CN1669228A - 用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备 - Google Patents

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R·基维特
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Abstract

一种用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备，具有一个循环器(210)和一个可控匹配网络(24、240、250)，该循环器将在第一端口从功率放大器(10)接收到的信号经第二端口发送到天线(30)并使在天线(30)反射且在第二端口接收到的信号通过第三端口转向；其特征在于一个方向性耦合器(200)将从功率放大器(10)行进到天线的信号的一部分转向(30)到信号检测器(220)，由该部分信号可以得出信号的幅度和相位；循环器(210)将在天线(30)反射的整个信号路由到信号检测器(220)，其中信号检测器(220)将行进到天线(30)的信号和在天线(30)反射的信号的幅度和相位传给控制器(230)，由其对从信号检测器(220)接收到的信息进行评估，以确定天线(30)的当前阻抗值，并根据所确定的天线(30)阻抗值来校正具有有源和无源部件的可控匹配网络(24、240、250)。

Description

用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备
本发明涉及一种用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备，它包含一个循环器和一个匹配网络，该循环器将在第一端口从功率放大器接收到的信号经第二端口路由到天线并使从天线反射且在第二端口接收到的信号通过第三端口转向。
无线的无线电组网是电信行业的一项关键技术，通过引入UMTS(Universal Mobile Telecommunications/Telephony System，通用移动电信/电话系统)标准，在未来几年中，其重要性还会进一步提高。该标准开始将与原有的GSM(Global System for MobileCommunications，全球移动通信系统)标准并行存在，且如果是完全取代的话，也将逐渐地取代后者。所以最初的有UMTS能力的蜂窝电话，也称为第三代设备，通常也具有GSM能力，因而将包含两个或多或少独立的无线电系统。对其中所用的电子器件在小型化程度和电气特性的质量方面的要求会相应地增加，因为这两个无线电系统中只有少数部件能被同时使用。
为了确保UMTS网络的功能性，用户的蜂窝电话必须要能够实现发射机功率的智能调整。而其基础则是所使用的调制或接入规程，即宽带CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)。与GSM形成对比的是，用户不会被分配到任何他们自己的无线电信道，相反，每个用户都使用全部频带。但是为了能够区分不同用户的信号，为每个用户分配了一个码，该用户和基站使用该码来进行调制。为了使两个不同用户之间没有相互干扰，应当只使用所谓的正交码，但是只有较少数量的这种码可用。所以各个UMTS网络中也使用了非正交码。然而，基站因此就必须能够向下调整一个干扰者的发射机功率。这种发射机功率的可控性是唯一能使UMTS网络无问题地运行的方式。
GSM标准也允许向下调整用户的发射功率，但只有在基站有良好接收的情况下才行。因此，发射功率调整只是用来增加蜂窝电话的通话时间。
而后面这一点对于UMTS设备要比对GSM设备重要得多。因为宽带CDMA方法不是用时隙进行操作，在时隙期间可能发生发送或者接收，相反，接收机一直准备去接收，且发送和接收是同时进行的，所以UMTS设备的能耗更大。为了保证待机和通话时间长，就必须经济地使用电池能量。
射频电路中有一个部分对于电源管理来说是重要的，就是所谓的射频放大器输出和天线之间的匹配网络。它确保上述功率放大器的输出阻抗与天线的输入阻抗相匹配。这一匹配是必须的，因为否则部分功率就会被从天线输入反射回到功率放大器的输出。一些功率就不可再用作发射机功率。如果反向散射功率的比例太大，就会由于反馈而额外地引起振荡，使得无线电连接最终中断。蜂窝电话的天线输入阻抗不是一个固定值，而是在相当程度上依赖于其周围的环境，例如，甚至依赖于用户握持蜂窝电话的方式。所以，在象现有设备中的正常情况那样的静态阻抗匹配的情况下，功率的并不太小的一部分会始终在天线输入处被反射，并因此而损失发射机功率。
静态阻抗匹配例如根据EP1 076 374 A2，是通过提供一个具有电容器等无源部件的匹配网络进行的，其中用一个循环器来允许接入匹配网络的不同部分。
此外，EP0 741 463 A2中还可知一种用于在功率放大器和天线间的阻抗匹配的设备。特别地，其特征在于循环器为了耗散而最终释放被天线反射的信号。其中也未出现动态匹配。
因此，本发明的目的就是提供一种用于功率放大器和天线间的动态阻抗匹配的设备，如上面所描述的那样，它能够自动地适应于瞬时的天线阻抗。该目的是通过采用权利要求1中要求的设备而实现的。而对其进行的有利发展则构成了从属权利要求的主题。
本发明的特征在于，用方向性耦合器将从功率放大器行进到天线的信号的一部分转向信号检测器，由该部分可以得出信号的幅度和相位，且循环器将天线反射的全部信号路由到信号检测器，其中该信号检测器将行进到天线的信号和从天线反射的信号的幅度和相位传给控制器，由其对从信号检测器接收到的信息进行评估，以确定当前的天线阻抗值，并根据所确定的天线阻抗值来校正包含有源和无源部件的可控匹配网络。控制器应当被理解为在传统上用于半导体电路中的微控制器。
按照本发明，从功率放大器行进到天线的信号和由于失配而从天线反射的信号都要测量。行进到天线的信号的测量通过方向性耦合器实现，它将功率的一小部分转向。接着，可随后检测被转向的信号。这一检测通常用于控制该功率放大器的输出功率。至此，问题是对于反射信号的测量，反射信号常常要比行进到天线的信号弱得多。所以，如果只使用一个方向性耦合器，就只有一个很弱的信号可用于检测，使得必须要有复杂而昂贵的电子装置。在蜂窝电话的情况下，这样的解决方案根本不可行。按照本发明使用循环器则避免了这些昂贵的电子装置。循环器确保整个信号都可用于返回信号的检测，使得可以使用价格非常低廉的电子装置。并且保护功率放大器以免受返回信号的影响。因而功率放大器的稳定性和线性得到了决定性的改善。
至少，方向性耦合器、循环器、信号检测器和控制器或微控制器都优选地紧接着排列在功率放大器的下游。
按照本发明的一种发展，可控匹配网络紧接着排列在天线的上游，并通过一根控制线连接到部件以进行信号检测和控制。这种配置的优点是接收分支也能被动态地匹配。
按照一种类似的优选实施方案，方向性耦合器、循环器、信号检测器和控制器，以及可控匹配网络一起采用一个模块的形式，并紧接着排列在功率放大器的下游。
该可控匹配网络的有源部件可以包含变容二极管、MEM开关和类似器件。
按照本发明的设备可以结合LTCC(“Low Temperature CofireCeramics”，低温共烧陶瓷)技术使用，用铁氧体材料将方向性耦合器、循环器及可控匹配网络的无源部件集成到一个LTCC基片中。
信号检测器、控制器和可控匹配网络的有源部件则可以被集成到一个半导体芯片中。
按照本发明的用于动态阻抗匹配的设备是在通信装置，特别是蜂窝电话中使用的。它从实质上改进了蜂窝电话的效率，并使其中包含的功率放大器稳定。
最后，本发明还定义了一种功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的方法，其特征在于评估行进到天线的信号和天线反射的整个信号的幅度和相位以确定当前的天线阻抗值，并根据所确定的天线阻抗值来校正包含有源和无源部件的可控匹配网络。
下面参考附图中示出的实施方案例子进一步描述本发明，而本发明并不局限于这些例子。这些图中：
图1是蜂窝电话的射频前端的示意图，其中具有一个按照本发明的用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的模块化设备；
图2是图1中模块的框图；以及
图3与图1相似，但其中按照本发明的设备采用两个子模块的形式。
图1是一种蜂窝电话的射频前端的示意图，其中离开功率放大器10的信号在通过双工滤波器40到达天线30之前要通过模块20路由，该模块实现动态阻抗匹配，并将参考图2被更全面地描述。为了完备性起见，图中也显示了用于从天线30拾取的信号的信号通路，该信号依次被路由通过双工滤波器40直到LNA放大器50(low noise amplifier，低噪声放大器)。模块20一方面确保了天线30与功率放大器10最佳地匹配，使得正常情况下功率放大器10的全部输出功率都可用作发射机功率。另一方面，功率放大器10被保护免受反向散射功率的影响，可能发生反向散射的一个例子是当天线30处阻抗剧烈变化时，这种情况是在模块20的控制范围之外。因此，模块20还额外完成隔离器的功能。
这些特性的组合由图2框图所示的结构来实现。方向性耦合器200将行进到天线30的信号的一部分转向并将其提供给信号检测器220用于评估。而未被转向的信号主要部分则行进通过循环器210和匹配网络的无源部件250到达天线(图2中未显示)。循环器210还确保天线反射的整个信号也同样到达信号检测器220。信号检测器220将行进到天线的功率和被反射的功率的幅度和相位通过一根控制线传给微控制器230。由它对信息进行评估，并适当地校正该有源部件240的匹配，这些有源部件和无源部件250一起构成了可控匹配网络。可以将变容二极管用作可控电容器，也可能采用MEM开关(微电动机械开关)。方向性耦合器200、循环器210及可控匹配网络的无源(即不可控)部件250都集成到一个LTCC基片260中。包含检测器220、微控制器230和可控匹配网络的有源部件240的半导体芯片270安放于基片260上。
本发明的基本特点在于以上述方式使用循环器。否则，有多种改变设备结构的可能方式。
这一点如图3中的例子所示。子模块22包含循环器、方向性耦合器、信号检测器和微控制器，其安排如图2所示。子模块22直接位于功率放大器10的输出。包含有源和无源部件的匹配网络则作为第二个子模块24紧接着装配在天线30的上游。这种配置的优点是接收分支能与发送分支同时被匹配。接收分支只可能以这种方式被动态匹配，因为接收的信号本身很微弱，而直接检测由此会要求复杂而昂贵的电子装置。

Claims (9)

1.一种用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备，包含
循环器(210)，将在第一端口从功率放大器(10)接收到的信号经第二端口路由到天线(30)并使在天线(30)反射且在第二端口接收到的信号通过第三端口转向；及
匹配网络(24、240、250)；
其特征在于，方向性耦合器(200)将从功率放大器(10)行进到天线(30)的信号的一部分转向到信号检测器(220)，由该部分信号可以得出信号的幅度和相位；并且
循环器(210)将在天线(30)反射的整个信号路由到信号检测器(220)；
其中信号检测器(220)将行进到天线(30)的信号和天线(30)反射的信号的幅度和相位传给控制器(230)，由其对从信号检测器(220)接收到的信息进行评估，以确定天线(30)的当前阻抗值，并根据所确定的天线(30)阻抗值来校正包含有源和无源部件的可控匹配网络(24、240、250)。
2.按照权利要求1的设备，其特征在于至少方向性耦合器(200)、循环器(210)、信号检测器(220)和控制器(230)被紧接着安排在功率放大器(10)的下游。
3.按照权利要求1或2的设备，其特征在于可控匹配网络(24)被紧接着安排在天线(30)的上游。
4.按照权利要求1或2的设备，其特征在于方向性耦合器(200)、循环器(210)、信号检测器(220)及控制器连同可控匹配网络(240、250)一起采用一个模块(20)的形式，并被紧接着安排在功率放大器(10)的下游。
5.按照权利要求1到4中任意一个的设备，其特征在于可控匹配网络的有源部件(240)包含变容二极管、MEM开关和类似器件。
6.按照权利要求1到5中任意一个的设备，其特征在于方向性耦合器(200)、循环器(210)和可控匹配网络的无源部件(250)被集成在一个LTCC基片(260)中。
7.按照权利要求1到6中任意一个的设备，其特征在于信号检测器(220)、控制器(230)和可控匹配网络的有源部件(240)被集成在一个半导体芯片(270)中。
8.一种通信装置，特别是蜂窝电话，具有按照权利要求1到7中任意一个的、用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的设备。
9.一种用于功率放大器与天线间的动态阻抗匹配的方法，
其特征在于，评估行进到天线(30)的信号和天线(30)反射的整个信号的幅度和相位，以确定天线(30)的当前阻抗值；并且
根据所确定的天线(30)阻抗值来校正具有有源和无源部件的可控匹配网络(24、240、250)。
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