功率放大器及功率放大方法 本发明涉及以模拟调制和数字式调制两种模式工作的、包括蜂窝包括系统的移动无线电通信系统。
在以便携电话和汽车电话为代表的移动无线电通信系统领域，数字化方向的最新的进展是巨大的。由于这个原因，人们所熟悉的各种传统的模拟调制系统正逐渐地被各种数字调制系统、或以模拟调制方式和数字调制方式两种模式工作的双模式调制系统所取代。鉴于可以使用数字式调制系统的服务范围仍然被局限于一些特殊的范围这一事实，在实际应用中，双模式蜂窝电话是有优点的。
在这种移动无线电通信系统中所采用的无线电发射机所需要的各种部件中，为向天线提供功率，放大射频信号的功率放大器是一定需要的。双模式发射机中，一般要求该功率放大器在模拟调制模式中具有高的效率，而在数调制模式中，除高效率之外，还要求具有高的线性。
在发射机所用的常规的功率放大器中，根据调制的类型切换两种功率放大电路的技术是大家所熟悉的。其中，最最简单的设计是提供可选地两种功率放大电路，一个功率放大电路用于模拟调制系统，而另一个功率放大电路用于数字调制系统。尚在审查的日本专利申请NO.HEI5—199127/1993中公开了用于发射机的这样一个功率放大电路，包括通过开关把二者相互组合在一起的非线性功率放大电路和线性放大电路。模拟调制模式中，重要的事情是实现高效率；因此，最好使用非线性功率放大电路的非线性工作区(即，在饱和区附近)。另一方面，数字调制方式在调制中很可能产生失真。为了减小这样的失真，最好相对较低的输出范围内使用非线性功率放大电路的线性工作区。同时，当工作在相对高的功率输出范围内时，数字式调制模式要求我们有选择地使用非线性功率放大电路和线性功率放大电路，以实现高效和高线性。
然而，采用上述常规的开关技术的功率放大器在成本上是不合算的，因为它要求两种不同类型的功率放大电路。此外，当每一路射频信号通过开关时所产生的很大的功率损耗也是不令人满意的。因此，目前期望开发出一种单一的功率放大电路其具有在模拟调制和数字调制两种方式下工作的能力。
当一个功率放大电路工作在模拟调制和数字调制两种模式时，将要出现在下面要详细解释的功率增加效率(the poweradded efficiency)的问题。
通常，功率放大器的功率增加效率η被定义如下：
η＝(交流输出功率－交流输入功率)/直流输入功率，其中，交流输入功率代表输入射频信号的功率，交流输出功率代表输出射频信号的功率，而直流输入功率代表由直流电源向功率放大器所提供的功率。也就是说，功率增加效率应该被理解成从直流功率到交流功率的转换效率。在采用电池作为直流功率源的蜂窝电话的场合，期望功率增加效率足够高以降低电池的消耗。
在日本所使用的无线电话发射机，当其工作在模拟调制模式时，必须遵守NTT(日本电报电话公司)标准，或者，当其工作在数字调制模式时，必须遵守RCR(无线电系统研究和开发中心)标准。该NTT标准规定了频公多址(FDMA)系统。而根据RCR标准的STD—27B条规定了时公多址(TDMA)系统。该FDMA和TDMA两种系统均要求功率放大器具有同样的1.5瓦的输出功率。
图6示出了根据在日本使用的一种常规的双模式发射机的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的一个典型的例子。该功率放大器包括一个单一的功率放大电路，所加的直流偏置电压Vdd为6V，在输出功率为1.5瓦的情况下，如图6中，所示在FDMA(即，模拟调制)和TDMA(即，数字调制)两种调制模式中，功率增加效率大约为40％。简言之，这种常规的技术产生一个迫使功率放大器牺牲FDMA模式下的功率增加效率以实现TDMA模式下高线性的问题。
另一方面，在美国，有一适用于双模式无线电话发射机的TIA(电信工业联合会)标准。
在TIA标准第IS—95条中规定FDMA系统为模拟调制模式的寻址系统，而码分多址(CDMA)系统为数字调制模式的寻址系统。该FDMA系统要求1.5瓦的交流输出功率，而CDMA系统仅要求0.5瓦的交流输出功率。
图7示出了根据在美国使用的双模式发射机中的常规的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的一个例子。该功率放大器包括一个单一的功率放大电路，其直流偏置电压Vdd为48V。在输出功率为1.5瓦的情况下，FDMA模式的功率增加功率近似为60％，而在输出功率为0.5瓦的情况下，CDMA模式的功率增加效率为30％。简言之，这种传统技术产生一个迫使该功率放大器牺牲CDMA模式下的功率增加效率以实现FDMA模式下的高效率的问题。
正如前面的叙述中所解释过的，发射机所用的常规的单一功率放大电路类型的功率放大器存在这样一个问题，即，如果它是为在日本使用而生产的，功率增加效率在模拟调制模式(FDMA)中要变坏；如果它是为在美国使用而生产的，功率增加效率在数字调制模式(CDMA)下就要变坏。简言之，主要问题是，在模拟调制模式和数字调制模式的任何一种模式中，功率增加效率都要变坏。
因此，考虑到现有技术中的上述问题，本发明的主要目的是为发射机提供一种功率放大器，其包括一个性能优良的单一功率放大电路，可在模拟和数字调制两种模式下工作，并能在每种调制模式下得到高的功率增加效率。
为了实现这个目的及其它相关的目的，本发明为无线电发射机提供了一种工作在模拟和数字调制两种模式下的功率放大器，其中产生两种直流偏置电压加到一个单一功率放大电路上，根据工作模式的类型，该两种直流电压之一被有选择地加到功率放大电路上，从而控制功率放大电路的输入/输出特性。
更具体地说，在FDMA/TDMA双模式系统中，所要求的交流输出功率是恒定的而不管模拟调制模式和数字调制模式之间两种模式的不同。希望输入/输出特性在数字调制(TDMA)模式中，具有比模拟调制(FDMA)模式中更高的饱和输出，为了实现这一点，在TDMA模式中加到功率放大电路上的直流电压被设定得高于FDMA模式中相应的电压。
另一方面，在FDMA/CDMA双模式系统中，数字调制(CDMA)模式所要求的交流输出功率比模拟调制(FDMA)模式中所要求的交流输出功率要低许多。因此，希望输入/输出特性在数字调制(CDMA)模式中，具有比模拟调制(FDMA)模式中低一些的饱和输出功率。为了实现这一点，在CDMA模式中被加到功率放大电路上的直流电压被设定得比FDMA模式中的相应电压低。
因此，对于FDMA/TDMA双模式系统来说，本发明这样设置了功率放大电路的输入/输出特性(即，交流输入功率比交流输出功率)，即在TDMA模式中的饱和输出功率比FDMA模式中的饱和输出功率高，因此，在FDMA模式中获得高效率而又不牺牲在TDMA模式中的高线性和高效率是为可能的。同时，对于FDMA/CDMA双模式系统来说，本发明这样设置了功率放大电路的输入/输出特性，即在CDMA模式中的饱和输出功率比FDMA模式中的饱和输出功率低。因此，在CDMA模式中得到高线性和高效率而又不牺牲FDMA模式中的高效率就成为可能，如上所述，本发明根据模拟调制模式和数字调制模式之间的不同有选择地改变加到一个单一的功率放大电路上的直流电压，因此，功率放大电路的输入/输出特性就总可以被最佳化。因此，本发明为发射机提供了一个性能优良的功率放大器其能在两种调制模式的每一种中实现高的功率增加效率。
从下面结合附图的详细说明中，前面所述的目的和其他目的，以及本发明的特点和优点将变得更显而易见，其中：
图1示出了按照本发明的第一实施例的功率放大器的电路框图。
图2示出了图1中所示的功率放大电路的一种详细电路图。
图3示出了通过在功率放大电路中切换直流偏置电压来改变功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的图。
图4示出了按照本发明的第二实施例的一个功率放大器的一种电路设计框图。
图5表示通过切换功率放大电路中的直流偏置电压Vdd所获得的，图4中所示的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的变化。
图6示出了常规的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的一个例子；而
图7示出了另一个常规的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的一个例子。
这以下，将参照附图详细地说明本发明的最佳实施例。
第一实施例
图1示出了按照本发明的第一个最佳实施例的功率放大器的电路设计框图，其最好用于FDMA/TDMA双模式无线电(无线)电话发射机中。图1中，标号1代表正的直流电源单元；标号2代表开关；标号3代表微处理器；标号4代表负的直流电源单元；标号5代表功率放大电路。
正直流电源单元1提供4.8伏和6.0伏两种类型的直流电压。更具体地说，4.8伏是由四个串联的镍镉电池产生的，而6.0伏是由五个镍镉电池串联的电池组产生的。产生这样两种直流电压的正直流电源单元1可以由具有同样功能的电压调整器来代替。
开关2用作选择器，用于从正直流电将1所产生的两种直流电压中选择一种。
根据调制模式的类型，微处理器3按照程序控制开关2并确定要通过开关2选择的合适的电压。更具体地说，当调制模式是模拟式(即FDMA)时，微处理器3控制开关2选择4.8伏，而当调制模式是数字式时(即TDMA)则选择6.0伏。
负直流电源单元4产生负3.6伏直流偏置电压。
功率放大电路5放大射频信号。RFIN代表功率放大电路5的射频信号输入端，而RFOCT代表功率放大电路5的射频信号输出端。而且，功率放大电路5还有一个Vdd端，提供由开关2选择的直流电压(4.8V或6.0V以及一个Vgg端，提供由负直流电源单元4来的直流偏置电压(-3.6V)。
图2示出图1所示功率放大电路的详细电路。图2中，标号11和12代表两个场效应管(FET)；标号13—18代表微带线(即电感，)；C1—C5是电容；而R1—R4是电阻。
由Vdd端输入的直流电压分别通过微带线14和17加到场效应管11和12的漏电极上。由Vgg端输入的直流偏置电压确定场效应管11和12的栅极的偏置。可用的优选晶体管类型，如场效应管11和12是GaAs—MESFET，因为它允许我们处理频率近1GHz(1千兆赫)的射频信号。作为替代型号，也可以使用二极管，MOSFET，或者利用诸如GaAs和ALGaAs这样的非均匀材料间的结合的掺杂二级管(HBT)。
图3示出了通过切换功率放大电路5中的直流偏置电压Vdd所获得的，图1中所示的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的变化。根据模拟调制(即FDMA)模式下的输入/输出特性(图3中的虚线所示)，其饱和输出功率是1.5瓦。根据数字调制(即TDMA)模式的输入/输出特性(图3中的实线所示)，其饱和输出功率是2.8瓦。通过切换加到该功率放大电路5上的电压，当输出功率为1.5瓦时，对FDMA模式，功率增加效率变成为约60％，而对TDMA模式，功率增加效率变成为约40％。
如上所说明的，根据本实施例，FDMA模式下的功率增加效率与图6中的常规例子相比较可以被提高20％。因此，此作用是巨大的。
第二实施例
图4示出了按照本发明的第二实施例的功率放大器的电路设计框图，其最适于FDMA/CDMA双模式无线电(无线)电话发射机。本实施例与图1中实施例的区别在于正直流电源单元1产生的直流电压是3.6V和4.8V。当调制类型是模拟(即FDMA)时，微处理器3控制开关2选择4.8V，而当调制类型是数字(即CDMA)时，则选择3.6V。负直流电源单元4和功率放大电路5具有与前述第一实施例相同的结构。
图5示出了通过切换功率放大电路5中的直流偏置电压Vdd所获得的，图4中所示的功率放大器的输入/输出特性和功率增加效率的变化。根据模拟调制(即，FDMA)模式的输入/输出特性(图5中虚线所示)，其饱和输出功率高于数字调制(即，CDMA)模式中的输入/输出特性(图5中实线所示)的饱和输出功率。通过切换要加到该功率放大电路5上的电压，当输出功率是1.5瓦时，对于FDMA模式的功率增加效率变成为约60％，当输出功率为0.5瓦时，对于CDMA的功率增加效率变成为约40％。
如上所说明的，根据本实施例，CDMA模式下的功率增加效率与图7中常规的例子相比较提高10％。因此，其作用是巨大的。
上面所说明的两个实施例中所采用的Vdd和Vgg的值可以根据功率放大电路5的各自的内部设计而改变。另外，本发明也可以被应用到其他的设备中，例如用于数据传输的无线电发射机的功率放大器，而不仅限于话音传输的无线电话发射机。
由于本发明可能以若干形式实施而并不偏离本发明的实质性特征的精髓，因此，所说明的这两个实施例仅作为示例性的而不是限定性的，因为本发明的范围是由所附的权利要求书而不是前述说明来限定的，落入权利要求的界限(metes)和范围内(bounds)的任何变化，或者等效的替代都被权利要求所包含。