專利名稱：移動通信裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信裝置，特別是需要比較大的輸出功率范圍和采用要求良好高頻放大器線性的數(shù)字調(diào)制方式的移動無線通信裝置和方法，例如，有關(guān)適用于蜂窩電話系統(tǒng)使用的汽車車載電話機(jī)和便攜式無線電話機(jī)(以下稱為便攜式電話機(jī))的有效的移動通信技術(shù)。
便攜式電話機(jī)以這樣的技術(shù)為基本點，即為了在由系統(tǒng)所分配的有限的頻率資源中收容盡可能多的入網(wǎng)者而限制發(fā)送功率使電波不能較遠(yuǎn)地傳播，于是在離開一定距離的場所，即在其它的蜂窩內(nèi)能夠利用同一個頻率。在這樣的便攜式電話機(jī)中，發(fā)送方輸出功率的大小取決于發(fā)送者和接收者之間的距離以及其間的電通信環(huán)境。如果以

圖10所示的著眼于1個基地臺的蜂窩電話系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，則在電通信環(huán)境相互接近的基地臺103和便攜式電話機(jī)101之間的通信中，將發(fā)送功率減少到所要的范圍，而像便攜式電話機(jī)102那樣與基地臺103的距離較遠(yuǎn)時，就加大基地臺103和便攜式電話機(jī)102的通信功率。為此，在各個發(fā)送機(jī)101、102中必須以例如20dB的幅度控制發(fā)送輸出功率。而且，各個發(fā)送機(jī)101、102使用何種電平的發(fā)送功率發(fā)送，要根據(jù)包含在從基地臺發(fā)送來的接收波中的信號即發(fā)送功率信息的命令進(jìn)行選擇。這種發(fā)送功率的控制目的在于例如在收發(fā)距離較近時把因無用的較大的發(fā)送功率對其它區(qū)域進(jìn)行通信的機(jī)器的影響減小到最小，以及把因無用的較大發(fā)送功率引起發(fā)送機(jī)電源電池的消耗減小到最小，進(jìn)一步延長有限的電池容量下的通信時間。作為記載了關(guān)于這種發(fā)送功率控制的文獻(xiàn)的例子，有1991年10月11日公開的JP-A-3-229526、1992年2月7日公開的JP-A-4-37323。
上述那種發(fā)送功率的控制能夠簡單地通過控制發(fā)送機(jī)高頻功率放大器的增益而實現(xiàn)。然而本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，這時如果只進(jìn)行輸出功率的單一增益控制，由于高頻功率放大器的輸入信號功率固定，難于同時保持該放大器輸出功率時的線性和大輸出功率時的線性，而且調(diào)制輸出信號有可能干擾鄰近信道。
即，在蜂窩電話系統(tǒng)中，需要通過一個發(fā)送信號(一個調(diào)制信號)的窄帶化去防止對鄰近信道的干擾，為此，規(guī)定以載頻為中心的旁頻及各個頻率的信號功率分布的頻譜形狀如圖11A所示的那樣，要求發(fā)送信號不能超過由其形狀所規(guī)定的上限功率。作為減少對鄰近信道的干擾的較好的調(diào)制方式，采用高斯最小移位鍵控(GM-SK;Gaussian Minimum Shift Keying)調(diào)制或π/4相移的QPSK調(diào)制等。另外，為滿足那樣的頻譜標(biāo)準(zhǔn)，高頻功率放大器還必須在所使用的功率范圍內(nèi)其輸出功率對其輸入功率具有良好的線性。
然而，由于小功率輸出時半導(dǎo)體元件的非線性特性難于在使用功率的全范圍內(nèi)獲得所需要的線性。例如，如圖12所示，漏電流Id與MOS晶體管柵源間電壓Vgs的關(guān)系當(dāng)柵源間電壓Vgs比較小時即使在非飽和區(qū)也明顯地成為非線性(B級放大)。從而，在利用對MOS晶體管的柵極偏壓控制進(jìn)行的高頻功率放大器的增益控制中，當(dāng)減少該MOS晶體管的柵極偏壓而要輸出小功率時，若向其柵極送入輸入信號，則輸出信號波形就會發(fā)生畸變。由于這樣的畸變，發(fā)送信號將偏離頻譜的標(biāo)準(zhǔn)。
圖13中示出了作為評價放大器線性的參數(shù)之一的AM調(diào)制輸出%。該圖所示的特性是這樣測定的把915MHz的發(fā)送信號上加入了10KHz的5%振幅調(diào)制的信號輸入到圖14所示的用硅MOS晶體管構(gòu)成的高頻功率放大器中，調(diào)整該放大器的增益控制端電壓以在輸出功率方面得到所希望的增益，并測定在輸出中有多少10KHz的振幅調(diào)制成分。例如把減小了柵極偏壓的B級放大與增大了柵極偏壓的A級放大(參照圖12)相比，A級放大因為在輸入的整個周期內(nèi)流過漏電流，所以在放大輸出振幅中所含有的調(diào)制成分比B級放大小，即減小了放大調(diào)制信號的畸變。由此可知上述AM調(diào)制輸出%意味著該值越大調(diào)制信號的畸變就越大。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了AM調(diào)制輸出%的數(shù)值大與偏離上述頻譜標(biāo)準(zhǔn)的頻率成分多是等價的。這一點從圖11B所示的傾向也可明了，AM調(diào)制輸出%越大，頻譜擴(kuò)展部分的輸出功率就越違原地增大。圖13中代表性地示出了輸入信號功率3dBm(dBm希望理解為把1mw的輸出功率作為0dBm的分貝的絕對值符號)和-3dBm的情況。為滿足便攜式電話機(jī)的上述頻譜等標(biāo)準(zhǔn)，AM調(diào)制輸出%這樣的參數(shù)在發(fā)送功率使用范圍內(nèi)(圖13是15dBm～35dBm的情況)就必須在一定的使用界限以下，但是本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在圖的斜線部分并不滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此，從圖13可以看出，輸入信號功率固定為3dBm時，在輸出功率比較小時(MOSFET的柵極偏壓小，功率放大率亦小)，其波形就畸變了。盡管如此，但若像圖13的-3dBm那樣過分降低高頻功率放大器的輸入信號功率以圖改善AM調(diào)制輸出%，并不能從高頻功率放大器的增益界限獲得所需大小的輸出功率。
如此，在使用從大到小的發(fā)送功率并且采用發(fā)送信號以放大器的線性為必要條件的調(diào)制方式時，在改變高頻功率放大器的增益以得到所希望的輸出功率而把輸入信號功率固定的結(jié)構(gòu)中，一般因小功率輸出時半導(dǎo)體的非線性特性而不能夠獲得作為功率放大系統(tǒng)總體的所需線性。功率放大器的增益控制技術(shù)在1994年4月26日發(fā)行的Mitzlaff的美國專利5307512中也公開示出。
本發(fā)明的目的在于提供在高頻功率放大器中能夠和大輸出功率時的線性一樣地維持小輸出功率時的線性的移動通信裝置和方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供能夠防止采用數(shù)字調(diào)制方法時調(diào)制輸出信號干擾鄰近信道的移動通信裝置和方法，其中的數(shù)字調(diào)制方法具有比較大的輸出功率范圍并要求高頻放大部分有良好的線性。
本發(fā)明的再一個目的在于提供能夠進(jìn)行高品質(zhì)通信的數(shù)字通信方式的移動無線裝置及其通信方法。
從本技術(shù)說明書的記述及附圖能夠明了本發(fā)明的上述及其他目的和新的特征。
本申請所展示的發(fā)明之中的代表性形式簡單概括如下。
具有為控制發(fā)送功率而將調(diào)制信號進(jìn)行功率放大的高頻功率放大器的移動無線通信裝置，包括根據(jù)從如基地臺這樣的外部設(shè)施發(fā)送來的接收信號中所含有命令(即發(fā)送功率信息)是相對地減少上述高頻功率放大器輸出功率的命令，例如令其小于指定的發(fā)送功率的命令，使該高頻功率放大器的輸入信號功率降低的單元，以及響應(yīng)來自該信號功率降低單元的降低了的輸入信號功率增加該高頻功率放大器的增益的增益增加單元。
上述使輸入信號功率降低的單元包括配置在高頻功率放大器的輸入級即調(diào)制器輸出級的衰減器，或者，該降低單元包括預(yù)先減少調(diào)制器的輸出功率以及根據(jù)上述發(fā)送功率信息將調(diào)制器的輸出進(jìn)行功率放大的前置放大器。
根據(jù)通信距離等通信環(huán)境增減控制發(fā)送功率的發(fā)送功率控制電路包括按照來自外部的接收信號中所含的命令從多個電平中選擇并指示高頻功率放大器的輸出功率的控制單元、檢測高頻功率放大器輸出功率的檢測單元、控制高頻功率放大器的增益以使被檢測單元所檢測的功率與對應(yīng)于來自上述控制單元的命令的功率相互一致的發(fā)送功率控制單元，這些共同構(gòu)成上述增益增加單元。
本發(fā)明具體實例的移動通信裝置包括天線、解調(diào)從天線接收到的接收信號的高頻接收電路、調(diào)制應(yīng)從天線發(fā)送的發(fā)送信號的調(diào)制電路、根據(jù)調(diào)制電路的輸出激勵天線的高頻功率放大器、檢測高頻功率放大器輸出功率的發(fā)送功率檢測電路、使由發(fā)送功率檢測電路所檢測的功率和應(yīng)發(fā)送的功率一致的形成高頻功率放大器控制電壓的發(fā)送功率控制電路以及根據(jù)包含在來自外部的接收信號之中的命令向上述發(fā)送功率控制電路給出發(fā)送功率電平命令的數(shù)據(jù)處理裝置。該裝置還包括響應(yīng)上述數(shù)據(jù)處理裝置輸給發(fā)送功率控制電路的使待發(fā)送功率低于指定功率電平的命令而使該高頻功率放大器的輸入信號功率降低的單元、構(gòu)成上述高頻功率放大器的至少1個MOS晶體管電路以及響應(yīng)上述使待發(fā)送的功率低于預(yù)定功率電平的命令以控制MOS晶體管放大器極偏壓且包含在上述發(fā)送功率控制電路中的偏壓控制單元。上述降低信號功率單元包括根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理裝置所給出的控制信號衰減調(diào)制信號的功率并將其輸出到高頻功率放大器的衰減器，或者包括以相應(yīng)于上述數(shù)據(jù)處理裝置所給出的控制信號的增益將調(diào)制信號功率放大并輸出到高頻功率放大器的前置放大器。
根據(jù)上述移動通信裝置的結(jié)構(gòu)，在指定的小功率輸出時降低高頻功率放大器的輸入信號功率，這樣要降低的發(fā)送輸出功率便可通過提高該高頻功率放大器的增益而得到補(bǔ)償。在這種狀態(tài)下，高頻功率放大器就有可能在靠近大功率輸出時的晶體管線性區(qū)域中工作。這樣即使在小功率輸出時也可以獲得高頻功率放大器放大工作的線性，換言之，既可在發(fā)送功率的整個使用范圍保證該放大器的線性，又可防止采用具有比較寬的輸出功率范圍且要求高頻放大部分線性良好的數(shù)字調(diào)制方法時調(diào)制輸出信號對鄰近信道的干擾。
在上述調(diào)制信號輸出降低單元中采用衰減器時，如圖4A、4B所示，在應(yīng)該使高頻功率放大器的輸出功率小于指定功率時就增大衰減器的衰減率。采用前置放大器時，如圖9A、9B所示，在應(yīng)使高頻功率放大器11的輸出功率小于指定功率時就降低前置放大器的功率放大倍數(shù)。在前者情況下調(diào)制器的輸出功率相對地較大，后者相對地較小。從阻抗匹配及線性角度考慮，前者的電路結(jié)構(gòu)簡單。
當(dāng)高頻功率放大器必須輸出與來自控制單元或數(shù)字處理裝置的命令相應(yīng)的輸出功率時，如果輸入信號功率減小，由發(fā)送功率檢測電路及發(fā)送功率控制電路構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)就控制增大功率放大倍數(shù);如果輸入信號功率增大，就自動地進(jìn)行相反的控制。這樣的發(fā)送功率控制系統(tǒng)原本是為了根據(jù)包含在來自基地臺等的接收信號之中的信號的命令從多個電平中選擇控制相應(yīng)于通信距離等通信環(huán)境的最佳發(fā)送功率的電路，但是在通過衰減器或前置放大器減小高頻功率放大器的輸入信號功率時該電路兼有增大該高頻功率放大器功率放大增益的功能。從而，在具有這樣的發(fā)送功率控制系統(tǒng)的移動通信裝置中，使用追加選擇性地降低高頻功率放大器輸入功率的電路這樣極其簡單的方法，就能夠在發(fā)送功率的整個使用范圍保證高頻功率放大器的線性放大特性。
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明1個實施例的便攜式電話機(jī)的框圖;
圖2是圖1實施例中高頻功率放大器的一例的MOS晶體管電路圖;
圖3A、3B分別是圖1的實施例中衰減器一例的電路圖和衰減器的動作特性圖;
圖4A、4B分別通過發(fā)送功率檢測電路和發(fā)送功率控制電路的環(huán)反饋控制高頻功率放大器的輸出功率、利用衰減器控制高頻功率放大器的輸入功率的第1實施例的核心部分的框圖和說明其動作特性的特性圖;
圖5是為在高頻功率放大器的輸出信號中得到指定的功率而加入較大的控制電壓和較小的控制電壓時整個串聯(lián)的3級的功率MOSFET的Vgs-Id特性的說明圖;
圖6是在本發(fā)明的實施例中把高頻功率放大器的5%調(diào)制輸入功率切換為-3dBm和3dBm時AM調(diào)制輸出%的說明圖;
圖7是本發(fā)明另一實施例的便攜式電話機(jī)的框圖;
圖8A、8B分別是圖7的實施例所用的前置放大器一例的電路圖和其工作特性圖;
圖9A、9B分別是通過發(fā)送功率檢測電路及發(fā)送電力控制電路的環(huán)反饋控制高頻功率放大器的輸出功率、利用前置放大器控制高頻功率放大器的輸入功率另一實施例的核心部分的框圖和說明其動作的特性圖;
圖10是蜂窩電話系統(tǒng)的簡要說明圖;
圖11A、11B分別是頻譜擴(kuò)展和AM調(diào)制輸出%間關(guān)系的例子的特性圖;
圖12是MOS晶體管的Vgs-Id的特性圖;
圖13是用AM調(diào)制輸出%評價高頻功率放大器的動作畸變例的特性圖;
圖14是簡要表示圖6及圖13的測量狀態(tài)的模式圖。
圖1是本發(fā)明一個實施例的便攜式電話機(jī)的框圖。首先，參照該圖說明本實施例的概況。
圖1中，基帶部分18抑制從麥克風(fēng)21輸入的發(fā)送模擬聲音信號中的高頻噪音成分并變換為數(shù)字信號，通過對其進(jìn)行數(shù)字信號處理而進(jìn)行頻帶壓縮，另外，與此相反，通過數(shù)字信號處理把被壓縮的接收數(shù)字聲音信號擴(kuò)展為原來的頻帶并變換的模擬聲音信號，這樣，在抑制其中包含的高頻成分的同時放大該信號，驅(qū)動揚聲器20。
調(diào)制電路12具有調(diào)制器30，該調(diào)制器30對可從上述基帶部分18輸出的發(fā)送用信號Sig進(jìn)行適于無線傳送的調(diào)制，例如GMSK調(diào)制或π/4相移QPSK調(diào)制等。對調(diào)制器30沒有特別的限制，但是，是從電壓控制振蕩器31供給載波的。詳細(xì)情況后面再作介紹。調(diào)制器30的輸出功率通過衰減器32有選擇地衰減后供給高頻功率放大器11。便攜式電話機(jī)一旦接通電源，則其固有的代碼編號或者識別碼就通過最接近的基地臺登錄到移動電話的主系統(tǒng)(未圖示)中。主系統(tǒng)對于所登錄的便攜式電話機(jī)進(jìn)行頻率分配，并通過最接近的基地臺通知該便攜式電話機(jī)。便攜式電話機(jī)根據(jù)由此而被分配的頻率在電壓控制振蕩器中生成載波，接收到這個載波后，調(diào)制器30調(diào)制發(fā)送用信號Sig。
高頻功率放大器11把從上述衰減器32輸出的信號放大到指定的發(fā)送功率。被放大的信號通過帶通濾波器這樣的發(fā)送信號濾波器15激勵天線23，發(fā)射出發(fā)送信號TX。
從上述天線23接收的接收信號RX通過帶通濾波器這樣的接收信號濾波器16供給高頻接收電路17在放大接收信號的同時檢波所希望的信號，從檢波后的接收調(diào)制信號解調(diào)出原來的基本信號成分，供給上述基帶部18。另外，撥號信號發(fā)生器、呼叫信號發(fā)生器、控制用微機(jī)19、時鐘信號發(fā)生器等可以理解為包含在基帶部18中。此外，便攜式電話機(jī)還具有其它未圖示的鍵盤以及以蓄電池為電源的電源電路。
本實施例中，通過發(fā)送功率檢測電路例如耦合器13以及發(fā)送功率控制電路14的環(huán)反饋控制高頻功率放大器11的輸出功率。另外通過衰減器32控制高頻功率放大器11的輸入功率電平。各個控制量由控制用微機(jī)19根據(jù)包含在接收信號之中的命令即發(fā)送功率控制信息確定。該接收信號是基地臺判定與該便攜式電話機(jī)之間的電氣或通信環(huán)境條件后發(fā)送至天線23的。以下詳細(xì)地說明其功率控制。
首先，就高頻功率放大器11的輸出功率控制，即發(fā)送功率控制，進(jìn)行說明。上述發(fā)送功率檢測電路13是利用與高頻功率放大器11的輸出之間的電磁感應(yīng)而檢測發(fā)送功率的耦合器。由此而檢出的信號供給發(fā)送功率控制電路14。在這個發(fā)送功率控制電路14中還從控制用微機(jī)19供給發(fā)送功率電平的命令信號φ1。由命令信號φ1所指示的發(fā)送功率電平?jīng)]有特別限制，可以取20W、8W、5W、2W、0.8W這樣階梯狀的電平。即發(fā)送功率控制電路14由運算放大器這樣的比較電路構(gòu)成，上述比較電路的一個輸入接收來自耦合器13的模擬信號，上述比較電路的另一個輸入接受以對應(yīng)于所選擇的發(fā)送功率電平的作為模擬信號的命令信號φ1。由此，發(fā)送功率控制電路14控制高頻功率放大器的增益以使從高頻功率放大器11所輸出的發(fā)送功率與所命令的電平一致。例如，把15dBm～35dBm的范圍分為多個是電平控制輸出功率的增益。使用何種電平的發(fā)送功率要根據(jù)包含在從基地臺等發(fā)送來的接收信號的命令(發(fā)送功率控制信息)選擇。例如，基地臺判定電氣或通信環(huán)境條件后從天線23向控制用微機(jī)19通知關(guān)于適宜的發(fā)送功率的發(fā)送功率控制信息?？刂朴梦C(jī)19根據(jù)這個通知，用命令信號φ1向發(fā)送功率控制電路14指示發(fā)送功率電平。還有，發(fā)送動作是數(shù)字傳送方式時，由于可能做到時分復(fù)用，因而進(jìn)行放大器11的增益控制以便也能夠規(guī)定發(fā)送開始時的前沿波形，而且所需要的波形控制也和發(fā)送功率命令一起由控制用微機(jī)19向發(fā)送功率控制電路14傳送。
圖2示出上述高頻功率放大器11的一個例子。高頻功率放大器11沒有特別的限制，電源即第1電源Vdd、接地即第2電源GND以及功率控制電壓Vapc都可通用，該高頻功率放大器11包含有前級的漏極連接到后級的柵極的3級串聯(lián)的各功率MOSFET111～113。各功率MOSFET例如可以使用日立產(chǎn)品PF0120、PF0130、PF0140、PF0150。第1級功率MOSFGT111的柵極連接到從調(diào)制電路部12供給較低功率功率的已調(diào)制的高頻信號(高頻輸入信號)Pin的輸入端子114，最后1級的功率MOSFET113的漏極連接到已進(jìn)行功放的高頻信號(高頻輸出信號)Pout的輸出端子115。各個功率MOSFET111～113的柵極共同連接到施加功率控制電壓Vapc的控制端子116。配置在功率MOSFET電路的各級中的電容C1、電感L1以及電阻R1是為了取得功率MOSFET111～113各級間的阻抗匹配而設(shè)置的。為了防止電波泄漏而常用的穿心式電容器C2阻步高頻成分漏向電源Vdd，功率控制電壓Vapc是從功率控制電路14供給的直流電壓，作為功率MOSFET111～113的柵極偏壓。高頻輸出信號Pout的功率隨柵極偏壓的增加而增大。上述發(fā)送功率控制電路14輸出能夠獲得以來自控制用微機(jī)19的控制信號φ1所通知的發(fā)送功率電平的模擬級的功率控制電壓Vapc。從而，高頻功率放大器11得到符合于命令信號φ1所指定的輸出功率時，由發(fā)送功率檢測電路13以及發(fā)送功率控制電路14構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)在輸入信號功率減小時就自動控制功率控制電壓Vapc以增大功率放大率，在輸入信號功率增大時就自動地進(jìn)行相反的控制。
圖3A示出了上述衰減器32的構(gòu)成例。以此作為一個例子說明高頻功率放大器11的輸入功率控制。衰減器32的構(gòu)成如下具有負(fù)極與輸入(in)、正極與輸出(out)相連接的PIN二極管320，其負(fù)極通過電阻321與接地GND相連，控制電壓Vattc通過微波帶狀線路322供給PIN二極管的正極。該圖中作為控制電壓Vattc示出了典型的3種電壓Va、Vb、Vc、(Va＞Vb＞Vc)。由于PIN二極管320通過正方向的直流電流能夠在保持信號線性的情況下改變其高頻串聯(lián)電阻成分，所以，越降低控制電壓Vattc就越能夠衰減信號功率。這種關(guān)系通過電壓Va、Vb、Vc與衰減率之間的關(guān)系例示在圖3B中。
當(dāng)對發(fā)送功率控制電路14的發(fā)送功率電平的命令低于指定電平，例如命令0.8W的發(fā)送功率時，與此相應(yīng)，控制用微機(jī)19向衰減器32發(fā)出降低控制電壓Vattc、衰減高頻功率放大器11的輸入信號功率的命令。換言之，基帶部18中的控制用微機(jī)19檢測出包含在從基地臺等發(fā)送來的接收信號中的發(fā)送功率電平命令信號，并把該發(fā)送電平的命令輸給發(fā)送功率控制電路14的同時，當(dāng)該發(fā)送電平小于指定電平時向衰減器32發(fā)出降低控制電平Vattc指定相對較大的衰減率，衰減高頻功率放大器11的輸入信號功率。即如圖4A所例示的那樣，應(yīng)減小高頻功率放大器11的高頻輸出信號Pout的功率時，增大衰減器32的衰減率，減小高頻功率放大器11的輸入信號Pin的功率。當(dāng)輸入信號Pin的功率減小時，為了得到由控制信號φ1指定的指定發(fā)送功率，發(fā)送功率控制電路14增大高頻功率放大器11的控制電壓Vapc以使其功率放大率增加。如上所述，這一控制是通過包括發(fā)送功率檢測電路13以及發(fā)送功率控制電路14的反饋環(huán)系統(tǒng)自動地進(jìn)行的。另外，圖4B中Sg是調(diào)制器30的輸出信號。
應(yīng)減少高頻功率放大器11中的功率放大率時，由控制電壓Vapc所給出的功率MOSFET的柵極偏壓相對地取較低的電平。因而，功率MOSFET的工作如圖12所示，在非線性區(qū)工作，畸變增大。這時，為了得到指定的輸出功率，如果減小高頻功率放大器11的輸入信號功率，高頻功率放大器11就必須以較大的功率放大率工作。換言之，通過其反饋控制系統(tǒng)所給出的控制電壓Vapc增大，結(jié)果，功率MOSFET111～113的柵極偏壓提高，成為在圖12所示的線性區(qū)的動作，即畸變小的區(qū)域內(nèi)的動作。由此，即使在發(fā)送功率較小時也能夠保證高頻功率放大器11中放大動作的線性。
圖5中示出了為在高頻功率放大器11中使高頻輸出信號Pout獲得指定的功率，在施加相對較大的控制電壓Vapc1時和施加相對較小的控制電壓Vapc2時串聯(lián)的3級功率MOSFET111～113總體的Vgs-Id特性。該圖中高頻輸出信號Pout應(yīng)得到的功率如果從階梯狀的發(fā)送功率范圍(例如20W、8W、5W、2W、0.8W)考慮則可假設(shè)為相對小的功率(例如0.8W)。這時，設(shè)通過衰減器32輸入的功率未減小時的輸入信號為Pin1，通過衰減器32輸入的功率減小時的輸入信號為Pin2。高頻輸出信號Pout得到指定功率時，由于不衰減輸入信號功率(Pin)時就可以使高頻功率放大器11的功率放大率比較小，因而可以如特性曲線A所示那樣在非線性區(qū)內(nèi)進(jìn)行放大動作。與此相反，若衰減輸入信號功率(Pin2)時，為了使輸出信號Pout得到指定的功率，應(yīng)將比Vapc1大的柵極偏壓Vapc2加到功率MOSFET111～113上，從而如特性曲線B所示的那樣，在線性區(qū)進(jìn)行放大動作。如從這個放大特性圖可以看出，發(fā)送或率小時也能夠保持放大動作的線性。
用另一個具體實例進(jìn)一步說明上述輸入信號功率的控制。例如，如圖6所示，在命令發(fā)送功率電平為20dBm以上時把輸入信號功率取為3dBm，在發(fā)送功率電平低于20dBm時使輸入信號功率下降到-3dBm。這樣，在15dBm～35dBm發(fā)送功率的整個范圍內(nèi)，AM調(diào)制輸出%在使用界限之下。即，輸入信號功率為3dBm時在發(fā)送功率使用范圍下限近旁的功率增益比較小，這個狀態(tài)對應(yīng)于高頻功率放大器11的功率MOSFET111～113的低柵極偏壓狀態(tài)，是MOSFET111～113的柵漏間電壓與漏電流間的關(guān)系為非線性的區(qū)域。在這樣的區(qū)域中，如果把輸入信號功率取為-3dBm，隨之發(fā)送功率控制電路14就控制提高高頻功率放大器11的增益。這個狀態(tài)對應(yīng)于提高了高頻功率放大器11的功率MOSFET111～113柵極偏壓的狀態(tài)，如圖12所示，是MOS晶體管的柵漏間電壓與漏電流間的關(guān)系為線性的區(qū)域。由此，能夠在發(fā)送功率使用范圍的全域保證高頻功率放大器11的線性。
圖7是本發(fā)明另一實施例的便攜式電話機(jī)的框圖。該圖所示的實施例與上述實施例的區(qū)別在于預(yù)先減小調(diào)制器30的輸出功率，用前置放大器33代替衰減器32接收這一輸出功率，與減少高頻功率放大器11的輸出功率相對應(yīng)，該前置放大器33的功率放大率也減少。該實施例的其它結(jié)構(gòu)與圖1的實施例相同，具有同一功能的電路框圖上標(biāo)注相同的符號并省略其詳細(xì)的說明。
圖8A示出了上述前置放大器33的一例。該前置放大器33的結(jié)構(gòu)是在電源Vdd和接地GND之間具有1級功率MOSFET331。功率MOSFET331的柵級接受調(diào)制器30的輸出，功率MOSFET331的漏極被連接到高頻功率放大器11的輸入端。功率MOSFET的柵極上施加控制電壓Vgc。配置在電路各部分的電容C1和電感L1是為得到功率MOSFET331的輸入、輸出級的阻抗匹配而配置的，電源Vdd的通路上設(shè)有穿心式電容器。控制電壓Vgc是直流電壓，對功率MOS-FET331作為柵極偏壓。輸出信號功率隨著柵極偏壓增大而增加。該圖中，作為控制電壓Vgc代表性地示出3種電壓Va、Vb、Vc(Va＞Vb＞Vc)。前置放大器33能夠隨柵極偏壓的加大而增大輸出信號功率，也能夠隨控制電壓Vgc的加大而增大輸出信號功率。通過圖8B中電壓Va、Vb、Vc與增益的關(guān)系例示了這種關(guān)系。
如圖9A所示，與圖1及圖4A所說明的第1實施例的情況相比，在本實施例中減小了調(diào)制器30的輸出信號Sg的功率。如圖4A所示，在第1實施例中，要減小高頻功率放大器11的輸出功率時就增大衰減器32的衰減率。在圖7及圖9A所示的第2實施例中，在應(yīng)減小高頻功率放大器11的輸出功率時，與此相地降低前置放大器33的功率放大率。結(jié)果，可以理解為前置放大器33的輸出功率與衰減器32的輸出功率同樣變化。圖4B和圖9B例示出高頻輸入信號Pin的輸入功率分別具有相同的變化。
控制用微機(jī)19指示發(fā)送功率控制電路14的發(fā)送功率電平越小，就越降低前置放大器33的控制電壓Vgc的電平，從而使高頻功率放大器11的輸入信號功率越小。換言之，基帶部18中的控制用微機(jī)19檢測出包含在從基地臺等傳送來的接收信號之中的發(fā)送功率電平命令信號，并把這個發(fā)送電平的命令傳送給發(fā)送功率控制電路14，同時，隨著該發(fā)送電平的減小而把控制電壓Vgc的電平設(shè)定得較低以使高頻功率放大器11的輸入信號功率減小。即如圖9B所示那樣，在高頻功率放大器11的輸出信號Pout的功率較小時，減小前置放大器33的功率放大率，從而減小高頻功率放大器11的輸入信號Pin的功率。當(dāng)輸入信號Pin的功率減小時，為了得到由控制命令φ1所指定的指定發(fā)送功率，發(fā)送功率控制電路14增大高頻功率放大器11的控制電壓Vapc從而增大功率放大率。如上所述這樣的控制是通過反饋環(huán)自動地進(jìn)行的。因此，和上述第1實施例一樣，能夠在發(fā)送功率較小時也保證高頻功率放大器11放大動作的線性。
由此可知，上述各實施例具有以下的長處(1)與高頻功率放大器11的輸出功率低于指定值相對應(yīng)，像圖1及圖4A所示的第1實施例那樣用衰減器32衰減該高頻功率放大器11的輸入信號功率，或者像圖7及圖9A所示的第2實施例那樣降低對調(diào)制器30輸出進(jìn)行功率放大的前置放大器33的功率放大率，與此對應(yīng)地用通過發(fā)送功率控制電路14的負(fù)反饋控制增大該高頻功率放大器11的增益。例如，在小于20dBm的指定小功率輸出時，把高頻功率放大器11的輸入信號功率減少到例如-3dBm，由此而要降低的發(fā)送信號功率通過提高該高頻功率放大器11的增益而補(bǔ)償。在這種狀態(tài)，高頻功率放大器11能夠和例如20dBm以上那樣的大功率輸出時同樣地在晶體管的線性區(qū)工作。
(2)根據(jù)上述，既能在發(fā)送功率使用范圍的全域內(nèi)保證高頻功率放大器11的線性，又能在采用具有較大的輸出功率范圍且要求高頻放大部分線性良好的調(diào)制方法時，防止調(diào)制輸出信號對鄰近信道的干擾。
(3)在高頻功率放大器11的輸出功率小于指定功率時，作為減小該高頻功率放大器11的輸入信號功率的方法，通過采用衰減器32，完全不必考慮采用前置放大器33時所需要的阻抗匹配及線性放大動作，故能簡化電路結(jié)構(gòu)。
(4)在高頻功率放大器必須輸出符合來自控制用微機(jī)19的命令的輸出功率時，如果輸入信號功率減小，由發(fā)送功率檢測電路13及發(fā)送功率控制電路14構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)就自動地控制增大功率放大率;如果輸入信號功率增大，就自動進(jìn)行相反的控制。這樣的發(fā)送功率控制系統(tǒng)原本是為根據(jù)包含在來自基地臺等的接收信號之中的信號的命令、從多個電平中選擇控制與通信距離等通信環(huán)境相適應(yīng)的最佳發(fā)送功率的電路，但在通過衰減器32和前置放大器33減小高頻功率放大器11的輸入信號功率時兼有增大該高頻功率放大器11的功率增益的功能。因此，在具有這樣的發(fā)送功率控制系統(tǒng)的便攜式電話機(jī)中，只通過追加選擇性地減少高頻功率放大器11的輸入功率的回路這種極其簡單的方法，就能夠在發(fā)送功率使用范圍的全域內(nèi)保證高頻功率放大器11放大動作的線性。
(5)由于發(fā)送功率的命令由來自基地臺等的接收信號中所含的信號的命令給出，所以，便攜式電話機(jī)完全不需要自身檢測接收狀態(tài)以及自己形成發(fā)送功率命令的復(fù)雜電路。
(6)在上述對于高頻功率放大器11輸出功率的命令低于指定功率時，通過采用加大衰減器32的衰減率的控制，可以利用控制用微機(jī)19同步地進(jìn)行高頻功率放大器11輸出功率的控制和衰減器32衰減率的控制，控制十分簡單。特別是，如果把衰減器32的衰減率的選擇取為2個值，可使結(jié)構(gòu)最簡單。
以上根據(jù)實施例具體地說明了本發(fā)明，然而本發(fā)明并不限定于上述實例，不言而喻，在不脫離其主旨的范圍內(nèi)，本發(fā)明能夠有各種變更。
例如，晶體管的非線性特性，不僅MOS晶體管，雙極型晶體管同樣也存在，因而，高頻功率放大器并不限于MOS電路，也可以是GaAs FET電路、雙極型晶體管電路以及BI-CMOS電路。高頻功率放大器輸入信號功率的減少也并不限于采用衰減器32的結(jié)構(gòu)，也可采用控制電壓控制振蕩器31自身的輸出功率等種種控制形態(tài)的各種電路結(jié)構(gòu)。還有，在圖6中所說明的發(fā)送功率使用范圍和使用界限只是一個例子，本發(fā)明并沒有限于該標(biāo)準(zhǔn)。因此，降低高頻功率放大器輸入功率的控制不限于圖6那樣的2個階段，還可以按圖3A和圖4A所示的多個階段進(jìn)行。究竟選擇哪一種，最好兼顧所需要的電路規(guī)模以及由此而得到的放大動作線性的改善情況而決定。即使是圖6那樣的2個階段切換，實用上也能夠毫無影響地實現(xiàn)線性。另外，對衰減器32這種電路的功率衰減的命令和對于發(fā)送功率控制電路14的發(fā)送功率電平的命令由控制用微機(jī)19形成，但是也可以分別設(shè)置專用的控制邏輯。還有，不言而喻，上述微機(jī)19和控制邏輯能夠用門陣列構(gòu)成。
在以上的說明中，主要就適用于以本發(fā)明者的發(fā)明為背景的應(yīng)用領(lǐng)域即蜂窩電話系統(tǒng)的汽車電話機(jī)和便攜式電話機(jī)的情況進(jìn)行了說明，然而本發(fā)明不限于這些，還能夠應(yīng)泛地適用于無繩電話、飛機(jī)感應(yīng)所利用的無線、以及船舶用無線等各種移動通信裝置。本發(fā)明在有效的條件下，至少能夠廣泛地用于提高放大器的線性特性。
權(quán)利要求
1.移動通信裝置，具有用于放大應(yīng)通信的信號的調(diào)制信號以控制發(fā)送功率的高頻功率放大器，該移動通信裝置包括根據(jù)包含在來自外部的接收信號之中并使上述高頻功率放大器的輸出功率相對減少的命令信息降低上述高頻功率放大器輸入信號功率的單元，以及根據(jù)上述特定信息而增加高頻功率放大器增益的單元。
2.按權(quán)利要求1中記載的移動通信裝置，其中，上述使輸入信號功率降低的單元包括衰減器，該衰減器按照根據(jù)包含在接收信號之中的命令信息而生成的控制信號將上述調(diào)制信號的功率衰減并輸出到高頻功率放大器。
3.按權(quán)利要求1中記載的移動通信裝置，其中，上述使輸入信號功率降低的單元包括前置放大器，該前置放大器按照根據(jù)包含在接收信號中的命令信息而生成的控制信號所確定的增益放大上述調(diào)制信號并將其輸出到高頻功率放大器。
4.權(quán)利要求1中記載的移動通信裝置，其中，上述增加高頻功率放大器增益的單元包括按照來自外部的接收信號中所包含的命令信息從多個電平中選擇并指示高頻功率放大器輸出功率的控制單元;檢測上述高頻功率放大器輸出功率的檢測器;以及控制高頻功率放大器增益使由該檢測器檢測的功率與來自上述控制單元的命令規(guī)定的功率一致的發(fā)送功率控制器。
5.移動通信裝置，包括天線;用于解調(diào)從天線所接收的信號的高頻接收電路;用于調(diào)制應(yīng)從天線發(fā)送的信號的調(diào)制電路;根據(jù)該調(diào)制電路的輸出激勵天線的高頻功率放大器;形成該高頻功率放大器控制電壓的發(fā)送功率控制電路;根據(jù)來自外部的接收信號中所含的信號的命令向上述發(fā)送功率控制電路供給發(fā)送功率命令的數(shù)據(jù)處理器;根據(jù)表示上述數(shù)據(jù)處理器供給上述發(fā)送功率控制電路的指令的信息使上述高頻功率放大器的輸入信號功率電平降低的單元;以及按照供給上述發(fā)送功率控制電路的上述命令信息改變該放大器的偏壓以增大上述高頻功率放大器的增益的單元。
6.權(quán)利要求5中記載的移動通信裝置，其中，上述使輸入信號功率電平降低的單元包括衰減器，該衰減器根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理器給出的控制信號衰減上述調(diào)制信號的功率并將其輸出到高頻功率放大器。
7.如權(quán)利要求6中記載的移動通信裝置，其中，當(dāng)供給上述發(fā)送功率控制電路的發(fā)送功率的命令低于指定功率時，上述數(shù)據(jù)處理器指示衰減器增大其衰減量。
8.權(quán)利要求5中記載的移動通信裝置，其中，使上述輸入信號功率電平降低的單元包括一前置放大器，該前置放大器以和上述數(shù)據(jù)處理器供給的控制信號對應(yīng)的增益對調(diào)制信號進(jìn)行功率放大并將其輸出到高頻功率放大器。
9.如權(quán)利要求5的移動通信裝置，還包括檢測上述高頻功率放大器輸出功率的發(fā)送功率檢測電路和用于上述高頻功率放大器的反饋回路，該反饋回路包括上述發(fā)送功率檢測電路和上述發(fā)送功率控制電路以使由該發(fā)送功率檢測電路所檢出的功率與應(yīng)發(fā)送的功率一致。
10.如權(quán)利要求5的移動通信裝置，其中，上述高頻功率放大器包括級聯(lián)的多個MOS晶體管放大器、將上述降低輸入信號功率單元的輸出加到構(gòu)成輸入放大器的MOS晶體管的柵極的電路、用于從輸出放大器的MOS晶體管的源極或漏極輸出被放大的功率的輸出端子、共同連接上述各放大器的MOS晶體管的柵極并從上述發(fā)送功率控制電路可變地施加增益控制偏壓的偏壓電路。
11.移動通信終端的發(fā)送功率的控制方法，該終端具有放大應(yīng)發(fā)送信號中的數(shù)字調(diào)制信號的高頻功率放大器，該方法包括如下步驟檢測包含在由管理與另一方進(jìn)行相互通信的電臺所發(fā)送的接收信號之中、并使終端發(fā)送輸出相對地減小的特定命令信息;根據(jù)該檢測到的命令信息，使由待發(fā)送的信號調(diào)制、并在終端發(fā)生的高頻數(shù)字調(diào)制信號的功率電平選擇性地衰減一預(yù)定量;把該衰減后的功率電平的上述高頻信號調(diào)制信號至少輸入到1個由至少一個高頻MOSFET構(gòu)成的上述高頻功率放大器中，并根據(jù)上述檢測到的命令信息使該MOSFET的柵極偏壓發(fā)生變化以增大上述高頻MOSFET的增益。
12.移動通信裝置發(fā)送功率的控制方法，所述移動通信裝置具有通過放大由應(yīng)發(fā)送的電話信號所調(diào)制的高頻數(shù)字調(diào)制信號而獲得發(fā)送功率的高頻功率放大器，該控制方法包括如下步驟從來自管理移動通信裝置的外部的通信管理臺的接收信號中檢測命令該裝置的發(fā)送輸出相對減少的發(fā)送輸出命令信息;根據(jù)該命令信息衰減上述高頻功率放大器的輸入功率;根據(jù)該命令信息，增加上述高頻功率放大器的增益。
全文摘要
提供在高頻功率放大器中能夠和大輸出功率時的線性同樣維持小輸出功率時線性的移動通信裝置。在小功率輸出時，用衰減器減小高頻功率放大器的輸入信號功率，由此而要降低的發(fā)送信號功率通過發(fā)送功率控制電路提高該高頻功率放大電路的增益而補(bǔ)償。在這種狀態(tài)下，高頻功率放大器就能夠和大功率輸出時一樣在晶體管的線性區(qū)工作。由此，在發(fā)送功率使用范圍的全域內(nèi)可以保證該放大器的線性。
文檔編號H03G3/30GK1109664SQ9411649
公開日1995年10月4日 申請日期1994年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月24日
發(fā)明者小林邦雄, 安達(dá)徹朗, 谷剛 申請人:株式會社日立制作所, 日立東部半導(dǎo)體股份有限公司