CN1820408A - 放大器阻抗匹配 - Google Patents

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CN1820408A CN 200480019605 CN200480019605A CN1820408A CN 1820408 A CN1820408 A CN 1820408A CN 200480019605 CN200480019605 CN 200480019605 CN 200480019605 A CN200480019605 A CN 200480019605A CN 1820408 A CN1820408 A CN 1820408A
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Abstract

一种射频发射机，包括：笛卡尔环路放大器(2)、网络部分(8)和天线(6)。该网络部分(8)包括低通LC滤波器，其工作来变换由网络部分(8)和天线(6)呈现给所述放大器(2)的有效阻抗，使得所述天线(6)的有效阻抗的增加导致呈现给放大器(2)的有效阻抗的降低。该网络部分(8)还包括缓冲部分，其包括另一低通滤波器级内部的电阻器。该电阻器充当缓冲器，以限制呈现给放大器(2)的最小阻抗。

Description

放大器阻抗匹配
技术领域
本发明涉及无线电发射机放大器，并具体但不排他地涉及在数字无线电(无线通信)应用中使用的线性放大器。
背景技术
数字无线电发射机中经常需要线性放大器，以提供至少包括调幅元素的输入信号的可靠线性放大。在这样的无线电发射机中，为了精确放大信号，放大器的线性和功率控制很重要。在一个具体例子中，用于TETRA(地面中继无线电)的信号包括相位和振幅调制。TETRA通信设备使用通过使用笛卡尔环路反馈而确保其线性的线性放大器。该配置在WO 00/10247中进行了更详细的描述。
在该放大器配置中，重要的是，为了维持线性，放大器的平均输出功率保持恒定。利用正确连接的天线，这在理论上很容易实现，因为天线呈现给放大器的阻抗应该保持恒定。然而，我们知道天线的有效阻抗实际上可取决于其他物体(特别是金属物体)的接近程度而发生波动。如果将该波动的阻抗呈现给放大器，则增加削波的风险(由于如果阻抗增加太大，则信号电压可能超过其最大设计值)。因为该削波降低了所发送信号的质量并在相邻信道中产生了不必要的假象(artefacts)，所以该削波是不受欢迎的。
在上述类型的现有技术发射机中，通常在天线和放大器之间使用隔离器。
隔离器是本领域公知的设备。其包括圆盘形状的铁氧体构件和另一单独的磁体。隔离器一般具有在使用时分别与放大器和天线相连的两个连接管脚。隔离器的重要特性在于其向与放大器相连的管脚1呈现恒定的阻抗，而不管与管脚2相连的天线的阻抗波动如何。
事实上，隔离器是公知为循环器的波操纵设备的特殊例子，其中输入信号根据每一输出端相对于输入端的阻抗而与两个输出端之一成正比。在该隔离器的特殊例子中，输出端之一被固定值的电阻器端接，使得在阻抗失配的情况下，反射信号在该电阻器中耗散，而不会被反射回放大器的输出端。这导致输入端呈现的固定阻抗与该电阻器的值相等，而不管输出端的阻抗如何。
通过向放大器呈现恒定阻抗，隔离器在数字无线电应用中是非常宝贵的，其中面对潜在改变的天线阻抗的情况，线性和恒定输出功率对于放大器的操作是很重要的。然而，隔离器所需的铁氧体构件和单独的磁体使得该组件笨重庞大。此外，隔离器是相对昂贵的组件，不仅因为所需的材料，而且因为很难可靠地设计和制造它们。
发明内容
本发明的一个目的是减轻上述问题。
当从第一方面考虑时，本发明提供了一种射频发射机，包括：线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；与所述放大器的输出端相连的天线；和安排在所述放大器和所述天线之间的网络部分，所述网络部分包括至少一个电感-电容滤波器，被安排为变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗，使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低，该发射机还包括：与放大器串联的电阻器，用于限制呈现给放大器的最小有效阻抗；其中在放大器和天线之间不提供隔离器。
在本发明中，在放大器和天线之间安排包括电感-电容(LC)滤波器的网络部分，以变换天线的阻抗，并更具体地，当天线的有效阻抗增加时，减小该放大器所见的有效阻抗。这消除了在发射机电路中包括隔离器的需求。因此，这尤其在手持发射机的环境中提供了例如成本和重量降低的优点。此外，通过使发射机更小或通过添加例如更大电池等附加特征，可利用所需空间减少这一点。
先前在现有技术中已相信，需要线性化的恒定平均功率放大器的无线电发射机中的天线的波动阻抗使得提供隔离器成为必要，以将天线阻抗的波动与放大器相隔离，从而防止阻抗失配引起削波或上述与其关联的问题。然而，申请人已认识到该信念中隐含以下假设：天线的周围环境可相对于其自由空间值而增加或降低其有效阻抗。
此外，申请人已理解：事实上，在这种类型的实际无线电发射机配置中，天线的有效阻抗通常仅相对于其自由空间值增加，而不是增加或减小。这意味着通过变换有效阻抗的增加以导致呈现给放大器的阻抗的降低，可以在不需要隔离器的情况下，避免由于向放大器呈现比匹配阻抗更高的阻抗而导致的信号削波。
通过提供与放大器输出端串联的电阻器，而建立可呈现给放大器的最小阻抗。这确保如果天线的有效阻抗增加得太多(或者在天线被完全断开的更差情况下)，呈现给放大器的阻抗不能对应地下降为小于电阻器的值。这防止过多的输出电流。
当然，还应理解，当设计其中要避免由天线阻抗失配导致的削波的线性化数字射频功率放大器时，可有益地应用本发明的原理。在这样的情况下，LC滤波器不需要执行本发明的阻抗变换作为其单一功能。例如，它也可用于在发送前滤除期望信号的谐波、或实际执行任何其他信号功能。本领域普通技术人员仅需要明智地设计LC滤波器(与其需要执行的任何其他作用相一致)以确保实现根据本发明所需的阻抗转换(inverting)。
当从第二方面考虑时，本发明提供了一种制造射频发射机的方法，包括：提供线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；提供与所述放大器的输出端相连的天线；和在所述放大器和所述天线之间安排网络部分，所述网络部分包括至少一个电感-电容滤波器，使得在使用中，所述网络部分变换由所述天线和所述网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗，从而所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低；并提供与放大器串联的电阻器，该电阻器被安排为限制呈现给放大器的最小有效阻抗；其中在放大器和天线之间不提供隔离器。
事实上，从根据本发明原理设计的RF发射机的结构中不能显而易见地看出，其是这样设计的，除了不需要隔离器之外。因此，当从一个更宽的方面考虑时，本发明提供了一种无线电发射机，包括线性放大器和与该放大器相连的天线，其中该发射机不具有放大器和发射机之间的隔离器。
除了在新发射机设计中合并本发明的原理之外，还可在现有发射机设计中采用根据本发明第一方面的发射机而描述的网络部分，作为对其当前使用的隔离器的直接替代。
所以，当从另一方面考虑时，本发明提供了一种射频网络部分，用于插入在线性放大器和天线之间，该网络部分包括至少一个电感-电容滤波器，被安排为在使用中变换由网络部分和天线呈现给所述放大器的有效阻抗，使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低，该网络部分还包括：与输入端串联的电阻器，用于限制由网络部分呈现的最小有效阻抗。
这样的网络部分甚至可以装配为物理上和电气上替换隔离器的分立组件。然而，这不是必要的，并且网络部分可以以任何合适的方式合并到现有发射机设计中。如上所述，网络部分应该在使用中可安排为使得在放大器和天线之间不需要隔离器，以保护放大器免受天线呈现的有效阻抗的改变的影响。
LC滤波器的精确形式可基于逐个应用而确定，特别在其根据本发明的功能与另一功能相合并的情况下。该滤波器可安排为高通滤波器、低通滤波器或任何其他复杂安排。只要涉及到本发明，就仅需要执行这里讨论的阻抗转换。事实上，除非其他理由需要，否则LC滤波器将被配置为使得该发射机的整个普通工作频带的信号通过。可再次根据应用而提供单一LC级，或可提供多级。
串联电阻器可安排为直接与放大器串联。这将意味着需要选择符合其功能的值，以限制呈现给放大器的最小阻抗，同时在普通操作期间，使其效果最小化，即实际上在天线和放大器之间没有阻抗失配的情况下。
然而，根据本发明的特定优选实施例，电阻器被提供在LC滤波器内-即在电容器和电感器之间。申请人已发现，利用这样的配置，通过适当选择电阻器、电容器和电感器的值，可以实现高阻抗失配的期望缓冲效果，同时给出匹配状态下的最小损失。
如上所述，本发明对其有利的这类放大器是放大至少具有调幅元素的信号所需的放大器。一般地，但非不变地，放大器可设计为具有恒定平均输出功率。这样的放大器一般是至少部分线性的。最好的是，该发射机包括线性化部分。例如，可采用笛卡尔环路反馈。最好是，该发射机合并WO 00/10247中描述的环路相位误差校正技术。
在优选实施例中，天线与放大器和网络部分被共同安装在单一外壳上-即其不是远程天线。
可以相信本发明的原理可以以其他方式实现。由此，根据本发明的另一方面，提供了一种射频发射机，包括：线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；与所述放大器的输出端相连的天线；和安排在所述放大器和所述天线之间的网络部分，所述网络部分包括用于变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗、使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低的装置，该发射机还包括用于限制呈现给放大器的最小有效阻抗的装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造射频发射机的方法，包括：提供线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；提供与所述放大器的输出端相连的天线；和在所述放大器和所述天线之间安排网络部分，所述网络部分包括用于变换由所述天线和所述网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗、使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低的装置；并且提供用于限制呈现给放大器的最小有效阻抗的装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种射频网络部分，用于插入在线性放大器和天线之间，该网络部分包括用于在使用中变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗、使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低的装置，该网络部分还包括用于在使用中限制由网络部分和天线呈现给放大器的最小有效阻抗的装置。
本发明的这些方面可以包括这里所述本发明的优选和可选特征的任何一个或多个或全部。由此，例如，阻抗变换装置最好包括LC滤波器电路，并且所述用于限制呈现给放大器的最小阻抗的装置最好包括电阻器。然而，如果期望的话，其他配置将是可能的。例如，可使用变压器代替LC滤波器，以提供阻抗变换，并且尽管网络的有损耗部分(即最小阻抗限制装置)应该是阻性的，但是并非必须由分立电阻器提供，而是可以(例如)由电感器、电容器或其他组件中的阻性损耗(resistive loss)提供。
如上所述，该配置应该是这样的，使得放大器和天线之间不需要隔离器来保护放大器免受天线呈现的有效阻抗的改变的影响(并由此，最好是，在放大器和天线之间不提供隔离器)。
如上所述，本发明可具体应用于移动通信系统中所使用的无线电发射机，例如TETRA系统。由此，本发明也扩展到包括根据本发明安排的发射机的移动通信终端。这样的终端可以是现有技术公知的移动站或基站。
附图说明
现在将参考附图仅作为示例而描述本发明的优选实施例，其中：
图1是根据公知配置的利用隔离器的无线电发射机的示意方框图；
图2是与图1类似的省略了隔离器的根据本发明的利用网络部分的示意图；
图3是示出了根据本发明的网络部分的一部分的示意图；
图4是网络部分的另一部分的示意图；
图5是根据本发明的总体网络部分的示意图；和
图6是除了仿真匹配阻抗情况之外、其他部分与图4相同的图。
具体实施方式
转到图1，可以看到示出了笛卡尔环路放大器2、隔离器4和天线6的高度示意图。笛卡尔环路放大器可以采用任何便利的设计。WO 00/10247重全面公开和描述了合适的放大器，具体参考其图3。隔离器4被提供在放大器2和天线6之间，并用来耗散由隔离器4和天线2之间的阻抗失配引起的天线6所反射的信号，由此确保将恒定预定阻抗呈现给放大器2。
图2示出了除了没有提供隔离器之外、其他部分与图1类似的示意图。用网络部分8代替隔离器，图3和4中更清楚地示出了该网络部分8。通过省略隔离器及其关联铁氧体构件和磁体，可实现显著的空间、重量和成本节省。
图3示出了根据本发明的网络部分8的示范性阻抗变换部分的示意图。从该图中可以看出，其是低通LC滤波器的形式，包括在值分别为6.8皮法(pF)和8.2pF的一对并联电容器C2、C3之间的3.3pF电容器C1和12.55毫微亨(nH)电感器L1的并联配置。与该配置串联的是特性阻抗为50Ohm(欧)的传输线12(Zo＝50Ohm、v＝169Mm/s、I＝0.02m)，该特性阻抗仅表示PCB轨道的电气长度等。
为了执行对这部分网络的操作的仿真，定义了650Ohm的终接阻抗，从图3的最右边可以看出。这是标称阻抗为50Ohm的屏蔽天线的典型的按照经验确定的值。
当在Touchstone网络仿真器程序包上运行仿真时，可以看出在400兆赫兹(MHz)处，与图3所示网络等同的串联结构是3.08Ohm的阻抗与3.87nH的电感。由此，简单地说，图3的网络将天线的从其标称值50Ohm到650Ohm的阻抗变化变换为大约3Ohm。尽管这充分展示了所需的阻抗变换，但是3Ohm这么低的阻抗将表示放大器的负载太高，并由此需要缓冲。
图4中示出了网络的缓冲部分。使用中，网络的最左边将与网络的最左边相连，而网络的最右边与RF放大器的输出端相连。图5中示出了该配置，图5示意性示出了功率放大器2和天线6之间的图4所示网络的缓冲部分和图3所示网络的阻抗变换部分。
图4所示网络部分的缓冲部分包括分别为9.85nH和3.85nH的两个电感器L2、L3以及分别为电容4.5pF和6.8pF的两个电容器C4和C5。该配置的形式是两个低通LV滤波器级的形式。然而，可选择L2、L3、C4和C5的值，使得网络的特性截止频率在普通发送波段之上。
还可以看出，在第一电感器L2和第一电容器C4之间提供10Ohm电阻器R1与它们串联。换言之，电阻器R1在第一低通滤波器级的内部。电阻器R1充当缓冲器，用于限制可呈现给放大器2的最小阻抗。然而，由于在滤波器内部，所以匹配状态下的缓冲电阻器R1的效果被最小化(下面将参考图6进行演示)。
图4的网络部分通过在其最左边(即来自图3所示阻抗变换部分)端接2.5Ohm而进行仿真。该值或多或少比来自前一仿真的3Ohm结果更差。可以看出，在400MHz处，与网络的这部分等同的串联结构是33Ohm电阻器和16nH电感器。由此，图4所示缓冲网络向放大器呈现大约33Ohm的阻抗。这与缺少这部分网络的情况下的3Ohm阻抗形成对比。尽管阻抗仍然失配，但是该失配相对较小。更重要的是，呈现的阻抗太低，而不是太高。如前面所解释的，放大器能够很好地对付这种情况下的失配，因为其不会导致电压削波。总之，所描述的实施例的总体网络部分已将从50Ohm到650Ohm的天线阻抗上升变换为呈现给放大器的从50Ohm到30Ohm的阻抗降低。
图6是除了仿真匹配阻抗情况之外、其他部分与图4相同的图。在这种情况下，可以看出所示网络的缓冲部分的介入损失是-1.4分贝(dB)。有利地，将其与类似的-1.1dB的隔离器的典型接入损失进行比较。
由此可见，在放大器和天线之间的阻抗失配的情况下，即使没有隔离器，缓冲网络也缓冲低通滤波器的阻抗转换效应，同时避免削波的不利影响。
当然，应该理解以上图示中给出的具体网络设计和组件值仅是示范性的，并根据特定应用而变化。在任意特定应用中，可通过利用网络分析的标准技术而采用本发明的原理，以获得适于该应用的所需阻抗转换和缓冲效应。

Claims (22)

1.一种射频发射机，包括：线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；与所述放大器的输出端相连的天线；和安排在所述放大器和所述天线之间的网络部分，所述网络部分包括至少一个电感-电容滤波器，被安排为变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗，使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低，该发射机还包括：与放大器串联的电阻器，用于限制呈现给放大器的最小有效阻抗；其中在放大器和天线之间不提供隔离器。
2.根据权利要求1的发射机，其中该网络部分的电感-电容滤波器被安排为执行除了阻抗变换之外的功能。
3.根据权利要求1或2的发射机，其中该网络部分的电感-电容滤波器被配置为使得该发射机的整个普通工作频带的信号通过。
4.根据权利要求1、2或3的发射机，其中所述与放大器串联的电阻器被提供在电感-电容滤波器内。
5.根据权利要求1、2、3或4的发射机，其中该线性放大器采用笛卡尔环路反馈。
6.根据权利要求1、2、3、4或5的发射机，其中该天线与放大器和网络部分被共同安装在单一外壳上。
7.一种无线电发射机，包括线性放大器和与该放大器相连的天线，其中该发射机不具有放大器和发射机之间的隔离器。
8.一种射频发射机，包括：线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；与所述放大器的输出端相连的天线；和安排在所述放大器和所述天线之间的网络部分，所述网络部分包括用于变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗、使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低的装置，该发射机还包括用于限制呈现给放大器的最小有效阻抗的装置。
9.一种射频网络部分，用于插入在线性放大器和天线之间，该网络部分包括至少一个电感-电容滤波器，被安排为在使用中变换由网络部分和天线呈现给所述放大器的有效阻抗，使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低，该网络部分还包括：与网络部分的输入端串联的电阻器，用于限制由网络部分和天线在使用中呈现给放大器的最小有效阻抗。
10.根据权利要求9的网络部分，其中所述与输入端串联的电阻器被提供在电感-电容滤波器内。
11.一种射频网络部分，用于插入在线性放大器和天线之间，该网络部分包括用于在使用中变换由网络部分和天线呈现给所述放大器的有效阻抗、使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低的装置，该网络部分还包括用于限制由网络部分和天线在使用中呈现给放大器的最小有效阻抗的装置。
12.一种用于移动通信系统的终端，包括根据权利要求1到11中的任意一个的发射机或射频网络部分。
13.一种制造射频发射机的方法，包括：提供线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；提供与所述放大器的输出端相连的天线；和在所述放大器和所述天线之间安排网络部分，所述网络部分包括至少一个电感-电容滤波器，使得所述网络部分在使用中变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗，从而所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低；并提供与放大器串联的电阻器，该电阻器被安排为限制呈现给放大器的最小有效阻抗；其中在放大器和天线之间不提供隔离器。
14.根据权利要求13的方法，包括安排该网络部分的电感-电容滤波器以执行除了阻抗变换之外的功能。
15.根据权利要求13或14的方法，包括配置该网络部分的电感-电容滤波器以使得该发射机的整个普通工作频带的信号通过。
16.根据权利要求13、14或15的方法，包括在电感-电容滤波器内提供所述与放大器串联的电阻器。
17.根据权利要求13、14、15或16的方法，其中该线性放大器采用笛卡尔环路反馈。
18.根据权利要求13、14、15、16或17的方法，包括在将天线与放大器和网络部分共同安装在单一外壳上。
19.一种制造射频发射机的方法，包括：提供线性放大器，用于放大包括至少调幅元素的信号；提供与所述放大器的输出端相连的天线；在所述放大器和所述天线之间安排网络部分，所述网络部分包括用于变换由天线和网络部分呈现给所述放大器的有效阻抗、使得所述天线的有效阻抗的增加导致呈现给放大器的有效阻抗的降低的装置；并且提供用于限制呈现给放大器的最小有效阻抗的装置。
20.一种基本如参考图2到5的任一个所述的射频发射机。
21.一种基本如参考图2到5的任一个所述的射频网络部分。
22.一种基本如参考图2到5的任一个所述的制造射频发射机的方法。
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