DE102008005091B4

DE102008005091B4 - Verstärker, Senderanordnung mit einem Verstärker, und Verfahren zum Verstärken eines Signals

Info

Publication number: DE102008005091B4
Application number: DE102008005091.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Itkin Grigory; Dr. Grebennikov Andrei
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2028-01-19
Also published as: DE102008005091A1; US20080180168A1; US7538609B2

Abstract

Verstärker, aufweisend: einen ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad; und einen dritten Verstärkungssignalpfad; ein erstes Kopplungselement, das einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweist, die jeweils an einen Eingangsanschluss des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades gekoppelt sind, und einen dritten Anschluss, der an einen Eingangsanschluss des dritten Verstärkungssignalpfades gekoppelt ist; wobei das erste Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand am ersten Ausgangsanschluss und am zweiten Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei dieses Signal am zweiten Ausgangsanschluss eine Phasenverschiebung in Bezug auf das Signal am ersten Ausgangsanschluss aufweist, und wobei das erste Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand am dritten Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei das bereitgestellte Signal an einem Eingangsanschluss des Kopplungselements empfangen wird, und am ersten und zweiten Ausgangsanschluss reflektiert wird, und wobei das erste Kopplungselement einen 90°-Hybridteiler oder einen bidirektionalen Richtkoppler aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker und eine Senderanordnung mit einem Verstärker. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Verstärken eines Signals.
Allgemeiner Stand der Technik
In vielen Datenübertragungssystemen muss ein Leistungsverstärker des Pfades dazu in der Lage sein, zugleich mit hoher Effizienz und hoher Linearität zu arbeiten. Da Kunden verschiedene Anwendungen und Datenübertragungsstandards verlangen, z. B. GSM/EDGE, CDMA2000, WCDMA oder WLAN, müssen die Leistungsverstärker des Senderpfades eine breite Spanne unterschiedlicher Ausgangsleistungen bereitstellen. Außerdem geben die unterschiedlichen Übertragungsstandards unterschiedliche maximale Ausgangsleistungen vor, die von dem Leistungsverstärker im Sendepfad bereitzustellen sind. Beispielsweise ist für den Mobilfunk-Datenübertragungsstandard GSM eine maximale Ausgangsleistung von etwa 36 dBm festgelegt, während die maximale Ausgangsleistung eines Signals des WCDMA-Standards etwa 30 dBm beträgt. Diese Leistungspegel werden unter Berücksichtigung von Frontend-Einfügungsverlusten festgelegt.
Allerdings besteht immer ein Kompromiss zwischen der Effizienz von Hochleistungsanwendungen einerseits und der Linearität der benutzten Verstärker andererseits. Normalerweise führt eine höhere Linearität des benutzten Verstärkers zu einer niedrigeren maximalen Ausgangsleistung, wie auch umgekehrt. Aus diesem Grund neigt der Leistungsverstärker bei niedrigen Leistungspegeln dazu, weniger effizient zu arbeiten, da er für die höchsten Leistungspegel ausgelegt ist, bei denen eine maximale Effizienz verfügbar ist. Dies verkürzt die Lebensdauer des Akkumulators und reduziert die Sprechdauer.
In der US-Patentschrift US 5 758 269 A wurde vorgeschlagen, unterschiedliche Verstärkerstufen zu benutzen, und zwischen diesen Stufen gezielt auf einen Verstärkungspfad mit einer passenden Verbindung zur Last umzuschalten. 4 zeigt einen konfigurierbaren Leistungsverstärker zur Benutzung in einer tragbaren Einheit. Wie dort zuerkennen, umfasst der Sendepfad drei unterschiedliche Verstärkungsstufen, die jeweils einzeln auswählbar sind. Es sind drei verschiedene Schalter vorgesehen, die die Ausgangsanschlüsse der einzelnen Leistungsverstärker mit dem RF-Ausgangsanschluss des Sendepfades verbinden. Bei konfigurierbaren Leistungsverstärkern dieser Art, bei denen jede Stufe eine eigene Ausgangskonfigurierung aufweist, stellt der beschriebene Sendepfad daher entsprechend der Ausgangsleistungen jeder Stufe und ihrer Kombinationen einen variablen Ausgangsleistungspegel bereit.
Aus der Druckschrift „Taschenbuch der Hochfrequenztechnik” (Meinke, Gundlach; Springer, Berlin; 5. Auflage, Seiten L27 bis L33) sind sogenannte Richtkoppler bekannt, die eine Form von Kopplungselementen darstellen. Bei Richtkopplern handelt es sich um im Idealfall reziproke, verlustfreie Viertore, wobei zwei Tore voneinander entkoppelt sind. Bei vorhandener Impedanzanpassung an allen vier Toren wird eine am Eingangspfad vorliegende Leistung auf den Durchgangs- und den Koppelpfad aufgeteilt, am entkoppelten Isolationspfad tritt keine Leistung aus. Bei nicht idealen Abschlüssen kommt es zu einer unvollständigen Auslöschung der übergekoppelten Teilwellen im Isolationspfad, was mit vermehrtem Leistungsaustritt am Isolationspfad verbunden ist.
In US 4 647 868 A ist ein Vier-Wege-Leistungsteiler/Kombinierer beschrieben die im Gegentakt arbeitet. Diese weist fünf unsymmetrische Ports als einen gemeinsam konfigurierten Port auf sowie vier weitere Ports. Der Strom wird an dem gemeinsamen Port über ein relativ breite Frequenzband eingespeist, wobei dieser im Wesentlichen gleich zwischen den vier weiteren Ports aufgeteilt wird und umgekehrt. Jedes der zwei Paare der vier weiteren Ports ist im Wesentlichen mit einer Phasendifferenz von 180° separiert.
In US 5 256 987 A ist ein Leistungsverstärker beschrieben. Dieser weist m parallele Leistungsverstärkereinheiten auf, wobei m eine ganze Zahl ist. Ferner weist der Leistungsverstärker einen Verteiler auf zum Verteilen eines Eingangssignals zu den m Leistungsverstärkereinheiten, und eine Kombiniervorrichtung zum Kombinieren von m verstärkten Eingangssignalen, die von dem m Leistungsverstärkereinheiten ausgegeben werden, zum Erzeugen eines verstärkten Ausgangssignals. Der Leistungsverstärker umfasst eine Gruppe von Schaltern zum schrittweisen Trennen der m Leistungsverstärkereinheiten von dem Verteiler und zum schrittweisen Verbinden der m Leistungsverstärkereinheiten mit der Kombiniervorrichtung.
Trotzdem besteht Bedarf an einer weiteren Verbesserung existierender Sender- oder Verstärkeranordnungen, um ihren Energieverbrauch zu senken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung soll im Folgenden mit Hilfe veranschaulichender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert werden, wobei:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Verstärkeranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 eine Ausführungsform eines 90°-Hybridteilers zeigt,
4 eine Verstärkeranordnung eines bekannten Sendepfades zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die nachfolgende Beschreibung offenbart weitere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dabei wird auf die begleitenden Figuren Bezug genommen, die einen Teil dieser Offenbarung bilden, und in denen veranschaulichend gezeigt ist, wie die Erfindung ausführbar ist. Die Ausführungsformen der Figuren bieten eine Erörterung, die das Ziel hat, ein besseres Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Die Offenbarung ist nicht dazu vorgesehen, die Merkmale oder Schlüsselelemente der Erfindung auf eine bestimmte Ausführungsform zu begrenzen. Vielmehr lassen sich die unterschiedlichen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsformen offenbart sind, von Fachleuten in unterschiedlicher Weise kombinieren, um so einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können, und dass strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Elemente der Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechende, ähnliche Teile.
In einem Ausführungsbeispiel weist eine Verstärkeranordnung einen Signaleingang für ein RF-Eingangssignal, und einen ersten und einen zweiten Verstärkungssignalpfad auf. Sowohl der erste als auch der zweite Verstärkungssignalpfad weisen einen Ausgangsanschluss, einen Eingangsanschluss, und mindestens eine Verstärkereinheit auf, die an den Eingangsanschluss gekoppelt ist. Ein dritter Verstärkungssignalpfad weist einen Eingangsanschluss, mindestens eine Verstärkereinheit, die an den Eingangsanschluss gekoppelt ist, und einen Ausgangsanschluss auf. Außerdem ist ein erstes Kopplungselement vorgesehen, wobei das erste Kopplungselement einen Eingangsanschluss aufweist, der an den Signaleingang gekoppelt ist, und einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss, die jeweils an den Eingangsanschluss des ersten bzw. zweiten Verstärkungssignalpfades gekoppelt sind. Ferner ist ein dritter Anschluss des ersten Kopplungselements an den Eingangsanschluss des dritten Verstärkungssignalpfades gekoppelt.
Das erste Kopplungselement ist dazu ausgebildet, in einem ersten Arbeitsmodus ein Signal, das es an seinem Eingangsanschluss empfängt, am ersten Ausgangsanschluss und am zweiten Ausgangsanschluss bereitzustellen. Das Signal am zweiten Ausgangsanschluss ist in Bezug auf das Signal am ersten Ausgangsanschluss phasenverschoben. Das erste Kopplungselement ist dazu ausgebildet, in einem zweiten Arbeitsmodus ein Signal am dritten Ausgangsanschluss bereitzustellen. Das am dritten Ausgangsanschluss bereitgestellte Signal wird am Eingangsanschluss des Kopplungselements empfangen, und am ersten und zweiten Ausgangsanschluss des Kopplungselements reflektiert.
In einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Lösung weist eine Verstärkeranordnung einen zusätzlichen, separaten Niedrigleistungsverstärkungspfad auf, der zwischen zwei Anschlussstellen eines Kopplungselements angeschlossen ist. Abhängig vom Arbeitsmodus verläuft die Signalverarbeitung im Kopplungselement unterschiedlich. In einem ersten Arbeitsmodus wird ein Signal am Eingangsanschluss des Kopplungselements an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss weitergeleitet, und zwar einschließlich einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen am Ausgangsanschluss. Im zweiten Arbeitsmodus wird ein Signal, das dem Kopplungselement am Eingangsanschluss zugeführt wird, am ersten und zweiten Ausgangsanschluss an den dritten Ausgangsanschluss reflektiert.
Mit dieser Verstärkeranordnung gemäß den Ausführungsformen ist es möglich, jeweils den ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad oder den dritten Verstärkungssignalpfad auszuwählen, ohne dass in der Verstärkeranordnung Schalter benutzt werden. Dies wird durch vorteilhafte Ausnutzung des Reflexions- und Übertragungsverhaltens des Kopplungselements am ersten und zweiten Ausgangsanschluss erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform lassen sich der erste und zweite Arbeitsmodus durch Aktivieren oder Deaktivieren des ersten bzw. zweiten Verstärkungssignalpfades auswählen. Das Aktivieren oder Deaktivieren kann beispielsweise erreicht werden, indem der erste und zweite Verstärkungssignalpfad angesteuert werden, wobei jedes Signal, das an den ersten Eingangsanschluss der Kopplungseinrichtung angelegt wird, am ersten und zweiten Ausgangsanschluss bereitgestellt wird. Der aktivierte erste und zweite Verstärkungssignalpfad empfangen die Signale an den Ausgangsanschlüssen. Eine Reflexion von Signalanteilen am ersten und zweiten Ausgangsanschluss zurück zum dritten Ausgangsanschluss lässt sich wesentlich reduzieren, indem die Eingangsimpedanz des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades an die jeweilige Impedanz der Ausgangsanschlüsse angepasst wird.
Bei einer Deaktivierung des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades unterscheidet sich die Eingangsimpedanz der Verstärkungssignalpfade von der Ausgangsimpedanz des ersten und zweiten Ausgangsanschlusses der Kopplungseinrichtung. Dies führt zu einem hohen Reflexionskoeffizienten am ersten und zweiten Ausgangsanschluss, was bewirkt, dass jedes Signal zum dritten Ausgangsanschluss zurück reflektiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Verstärker des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades einen Biasing-(Ruhestromeinstellungs-)Eingang aufweisen. Dieser Biasing-Eingang ist für den Empfang eines Biasing-Signals ausgebildet. Mit Hilfe des Biasing-Signals lässt sich der mindestens eine Verstärker im ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad aktivieren oder deaktivieren. In einer anderen Ausführungsform kann der mindestens eine Verstärker des dritten Verstärkungssignalpfades ebenfalls einen Biasing-Eingang für den Empfang eines Biasing-Signals aufweisen. Durch Schalten des Biasing-Signals von mindestens einem Verstärker der jeweiligen Verstärkungssignalpfade lässt sich der erste oder zweite Arbeitsmodus auswählen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Verstärker mindestens eines der Verstärkungssignalpfade einen Verstärkungssteuerungseingang zum Einstellen der Verstärkung aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Verstärkeranordnung auch einen Signalausgang und ein zweites Kopplungselement aufweisen, das mit seinem Ausgangsanschluss an den Signalausgang gekoppelt ist. Das zweite Kopplungselement weist einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss auf, die jeweils an den Ausgangsanschluss des ersten bzw. zweiten Verstärkungssignalpfades gekoppelt sind.
In einer anderen Ausführungsform können zwischen einem ersten und einem zweiten Kopplungselement drei Verstärkungssignalpfade vorgesehen sein. Die Verstärkungssignalpfade können eine jeweils unterschiedliche maximale Ausgangsleistung aufweisen. In einem ersten Arbeitsmodus stellt das zweite Kopplungselement an seinem Ausgangsanschluss ein Signal bereit. Dieses Signal wird aus dem Signal an seinem ersten und zweiten Eingangsanschluss erzeugt. Im zweiten Arbeitsmodus stellt das zweite Kopplungselement an seinem Ausgangsanschluss ein Signal bereit, wobei dieses Signal am dritten Eingangsanschluss empfangen wird, und am ersten und zweiten Eingangsanschluss zurück zum Ausgangsanschluss reflektiert wird.
Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, zwischen unterschiedlichen Verstärkungssignalpfaden umzuschalten, ohne Signalschalter zu benutzen. Das Schalten lässt sich durch gezieltes Aktivieren oder Deaktivieren des ersten und zweiten oder des dritten Verstärkungssignalpfades erreichen.
In einer Ausführungsform weist eine Verstärkeranordnung einen Signalausgang für ein RF-Signal, und einen ersten und einen zweiten Verstärkungssignalpfad auf, die jeweils einen Ausgangsanschluss, einen Eingangsanschluss und mindestens eine Verstärkerbaugruppe aufweisen. Die mindestens eine Verstärkerbaugruppe jedes Verstärkungssignalpfades ist an diesen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss gekoppelt. Ein dritter Verstärkungssignalpfad ist vorgesehen. Angeordnet ist ein Kopplungselement mit einem Ausgangsanschluss, der an den Signalausgang gekoppelt ist, und mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss, die jeweils an den Ausgangsanschluss des ersten bzw. zweiten Verstärkungssignal-pfades gekoppelt sind. Ein dritter Anschluss des Kopplungselements ist an den Ausgangsanschluss des dritten Verstärkungssignalpfades gekoppelt. Die Verstärkeranordnung weist zwei mögliche Arbeitsmodi auf. Das Kopplungselement ist dazu ausgebildet, in einem ersten Arbeitsmodus ein Signal an seinem Ausgangsanschluss bereitzustellen. Dieses Signal wird aus Signalen an seinem ersten und zweiten Eingangsanschluss erzeugt. Das Kopplungselement ist dazu ausgebildet, in einem zweiten Arbeitsmodus an seinem Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei dieses Signal am dritten Eingangsanschluss empfangen wird, und am ersten und zweiten Eingangsanschluss zurück zum ersten Ausgangsanschluss reflektiert wird.
Ein solches Reflektieren lässt sich erreichen, indem beispielsweise der erste und zweite Verstärkungssignalpfad aktiviert oder deaktiviert werden, wodurch sich die Ausgangsimpedanz des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades verändert.
In einer Ausführungsform kann mindestens der erste, zweite oder dritte Verstärkungssignalpfad einen Anpassungsschaltkreis aufweisen, der zwischen den Ausgangsanschlüssen des ersten Kopplungselements und der mindestens einen Verstärkerbaugruppe angeordnet ist. Ein Anpassungsnetzelement kann ebenfalls zwischen dem Eingangsanschluss des zweiten Kopplungselements und der mindestens einen Verstärkerbaugruppe angeordnet sein. Dieser Anpassungsschaltkreis kann dazu vorgesehen sein, die Ausgangsimpedanz des jeweiligen Verstärkers an die Eingangsimpedanz des zweiten Kopplungselements anzupassen. In einer anderen Ausführungsform ist der Anpassungsschaltkreis dazu vorgesehen, die Ausgangsimpedanz des ersten Kopplungselements an die Eingangsimpedanz der jeweiligen Verstärkerbaugruppe des Verstärkungssignalpfades anzupassen, der an den Ausgangsanschluss angeschlossen ist.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Verstärkeranordnung mit einem Kopplungselement 50, das an den Signaleingang RF_in angeschlossen ist. Das Kopplungselement 50 weist einen Richtkoppler auf. Richtkoppler sind passive Einrichtungen, die auf dem Gebiet der Funktechnik benutzt werden. Der Koppler 50 koppelt einen bekannten Anteil des RF-Eingangssignals durch die anderen Anschlussstellen aus, und zwar durch die Anschlussstellen 2 und 3. Die vierte Anschlussstelle, die dem Ausgangsanschluss 4 ähnelt, wird häufig als isolierte Anschlussstelle bezeichnet.
In dieser Ausführungsform ist der erste Ausgangsanschluss, welcher der zweiten Anschlussstelle 2 entspricht, mit einem Eingangsanpassungsnetz 15 des ersten Verstärkungssignalpfades verbunden. Der erste Verstärkungssignalpfad weist ebenfalls eine Verstärkerstufe 11 auf, die mit dem Eingangsanpassungsnetz 15 verbunden ist, sowie ein Zwischenstufenanpassungsnetz 13, das zwischen dem Ausgang der Verstärkerstufe 11 und einem Eingangsanschluss einer zweiten Verstärkerstufe 12 angeordnet ist. Der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 12 ist an ein Ausgangsanpassungsnetz 14 gekoppelt, das wiederum an eine Schalteinheit 62 angeschlossen ist. Der zweite Verstärkungssignalpfad 2 weist in entsprechender Weise die gleichen Elemente auf.
Die Stufen 11 und 12 können einzelne Verstärkerbaugruppen, Verstärkereinrichtungen oder Verstärkereinheiten aufweisen. Die Stufe kann auch mehrere einzelne Verstärkerbaugruppen oder Verstärkeruntereinheiten aufweisen. Der erfindungsgemäße Verstärker lässt sich in einem Halbleitermaterial als integrierter Schaltkreis umsetzen, aber auch mit einigen separaten Elementen. Jeder Verstärkungssignalpfad ist beispielsweise als integrierter Schaltkreis umgesetzt.
Die Anpassungsnetze 15 und 23, 13 und 24, 15 und 25 verbessern jeweils im Vergleich zu einem üblichen unsymmetrischen Prototypen die Linearität unterschiedlicher Werte des Stehwellenverhältnisses (voltage standing wave ratio – VSWR). Der Ausgangsanschluss 4 des Richtkopplers 50 ist an einen dritten Verstärkungssignalpfad angeschlossen. Der dritte Verstärkungssignalpfad 3 weist ein Anpassungsnetz 34 auf, das an eine Verstärkerstufe 30 gekoppelt ist. Der Ausgang der Verstärkerstufe ist über ein Ausgangsanpassungsnetz 33 an das Schaltelement 63 gekoppelt.
In dieser Ausführungsform wird der Sendepfad für hohe Ausgangsleistung durch den ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad 1 und 2 bereitgestellt. Der dritte Verstärkungssignalpfad 3 wird für RF-Signale mit niedriger Ausgangsleistung benutzt. Zur weiteren Einstellung der Ausgangsleistung weist die Verstärkeranordnung gemäß der Ausführungsform aus 1 einen Steuerschaltkreis 7 auf, der mit dem jeweiligen Biasing-Eingang der einzelnen Verstärkerstufen in den Verstärkungssignalpfaden verbunden ist. Außerdem sind die Schaltelemente 61, 62 und 63 der einzelnen Verstärkungssignalpfade an einen Leistungskombinator 60 angeschlossen, der an den Signalausgang RF_out gekoppelt ist.
Im Betrieb lässt sich die gewünschte Ausgangsleistung durch den Steuerschaltkreis 7 einstellen. Der Steuerschaltkreis 7 empfängt über den Steuereingang 71 ein Steuerungswort, und stellt den Verstärker jedes Verstärkungssignalpfades auf den gewünschten Biasing-Wert ein. Wenn beispielsweise eine niedrige Ausgangsleistung benötigt wird, wird der dritte Verstärkungssignalpfad 3 aktiviert. Der Steuerschaltkreis 7 schließt daher den Schalter 33, um den dritten Verstärkungssignalpfad 3 mit dem Leistungskombinator 60 zu verbinden. Ferner werden die Verstärkerstufen 11, 12, 21 und 22 durch Ausschalten des Biasing-Stroms deaktiviert. Gleichzeitig werden die Schalter 61 und 62 geöffnet.
Wie im Folgenden erläutert werden soll, werden durch Deaktivieren der Verstärker der erste und der zweite Verstärkungssignalpfad deaktiviert. Gleichzeitig passt das Anpassungsnetz 34 die Eingangsimpedanz des Verstärkers 30, dessen Ruhestrom nun eingestellt ist, an den Ausgang 4 des Richtkopplers 50 an. Die Aktivierung des dritten Verstärkungssignalpfades durch Einstellen des Ruhestroms des Verstärkers 30 reduziert den Reflexionskoeffizienten der Ausgangsschnittstelle 4 des Kopplers 50 wesentlich. Gleichzeitig erhöhen sich die Reflexionskoeffizienten an den Schnittstellen 2 und 3 aufgrund der Deaktivierung der Verstärkungssignalpfade 1 und 2 wesentlich. Auf diese Weise wird jedes RF-Signal am Signaleingang, das in den Richtkoppler 50 gekoppelt wird, an den Ausgangsanschlüssen 2 und 3 des Kopplers 50 reflektiert und an den Ausgangsanschluss 4 weitergeleitet.
Wird eine hohe Ausgangsleistung benötigt, deaktiviert der Steuerschaltkreis 7 den dritten Verstärkungssignalpfad 3 durch Ausschalten des Verstärkers 30, so dass die Eingangsimpedanz des Verstärkers 30 umgeschaltet wird. Aufgrund der Veränderung der Impedanz kann das Anpassungsnetz 34 die Eingangsimpedanz des Verstärkers 30 nicht länger an die Ausgangsimpedanz von Anschluss 4 des Kopplers 50 anpassen. Daher nimmt der Reflexionskoeffizient an Schnittstelle 4 wesentlich zu, und der Anschluss 4 verhält sich nun wie eine isolierte Anschlussstelle. Der Schalter 63 wird geöffnet, während die Schalter 61 und 62 von Steuerschaltkreis 7 geschlossen werden. Der Steuerschaltkreis 7 führt eine Aktivierung und ein Biasing der Verstärkerstufen 11, 12, 21 und 22 durch. Die Eingangsanpassungsnetze 15 und 33 passen die Ausgangsimpedanz der jeweiligen Ausgangsanschlüsse des Kopplers 50 an die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufen 11 und 21 an. Auf diese Weise nehmen die Reflexionskoeffizienten an den Ausgangsanschlüssen ab, und ein Signal, das in den Koppler 50 gekoppelt wird, wird an die Ausgangsanschlüsse 2 und 3 weitergeleitet. Nach dem Verstärken in den Verstärkungssignalpfaden werden beide Signale im Kombinator 60 kombiniert, und an den Signalausgang RF_out bereitgestellt.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Verstärkeranordnung. Die Anordnung weist einen ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad auf, die jeweils ein Eingangsanpassungsnetz, zwei einstellbare Verstärker, ein Zwischenstufenanpassungsnetz zwischen den Verstärkern, und ein Ausgangsanpassungsnetz aufweisen. Die Verstärkungssignalpfade 1 und 2 sind jeweils zwischen zwei Kopplungselementen 50a und 60a angeordnet. Das Kopplungselement 50a weist einen 90°-Hybridteiler auf, während das Element 60a ein 90°-Hybridkombinator ist. Die Verstärkeranordnung weist ferner einen zusätzlichen separaten Niedrigleistungsverstärkungspfad 3 auf, der zwischen der isolierten Anschlussstelle 4 des Eingangshybridteilers 50a und der isolierten Anschlussstelle 4 des Ausgangshybridkombinators 60a angeschlossen ist.
3 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines solchen 90°-Hybridteilers. Um den 90°-Hybridkombinator 60a umzusetzen, kann die RF-Signalrichtung, also die Eingangs- und Ausgangsrichtung, umgekehrt werden, da der hier gezeigte 90°-Hybridteiler eine lineare Einrichtung ist. Der Hybridteiler weist zwei Übertragungsleitungen auf, bei denen Z₀/√2 ausreichend nahe zueinander eingestellt ist, weshalb durch die eine Leitung geleitete Energie an die andere gekoppelt wird. Die Länge der Übertragungsleitungen zwischen der Eingangsanschlussstelle 1, der Ausgangsanschlussstelle 2, der isolierten Anschlussstelle 4 und der Ausgangsanschlussstelle 3 ist auf λ/4 eingestellt, wobei λ der Wellenlänge des übertragenen RF-Signals entspricht. Ein Signal, das in den Eingangsanschluss 1 eintritt, wird in seiner Leistung gleichmäßig zwischen den Ausgangsanschlüssen 2 und 3 aufgeteilt, allerdings einschließlich einer Phasenverschiebung von 90° zwischen diesen Ausgangsanschlüssen. Aufgrund der niedrigen Reflexionskoeffizienten erhält der isolierte Anschluss 4 keine Leistung.
Mit anderen Worten, das eingehende Signal an Eingangsanschlussstelle 1 wird geteilt, und es werden zwei Signale an den Ausgangsanschlussstellen 2 und 3 bereitgestellt. Das Signal an Ausgangsanschlussstelle 2 weist dieselbe Frequenz und Phase auf wie das Signal an der Ausgangsanschlussstelle 1, während das Signal an Anschluss 3 dieselbe Frequenz aufweist wie das Signal an der Eingangsanschlussstelle 1, jedoch auch eine Phasenverschiebung von 90° in Bezug auf das an die Ausgangsanschlussstelle 2 gelieferte Signal. Die isolierte Ausgangsanschlussstelle 4 bleibt solange isoliert, wie die Impedanz Z₀ gleich R₀ ist, wie es der Fall ist, solange die Reflexionskoeffizienten an den Ausgangsanschlussstellen 2 und 3 nicht wesentlich ansteigen.
In einer anderen Ausführungsform eines Hybridteilers kann der Teiler dazu ausgelegt sein, bezüglich der Phase eines Signals an der Eingangsanschlussstelle 1 eine Phasenverschiebung von +45° an der Ausgangsanschlussstelle 2 und von –45° an der Ausgangsanschlussstelle 3 zu bewirken. Mit anderen Worten, ein Signal an Eingangsanschlussstelle 1, das eine Frequenz und eine erste Phase aufweist, wird an Ausgangsanschlussstelle 2 mit einer Phasenverschiebung von +45° in Bezug auf die erste Phase versehen, und an Ausgangsanschlussstelle 3 mit einer Phasenverschiebung von –45° in Bezug auf die erste Phase.
Wenn die Hochleistungsverstärkungssignalpfade 1 und 2 aktiviert sind, passen die Eingangsanpassungsnetze 15 und 22 die Eingangsimpedanz der Verstärker 13 und 21 an die Ausgangsimpedanz der Ausgangsanschlüsse 2 und 3 des Hybridteilers 50a an. Ebenso passen die Ausgangsanpassungsnetze 15 und 25 die Impedanz der Verstärker 12, 22 an die Eingangsanschlüsse 2 und 3 des Hybridkombinators 60a an. Die Anschlüsse 4 des Teilers 50a und des Kombinators 60a bleiben isoliert.
Im Niedrigleistungsmodus schaltet eine Bias-Steuereinheit, die hier nicht gezeigt ist, das Biasing der Transistoren in den beiden balancierten Verstärkerpfaden 1 und 2 aus, und stellt ein geeignetes Biasing für den Niedrigleistungsverstärkungspfad 3 bereit. Ein Signal am Eingangsanschluss 1 des Hybridteilers 50a wird nun an den Ausgangsanschlüssen 2 und 3 zurück zur isolierten Anschlussstelle 4 reflektiert. Aufgrund der Aktivierung des Verstärkers 30 und des Eingangsanpassungsnetzes 34 wird der Ausgangsanschluss 4 transparent, und das Signal, das an die isolierte Anschlussstelle reflektiert wird, wird an den Verstärkungssignalpfad 3 weitergeleitet.
Der hier gezeigte Quadraturhybrid ist deshalb vorteilhaft, weil kein Eingangsstehwellenverhältnis eines solchen Hybriden von einer gleichwertigen Lastfehlanpassung abhängig ist. Daher fließt die gesamte reflektierte Leistung in den Anschluss 4, und wird im Widerstand, das heißt, im dritten Verstärkungssignalpfad 3, umgewandelt. Ebenso fließt bei einem Kombinator die Reflexionswelle von den zwei Eingängen 2 und 3 zur Last, und wird am Signalausgang RF_out bereitgestellt. Auf diese Weise arbeiten die Ausgangsanschlüsse 4, normalerweise als isolierte Anschlussstelle 4 bezeichnet, als 50-Ω-Ausgang bzw. 50-Ω-Eingang.
Die hier gezeigten unterschiedlichen Verstärkeranordnungen weisen bei niedrigeren Ausgangspegeln einen hohen Wirkungsgrad auf, ohne dass weitere Schalter zum Isolieren der Hochleistungsverstärkungssignalpfade 1 und 2 vom Niedrigleistungsverstärkungssignalpfad vorgesehen sind. Außerdem lässt sich ein adaptives Biasing auf die Transistoren im Verstärkungssignalpfad 3 anwenden, um die Ruheströme bei sehr geringen Ausgangsleistungen zu minimieren. Dieses adaptive Biasing trägt zu einer zwei- bis dreifachen Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber einer üblichen Abgleicharchitektur bei.
Der Hybridteiler 50a sowie der Hybridkombinator 60a oder der Richtkoppler 50 lassen sich allgemein durch jedes beliebige konzentrierte Bauteil oder Leitungselement implementieren. Dabei kann es sich beispielsweise um separate Bauteile wie Spulen mit einer Induktion L oder Kondensatoren mit einer Kapazität C handeln. Die Anzahl der Leistungsverstärker innerhalb der Verstärkungspfade 1 bis 3 kann veränderlich sein, und kann an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Verstärken eines Signals werden gezeigt. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, ein Signal durch Benutzung unterschiedlicher Verstärkungspfade zu verstärken, ohne dass Schalter zum Selektieren oder Deselektieren des gewünschten Pfades vorliegen müssen. Nachdem in Schritt S1 mindestens drei Verstärker bereitgestellt wurden, wird in Schritt S2 das zu übertragende Signal, welches verstärkt werden soll, bereitgestellt. In Schritt S3 wird nun der Verstärkungspfad ausgewählt, der anschließend zur Verstärkung des bereitgestellten Signals benutzt werden soll. Um eine solche Auswahl zu treffen, werden jeweils das Reflexionsverhalten und die Impedanz der Verstärkungspfade benutzt. Für alle diejenigen Verstärkungspfade, die nicht zur Verstärkung ausgewählt wurden, wird der Reflexionskoeffizient auf einen hohen Wert eingestellt. Der Reflexionskoeffizient des ausgewählten Pfades wird entsprechend auf einen niedrigen Wert eingestellt. Auf diese Weise wird ein Signal, das an den Eingangsanschluss der nicht ausgewählten Verstärkungspfade angelegt wird, reflektiert, während es am ausgewählten Pfad in den Pfad eingeleitet wird und verstärkt werden kann. Es ist möglich, auch die Impedanz der Verstärkungspfade zu benutzen.
Wenn zwei Pfade ausgewählt werden, wird das Signal an diese Pfade angelegt und verstärkt. Nach der Verstärkung in den ausgewählten Pfaden in Schritt 6 bzw. 6a wird das verstärkte Signal in Schritt S7 an einem Ausgangsanschluss bereitgestellt.
Obwohl spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, wird für Durchschnittsfachleute auf der Hand liegen, dass jede Anordnung, die dazu ausgelegt ist, denselben Zweck zu erfüllen, anstelle der spezifischen gezeigten Ausführungsformen benutzt werden kann. Es versteht sich, dass die oben stehende Beschreibung der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung dient. Diese Anmeldung deckt alle Anpassungen und Variationen der Erfindung ab. Fachleute, die die oben stehende Beschreibung gelesen und nachvollzogen haben, werden zu Kombinationen der aufgeführten Ausführungsformen und vieler anderer Ausführungsformen gelangen. Der Umfang der Erfindung umfasst andere Ausführungsformen und Anwendungen, in denen sich die genannten Strukturen und Verfahren benutzen lassen. Der Umfang der Erfindung ist daher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Ansprüche einschließlich des Umfangs der Äquivalente zu definieren, auf die sich der Schutzanspruch erstreckt.
Die Zusammenfassung entspricht den Vorgaben von 37 CFR 1.72(b), die eine Zusammenfassung verlangen, die es dem Leser ermöglicht, Charakter und Grundgedanken der technischen Offenbarung rasch zu überprüfen. Sie wird unter der Annahme eingereicht, dass sie nicht zur Auslegung oder Einschränkung des Umfangs oder der Bedeutung der Ansprüche verwendet wird.

Claims

Verstärker, aufweisend: einen ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad; und einen dritten Verstärkungssignalpfad; ein erstes Kopplungselement, das einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweist, die jeweils an einen Eingangsanschluss des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades gekoppelt sind, und einen dritten Anschluss, der an einen Eingangsanschluss des dritten Verstärkungssignalpfades gekoppelt ist; wobei das erste Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand am ersten Ausgangsanschluss und am zweiten Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei dieses Signal am zweiten Ausgangsanschluss eine Phasenverschiebung in Bezug auf das Signal am ersten Ausgangsanschluss aufweist, und wobei das erste Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand am dritten Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei das bereitgestellte Signal an einem Eingangsanschluss des Kopplungselements empfangen wird, und am ersten und zweiten Ausgangsanschluss reflektiert wird, und wobei das erste Kopplungselement einen 90°-Hybridteiler oder einen bidirektionalen Richtkoppler aufweist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei der erste Betriebszustand in Reaktion auf ein Aktivieren des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades und ein Deaktivieren des dritten Verstärkungssignalpfades auswählbar ist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei der zweite Betriebszustand in Reaktion auf ein Aktivieren des dritten Verstärkungssignalpfades und ein Deaktivieren des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades auswählbar ist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei mindestens eine erste Verstärkereinheit, die im ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad angeordnet ist, einen Biasing-Eingangsanschluss zum Empfangen eines Biasing-Signals aufweist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei mindestens eine zweite Verstärkereinheit, die im dritten Verstärkungssignalpfad angeordnet ist, einen Biasing-Eingang für den Empfang eines Biasing-Signals aufweist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei mindestens die erste oder die zweite Verstärkereinheit einen Verstärkungssteuereingang zum Einstellen der Verstärkung aufweist.
Verstärker nach Anspruch 4 oder 5, ferner aufweisend: einen Steuerschaltkreis, wobei der Steuerschaltkreis einen Steuereingangsanschluss zum Empfangen eines Leistungssteuerungswortes aufweist, und einen Ausgangsanschluss, der an einen Biasing-Eingangsanschluss gekoppelt ist.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Signalausgang; ein zweites Kopplungselement mit einem Ausgangsanschluss, der an den Signalausgang gekoppelt ist, und einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss, die jeweils an den Ausgangsanschluss des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades gekoppelt sind, und einen dritten Anschluss, der an einen Ausgangsanschluss des dritten Verstärkungssignalpfades gekoppelt ist; wobei das zweite Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand an seinem Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei das Signal aus Signalen am ersten und zweiten Eingangsanschluss erzeugt wird, und wobei das zweite Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand ein Signal an seinem Ausgangsanschluss bereitzustellen, wobei das bereitgestellte Signal am dritten Eingangsanschluss empfangen wird, und am ersten und zweiten Eingangsanschluss reflektiert wird.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei der 90°-Hybridteiler einen Eingangsanschluss und eine Übertragungsleitung mit einer Länge von 1/4 einer zentralen Wellenlänge des Signals am Eingangsanschluss aufweist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei mindestens der erste, zweite oder dritte Verstärkungssignalpfad einen Anpassungsschaltkreis aufweist, der zwischen dem Ausgangsanschluss des Kopplungselements und der mindestens einen Verstärkereinheit angeordnet ist, wobei der Anpassungsschaltkreis dazu ausgebildet ist, die Ausgangsimpedanz des Kopplungselements an die Eingangsimpedanz der jeweiligen Verstärkereinheit anzupassen.
Verstärker, aufweisend: einen ersten und einen zweiten Verstärkungssignalpfad; und einen dritten Verstärkungssignalpfad; ein Kopplungselement, das einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss aufweist, die jeweils an einen Ausgangsanschluss des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades gekoppelt sind, und einen dritten Eingangsanschluss, der an einen Ausgangsanschluss des dritten Verstärkungssignalpfades gekoppelt ist; wobei das Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand an einem Ausgangsanschluss ein Signal bereitzustellen, wobei das Signal aus Signalen an seinem ersten und zweiten Eingangsanschluss erzeugt wird, und wobei das Kopplungselement dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand ein Signal an seinem Ausgangsanschluss bereitzustellen, wobei das Signal am dritten Eingangsanschluss empfangen wird, und am ersten und zweiten Eingangsanschluss reflektiert wird; und wobei der erste und der zweite Betriebszustand durch Aktivieren oder Deaktivieren des ersten und zweiten Verstärkungssignalpfades einstellbar sind mittels selektiven Einstellens des Ruhestroms einer Verstärkereinheit der Verstärkungssignalpfade, das in einer Impedanz-Änderung an deren Eingangsanschlüssen resultiert.
Verstärker nach Anspruch 11, wobei mindestens eine erste Verstärkereinrichtung, die im ersten und zweiten Verstärkungssignalpfad angeordnet ist, einen Biasing-Eingang zum Empfangen eines Biasing-Signals aufweist.
Verstärker nach Anspruch 11, wobei mindestens eine zweite Verstärkereinrichtung, die im dritten Verstärkungssignalpfad angeordnet ist, einen Biasing-Eingang für den Empfang eines Biasing-Signals aufweist.
Verstärker nach Anspruch 11, wobei mindestens die erste oder die zweite Verstärkereinrichtung einen Verstärkungssteuereingang zum Einstellen der Verstärkung aufweist.
Verstärker nach Anspruch 12 oder 14, ferner aufweisend: einen Steuerschaltkreis, wobei der Steuerschaltkreis einen Eingangsanschluss für ein Steuerungswort aufweist, und mindestens einen Ausgangsanschluss, der an die Biasing-Eingangsanschlüsse von mindestens der ersten oder der zweiten Verstärkereinrichtung gekoppelt ist.
Verstärker nach Anspruch 11, wobei das Kopplungselement einen 90°-Hybridteiler oder einen bidirektionalen Richtkoppler aufweist.
Verstärker nach Anspruch 11, wobei mindestens der erste, zweite oder dritte Verstärkungssignalpfad einen Anpassungsschaltkreis aufweist, der zwischen einem Ausgangsanschluss und mindestens einer Verstärkereinrichtung des mindestens einen Verstärkungspfades angeordnet ist, wobei der Anpassungsschaltkreis dazu ausgebildet ist, die Ausgangsimpedanz der jeweiligen Verstärkerbaugruppe an die Eingangsimpedanz des Kopplungselements anzupassen.
Verstärker nach Anspruch 11, wobei das Signal am zweiten Eingangsanschluss eine Phasenverschiebung in Bezug auf das Signal am ersten Eingangsanschluss aufweist.
Senderanordnung, aufweisend: zwei Verstärkungssignalpfade, wobei jeder Verstärkungssignalpfad einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist; einen dritten Verstärkungssignalpfad, der einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist; wobei die Verstärkungssignalpfade am Eingangsanschluss eine schaltbare Impedanz aufweisen, wobei die schaltbare Impedanz durch Einstellen des Ruhestroms einer Verstärkereinheit der Verstärkungssignalpfade auswählbar ist; eine Leistungsteilungseinrichtung, die an die Eingangsanschlüsse der Verstärkungssignalpfade gekoppelt ist, wobei die Leistungsteilungseinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Signal abhängig von der Eingangsimpedanz der Verstärkungssignalpfade an die zwei Verstärkungssignalpfade oder an den dritten Verstärkungssignalpfad zu leiten.
Senderanordnung nach Anspruch 19, wobei die zwei Verstärkungssignalpfade ein erstes Signal und ein zweites Signal übertragen, wobei das erste Signal eine Phasenverschiebung in Bezug auf das zweite Signal aufweist.
Senderanordnung nach Anspruch 19, wobei die zwei Verstärkungssignalpfade jeweils eine Anpassungsnetzeinrichtung aufweisen, die zwischen dem jeweiligen Eingangsanschluss und einer Verstärkereinheit angeordnet ist, wobei die Anpassungsnetzeinrichtung dazu vorgesehen ist, eine Eingangsimpedanz der Verstärkereinheit an eine Impedanz des Ausgangsanschlusses des Leistungsteilers anzupassen, der an den jeweiligen Verstärkungssignalpfad gekoppelt ist.
Senderanordnung nach Anspruch 19, ferner aufweisend: einen Steuerschaltkreis mit einem Steuereingangsanschluss zum Empfangen eines Steuerungswortes, und einen Signalausgangsanschluss, der an die Verstärker der Verstärkersignalpfade gekoppelt ist, um den Ruhestrom der wenigstens einen Verstärkereinheit einzustellen.
Senderanordnung nach Anspruch 19, ferner umfassend: einen Signalausgang für ein RF-Signal; eine Leistungskombinatoreinrichtung mit drei Eingangsanschlüssen, die an jeweilige Verstärkungssignalpfade gekoppelt sind, und mit einem Ausgangsanschluss, der mit dem Signalausgang verbunden ist, wobei die Leistungskombinatoreinrichtung dazu vorgesehen ist, abhängig von der Ausgangsimpedanz der Verstärkungssignalpfade ein Signal von mindestens einem der drei Verstärkungssignalpfade an den Signalausgang zu leiten.
Senderanordnung nach Anspruch 23, wobei die erste Leistungsteilungseinrichtung einen 90°-Hybridteiler aufweist.
Senderanordnung nach Anspruch 23, wobei die Leistungskombinatoreinrichtung einen 90°-Hybridkombinator aufweist.
Verfahren zum Verstärken eines Signals, aufweisend: Empfangen eines zu verstärkenden Signals; Auswählen von mindestens einem von mindestens drei Verstärkungssignalpfaden durch Verändern des Reflexionsverhaltens der mindestens drei Verstärkungssignalpfade, wobei jeder Verstärkungssignalpfad mindestens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Verstärkungssignalpfade an mindestens ein Kopplungselement gekoppelt sind; Koppeln des zu verstärkenden Signals an den mindestens einen ausgewählten Verstärkungssignalpfad; wobei das Koppeln der Verstärkungssignalpfade an das mindestens eine Kopplungselement aufweist: Teilen des zu verstärkenden Signals in einen ersten und einen zweiten Signalanteil; Bereitstellen des ersten Signalanteils an einem ersten Ausgang, der mit einem ersten Verstärkungssignalpfad verbunden ist; Bereitstellen des zweiten Signalanteils an einem zweiten Ausgang, der mit dem zweiten Verstärkungssignalpfad verbunden ist, wobei der zweite Signalanteil eine Phasenverschiebung in Bezug auf den ersten Signalanteil aufweist; und Verstärken des zu verstärkenden Signals durch den mindestens einen ausgewählten Verstärkungssignalpfad.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Verändern des Reflexionsverhaltens aufweist: Einstellen des Ruhestroms der Verstärkerstufen, wodurch die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz der jeweiligen Verstärkungssignalpfade verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Koppeln des Signals an den mindestens einen ausgewählten Verstärkungssignalpfad aufweist: Reflektieren des zu verstärkenden Signals an zwei Ausgangsanschlüssen der Kopplungseinrichtung zu einem dritten Ausgangsanschluss der Kopplungseinrichtung.