專利名稱：有效生成低功率射頻信號(hào)的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低功率射頻通信技術(shù)。具體講，公開了一個(gè)可以在峰值效率下提供多電平調(diào)制射頻信號(hào)的功率放大器。
為了節(jié)約電池能量，蜂窩電話技術(shù)要求有效地生成和傳輸射頻信號(hào)。已在蜂窩電話技術(shù)中實(shí)施了一種補(bǔ)償(backed-off)功率傳輸模式，這樣，當(dāng)基站接收到的信號(hào)電平足夠使用低功率時(shí)，可以減小傳輸功率。進(jìn)一步講，當(dāng)蜂窩電話工作在基站附近時(shí)，有必要減小傳輸功率，以避免基站接收電路過載。
在蜂窩電話傳輸電路中使用多功率電平會(huì)因活動(dòng)的放大設(shè)備(典型如雙極型晶體管)能夠在單輸出功率電平下提供峰值效率的事實(shí)而變得復(fù)雜化。隨著功率的減少，晶體管的效率也顯著下降。這樣，在滿功率條件下，功率輸出晶體管的工作效率接近50％(同時(shí)也是它們的峰值)，在補(bǔ)償功率模式下，效率會(huì)降至10％，甚至更少。
提供多個(gè)傳輸功率電平的辦法是讓輸出晶體管工作在不同的輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)和偏置電平下。當(dāng)改變偏置電平或驅(qū)動(dòng)電平時(shí)，輸出阻抗值保持滿功率操作時(shí)不變。在低功率操作時(shí)，對(duì)于減小的功率操作和最大效率而言，阻抗不能呈現(xiàn)出最佳效果。因此，從功率輸出晶體管到天線的功率傳輸也不是最佳效果，進(jìn)一步減少了輸出晶體管的凈射頻功率。
本發(fā)明提供了一個(gè)生成多電平低功率射頻信號(hào)的電路。許多放大晶體管連接在一起放大一個(gè)普通的射頻信號(hào)。通過有選擇地將要放大的信號(hào)加在一個(gè)或多個(gè)晶體管輸入端上，可有選擇地得到多個(gè)輸出功率電平。每一個(gè)晶體管都有一個(gè)連接著單輸出終端的匹配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)選擇了任何數(shù)量的晶體管來放大信號(hào)時(shí)，這些匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)集電極提供一個(gè)基本恒定的阻抗。每一個(gè)晶體管，當(dāng)獲選來放大輸入信號(hào)時(shí)，都可以工作在它的最大功率發(fā)生電平上，這樣，可為任何一個(gè)獲選的功率電平有效地產(chǎn)生射頻信號(hào)。


圖1是一個(gè)示意圖，顯示了產(chǎn)生射頻信號(hào)的多個(gè)功率電平的功率放大器。
圖2是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例，其中，兩個(gè)晶體管被用來產(chǎn)生兩個(gè)功率電平。
圖3是在滿功率工作模式下放大器的輸出阻抗的史密斯圓圖。
圖4是在補(bǔ)償工作模式下放大器的輸出阻抗的史密斯圓圖。
圖5是一個(gè)用來控制射頻功率發(fā)生的電平的電路的一個(gè)實(shí)施例。
圖1是一個(gè)依照本發(fā)明的電路的總體視圖，該電路用于根據(jù)用戶選擇來提供多個(gè)射頻輸出功率電平。在圖中，展示了可以在輸出終端30產(chǎn)生一個(gè)疊加輸出功率的射頻放大部分。一個(gè)要放大的普通射頻信號(hào)被加在終端11上，并可以有選擇地加到各晶體管20，21和22的輸入上?？赏ㄟ^根據(jù)想獲得的輸出電平對(duì)放大晶體管20，21和22中的一個(gè)或多個(gè)提供輸入信號(hào)來控制輸出功率電平。
通過偏置控制電路16，17，18來控制功率選擇。要放大的射頻信號(hào)會(huì)根據(jù)偏置控制電路16，17，18的狀態(tài)而被“加”在晶體管20-22中的一個(gè)或多個(gè)上。輸入電容12-14會(huì)在由每個(gè)偏置控制電路16-18產(chǎn)生的控制電壓間產(chǎn)生有效的直流隔離。
每一個(gè)放大晶體管20，21，22都連接著一個(gè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)24，25，26。從這些輸出匹配網(wǎng)絡(luò)出來的信號(hào)疊加在一起，提供一個(gè)輸出信號(hào)，通過“隔直”電容27后加在輸出終端30上。射頻抑制阻抗29會(huì)允許一個(gè)工作電壓Vcc“加”在晶體管20-22的集電極和發(fā)射極間，同時(shí)又使工作電壓源與射頻信號(hào)隔離開來。
設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)24，25和26是用來使每一個(gè)晶體管20-22都可以看到與跨輸出終端30相連的天線間的阻抗匹配。設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)24和26的作用是，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)相鄰的晶體管被置于非放大狀態(tài)時(shí)，仍處于放大狀態(tài)下的晶體管所看到的負(fù)載阻抗基本上保持不變。這樣，由于在由已連接的晶體管20-22的集電極所代表的源和天線阻抗之間的阻抗失配所引起的功率損耗，對(duì)于輸出功率的所有選定電平來說基本上都一樣。
應(yīng)用在蜂窩電話上，上述電路可以使用兩個(gè)功率放大晶體管20和21來實(shí)現(xiàn)。由于蜂窩電話發(fā)射機(jī)工作在滿功率電平和補(bǔ)償功率電平這兩個(gè)輸出功率電平上，因而可以使用圖2中所示的電路?，F(xiàn)在參看圖2，它展示了一個(gè)可以提供兩個(gè)輸出功率電平的功率輸出放大電路。功率輸出晶體管20，21通過它們的集電極發(fā)射極電路與匹配網(wǎng)絡(luò)相連。作用于晶體管20，21的匹配網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)含電感32和電容33的第一LC部分和一個(gè)含電感34和電容35的第二LC部分。還有一個(gè)類似的匹配網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)含電感38和電容39的第一LC部分和一個(gè)含電感40和電容41的第二LC部分，它使晶體管21的輸出阻抗與天線(連接在終端30)負(fù)載阻抗相匹配。
第二匹配網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)單個(gè)LC部分，由電感46和電容47構(gòu)成，用來匹配在每個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)24，25的輸出處呈現(xiàn)出的復(fù)合阻抗。
電阻42作為一個(gè)去耦元件，連接在匹配網(wǎng)絡(luò)24中第一，第二LC部分間的結(jié)點(diǎn)間并與匹配網(wǎng)絡(luò)25中各LC部分的結(jié)點(diǎn)相連。當(dāng)晶體管22被置于非放大OFF狀態(tài)時(shí)，去耦電阻42會(huì)減小晶體管20所看到的阻抗的變化。通過選擇去耦元件為150歐姆左右，當(dāng)晶體管22進(jìn)入非放大狀態(tài)時(shí)，以補(bǔ)償模式工作在800兆赫～1吉赫頻率范圍的發(fā)射機(jī)會(huì)在晶體管21的負(fù)載阻抗上只產(chǎn)生極少的變化。當(dāng)兩個(gè)晶體管都進(jìn)入放大狀態(tài)時(shí)，它們產(chǎn)生基本上相同的輸出射頻信號(hào)電平，且基本上沒有電流流過去耦元件42。
當(dāng)晶體管21從放大狀態(tài)進(jìn)入非放大狀態(tài)時(shí)，晶體管20看到的阻抗上的微小變化顯示在圖3，4中。圖3，4是在高功率電平和低功率電平工作狀態(tài)下，晶體管20看到的輸出阻抗的史密斯圓圖描述。如圖3所示，當(dāng)處于放大狀態(tài)下時(shí)，會(huì)在晶體管20以及晶體管21(它們擁有相同的匹配網(wǎng)絡(luò)和與匹配網(wǎng)絡(luò)相連的阻抗)的集電極上產(chǎn)生一個(gè)阻抗M1。在兩個(gè)晶體管都處于放大狀態(tài)的條件下，阻抗M1的值為0.254＋j0.052。當(dāng)晶體管21進(jìn)入非放大狀態(tài)時(shí)，這個(gè)阻抗如在圖4的史密斯圓圖中的M2所示，它只會(huì)有很小的變化，值變?yōu)?.245＋j0.055。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員都會(huì)明白，當(dāng)晶體管工作在低功率模式下來將晶體管放大效率維持在高和低功率輸出電平間時(shí)，阻抗上總的變化只會(huì)引起小小的失配。
包含有電感46和電容47的單個(gè)LC部分構(gòu)成了輸出阻抗匹配部分，它為該裝置提供了一個(gè)額外的阻抗級(jí)。這樣，從天線(連接在輸出終端30上)看去的阻抗會(huì)與在匹配網(wǎng)絡(luò)24，25的輸出終端看到的阻抗幾乎匹配。
圖5詳細(xì)地展示了一個(gè)作用于每個(gè)放大晶體管20和21的偏置控制電路?，F(xiàn)在參看圖5，第一，第二放大晶體管20，21分別具有與電感61和62的基級(jí)連接。電感61和62向偏置電壓源提供了一個(gè)連接著晶體管基級(jí)的射頻抑制。晶體管20和21被加偏壓而進(jìn)入它們的最佳功率放大電平。
終端11上的輸入信號(hào)經(jīng)過電容13和14被耦合到FET開關(guān)54，55。FET開關(guān)52，54和53，55受控于開關(guān)信號(hào)VSW，VSW把輸入信號(hào)加在每個(gè)晶體管20和21的基級(jí)上或只加到一個(gè)晶體管20上。晶體管52，54和53，55工作在互補(bǔ)模式下，這樣，信號(hào)或者被衰減，或者基本上以全幅加在晶體管20和21的基級(jí)上。電容58和60把偏置電壓源VB和FET晶體管52，53分隔開，這樣無論晶體管是工作在放大ON狀態(tài)還是非放大OFF狀態(tài)，各晶體管20和21都不會(huì)發(fā)生偏壓改變。當(dāng)晶體管21處在非放大OFF狀態(tài)時(shí)，維持非放大晶體管處于偏置條件下會(huì)進(jìn)一步減少晶體管20所看到的集電極阻抗的變化。
因此，通過使用依照先前所述的各功能的組合，可以維持在產(chǎn)生射頻信號(hào)功率的各晶體管與輸出負(fù)載阻抗(通常是連在終端30上的天線)之間的阻抗匹配。進(jìn)一步講，每一個(gè)晶體管在處于放大狀態(tài)時(shí)都能以它最大的功率放大效率來工作，使電池能量得到有效利用。
前面對(duì)本發(fā)明的說明展示并介紹了本發(fā)明。此外，公開的內(nèi)容只展示和介紹了本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例，但正如上面提到的，應(yīng)理解，本發(fā)明可以應(yīng)用于其他的組合，改進(jìn)和環(huán)境下，而且也可以依照上述內(nèi)容和/或相關(guān)技術(shù)的技能或知識(shí)在本發(fā)明理念的范圍(如上所述)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行改變或修改。上述的實(shí)施例可以進(jìn)一步用來解釋那些已知的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，以及讓本領(lǐng)域中其他技術(shù)人員在這些或其它實(shí)施例中利用本發(fā)明，以及通過本發(fā)明的特定應(yīng)用或使用所要求的各種更改來利用本發(fā)明。所以說，本說明并不意味著把本發(fā)明限制為此處公開的形式。而且，期望將隨附的權(quán)利要求看作包括替換實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一個(gè)多功率電平低功率射頻放大器包括一個(gè)第一晶體管，用于基本上在峰值效率下放大射頻信號(hào)，所述晶體管有一個(gè)集電極電路與第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連，一個(gè)基級(jí)電路用于接收所述的射頻信號(hào)；一個(gè)第二晶體管，用于基本上在峰值效率下放大所述的射頻信號(hào)，所述第二晶體管有一個(gè)集電極電路與第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連，一個(gè)基級(jí)電路用于接收所述的射頻信號(hào)；一個(gè)輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，與所述的第一，第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以及一個(gè)負(fù)載阻抗相連；一個(gè)基級(jí)控制電路，用來有選擇地啟用一個(gè)或兩個(gè)所述的晶體管基級(jí)電路，以在峰值效率下放大所述的射頻信號(hào)，由此，啟用了一個(gè)或多個(gè)所述的晶體管來放大所述的射頻信號(hào)；以及一個(gè)去耦元件，連接在所述的第一，第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)間，其中，當(dāng)有一個(gè)所述晶體管正在放大所述信號(hào)時(shí)，所述的晶體管被去耦合，因此，無論啟用一個(gè)還是多個(gè)晶體管來放大所述的射頻信號(hào)，每一個(gè)放大晶體管的集電極都會(huì)看到基本相同的阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的第一，第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)由串聯(lián)電感接有電容而組成的部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的去耦元件連接在所述的第一、第二匹配網(wǎng)絡(luò)的第一和第二部分之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的去耦元件是一個(gè)電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的第一，第二阻抗匹配電路向每一個(gè)所述晶體管的集電極提供一個(gè)阻抗，該阻抗可以使所述的晶體管的放大線性得以優(yōu)化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的偏置裝置向未被啟用的晶體管提供一個(gè)基極電流，以便當(dāng)啟用所述的晶體管來放大所述的射頻信號(hào)時(shí)，所述的集電極阻抗基本上保持不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的基級(jí)控制電路提供一個(gè)射頻開關(guān)，啟用該開關(guān)以使得，當(dāng)晶體管在放大狀態(tài)下時(shí)將所述的射頻信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)晶體管的基級(jí)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)串聯(lián)電感，與所述第一，第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，以及一個(gè)并聯(lián)電容，與所述串聯(lián)電感的第二末端和所述的負(fù)載阻抗相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述的負(fù)載阻抗是一個(gè)天線。
10.一個(gè)多功率電平射頻放大器包括多個(gè)放大晶體管，用來放大一個(gè)普通射頻信號(hào)；裝置，用于在所述晶體管的集電極和所述晶體管的發(fā)射極間加工作電壓；裝置，用于有選擇地將要放大的信號(hào)加在各所述晶體管中一個(gè)或多個(gè)基級(jí)連接上，其中，一個(gè)或多個(gè)所述晶體管放大所述的普通射頻信號(hào)；多個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，與每一個(gè)所述放大晶體管的集電極相連；所述匹配網(wǎng)絡(luò)具有連在一起的輸出終端；當(dāng)有任何數(shù)量的所述晶體管正在放大所述信號(hào)時(shí)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)向每個(gè)集電極提供一個(gè)基本恒定的阻抗；一個(gè)負(fù)載阻抗網(wǎng)絡(luò)，與一個(gè)使負(fù)載阻抗和所述多個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)相匹配的所述多個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出終端相連；
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于當(dāng)所述晶體管沒有放大所述射頻信號(hào)時(shí)，一個(gè)偏置裝置對(duì)所述晶體管中的任何一個(gè)維持一個(gè)偏置電流，以便當(dāng)所述晶體管在放大射頻信號(hào)時(shí)可以生成一個(gè)與所述集電極阻抗基本相等的集電極阻抗。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于所述匹配網(wǎng)絡(luò)包含第一和第二串聯(lián)連接LC濾波部分，第一個(gè)所述濾波部分包含一個(gè)電感，其一端接在所述晶體管集電極上，以及一個(gè)電容，與所述電感的另一端以及由所述晶體管的發(fā)射極連接形成的公共連接上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多功率電平射頻放大器，進(jìn)一步包含一個(gè)連接在所述匹配網(wǎng)絡(luò)間的去耦元件，用來將不放大所述信號(hào)的晶體管去耦為放大所述信號(hào)的晶體管，由此，由放大所述信號(hào)的所述晶體管的集電極看到的阻抗變化實(shí)際不受不放大所述信號(hào)的所述晶體管的狀態(tài)的影響。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多功率電平射頻放大器，其特征在于去耦元件是一個(gè)電阻。
全文摘要
一個(gè)多功率電平低功率射頻放大器。第一晶體管在接近峰值效率下放大射頻信號(hào)。放大后的信號(hào)被饋送到第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。第二晶體管接收該射頻信號(hào),并在峰值效率下放大該信號(hào)。第二晶體管放大器與第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連。一個(gè)控制電路有選擇地把要放大的信號(hào)加在每個(gè)晶體管上?？梢詥⒂靡粋€(gè)或多個(gè)晶體管在晶體管峰值工作效率下放大射頻信號(hào),而不考慮是否啟用了其他晶體管來放大信號(hào)。
文檔編號(hào)H03F3/21GK1330500SQ0112261
公開日2002年1月9日 申請(qǐng)日期2001年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月27日
發(fā)明者詹姆斯·R·格里菲斯 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司