专利名称：用于控制从功率放大器输出的功率的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及无线通信发射机中的功率控制，更特别地，本发明涉及一种用于控制从功率放大器输出的功率的系统和方法。
背景技术：
在诸如移动或蜂窝电话系统的无线通信系统中，功率控制正日益变得重要。为了提高效率和延长电池寿命，无线通信设备通常根据系统和环境需要来调整它们的功率输出电平(power output level)。例如，无线通信设备可以自动地控制它们发射的功率输出电平以便维持与基站的令人满意的通信。当无线通信设备相对于固定的基站四处移动时，它可以需要较多或较少的功率以便维持令人满意的通信，这取决于诸如在设备和基站之间的距离的各种因素。在较长的距离处，通常需要较多的功率来维持与基站的令人满意的通信。相反，在较短的距离处，可以减少功率输出以便节省能量以及延长无线设备中的电池寿命。
通常由设备中的功率放大器来提供由无线通信设备所发射的功率。无线通信设备所需要的功率输出电平的范围可以很大，诸如35dBm。取决于功率输出电平，用于无线通信设备的功率放大器通常可以获得多达大约60％的效率，其中效率被测量为由放大器发射的信号输出功率对通过诸如电池的功率源提供到该放大器的操作功率的比率。
无线通信设备还可以包括电路，诸如反馈回路，用来监视和控制功率放大器的输出电平。例如，一个这样的设备包括耦合器，被提供在输出匹配电路和负载之间以及被配置来感测提供到负载的功率输出信号的一部分。一些系统感测与输出功率电平相关联的电压或电流。另一种类型的系统感测输出信号到负载的入射功率。
但是，这些系统中的每一个都有缺点。例如，在功率放大器匹配电路的输出处的耦合器的使用由于引入了额外的插入损失而减少了发射器的效率。耦合器同样也增加功率放大器的大小。此外，这些系统不可以提供实际的功率输出电平的精确测量值。用于感测与功率输出相关联的电压或电流的系统仅仅考虑(account for)电压或电流的幅度。对于精确的功率检测。考虑幅度和相位这两者可是重要的。相似地，感测入射功率的系统不能精确地感测真实的功率输出电平，这是因为如果在负载处存在阻抗失配则其没有考虑任何反射的功率。
因此，需要一种用来精确地感测和控制从功率放大器输出的功率的系统和方法。还需要一种用来感测和控制从功率放大器输出的功率的系统和方法，其提供大小减小的功率放大器。还需要一种用于感测和控制从功率放大器输出的功率以及通过使任何与功率控制电路相关联的损失最小化来使功率效率最大化的系统和方法。
发明内容
通过一种用于控制来自功率放大器的输出功率的系统来提供该解决方案，所述系统包括功率放大器，被配置来产生功率输出信号。包括耦合器的输出匹配电路是与所述功率放大器进行通信以及被配置来提供在功率放大器和负载之间的阻抗匹配。功率检测电路是与所述耦合器进行通信以及被配置来检测功率输出信号的电平。功率检测电路还被配置来产生与所检测的输出功率电平成比例的功率检测输出信号。反馈控制回路电路是与功率检测电路和功率放大器进行通信。所述反馈控制回路电路被配置来至少部分基于功率检测输出信号来控制功率输出电平。
还通过一种用于控制来自功率放大器的输出功率的方法来提供该解决方案，所述方法包括从功率放大器产生功率输出信号。输出匹配电路被配置来提供在功率放大器和负载之间的阻抗匹配。使用作为输出匹配电路的一部分的耦合器来检测功率输出信号的电平。产生与所检测的功率输出信号的输出功率电平成比例的功率检测输出信号。至少部分基于功率检测电路输出信号来控制功率放大器以便调整输出功率电平。
当说明本发明的原理时，附图中的部件没有必要依比例决定，在于强调而不是替换。再者，在附图中，贯穿不同的视图相同的附图标记指定相应的部件。现在将参考附图，通过示例来描述本发明。
图1是根据本发明的一个方面的、用于控制从功率放大器输出的功率的系统的方框图。
图2是根据本发明的另一个方面的匹配电路的方框图。
图3是根据本发明的另一个方面的、用于控制从功率放大器输出的功率的方法的流程图。
具体实施例方式
本发明的实施例包括用于处理电磁波和信号的装置、方法以及制造章程。为了说明的目的，示范性实施例包括功率放大器系统。在本申请中描述的功率放大系统和方法可以被实现在宽范围的应用中，例如，发射机、收发机等。为了说明的目的，在图1中说明了根据本发明的一个方面的示例性功率放大系统。
在图1中说明的示例性功率放大器系统100可以包括，例如，功率放大器110、输出匹配电路120、耦合器130、功率检测电路140、反馈控制回路电路150以及可变增益放大器。下面更加详细地描述的示例性功率放大器的各种部件在本质上可以是模拟或数字的。该示例性功率放大器也可以包括模拟和数字部件的组合。
这里所使用的术语“信号”应该被宽广地认为包括从一个地方传送数据到另一个地方的任何方式，诸如，电流或电磁场，例如，包括但不限于，被接通和断开的直流或包含一个或多个数据流的交流或电磁载波。例如，数据可以通过调制的方式被叠加在载波流或载波上，其可以以模拟或数字的形式来实现。这里所使用的术语“数据”也应该被宽广地认为包括任何类型的信息(intelligence)或其它信息，诸如，作为示例但不限于，音频、视频和/或文本信息。
如图1中所说明的，输出匹配电路120提供在功率放大器110和负载170之间的阻抗匹配。通常，有利的是使阻抗匹配以便提供在放大器和负载之间的有效功率传送。阻抗匹配一般取决于传送信号的频率。结果，对于运行在不同的频带(例如，GSM900的880-915MHz、DCS1800的1710-1785MHz以及PCS1900的1850-1910MHz)上的功率放大器系统100来说，可以需要为各种操作频带中的每一个提供单独的阻抗匹配电路。此外，也可以需要为所需要的频带中的每一个提供单独的功率放大器。
输出匹配电路120包括耦合器130。例如，耦合器130可以是无源器件(passive device)，通过其传递来自功率放大器110的输出信号。耦合器130可以包括两条传输线，其被一起安置得足够紧密使得通过一条线的能量耦合到另一条线。在通常的四端口耦合器中，来自功率放大器110的输出信号在输入端口处被接收并且经由主线被发送到发送端口。穿过主线的一部分能量被传送到耦合线并且被提供在耦合器的两个耦合端口之一处。因此，在没有打断从功率放大器110到负载170的主功率流的情况下，耦合器130获得关于来自功率放大器110的输出信号的功率电平的信息。
耦合器130导致输出信号中的功率的小损失，但是可以通过使耦合器130的大小最小化来最小化这种损失。通过将耦合器130包括为输出匹配电路120的一部分，可以充分地减小耦合器的大小。结果是，也可以减小功率放大系统100的大小。此外，耦合器130起到检测输出功率电平和提供一部分输出匹配电路的双重目的。这样就消除了对于在输出匹配电路120之外的独立耦合器的需要，或者其将降低放大器的效率。将耦合器130包括为输出匹配电路110的一部分所导致的增加的效率能是意义重大的。例如，将较小的耦合器130提供作为输出匹配电路110的一部分来代替依靠负载处的较大的耦合器导致了近似1到3个百分比的功率增加效率的增长，以及可能更多。
功率检测电路140与匹配电路耦合器130进行通信。功率检测电路140从耦合器130的两个耦合端口接收信号。耦合器130的入射耦合端口提供表示来自功率放大器110的输出信号的入射功率分量的信号。耦合器130的反射耦合端口提供表示输出信号的反射功率分量的信号。功率检测电路140可以使用这些信号中的一个或两者来检测由功率放大器110所发射的实际的功率电平。
基于入射和反射功率分量信号，功率检测电路140确定来自功率放大器110的输出信号的所检测的整个功率电平。所述确定可以是部分基于耦合器130的设计耦合系数k。耦合系数表示比率k=Pinc-PreflPout,---(1)]]>其中Pinc是入射功率分量，Prefl是反射功率分量，以及Pout是来自功率放大器的输出信号的整个功率。相似地，在整个电压和分量电压之间的关系可以被表示为
Vdet=n(Vdet_inc2-Vdet_refl2),---(2)]]>其中Vdet_inc是功率输出信号的入射分量的检测电压，Vdet_refl是功率输出信号的反射分量的检测电压，以及n是具有1/伏特(volt)量纲的系数。
基于方程式(1)和(2)，整个检测功率输出可以被确定为Pout=Vdetn×Zt×k---(3)]]>其中Zt是耦合器的终端阻抗，其通常可以为50欧姆。如方程式(3)展示，整个输出，或传送的，功率线性地取决于Vdet和耦合因子k。整个输出功率与相位和电压驻波比(VSWR)无关。这个方法也考虑了来自功率放大器110的输出信号的入射和反射分量这二者，其中如果在负载处存在阻抗失配则存在反射分量。
功率检测电路140可以包括基于方程式(3)或等效来确定所检测的输出功率的电路。来自这个电路的输出是功率检测输出信号，功率检测电路将其提供到反馈控制回路电路150。反馈控制回路电路150使用该功率检测输出信号来作为低频控制信号以便控制功率放大器110的输出功率。或者，反馈控制回路电路150可以基于该功率检测输出信号来产生低频控制信号。
反馈控制回路电路150通过改变在功率放大器110之前串联提供的可变增益放大器160的增益来控制功率放大器110的输出功率。或者，反馈控制回路电路150可以以其它的方式，诸如通过直接控制功率放大器110，来控制功率放大器110的输出功率。
图2中说明了根据本发明的另一个方面的输出匹配电路220的方框图。输出匹配电路220提供功率放大器110和负载170之间的阻抗匹配，如上面相对于图1所注意到的。这确保了从功率放大器110到负载170的功率的有效传送。例如，功率放大器110的输出阻抗可以是2欧姆，而负载170的阻抗可以是50欧姆。在这种情况中，输出匹配电路220可以具有在其输入端222处的2欧姆的阻抗以及在其输出端224处的50欧姆的阻抗。
如上面所注意到的，耦合器230被包括来作为输出匹配电路220的一部分。因此，通过耦合器230和输出匹配电路220中的其它元件的组合来提供在功率放大器110和负载170之间的整个阻抗匹配。因为耦合器230被集成在输出匹配电路220之内，所以在由正常的输出阻抗匹配引起的损失之外，它不会将任何附加的损失添加到功率放大器系统100上。因此，通过将耦合器230包括作为匹配电路220的一部分，与使用负载处的耦合器(例如，在匹配到50欧姆之后)来检测传送功率的系统相比，获得效率的增加，这是因为使用负载处的耦合器将导致功率放大系统100的附加的损失。
图2也说明了通常的四端口耦合器的各端口。该耦合器在输入耦合器端口232处接收功率输出信号并且经由主线将该信号发送到发送耦合器端口234。该耦合器同样也输出表示功率输出信号的入射功率分量的信号。该耦合器经由入射耦合器端口236输出这个信号。这个信号可以被检测为跨过连接在入射耦合器端口236和地之间的传输线242的电压Vdet_inc。同样地，耦合器输出表示功率输出信号的反射功率分量的信号。耦合器在反射耦合器端口238处输出这个信号。这个信号可以被检测为跨过连接在反射耦合器端口238和地之间的传输线244的电压Vdet_refl。连接在耦合器和地之间的两条传输线242和244可以，例如，具有50欧姆的阻抗。
图1中所示的功率检测电路140包括电压减法器。电压减法器被配置来提供表示基于在从入射功率分量检测的电压Vdet_inc的平方和从反射功率分量检测的电压Vdet_refl的平方之间的差值的因子的整个检测输出电压Vdet。然后从功率检测电路输出整个检测输出电压来作为功率检测输出信号。
图3是根据本发明的另一个方面的、用于控制从功率放大器输出的功率的方法的流程图。从功率放大器110产生功率输出信号，如由方框302所说明的。检测功率输出信号的输出功率电平，如由方框304所说明的。可以使用作为输出匹配电路120的一部分的耦合器130来检测输出功率电平，如图1中所示。所检测的输出功率电平可以是基于功率输出信号的入射和反射分量这二者的。例如，可以从功率输出信号的入射功率分量中检测电压Vdet_inc，以及可以从功率输出信号的反射功率分量中检测电压Vdet_refl。可以使用如上所述的方程式(2)来确定整个检测电压Vdet。然后可以使用同样也如上所述的方程式(3)来确定整个检测输出功率电平Pout。
基于整个检测输出功率电平，产生功率检测输出信号，如由方框306所说明的。功率检测输出信号与功率输出信号的检测输出功率电平成比例。然后，功率放大器被控制来至少部分基于功率检测输出信号来调整输出功率电平，如由方框308所说明的。
这里所描述的用于控制功率放大器的输出功率的系统和方法提供了整个功率输出的有效和有效率的控制。例如，甚至具有重大的阻抗失配，这些方法和系统也可以利用闭合的反馈控制回路来将5dB的开环功率偏差减少到大约0.5dB。此外，所述系统和方法可以提供从大约0dB到35dB以上的近似线性的放大。
本发明的实施例可以包括专门用于特定的输入信号、栽波和输出信号的功率放大器系统。例如，这样的功率放大器系统可以专门特定于移动电话的使用，诸如，特定于CDMA、CDMA2000、W-CDMA、GSM和TDMA系统的使用，以及专门特定于其它的有线和无线设备的使用，诸如那些蓝牙、802.11a、-b、-g和-n、雷达，1xRTT、双向无线电、GPRS、EDGE、计算机和计算机通信设备、个人数字助理、以及其它手持设备的使用。
权利要求
1.一种用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，包括功率放大器(110)，被配置来产生功率输出信号；输出匹配电路(120)，与所述功率放大器(110)进行通信并且被配置来提供在所述功率放大器(110)和负载(170)之间的阻抗匹配，所述输出匹配电路(120)包括耦合器(130)；功率检测电路(140)，与所述耦合器(130)进行通信并且被配置来检测所述功率输出信号的输出功率电平以及产生与所检测的输出功率电平成比例的检测输出信号；以及反馈控制回路电路(150)，与所述功率检测电路(140)和所述功率放大器(110)进行通信并且被配置来至少部分基于所述检测输出信号来控制所述输出功率电平。
2.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述耦合器(130)被集成形成在所述输出匹配电路(120)之内。
3.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述功率检测电路(140)还被配置来基于所述功率输出信号的入射分量和所述功率输出信号的反射分量来产生所述功率检测输出信号。
4.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述耦合器(130)与所述负载(170)串联连接。
5.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述功率检测电路(140)还被配置来基于如下公式来确定所检测的功率输出电平的检测电压VdetVdet=n(Vdet_inc2-Vdet_refl2),]]>其中Vdet_inc是所述功率输出信号的入射分量的检测电压，Vdet_refl是所述功率输出信号的反射分量的检测电压，以及n是具有1/伏特量纲的系数；以及所述功率检测电路(140)还被配置来基于如下公式来确定所检测的输出功率电平PoutPout=Vdetn×Z1×k,]]>其中Z1是所述耦合器(130)的终端阻抗，以及k是所述耦合器(130)的耦合因子。
6.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述输出匹配电路(120)被配置来提供在近似880MHz到915MHz的频率范围之内的阻抗匹配。
7.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述输出匹配电路(120)被配置来提供在近似1710MHz到1785MHz的频率范围之内的阻抗匹配。
8.根据权利要求1所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统(100)，其中，所述输出匹配电路(120)被配置来提供在近似1850MHz到1910MHz的频率范围之内的阻抗匹配。
9.一种用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的方法，包括从功率放大器(110)产生(302)功率输出信号；使用耦合器(130)来检测(304)功率输出信号的输出功率电平，其中所述耦合器(130)被集成在被配置来提供在功率放大器(110)和负载(170)之间的阻抗匹配的输出匹配电路(120)之内；产生(306)与所检测的功率输出信号的输出功率电平成比例的功率检测输出信号；以及至少部分基于所述功率检测输出信号来控制(308)所述功率放大器以便调整输出功率电平。
10.根据权利要求9所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的方法，其中，所述检测(304)输出功率电平还包括检测所述功率输出信号的入射分量和所述功率输出信号的反射分量这二者；以及所述产生(306)所述功率检测输出信号是基于所述入射分量和所述反射分量这二者的。
11.根据权利要求9所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的方法，其中，所述耦合器(130)与所述负载(170)串联连接。
12.根据权利要求9所述的用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的方法，还包括基于如下公式来确定所检测的功率输出电平的检测电压VdetVdet=n(Vdet_inc2-Vdet_refl2),]]>其中Vdet_inc是功率输出信号的入射分量的检测电压，Vdet_refl是功率输出信号的反射分量的检测电压，以及n是具有1/伏特量纲的系数；以及基于如下公式来确定所检测的输出功率电平PoutPout=Vdetn×Z1×k,]]>其中Z1是所述耦合器(130)的终端阻抗，以及k是所述耦合器(130)的耦合因子。
全文摘要
用于控制来自功率放大器(110)的输出功率的系统和方法包括功率放大器(110)，被配置来产生功率输出信号。输出匹配电路(120)是与功率放大器(110)进行通信以及被配置来提供在功率放大器(110)和负载(170)之间的阻抗匹配。输出匹配电路(120)包括耦合器电路(130)，被配置来检测功率输出信号的电平。耦合器电路(130)还被配置来产生与所检测的输出功率电平成比例的耦合器电路输出信号。反馈控制回路(150)电路是与耦合器电路(130)和功率放大器(110)进行通信。反馈控制回路电路(150)被配置来至少部分基于耦合器电路输出信号来控制功率输出电平。
文档编号H04B17/00GK1881824SQ20061009452
公开日2006年12月20日 申请日期2006年6月9日 优先权日2005年6月10日
发明者迪马·普里克霍德科, 安德烈·格雷本尼科夫, 约恩·凯里 申请人:M/A－Com尤罗泰克公司