多分支異相系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】多分支異相系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明總體涉及多電平異相功率放大器，并且更具體地，涉及非對(duì)稱的多電平多 分支異相功率放大器，該功率放大器具有改善的功率效率并且不需要在多個(gè)電源電壓之間 切換。
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題在于調(diào)制解調(diào)器無(wú)線通信系統(tǒng)中對(duì)于高數(shù)據(jù)速率和高效頻 譜利用的需求導(dǎo)致調(diào)制后信號(hào)的高的峰值-平均功率比。這需要在極大減小的輸出功 率電平下操作相關(guān)聯(lián)的RF功率放大器（PA)很長(zhǎng)時(shí)間，這被稱為大的"功率回退（power back-off) "操作。傳統(tǒng)的功率放大器在功率回退狀況下比在峰值輸出功率狀況下具有更低 的效率（即，放大器傳遞到負(fù)載的功率除以功率放大器消耗的總功率）。
[0003] 在手持式設(shè)備中，低功率效率的RF功率放大器導(dǎo)致更短的電池壽命，并且在基站 應(yīng)用中，低功率效率的RF功率放大器可能導(dǎo)致浪費(fèi)功率和高散熱成本。
[0004] 異相或使用非線性元件的線性放大（LINC技術(shù)）通過(guò)組合恒定包絡(luò)相位調(diào)制的信 號(hào)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)功率放大器的輸出而產(chǎn)生幅度調(diào)制。在過(guò)去，還報(bào)告了使用開(kāi)關(guān)功率放大器 如D類和E類放大器的異相功率放大器配置。參見(jiàn)由F. Raab 1985年10月發(fā)表在IEEE通 信學(xué)報(bào)（IEEE Transactions on Communications)上（第 33 卷第 10期 1〇94_1〇99 頁(yè)）的 名稱為"異相RF功率放大器系統(tǒng)的效率（Efficiency of Outphasing RF Power-Amplifier Systems) "的文章，這篇文章公開(kāi)了異相放大器的效率均衡和效率分析。還參見(jiàn)2013年 8月15日公開(kāi)的Hur等人的名稱為"具有改善效率的LINC發(fā)射器（LINC Transmitter with Improved Efficiency)" 的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi) 2013/00210376 ;還參見(jiàn) Beltran 等人 2009 年 6 月發(fā)表在 IEEE MTT-S 國(guó)際微波研討會(huì)（IEEE MTT-S International Microwave Symposium)上（第757-760頁(yè)）的名稱為"使用E類功率放大器的HF異相發(fā)射器（HF Outphasing Transmitter Using Class-E Power Amplifiers)'，的文章，以及 Hung 等人 2007 年 8 月發(fā)表在 IEEE微波和無(wú)線元件期刊（IEEE Microwave and Wireless Components Letters)(第17卷第8期619-621頁(yè)）上的名稱為"具有希萊克斯組合器的CMOS異相D 類放大器（CMOS Outphasing Class-D Amplifier with Chireix Combiner)" 的文章。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)圖1總體上指示了在基本的異相系統(tǒng)中如何分別生成導(dǎo)體14A和14B 上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl(t)和S2(t)。（基本異相技術(shù)在上面提到的F.Raab的"Efficiency of Outphasing RF Power-Amplifier Systems"的文章中描述。）在圖1中，半圓周17中的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)SI (t)和S2(t)是由信號(hào)分離電路15響應(yīng)于輸入的由矢量17C表示的幅值和相位 調(diào)制后的信號(hào)S(t)生成的。在半圓周17中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl(t)和S2(t)分別由矢量17A和 17B表示。具體地，在異相功率放大器中，具有幅值和相位調(diào)制的輸入信號(hào)S(t) =altkicpl:1) 被分解為分別位于導(dǎo)體14A和14B上的兩個(gè)恒定包絡(luò)相位調(diào)制后的信號(hào)SI (t)和S2 (t)，如
[0006]
[0007]其中，
[0008] Θ ⑴=cos 1 [a (t) / (2A)]
[0009] 并且，恒定幅值A(chǔ)被定義為最大值a (t)/2,其中φ(〇是原始幅值和相位調(diào)制的信 號(hào)S(t)的相位。信號(hào)Sl(t)和S2(t)的恒定幅值包絡(luò)允許分別使用功率放大器3A和3B 的開(kāi)關(guān)模式實(shí)施方式。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)圖2類似于圖1，其來(lái)自于Philip A. Godoy等人2012年10月發(fā)表 在 IEEE 固態(tài)電路雜志（IEEE Journal of solid-state circuits)上（第47 卷第 10 期 2372-2384頁(yè)）的名稱為"65納米CMOS中的2. 4-GHz、27-dBm非對(duì)稱多電平異相功率放大 器（A 2. 4-GHz, 27-dBm Asymmetric Multilevel Outphasing Power Amplifier in 65-nm CMOS)"的文章中，該文章通過(guò)引用整體并入本文。（同時(shí)參見(jiàn)Joel L. Dawson等人的于 2012年4月24日發(fā)布的名稱為"RF放大器的非對(duì)稱多電平異相結(jié)構(gòu)體系（Asymmetric Multilevel Outphasing Architecture for RF Amplifiers)"相關(guān)美國(guó)專利8, 164, 384,同 樣通過(guò)引用整體并入本文。）上面的Godoy等人的文章示出了非對(duì)稱的多電平異相（AMO) 發(fā)射器的示例，該發(fā)射器包括輸入到AMO信號(hào)分解電路2的"同相"輸入信號(hào)I (t)和"正交" 輸入信號(hào)"Q (t) "，該分解電路2產(chǎn)生分別耦合到一對(duì)相位調(diào)制器電路IA和IB的輸入端的 一對(duì)輸出信號(hào)〇:和Φ 2。相位調(diào)制器IA和IB的輸出端通過(guò)導(dǎo)體14A和14B分別連接至 兩個(gè)開(kāi)關(guān)功率放大器3A和3B的輸入端。相位調(diào)制器IA生成導(dǎo)體14A上的信號(hào)S 1 (t)，而 相位調(diào)制器IB生成導(dǎo)體14B上的信號(hào)S2(t)。
[0011] 在這個(gè)示例中，開(kāi)關(guān)電路5A操作以用于將四個(gè)電源電壓Vsupl、Vsup2、V supjP V _4選 擇性地耦合到功率放大器3A的電源電壓端子4A，以及開(kāi)關(guān)電路5B操作以用于將Vsupl、V sup2、 VSUP，V _選擇性地耦合到功率放大器3B的電源電壓端子4B。AMO信號(hào)分解電路2生成 到開(kāi)關(guān)5A和圖5B的電源選擇（即電源調(diào)制）控制信號(hào)心⑴和~(〇。
[0012] 功率放大器3A生成導(dǎo)體7A上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1 (Otw，并將它作為輸入提供給組合器 10 (其能夠是孤立的或非孤立的組合器）。類似地，功率放大器3B生成導(dǎo)體7B上的驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，并將它作為另一輸入提供給組合器10。組合器10的輸出& υτα)通過(guò)導(dǎo)體IOA 耦合至天線10Β，其提供了負(fù)載阻抗。上面提到的Godoy的文章提供了如何生成各種輸入信 號(hào)的全面解釋。（相關(guān)的參考文件是SungWon Chung等人2010年5月發(fā)表在IEEE MTT-S 國(guó)際微波研討會(huì)（IEEE MTT-S International Microwave Symposium)上（第 264-267 和 23-28頁(yè)）的名稱為"使用具有離散脈沖寬度調(diào)制的功率放大器的非對(duì)稱多電平異相發(fā)射 器Asymmetric Multilevel Outphasing Transmitter using Class-E PAs with Discrete Pulse Width Modulation" 的文章〇 )
[0013] 已知的非對(duì)稱多電平異相（AMO)技術(shù)使用由電源選擇信號(hào)A1U)和^⑴可選擇 的多個(gè)電源電平（例如，在現(xiàn)有技術(shù)圖2中的V supl，Vsup2,...等）來(lái)改善"回退"功率電平下 的RF功率放大器的功率效率。
[0014] 不幸地，生成多個(gè)電源電平并在它們之間切換是不期望/不可接受的功率消耗， 并且還相對(duì)難以實(shí)施。另一種方法是改變RF載波信號(hào)持續(xù)時(shí)間，但是這也會(huì)導(dǎo)致不期望地 高功率消耗且難以控制。
[0015] 各種類型的開(kāi)關(guān)功率放大器（如D類和E類功率放大器）已經(jīng)用于實(shí)施現(xiàn)有技術(shù) 圖2中的諸如放大器3A和3B的功率放大器?；綞類開(kāi)關(guān)功率放大器包括分流開(kāi)關(guān)晶 體管的電容器、串聯(lián)調(diào)諧的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和鎮(zhèn)流/抗流（choke)電感器。參見(jiàn)F. Raab在1977 年 12 月發(fā)表在 IEEE 電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)（IEEE Transactions on Circuits and Systems)上 (第24卷第12期725-735頁(yè)）的名稱為"理想的E類調(diào)諧的功率放大器的操作（Idealized operation of the class-E tuned power amplifier) 〃的文章。
[0016] 在異相功率放大器中，各個(gè)功率放大器（如D類或E類功率放大器）通常為開(kāi)關(guān)放 大器，并且因此是功率非常高效的。功率效率被定義為傳遞給負(fù)載的輸出功率除以單個(gè)或 多個(gè)電源電壓V supl、Vsup2…等提供給異相放大器的總功率。傳遞給負(fù)載的輸出功率的量隨著 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)S 1U)和S2(t)之間的相移Θ增加而減少。增加驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1U)和S2(t)之 間的相差Θ導(dǎo)致功率效率降低。在兩個(gè)這種功率放大器的輸出被組合或增加到一起時(shí)，組 合器中可能會(huì)有大量功率損失，這降低了效率，并且效率隨著輸出/負(fù)載功率減少而降低。
[0017] 存在兩種不同的組合技術(shù)用于異相功率放大器的開(kāi)關(guān)功率放大器的輸出。一種技 術(shù)是使用"孤立的"功率組合器，而另一種技術(shù)是使用"非孤立的"功率組合器。非孤立的組 合器可以是各種類型，包括希萊克斯（Chireix)組合器。在基本異相中，S 1U)和&(〇之 間大的相差（在負(fù)載處需要低功率時(shí)）導(dǎo)致組合器中的功率損耗。因此，功率效率在被傳 遞到負(fù)載的功率減少時(shí)降低。在上面提到的Godoy等人的文件中公開(kāi)的技術(shù)試圖通過(guò)使用 多個(gè)電源來(lái)改善在各種功率回退電平下的功率效率。盡管這相比于基本異相的技術(shù)提高了 功率效率，但是Godoy等人的技術(shù)具有其他缺點(diǎn)，包括生成多個(gè)電源電平困難且成本昂貴， 切換導(dǎo)致?lián)p耗，這降低功率效率，以及電源切換和RF信號(hào)路徑之間的同步問(wèn)題導(dǎo)致信號(hào)非 線性。
[0018] 因此，存在一個(gè)未滿足的需求：在其中的RF功率放大器操作在低"回退"功率電平 下時(shí)改善多電平異相功率放大器的功率效率的方法。
[0019] 還存在一個(gè)未滿足的需求：提供在大的"回退"功率電平下操作的多電平異相功率 放大器的改善的功率效率和簡(jiǎn)化的實(shí)施方式而不需要生成多個(gè)電源電平并在多個(gè)電源電 平之間切換，從而將電源電壓和功率提供到多電平異相功率放大器的內(nèi)部功率放大器的方 法。
[0020] 還存在一個(gè)未滿足的需求：相比于現(xiàn)有的多電平異相功率放大器，具有更高的數(shù) 據(jù)速率、更有效的頻譜利用和更高的功率效率組合的改善的多電平異相功率放大器。
[0021] 還存在一個(gè)未滿足的需求：改善的多電平異相功率放大器，該改善的多電平異相 功率放大器避免了現(xiàn)有技術(shù)中由于在多個(gè)電源電壓之間切換和電源電壓選擇信號(hào)和RF驅(qū) 動(dòng)信號(hào)之間的同步問(wèn)題引起的非對(duì)稱多電平異相（AMO)功率放大器的線性問(wèn)題。
[0022] 還存在一個(gè)未滿足的需求：具有比已經(jīng)經(jīng)濟(jì)