專利名稱：無線通信頻率信號放大裝置及發送和接收裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于發送和接收通信裝置的發送部分的高頻信號放大裝置，尤其涉及適用于便攜電話、或在高輸出或低輸出時要求高效工作的類似設備的高頻信號功率放大裝置。
背景技術：
以便攜電話系統為中心，具有移動終端和向移動終端發送無線信號的基站的移動通信系統獲得了很大的發展。可以預計，利用CDMA(碼分多址)技術的系統未來將得到廣泛的應用。對于利用CDMA技術的便攜電話系統，要求便攜電話終端(移動終端)能夠根據通信環境，例如遠離基站、在建筑物后面等情況改變發送功率。在這種情況下，當進行高輸出或低輸出時，便攜電話終端需要使用放大裝置構成高效的電池電源，即功耗-發射功率比值較高的電池電源。
通常，對于使用半導體器件的高頻信號放大裝置，輸出電平越高，則效率提高越多。在接近飽和輸出，即最大可能輸出時，效率最高。飽和輸出的電平取決于半導體器件的尺寸。因此，為了提高低輸出時的效率，通過構成較小的半導體器件來產生具有低飽和電平的放大裝置，該裝置不支持高輸出時要達到的輸出電平。此外，具有較大半導體器件的放大裝置在高輸出時具有高效率，但在低輸出時效率明顯降低。
很難通過單獨的放大裝置在高輸出時和低輸出時均實現高效率。因此，在例如JP-A-115331/1995中公開了一種放大裝置，該放大裝置采用一種配置用于高輸出和低輸出的不同尺寸半導體器件的方法，其中根據輸出電平在不同尺寸的半導體器件之間進行切換。
圖8示出了傳統放大裝置的例子，該放大裝置根據上述制造方法中描述的輸出電平在輸出級段進行切換。從高頻信號輸入端301輸入的高頻信號通過初級放大器304和次級放大器305(構成驅動級段)被輸入到用于切換路徑的開關電路303。輸入側的開關電路303和輸出側的開關電路306從以下路徑中選擇任何一個路徑向高頻信號輸出端302輸出高頻信號(1)單純的簡單傳輸線路307，(2)穿過由放大器308一個級段構成的輸出級段的路徑，和(3)穿過由放大器309和310兩個級段構成的輸出級段的路徑。當選擇僅由簡單傳輸線路307構成的路徑時，放大器305變成輸出級段。各個路徑的輸出級段配置有彼此不同的最大輸出功率。此外，從電源電路311向驅動級段放大器304和305提供電源，并且通過偏壓電源電路312提供僅操作選定路徑的輸出級段放大器的偏壓電源。
根據上述傳統技術的例子，當通過切換路徑改變輸出級段時，信號路徑的長度在相應時間發生改變。此外，所使用的半導體器件或其若干部分的尺寸變化會使輸出信號的相位明顯發生改變。發明人進行的模擬和試驗的結果表明，當高輸出側的飽和功率被設置成+30dBm、低輸出側的飽和功率被設置成+20dBm，以便提供10∶1的輸出差時，高輸出側的相位基本上被偏移100度。
對于傳統便攜電話系統中采用的GSM(全球移動通信系統)、PDC(個人數字蜂窩)、N-CDMA(窄帶-CDMA)等系統，基站在某時間點上使用解碼系統僅解碼一個時隙，即使在輸出級段路徑發生切換并且相位在該時間點前后明顯改變的情況下也不會出現問題。
然而，下一代的W-CDMA(寬帶-CDMA)系統在解碼時使用了WMSA(多時隙估值加權平均)技術，該技術不僅考慮到當前時間點的時隙，而且考慮到當前時間點之前和之后的時隙。因此，當在切換路徑前后相位發生明顯變化時會出現問題，并且不能進行精確的解碼。
本發明的一個目的是提供一種高頻放大裝置，這種高頻放大裝置能夠減少因裝置被切換到不同輸出電平而導致的相位變化。
發明內容
通過在輸入側分支電路之后的相應路徑的至少一個位置上提供可變移相器可以有效地解決上述問題，所述輸入側分支電路根據期望輸出電平在高輸出側的路徑和低輸出側的路徑之間進行切換，所述高輸出側上的路徑在其輸出級段上具有使用半導體器件的放大器，所述低輸出側的路徑在其輸出級段上也具有使用半導體器件的放大器，后一種半導體器件的輸出低于前一種半導體器件的輸出。可變移相器的相位長度被設置成預定數值，使得相應路徑的傳遞相位長度在切換前后基本相同。通過采用這種結構，無線通信頻率信號放大裝置被用來保證在高輸出時和低輸出時能夠高效率地工作，并且高輸出工作狀態下的無線通信頻率信號相位偏移與低輸出工作狀態下的無線通信頻率信號相位偏移基本一致。此外已經發現，當高輸出側和低輸出側之間的相位差不超過±20度時，在應用本發明的W-CDMA系統的解碼系統中沒有出現問題。
可選地，通過以下方式也可以有效解決本發明的上述問題，即在兩種路徑上提供具有預定長度的傳輸線路，使得各路徑的傳遞相位數值基本相同。
此外，通過在兩種路徑的相應輸入側提供匹配電路也可以有效解決本發明的上述問題，其中一種匹配電路具有并聯電感和串聯電容，另一種匹配電路具有并聯電容和串聯電感。由于按照上述方式構成兩種匹配電路，兩種匹配電路配置有彼此不同的相位數值，使得能夠通過不同的相位數值平衡切換路徑導致的相位差。
通過下面參照附圖進行的詳細描述可以更加清晰地理解本發明的上述和其它特征、特點，在附圖中用類似的附圖標記表示類似的單元，其中圖1是基于本發明的高頻放大裝置的第一實施例的結構圖；圖2是圖1的高頻信號放大裝置中的可變移相器的電路圖；圖3是基于本發明的高頻放大裝置的第二實施例的結構圖；圖4是圖3的高頻放大裝置中的開關電路的結構圖；圖5是基于本發明的高頻放大裝置的第三實施例的結構圖；圖6示出了圖5的高頻信號放大裝置中的匹配電路的阻抗軌跡；
圖7是應用本發明的高頻信號放大裝置的移動終端的結構圖；而圖8是傳統高頻信號放大裝置的結構圖。
具體實施例方式
下面參照附圖中示出的本發明的若干實施例詳細解釋基于本發明的高頻信號放大裝置及發送和接收裝置。
圖1示出了基于本發明的高頻信號放大裝置的第一實施例。第一實施例配有兩個串聯級段，其中一個串聯級段包含一個高輸出側二級放大器，另一個串聯級段包含一個低輸出側二級放大器。在圖1中，高頻信號放大裝置的高頻信號電路部分13由對來自高頻信號輸入端1的高頻信號進行相位控制的可變移相器(Φ)2，以及將可變移相器2處理的信號分接到兩個串聯級段的分支電路3構成。高輸出側二級放大器包括輸入一個分支信號的初級放大器4和高輸出側末級放大器5。低輸出側二級放大器包括輸入另一個分支信號的初級放大器8和低輸出側末級放大器9。分支電路6匯合高輸出側和低輸出側放大器的輸出信號，從而將輸出信號輸出到高頻信號輸出端7。高輸出側末級放大器5的放大器件的尺寸大于低輸出側末級放大器9的放大器件的尺寸。雙極晶體管可被用作各個放大器中的放大器件。此外，所有放大器件均可被集成在單獨的半導體芯片中以便減少高頻信號放大裝置的尺寸。
接著，高頻信號放大裝置的電源控制電路部分10由以下部分構成(1)為改變相位數值，即向可變移相器2傳遞相位長度提供電壓的移相器電源(Vp)103，(2)向相應放大器提供基極偏置電壓的基極偏壓源(Vb)102，和向相應放大器提供集極電壓的集極電壓源(Vc)101。從控制信號端12向移相器電源103，基極偏壓源102和集極電壓源101提供控制信號，以便控制可變移相器2處理的信號通過高輸出側或低輸出側中的一個。
根據上述構造，當高輸出側工作時，放大器3和4的基極偏置電壓被設置成預定數值，而低輸出側上放大器8和9的基極偏置電壓被設置成零。通過設置，使低輸出側的放大器8和9進入非工作狀態。此外，為移相器提供的電壓被設置成這樣的數值，即該數值被用來調整高輸出側工作時間，使得傳遞相位長度變成預定數值。
此外，當低輸出側工作時，放大器8和9的基極偏置電壓被設置成預定數值，而高輸出側上放大器4和5的基極偏置電壓被設置成零。
通過設置，使高輸出側上的放大器4和5進入非工作狀態。此外，為移相器提供的電壓被設置成這樣的數值，即該數值被用來調整低輸出側工作時間，使得傳遞相位長度變成預定數值。
將相應放大器的集極電壓設置成始終適于兩個路徑的相應放大器，或者在基極電壓變成零時同時為零。
此外，盡管如實施例所示在高輸出側/路徑和低輸出側/路徑上均構成具有二級放大器的結構，但是也可以在每一側/路徑上分別構成具有單級、三級或更多級放大器的結構。此外，盡管雙極晶體管被用作放大器的半導體器件，但所使用的半導體器件不限于此，所述半導體器件可以是FET(場效應晶體管)、HEMT(高電子遷移晶體管)等等。在這種情況下，基極偏置電壓源極102變成控制極偏置電壓源，而集極電壓源101變成漏極電壓源。
這里，可變移相器2的結構如圖2所示。來自高頻信號輸入端1的高頻信號首先被輸入環行器20的第一端21，被配置在環行器20的第二端22之前的可變電容二極管24返回、再次輸入環行器，并且從第三端23輸出。根據通過直流偏置端25提供的控制信號向可變電容二極管24施加來自移相器電源103的電壓。通過提供基于控制信號的電壓以改變二極管24的電容，從而改變從第一端21到第三端23的等價相位長度。
此外，盡管在該實施例中可變移相器2的插入位置在分支電路3之前，但通過把可變移相器2插入到分支電路3之后的高輸出側/路徑或低輸出側/路徑中的一個上也可以實現類似的效果。
圖3示出了基于本發明的高頻信號放大裝置的第二實施例，其中使用傳輸線路進行相位控制。基于該實施例的高頻信號放大裝置的高頻信號電路部分13由以下部分構成分接來自高頻信號輸入端1的高頻信號的開關電路30，包括用于輸入開關電路30分接的一個信號的初級放大器4和高輸出側末級放大器5的高輸出側二級放大器，具有固定長度、用于輸入開關電路30分接的另一個信號的微帶線路14，包括用于輸入線路14的輸出信號的初級放大器8和低輸出側末級放大器9的低輸出側二級放大器，和匯接高輸出側和低輸出側放大器的輸出信號并且向高頻信號輸出端7輸出信號的分支電路6。
除了配置取代移相器電源103、為開關電路30的切換操作供電的開關電路電源(Vs)104之外，高頻信號放大裝置的電源控制電路部分10與第一實施例的相同。
在上述構造中，將微帶線路14的長度設置成能夠消除針對高輸出側二級放大器和低輸出側二級放大器實際測量的傳遞相位長度之間的差值。
通常，放大器的輸出越高，則放大器的末級中使用的半導體器件就越大。因此，這相當于加入大電容，導致相位偏移增加。因此，在實施例中將微帶線路14插入到低輸出側。此外，通過用開關電路30在輸入側構成分支電路并且將微帶線路14的阻抗設置成50Ω，在不影響低輸出側后面的放大器8和9除相位之外的其它特征的情況下，可以控制低輸出側上的傳遞相位。
此外，盡管象在實施例中那樣通常將傳輸線路的插入位置配置在低輸出側，但在相位關系被一種由放大器或半導體器件構成的匹配電路反轉時，插入位置可以位于高輸出側上。此外，盡管實施例中示出了將微帶線路用作傳輸線路的情況，但根據放大器的結構，可以使用共面線路、同軸線路等等。
圖4示出了開關電路30的結構。針孔二極管31和32分別被插在高頻信號輸入端1和連向高輸出側的傳輸線路33之間，以及高頻信號輸入端1和連向低輸出側的傳輸線路34之間。通過電源端35和36從開關電路電源104向相應的二極管提供電壓。
根據上述構造，當高輸出側工作時，放大器3和4的基極電壓被設置成預定數值，而低輸出側上放大器8和9的基極電壓被設置成零。通過設置，使低輸出側上的放大器8和9進入非工作狀態。此外，從電源端35提供預定電壓，使得高輸出側上的針孔二極管31進入導通狀態。
此外，當高輸出側工作時，放大器8和9的基極電壓被設置成預定數值，而高輸出側上放大器4和5的基極電壓被設置成零。通過設置，使高輸出側上的放大器4和5進入非工作狀態。此外，從電源端36提供預定電壓，使得低輸出側上的針孔二極管32進入導通狀態。
根據實施例，傳輸線路被用于相位控制，以便通過簡單結構實現高頻信號放大裝置。
圖5示出了基于本發明的高頻信號放大裝置的第三實施例，其中使用匹配電路進行相位控制。在圖5中，通過包括電感器和電容器的等效電路示出了高輸出側初級放大器的輸入匹配電路41和低輸出側初級放大器的輸入匹配電路81。
在圖5中，高輸出側初級放大器的匹配電路41由并聯電感器L1和串聯電容器C1構成，低輸出側初級放大器的匹配電路由并聯電容器C2和串聯電感器L2構成。此外在圖5中，附圖標記42表示高輸出側放大器的半導體器件，附圖標記82表示低輸出側放大器的半導體器件，附圖標記43表示半導體器件42的輸出側匹配電路，附圖標記83表示初級半導體器件82的輸出側匹配電路。
圖6通過史密斯圓圖示出了達到匹配的匹配電路41和匹配電路81的阻抗軌跡。高輸出側阻抗首先沿著并聯電感L1的軌跡64從輸入側分支電路3的50Ω阻抗點62移動，接著沿著串聯電容C1的軌跡63移動到半導體器件的負載匹配阻抗點61。低輸出側阻抗首先沿著并聯電容C2的軌跡66移動，接著沿著串聯電感L2的軌跡65移動到半導體器件的負載匹配阻抗點61。如例子所示，使高輸出側初級放大器的半導體器件42和低輸出側初級放大器的半導體器件82具有相同尺寸，使得兩種半導體器件的負載匹配阻抗從前端均衡電路的角度觀察基本上對稱。
如圖6所示，高輸出側的阻抗軌跡和低輸出側的阻抗軌跡彼此不同，因此可以改變傳遞相位長度并且滿足相同的匹配條件。也就是說，匹配電路41由高通濾波器結構構成，匹配電路81由低通濾波器結構構成，因此在所述的例子中，低輸出側采用的電路結構一側產生的相位偏移大于高輸出側采用的電路結構。因此，匹配電路41和81被用來消除這樣的情況，即由于在高輸出側為輸出級段配置的器件的尺寸較大，使得高輸出側上的相位被偏移得更多，并且可以減少高輸出側和低輸出側上傳遞相位之間的差值。
根據實施例，可以實現非常簡單的高頻信號放大裝置，這種高頻信號放大裝置不需要加入用于相位控制的可變移相器或傳輸線路。
圖7示出本發明的通信信號發送和接收裝置的實施例，所述發送和接收裝置包含根據本發明的高頻放大裝置。發送和接收裝置最好被應用在CDMA便攜電話系統的便攜電話終端中。
在圖7中，發送和接收裝置的發送端由以下部分構成通過處理話筒201的語音信號形成中頻發送信號的基帶部分202，放大基帶部分202輸出的中頻發送信號的中頻信號可變增益放大器203，將可變增益放大器203輸出的中頻發送信號轉換成高頻無線頻率信號的上變轉換器204，向上變轉換器204提供載波信號的局部振蕩器206，放大上變轉換器204輸出的高頻信號的高頻信號可變增益放大器205，將高頻信號可變增益放大器205輸出的高頻信號放大到發送信號的電平的高頻信號功率放大裝置200，以及向天線208提供高頻信號功率放大裝置200輸出的發送信號的天線雙工器207。基于本發明的高頻信號放大裝置被用作高頻功率放大裝置200。
此外，其接收端配有接收部分209，接收部分209放大經過放大天線208和天線雙工器207處理的接收信號，從而轉換接收信號以便輸出中頻接收信號，而基帶部分202將中頻接收信號處理成語音信號并且向揚聲器210提供語音信號。
根據所述結構，通過基帶部分202的控制信號211設置可變增益放大器203和205的增益并且切換功率放大裝置200的路徑。
上述例子最好被應用于CDMA系統的便攜電話終端。本發明的應用不限于、但也適用于處理CDMA系統和GSM系統的信號的雙模式輸出終端、處理具有不同頻段的兩組信號的雙頻便攜終端、等等。
根據本發明，即使在既經過高輸出放大路徑又經過低輸出放大路徑的情況下，也可以使各個路徑的傳遞相位長度基本相同。因此，高頻放大裝置能夠在高輸出和低輸出時進行高效放大，并且能夠使高輸出時的高頻信號相位和低輸出時的高頻信號相位彼此一致。在CDMA系統等等的便攜電話終端中，可以實現低功耗，并且可以將信號解碼時的差錯降低到很小的程度。此外，也可以在不使用移相器的情況下通過傳輸線路或由電感、電容等等構成的無源電路進行相位控制，使得能夠實現高頻信號放大裝置，其中由于簡化了放大裝置的總體結構，所述高頻信號放大裝置體積較小、成本較低并且適于量產。
在前面的說明書中描述了本發明的原理、優選實施例和工作模式。然而，本申請要保護的發明不限于所公開的具體實施例。這里描述的實施例是圖解性的，而不是限制性的。在不偏離本發明的宗旨的前提下可以進行各種變化和修改，并且可以等同使用。因此，權利要求限定了本發明的宗旨和范圍內的所有這些變化、修改和等同方案。
權利要求
1.一種無線通信頻率信號放大裝置，包括第一路徑，在其輸出級段上具有至少一個使用第一半導體器件的放大器；第二路徑，所述第二路徑的輸出低于第一路徑的輸出，并且在其輸出級段上具有至少一個使用第二半導體器件的放大器，所述第二半導體器件的輸出低于第一半導體器件的輸出；輸入側的分支電路和輸出側的分支電路，所述分支電路根據期望輸出電平有選擇地在路徑之間進行切換；和相位調節器，所述相位調節器將切換之前的路徑的一個傳遞相位長度調節成與切換之后的路徑的另一個傳遞相位長度基本相同。
2.如權利要求1所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中相位調節器包含至少一個被配置在所述路徑的輸入側分支電路之前或之后的移相器。
3.如權利要求1所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中相位調節器包含至少一個被配置在所述路徑上的傳輸線路。
4.如權利要求1所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中相位調節器包含至少一個被配置在所述路徑上的匹配電路。
5.如權利要求2所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中移相器是可變移相器。
6.如權利要求3所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中線路阻抗為50Ω的傳輸線路被布置在第二路徑上。
7.如權利要求4所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中匹配電路由并聯電感和串聯電容構成。
8.如權利要求4所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中匹配電路由并聯電容和串聯電感構成。
9.如權利要求4所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中所述至少一個匹配電路包含配置在第一路徑上并且由并聯電感和串聯電容構成的第一匹配電路，和配置在第二路徑上并且由并聯電容和串聯電感構成的第二匹配電路。
10.如權利要求1所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中當一個路徑及其放大器被接通時，使另一個路徑的放大器進入非工作狀態。
11.如權利要求1所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中第一半導體器件和第二半導體器件被集成在單獨的半導體芯片內。
12.如權利要求1所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中通過CDMA系統發送和接收無線頻率信號。
13.如權利要求12所述的無線通信頻率信號放大裝置，其中CDMA系統使用多時隙估值加權平均技術。
14.通信信號發送和接收裝置，包括將發送的基帶信號轉換成中頻信號并且將中頻信號轉換成基帶信號的基帶轉換器；將中頻信號轉換成無線頻率信號并且將無線頻率信號轉換成中頻信號的上/下變轉換器；放大向天線發送或從天線接收的無線頻率信號的放大器件，包括第一路徑，在其輸出級段上具有至少一個使用第一半導體器件的放大器；第二路徑，所述第二路徑的輸出低于第一路徑的輸出，并且在其輸出級段上具有至少一個使用第二半導體器件的放大器，所述第二半導體器件的輸出低于第一半導體器件的輸出；輸入側的分支電路和輸出側的分支電路，所述分支電路根據期望輸出電平有選擇地在路徑之間進行切換；和相位調節器，所述相位調節器將切換之前的路徑的一個傳遞相位長度調節成與切換之后的路徑的另一個傳遞相位長度基本相同。
15.如權利要求14所述的通信信號發送和接收裝置，其中通過CDMA系統發送和接收無線頻率信號。
16.如權利要求15所述的通信信號發送和接收裝置，其中CDMA系統使用多時隙估值加權平均技術。
17.包含兩組通信信號發送和接收裝置的雙頻和/或雙模式便攜通信終端，其中每組通信信號發送和接收裝置包括將發送的基帶信號轉換成中頻信號并且將中頻信號轉換成基帶信號的基帶轉換器；將中頻信號轉換成無線頻率信號并且將無線頻率信號轉換成中頻信號的上/下變轉換器；放大向天線發送或從天線接收的無線頻率信號的放大器件，包括第一路徑，在其輸出級段上具有至少一個使用第一半導體器件的放大器；第二路徑，所述第二路徑的輸出低于第一路徑的輸出，并且在其輸出級段上具有至少一個使用第二半導體器件的放大器，所述第二半導體器件的輸出低于第一半導體器件的輸出；輸入側的分支電路和輸出側的分支電路，所述分支電路根據期望輸出電平有選擇地在路徑之間進行切換；和相位調節器，所述相位調節器將切換之前的路徑的一個傳遞相位長度調節成與切換之后的路徑的另一個傳遞相位長度基本相同。
18.如權利要求17所述的雙頻和/或雙模式便攜通信終端，其中至少通過CDMA系統發送和接收無線頻率信號。
19.如權利要求18所述的雙頻和/或雙模式便攜通信終端，其中CDMA系統使用多時隙估值加權平均技術。
全文摘要
為了提供減少在切換到不同輸出電平時導致的相位變化的高頻放大裝置，在分支電路之后的各個路徑的至少一個位置上提供可變移相器，分支電路根據期望輸出電平在高輸出側的路徑和低輸出側的路徑之間切換，高輸出側的路徑在輸出級段上具有使用第一半導體器件的放大器，而低輸出側的路徑在輸出級段上具有使用第二半導體器件的放大器，其中輸出級段上第二半導體器件的輸出低于輸出級段上第一半導體器件的輸出。在分接之后，可變移相器的相位長度被設置成預定數值，使得在穿過各個路徑時各個路徑的傳遞相位長度基本相同。
文檔編號H03F3/68GK1407830SQ0214141
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月30日 優先權日2001年9月11日
發明者關根健治, 田上知紀, 加賀谷修 申請人:株式會社日立制作所