随着可用效率的提高，低成本电子模块、移动通信系统变得越来 越普遍。例如，有许多通信设计的变化，其使用不同的频率、传输设 计、调制技术以及通信协议以在一个手持机、类似电话的通信收发器、 无线的个人数字助理(PDA)或计算机界面中提供双向的语音和/或 数据通信。虽然不同的调制和传输设计各有其优缺点，但是所有这些 设备的共同目标是最小化手持机的尺寸和成本，同时最大化收发器的 性能。
最小化便携式通信收发器的尺寸和成本通常是这种设备的设计者 们所面临的最大挑战。虽然有很多不同的方法被研究，经常地，既最 小化收发器尺寸也最小化其成本的最大机会是减少收发器中组件的 数量。通常包括适中的组件数量，从而提供组件数量减少的机会的设 备之一就是RF功率放大器。该RF功率放大器接收RF传输信号并且 放大这一传输信号以用于通过与收发器相连的天线进行发射。
传统的RF功率放大器可包括多级并且，在有些应用中，包括多 个放大通路。在有些配置中这种多通路设置被称为“平衡放大器”。 不管其体系结构如何，传统的平衡功率放大器要求耦合电路以将多个 通路的输出合成在一起。此外，由于出现在功率放大器上的负载会随 着天线阻抗的变化而改变，传统的RF功率放大器(使用的是单通路 或是双通路的放大设计)一般采用一个或多个位于放大器输出端的隔 离器。天线阻抗根据收发器的位置和操作模式而不断地改变。例如， 根据收发器的位置，天线阻抗可在5到50欧姆之间变化。没有保护 性的隔离器或者特殊的保护性电路，出现在功率放大器上的天线阻抗 的这一变化会导致功率放大器的性能的改变，从而降低收发器的整体 性能。该隔离器使出现在功率放大器输出级上的阻抗变化最小化。遗 憾的是，该隔离器是一个相对大并且昂贵的组件，它由于物理污染的 可能性，难以被集成到功率放大器在其上被制作的同一结构当中去。
因此，在允许功率放大器在广泛的操作条件下可运算的同时，将 隔离器从收发器中去除将是比较理想的情况。

本发明公开了一种带有相位偏移和阻抗变换元件的功率放大器。 该功率放大器包括多个放大通路、位于每个放大通路的输入端的第一 相位偏移元件、以及位于每个放大通路的输出端的第二相位偏移元 件。该放大器也包括与第二相位偏移元件相连的阻抗变换元件以及用 于将每个放大通路的输出合成为一个单一的输出的功率合成器。
本发明也提供了有关的系统和操作方法。对于本领域的技术人员 而言，通过阅读下面的附图和具体实施方式，本发明其它的系统、方 法、特性以及优点将是或将变得很明显。本申请试图将所有这些其他 的系统、方法、特性以及优点包括在说明书中，使其属于本发明的范 围，并且依据所附的权利要求书受到保护。

参考下面的附图可以更好地理解本发明。附图中的组件不是按比 例的，用于清楚地说明本发明的原理。而且，在附图中，相同的参考 数字从不同的视角标明相应的部分。
图1是根据本发明实施例的包括功率放大器的简化的便携式收 发器的方框图；
图2是图1中的功率放大器的方框图；
图3是图2中的输出电路的方框图。

尽管是特别参考一个便携式收发器所做的描述，但是相位偏移和 阻抗变换元件和/或功率合成器和阻抗变换元件可以被实现在任何希 望通过去除功率放大器输出端的一个或多个隔离器以最小化成本和/ 或尺寸的平衡功率放大系统中。在一个优选实施例中，正如以下将要 描述的，包括相位偏移和阻抗变换元件以及功率合成器和阻抗变换元 件的功率放大器是以硬件形式来实现的。本发明的硬件部分可以使用 专门的硬件元件和逻辑来实现。此外，相位偏移和阻抗变换元件以及 功率合成器和阻抗变换元件的硬件实施可以包括下面技术中的任何 一个或技术组合，这些技术在本领域广为人知：离散电路组件和元件、 集成电路组件和元件、离散组件和集成电路组件的组合、传输线和/ 或传输线组件或元件、带有逻辑门用于在数据信号上实现逻辑功能的 离散逻辑电路、带有适当的逻辑门的专用集成电路的应用、可编程门 阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)，等等。
图1是根据本发明实施例的包括功率放大器的简化的便携式收 发器的方框图。便携式收发器100包括扬声器102、显示器104、键 盘106以及话筒108，它们全部与基带子系统110连接。在一个特定 实施例中，便携式收发器100可以是，例如，但不仅限于，便携式的 电信手持机比如移动蜂窝式电话。正如本领域的技术人员已知的：扬 声器102和显示器104分别通过线路112和114接收来自基带子系统 110的信号。同样地，键盘106和话筒108分别通过线路116和118 将信号发送到基带子系统110。基带子系统110包括通过总线128进 行通信的微处理器(μP)120、存储器122、模拟电路124和数字信 号处理器(DSP)126。总线128尽管显示的是一条总线，但是如果 需要可以被实现为使用多个总线将基带子系统110内的各子系统连 接起来。微处理器120和存储器122为便携式收发器100提供信号定 时、处理和存储功能。模拟电路124为基带子系统110中的信号提供 模拟处理功能。基带子系统110通过线路132提供控制信号给射频 (RF)子系统130。尽管显示的是一条线路132，但是控制信号可以 产生于DSP 126或微处理器120，并且可以被发送到RF子系统130 中的不同点上。需要注意的是，为简化起见，只说明了便携式收发器 100的基本组件。
基带子系统110也包括模数转换器(ADC)134和数模转换器 (DAC)136和138。ADC 134、DAC 136和DAC 138也通过总线 128与微处理器120、存储器122、模拟电路124和DSP 126进行通 信。DAC 136将基带子系统110中的数字通信信息转换成模拟信号以 通过线路140传输给RF子系统130。DAC 138通过线路144提供一 个参考电压功率电平信号给功率放大器控制元件161。DAC 136和 138的操作也可以被合成到一个设备上。线路140显示为两条直的箭 头，包括从数字域转换为模拟域之后将通过RF子系统130被传输的 信息。
RF子系统130包括调制器146，调制器在通过线路150接收到 来自合成器148的频率参考信号(也叫做“本机振荡器”信号，或“LO”) 之后，调制所接收到的模拟信息并将调制的信号通过线路152提供给 上变频器154。根据所希望的传输格式，调制的传输信号可以只含相 位信息，只含振幅信息，或者相位和振幅信息都有。上变频器154也 通过线路156接收来自合成器148的频率参考信号。合成器148设定 一个频率，上变频器154将线路152上的调制信号上变频为该频率。
上变频器154通过线路158将调制信号发送到功率放大器200。 功率放大器200将线路158上的调制信号放大到适当的功率电平以通 过线路162传输给天线164。说明性地，开关166控制：线路162上 的放大信号是否被传提供给天线164，或者从天线164接收到的信号 是否提供给滤波器168。经线路132由来自基带子系统110的控制信 号对开关166的操作进行控制。或者，正如本领域的普通技术人员所 知的：开关166可以被一个滤波器(例如双工器)所取代，它允许传 输信号和接收信号同时通过。
功率放大器200优选配置为被称作“平衡放大器”的体系结构。 如以下将要描述的，功率放大器200包括相位偏移和阻抗变换电路， 以及功率合成器和阻抗变换电路，其允许功率放大器200对功率放大 器200输出端的负载变化(也称作阻抗变化)保持高容限度。
线路162上的一部分放大的传输信号能量通过线路170被提供给 功率放大器控制元件161。功率放大器控制元件161可以构成一个闭 环输出功率控制器，它利用反馈以控制功率放大器160的输出功率， 也可以通过线路172将功率控制信号提供给功率放大器200。
天线164所接收到的信号将被导入接收滤波器168。接收滤波器 168对接收到的信号进行滤波并且将线路174上滤波后的信号提供给 低噪声放大器(LNA)176。接收滤波器168是带通滤波器，它能通 过便携式收发器100操作所处的特定的蜂窝系统的所有信道。举例来 说，对1800MHz PCS CDMA而言，接收滤波器168能通过从 1930.00MHz到1989.950MHz的全部频率，覆盖1.25MHz的250个信 道的每个。这个滤波器的用途是抑制所希望区域以外的所有频率。 LNA 176将线路174上的非常微弱的信号放大到下变频器178可以将 该信号从发射频率变换成基带频率的电平。或者，可以使用其它元件 来实现LNA 176和下变频器178的功能，比如，例如但是不局限于， 低噪声下变频器(LNB)，或者直接变频接收器(DCR direct conversion receiver)。
下变频器178通过线路180接收来自合成器148的频率参考信 号，也叫做“本机振荡器”信号，或“LO”。LO信号设定合适的频 率用于下变频器178对通过线路182从LNA 176接收到的信号进行 下变频。下变频频率被叫做中频或者IF。下变频器178通过线路184 将下变频信号发送到信道滤波器186，也被叫做“IF滤波器”。信道 滤波器186对下变频信号进行滤波并通过线路188将其提供给放大器 190。使用来自控制信号132的输入的信道滤波器186选择所希望的 信道并且抑制所有其它信道。以使用PCS CDMA系统为例，250个 信道中只有一个信道实际上被接收。当所有信道被接收滤波器168通 过并且被下变频器178下变频之后，只有那个所希望的信道正好出现 在信道滤波器186的中心频率上。通过对线路180上提供给下变频器 178的本振频率进行控制，合成器148将所希望的信道的中心设定到 信道滤波器186的中心上。放大器190放大接收到的信号并通过线路 192将放大的信号提供给解调器194。解调器194恢复所传输的模拟 信息并通过线路196将代表这一信息的信号提供给ADC 134。ADC 134将这一模拟信号转换成基带频率上的数字信号并将该信号通过总 线128传送到DSP 126作进一步的处理。
前面对接收组件的描述仅仅是为了示例性目的。事实上，其它的 接收器体系结构，比如，例如但不局限于，超外差式接收器、直接变 频接收器，或者采样接收器，被认为属于本发明的范围内。
图2是图1中的功率放大器200的方框图。可以在称作“多层模 块”202上制作功率放大器200。多层模块202结合了位于多层模块 202上的至少一个单片式微波集成电路(MMIC)和输出电路206。 输出电路206结合了相位偏移和阻抗变换元件272以及功率合成器与 阻抗变换元件288。这两个元件之一或二者全部所提供的阻抗提供与 MMIC 204匹配的输出阻抗。
功率放大器200的整体体系结构被称作“平衡放大器”。在这个 示例中，第一放大通路被称作“通路1”并且一般包括相位偏移元件 218、输入匹配元件226、第一级放大器236、集成匹配元件246和第 二级功率放大器256。第二放大通路被称作“通路2”并且一般包括 相位偏移元件222、输入匹配元件228、第一级放大器238、集成匹 配元件248和第二级功率放大器258。也可以提供附加的放大通路并 且它也包括在本发明的范围内。
可以使用，例如，一个或多个下面的技术来制作放大器236、238、 256和258：异质结双极晶体管(HBT-heterojunction bipolar transistor) 放大器、双极结晶体管(BJT-bipolar junction transistor)放大器、场 效应晶体管(FET-field effect transistor)放大器、假晶高电子迁移率 晶体管(PHEMT-pseudomorphic high electron mobility transistor)放大 器，或者任何其它适当的放大技术。
MMIC 204通过线路158接收射频(RF)通信信号。线路158上 的信号被称作输入信号，并且包括将要被便携式接收器100传输的信 息。线路158上的RF输入信号被提供给功分器212。功分器212基 本上将线路158上的信号等分给连接相位偏移元件218的线路214和 连接相位偏移元件222的线路216。如果包括附加的放大通路，功分 器212会将输入信号基本上按比例地在所有放大通路间进行分配。
功分器212是一个同相功分器，它在线路214和216上产生的信 号基本上具有相同的相位。在一个可选的实施中，功分器可以为线路 214和216提供输出，其相差为180°。这样的功分器可包括无源180° 分配器或有源180°功分器，或分配器，通过使用一个或多个半导体设 备或其它有源元件来实现。这种使用有源电路的实施可以减小组件的 尺寸并且也可以加大通路1和通路2之间的隔离。为了这一可选的实 施，相位偏移元件218施加-45°相位偏移给线路214上的信号，并且 相位偏移元件222施加+45°相位偏移给线路216上的信号。相位偏移 元件218和222可以包括离散电路组件和元件、集成电路组件和元件、 离散组件和集成电路组件的组合、传输线和/或传输线组件或元件。
相位偏移元件218施加+45°相位偏移给线路214上的信号，并且 相位偏移元件222施加-45°相位偏移给线路216上的信号。或者，相 位偏移元件218和222也可以施加不同的相位偏移度数。相位偏移元 件218和222可以包括离散电路组件和元件、集成电路组件和元件、 离散组件和集成电路组件的组合、传输线和/或传输线组件或元件。 相位偏移元件218的输出通过线路220提供给输入匹配元件226，而 相位偏移元件222的输出通过线路224提供给输入匹配元件228。输 入匹配元件226提供相位偏移元件218和前述电路(未示出)之间的 匹配阻抗，以及输入到第一级放大器236。同样地，输入匹配元件228 提供相位偏移元件222和前述电路(未示出)之间的匹配阻抗，以及 输入到第一级放大器238。因此，输入匹配元件226的输出通过线路 232提供给第一级放大器236，而输入匹配元件228的输出通过线路 234提供给第一级放大器238。
第一级放大器236的输出通过线路242提供给级间匹配元件246， 而第一级放大器238的输出通过线路244提供给级间匹配元件248。 级间匹配元件246提供第一级放大器236和第二级功率放大器256之 间的匹配阻抗。级间匹配元件248提供第一级放大器238和第二级功 率放大器258之间的匹配阻抗。级间匹配元件246的输出通过线路 252提供给第二级功率放大器256，而级间匹配元件248的输出通过 线路254提供给第二级放大器258。
输入匹配元件226和228以及级间匹配元件246和248通常包括 一个或多个电感(L)元件、电容(C)元件、电阻(R)元件和/或 传输线，其值被选定从而为特定电路提供最佳的阻抗匹配。
线路262上的第二级功率放大器256和线路264上的第二级功率 放大器258的一部分输出功率被提供给控制电路，该控制电路可包 括，例如，有源反馈回路、可开关阻抗、或者适合于调整两个放大通 路各自增益的任何其它电路。
如果要实现一个有源反馈回路，一个可能的实施是：线路262上 的第二级功率放大器256的一部分输出功率被提供给有源反馈回路 260，而线路264上的第二级功率放大器258的一部分输出功率被提 供给有源反馈回路270。有源反馈回路260和270分别包括有源开关 266和268，它们可以使用各种已知的技术来实现，例如，电阻和电 容组件的各种组合。通过调整MMIC 204上的每个放大通路的增益， 有源反馈回路260和270对由于功率放大器200的输出端的天线负载 变化所引起的功率增益失衡进行补偿。
如果要实现可开关的阻抗控制方法，线路262上的第二级功率放 大器256的一部分输出功率被在分支中提供给有源开关275。有源开 关275串联一个或多个电阻，其示范性的一个电阻用参考数字277来 说明。或者，该电路可以包括，例如，传输线、电感(L)/电容(C) 网络、或者其它电路以提供RF阻抗变化。电阻277接地。按类似的 方式，线路264上的第二级功率放大器258的一部分输出功率被在分 支中提供给有源开关281。有源开关281串联一个或多个电阻、传输 线、L/C网络、或者其它电路以提供RF阻抗变化。为了说明目的， 该电路包括一个电阻，其示范性的一个电阻，用参考数字283来说明。 电阻283接地。有源开关275和281可以与上文描述的有源开关266 和268类似。有源开关275和281检测高对低负载阻抗并且转换到最 适合提供功率放大器整体优良性能的阻抗上。
便携式通信收发器100在通信蜂窝内的运动，以及便携式收发器 100的天线164的位置变化会改变功率放大器200的输出和便携式收 发器100的天线164(图1)之间的阻抗。随着功率放大器和天线之 间的阻抗的变化，失衡也发生变化并引起功率放大器200内的电路性 能的变化。此性能变化与通路1和通路2之间的不同增益密切相关。 由于此增益差别，会产生频谱再生，它会降低功率放大器到天线的阻 抗失配条件下或期间的信号质量。频谱再生会增加便携式收发器100 操作所处的通信系统的噪声基准。有源反馈回路260和270通过响应 功率放大器200输出端的阻抗变化以均衡放大通路之间的增益，来减 少频谱再生。减少频谱再生降低了功率放大器200对通信系统的噪 声。
第二级功率放大器256的输出通过线路262，第二级功率放大器 258的输出通过线路264被提供给输出电路206。
输出电路206包括相位偏移和阻抗变换元件272以及功率组合器 和阻抗变换元件288。元件272包括放大通路1和放大通路2各自的 相位偏移和阻抗变换元件，并且将在图3中作更详细的描述。关于图 2，相位偏移和阻抗变换元件272包括相位偏移和阻抗变换元件274 以及相位偏移和阻抗变换元件276。相位偏移和阻抗变换元件274和 276可以包括，例如，离散电路组件和元件、集成电路组件和元件、 离散组件和集成电路组件的组合、传输线和/或传输线组件或元件。 线路262上的MMIC 204的输出被提供给相位偏移和阻抗变换元件 274，而线路264上的MMIC 204的输出被提供给相位偏移和阻抗变 换元件276。相位偏移和阻抗变换元件274和276使用相反的相位分 别修正线路262和264上信号的阻抗，并且也变换线路262和264上 信号的阻抗。相位偏移和阻抗变换可以同时发生或分别发生。相位偏 移和阻抗变换元件274和276的操作将参考图3中作更详细的描述。 相位偏移和阻抗变换元件274施加-45°相位偏移(它与相位偏移元件 218施加的相位偏移相反)而相位偏移和阻抗变换元件276对线路264 上的信号施加+45°的相位偏移(它与相位偏移元件222施加的相位偏 移相反)。
相位偏移和阻抗变换元件274的输出通过线路278被提供给功率 组合器和阻抗变换元件284，而相位偏移和阻抗变换元件276的输出 通过线路282被提供给功率合成器和阻抗变换元件286。尽管说明所 用的是单独的方框，但是元件284和286可以使用共同的元件来实现， 正如下面将要描述的。功率合成器和阻抗变换元件288包括双重用途 电路元件以提供附加的输出阻抗匹配和功率合成。功率合成器和阻抗 变换元件288(可以包括Wilkinson功率合成器)合成线路278和282 上的功率并提供线路162上的RF输出信号。
图3是详细地说明图2中的输出电路206的方框图300。MMIC 204的输出通过线路262被提供给相位偏移和阻抗变换元件274，而 线路264上的MMIC 204的输出被提供给相位偏移和阻抗变换元件 276。尽管为简化目的被省略，但是DC馈通和谐波调谐电路，正如 本领域已知的，与线路262和264连接。
虽然图3所示的组件最小化的实施例是输出电路206的一个可能 的实施，但是许多其它实施例也是可能的。相位偏移和阻抗变换元件 274包括电感元件(所示为一个电感)302，其与电容元件(所示为 一个电容)304并联。电容元件304通过线路306接地。相位偏移和 阻抗变换元件276包括电容元件(所示为一个电容)308和一个并联 的电感元件(所示为一个电感)312。电感元件312通过线路314接 地。
电感元件302和电容元件308分别对线路262和264上的信号施 加一个-45°和+45°的相位偏移。电容元件304和电感元件302对线路 262上的信号进行阻抗变换。同样地，电感元件312和电容元件308 对线路264上的信号进行阻抗变换。例如，如果线路262和264上信 号的阻抗是，例如，6-10欧姆，那么，相位偏移和阻抗变换元件274 施加-45°的相位偏移，而将线路262上的阻抗变换为，例如，20-25 欧姆。同样地，相位偏移和阻抗变换元件276施加+45°的相位偏移， 而将线路264上的阻抗变换为，例如，20-25欧姆。相位偏移和阻抗 变换可以同时发生也可以分别发生。
线路316上的相位偏移和阻抗变换元件274的输出被提供给电容 320。电容320阻挡来自线路316的信号的直流(DC)电平。线路322 和318上的信号随后被提供给功率合成器和阻抗变换元件288。通过 为相位偏移和阻抗变换元件272以及功率组合器和阻抗变换元件288 中的元件恰当地选择组件以及组件数值，可以补偿功率放大器200输 出端的阻抗失配，而无须功率放大器200输出端的隔离器。
当功率放大器和天线之间阻抗失配时，在一个通路上(例如通路 1)的阻抗变换引起史密斯图上的电感旋转，而在另一个通路上(例 如通路2)的阻抗变换引起史密斯图上的电容旋转。史密斯图是用于 显示RF电路性能参数的，以圆形方式表示的复数列线图解法的图形 表示法。全异旋转引起一个通路对功率放大器，256或258的输出， 表现为低阻抗，而另一个通路对功率放大器，256或258的输出，表 现为高阻抗。确定哪个通路表现为电感旋转和哪个通路表现为电容旋 转，其任意取决于本发明的原理。尽管其它情形是有可能的，但是在 这个例子中由于功率放大器256和258的特征，具有低阻抗的通路将 具有优良的性能，因此具有优良的相邻信道功率抑制(ACPR)。具有 高阻抗的通路将具有较差的性能，因此具有较差的ACPR。通过功率 组合器和阻抗变换元件288对两个通路的信号的合成使ACPR性能介 于高阻抗(因此相对较差的ACPR性能)通路的ACPR性能和低阻 抗(因此相对优良的ACPR性能)通路的ACPR性能之间，这样产 生良好的ACPR整体系统性能。
如此，功率放大器对于功率放大器200输出端162的负载变化有 很高的容限度。
在这个实施例中，功率组合器和阻抗变换元件288包括电阻324、 一对电感326和328，以及通过线路334接地的电容332。在这个例 子中，功率组合器和阻抗变换元件288通过恰当地选择电阻324、电 感326和328的数值进行进一步的阻抗变换，并且电容332将线路 322和318上信号的阻抗从大约20-25欧姆变换到线路162上的50 欧姆。线路162上的功率组合器和阻抗变换元件288的输出是图2中 功率放大器200的RF输出。
相位偏移元件218和222，以及相位偏移和阻抗变换元件274和 276的一个可选的实施包括一个或多个使用电感(L)和电容(C)组 件的更高阶集总元件网络。这种实施可以提供增加的带宽和减小的对 组件加工公差变化的灵敏度。另一个可选的实施使用紧密的串联或并 联传输线组合来取代和/或附加在相位偏移元件218和222，以及相位 偏移和阻抗变换元件274和276上。这些可选的实施也提供放大通路 之间的90°的净相位差，如上文描述的。而且，上文描述的所有离散 组件可以是集成，或嵌入到多层模块202上。
相位偏移和阻抗变换元件和/或功率合成器和阻抗变换元件允许 去除通常装在RF输出端162的隔离器。从而，功率放大器200的尺 寸和成本可以被大大降低而仍然允许功率放大器200保持对线路162 上的负载(也就是线路162上的阻抗)变化的高容限度。
虽然描述了本发明的各种实施例，但是对本领域的普通技术人员 来说，很显然属于本发明范围内的更多的实施例和实施是可能的。例 如，相位偏移和阻抗变换和/或功率合成器和阻抗变换元件可以被用 于PDA的无线组网实施、基站、以及其它的无线移动通信应用。从 而，本发明并不局限于所附的权利要求书和它们的等价物。