CN1275839A - 天线装置 - Google Patents
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Abstract
一种天线装置(29)包括:能以射频信号的形式发射数据的天线(A);包括串联的前置放大器(33)和第一晶体管(36)、能向天线提供包含准备发射的数据的射频信号的发射机(32);和连接在天线和发射机之间、并包括能实现天线与发射机耦合的相位滞后电路(42)的耦合装置(30)。耦合装置还包括开关装置(43),后者连接在系统地和发射机的第一晶体管的源极端子之间,使得它能够在天线处于或不处于发射阶段时分别将第一晶体管切换到导通态或截止态。
Description
本发明涉及天线装置的技术领域。
传统上，天线装置包括天线、接收机和发射机，能够交替地把天线耦合到发射机(在发射阶段)和接收机(在接收阶段)。
在这样的天线装置中遇到的一个问题是在发射机与天线之间如何达到最优的耦合。
参照本说明书的图1A，Motorola以色列公司的英国专利No.2,323,799公开了一种天线装置10，它包括天线A、发射机(后者包括在其输出端上的功率放大器16)和把天线A与发射机耦合用的装置18。
耦合装置18由传输线形成，正如后面将要更详细地描述的，它能对放大器16的输出阻抗进行变换。应该指出，该传输线18起相位滞后电路的作用。
应该指出，在天线A不处于发射阶段(尤其是在接收阶段)时传输线18使发射机能与天线A隔离。在这样的情况下，这样控制功率放大器16，使其不再提供信号，于是其输出阻抗具有高电抗的性质。这样设置传输线18，使得从天线A向发射机看去的阻抗相当于开路(高阻抗)。换句话说，发射机与天线A绝缘，向接收机提供由天线A接收的射频信号。
天线装置10的一个缺点是它包括传输线，这个电路要占相当多的空间。
天线装置10的另一个缺点是它要求使外加的电路能够控制功率放大器16，这与诸如限制空间要求、重量、电力消耗，因而制造成本和使用成本等通常工业上关心的问题是背道而驰的。
参照本说明书的图1B，文件“采用脉冲操作方式的移动电话功率放大器的漏极电源开关”“西门子公司应用评论”No.009，离散和射频半导体部门，A03版，描述了控制电路23，它包括控制装置25和场效应晶体管28(P型沟道)。晶体管28连接在电源端子(用来接收电源电压Vb)和系统地之间，通过功率放大器16的电源端子。该晶体管28受控制装置25的控制，使得当天线A处于发射阶段时，放大器16能够以最小的电功率损耗从发射机向天线提供功率足够大的射频信号。
另外，本发明的申请人观察到，当天线A处于发射阶段时，从电功率损耗的观点看，射频信号的提供不是最优的，而且在天线A不处于发射阶段时，发射机和天线的隔离不是最优的，因为放大器16的输出阻抗会变化。
本发明的一个目的是提供一种天线装置，它包括天线和发射机，这种天线装置克服了上述缺点，以便在发射机和天线之间提供最优的耦合，亦即耦合引起的射频电功率损耗最小。
本发明的另一个目的是提供一种天线装置，它能够不必求助于外加组件(例如P型沟道场效应晶体管)即能控制发射机的功率放大器。
本发明的再一个目的是提供一种天线装置，它满足复杂性最小、功耗低、紧凑、成本低这样一些远程通信通常的判断准则。
通过按照权利要求1的天线装置来达到这些和其它目的。
参照附图、阅读仅作为例子给出的4个实施例的详细描述，对本发明的这些和其它目的和特征将更加清楚，附图中：
-图1A，上面已经提到，表示按照先有技术的天线装置；
-图1B，上面已经提到，表示能够适合于图1A天线装置的传统控制电路；
-图2表示按照本发明的天线装置的最佳实施例，它包括天线、接收机、发射机和耦合装置；
-图3表示图2接收机的实施例；
-图4表示图2耦合装置的电路；
-图5表示图2天线装置的第一种改进；
-图6表示图2天线装置的第二种改进；
-图7表示图2天线装置的第三种改进。
参照图2，天线装置29包括天线A、发射机32和耦合装置30。天线装置29还可以包括接收机31；但是，本专业的技术人员会发现，接收机31的实施例与发射机32和天线A之间的耦合无关，就是说，与耦合装置30的操作无关。
发射机32包括连接到处理单元(图2中未示出)的输入端子321，以便能够接收一般代表天线A在发射阶段需要发射的数据的电压Vdata。正如下面将要描述的，发射机32还包括连接到耦合装置30的两个连接端子322和323。
发射机32安排成能够向天线A提供功率足够的射频信号RF。为此目的，发射机32包括前置放大器33、电容34、电感38、高阻抗40和场效应晶体管36(在本实施例中是N型沟道)。
前置放大器33与晶体管36串联连接。晶体管36的栅极端子通过高阻抗40连接到系统地，以及通过前置放大器33和电容34连接到发射机32的输入端子321。晶体管36的漏极端子连接到发射机32的端子322，并通过电感38连接到电源端子，以接收电源电压Vb。而晶体管36的源极端子连接到发射机32的端子323。
电容34使来自前置放大器33的信号能够被滤波，以便提供射频信号(后者控制晶体管36)。
接收机31包括：输入端子311，它连接到天线A，以便能够接收天线A在接收阶段所接收的数据；以及输出端子313，以便能够提供包含所接收的数据的电压Vout。接收机31还包括控制端子312，它连接到第一控制装置(图2中未示出)，以便接收能够控制接收机31和天线A的耦合的电压VR。第一控制装置可以用连接到发射机32的处理单元构成。
接收机31安排成在天线A处于接收阶段时与天线A耦合，并在天线A不处于接收阶段时被保护，免受发射机32影响。
仅仅为了举例说明，现将参照图3描述接收机31的实施例，该图表示3个电容62，64和69、3个高阻抗66，67和68、低噪声放大器72和场效应晶体管70(在本实施例中为N型沟道)。应该指出，图3中与图2相同的元件用相同的标号表示。
如图3所示，放大器72、电容69、晶体管70和电容64串联在输入端子311和输出端子313之间。晶体管70的栅极端子通过电阻66连接到控制端子312，而该晶体管的漏极和源极端子分别通过相应的高阻抗67和68连接到电源端子，以便能够接收电源电压Vb。电容62跨接在控制端子312和系统地之间。在图3所示的例子中，当天线要(或不要)连接放大器72，亦即处于(或不处于)接收阶段时，电压VR等于高态或“1”(或等于低态或“0”)。这样，当天线A不处于接收阶段(尤其是处于发射阶段)时，接收机31便与发射机32隔离。这保证接收机的保护，以免受发射机32向天线A提供的射频信号影响。
再参照图2，耦合装置30包括控制端子304，它连接到第二控制装置(在图2中未示出)，以便能够接收能够控制发射机32和天线A的耦合的电压VT。应该指出，第二控制装置可以由连接到接收机31的处理单元构成，在这样的情况下，VT＝VR。
在图2所示例子的情况下，当天线A要(或不要)处于发射阶段时，电压VT等于高态或”1”(或低态或“0”)。耦合装置30还包括两个分别连接到发射机32的端子322和323的连接端子301和302，以及连接到天线A的输出端子303。
耦合装置30包括：相位滞后电路42，它能够实现天线A与发射机32的耦合；以及开关装置43，它能够控制晶体管36的状态，以便在天线A处于(或不处于)发射阶段时，能使晶体管36处于导通态(或截止态)。为此目的。开关装置43包括电容46、两个电阻50和52以及场效应晶体管48(在本例子中为N型沟道)。
本质上，晶体管48的状态控制晶体管36的状态，使得当晶体管48处于导通态(或截止态)时，晶体管36处于导通态(或截止态)。为此目的，晶体管48的栅极端子通过电阻50连接到耦合装置30的端子304，以便能够接收使晶体管48切换到导通态或截止态的电压VT。应该指出，当电压VT等于“0”(或“1”)时，晶体管48处于截止态(或导通态)。晶体管48的源极端子连接到系统地。漏极端子连接到耦合装置30的端子302，并通过电阻52连接到电源端子，以便能够接收电源电压Vb。应该指出，电阻52最好具有高阻值。
电容46跨接在耦合装置30的端子302和系统地之间，就是说它并联在晶体管48的漏极和源极端子之间。本专业的技术人员会注意到，电容46具有当天线A处于发射阶段时使来自发射机32的射频电流电荷能够流到地的优点。这防止了这样的电荷流过晶体管48。
相位滞后电路42包括两个端子421和422，分别连接到耦合装置30的端子301和303。这样设置相位滞后电路42，使得从天线A向发射机32看去的阻抗当天线A处于发射阶段时相当于匹配阻抗，而当天线A不处于发射阶段时相当于开路阻抗(高阻抗)。为此目的，并参照图4，相位滞后电路42最好由电感55和两个电容54和56组成。应该指出，图4中与图2相同的元件用相同的标号表示。
如图4所示，电感55连接在电路的端子421和422之间。电容54跨接在该电路的端子421和系统地之间。而电容56则连接在该电路端子422和系统地之间。
本专业的技术人员会发现，耦合装置30、发射机32和接收机31可以整体地做在单一基片上，而天线A也可以整体地做在这样的基片上。
制造耦合装置30和发射机32的一个优点是使集成结构适合于通信装置，因为它紧凑、电力消耗低，因而成本也低。
这种集成实施例的另一个优点是不包括传输线，后者对制造半导体基片而言结构累赘。
现将参照图2描述天线A处于(或不处于)发射阶段时天线装置29中耦合装置30的操作。
让我们来考虑天线A处于发射阶段时的情况。
耦合装置30接收数值为“1”的电压VT，它使晶体管48导通。结果，晶体管36的源极端子通过跨接在晶体管48的源极和漏极之间的电阻连接到系统地。这样，晶体管36处于导通态，而包含准备发射的数据的电压Vdata便控制晶体管36，亦即把这样的数据提供给天线A。
本专业的技术人员会发现，晶体管48可以由电压斜坡，使得射频功率具有斜坡形，这对于所谓TDMA(时分多址联接)应用特别必要。
现在让我们来考虑天线A不处于发射阶段的情况(这种情况尤其包括天线处于接收阶段的情况)。
耦合装置30接收数值为“0”的电压VT，它使晶体管48处于非导通态。结果，晶体管36的源极端子通过电阻52连接到电源端子，使得出现在该端子上的电压基本上等于出现在晶体管36漏极的电压。另外，晶体管36的栅极端子通过阻抗40连接到系统地，使得横跨栅极端子和源极端子的电压大大低于晶体管36的阈电压，这使它处于非导通态。于是，晶体管36具有高的输出阻抗。这样，出现在相位滞后电路42端子421上的阻抗是高阻抗，而从天线A向发射机32(亦即向端子303)看去的阻抗相当于开路阻抗。于是，在接收阶段，天线A所接收的数据只向接收机31的端子313提供。
耦合装置30的一个优点是在发射阶段，可以控制射频信号从发射机32向天线A的提供，而不引起电功率的任何损耗。当天线A需要处于发射阶段时，晶体管48处于导通态，后者把晶体管36的源极端子连接到系统地。结果，当晶体管36提供天线A要发射的数据时，电功率的损耗明显减少。当天线A处于发射阶段时，发射机和天线之间达到最优耦合(亦即，电功率损耗最小)。
这样的耦合装置的另一个优点是当天线A处于非发射阶段时，阻塞发射机功率放大器的输出晶体管。结果，当天线A处于非发射阶段时，从天线A向发射机32看去的阻抗理想地相当于开路的阻抗(高阻抗)，完善地把发射机与天线隔离。
耦合装置30的一个优点是能够在天线A处于(或不处于)发射阶段时通过晶体管36控制发射机32和天线A的耦合，而不必求助于附加的组件。
在不脱离本发明范围的情况下，对上述详细的描述可以进行各种修改、派生和改进，对于本专业技术人员这是不言而喻的。
作为可供选择的实施例，相位滞后电路42可以用四分之一波长型传输线形成。
也作为可供选择的实施例，晶体管36，48和33可以用双极性晶体管形成，然后电压电源74用电流源、亦即能够提供恒定信号的发生器代替，使得晶体管处于导通态。
作为改进，可使晶体管48具有N型沟道，这有以下优点：当晶体管处于导通态时漏极和源极之间呈现的电阻不高(与连接到电源端子的P型沟道场效应晶体管相比)。这样，晶体管36源极端子上的电位基本上等于系统地的电位。
也是作为改进，耦合装置30可以再包括调整装置44，后者连接在相位滞后电路42和发射机32之间。应该指出，图5中与图2中相同的元件相用同的标号表示。调整装置44包括电感58和电容60。电容60连接在相位滞后电路42和发射机T之间，而电感58一端连接到电容60和相位滞后电路42，另一端连接到系统地。电感58和电容60是这样形成的，使得天线A处于发射阶段时发射机端子322和耦合装置30的端子303之间的射频能量传输达到最优(亦即把射频功率损耗减到最小)。
调整装置44的一个优点是可以克服相位滞后电路42与制造有关的参数变化，使得当天线A处于非发射阶段(尤其是处于接收阶段)时从天线A向发射机32(亦即端子303)看去的阻抗完美地相当于开路阻抗(高阻抗)。
也是作为改进，发射机32可以再包括连接在高阻抗40和系统地之间的电压源74。应该指出，图6中与图2中所描述的相同的元件用相同的标号表示。这样设置电压源74，以便能够提供恒定的电压Ubias，使得晶体管36的栅极端子和系统地之间呈现的电压高于该晶体管的阈电压Vth。于是，电压的恒定值Vbias取决于阈电压Vth，例如，若阈电压高，则等于高的电压电平。
设置电压源74的一个好处是它保证晶体管36在发射阶段，亦即在把射频信号提供给天线A时导通。
也是作为改进，耦合装置30的晶体管48也可以控制前置放大器33，亦即在后者由场效应晶体管构成时，控制该晶体管切换至截止态或导通态。为此目的，发射机32可以再包括电感38a、高阻抗40a和电容34a，这些元件这样安排，使得在所述天线A处于或不处于发射阶段时开关装置43可以把前置放大器33分别切换到激活状态或非激活状态。应该指出，图7中与图2描述的相同的元件用相同的标号表示。构成前置放大器33的晶体管(在本例子中具有N型沟道)的栅极端子通过电容34a连接到端子321，以及通过高阻抗40a连接到系统地，其源极端子连接到晶体管36的源极，而其漏极端子连接到电容34，并通过电感38a连接到电源端子。本专业的技术人员会发现，在这个改进的实施例中，耦合装置30的电容46设置在晶体管36和前置放大器33附近。
天线29的这种配置的一个优点是同时控制前置放大器33和晶体管36。这防止了天线A处于非发射阶段时前置放大器33不必要的电功率损耗。还应指出，可以在不必求助于附加控制电路的情况下实现对前置放大器33这种控制。
Claims (15)
1.一种天线装置(29)，它包括：
-天线(A)，能以射频信号的形式发射数据；
-发射机(32)，它包括串联连接的前置放大器(33)和第一晶体管(36)，所述发射机能够向所述天线提供包含准备发射的所述数据的射频信号；以及
-耦合装置(30)，它跨接在所述天线和所述发射机之间，并包括能够达到所述天线与所述发射机的耦合的相位滞后电路(42)，
所述天线装置的特征在于：所述耦合装置还包括开关装置(43)，后者跨接在系统地和所述第一晶体管的源极端子之间，使得它能够在所述天线处于或不处于发射阶段时分别将所述第一晶体管切换到导通态或截止态。
2.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于：所述第一晶体管(36)是由具有N型导电类型的沟道的场效应晶体管构成。
3.按照权利要求1的天线装置，其特征在于所述开关装置(43)包括：
-第二晶体管(48)，它能够由代表所述天线处于或不处于发射阶段这一事实的第一控制信号(VT)控制，并且作为响应分别处于导通态或截止态，使得所述第一晶体管本身分别处于导通态或截止态；
-第一电容(46)，它并联连接在所述第二晶体管(48)的漏极和源极端子之间；
-第一电阻(52)，其一端连接到所述第一电容(46)和所述第二晶体管之间的连接节点上，而另一端连接到电源端子。
4.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于：所述第二晶体管(48)由具有N型导电类型的沟道的场效应晶体管构成。
5.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于：所述相位滞后电路(42)包括第一电感(55)和第二及第三电容(54，56)。
6.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于：所述耦合装置(30)还包括调整装置(44)，它串联连接在所述发射机(32)和所述相位滞后电路(42)之间。
7.按照权利要求6的天线装置(29)，其特征在于：所述调整装置(44)包括第四电容(60)和第二电感(58)。
8.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于所述发射机还包括：
-第五电容(34)，它串联连接在所述前置放大器(33)和所述第一晶体管(36)之间；
-第一高阻抗(40)，它连接在所述系统地和所述第一晶体管与第二功率放大器的连接节点之间；和
-第三电感(38)，它与所述第一晶体管串联连接在电源端子和系统地之间。
9.按照权利要求8的天线装置(29)，其特征在于：所述发射机(32)还包括发生器(74)，它串联连接在所述第一高阻抗(40)和系统地之间，该发生器能够提供恒定的信号(Ubias)，使得所述第一晶体管(36)处于导通态。
10.按照权利要求8的天线装置(29)，其特征在于：所述发射机(32)还包括第四电感(38a)、第二高阻抗(40a)和第六电容(34a)，这样设置这些组件，使得所述开关装置(43)能在所述天线(A)处于或不处于发射阶段时使所述前置放大器(33)分别切换至激活状态或去激活状态。
11.按照权利要求10的天线装置(29)，其特征在于：所述前置放大器(33)由第三晶体管构成，后者在所述天线(A)处于或不处于发射阶段时能够分别处于导通态或截止态。
12.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于：所述第三晶体管由具有N型导电类型的沟道的场效应晶体管构成。
13.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于还包括接收机(31)，后者能够在所述天线处于接收阶段时耦合到所述天线，而在所述天线不处于接收阶段时被保护免受所述发射机影响；以及所述接收机跨接在所述耦合装置(30)和所述天线(A)之间，使得当所述天线不耦合到所述发射机(32)时，后者与所述接收机绝缘，保证所述天线和所述接收机的最优耦合。
14.按照权利要求1的天线装置(29)，其特征在于：所述发射机(32)和所述耦合装置(30)整体地做在单一的半导体基片上。
15.按照权利要求14的天线装置(29)，其特征在于：所述天线(A)和/或所述接收机(31)整体地做在所述半导体基片上。
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