CN1118952C - 在时分双工通信中应用环行器的通信装置 - Google Patents

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Abstract

披露了一种阻抗装置，用于耦合进行双工传输的发射机和接收机。该装置包含一个带有发射功率放大器的发射机、一个带有接收滤波器的接收机以及一个带有多个端口的环行器，这里发射功率放大器被连于环行器的第一端口，接收机滤波器被连于环行器的第二端口。一个天线被可拆卸地连于环行器的第三端口。一个开关交替地把一个负载和接收机连于该环行器的第二端口，这里在接收信号过程中接收机被连于环行器第二端口，而在发射过程中负载被连于环行器的第二端口，从而吸收由天线反射的功率。

Description

在时分双工通信中应用环行器的通信装置
本发明的领域
本发明是关于用于发送和接收信息的无线电发射机/接收机，特别是提供一种把一发射机和一接收机耦合于双工无线电设备中的共用天线上的装置，该装置不需要双工滤波器，减小了传输路径损耗并减小了收/发转换部件所需的功耗。
本发明的背景
本发明是关于一种无线电收发机，通过以时分制为基础交替地发射和接收来提供双工无线电通信。将这种系统称作时分双工系统或TDD。在这种系统中，在任何瞬间需要将天线连于发射机或者接收机，但不能同时连于这二者。
在时分双工系统中的发射机和接收机分别在时分多址(TDMA)帧周期的不同时隙中发射和接收。一种已知的发射机/接收机(或者称收发信机)示于图1。一个收发信机10包括发射机部分12和接收机部分14。发射机部分12和接收机部分14借助发射/接收转换开关22连接于天线16。发射/接收转换开关22把天线16交替地连于发射机部分12以发射信号或连于接收机部分14以接收信号，发射/接收转换开关22被一控制装置(未画出)以已知的方式进行控制。为进行发送，发射/接收转换开关22把天线16连于发射机部分12，在这里将被传输的信号在功率放大器18中放大，并在滤波器20中被低通滤波，这里去掉了由功率放大器18引入的不希望的谐波。为进行接收，发射/接收转换开关22把天线16连于接收机部分14，在这里将由天线16接收的信号传送到接收机部分并被接收机滤波器24滤波，然后再按已知的方式进行相应地处理。发射/接收转换开关22通常为一二极管或MOSFET(MOS场效应管)装置。某些种类的通信系统必须满足发射谱分量(或边带)互调要求。这些系统包括所有那些具有可变功率调制包络的系统，例如DAMPS(美国数字高级移动电话服务系统)、PDS(日本个人数字蜂窝电话)、其他通用的数字电话协议以及AM和QAM(与正交相位关联的振幅调制)的所有其他形式。发射接收转换开关(特别是那些由二极管和场效应管开关做成的转换开关)能使调制包络畸变。因为它们的传导性受被传输信号的影响。这将需要增大尺寸、附加偏压或其他不希望的费钱的方法来对付这个问题。
使用简单的T/R转换开关天线偶合的又一个问题是功率可能从天线反射到发射机，这显著地改变功率放大器的负载阻抗，这会降低放大器自己的互调特性。人们不希望借助增大放大器的功率输送能力来克服这一效应，特别是在便携式设备中更不希望这样，因为这会降低功率效率并因而减少电池寿命。如果从天线大量反射功率，则大功率放大器可能会损坏T/R转换开关部件。
构成收发信机的另一种方式是使用图2所示多端口环行器(circulator)或隔离器(isolator)。在图2中使用一个三端口环行器36把发射部分32和接收部分34与天线38相连。图2说明了环行器36的功能。A、B、C表示接点，在这个例子中，可以假定从A到B、从B到C和从C到A该环行器的吞吐衰减大约为0.8dB。反向隔离，即从接点B到A、A到C、最后从C至B的隔离，至少为12dB。为了使该环行器适当地发挥作用，所有输入端和输出端的负载都有50ohm阻抗，从而使反向隔离保持高值。因此，该环行器使被发射的信号以低衰减从发射机传送到天线而不是传送到接收机，(如果全部发射功率被天线吸收的话)。在现有技术中，使用这种环行器天线双工连接意味着被天线反射的任何发射功率都被传导到接收机，所以这种情况下必定增大了功率处理能力。如果发射机和接收机在某些不同频带上操作，那么接收机输入滤波器40就会反过来再次把发射机功率反射到发射机，产生如上述的不希望的效应，由于接收机滤波器不匹配(这是常有的情况)，即使频率相同，也会以较小程度发生这种情况。然而，在现有技术中，在另一个发射机频率上收到的信号被传送到接收机，在那里，由于信号是带外信号，从而使信号被输入滤波器40反射。在现有技术中，从接收机反射并返回环行器的信号将由环行器以低衰减传送到发射机，这时如果被反射是发射机自己信号的反射，被反射的信号可能会作为阻抗不匹配出现，而如果反射信号是另一发射机的信号，则会产生所谓反向互调。
避免反射信号被传送到发射机的一种方法是使用四端口环行器，如图3所示。在图3中，发射机部分52被连于环行器54的第一端口，天线60被连于环行器54的第二端口，而接收部分56被连于环行器54的第三端口。最后，一个负载58被连于环行器54的第四端口，这里将被接收部分56反射的信号改道送到负载58而不是送到发射机部分52。该四端口环行器将把发射机与任何天线反射隔离，而不是接收机。只有当没有天线反射时它才是一个令人满意的天线耦合装置，否则被反射的发射机功率会流入接收机造成接收机过载。从接收机反射的功率将流向负载，所以不影响发射机。然而，应当指出，对于四端口装置，需要两个非逆转180度路径，相比之下，对于三端口装置，则需要一个。由于这个移相器(通常是铁氧体)构成该环行器的主干，所以四端口装置是三端口装置的二倍大而费用超过其两倍。
因此，需要一种方法和装置，以便防止被反射信号传回发射机的发射部分同时在系统内又不会引入不希望的损失。
本发明概述
本发明的一个目的是通过提供一种手段和装置把双工无线电收发机中的发射机和接收机与一共用天线耦合，不需要双工滤波器，其发射路径损耗减小了，而且T/R转换部件所需功率输送也减少了，以此来克服现有技术伴随的问题。
根据本发明的一个实施例，披露了一种把发射机和接收机耦合以便进行双工传送的通信装置。该装置包含一个带有发射功率放大器的发射装置，带有接收滤波器装置的接收机，以及具有多端口的环行器，这里所述发射功率放大器连于所述环行器的第一端口，所述接收机滤波器装置连于所述环行器的第二端口。发射机/接收机装置可拆卸地连接于所述环行器的第三端口。一个连换开关装置交替地把负载装置和所述接收机连于所述环行器的所述第二端口，这里在接收信号过程中所述接收机被连于所述环行器的所述第二端口，而在发送过程中所述负载被连于所述环行器的所述第二端口，从而吸收被所述发射机/接收机装置反射的功率。
根据本发明的另一实施例，披露了一种用于双工传输的发射机和接收机的通信装置。该装置包含带有发射功率放大器的发射装置，带有接收滤波器装置的接收机，以及具有多端口的环行器，这里所述发射功率放大器被连于所述环行器的第一端口，所述接收机滤波器装置被连于所述环行器的第二端口。发射机/接收机装置可拆卸地连于所述环行器的第三端口，而所述负载装置被连于所述环行器的第四端口。在发送过程中一个转换开关装置把所述接收机与地短接，从而使所述发射机/接收机装置反射的功率被所述负载装置吸收。
根据本发明的又一个实施例，披露了一种具有用于双工通信的发射机和接收机的通信装置。该通信装置包含一个发射功率放大器、一个接收机滤波器装置以及一个多端口环行器，这里发射功率放大器被连于第一端口，而接收机滤波器被连于环行器的第二端口。一个发射/接收装置被可拆卸地连于环行器的第三端口。一个阻抗装置位于环行器和接收滤波器之间，这里阻抗装置有一个预先确定的距接收机滤波器的距离，这里当发射机正在发射时，阻抗装置耗散了被接收滤波器反射的功率。
附图简述
由下面结合附图所做的书面描述，熟悉本门技术的普通技术人员将会容易地看出本发明的这些特征和其他特征及优点，其中：
图1表示带有发射/接收转换开关的已知收发信机装置；
图2表示带有三端口环行器的已知收发信机装置；
图3表示带有四端口环行器的已知收发信机装置；
图4表示根据本发明一个实施例的三端口收发信机装置；
图5表示根据本发明另一个实施例的四端口收发信机装置；
图6表示根据本发明一个实施例的收发信机装置。
详细描述
通过实现本发明避免了现有技术的上述缺陷，本发明包括使用一个位于三端口环行器接收机端口的转换开关，它在一个时分制双工控制信号的操作下当发射机工作时把一个匹配阻抗交替地连接到环行器的接收端口，使得从天线收到的或在发射过程中被其反射的信号在匹配阻抗中被耗散，从而基本上被防止到达发射机。
图4表示根据本发明一个实施例的三端口收发信机。在这个实施例中，使用一个三端口环行器70把发射部分72和接收部分74与天线76连接。在这个实施例中，由发射/接收转换开关78使环行器70的接收机端口在接收机部分74和负载80之间切换。当收发信机在发射时，环行器70被连于负载80。在发射期间，通过把负载连到环行器的接收机端口，使在发射期间从天线的反射被转向负载80。在几乎所有情况下而且当然对于所有正常操作，在FET、引线二极管(pin diode)、或其他T/R(发射/接收)转换开关(78)处的信号功率水平比在天线处的功率至少要小若干倍。这样，T/R转换开关78不需要象图1所示结构中所需转换开关同样的尺寸、质量或价格。
即使T/R转换开关处在如图1中的位置，也会需要一个环行器，因为从天线反射的功率会改变发射机负载并因此产生前述有害影响。通常解决办法是把环行器放在发射机输出端而不改变该图。这样，T/R转换开关仍然与天线直接连接而且必须处置全部反射功率而无衰减。这大约是从发射机到天线的路径损失的两倍，因为功率必须首先流经环行器然后流经T/R转换开关。这使便携单元中的电池寿命缩短。如果把T/R开关移到所示位置，那么它的衰减不被加到发射机路径。
高水平的反射功率可能仍会在T/R转换开关中引起失真，但这一功率的大部分将被负载吸收。必要时，在负载上的一个附加的功率检测器使在天线很不匹配的情况下能够减小发射机功率。这也会缩小(shrink)环行器甚至负载，因为它可能不需要耗散太多的功率。
在这个实施例中，与先前的系统相比，在接收机路径中有更大的衰减。然而，系统性能通常是这样写的：接收机灵敏度有一个若干dB的余量，但在实际上而且由于电池寿命的要求，在发射机输出中只提供极小的余量。所以一种较好的选择是把增加的损耗放到接收机路径中而不是把它保留在发射机路径中。
图5表示根据本发明另一实施例的四端口收发信机。一个四端口环行器90用于把发射部分92、接收部分94及负载98连于天线96。在发送过程中，开关100被关闭，它把环行器90的接收机端口与地短接，这使被天线反射的功率送到负载98。在接收过程中，开关100打开，从而允许接收机部分94接收来自天线的信号。与直接放在天线处的发射/接收转换开关相比，短接开关100可以以较低费用、较低功耗和较少线性部件构成，因为短接开关100不是在功率路径上。例如，开关100可以是一个简单的晶体管(BJT或FET)。
图6表示根据本发明一个实施例的收发信机。在收发信机110中，发射机部分112和接收机部分114被连于三端口环行器或隔离器116的不同端口。一个发射机/接收机装置(例如天线118)被连于环行器116的最后一个端口。在本发明的一个实施例中，发射机、接收机以及天线的输出端和输入端都加了大约50ohm的阻抗，但本发明不限于这个阻抗值。正如在现有技术的收发信机中那样，在其他接收机的频率或由发射机本身产生的频率上收到的信号可以传送到接收机，在那里这些信号将被接收机的输入滤波器120反射。然而，在本发明中，被反射的信号不是被反射回发射机部分112，而是在负载122(例如一个晶体管)中被耗散，这由时分制双工控制开关124来控制。开关124由时分制双工控制器(未画出)控制，该控制器产生TDD控制信号，当发射机处于工作状态时，该控制信号交替地把负载122连于环行器的接收端口，使得在发射过程中由天线收到的或从天线反射的信号耗散于匹配阻抗中，从而基本上被防止达到发射机。这样，在上述实例中(在此例中发射机、接收机和天线都加有50ohm阻抗的负载)，负载122也应有大约50ohm阻抗。
为了使接收的或被反射的信号在匹配阻抗中被耗散，匹配阻抗必须距接收机滤波器一个预定的距离。通过改变带状线128的长度，节点N1在发射频率上能看成一个开路或一个短路。使用Smith图能确定预定距离。Smith图以图形表示传输线阻抗变换。常数反射系数圆圈是以图(R/Zo＝1.0)的中心为园心的同心园。电压驻波比(VSWR)振幅由它们的水平载距给出。从中心向外的径向线是常数相位角的轨迹线，以图周边的角度或分数波长标度来读出其相位角。沿着该线移动时所看到的阻抗归一化值能在每个径向交叉处由阻抗和电抗网格(已在它上面画出了常数VSWR园)读出。带状线128往往是(但不总是)λ/4，因为滤波器在发射机频率将是接近适中的，这将使环行器116处的输入端为开电路。这样，全部发射机功率流入负载122，在发射机频率该负载的阻抗比传输线阻抗低得多。
在本实施例中，带状线128的长度的选择使节点N1看起来是开路的。在发射方式下，接收机是关掉的，这样，节点N1看起来是开路的。如果开关124闭合而且天线被去掉，那么全部被反射的功率将通过这一开路排放到负载122中。这样，便没有功率被反射回功率放大器。

Claims (10)

1.用于发射机和接收机进行双工传输的一种通信装置，包括：
带有发射功率放大器的发射装置；
带有接收滤波器装置的接收机；
带有多个端口的环行器，这里所述发射功率放大器被连于所述环行器的第一端口，所述接收机滤波器装置被连于所述环行器的第二端口；
发射机/接收机装置，它被可拆卸地连接于所述环行器的第三端口；
连于所述环行器第四端口的负载装置；以及
开关装置，用于在发射过程中把所述接收机与地短接，从而使所述发射机/接收机装置反射的功率由所述负载装置吸收。
2.根据权利要求1的通信装置，其中所述开关装置是一个简单的晶体管。
3.用于发射机和接收机进行双工传输的一种通信装置，包括：
带有发射功率放大器的发射装置；
带有接收滤波器装置的接收机；
带有多个端口的环行器，这里所述发射功率放大器被连于所述环行器的第一端口，所述接收机滤波器装置被连于所述环行器的第二端口；
发射机/接收机装置，它被可拆卸地连接于所述环行器的第三端口；以及
位于所述环行器和所述接收机滤波器装置之间的阻抗装置，这里所述阻抗装置到所述接收滤波装置有一个预定距离，从而使由天线接收或在发射过程中被天线反射的信号在一耗散装置中被耗散，从而显著地防止其达到发射机。
4.根据权利要求3的通信装置，其中所述阻抗装置是一个带状线结构。
5.根据权利要求3的通信装置，其中所述阻抗装置位于到接收机滤波器装置一个预定距离，这里阻抗装置的位置在发射频率上看起来是一个开路。
6.根据权利要求3的通信装置，其中发射机、接收机以及发射机/接收机装置的输入端和输出端都加有大约5 0ohm的阻抗。
7.根据权利要求6的通信装置，其中所述阻抗装置有大约50ohm的阻抗。
8.根据权利要求3的通信装置，其中所述发射机/接收机装置是一个天线。
9.根据权利要求3的通信装置，其中在所述发射功率放大器和所述环行器之间连接一低通滤波器，从而对发射信号滤波以去掉发射功率放大器产生的任何谐波。
10.根据权利要求4的通信装置，其中在所述发射功率放大器和所述环行器之间连接一低通滤波器，从而对发射信号滤波以去掉由发射功率放大器产生的任何谐波。
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