多个晶体管的多个组，其放大RF信号，并耦接在所述输入端和所述输出端之间；多个传输线，其进行耦接以连接所述一个或更多个晶体管的多个组、所述输入端和所述输出端，所述多个传输线中的至少一个包括复合左右手超材料(CRLH MTM)结构；以及控制机构，其耦接到所述一个或更多个晶体管的多个组，以选择性打开或关闭一个或 更多个晶体管的一个或更多个组并且控制一个或更多个晶体管的一个或更多个组，所述一 个或更多个晶体管的一个或更多个组被打开以改变所述输出RF信号的功率水平以及该装置的效率。
34.根据权利要求33所述的装置，该装置包括RF信号检测电路，其检测所述输入RF信号和所述输出RF信号中的一个，以产生检测的 直流电压，其中，所述控制机构接收所述检测的直流电压，以基于所述检测的直流电压来控制在 改变所述输出RF信号的所述功率水平以及所述装置的效率时切换的一个或更多个晶体管 的一个或更多个组的偏置，并且，其中，基于所述检测的直流电压在不受所述控制机构控制的偏置电压处开启并偏置一 个或更多个晶体管的至少一个组。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，一个或更多个晶体管的所述多个组和所述传 输线被构造为在所述输入RF信号的两个或更多个信号频率处工作，并在所述两个或更多 个信号频率处产生所述输出RF信号。
36.根据权利要求35所述的装置，其中，所述输出端包括多个特定于频率的输出端，从 而以指定的输出频率输出信号，并且，其中，所述装置包括耦接到所述特定于频率的输出端的开关，以分别将指定的输出频 率处的RF信号导向特定于频率的输出端。
37.根据权利要求33所述的装置，其中，一个或更多个晶体管的所述多个组包括一个 或更多个晶体管的第一组、一个或更多个晶体管的第二组以及一个或更多个晶体管的第三 组，其中，所述装置包括第一单元，其具有一个或更多个晶体管的所述第一组和所述第二 组并耦接在所述输入端和所述输出端之间；第二单元，其具有一个或更多个晶体管的所述 第三组并耦接在所述输入端和所述输出端之间；以及偏置电路，其耦接到一个或更多个晶 体管的所述第一组，并提供偏置信号以开启所述第一组，并且在所述装置的工作期间保持 所述第一组偏置开启，并且所述控制机构基于与所述输入RF信号或输出RF信号相关联的直流电压来产生公共控 制信号，并向所述第一单元中的所述第二组和所述第二单元中的所述第三组施加所述公共 控制信号，以控制所述第二组和所述第三组的偏置，从而改变所述输出RF信号的所述功率 水平同时增加所述装置的线性工作范围和效率。
全文摘要
本发明提供与功率放大器相关联的设计和技术，该功率放大器用来放大RF信号，以在各种RF放大电路中提供可变的功率放大和经改进的线性，其包括在功率回退条件下工作的功率放大器。
文档编号H03F1/30GK102047554SQ200980119824
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月27日
发明者亚历山大·杜普伊, 劳尔·阿里迪奥, 李佑荣, 玛哈·阿乔尔, 阿杰伊·古姆玛拉 申请人:雷斯潘公司