具有低阻抗供电馈送的包络跟踪功率放大器的制造方法
【专利摘要】公开了一种用于包络跟踪功率放大器装置的供电馈送网络，包络跟踪功率放大器装置包括功率放大器和用于将供电电压提供给功率放大器的电压调制器，供电馈送网络包括：被布置为将来自电压调制器的供电电压连接到功率放大器的功率分配面。
【专利说明】具有低阻抗供电馈送的包络跟踪功率放大器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包络跟踪(ET)射频(RF)功率放大器。
【背景技术】
[0002]在现有技术中已知包括包络跟踪电源的功率放大器系统。包络跟踪可以应用于在从HF(高频)到微波的RF频率的宽范围上操作的射频(RF)发射器。
[0003]在包络跟踪RF功率放大器系统中，馈送给功率放大器的供电电压被动态地调整以跟踪以高的瞬时RF功率放大的RF输入信号的包络。通过跟踪被放大的信号生成供电电压通过仅提供所需的供电电压来放大瞬时输入信号而改进了操作效率。“理想的”供电电压瞬时地跟踪瞬时RF输入功率信号，从而在任何时刻，提供足够的且仅足够级别的电压供
5口 O
[0004]以高的瞬时RF输入功率，功率放大器压缩地工作并且由供电电压而不是RF输入功率来确定RF输出功率。这可以被称为压缩操作模式。在低的瞬时RF输入功率，供电电压被基本上恒定地保持在适合于功率放大器装置技术的某个最小值。这可以称为线性操作模式。在操作的线性模式中，主要由RF输入功率来确定RF输出功率。在中等瞬时RF功率，存在压缩操作模式与线性操作模式之间的逐渐过渡。
[0005]在图1中示出了功率放大器的操作模式。图1示出了功率放大器的瞬时供电电压与输入到功率放大器的瞬时RF输入功率的曲线图8。在由附图标记2指示的线性区域中发生线性操作模式。在由附图标记6指示的压缩区域中发生压缩操作模式。在过渡区域4中发生这两种操作模式之间的过渡。
[0006]从上面看到的是，当功率放大器在操作的压缩区域或过渡区域中操作时，施加的供电电压与“理想的”想要的供电电压之间的任何误差将导致功率放大器的输出端的信号的瞬时RF输出功率的误差。输出功率的误差将导致发送信号的线性的劣化，从而导致下述量的增大:误差向量幅度EVM、带内失真的测量；相邻信道泄漏比率(ACLR)失真(接近载波失真)；以及对于频分双工(FDD)系统来说，导致接收频带噪声(远离载波失真)。
[0007]“理想的”包络跟踪电源(也已知为包络放大器或包络调制器)可以被建模为调制电压源，其经由馈送网络连接到功率放大器晶体管的漏极或集电极。
[0008]对于包络跟踪功率放大器来说，重要的是，在引出供电电流的所有频率(包括视频频率)处实现低供电阻抗，这是因为最终的功率放大器级在大范围的调制循环中在压缩模式中操作(与固定的供电功率放大器不同)，并且因此从供电噪声到RF边带的转换增益较闻。
[0009]在实际实施时，要求调制器与功率放大器之间的物理互连，这在供电馈送中引入了串行电感。供电馈送中的误差导致展现出“记忆效应”的功率放大器。
【发明内容】
[0010]提供了一种用于包络跟踪功率放大器装置的供电馈送网络，所述包络跟踪功率放大器装置包括功率放大器和用于将供电电压提供给功率放大器的电压调制器，供电馈送网络包括:功率分配面，其被布置为将来自电压调制器的供电电压连接到功率放大器。
[0011]供电馈送网络可以进一步包括电感器，其中，功率分配面连接到电感器的一侧，并且功率晶体管连接到电感器的另一侧，从而供电电压被经由功率分配面和电感器提供给功率放大器，其中，功率晶体管的电容与电感器形成谐振电路。
[0012]供电馈送网络可以进一步包括传输线，其中，功率分配面连接到传输线的一侧并且功率晶体管连接到传输线的另一侧，从而供电电压被经由功率分配面和传输线提供给功率放大器。功率分配面可以被布置为提供传输线。
[0013]包络跟踪功率放大器可以是射频RF功率放大器，其用于放大RF载波信号，供电馈送网络进一步包括RF去耦电容器，其连接在功率分配面与电气接地之间。
[0014]供电馈送网络可以进一步适于将来自电压调制器的供电电压连接到多个功率放大器。
[0015]供电馈送网络可以进一步包括多个电感器，其中，功率分配面连接到电感器的一侧并且每个功率晶体管连接到电感器的另一侧，从而供电电压被经由功率分配面和电感器提供给功率放大器，其中，每个功率晶体管的电容与每个电感器形成谐振电路。
[0016]供电馈送网络可以进一步包括多个传输线，其中，功率分配面连接到每个传输线的一侧，并且功率晶体管连接到各传输线的另一侧，从而供电电压被经由功率分配面和各传输线提供给功率放大器。
[0017]功率分配面可以被布置为提供各传输线。
[0018]包络跟踪功率放大器可以是射频RF功率放大器，其用于放大RF载波信号，供电馈送网络进一步包括多个RF去耦电容器，每个RF去耦电容器与各自的功率放大器关联并且连接在功率分配面与电气接地之间。
[0019]可以增加由功率放大器展示给电压调制器的阻抗中发生最小阻抗谐振的频率，从而允许增加电压调制器的稳定带宽。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]现在参考附图借助于示例描述本发明，在附图中:
[0021]图1示出了示例性RF功率放大器上的操作区域；
[0022]图2示出了示例性包络跟踪电源和功率放大器的模型；
[0023]图3(a)和3(b)示出了根据现有技术的调制负载阻抗的架构和曲线图；
[0024]提4(a)和图4(b)示出了根据本发明的实施方式的调制负载阻抗的架构和曲线图；
[0025]图5(a)至图5(c)示出了根据现有技术和本发明的实施方式的架构以及供电阻抗的比较曲线图；
[0026]图6(a)和图6(b)示出了根据现有技术的多级架构和调制负载阻抗的曲线图；
[0027]图7(a)和图7(b)示出了根据本发明的实施方式的多级架构和调制负载阻抗的曲线图；
[0028]图8示出了根据本发明的实施方式的功率面的构造；以及
[0029]图9示出了示例性包络跟踪功率放大器架构。【具体实施方式】
[0030]在下面结合示出包络跟踪RF功率放大器的实施方式描述本发明。
[0031]在图2中示出了包络跟踪电源的供电馈送网络的示例性模型。
[0032]理想的电压调制器12连接在电感器14的第一端子与电气接地之间。电感器14的第二端子连接到电感器20的第一端子。电容器18具有连接到电气接地的第一端子和连接到电感器14的第二端子和电感器20的第一端子的第二端子。理想的RF晶体管由电流源22表示，并且具有连接到电气接地的第一端子和连接到电感器20的第二端子的第二端子。电容器24具有连接到电气接地的第一端子和连接到电感器20的第二端子和电流源22的第二端子的第二端子。电容器24表示功率放大器装置电容。RF匹配网络26具有连接到电感器20的第二端子、电流源22的第二端子和表示装置电容的电容器24的第二端子的第一端子。RF匹配网络26的第二端子连接到具有连接到电气接地的第一端子的负载电阻器28的第二端子。
[0033]电感器14表示理想的电压调制器12与由电流源22表示的功率放大器之间的互连的电感。电容器18提供RF去耦。从RF去耦电容器18引出RF电流，并且从理想的电压调制器12引出视频频率电流。通常，用于功率放大器的供电馈送网络包括诸如图2中所示的电感器20的电感器或者传输线，其通常在生成RF功率放大器电压的RF载波频率处具有最多1/4波长的电气长度。电容器24表不由电流源22表不的理想RF晶体管的装置电容。
[0034]展示给理想电压调制器12的负载阻抗示出了两个串联(低阻抗)谐振。这能够参考图3(a)和图3(b)得到进一步的理解。
[0035]参考图3(a)，示出了示出影响展示给理想电压调制器12的被称为调制器负载阻抗并且表示为Znwd lMd的负载阻抗的组件的图2的模型的部分。该调制器负载阻抗Znrod lMd是从看到电感器14的第一端子的理想电压调制器12的输出看到的。如附图标记41所示，理想功率放大器在电感器20的第二端子处表示为开路。理想化的RF功率晶体管被替换为开路(假设具有无限的输出阻抗)。
[0036]参考图3 (b)，示出了调制器负载阻抗Znwd lMd的大小与频率的曲线图。如从绘制图形所看到的，波形43具有由附图标记45a和45b表不的最小部。最小部45a和45b表不与包括电感器14、20和电容器18、24的网络关联的串联阻抗。由最小部45a表示的最低频率谐振主要由电感器14和去耦电容器18确定，并且在频率fl处出现。
[0037]本发明将调制器与由电感器14表示的功率放大器的连接替换为印制电路板(PCB)功率分配面49。在图4(a)中示出了根据本发明的图3 (a)的布置的变形例。图3 (a)的RF去耦电容器18也可以全部或部分地由功率分配面49替换。
[0038]功率分配面是超低阻抗传输线。
[0039]功率分配面49可以实施为PCB结构内的连续的铜层，其由非常薄的介电层与PCB结构内的一个或多个接地面分离。因此，功率分配面能够被视为非常低阻抗传输线。
[0040]参考图4(b)，示出了针对图4(a)中所示的结构的展示给理想电压调制器12的调制器负载阻抗Znrod lMd的大小与频率的曲线图。如看到的，绘制的波形51具有由附图标记53a表示的单个最小部。最小部53a表示与LC电路20、24关联的单个低阻抗谐振。
[0041]谐振在真实的实施中能够对于将替换理想电压调制器12的供电调制器引起稳定性问题。
[0042]由下面的等式给出传输线的阻抗:
[0043]Z0 = V L/C
[0044]因此，传输线展示出每单位长度的低阻抗以及每单位长度的高电容。功率分配面可以被建模为超低阻抗传输线。如果功率分配面的电容足够大，则其可以用作用于功率放大器的唯一 RF去耦，并且可以消除图3 (a)的集中元件去耦电容器18。在这样的情况下，展示给调制器的获得的负载阻抗表现为仅一个谐振，并且与图3(a)的现有技术步骤相比，最小部53a处的谐振的频率f2增加。
[0045]通过增加最低串联谐振的频率，能够实质地增加供电调制器的最大稳定带宽。这相应地允许真实的供电调制器实施的输出阻抗的降低并且从而使得稳定RF功率放大器的任务变得容易。
[0046]参考图5 (a)至图5 (c)，讨论从现有技术的功率放大器装置的本征漏极/集电极看到的供电阻抗与根据本发明的情况的比较。
[0047]从朝向电感器20的第二端子的装置功率放大器的本征漏极/集电极看到供电阻抗冗胃*。在图5(a)的现有技术的布置以及图5(b)的本发明的实施方式中，理想化的供电调制器被假设具有零输出阻抗并且被连接到电气接地的短路55替换。在图5(a)的现有技术布置中，电感器14的第一端子被短路。在图5(b)中所示的本发明的实施方式中，功率分配面由短路55连接到电气接地。
[0048]如图5(c)中所示，针对频率绘制用于图5(a)和图5(b)的布置中的每一个的阻抗Zsupply0针对图5 (a)的现有技术布置的实线曲线57具有两个最大部61a和61b以及最小部63a。与图5(b)的本发明的实施方式关联的虚线曲线59具有单个最大部65a。
[0049]如图5(c)的曲线中所示，低频处的供电阻抗被显著地降低。例如，在频率&处，供电阻抗被从Z1减小到Z2。供电阻抗还仅包含与电感器和电容器20、22的谐振关联的一个峰(由峰65a表示)，而不是两个平行(即，高阻抗)谐振。降低的供电阻抗导致了功率放大器本征漏极/集电极处的降低的电压误差，并且因此减少了存储效应。
[0050]本发明的特别有利的实施是下述实施:使用单个调制器用于为若干功率放大器供电，而不管功率放大器是否同时激活。例如，多个窄带功率放大器被在多频带移动通信手持机中公共地使用，并且方便的是，使用单个调制器来为当前使用的任意功率放大器供电。
[0051]在图6(a)中示出了这样的架构。
[0052]图6 (a)示出了与将电压调制器互连到多个功率放大器关联的寄生元件。然而，详细的描述将取决于互连的PCB迹线将如何路由。一般的原则是从电压调制器馈送多个功率放大器将导致第一串联谐振器的频率的降低，并且导致高频谐振的数目的增加。
[0053]在图6(a)的示例性布置中，提供了三个功率放大器装置(未示出)，其具有三个关联的供电馈送网络101a、101b、101c，其均具有图2中所示的相同的基本结构。因此，每个供电馈送网络101a、101b、IOlc分别包括:电容器18a、18b、18c ;电感器20a、20b、20c ;以及由电容器24a、24b、24c表示的功率放大器装置关联的电容。所有组件被复制对应于功率放大器的数目的次数。
[0054]图6(a)的电感器14表示从电压调制器到功率放大器组件的迹线的电感。该电感公共地用于所有功率放大器。[0055]电感器61表示连接在电感器14的第二端子与电感器20b的第一端子之间的从第一至第二功率放大器的供电迹线的电感。类似地，电感器63表示与馈送给连接在电感器61的第二端子与电感器20b的第一端子之间的第三功率放大器IOlc的供电关联的电感。
[0056]每个功率放大器101a、IOlbUOlc通常保持其自己的RF去耦电容器18a、18b、18c。
[0057]图6 (b)的实线65示出了针对现有技术(图6 (a)的三个功率放大器装置)的调制器负载阻抗Znrod lMd与频率的曲线图。虚线67示出了根据现有技术放大器装置的具有一个功率放大器装置的曲线图。
[0058]如图6(b)中所示，存在与波形65关联的四个最小部68a、79b、69c、69d。添加的每个功率放大器减少了真是给调制器的负载阻抗中的最低串联谐振的频率，从而实现了供电调制器的稳定性与性能之间的平衡并且减小了布置的操作带宽。在图6(b)中，能够看到的是，在引入三个放大器装置的情况下，负载阻抗中的最低串联谐振的频率从f5减小到f4。
[0059]图7(a)示出了实施方式中的根据本发明的图6(a)的架构的修改。电感器14、61和63被替换为功率分配面75。功率面的电容可以用于部分地或全部地替换局部RF供电去耦电容器18a、18b、18c，并且这些电容器可以因此是不需要的，这通过虚线中的电容器18a、18b、18c的存在来示出。
[0060]图7(b)示出了图6(b)的等价曲线图，其中，实线波形77示出了用于具有三个功率放大器级以及功率分配面的图7(a)的架构的阻抗与频率的曲线图，并且虚线79示出了用于具有功率分配面的一个功率放大器级的等价曲线图。
[0061]与波形79的单个最小部相比，波形77具有三个最小部81a、81b、81c。利用一个功率放大器模块的谐振的频率f7(如最小部83a所示)比由最小部71a示出的图6(b)的现有技术布置的对应谐振高得多。此外，由于添加了功率放大器模块导致的谐振频率的降低也小得多。如图7中所示，发生谐振的第一频率仅略微地从表示最小部83a的频率f7减小到表示频率81a的频率f6(参见图7(b))。
[0062]参考图8,不出了功率分布面延伸以实施用于多个功率放大器的各四分之一波RF馈送线。这样的布置消除了图7(a)的分立电感器20a、20b、20c，并且可以部分地或全部地替换图7(a)的本地RF供电去耦电容器18a、18b、18c。
[0063]因此，功率面110的主体用作用于各功率放大器的RF去耦，并且还允许功率放大器和调制器物理地分离，同时保持极低的馈送线串联电感。
[0064]在图8中所示的示例中，理想电压(供电)调制器114连接到四侧功率面的一侧。功率面的其它四侧设置有突起112a、112b、112c，其具有RF载波频率的波长的四分之一的长度，并且均连接到各自的功率放大器116a、116b、116c。
[0065]图8中所示的功率分配面的物理性状是示例性的，并且不代表对于本发明的范围的限制。要求功率分配面是基本上连续的，即不具有太多间隙，但是不要求具有特定的形状。
[0066]图8的实施对于其中使用单个调制器来驱动多个功率放大器的多入多出(MIMO)应用来说是特别有利的。这里参考包络跟踪RF功率放大器的应用的示例来描述本发明。本发明可以在利用这样的布置的任何设备中有利地实施。包络跟踪功率放大器在本领域中是公知的。将被放大的输入信号的瞬时包络用于生成用于该时刻的适合的电压供电水平。在已知的包络跟踪电源中，电源根据输入信号水平选择多个可用供电电压中的一个。所选择的供电电压然后在作为调制供电电压被传递给功率放大器之前进行调整或校正。
[0067]参考图9，其示出了包络跟踪功率放大器的基本架构。将被放大的RF输入信号被提供在连接到功率放大器或功率放大器块120的输入的信号线126上。包络检测器122从线126上的RF输入信号检测输入，并且基于输入的信号为电压调制器124生成包络。电压调制器124生成调制供电电压，例如，包络跟踪电源电压，其在线130上提供给功率放大器120。功率放大器120在线128上生成放大后的RF输出信号。功率放大器或功率放大器120可以包括单个功率放大器或者多个功率放大器，如图6(a)或图7的布置中所示。在电路实施中，提供本发明的功率分配面以将电压调制器124的输出发送给功率放大器120。
[0068]这里参考包络跟踪RF功率放大器的应用的示例描述了本发明。本发明可以有利地用于利用这样的布置的任何设备。
[0069]本发明的示例性应用包括但不限于:在操作的HF(高频)到微波频率范围内:蜂窝手持机；无线局域网；无线基础设施；无线电和电视广播发射机；以及军用功率放大器应用。
[0070]这里参考特定示例和实施方式描述了本发明。本领域技术人员将了解的是，本发明不限于描述这些示例和实施方式的细节，并且本发明的范围由所附权利要求限定。
【权利要求】
1.一种用于包络跟踪功率放大器装置的供电馈送网络，所述包络跟踪功率放大器装置包括功率放大器和用于将供电电压提供给所述功率放大器的电压调制器，所述供电馈送网络包括:功率分配面，所述功率分配面被设置为将来自所述电压调制器的所述供电电压连接到所述功率放大器。
2.根据权利要求1所述的供电馈送网络，所述供电馈送网络进一步包括电感器，其中，所述功率分配面连接到所述电感器的一侧，并且功率晶体管连接到所述电感器的另一侧，从而所述供电电压被经由所述功率分配面和所述电感器提供给所述功率放大器，其中，所述功率晶体管的电容与所述电感器形成谐振电路。
3.根据权利要求1所述的供电馈送网络，所述供电馈送网络进一步包括传输线，其中，所述功率分配面连接到所述传输线的一侧并且功率晶体管连接到所述传输线的另一侧，从而所述供电电压被经由所述功率分配面和所述传输线提供给所述功率放大器。
4.根据权利要求3所述的供电馈送网络，其中，所述功率分配面被布置为提供所述传输线。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的供电馈送网络，其中，所述包络跟踪功率放大器是射频RF功率放大器，所述射频RF功率放大器用于放大RF载波信号，所述供电馈送网络进一步包括RF去耦电容器，所述RF去耦电容器连接在所述功率分配面与电气接地之间。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的供电馈送网络，所述供电馈送网络进一步适于将来自所述电压调制器的所述供电电压连接到多个功率放大器。
7.根据权利要求6所述的供电馈送网络，所述供电馈送网络进一步包括多个电感器，其中，所述功率分配面连接到所述电感器的一侧并且每个功率晶体管连接到所述电感器的另一侧，从而所述供电电压被经由所述功率分配面和所述电感器提供给所述功率放大器，其中，每个功率晶体管的电容与每个电感器形成谐振电路。
8.根据权利要求6所述的供电馈送网络，所述供电馈送网络进一步包括多条传输线，其中，所述功率分配面连接到每条传输线的一侧，并且功率晶体管连接到各相应传输线的另一侧，从而所述供电电压被经由所述功率分配面和各相应传输线提供给所述功率放大器。
9.根据权利要求8所述的供电馈送网络，其中，所述功率分配面被布置为提供各传输线。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的供电馈送网络，其中，所述包络跟踪功率放大器是射频RF功率放大器，所述射频RF功率放大器用于放大RF载波信号，所述供电馈送网络进一步包括多个RF去耦电容器，每个RF去耦电容器与各自的功率放大器关联并且连接在所述功率分配面与电气接地之间。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的供电馈送网络，其中，增加由所述功率放大器展示给所述电压调制器的阻抗中发生最小阻抗谐振的频率，从而允许增加所述电压调制器的稳定带宽。
【文档编号】H03F1/02GK103975523SQ201280060880
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2011年10月10日
【发明者】杰拉德·维蓬尼 申请人:努吉拉有限公司