[0001] 本发明涉及用于射频信号的功率高效线性放大的电子装置，更加具体地讲，涉及一种基于极化调制的功率放大器。

[0002] ″大信号极化调制″(也称为″包络消除及恢复(EER)″)为大家所普遍了解并且应用于具有已调幅度和相位的射频(RF)信号的高效线性功率放大。大信号极化调制的基本原理在本领域中是公知的。幅度和相位经过调制的射频信号被分成包含相位信息(PM)的恒定幅度射频信号和代表幅度信息(AM)的低频信号。随后在高效率非线性放大器中放大恒定包络射频信号。该信号通过放大器的最后一级或多级按照代表幅度信息的低频信号进行的集电极调制(或漏极调制，取决于所使用的技术)再次得到重构。这一般是这样实现的：驱动最后几级进入压缩，从而使得流过放大器级的射频信号的幅度实际上是由低频集电极电压(或漏极电压)确定的。

[0003] 在本领域中众所周知的是，大信号极化功率放大器的线性度受到输出信号重构期间的不完善的束缚。在重构期间，必定要将幅度经过调制的分量AM和相位经过调制的分量PM重新组合起来，以便构造出输入信号的经过放大的版本。理想的极化功率放大器应该仅仅会依照AM信号来改变所放大的相位经过调制的射频信号的幅度。不过，在实际的实现过程中，AM信号还会影响所放大的相位经过调制的射频信号的相位。这一不完善被量化为″AM2PM″传递特性。AM2PM定义的是信号重构处理期间由于幅度调制造成的不期望有的相位调制的量。第二个重要的特征是幅度到幅度失真，通常记为″AM2AM″。AM2AM对基带包络信号与射频输出信号的包络之间的关系进行量化。这两个包络信号发生背离的起因是幅度调制处理中的失真，例如由集电极(或漏极)电压和射频输出信号的包络之间的非线性关系造成的失真。

[0004] 传统集电极调制(或漏极调制)办法的主要缺点在于，射频功率放大器的线性度是有限的。有限的线性度削减了动态范围，即，使得放大器能够维持高线性度的幅度最大范围。线性范围的上限一般受到电源电压(例如，电池电源电压)的限制。下限是由放大晶体管的最小集电极电压(或漏极电压)决定的。在最小集电极(或漏极)电压以上，由于施加给放大晶体管级的AM信号造成的不希望有的相位变化仍然处于线性限度以内。低于该最小值，晶体管会表现出非线性性状，从而引起因AM信号造成的相位变化，导致所要放大的信号发生失真。削减动态范围的另一个方面是射频放大级的隔离度降低。输出信号幅度的下限是在将AM控制信号设置为它的最小值的情况下由功率放大器对恒定包络输入信号造成的衰减确定的。放大器隔离度在这种情况下受截止晶体管的寄生电容限制。

[0005] 对于今天和未来的移动低功率应用而言，随着电源电压降低和调制方案变得更加复杂，与放大器的线性度、噪声和动态范围有关的要求也变得越来越至关重要。对于移动设备，典型的电池电源电压等于3V。使用双极射频装置的功率放大器提供不低于0.3V的最小可用集电极电压。这得到大约20dB的最大动态范围。不过，现代蜂窝系统需要超过40dB的总动态范围，以便在平均输出功率的整个范围内覆盖调制信号的幅度范围。应对这些高动态范围信号的传统办法是相位和/或幅度预矫正，以便补偿在放大和重构处理期间的相位和/或幅度失真。不过，这种办法有多个重大缺陷。预矫正或预修正方法在某些工作条件下不适用，或者至少对补偿频率、驱动功率、温度、天线阻抗和电源的偏差不起作用。一般来说，预矫正原理对于不能由(例如，数字)预修正方法补偿的大动态范围系统而言没有任何吸引力，因为这些方法不足够强健或没有可操作性。此外，常规的办法需要复杂的设计和生产期间的额外调校过程(如果与(例如，数字)预矫正方法相结合地运用这些调校过程)。这导致额外的成本和上市时间推后。

[0006] 本发明的一个目的是提供一种具有较大动态范围和改善的线性度的用于射频信号线性功率放大的电子装置。

[0007] 按照本发明的第一个方面，提供了一种用于功率高效线性放大的电子装置。该电子装置包括用于放大相位经过调制的信号的放大器。该放大器适合于由第一调制信号控制，来调制高于预定幅度值的相位经过调制的信号的幅度。该电子装置此外还适合于衰减放大器的输出信号，以提供低于预定幅度值的幅度调制。按照本发明的这一方面，将幅度的幅度调制范围分成了至少两个范围。大于特定电平的幅度是由功率放大器按照第一幅度调制信号进行的调制生成的。仅仅在第一幅度范围内的预定值以上才应用这种调制。该值最好是这样确定的：放大器在第一调制范围内基本上是线性的。低于特定电平的较小幅度是通过衰减放大器的输出信号来产生的。不是在整个范围内在放大器中放大输出信号，而是由放大级和衰减级提供输出幅度范围的一个或多个特定部分，其中对经过放大的信号进行衰减。按照本发明的这个方面，能够改善整体线性度，因为对于较小值衰减信号可以通过使用多个线性器件来实现，而不是由晶体管进行放大。此外，在对放大器的输出信号进行衰减时，输出信号中包含的所有信号分量也都得到了衰减。高于预定值时提供的放大器的信噪比基本上保持不变。结果是涵盖整个输出幅度范围的动态范围得到了增大。

[0008] 本文前面介绍的思路不仅仅对基于极化调制的功率放大器有益，而且对于扩展使用非线性部件(LINC)放大器进行的线性放大的动态范围也是有益的。对于LINC放大器，精确幅度调制在低电平也受到局限，因为低电平是通过在输出端加入大幅度信号来创造的，这些大振幅信号几乎是反相的，即，它们有接近180°的相位差。参照本发明的这一方面介绍的调制衰减器可以用于界定需要由LINC放大器覆盖的动态范围。由此，可以由跟在放大器之后的调制衰减器提供低电平调制。

[0009] 最好将按照本发明的思路应用于低信号电平。这是由于，功率放大处理的功率效率对于小幅度不太重要。由于放大器是以较高幅度电平驱动的，即较高的放大系数，仅仅在以后对其进行衰减，因此浪费了一定的能量。这也无关紧要，只要将放大器保持到的固定电平很小。在高功率电平下，按照本发明的这一方面的原理得益于由极化调制或LINC构造提供的良好效果。

[0010] 按照本发明的另一个方面，该电子装置包括调制衰减器，用于响应于第二调制信号来衰减放大器的输出信号。第二调制信号用于为低于预定值的较小幅度来控制放大器。本发明的这一方面涉及更优的实现方式，其中衰减是在单独的调制衰减器中实现的。这一衰减器是独立于放大器实现的。按照本发明的另一个方面，调制衰减器可以包括PIN二极管，该PIN二极管与放大器的输出端耦合。PIN二极管由第二调制信号驱动并且提供必要的衰减。本发明的这一方面实现输出信号的简单且有效的衰减。PIN二极管的阻抗和在功率放大器的RF工作频率下包含该PIN二极管的匹配网络的相应衰减是由流经PIN二极管器件的低频电流量的值决定的。幅度调制是通过将第二调制信号转换为流过PIN二极管的低频信号电流来实现的。线性调制需要这样的转换器传递函数：使得PIN二极管的RF电阻与第二调制信号的幅度之间的关系是线性的。

[0011] 按照本发明的再另一个方面，前述电子装置的部件适合于提供涵盖第一幅度调制信号和第二幅度调制信号的整个范围的连续调制幅度范围。由于有两个由两个不同的控制信号控制的幅度范围，因此本发明的这一方面确保了这两个范围在预定值处接合，从而建立了平滑过渡。

[0012] 按照本发明的另一个方面，该电子装置包括：限幅器，该限幅器用于提取输入信号中的相位经过调制的信号，其中相位经过调制的信号包含输入信号的相位信息；和包络检测器，该包络检测器用于提取输入信号中的包络信号，其中该包络信号包括输入信号的幅度信息。本发明的这一方面涉及极化调制。将用于大信号极化调制和放大的部件以一种有利的方式与前面介绍的放大器和衰减器结合起来。通过使用按照本发明的原理和构造改善了总体线性度和动态范围。此外，按照本发明的上面提到的方面中的一个或多个方面，对于大动态范围极化调制器，AM2AM和AM2PM特性得到了显著改善。这是因为对于较小幅度，衰减器的线性度得到了改善。避免了传统上由放大器对较小幅度造成的失真和噪声。仅仅在线性度适当的范围内使用射频放大器。对于放大器的线性度和失真不足的任何范围，使放大器的输出保持为较高的固定输出幅度值，并且通过衰减该固定值来提供较小的幅度。这一原理可以应用于一个幅度范围，但是也可以以分段的方式应用于数个幅度范围。

[0013] 按照本发明的一个方面，该电子装置此外还包括用于提供第一调制信号的放大级，该电子装置被耦合成这样：如果包络信号降低得低于规定电平，则第一幅度调制信号保持为预定幅度值。最好通过使用运算放大器将该放大器实现为电压跟随器。可以由经由二极管与该电压跟随器的正输入端相耦合的固定电压电平来实现对低于特定值的输出电平的限制。这一思路提供了幅度范围之间的平滑过渡。

[0014] 按照本发明的一个方面，该衰减是由适合于用作衰减器的天线转换开关来实施的。按照本发明的一个方面，再利用通常存在于例如蜂窝电话中的部件(即，蜂窝前端模块)作为按照本发明的可变衰减器。由此，本发明并不局限于任何具体的二极管元件，只要衰减用的装置适合于响应于低频控制信号来衰减输出信号即可。如果天线转换开关不用于开关，则可以将该元件用作可变电阻器，只要它得到适当的偏置和控制。例如MOS或pHEMT器件在线性区域内的衰减可以通过调节该器件的栅极电压来调节。响应于所施加的栅极电压电平，对幅度加以衰减。在使用已经存在的器件时，这种办法可以有效地降低电路的复杂度和成本。

[0015] 本发明的目的也是由包括下列步骤的方法实现的：只要输出幅度大于预定幅度值，由第一调制信号将放大器控制来调制相位经过调制的信号的幅度，以提供大于预定幅度值的输出幅度，和将放大器的输出保持在恒定电平的预定幅度值上，并且衰减保持在恒定电平上的放大器的输出信号，来提供低于预定幅度值的幅度。由此，本发明的重要方面在于，射频放大器的固定输出信号的衰减。按照本发明的这一方面的思路适合于众多不同的放大思路，例如AB类、E类、F类和D类放大器。本质上来说，还可以设想到，以分段的方式组成放大器的输出信号，从而输出信号的一个或多个部分是由衰减提供的而不是由放大提供的。附图说明

[0016] 参照下文中介绍的实施方式，将会明显看出本发明的这些和其它方面，并且将会参照下文介绍的实施方式阐述本发明的这些和其它方面。在下面的附图中[0017] 图1表示按照现有技术的基于极化调制的放大器的简化框图，

[0018] 图2表示按照本发明的实施方式的基于极化调制的放大器原理的简化框图，[0019] 图3表示按照本发明的实施方式的基于极化调制的放大器的电路的示意图，和[0020] 图4表示按照现有技术实施方式和按照本发明实施方式的极化调制器的幅度和相位曲线。

[0021] 图1表示现有技术中极化调制器的简化框图。将射频输入信号RFin供应给包络检测器ED和限幅器LIM。限幅器LIM从输入信号中提取出相位经过调制的分量PM(从而是抑制了幅度信息的分量)。相位经过调制的信号PM的幅度是恒定不变的。包络检测器ED从输入信号中提取出包络信号ES并且将该包络信号ES送到低频放大器LF-AMP。包络信号ES包含输入信号RFin的幅度信息。由该低频放大器LF-AMP对ES进行放大，低频放大器LF-AMP向射频功率放大器RF-PA提供幅度调制信号AM。信号AM用于控制射频放大器，即，控制放大器RF-PA的输出信号RFout的幅度。通过由幅度经过调制的分量AM对相位经过调制的分量PM进行调制，在射频功率放大器RF-PA中将相位经过调制的分量PM和幅度经过调制的分量AM重新合成在一起。合成输出信号RFout是输入信号RFin的放大版本。

[0022] 射频功率放大器RF-PA是功率高效非线性放大级，将其设计为用来放大相位经过调制的输入信号。为了将幅度信息加到相位经过调制的信号上，要使射频功率放大器RF-PA的至少一部分的电源电压依照幅度分量AM发生变化。输出信号RFout是放大了的经过极化调制的输入信号RFin。图1中所示构造的主要缺点是，射频功率放大器RF-PA的线性动态范围是有限的。放大范围的上限由电源电压定义。下限是由放大装置两端跨接的最小电压和这些装置的有限RF隔离度决定的。这些装置通常是安排成共发射极结构并且以压缩状态工作的晶体管。用于放大信号的晶体管的集电极为下一级提供经过放大的输出信号。这些晶体管两端跨接的电压必须保持在最小值以上。低于这个最小值，晶体管将会离开其中集电极(或漏极)电源电压精确决定RF包络而又不影响RF信号相位的区域。有限线性范围(即，有限线性度)的后果是输出信号的幅度和相位产生失真。为了改善图1中所示的实现方式，本发明提出了一种如图2中所示构造那样的构造。

[0023] 图2表示本发明的第一实施方式的简化框图。由此，有射频输入信号RFin供应给包络检测器ED和限幅器LIM。限幅器LIM产生相位经过调制的RF信号PM，信号PM代表输入信号RFin的相位调制分量。包络检测器ED的输出信号ES供应给低频放大器LF-AMP。按照本发明的这种实施方式，低频放大器LF-AMP生成输出信号AM_high，输出信号AM_high供应给射频功率放大器RF-PA，用来调制相位经过调制的输入信号PM。低频放大器LF-AMP还接收限幅信号VL，限幅信号VL指示低频放大器LF-AMP提供调制幅度信号AM_high的调制范围的下限。由此，幅度调制信号AM_high得以固定为低于VL的特定电压范围的预定值。这些小调制幅度是由衰减控制器电路AC和调制衰减器MA提供的。包络检测器ED的输出还供应给衰减控制器块AC。这个块产生用于控制调制衰减器的输出信号AM_low。幅度经过调制的信号AM_low仅仅对小于预定值VL的幅度有效。由此，将幅度调制的完整范围分成了两个部分，第一个部分由AM_high控制，第二个部分由AM_low控制。AM_high用于前面参照图1介绍的按照传统原理的幅度调制。对于小于由VL指示的值的幅度，使用AM_low。AM_high规定，对于低于由VL指示的最小值的所有幅度，放大器RF-PA的输出信号定死为最小值。较小的幅度仅由AM_low调制。此外，按照传统原理，并不对小幅度进行放大。
而是，使用调制衰减器MA来减小这些幅度。功率放大器仅仅输出具有恒定幅度的相位经过调制的信号。然后还要通过衰减来进一步减小这一恒定输出信号。取决于具体的构造，补充了衰减器，衰减可以比放大更加线性。此外，如果将输出信号减小，则在功率放大器的″冻结″输出信号中引入的噪声将会得到与输出信号的幅度等量的衰减。这导致动态范围增大。高于特定的最小值(该最小值可以是通过输入信号VL有意地预先确定的)，运用的是射频功率放大器RF-PA的调制电源电压的传统原理。

[0024] 本发明的这一方面的优点在于，为较小的幅度值改善了线性度，并且为较小的幅度改善了信噪比，这两项改善都会导致动态范围得到改善。由此，特征AM2AM得到了改善。此外，如果严格执行，输出信号的相位(即，特征AM2PM)受到的影响会更小。按照本发明的这一方面，衰减器适合于提供调制信号AM_low和输出信号RFout之间的更好的线性关系。
极化调制功率放大器PA的组合总线性度得到了显著改善，在调制和功率控制所需的整个动态范围内提供了更好的信噪比。

[0025] 图3表示按照本发明的基于极化的功率高效线性放大器的实施方式的原理图。图3中没有示出限幅器LIM和包络检测器ED。幅度经过调制的分量AM(假设是例如由包络检测器产生的)作为输入信号供应给所示电路上部的输入引脚AM。将参照图1和图2解释的例如由限幅器生成的相位经过调制的分量PM供应给该电路中由级联的三个共发射极(CE)放大器级AS1、AS2和AS3组成的下部分。这些级每级包括一些去耦电容器和电感器以及一个晶体管Q1、Q2和Q3。虽然下面的介绍提到的主要是用于双极晶体管的记法，但是本发明并不局限于任何特定的技术。所以，级AS1、AS2和AS3的晶体管Q1到Q3可以用双极晶体管实现或者用金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)或异质结双极晶体管(HBT)实现。各级晶体管的各集电极与各自的后级相接。放大级AS1至AS3后面跟着三个匹配L部分，这三个L部分各自包括电感器L1、L2或L3和对应的电容器C1、C2、C3、C4或C5。用于大信号电平的幅度调制是经由通过电感器L4和L5与级AS2和AS3耦合的控制信号AM_high供应的。
输入引脚IN1、IN2和IN3用于为这些晶体管施加基极(栅极)偏置，从而使得级AS1、AS2和AS3得到正确调整，以作为AB类放大器工作。这样的偏置通常不随时间变化。不过，本发明并不局限于特定种类的放大器类。由此，也可以使用其它的操作类，象例如D类、E类和F类。将放大器的最后级驱动进入饱和状态。在饱和状态下，经过这些放大器级的射频包络信号的幅度是由低频集电极(或漏极)电压决定的。不过，从前面的解释中可以明显看出，按照本发明的某些重要方面，可以有其它一些思路来改变相位经过调制的信号的幅度，这些思路也是本发明所容许的，因为放大和衰减组合的有益效果与放大器的具体类型无关。

[0026] 将幅度调制分量AM供应给运算放大器OA，该运算放大器OA被安排为电压跟随器。电压跟随器的输出级包括MOS晶体管M1，该MOS晶体管M1适合于提供高输出电流作为幅度调制信号AM_high。运算放大器OA此外还包括与运算放大器的正输入端耦合的二极管D1。
经由二极管D1，极限电压Vlim定义幅度范围的下限。对于这一范围，运算放大器OA提供幅度调制信号AM_high。如果运算放大器级OA的输入信号AM降低到极限电压Vlim以下，则输出电压AM_high将会保持为最小值Vlim。幅度调制分量AM也施加给电压电流转换器UI。由此，将幅度调制信号转换为要用于低幅度电平的电流。供应AM_low作为二极管D2的电源电流。二极管D2最好是PIN二极管(PIN＝正极，本征层，负极)。如前文已经解释过的，在功率放大器的RF工作频率下，PIN二极管D2的阻抗和匹配级的相应衰减取决于流经PIN二极管D2的低频电流量。输出信号的幅度由信号AM_low调制，在本实施方式中，信号AM_low是流过PIN二极管D2的低频信号电流。为了实现线性调制，转换器的传递函数必须在PIN二极管D2的射频电阻与第二调制信号AM_low的幅度之间提供线性关系。由此，输出信号RFout的输出特性是如前面参照图2介绍的那样实现的。由信号AM_high和极限电压Vlim定义的高电平AM传递的特性和由AM_low定义的低电平AM传递得到了校准，从而获得了作为输入信号AM函数的平滑AM2AM和AM2PM特性。平滑过渡是整个申请的关键方面，以便防止在调制循环中的高电平调制和低电平调制之间的过渡期间出现相位和幅度误差。

[0027] 本领域技术人员将会理解，本文前面介绍的思路，尤其是图3中所示的实现例子，允许在放大级的数量和布局以及调制衰减器的实现形式方面有多种改变。就衰减器而言，可以设想下面的改变。可以使用不同数量的输出匹配级和对不同数量的匹配级应用低电平调制。此外，可以使用衰减器的L、PI或T形网络代替单一旁路装置来为功率放大器实现随功率电平变化的更为稳定的负载阻抗。这种办法将会进一步改善AM2AM和AM2PM特性。更进一步，可以采用GaAs pHEMT(砷化镓拟态高电子迁移率晶体管)作为可变衰减器。按照本发明的一个方面，可以再利用pHEMT天线转换开关，pHEMT天线转换开关通常存在于众多的蜂窝前端模块中，比如按照本发明的可变衰减器。再另一种可供选用的方案在于使用在线性区域中工作的MOS晶体管作为可变衰减器。至于放大级(也称为射频Line Up)，可以使用不同的级数并且对不同数量的放大级应用高电平调制。还可以采用差分(对称)电路的形式而不是图3中所示的单端拓扑结构来实现按照本发明的放大器。此外，本领域技术人员将会意识到，一般可以使用场效应晶体管(FET)代替双极结型晶体管(BJT)作为射频器件。

[0028] 图4表示传统解决方案的相位和幅度特性与按照本发明实施方式的解决方案的特性的比较。由此，图4中示出的是针对3V、30dBm双极硅功率放大器的传统的和所提出的高动态范围思路的典型AM2AM和AM2PM特性的比较结果。由虚线a1和b1表示参照图1介绍的传统思路的性能，而按照本发明实施方式的思路由实线a2和b2表示。按照图4(a)，传统思路的幅度到幅度范围(AM2AM)局限于35dB。这一局限性是由于与本发明的实施方式相比，放大器级的隔离度有限而造成的。按照本发明的实施方式达到了大约45dB的AM2AM。从图4(a)中可以看出，得到改善的AM2AM范围是为较小的输入信号实现的。由此，由衰减器为小信号幅度实现了积极的效果。此外，如图4(b)中所示，按照本发明的实施方式达到了小于20°的相位失真，相比之下传统的思路会超过100°。本发明的这一方面尤其有益，因为得到减小的幅度到相位失真为GSM EDGE操作消除了相位预矫正的必要。

[0029] 此外，本领域技术人员将会意识到，本文前面参照本发明介绍的调制线性衰减器的思路还可以用于使用非线性部件(LINC)进行线性放大，也称为Chireix或反相(outphasing)。对于各种不同的放大思路而言，LINC使用的精确幅度调制在低电平也受到局限，因为低电平是通过在输出端加入大幅度信号来创造的，这些大振幅信号几乎是反相的(即，它们有接近180°的相位差)。精确调制需要非常精确地控制用于LINC的两个输出信号之间的相位差。本文前面参照本发明介绍的调制衰减器可以用于解除由LINC放大器覆盖的现有范围的限制。于是可以由跟在放大器之后的调制衰减器提供低电平调制。

[0030] 虽然在附图和前面的介绍中详细图解说明和介绍了本发明，但是要将这些图解和介绍看作是说明性或示范性的，而非限定性的；本发明并不局限于所公开的实施方式。通过研究附图、说明书和所附权利要求，在实践所要求保护的发明的过程中，本领域技术人员将会理解和实施所公开实施方式的其它变型方案。在权利要求中，词″包括″并不排除还存在其它元件或步骤的可能，并且量词″一″或″一个″并不排除存在多个的可能。单独一个放大级、晶体管等等或其它单元可以履行权利要求中列出的数个项目的功能，并且反之亦然。在相互不同的从属权利要求中叙述特定手段这一表面现象并不表明使用这些手段的组合没有有益效果。权利要求中的任何附图标记不应看作是对范围的限定。