用于无线射频传输的谐振功率转换器及其方法技术

本发明专利技术是关于一种用于超高频射频传输的谐振功率转换器及其方法。在一个典型实施例中，本发明专利技术是数字驱动的，并使用了噪声重整编码器、充电开关和高品质因数谐振器的组合，其中高品质因数谐振器与输出负载耦合，通常是天线或传输线。谐振器的电磁场中产生能量，反过来将能量传输到负载，传输过程中几乎没有能量浪费。不需要任何有源功率放大器。设备在理论上可用于任何射频信号应用（无线或其它），包括比如手机、本地或宽区域网络传输、或者甚至无线电基站。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及射频信号，特别是涉及一种用于射频(RF)信号传输、接收和/或调制的无线射频传输的谐振功率转换器及其方法。
技术介绍
我们知道，放大器的所谓“PAE”(功率添加效率)不过是指传送到负载并被产生这种放大所要求的直流输入功率除的输出功率。一般地，对于典型的CDMA(码分多址)手持机，最大传输功率的功率添加效率为33％，比平均低10％。因此，如果一个具有33％的功率添加效率的功率放大器要输出1瓦射频功率，它就需要3瓦直流电源，在此过程中2瓦用于热消耗。这明显未达到电源的最佳使用。典型的现有技术的射频传输系统使用的方法依次包括以下步骤中的一步或多步(1)将数字数据流独立地调制为同相和正交向量组或幅值和相位向量组；在信号转化过程中的后续点组合向量；(2)数字过滤数据向量；(3)通过数字模拟转换将过滤过的向量转换为模拟形式；(4)利用射频振荡器通过一级或多级调制将数字/模拟输出向上转化为射频信号向量，随后对每级向上转化进行象频干扰抑制滤波；(5)预先放大(或变增益放大)最末级向上转化阶段的输出；(6)用功率放大器放大预先放大的输出信号，其中放大器是典型的A或AB型式。另外，Dent等人发表的6181199号美国专利，题为“功率反转量子化调制系统和方法”，阐述了一种与上述方法不同的射频传输方法，该方法中信号向量的幅值用于调整C级或D级转换开关功率放大器的幅值，并将信号向量的相位信息作为其一个输入来接收。Sander等人发表的6198347号美国专利，题为“转换式射频放大器的驱动电路”，阐述了一种驱动那种放大器的方法。前述情况的另一例中，转换为模拟射频范围的信号被放大为一个负载。Agazzi和Norsworthy发表的题为“综合业务数字网传输器”的5353309号美国专利阐述了一种在基带数字电话传输中利用数字Δ∑调制器的方法。Δ∑调制器的输出连接到一个有源模拟低通滤波器，低通滤波器驱动一个有源功率放大器，依次驱动综合业务数字网电话传输线路。然而，前述说明中没有讲授产生足够的功率直接驱动线路而不需要有源功率放大器的方法。同时，虽然上述系统是一个低频基带传输系统而不是射频通频带传输系统，前述说明中也没提供任何将功率转换为射频载波频率的方法。Pikkarainen等人发表的5701106号美国专利，题为“将数字信号调制为高频模拟信号的方法和调制器”，阐述了一个(I，Q)中的基带数字传送到以中频采样的Δ∑数字-模拟转换器，并转换为模拟形式以在模拟状态下进一步向上转化为射频载波频率。其中没有说明将数字基带信号直接向上转换为射频载波频率的方法，也没说明将直流功率直接转换为射频载波功率的方法。Butterfield发表的6321075号美国专利，题为“硬件-带有Δ∑数字-模拟转换器的高效收发器”，由于他在(I，Q)中采用Δ∑调制器形成中频，然后转换为模拟状态以在模拟状态下进一步向上转化为射频载波频率，所以该方法与前述5701106号美国专利类似。请参阅图1a-1c所示，举例说明了上述不同现存技术结构。Keyzer等人发表的0-7803-6540号电气和电子工程师协会(IEEE)出版社文章，题为“利用带通Δ∑调制器数字产生无线传输射频信号”，及这里引用的参考(“Keyzer”)，阐述了一个无线发送器，它结合通频带Δ∑调制器与模式转换功率放大器一起使用。同时请参看“利用Δ∑调制器产生射频脉宽调制微波信号”，由Keyzer等人所著，于2002年5月发表于IEEE杂志0-7802-7239刊。在全双工分频系统中，比如CDMA中，发送器和接收器是可以同时开启的。发送器开启时，通常产生落在接收波段内的噪音或失真。以IS-95，IS-95a，IS-98或IS-2000的CDMA标准为例，接收波段从发送波段偏移80MHz。用于CDMA手持机发送器的典型功率放大器在接收波段产生大约为-135dBm/Hz的噪声密度。比如，对于北美运行的PCS波段，接收波段的频率比发射载波的频率高80MHz。为防止接收灵敏度的下降，发射器产生的噪声需被抑制到低于接收器产生的最低热噪音的水平。接收器产生的最低热噪音大约是-174dBm/Hz。因此，功率放大器的最低噪音和最低热噪音之间的差别大于40dB。噪声抑制的水平通常通过双工器实现，对此领域具有常识的人都熟悉双工器的结构和功能。双工器具有3个端口，一个接至功率放大器的输出，另一个接至天线，第三个端口接至接收者的输入。在全双工接收器中使用噪声重整编码器时，一个困难的问题是量化噪音的高水平超出了波段，甚至进一步恶化了接收波段。上述Keyzer参照提到了这个问题，但仍没有(i)认识到使用他们的方法时问题多么严重，或者(ii)提出满足实际系统要求的解决方法。Keyzer使用了以4倍载波频率Fc的频率运行的二级带通Δ∑调制器，但没考虑到这种条件下相邻接收波段的噪声下限值。关于此点有人进行了一个模拟，目的在于测定Keyzer的带通Δ∑调制器产生的量化噪声。对相应标准下要求的最大功率水平和标准手持机可使用的电池技术进行了保守假设。基于以上假设构成了一个模拟模型并确定，没有任何模拟过滤或双工抑制时，天线处的量化噪声数量级为-94dBm/Hz。这意味着，为了把量化噪声的水平降低到低于热噪声水平-174dBm/Hz，需要过滤高于80dB的噪声。而且不仅仅是单一频率需要抑制80dB，而是整个接收波段都需要。对于实例中北美CDMA的PCS波段，带宽覆盖1.93-1.99GHz，为60MHz。如果当前技术发展水平下存在一种整个频率范围内抑制80dB的模拟射频滤波器，则必然会有很高的插入损耗，而且也会相当昂贵。因此，亟待一种更有效更经济的方法抑制接收波段中的噪声。Keyzer的专利技术中不曾阐明的另一个难题涉及到带通Δ∑调制器极高的采样率。在PCS频率中，Keyzer的方案要求Δ∑调制器中的算术逻辑电路和寄存器以将近8GHz的频率运行。在电池电源便携式PCS手持机中，在编写本文之时，任何可利用的和当前可想到的半导体技术中，仅仅带通调制器逻辑电路的功率消耗就大得吓人。这样，就需要降低Δ∑调制器中的时标速率。Keyzer不曾阐明的第三个难题涉及到开关式功率放大器和与之相连的模拟滤波器间的接口。特别地，没有提供任何说明和学说来解释如何建立一个可操作的开关式放大器并有效地将它“驱动”至滤波器。而且，也没有建议或说明任何特定的耦合机构。因此，Keyzer留下了一个重要的技术难题没有解释。进一步注意到，关于插值滤波器或插值滤波器的特定应用，Keyzer没有做出任何解释或推断。我们可以从Norswor thy等人编著的IEEE出版社1997年版的教科书《Δ∑数据转化器》中找到关于Δ∑数据转化的有关讨论。第9章中(从282页开始)讨论了带通Δ∑调制器这一论题。自20世纪90年代早期，带通Δ∑模拟数字转换器就被用于中频(IF)解调。然而，还没有任何有关将Δ∑模拟数字转换器用于无线传输或射频功率转换的发现。如前所述，Δ∑调制器基本概念的应用还不曾得出一个站得住脚的对前述问题的解决方法。这样，仍然亟待一种改进的装置和方法，可用于将数字信号转换为射频功率而不必构建一个有源放大器，也不必首先在大大低于射频载波频率的频率下将数字数据信号转换为模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振功率转换器，其特征在于其包括：　　　　一个可用于产生复杂脉冲的脉冲输入源；　　　　一个谐振器，与前述脉冲输入源有效耦合并具有与载波频率相同或大体上相近的谐振频率；以及　　　　一个与前述谐振器输出有效耦合并适用于传输复杂射频信号的传输介质；　　　　其中前述谐振器进一步适用于选择性地增强至少部分上述产生的复杂脉冲，以实现前述整流器的最佳效率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SR诺兹沃斯，RW诺兹沃斯，
申请(专利权)人：ST微电子公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]