专利名称：发射机射频功率控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及发射机尤其是蜂窝电话手机的发射机中的射频(RF)功率控制。
许多无线电发射机系统要求精确控制发射的射频功率。通常，这是利用反馈控制系统实现的，在该反馈控制系统中，功率放大器(PA)的采样输出功率与基准控制之间的差值获得用于控制PA增益的误差信号。这是一种通用技术，因为与使PA输出功率保持在可接受的限度内相比，通常更容易利用电源电压和温度变化精确测量功率。此外，在许多无线电发射机应用中，需要将输出功率精确设置为位于某个总动态范围内的多个规定功率电平中的一个功率电平。
TDMA系统通常要求发射的信号脉冲串遵守严格的功率-时间模板。对于整个脉冲串，PA内的热效应通常导致诸如增益和/或效率的PA参数降低。当然，如果存在足够的控制回路带宽和功率输出能力，反馈控制系统可以自动调平发射的脉冲串。此外，许多TDMA系统要求手机发射的功率平滑斜坡上升到平均脉冲串功率，并从平均脉冲串功率平滑斜坡下降。为了降低功率斜坡脉冲导致的相邻信道干扰，和/或为了限制相邻时隙发射的功率，通常明确规定这样做。
附图中的图1示出移动无线电系统(但并不局限于此)使用的典型功率控制回路。在这种控制回路中，功率放大器11输出的发射功率Ptrans(从压控振荡器10送到天线16的)被耦合器12采样，而检测器13(在此被示为肖特基二极管)检测其值，检测器13输出有关检测电压Vdet，然后，比较器14将该检测电压Vdet与可控基准R进行比较。积分器15对该差值信号进行积分，然后，反馈被积分的差值信号ΔS，并利用它以适当方向调节功率放大器11的增益，以使检测电压Vtrans趋向于基准电压R。这是传统的反馈技术，这样，可控基准电压设置功率输出，而且可以动态控制该可控基准电压，以产生例如TDMA系统手机中要求的斜坡信号。然而，二极管检测器的电压Vdet与发射(输入)功率Ptrans具有平方律关系，此外，在低功率电平，肖特基二极管的指数特性主导该响应。
关于PA输出功率与控制基准不同的问题，仅利用检测器特性确定图1所示电路的传递函数。通常，实现功率检测器基于肖特基二极管(如图所示)或对数放大器。这些解决方案提供非线性传递函数，而且还具有有限的动态范围，特别是对于肖特基二极管检测器的情况。这样导致PA功率设置对于其控制输入是非线性的，而且设备制造商无法控制它。因此，传递函数导数(梯度)随功率设置变化，而且在利用肖特基二极管的实现中，该检测器通常主导整个梯度变化，并隐式主导回路带宽变化。
此外，控制回路带宽随功率设置变化是不希望的，而且这样会改变动态响应。在GSM(全球移动通信系统)系统中，GSM系统是TDMA系统的一种形式，在理想情况下，斜坡轮廓对每个功率设置不发生变化。对于每个功率设置，非线性传递函数导致产生唯一斜坡形，而且这需要附加存储器。此外，该系统不容许单元到单元的检测器和PA变化以及功率变化(例如，随温度或者因为校准误差)。
因此，需要线性控制手机PA的RF输出功率，而且优选利用反馈控制系统实现这种线性控制。
因此，根据本发明，提供了一种RF发射机功率控制系统，该系统具有振荡器；功率放大器，接收压控放大器的输出作为第一输入，具有控制输入端，而且产生送到天线的输出信号；采样装置，用于获得表示该输出信号的信号；乘法器，使表示信号自乘，以提供与表示信号线性相关的输出分量；
可变增益放大器，接收乘法器的线性输出分量作为第一输入，而且具有作为控制基准的可变控制输入和输出；比较器，用于将可变增益放大器的输出与基准进行比较，并产生差值信号；以及积分器，用于使差值信号积分，并将它作为控制输入送到功率放大器。
提供一致性的可预测总回路传递函数，例如回路带宽、相位余量的方式是基于对回路内的各电路模块确定线性传递函数的。利用模块传递函数的导数(变化速率)和绝对增益，调节控制回路带宽。线性传递函数给出恒定导数。
使用本发明的系统有几个优点，特别是对于TDMA移动通信应用●使用模拟乘法器将采样的RF信号变换为DC电压使发射的RF电压与检测的电压成线性关系。这样避免了使用肖特基二极管检测器或对数放大器遇到的线性问题。乘法器检测器的动态范围仅受到其大信号处理、在低输入信号功率时DC偏移或热噪声的限制。该方法与“直接变换接收机”体系结构相同，而且意味着动态范围显著高于现有检测器解决方案。此外，可以制造这样的宽带乘法器电路，它不需要为了在不同频带下工作而包含转换，或者对频率响应的斜率进行补偿。
●对于所有锁定RF输出功率设置，将固定误差检测基准与VGA一起使用产生同样的误差斜率(dV(检测的)/dV(发射的))。如果PA控制特性是线性的，则这样导致恒定控制回路带宽。实际上，情况从来不是这样，但是这不是先前典型实现中产生控制回路带宽变化的主要原因。
●使用以DC工作的VGA控制发射的RF功率可以避免因为RF电路中通常存在的温度和电压变化导致调平输出RF功率漂移。
这样的结果是，如果实际实现具有足够的控制回路带宽和动态范围，则该系统在功能上等效于图9所示的理想化电路，图9所示的理想化电路具有等效于闭环传递函数的控制基准滤波器。在猝发式TDMA应用中，这样能够利用其高度与发射的RF电压成正比的矩形脉冲以及利用由闭环传递函数或控制基准连接中的附加主滤波函数获得的固定滤波函数实现的脉冲成形来成形发射的RF信号。在实际移动手机应用中，这意味着，单个斜坡形可以与比例乘法因子一起用于以任何发射RF功率实现同样的斜坡形。这还意味着，不需要使用不同的斜坡形，或者在工作频带之间进行任何灵敏度转换。
对于以非常高频率工作的功率放大器，可以利用集成电路或任何适当部件实现所建议的电子电路。
当然，该系统还可以用于非TDMA应用。
现在将参考
根据本发明的RF功率控制回路的一个例子，其中图2是控制回路的方框图；图3详细示出用于该控制回路的理想化乘法器电路；图4是提供四象限乘法的传统吉尔伯特单元型混合器的电路图；图5是典型四象限乘法器的电路图；图6是与图2相同的电路图，但是示出了以下将说明其上的信号形式的各点；图7示出典型TDMA应用的控制回路的操作；图8是允许在功率放大器输入端用RF振荡器作为检测器本机振荡器的电路；图9示出理想化控制回路。
在图2所示的电路中，利用加10后的参考编号表示与图1中的部件类似的部件。发射信号Ptrans被耦合器22采样，耦合器22通常是利用基于微带的定向耦合器实现的，然后，混合器电路或乘法器28使该发射信号Ptrans自乘，由RF限幅放大器27从采样输出中导出乘法输入。该过程导致产生和频率分量和差频率分量，其中差频率分量是等效于全波整流所采样的RF电压波形Ptrans的DC电压。将DC分量送到可变增益放大器(VGA)29，可变增益放大器29具有控制基准输入Vcontrol，而通过比较器24和积分器25，将输出送到功率放大器的控制输入端。
为了说明问题，混合器电路28的输出(output)是两个输入的乘积Output＝A1·cos(ω·t)·A2·cos(ω·t)可以利用cos(a+b)和cos(a-b)的三角恒等式将该乘积表示为频率项(ωt)的和与差。
Output=A1·A22cos(ω·t+ω·t)+A1·A22cos(ω·t-ω·t)]]>⇒A1·A22cos(2·ω·t)+A1·A22cos(0)]]>因此，乘法器的输出具有两倍输入频率分量和DC分量(cos(0)＝1)。可以利用适当滤波器(未示出)消除两倍频率项。
示出理想化混合器电路或乘法器28的图3示出其输入之一是限幅放大器27的输出，因此该输入的幅度与PA输出功率无关。这样，DC分量可以被简单表示为Output=kA12cos(0)]]>其中k是常数。
这样，可以使乘法器输出与PA输出功率Ptrans成正比，即，该功率检测电路具有线性传递函数。
即使该RF输出信号被角调制，这种分析仍始终有效。仅将幅度调制传递给DC。
在RFIC(射频集成电路)应用中，放大器单元可能由提供四象限乘法的吉尔伯特单元型混合器实现。图4示出在本技术领域内众所周知的通用吉尔伯特单元。将线性差动RF电压施加到RFA和RFB。
将差动本机振荡电压施加到LOA和LOB。随着本机振荡正弦波从正摆动到负，由Q3/Q5和Q4/Q6构成的两个差动放大器控制电流从Q1和Q2流到R1或者R2。这样做的效果是，以等于本机振荡频率的速率，使在R1和R2差动出现的RF电压倒相。这等效于时域内的乘法，从而导致在IFA和IFB差动出现和差频率乘积。
VGA 29位于如图2所示的位置可以使它以DC工作，这样，与利用其他方式设置它的情况(即，利用VGA控制送到传统肖特基二极管的RF功率)相比，显著降低了电路复杂性。这是可以实现的，因为混合器检测器27、28没有与现有技术的二极管检测器相同的缺陷，而且可以在宽功率电平范围内保持明确特性。
VGA控制基准Vcontrol设置输出功率，而且它还可以用于产生TDMA应用所需的功率斜坡轮廓。这与其中比较器的基准通常确定输出功率和斜坡轮廓的典型功率控制回路不同。VGA增益有效设置功率电平，而且发射的输出功率Ptrans与VGA增益成正比。
如图5所示，典型四象限乘法器可以用于实现VGA功能。例如，请参考B.Gilbert“A Precise Four-Quadrant Multiplier withSubnanosecond Response”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，VOL SC-3，No.4，December 1968。与吉尔伯特单元的主要差别是本机振荡器的各输入被线性化。它产生与各输入电压的乘积成正比的输出电流I0，见下面的等式。
I0=(I3+I5)-(I4+I6)=2·Vx·VyI·Rx·Ry]]>在该例子中，检测器输出跨接在Y输入端，而功率控制基准跨接在X输入端。
在此不对比较器和积分器的实现做进一步说明，因为它们的设计与现有技术中采用的比较器和积分器的设计基本相同。
用于典型TDMA应用的控制回路的工作被分为3个不同的时间间隔，如图7所示。
●初始化之后的功率斜坡上升。
●从斜坡上升过渡到稳态(调平功率)。
●斜坡下降。
图6示出图7中标注的回路监测点A至F的示意图，图6与图2基本相同，但是为了清楚地使点A至F示于要求的位置，删除了参考编号。
初始化之后的功率斜坡上升包括电路中出现的以下几种情况1.假定PA输出最初为0。因此，检测器输出电压为0。
2.施加电压以设置输出功率(A)。
3.VGA反转并放大检测器输出(B)。为了比较器输入端是正确检测值，所以要求反转。
4.由于负VGA信号小于比较器基准，所以该比较器的输出为正(C)。
5.对比较器输出进行积分-获得的输出是斜坡信号(阶跃输入的积分)(D)。这是用于PA的控制信号。
6.控制引脚上的电压使PA的输出功率升高(E)。
7.随着PA功率的升高，检测器输出升高(F)。
从斜坡上升到稳态的过渡有以下几种情况1.在(B)的信号增大，直到它等于基准电压。因此，比较器的输出(C)是0。
2.积分器的0输入限定了斜坡信号(D)。
3.因此，PA的输出功率恒定(E)。
4.现在，该回路被闭合。
利用开环增益确定任何残留稳态误差。高回路增益将导致较小误差。
斜坡下降过程包括1.降低功率设置基准电压(A)。
2.这样使VGA输出为正(B)(存在反转)。
3.比较器的输出变成负(C)。
4.该负电压使积分器斜坡下降(D)。
5.这样又使PA输出的RF功率降低(E)。
6.随着RF功率降低，检测器的输出也降低(F)。
如果存在足够的控制回路带宽，则控制回路将跟随对斜坡上升过程和斜坡下降过程应用的任何成形。
图2示出控制回路的功率检测部分的最简单实现。如果限幅放大器27本身不在要求的工作范围内呈现AM/PM变换，则这种实现避免了在功率放大器21内进行AM/PM变换产生的任何检测功率变化。实际上，这种实现的缺点是限幅放大器27必须在相当宽的范围内工作。这意味着，由要检测的最小要求信号确定限幅放大器的增益。大增益值可能产生RF稳定性问题。
现在，将说明该限幅器方法的两种替换方法。
第一种替换方法是，不是使用传统的基于吉尔伯特单元的混合器，而是使用模拟四象限乘法器计算采样的RF信号的平方。为了保持线性控制传递函数，或者必须计算获得的DC信号的平方根，或者必须计算VGA控制信号的平方。因此，避免了高增益信号的限制。
第二种替换方法是在功率放大器21的输入端使用RF振荡器20用作检测器的本机振荡器。尽管这样完全消除了与限幅放大器稳定性或者检测灵敏度不足有关的问题，但是它使系统容易产生由在功率放大器21内进行AM/PM变换导致的检测误差。然而，利用图8所示的体系结构，可以解决该问题。在该电路中，利用两个相同的吉尔伯特单元和由发射振荡器构成的正交本机振荡器获取发射信号的同相DC分量和正交DC分量。瞬时DC分量表示发射信号的笛卡儿矢量表示。在功率放大器内进行的任何AM/PM变换均会导致该矢量相移，但是矢量的长度始终与发射功率成正比。利用勾股定理计算矢量长度。
仍然存在一些可能的实际缺陷●要求附加连接到功率控制回路。
●增加了不希望的发射机振荡器到天线的泄漏概率。
●利用模拟电路系统实现平方和平方根功能。
然而，能够提供线性功率响应的重要性超过克服这些缺陷。包括自动DC偏移校正就可以提高功率控制回路的灵敏度。
权利要求
1.一种RF功率控制系统，该系统具有振荡器；功率放大器，接收压控放大器的输出作为第一输入，具有控制输入端，而且产生送到天线的输出信号；采样装置，用于获得表示该输出信号的信号；乘法器，使所述表示信号自乘，以提供与该表示信号线性相关的输出分量；可变增益放大器，接收所述乘法器的线性输出分量作为第一输入，而且具有作为控制基准的可变控制输入和一个输出；比较器，用于将所述可变增益放大器的输出与一个基准进行比较，并产生差值信号；以及积分器，用于对该差值信号积分，并将它作为控制输入送到所述功率放大器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中振荡器是压控振荡器。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中乘法器包括模拟乘法器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中乘法器包括吉尔伯特单元。
5.根据权利要求1至4之任一所述的系统，其中乘法器具有限幅放大器输入。
6.根据权利要求1至4之任一所述的系统，其中RF振荡器为所述乘法器提供本机振荡器。
7.根据权利要求1至6之任一所述的系统，其中可变增益放大器包括四象限乘法器。
8.一种具有根据权利要求1至7之任一所述的功率控制系统的RF发射机。
9.一种具有根据权利要求8所述的RF发射机的蜂窝电话手机。
全文摘要
利用乘法器(28)实现用于精确控制功率放大器(21)的RF输出功率的电子系统，乘法器(28)使输出功率自乘，以提供送到可变增益放大器(29)的DC分量，通过比较器(24)和积分器(25)，可变增益放大器(29)将控制信号送到功率放大器。即使在控制信号动态变化期间，控制信号与输出功率之间的传递函数仍基本上是线性的。该系统可以具有大动态范围，而且在该范围内，该系统表现恒定控制回路带宽。这尤其可以应用于具有大动态范围调平输出功率的TDMA系统，因为固定滤波器函数可以用于成形发射的脉冲串。
文档编号H04J3/00GK1596505SQ02823671
公开日2005年3月16日 申请日期2002年11月25日 优先权日2001年11月28日
发明者安德鲁·戈登·萨莫斯, 特拉赫恩·斯图尔特·雷纳 申请人:Ttpcom有限公司