CN1038081C - 改变射频信号耦合的装置和方法 - Google Patents

Abstract

改变射频信号耦合的一种装置和方法。其优点是可用来在一个传输单元的自动功率电平控制环路中增加功率检测器的动态范围，同时能在较高的功率电平上维持传输单元的效率。其实现方法是依靠在射频信号定向耦合器的第一和第二两种工作模式之间作出选择，两种工作模式是指分别根据第一和第二预定的功率电平由相应的两个定向耦合器分别产生出第一和第二耦合的射频信号。再用控制信号来控制这两个射频信号的输出组合情况。

Description

改变射频信号耦合的装置和方法

本发明涉及射频信号耦合器，具体涉及改变射频(RF)信号耦合的装置和方法。

通信系统诸如蜂窝无线电话通信系统和地面移动通信系统的基本工作和结构在本技术领域内是公知的。通信系统通常包括：多个通信单元，预定数目的、位置遍及一个地理区域内的基站(或转发器)，以及一个控制器。通信单元可以是车载单元或便携式单元，可包含一个发信机或一个收信机，或者兼有两者以组成一个收发信机。通信单元经一个通信信道连接到基站，通过通信信道发送和/或接收射频(RF)信号。控制器包含一个集中呼叫处理单元或是诸分布控制器一起工作的一个网，以对各通信单元建立通信通路。

本领域众所周知，发信机内有一个自动信号功率电平控制环路，它将发送的射频信号输出功率电平维持在多种预定的功率电平之一上。自动信号功率电平控制环路一般包含有一个射频信号耦合器、一个功率电平检测器和一个处理器。射频信号耦合器将一部分发送的射频信号耦合到功率电平检测器。功率电平检测器检测出所发送射频信号的功率电平，以产生一个输出信号。根据该输出信号，由处理器调整发送的射频信号的功率电平，来将发送的射频信号输出功率电平维持在多种预定的功率电平之一上。

本发明的目的是提供一种改变射频信号耦合的方法和装置。

可用来在一个传输单元的自动功率电平控制环路中增加功率检测器的动态范围，同时能在较高的功率电平上维持传输单元的效率。采用本发明，先有技术中的一些问题都得到基本解决。仅有单个耦合输出的现有技术的耦合器其功率控制环路的动态范围有限。具有两个耦合输出的现有技术的耦合器可以用强、弱两种耦合来增加动态范围，但它们不能在较高功率电平上减小强耦合单元引入的损耗，即在较高的功率电平上会导致耦合器损耗增加。采用本发明，可以在较高功率电平上增加动态范围而不牺牲传输单元的效率，而那里一般地效率是最重要的。

图1示例第一种现有技术的射频信号耦合器100的电路示意图。射频信号耦合器通常包含一个原边(Primarg)传输单元101和一个第一次边(secondarg)耦合单元102。原边(primarg)传输单元101在其输入端接收一个射频信号输入，在其输出端产生一个射频信号输出。第一次边耦合单元102耦合得到一部分射频信号，产生一个耦合的射频输出信号。原边传输单元101和第一次边耦合单元102的物理尺寸及第一次边耦合单元与原边传输单元之间的距离103三者决定了耦合的射频信号量值。

图2示例第二种先有技术的射频信号耦合器200的电路示意图，象图1中一样，它包含原边传输单元101和第一次边耦合单元102。第一次边耦合单元102至少耦合得到一部分射频信号，产生第一耦合的射频输出信号。一个第二次边耦合单元201至少耦合得到一部分射频信号，产生第二耦合的射频输出信号。改变两个次边耦合单元102和201的尺寸及分别改变每个次边耦合单元102和201与原边传输单元101之间的间隔103和202，可以调整第一和第二耦合的射频信号量值。然而，这种结构的缺点在于，在第一和第二次边耦合单元102与201之间有交叉耦合。

图3示例第三种现有技术的射频信号耦合器300的电路示意图，它能克服图2中射频信号耦合器的缺点。它不是将第二次边耦合单元201放在第一次边耦合单元102的对面，而是将第二次边耦合单元201偏置于第一次边耦合单元102的旁边，来显著地降低两个次边耦合单元102与201之间的交叉耦合。

在功率检测器输入端上耦合得到的所发送射频信号功率电平范围通常称为“功率检测器的动态范围”，据此可以得到功率检测器的输出信号。现在，某些通信系统要求发信机工作在一个较宽的信号功率电平范围内来与基站进行通信，增加功率检测器的动态范围能满足这一要求。

功率检测器的动态范围是与耦合得的发送射频信号功率电平相关联的。在高的发信机功率电平下，射频信号耦合器将耦合出量值大的射频信号功率电平供功率检测器检测。因此，在高的功率电平下有相当一部分的耦合得的发送射频信号功率损失了。所以，在高的功率电平下要增加发信机的电流消耗来补偿该功率损失，而这将降低发信机的效率。而在低的发信机功率电平时，射频信号耦合器仅提供出小量的射频信号功率电平供功率检测器检测。不过，在这低的发信机功率电平下功率检测器输入端上可得到的射频信号功率可能不足够用来产生一个合用的输出信号。

鉴此，现在需要制作出一种射频信号耦合器，它能对发送的射频信号提供出可变的射频信号耦合，以增加发信机中功率检测器的动态范围，使得该发信机能工作在一个较宽的预定功率电平范围内。

图1示出第一种现有技术的射频信号耦合器的电路示意图。

图2示出第二种现有技术的射频信号耦合器的电路示意图。

图3示出第三种现有技术的射频信号耦合器的电路示意图。

图4示出按照本发明的一个通信单元的电路框图。

图5示出按照本发明的图4中射频信号耦合器的电路框图。

图6示出按照本发明的包括有射频信号开关的图5中射频信号耦合器的电路示意图。

图7示出按照本发明的图6中射频信号开关的电路图。

图8示出按照本发明的布置在多片基底上的图6中射频信号耦合器的示意图。

总体上说，本发明提供一种改变射频信号耦合的装置和方法。其优点在于可用来在一个传输单元的自动功率电平控制环路中增加功率检测器的动态范围，同时能在较高的功率电平上维持传输单元的效率。这是通过选择具有强耦合的射频信号耦合器第一工作模式和具有弱耦合的射频信号耦合器第二工作模式来实现。第一工作模式响应于第一预定的功率电平，响应射频信号使射频信号耦合器产生第一耦合的射频信号，第二工作模式响应于第二预定的功率电平，根据射频信号使射频信号耦合器产生第二耦合的射频信号。

参考图4至图8更充分地描述本发明。图4示出按照本发明构成的通信单元400的电路框图。通信单元400总体上包含一个话筒401、一个自动射频信号功率电平控制器403和一个天线402。通信单元在本技术领域内是公知的，所以除了为便于理解本发明的内容以外，不作进一步的叙述。一些实例的通信单元包括便携式或移动式蜂窝用户单元(例如可供无线电话应用的、型号为SUF1700B的Motorola产品)及基站或转发器。

自动射频信号功率电平控制器总体上包括一个传输单元404、一个射频信号耦合器405、一个功率检测器406和一个处理器407。传输单元404的作用是在线路408上提供出可以有多种预定功率电平的射频信号。射频信号耦合器405在运行中经线路408连接至传输单元404的输出端，并经线路409连接至天线402上。耦合的射频信号经线路410输出到功率检测器406，它是线路408上输入信号经功率电平减低后的型式(version)。线路408上与线路410上功率电平之间的关系是射频信号耦合器405的耦合因数。按照本发明，根据线路413上的一个控制信号和线路414上的另一个控制信号，可以选择出具有不同耦合因数的不一样的工作模式。

传输单元404中总体上包含的部件是本技术领域内公知的，诸如话音处理器、调制器、信号合成器和射频信号放大级等。根据线路412上的校正信号，可以由一级或几级射频信号放大级来给出增益。

功率检测器406接收线路410上耦合得的射频信号，将它转换成检波出的信号加到线路411上。已检波信号中的直流成分在功率检波器406的动态范围内与线路410上耦合得的射频信号的功率电平相对应，因而与线路408上的射频信号功率电平相对应。线路408上的功率电平又与线路409上受到射频信号耦合器405之插入损耗影响后的输出功率电平相关联，所以，线路411上的已检波信号直流分量实际上与线路409上输出功率电平中的电平变化相对应。

处理器407接收线路411上的已检波信号，将它与对应于线路409上预定输出功率电平的目标值进行比较。这个比较用来在线路412上产生出一个调整传输单元404之增益的校正信号，以将线路409上的输出功率电平维持在预定的功率电平上。根据该预定的功率电平值，处理器407还在线路413上产生一个控制信号，在线路414上产生另一个控制信号，用以在射频信号耦合器的第一和第二工作模式之间进行选择。处理器407可以是一个诸如Motorola产品MC68HC11F1型号的微处理器，或者是一个诸如Motorola产品DSP56156FE-60型号的数字信号处理器，并可以结合进其它电路，诸如运算放大器、模/数转换器和数/模转换器，以处理已检波信号和校正信号。

图5示出按照本发明构成的图4中射频信号耦合器405的电路方框图。射频信号耦合器405总体上包含原边传输单元501、第一耦合单元502、第二耦合单元503和开关506与511。原边传输单元501有一个接收射频输入信号408的输入端504和一个传输出射频信号409的输出端505。第一耦合单元502提供出第一耦合的射频信号509，这是射频输入信号408经功率电平减低后的射频信号。当第一耦合单元502起作用时，射频信号509的功率等于射频输入信号408的功率乘以第一耦合常数。该第一耦合的射频信号509加到线路410上，作为耦合的射频信号输出。第二耦合单元503提供出第二耦合的射频信号510，这是射频输入信号408经功率电平减低后的射频信号。当第二耦合单元503起作用时，射频信号510的功率等于射频输入信号408的功率乘以第二耦合常数。该第二耦合的射频信号510也加到线路410上，作为耦合的射频信号输出。

每个耦合单元响应控制信号413和另一个控制信号414。当控制信号413使第一耦合单元502起作用时，在线路410上呈现第一耦合的射频信号509。如果与此同时，另一个控制信号414使开关511处于开路状态，这使第二耦合单元503不起作用，从而在510处无输出，对线路410上的信号不起影响，或者说对原边传输单元501中的信号不起影响。当控制信号413使第二耦合单元503起作用时，在线路410上呈现第二耦合的射频信号510。如果与此同时，另一个控制信号414使开关511处于开路状态，使第一耦合单元502不起作用，从而在509处无输出，对线路410上的信号不起影响，或者说对原边传输单元501中的信号不起影响。当该另一个控制信号414使开关511处于闭合状态时，两个耦合单元502和503都将起作用，两者对线路410上呈现的总功率都将作出贡献。

原边传输单元501与第一和第二耦合单元502和503可以由紧密邻近的传输线来组成，诸如带状线或微带线，或者由任何其它容许直接耦合的传输装置来组成，例如孔径耦合波导。改变原边传输单元501与第一和第二耦合单元502和503的物理结构，可以按需要地选定第一和第二耦合常数。在耦合器为带状线或微带线的情况下，改变传输线之间的距离，改变紧密邻近的传输线的长度，或者改变基底的介电常数，都可以得到所选取的耦合常数。

根据本发明的说明，第一耦合单元502可按相对的弱耦合来设计。该第一耦合单元502的耦合常数这样选择，对于传输单元404所运用在多种功率电平上的较高等级电平来说，第一耦合常数恰恰足够大，能为功率检测器406之正常工作在线路410上提供出足够的、耦合出的射频信号。这个第一耦合单元502从原边传输单元501中只耦合出一个小量值的射频信号功率，因而射频输入信号408的功率只减少掉一个小的量值。这是所希望的，以使得不致影响传输单元的效率。

第二耦合单元503可按相对的强耦合来设计。该第二耦合单元503的耦合常数这样选择，对于传输单元404所运用在多种功率电平上的即使最低级电平来说，第二耦合常数应足够大，能为功率检测器406之正常工作保证在线路410上呈现出足够的、耦合出的射频信号。此时，这个第二耦合单元503从原边传输单元501中即使耦合出一个大量值的射频信号功率，由于是在较低的功率电平上，传输单元的效率一般不会重大地下降。这是因为，在颇低的功率电平下，传输单元的电流消耗与传输单元的功率输出电平之间没有强的关联性。

由控制信号413确定，使两个耦合器中的哪一个起作用而向线路410提供出耦合的射频信号。另一个控制信号414可将两个耦合器的启动线连系在一起，因而能使两个耦合器都起作用。在任何情况下，不起作用的耦合器并不从原边传输单元501中耦合出什么实际功率。当传输单元的电流消耗与功率输出电平之间有强烈的函数关系时，必需要防止在较高的功率输出电平下强耦合器使传输单元的效率劣化。在较低的功率输出电平下，因为弱耦合器对线路410中总功率的影响是微小的，所以可让它起作用；而若此时不让弱耦合器起作用有助于改善其它参数性能，则也可以让它不起作用。根据功率检测器406或根据诸如蜂窝电话系统中基站之类外部源所需的预定功率电平值，由处理器407来产生出控制信号413和另一个控制信号414。

图6示出由传输线构成的图5中射频信号耦合器405的电路示意图。射频信号耦合器总体上包含一个原边射频信号传输单元501、第一耦合单元502和第二耦合单元503。原边射频信号传输单元501有一个接收射频输入信号408的输入端和一个传输出射频输出信号409的输出端。第一耦合单元502与原边传输单元501之间为弱耦合，耦合出微小量的功率以在其第一端601上给出第一耦合的射频信号509，其第二端602通过一个终接电阻连接至地。第二耦合单元503与原边传输单元501之间为强耦合，耦合出大量的功率以在其第一端603上给出第二耦合的射频信号510，其第二端604通过一个开关606和一个终接电阻连接至地。

根据本发明的教导，开关605和606响应控制信号413。第一射频信号开关605连接在第一耦合单元502的第二端602与第二耦合单元503的第一端603之间。该开关605选择性地将第二耦合的射频信号510连接到第一耦合单元502的第二端602上。一旦射频信号送到该第一耦合单元502上，射频信号便沿单元502前进，出现在它的第一端601上。由于第二耦合单元503与原边传输单元之间为强耦合，所以在端子601上它耦合出的信号较之第一耦合单元502给出的信号占优势，即端子601上的信号基本是第二耦合的射频信号。合适地选择终接电阻值和传输线阻抗，可使这种结构的方向性维持在可接受的水平上。当射频信号开关605处于开路状态时，便只有弱耦合器502上给出的第一耦合的射频信号509能呈现在端子601上。所以，开关605实现的作用是选定有多少耦合的射频信号会呈现在端子601上。

第二射频信号开关606一端与第二传输线的第二端604连接，另一端经一个终接电阻接地。该开关606可使端子604不连接到终接电阻上。当两个射频信号开关605和606均处于开路状态时，两个终接电阻元件都不与第二耦合单元503连接，于是第二耦合单元503上耦合得到的射频信号功率将因端子603和604的开路而反射，回送到原边射频信号传输单元501中，使射频输入信号408损失极小。合适地选择传输线阻抗可以保证在端部501处，对射频输入信号408呈现所希望的输入阻抗。当射频信号开关606处于闭合状态时，它将所希望的终接电阻连接到第二耦合单元503上，保证电路结构有可接受的方向性。

控制信号413控制两个射频信号开关605和606的状态，对于强耦合模式，使两个开关都处于闭合状态，对于弱耦合模式，使它们处于开路状态。根据功率检测器406或根据诸如蜂窝电话系统中基站之类外部源预定的功率电平值，由处理器407来产生出控制信号413。

图7示出图6中两个射频信号开关605和606的电路构成图。开关605一端连接上端子603处的第二耦合的射频信号，另一端经隔直流电容710连接至第一耦合单元502的第二端602上。开关606一端连接至第二耦合单元503的第二端604上，另一端607经终接电阻接地。开关606通常包含有电感器701和704、电容器703和706、电阻705以及PIN二极管702。

PIN二极管702是个射频开关，其阴极连接至第二耦合单元503的第二端604上，阳极连接至线路708上。当加上足够的直流偏置电流时，它呈现为一个小电阻与一个寄生电感的串联。当直流偏置去掉时，它呈现为一个大电阻与一个寄生电容的并联。如果可以忽略寄生参量或者可以抵消它们，则根据所加的直流偏置电流，PIN二极管起射频信号开关的作用。

电感器704的第一端经线路708连接至PIN二极管702的阳极上，其第二端经线路709连接至电阻705的第一端上。这个电感器作为一个射频扼流圈，容许直流偏置电流加到PIN二极管上，而对开关606中会通过的射频信号呈现为一个高阻抗，因而可使偏置电路与射频单元隔离开。电阻705的第二端连接至电容器706的第一端上以及控制信号413上。当PIN二极管702处于导通状态时，电阻705让直流偏置电流流过PIN二极管702。电容器706是个旁路电容器，其第二端连接至地，使偏置电路对射频信号有附加的隔离。

电容器703的第一端连接至线路708上，其第二端为连接至终接电阻的端子607。此电容器703选择得与PIN二极管702导通时的寄生串联电感组成谐振回路，以使二极管导通时通路能提供出合意的低阻抗。电容器703还用来隔断直流。电感器701的第一端连接至第二耦合单元503的端子604上，其第二端为连接至终接电阻的端子607。此电感器701选择得与PIN二极管702截止时的寄生并联电容组成谐振回路，以使二极管截止时通路能提供出高的隔离性能。电感器701还供作PIN二极管702的直流通路，使直流电流经端子607处的终接电阻到地。

开关605与开关606相同，所以不必再作说明。

图8示出在多片基底上构成的图4中的射频信号耦合器405。射频信号耦合器405总体上包含原边传输单元501、第一耦合单元502和第二耦合单元503。如结合图6所作的阐述，由开关605和606选定射频信号耦合器要工作的耦合模式。

第一基底801一般是片介电材料，诸如是Telfon^TM、Duroid^TM，或者是玻璃/环氧树脂复合物，诸如G-10。在基底801的第一面上布置一层蚀刻的或印制的金属导电膜，作为基底802和803上传输线结构的地平面。基底801的第二面上不作金属化处理。

基本传输单元501和第一耦合单元502一般是在第二基底802的第一面上布置的一层蚀刻的或印制的金属导电膜。该第二基底802的第二面上不作金属化处理。第一耦合单元502是一种其特征为相对地弱耦合的边侧耦合式传输线。第二基底802也采用介电材料，象关于基底801所叙述的一样。

第二耦合单元503一般是在第三基底803的第一面上布置的一层蚀刻的或印制的金属导电膜。在该第三基底803的第二面上作出金属化，以形成一个带状线耦合器结构。若对基底803的这第二面不作金属化处理，可以形成一种伪微带结构。此两种做法中不论哪一种，第二耦合单元503都是一个特征为相对地强耦合的宽边耦合或传输线。第三基底803也采用介电材料，象关于基底801所叙述的一样。

本发明提供出改变射频信号耦合的一种方法和装置。其优点在于可用来在一个传输单元的自动功率电平控制环路中增加功率检测器的动态范围，同时能在较高的功率电平上维持传输单元的效率。采用本发明，先有技术中的一些问题都得到基本解决。仅有单个耦合输出的现有技术的耦合器其功率控制环路的动态范围有限。具有两个耦合输出的现有技术的耦合器可以用强、弱两种耦合来增加动态范围，但它们不能在较高功率电平上减小强耦合单元引入的损耗，即在较高的功率电平上会导致耦合器损耗增加。采用本发明，可以在较高功率电平上增加动态范围而不牺牲传输单元的效率，而那里一般地效率是最重要的。

Claims (5)

1.一种射频信号定向耦合器，与传输单元结合使用，该传输单元可在多种预定的功率电平上提供射频信号，该定向耦合器包括：

一个原边射频传输单元，它具有一个接收射频信号的输入端和一个传输信号的输出端；

一个第一定向耦合单元，用以从原边传输单元耦合出一部分射频信号，以在第一定向耦合单元的第一端产生第一耦合的射频信号，该第一定向耦合单元的第二端接地；

一个第二定向耦合单元，用以从原边传输单元耦合出一部分射频信号，以在第二定向耦合单元的第一端产生第二耦合的射频信号，该第二定向耦合单元的第二端接地；

其特征在于，

一个第一开关，可操作地耦合到第一定向耦合单元和第二定向耦合单元，其中，响应第一预定的功率电平，该第一开关有选择性地将第二耦合的射频信号耦合到第一定向耦合单元的第二端，和响应第二预定的功率电平，有选择性地使第二耦合的射频信号与第一定向耦合单元的第二端“去掉耦合”；

一个第二开关，可操作地耦合到第二定向耦合单元，其中，响应第一预定的功率电平，该第二开关有选择性地将第二定向耦合单元的第二端接地，和响应第二预定的功率电平，有选择性地使第二定向耦合单元的第二端与接地“去掉耦合”。

2.根据权利要求1所述的射频定向耦合器，其特征在于，所述的原边射频传输单元、第一定向耦合器单元和第二定向耦合单元是传输线，每个都设置在一个基片上。

3.根据权利要求2的射频定向耦合器，其特征在于，所述的原边射频传输单元和第一定向耦合单元设置在一个第一基片上，第二定向耦合单元设置在一个第二基片上。

4.根据权利要求1的射频定向耦合器，其特征在于，所述的第一和第二射频耦合信号的每个都具有不同数值的功率电平。

5.一种控制与一个传输单元一起应用的一个射频定向耦合器的方法，该传输单元能以多种预定的功率电平产生射频信号，该射频定向耦合器包括：一个原边射频传输单元，它有一个接收射频信号的输入端和一个传输射频信号的输出端；一个第一定向耦合单元，用以从原边传输单元耦合的一部分射频信号，以在第一定向耦合单元的第一端产生第一耦合的射频信号，该第一定向耦合单元的第二端接地；以及一个第二定向耦合单元，用以从原边传输单元耦合出一部分射频信号，以在第二定向耦合单元的第一端产生第二耦合的射频信号，该第二定向耦合单元的第二端接地；其特征在于，该方法包括以下步骤：

响应第一预定的功率电平，有选择性地将第二耦合的射频信号耦合到第一定向耦合单元的第二端，和有选择性地将第二定向耦合单元的第二端接地；及

响应第二预定的功率电平，有选择性地使第二耦合的射频信号与第一定向耦合单元的第二端“去掉耦合”，并响应第二预定的功率电平，有选择性地使第二定向耦合单元的第二端与地“去掉耦合”。

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