使用可变带宽包络调制器的包络消除和恢复发射机结构和方法

摘要

一种RF发射机具有至少一个放大器，该放大器具有用于接收需在RF载波上发射的相位调制的信号的输入和用于接收对RF载波进行振幅调制的调制信号的输入节点。RF发射机还包括振幅调制器，该振幅调制器具有通过低通滤波器与功率放大器的输入节点耦合的输出。该低通滤波器包括至少一个用来改变低通滤波器的带宽的可变滤波器组件。在一个优选实施例中，包络消除和恢复(EER)RF发射机包括至少一个功率RF放大器，该功率RF放大器具有用于接收需在RF载波上发射的相位调制的信号的输入端并进一步包括用于接收对RF载波进行振幅调制的调制电压的输入功率节点。EER RF发射机还包括具有可变带宽低通滤波器的S级调制器，该可变带宽低通滤波器具有与输入功率节点耦合的输出并包括至少一个第一可变电容。

说明书

技术领域

本发明的实施例一般地涉及射频(RF)发射机，诸如蜂窝移动台的极性RF发射机(polar RF transmitter)，该极性RF发射机体现为包络消除和恢复(EER)RF发射机，其中符号用相位和振幅分量表示而不是用复数的同相/正交相位(I/Q)分量表示，本发明的实施例还涉及多模式和多频带极性RF发射机。

背景技术

图1A为示出包括振幅调制(AM)链和相位调制(PM)链的包络恢复(ER)发射机(TX)1的体系结构的简化方框图。需发送的比特被输入至比特-极性转换器2，比特-极性转换器2将振幅信号经传播延迟(PD)3输出到振幅调制器(AM)4。AM 4(在数字模拟转换后）通过使用可控电源5提供用于控制TX功率放大器(PA)6的输出电平的信号。比特-极性转换器2还将相位信号经传播延迟3输出到频率调制器(FM)7，频率调制器7接着将信号经锁相环(PLL)8输出到PA6的输入端。因此，通过同时使用相位和振幅分量生成在天线9处发射的信号。与许多传统技术相比较，使用这种ER发射机体系结构可以获得的好处包括体积小和效率高。

不断发展的诸如被称为增强数据速率GSM演进(EDGE)和宽带码分多址(WCDMA)之类的数字蜂窝系统使用非恒定包络的调制技术。这使得使用具有线性功率放大器(PA)的传统发射机体系结构效率低，因此，近来对具有饱和或开关模式的PA的发射机体系结构越来越感兴趣。

一种这样途径是将高效率但非线性的RF PA与高效率的包络放大器组合在一起的Kahn包络消除和恢复(EER)技术。举例来讲，可以一般地参考Leonard R.Kahn的美国专利No.4,688，255(08/18/1987)“Compatible AM Broadcast/Data Transmission System”。

如作为图1A的简化图的图1B所示，在Kahn的EER发射机1内，由发射机调制器2将RF信号分为PM和AM信号。PM信号由饱和PA6直接放大，而PA 6的电源电压Vccrf由AM信号通过供给有电池电压Vbatt的振幅调制器5来调制。对PA6的电源电压的调制具有对所发射的PM载波信号进行振幅调制的作用。

Kahn EER发射机1的效率由振幅调制器5和PA6的性能限定。饱和或开关模式的PA6的效率在峰值包络功率(PEP)处可以大于70％，而在退回状态(back-off condition)期间还可以保持高效率。实现振幅调制器5的若干可能途径中最简单的是线性调整器(例如，PNP型晶体管)，线性调整器还提供了最宽的带宽。然而，线性调整器在低包络电压处效率低，会降低系统性能。

从效率来看，S级(class S)调制器(与快速直流-直流转换器类似)更为合适，虽然复杂了一些。S级调制器5的效率可以高于90％，但这个数值在高时钟频率时有所减小。

作为对用本发明的实施例所解决的问题的介绍，图2示出了向开关模式的功率放大器12供电的S级调制器10的简化方框图。S级调制器10包括由驱动器10A和(固定频率)脉宽调制器(PWM)10B驱动的晶体管Q1和Q2。S级调制器10起着双极开关的作用，以产生开关频率是输出信号的频率若干倍(通常为5到7倍)的矩形波形。

有关具有Kahn EER发射机的S级调制器的使用可以一般地参考题为“RF和微波功率放大器和发射机技术，第三部分(RF andMicrowave Power Amplifier and Transmitter Techonlogies-Part3）”的出版物的40和42页，2003年9月的High FrequencyElectronics的第34-48页。也可以参考Buer等人的美国专利No.6,049,707(04/11/2000)“Broadband Multi carrier AmplifierSystem and Method Using Envelope Elimination and Restoration”。

低通滤波器10c的组件L1、C1的选择是在让所希望的包络通过与不让PWM过程固有的寄生分量通过之间的折衷。在使用具有不同调制的系统(例如GSM/EDGE)的相同配置时，带宽由具有最宽的AM带宽的调制限定。这导致对于窄频带调制的非最优解决方案，这是因为可能通过降低时钟脉冲频率和减小低通滤波器10c的带宽来提高效率。

从PA12来看，如果供电线路或干线的旁路电容Cb的总值受到限制，那么低频的稳定性就是重要问题。典型的途径可以使用几个并联电容器，所述并联电容器从具有皮法(pF)范围的RF频率电容器开始，到具有1微法(microF)左右的值结束。最关键的频率通常在10兆赫到500兆赫左右的范围内，稳定性通过适当选择RF扼流圈Lc(通常为几个毫微亨，nH)和旁路电容器(通常为1nF到100nF左右）来保证。然而，在Kahn体系结构中，旁路电容Cb的最大值被包络带宽的限制到100nF左右到200nF左右的范围。这可以引起一些困难，特别是在同一个S级调制器10为几个功率放大器(低/高频带)供电的情况下。

如图2所示使用固定低通滤波器10c的缺点至少是由于它的带宽由具有最宽的AM带宽的调制限定，从而导致对那些具有窄带宽的信号的非最佳滤波的解决方案。

发明内容

按照这些启示的优选实施例可以克服以上及其他问题，并实现其他优点。

一方面，本发明提供了一种RF发射机，这种RF发射机具有至少一个放大器，该放大器包括用于接收需在RF载波上发射的相位调制的信号的输入端，该放大器还包括用于接收对RF载波进行振幅调制的调制信号的输入节点。这种RF发射机还包括振幅调制器，该振幅调制器具有通过低通滤波器与该功率放大器的输入节点耦合的输出，该低通滤波器包括至少一个用来改变低通滤波器的带宽的可变滤波器组件。

另一方面，本发明提供了一种多频带RF发射机，这种多频带RF发射机包括：直流-直流转换器，具有由可变频率时钟信号按振幅调制信号驱动的脉宽调制器和用于输出可变电压的输出；和每一个各自适合在多个频带的一个频带内操作的多个RF放大器。每个RF放大器具有用于接收各自需在RF载波上发射的相位调制的信号的输入端和通过可变带宽低通滤波器与直流-直流转换器的输出耦合的输入功率节点。还配置有每一个各自与多个RF放大器之一的输入功率节点耦合的多个可变旁路电容。

又一方面，本发明提供了一种EER RF发射机，这种EER RF发射机包括至少一个功率RF放大器，该功率RF放大器包括用于接收需在RF载波上发射的相位调制的信号的输入端，并且还包括用于接收对RF载波进行振幅调制的调制电压的输入功率节点。这种EER RF发射机还包括具有可变带宽低通滤波器的S级调制器，该可变带宽低通滤波器具有与输入功率节点耦合的输出并包括至少一个第一可变电容。优选的是，这种EER RF发射机还包括至少一个与输入功率节点耦合的用来为输入功率节点加设至地的旁路的第二可变电容。优选的是，第一和第二可变电容的值按所需的RF载波带宽设置。

另一方面，本发明提供了一种操作EER RF发射机的方法，这种方法包括：在第一操作模式中，设置振幅调制器的低通滤波器的至少一个组件的值，以将低通滤波器设置成具有第一带宽，该振幅调制器具有与功率放大器的输入节点耦合的输出；以及在第二操作模式中，设置振幅调制器的低通滤波器的至少一个组件的值，以将低通滤波器设置成具有与第一带宽不同的第二带宽。

又一方面，本发明提供了一种EER RF发射机，这种EER RF发射机包括：用于放大需要发射的相位调制的信号的装置；用于对耦合到所述放大装置的电压进行振幅调制的装置；以及用于对所述振幅调制的电压进行滤波的装置，该滤波装置包括用于至少按包括所述EER RP发射机的通信终端的操作模式改变所述滤波装置的带宽的装置。

附图说明

从以下结合附图对优选实施例的详细说明中可以更清楚地看到本发明的这些启示的以上及其他一些方面，在这些附图中：

图1A为传统的ER RF发射机的方框图；

图1B为传统的Kahn包络消除和恢复(EER)发射机的方框图；

图2为具有固定时钟频率和带宽的低通滤波器的S级调制器的方框图；

图3为按照本发明的启示，为双频带功率放大器(PA)供电的具有可变带宽低通滤波器和可变时钟频率的S级调制器的方框图；以及

图4示出了包括图3的可变带宽S级调制器的EER发射机的实施例。

具体实施方式

至少由于基于S级的振幅调制器5与PA6之间的交互作用，本发明人认识到重要的是要一起考察它们的性能，以找到从整个系统来看的最佳解决方案。按照本发明的实施例，这是用一种使用极性体系结构的可以看作经典的Kahn发射机的改进型派生物的高效率发射机来实现的。本发明的实施例特别涉及多模式/多频带发射机，虽然这些启示并不局限于只能用于这种发射机。

本发明的一个方面提供了一种带宽可按照调制带宽改变的低通滤波器。本发明的另一个方面是将低通滤波器的拓扑结构改变成使得在调制器为多个PA供电的情况下稳定性可以得到改善而不需要限制带宽。

现在参考图3，图中示出了经改善的调制器的一个非限制性实施例，示为S级调制器20，其特征至少部分表示为具有可变带宽输出滤波器，优选的是可变带宽输出滤波器体现为可变带宽的2级低通滤波器22。还包括为驱动器20A供电的可变时钟频率(fc1k)的PWM20B，驱动器20A接着驱动晶体管Q1和Q2。

与传统的固定带宽、一级低通滤波器10c相比，可变二级低通滤波器22提供了满足带宽和稳定性要求的附加自由度。低通滤波器电容的一部分可以用至少一个具有固定值的电容器(C1f)和至少一个可用开关S1与C1f并联连接的可变电容器(C1s)来实现。RF扼流圈Lc1、Lc2的值通常小到对带宽没有明显影响。固定去耦电容器C21f和C22f主要用来旁路RF频率。PA 12A、12B的稳定性在低MHz范围内通过适当选择可分别用开关S2和S3与C21f和C22f并联连接的可变去耦电容器C21s和C22s来保证。优选的是，在PA112A接通时开关C21s接通并且C22断开，而在PA2 12B接通时以相反的方式操作。这利用所限制的旁路电容器的值提供了得到增强的稳定性。

实际上，可变电容可以通过使用几个如图所示那样并联的可控电容器来实现，或者通过任何适当措施在与PA1 12A和PA2 12B的供电输入端耦合的节点处和/或在与Q1/Q2的输出耦合的节点处提供可控可变电容值的来实现。在本发明的其他实施例中，用于低通滤波器和/或用于去耦的所有的电容都可以是可变电容，即可以取消至少一个固定电容的使用。在本发明的其他实施例中，可变电容可以电子控制，例如通过用变容二极管来代替例如开关S1和C1s，并将可变的控制电压加到一个或多个变容二极管上来改变变容二极管的电容。

在包络带宽为窄带宽时，于是能将所有的电容器(C1s，可能还有C22s)都接通，同时降低时钟频率，以改善调制器20的效率。对于宽带宽的调制来说，可以例如通过打开S2和S3来断开一些或所有可变电容器。

开关S1、S2和S3可以用若干适当技术来实现，诸如微机电系统(MEMS)或半导体器件之类。由于对开关损耗通常没有特别高的要求，因此优选的是开关S1、S2、S3用实现S级调制器20(快速直流-直流转换器)所用的同一个集成电路制造过程来实现。

下面以各自的载波频率、带宽、时钟频率以及各个电感器和电容的分量值给出图3的实施例的一个示例性而非限制性的实例。假设使用GSM(900兆赫，GMSK调制)、EDGE(900兆赫，8-PSK调制)和WCDMA(1900兆赫，QPSK调制)操作模式，各自的分量值如下：

GSM：fclk＝1兆赫，L1＝1微亨，C1，total＝1-10微法，BW-50千赫；

EDGE：fclk＝10兆赫，L1＝1微亨，C1，total＝0.5微法，BW-300千赫；以及

WCDMA：fc1k＝100兆赫，L1＝1微亨，C1，total＝3毫微法，BW-3兆赫。

注意，从PA12的稳定性来看，C1，total或L1的值可能需要对WCDMA情况最优化，而在GMSK/EDGE的情况下，L1和C1，total的值是实际值。在这种情况下，C1f可以为0.5微法，而C1s可以为0.5-9.5微法左右。

L21和L22的值可以在几十毫微亨的范围内。C21f和C22f可以为100皮法，而C21s和C22s可以在10毫微法到100毫微法的范围内。RF扼流圈Lc1和Lc2可以具有在约5毫微亨到15毫微亨的范围内的值，在一些应用中可以用传输线(微带)实现。

优选的是，虽然对实施本发明的这些实施例没有限制，但通常将L1保持为恒定值，这是因为一般实现开关电感要比实现开关电容更为困难。然而，在用传输线实现L1时，可以优选使用表面安装器件(SMD)的分立线圈，该表面安装器件(SMD)的分立线圈可以用一个或多个开关有选择地将它们耦合在一起来实现不同值的总电感。用开关电容(或其他类型的可变电容)与开关电感一起来改变低通滤波器22的电容和电感两者也在本发明的范围内。

图4示出了包括图3的可变带宽S级调制器20的EER发射机30的实施例。EER发射机30可以安装在诸如蜂窝电话机那样的移动通信终端32内。终端32还包括诸如分立或ASIC嵌入式微处理器那样的控制单元34，该控制单元34通过控制总线36与EER发射机30耦合。控制总线36中至少有一根信号线是开关控制线36A，用来至少按终端32当前操作频带/模式来控制开关S1、S2和S3的状态。控制总线36中至少有另一根信号线可以是时钟频率控制线36B，用于也至少按当前操作频带/模式来建立PWM20B的输出频率(Fc1k)。可以设想，控制单元按照所存储的程序34A操作，该程序34A使控制单元34按照本发明的实施例进行操作，以对可变S级调制器20进行控制，如以上所述。

使用本发明的实施例可以改善在多频带/模式系统内所用的极性EER发射机30的性能。EER发射机30内的快速直流-直流转换器还可以用于按照平均输出功率(Pout)来调整Vcc的包络跟踪模式和静态控制模式，在这些应用中改变时钟频率和低通滤波器22的带宽的值也是有益的。

以上说明以示例性和非限制性实例提供了对本发明人当前所考虑的用于实施本发明的最佳方法和设备的完整和充分的说明。然而，当结合附图所作的说明和所附的权利要求书进行阅读时，本领域技术人员可以以上说明中清楚地看到各种修改和调整都是可行的。例如，根据本发明的启示可以用于单频带/单模式发射机、双频带/双模式和三频带/三模式(以及更高的)发射机。通常，所有对本发明的启示的这样和类似的修改仍将属于本发明的实施方式的范围。

再者，可以有利地使用本发明的一些特征而无需相应地使用其他功能部件。因此，应该将以上说明认为是仅对本发明的原理的说明，而不是对本发明的限制。