CN1436404A - 用于多频带传输的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种发射机(128)，由用于放大在第一或第二RF频带中的RF通信信号的功率放大器(200)组成。该发射机具有复杂变换器(202)，用于部分变换在第一RF频带中的RF通信信号的阻抗，以及全部将RF通信信号的阻抗变换成在第二RF频带中的特有的阻抗。该发射机还包括第一通路(204Z)，用于传送在该第一RF频带中的RF通信信号，以及第二通路(206)，用于传送在第二RF频带中的RF通信信号。当该系统在第一RF频带中操作时，该第一通路完成RF通信信号的阻抗变换，且当该系统在该第二RF频带中操作时，该第二通路在该特有阻抗中操作。

Description

用于多频带传输的方法和装置

发明领域

本发明涉及射频(RF)通信信号的传输。更具体地说，本发明涉及一种用于在多频带中传输RF通信信号的方法和装置。

发明背景

多种通信标准使得无线通信设备如蜂窝和个人通信业务(PCS)无线电话需要与多种标准兼容。具有多模式能力允许一设备在不只一个系统或标准上操作以及根据可用的标准，该用户能在不只一个洲或不只一个国家使用该设备。根据在用户地理位置中运行的通信系统，多模式通信设备被设计成传送和接收一模拟或一数字特征或其组合的RF通信信号。用于传送模拟RF通信信号的标准典型的是高级移动电话系统以及用于数字RF信号的传输标准可从多个包括时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及用于全球数字移动电话系统(GSM)的多个多址技术中选择。一种多模式设备包括必须在多种标准中操作的电子设备，例如，双模设备，遵循两种不同的标准，具有在两种系统中操作的能力。这允许该用户从一个系统移动到另一个，并且只要该多模式通信设备包括用于该系统标准中的一个，该设备就能操作。多模式通信设备的传输部分与那些单模式的设备相似，或设计成在一个频带中传输，但根据任何一个上述提到的模拟或数字的标准协议，可适应在多个频带传输。

典型的单频带RF发射机电路包括一功率放大器(PA)、一带通滤波器、阻抗匹配电路以及一天线。该PA根据要求的通信协议放大该通信信号。当信号从PA传到天线时，阻抗匹配电路使RF损耗最小。该滤波器允许要求的频带的RF通信信号通过该天线并在空中接口中传输。带通滤波器以及阻抗匹配电路通常被具体设计成在一指定频带上操作。为在多个相邻或分开的频带中传输，要求另外的元件以允许调整频带。

用于实现多频带传输能力的方法是在无线通信设备中采用两个或多个单独的PA设备。这要求一个PA用于该设备被设计成在其操作中的一个模式或频带。这进一步要求提供相应的多个电子通路，一个用于一个单独的PA以及用于滤波和阻抗匹配的相关的电路。在这种情况下，根据任何一个模拟或数字标准，将第一PA和相关电路优化成在第一频带中操作。根据要求的标准，将第二PA和相关电路优化成在第二频带中操作。该方法要求最小的设计工作，然而，具有多个PA将显著地增加该产品的成本，因为PA由于其复杂性，是较昂贵的元件之一。另外，用作数字RF传输的PA加重了成本和复杂性。

用于实现多频带传输能力的第二种方法是利用pin二极管电路。用该pin二极管电路，在单个PA后跟随嵌入到输入和输出阻抗匹配网络中的pin二极管交换网络。所述pin二极管交换网络响应由微处理器发送的电命令信号来控制通信信号的后置放大器阻抗匹配。根据该装置的操作模式，改变该pin二极管交换网络的阻抗特征则改变了该电路的频率响应。例如，当该通信设备处于第一操作模式时，pin二极管交换网络被转换到与其相应的第一RF频带。然而，该方法要求增加成本和电路复杂性、使优化和调谐变得更困难的大量部件。同时由于pin二极管是非线性的，这些电路易于使所要求的通信信号失真并产生相邻信道功率(ACP)噪音，从而干扰在相邻信道上的用户。这使得它们被禁止用在线性调制方案(CDMA或TDMA)中。

第三种方法在单个PA后利用双工电路，提供第一通路和第二通路，一个通路用于双工模式通信设备的每个模式。根据第一模式，第一通路被设计成用于第一RF频带，根据第二模式，第二通路被设计成用于第二RF频带。在这种结构中，PA输出被连接到分为第一通路和第二通路的信号传输线上。每条传输线被连接到与所要求的频带相应的带通滤波器和相关的匹配电路上。

为使该双工方法起作用，该电路必须包括长的信号传输线来在PA和各自的滤波器的元件之间传送放大的信号。第一结果是在印刷电路板(PCB)上的空间必须可用来容纳必要长度的传输线，因为线长和宽对电路性能来能是很关键的。第二，必要的传输线的长度使该电路极大地损耗，结果要求更多的功率并且降低整个电路的效率。

双工方法的一种变形排除了长的、有损耗的传输线的问题，但还存在另一缺点。该电路要求高精度的分立元件代替长的传输线以获得对适当的电路性能所必需的高Q值。这的确允许降低在PCB上用于传输线必需的空间，但显著增加了高精度部件的数量从而增加该设备的成本。

该双工方法的最后的缺点是该后置PA滤波器的频带阻抗的临界输出。为使该双工正确地起作用，当该电路在第二频带操作时，必须准确地知道第一频带滤波器的频带阻抗的输出，相反地，当该电路在第一频带操作时，必须准确地知道第二频带滤波器的频带阻抗的输出。有必要保证传输线是适当长度，并且当往第一RF频带通路中看时，PA在第二RF频带处看到开路电路。要求带外阻抗是精确的规定，增加了滤波器和整个网络设计的成本和复杂性。

附加电路的使用引起一问题，因为这要求该设备中的更多的空间，而几乎经常要求成本缩减。当前方法不良地产生不需要的功耗并降低整个电路性能。因此，需要改善在多频带中使用更少元件同时保持或提高当前发射机性能水平的传输RF信号的装置和方法。

附图的简单说明

图1表示一常规的双工模式射频收发机的框图。

图2表示根据本发明的优选实施例的无线通信设备的发射机部分的框图。

图3表示作为射频的函数的复杂变换器的阻抗变换。这表示根据本发明的优选实施例的发射机的操作范围的变换。

图4表示根据本发明的优选实施例的第一通路的频率响应。

图5是对应于在图4中的频率响应图的史密斯圆图，表示根据本发明的优选实施例的带外阻抗和带内信号。

图6表示本发明的优选实施例的第二通路的频率响应；

图7是对应于在图6中的频率响应图的史密斯圆图，表示根据本发明的优选实施例的带外阻抗以及带内信号。

优选实施例的说明

本发明提供一种唯一的用于在多频带中发送射频(RF)通信信号的方法和装置。这可应用在用多种通信系统，如蜂窝通信系统、个人通信系统(PCS)或卫星通信系统操作的无线通信设备中。在本发明的优选实施例中，便携式无线电话的双工模式收发机在调谐到通常称为800MHz频带或蜂窝频带的第一RF频带以及调谐到通常称为1900MHz频带或PCS频带中发送RF通信信号。另外，双工模式收发机被设计成在蜂窝频带中的高级移动电话系统(AMPS)下，或在蜂窝频带和PCS频带中的时分多址(TDMA)协议下操作。然而，该收发机被设计成在除AMPS和TDMA外的通信协议，如全球数字移动电话系统(GSM)、码分多址(CDMA)、cdma2000、W-CDMA等等下操作。

图1中的框图表示根据本发明的优选实施例的无线通信设备100。该设备是包括本发明的便携式无线电话。在优选实施例中，帧生成器ASIC102，如可从Motorla公司获得的CMOS ASIC以及微处理器104，如也可从Mortorla公司获得的一68HC11微处理器，结合起来生成用于在便携式系统中操作的必要的通信协议。微处理器104使用包括优选地固化在插件114中的RAM108、EEPROM110和ROM112的存储器106来执行生成该协议和执行用于该无线通信设备的其他功能如写显示器116、从一键盘118接收信息或控制频率合成器130所必需的步骤。ASIC102处理由音频电路124变换的、来自麦克风122并输出到扬声器126的音频。

图1进一步示出了要求用于操作双重模式通信设备的、能在两个不同的RF频带中发送RF信号的发射机128。图2表示该无线通信设备的发射机128部分的详细说明。发射机128由功率放大器200、复杂变换器(complex transformer)202、第一通路204以及第二通路206组成。第一通路204是用于在第一RF频带中传送，第二通路206是用于在第二RF频带中发送。根据本发明的优选实施例，第一通路204根据本发明的第一操作模式被调谐以便发送，第二通路206根据第二操作模式被调谐以便发送。更进一步，第一操作模式发送AMPS RF通信信号或处在低频带中，第二操作模式被调谐以便发送PCS TDMARF通信信号，或处在高频带中。AMPS通信系统工作在824MHz到894MHz操作，该频段被细分成30kHz信道。TDMA通信系统工作在用于蜂窝系统的824MHz到894，以及工作在用于PCS系统的从1850MHz到1990MHz且被细分成30kHz信道。根据通信设备是处于第一操作模式或第二操作模式，分别经第一通路204或第二通路206发送RF通信信号。

复杂变换器202进一步由第一节点210、第二节点214、耦合在PA200和第一节点210的第一传输线208以及耦合在第一节点210和第二节点间的并联电容器212组成。在本发明的优选实施例中，第二节点214是公共地。复杂变换器202在第二RF频带被设计成完全将系统特有的阻抗变换成所需的负载目标。当RF通信信号处于第一RF频带时，复杂变换器202在PA200的输出部分地将RF通信信号的阻抗从第一阻抗变换成第二阻抗。转到图3，图中表示出在给定频率范围通过复杂变换器202改变的阻抗变化。当RF通信信号处于第二RF频带时，复杂变换器202完全将RF通信信号从第一阻抗变换到第三阻抗。例如，在本发明的优选实施例的情况下，在PA200输出的第一阻抗约为2欧姆，当RF通信信号处于第一RF频带时被部分地变换为约5欧姆，且当RF通信信号处于第二RF频带时，第一阻抗被完全从约2欧姆变换到约50欧姆。由于PA200的输出阻抗非常低，在高Q第一电容器212后使用高品质(Q)第一传输线208以便保证该电路保持在指定的公差中并正确操作。

第一通路204进一步包括：第三节点218、第四节点224、以及第五节点230、耦合在第一节点210和第三节点218间的第二传输线216、耦合在第三节点218和第二节点214间的第二并联电容器220、耦合在第三节点218和第四节点224间的第三传输线、耦合在第四节点和第二节点间的第三并联电容器226、以及耦合在第四节点224和第五节点230间的第一滤波器228。

转到图4，频率响应图表示第一通路204的频率响应。频率响应是在第一RF频带中的RF通信信号传递到该天线。图4也表示在第二RF频带中的RF通信信号被显著地衰减。图5是表示第一RF频带的第一RF频带阻抗402或带内RF通信信号中以及第二RF频带的第二RF频带阻抗404或带外通信信号史密斯圆图500。

第二通路206包括：第六节点238、第七节点242、耦合在第一节点210和第六节点238间的第二滤波器232、耦合在第六节点238和第七节点242间的第四传输线240、耦合在第七节点242和第二节点214间的第四并联电容器244、以及耦合在第七节点242和第五节点230间的第三滤波器246。

转到图6，频率响应图表示第二通路206的频率响应。频率响应是在第二RF频带中的RF通信信号传递到该天线。图6也表示在第一RF频带中的RF通信信号被显著地衰减。图7是表示第二RF频带的第二RF频带阻抗602或带内RF通信信号以及第一RF频带的第一RF频带阻抗604或带外通信信号史密斯圆图500。

在本发明的优选实施例中，第二滤波器232由与电感器236并联耦合的电容器234组成，电感器236串联耦合在第一节点210和第六节点238间。与电感器236并联耦合的电容器234通常被称为一LC容器(LC tank)。第二滤波器232并联谐振在第一RF频带，并允许在第二RF频带中的频率通过。在本发明的优选实施例的情况下，第二滤波器232在800MHz充当开路的并联谐振。在第二RF频带或高频带，第二滤波器232是过谐振(above resonance)，且在理想元件的情况下可呈现为电容性。然而，通过用串联谐振第五电容器234形成第二滤波器232，第二滤波器232实际上在第二RF频带或高频呈现为通路(through circuit)。因为在第二RF频带中的RF通信信号的阻抗在第一节点已经被变换成特有的阻抗，例如50欧姆，用常规元件形成第五电容器234和并联电感器236实现的标称Q值产生非常小的损耗。使用与高Q元件相反的常规元件以及仅使用用于该滤波器的两个元件保持允许该电路经济可行的低元件成本。

当该设备处于第一操作模式并在第一RF频带操作时，由查看第二通路206，或高频带通路的该复杂变换器202所看到的实际阻抗部分(real portion of the impedance)将高于查看第一通路204的阻抗。因为这种大的阻抗差别，在第二通路206中仅弥散或丢失一小部分能源。这是通过设计复杂变换器202来实现的，使RF通信信号的阻抗在优选实施例的情况下的第一RF频带或低频中仅部分变换。同时在本发明的优选实施例中，第二通路206的阻抗约为500欧姆，第一通路204的阻抗为5欧姆，导致的仅十分之三dB的插入损耗，这在插入损耗预算中是很好的。

因为复杂变换器202仅部分变换在第一RF频带中的阻抗，必须在进一步过滤和传输前完成阻抗变换。因此，第一通路的第二传输线216、第三传输线222、第二电容器220、以及第三电容器226被设计来完成在第一节点210的第二阻抗到在第四节点224的第四阻抗的变换。第三电容器226具有一个值，使得当RF通信信号处于第二RF频带或高频带时处于串联谐振。这消除了对第一滤波器228的带外阻抗控制或规定的需要。从而，在第三电容器226后发生的负载中的任何变化由在第二RF频带中出现的接近零的阻抗屏蔽。

尽管已经在上述说明和附图中描述和举例说明本发明，应当理解，该说明仅通过举例来说明且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员能做出许多改变和修改。例如，尽管本发明方法和装置是用于传送RF通信信号，它也可应用到其他形式的无线通信信号如光波中。尽管本发明给出了在便携式蜂窝无线电话中的特殊应用，本发明可应用到任何无线通信设备，包括寻呼机、电子组织器以及计算机中。申请人的发明仅应当由下述权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种用于在第一RF频带和第二RF频带中传送射频(RF)通信信号的发射机，包括：

具有PA输出的功率放大器(PA)，所述PA用于在所述第一RF频带和在所述第二RF频带中放大所述RF通信信号；

第一变换器，包括第一节点、第二节点、耦合在所述PA输出和所述第一节点间的第一传输线、以及耦合在所述第一节点和所述第二节点间的第一并联电容器，所述第一变换器用于将在所述第二RF频带中的所述RF传输信号的阻抗全部变换成在所述第一节点的第一全变换的阻抗，所述第一变换器用于部分地将在所述第一RF频带中的所述第二RF通信信号的阻抗变换成在所述第一节点的第二部分变换的阻抗；

第一通路，具有第三节点、第四节点以及第五节点、耦合在所述第一节点和所述第三节点间的第二传输线、耦合在所述第三节点和所述第二节点间的第二并联电容器、耦合在所述第三节点和所述第四节点间的第三传输线、耦合在所述第四节点和所述第二节点间的第三并联电容器、以及耦合在第四节点和第五节点间的一第一滤波器，用于仅传递在所述第一RF频带中的所述通信信号；以及

第二通路，具有第六节点、第七节点、耦合在所述第一节点和所述第六节点间的第三滤波器、耦合在所述第六节点和所述第七节点间的第四传输线、耦合在所述第七节点和所述第二节点间的第四并联电容器以及耦合在所述第七节点和所述第五节点间的第二滤波器，用于仅传递在所述第二RF频带中的所述第二RF通信。

2.如权利要求1所述的发射机，其中所述第一滤波器是一个低通滤波器，所述第二滤波器是一个低通滤波器以及所述第三滤波器是一个LC容器滤波器。

3.如权利要求1所述的发射机，其中所述第一传输线具有一第一阻抗，所述第二传输线具有第二阻抗，所述第三传输线具有第三阻抗，以及所述第四传输线具有第四阻抗。

4.如权利要求1所述的发射机，其中所述第一RF频带符合高级移动电话系统(AMPS)以及时分多址(TDMA)800MHz系统，所述第二RF频带符合所述TDMA 1900MHz系统。

5.如权利要求2所述的发射机，其中所述LC槽滤波器进一步包括第五并联电容器和并联的电感器，所述电感器串联耦合在所述第一节点和所述第六节点间，

其中当所述RF通信信号处于所述第二RF频带时所述第五并联电容器是串联谐振，

当所述RF通信信号处于所述第一RF频带时，所述LC槽滤波器形成开路，以及

当所述通信信号处于所述第一RF频带时，所述LC槽滤波器具有至少大于第二第一部分变换阻抗十倍的有效并联电阻。

6.如权利要求1所述的发射机，其中所述第二节点是公共地。

7.如权利要求1所述的发射机，其中所述第一通路将所述第二阻抗变换为在所述第一节点和所述第四节点间的所述第三阻抗。

8.如权利要求1所述的发射机，其中当所述RF通信信号处于所述第二RF频带时所述第三并联电容器是串联谐振。

9.一种用于在第一RF频带和第二RF频带中传送射频(RF)通信信号的方法，包括步骤：

用功率放大器放大所述RF通信信号；

当所述RF通信信号处于第一RF频带时，将所述RF通信信号的阻抗部分变换成第一部分变换阻抗；

通过第一传输通路，传送具有在所述第一RF频带中的一频率的所述第一变换RF通信信号；

当所述RF通信信号处于所述第二频带时，将所述RF通信信号的阻抗全部变换成第二全变换阻抗；以及

通过第二传输通路，传输具有在所述第二频带中的一频率的所述第二变换RF通信信号。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括仅用一个所述PA放大在所述第一和所述第二RF频带的所述RF通信信号的步骤。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括用所述第一传输通路，完成所述RF通信信号的所述第一部分变换阻抗到所述第二阻抗的阻抗变换的步骤。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：当所述RF通信信号处于所述第二RF频带时，用LC槽滤波器通过所述第二传输通路传递所述RF通信信号、并且当所述RF通信滤波器处于所述第一频带时，用所述LC槽滤波器产生并联谐振电路，防止所述RF通信信号经过所述所述第二传输通路。

13.如权利要求9所述的方法，进一步包括用所述LC槽滤波器生成有效并联电阻，以便当所述通信信号处于所述第一RF频带时，所述并联电阻至少大于所述第一部分变换阻抗十倍。

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