DE19757142A1 - Mobilfunkgerät - Google Patents
MobilfunkgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Mobilfunkgerät mit wenigstens einer Senderendstufe, mit
wenigstens einer Antenne und mit wenigstens einem zwischen Senderendstufe und
Antenne angeordneten Impedanzanpassungsnetzwerk mit einem Transformations
faktor zur Anpassung einer Senderlastimpedanz an eine Antenneneingangsimpedanz.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung noch auf einen Sender mit wenigstens einer
Senderendstufe, mit wenigstens einer Antenne und mit wenigstens einem zwischen
Senderendstufe und Antenne angeordneten Impedanzanpassungsnetzwerk mit einem
Transformationsfaktor zur Anpassung einer Senderlastimpedanz an eine Antennen
eingangsimpedanz.
Aus der Offenlegungsschrift DE 42 22 190 A1 ist ein solches Funkgerät mit einer
Antennenumschaltvorrichtung für wechselseitigen Sende- und Empfangsbetrieb
bekannt. Dabei ist zur Anpassung ein λ/4-Wellenleiter zwischen Senderendstufe (31)
und Antenne (1) angeordnet. Dadurch können die speziellen Transformations
eigenschaften für den Anfangs- und Endwiderstand ZA bzw. ZE des λ/4-Wellen
leiters ausgenutzt werden. Der Endwiderstand ZE eines λ/4-Wellenleiters wird auf
den Eingang des λ/4-Wellenleiters in Abhängigkeit seines Wellenwiderstandes Z
transformiert. Der Wellenwiderstand Z läßt sich mittels der Parameter des wellen
führenden Bereichs, wie geometrische Abmessungen und Materialkonstanten (ε, µ),
für die zu führende Wellenlänge λ einstellen. Die Widerstandstransformation erfolgt
allgemein nach der Beziehung ZA = Z2/ZE. Der mit der Senderendstufe (31)
verbundene λ/4-Wellenleiter (32) transformiert im sendenden Zustand die Antennen
impedanz auf die Erfordernisse der Senderendstufe (31). Auf diese Weise wird im
sendenden Zustand die Senderendstufe (31) an die Antenne (1) angepaßt und die
Ausgangsleistung der Senderendstufe (31) voll zur Antenne (1) weitergegeben.
Durch o.a. Veränderungsmöglichkeiten des Wellenwiderstandes Z kann ein
geeigneter Transformationsfaktor eingestellt werden. Der zweite λ/4-Wellenleiter
(33) kann für die Widerstandtransformation vernachlässigt werden, wenn sein
Wellenwiderstand gleich dem Antennenwiderstand eingestellt wird (s. o. Trans
formationsgleichung).
Die Lastimpedanz eines Leistungsverstärkers in einer Senderendstufe wird an den
Eingang einer Antenne angepaßt, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad
(Verhältnis der Leistung, die an die Antenne abgegeben wird zur aufgewendeten
Gesamtleistung) der Senderendstufe zu erzielen. Eine Anpassung mittels einem λ/4-Wel
lenleiter gemäß dem Stand der Technik erreicht jedoch jeweils nur für einen
Betriebszustand mit einer bestimmten Ausgangsleistung PA und Versorgungs
spannung UB des Leistungsverstarkers einen guten Wirkungsgrad (fester Transforma
tionsfaktor). Bei Mobilfunkgeräten, z. B. für Mobilfunk nach dem GSM-Stan
dard, sind jedoch verschiedene Pegel für die Ausgangsleistung festgelegt, die
abhängig von den Übertragungseigenschaften mittels einer Leistungsregelung exakt
eingestellt werden müssen. Außerdem verändert sich noch die Versorgungsspannung
UB entsprechend einer Entladungskurve für die verwendete Batterie. Daher sinkt
gegenüber dem angepaßten Betriebszustand beispielsweise bei erhöhter Versorgungs
spannung UB und konstant geregelter Ausgangsleistung PA der Wirkungsgrad, weil
die Spannung UA am Ausgang der Senderendstufe konstant bleibt. Damit bleibt auch
der Strom IA am Ausgang auf dem geregelten konstanten Wert, so daß der
Wirkungsgrad stark reduziert ist. Insgesamt wird häufig nur ein reduzierter
Wirkungsgrad der Senderendstufe erreicht. Das ist insbesondere bei batterie
betriebenen Mobilfunkgeräten aufgrund der infolgedessen verkürzten Nutzungsdauer
ein wesentlicher Nachteil.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Mobilfunkgerät mit einem verbesserten
Wirkungsgrad der Senderendstufe bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu
schaffen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Impedanzanpassungsnetzwerk wenigstens
zwei Impedanztransformatoren durch wahlweise Parallelschaltung zur Bildung von
wenigstens zwei Transformationsfaktoren vorgesehen sind. Auf diese Weise können
wenigstens zwei unterschiedliche Lastimpedanzen für die Senderendstufe eingestellt
werden, wobei durch geeignete Verschaltung sind auch mehr Transformations
faktoren denkbar sind. Die Anordnung im Impedanzanpassungsnetzwerk kann sehr
flexibel gemäß den Anforderungen, insbesondere mittels Software-gesteuerter
Schalter, angepaßt werden, ohne Änderungen an der Hardware vornehmen zu
müssen. Damit kann ein guter Wirkungsgrad der Senderendstufe bei unterschied
lichen Betriebszuständen erreicht werden, da die Senderendstufe jeweils eine
Lastimpedanz besitzt, bei der die für die eingestellte Sendeleistung höchst mögliche
Spannungsamplitude entsteht.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Bildung der Impedanz
transformatoren durch wenigstens zwei λ/4-Wellenleiter. Die λ/4-Wellenleiter
können als Koaxialleiter oder als Streifenleiter ausgeführt werden. Ebenfalls kann
eine Nachbildung eines λ/4-Wellenleiters mittels einem LC-Netzwerk verwendet
werden, das die entsprechenden Übertragungseigenschaften besitzt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Impedanzanpassungsnetzwerk ein erster
λ/4-Wellenleiter einerseits zur Kopplung mit dem Ausgang der Senderendstufe und
andererseits mit dem Eingang der Antenne und ein zweiter λ/4-Wellenleiter einer
seits zur Kopplung mit dem Ausgang der Senderendstufe und andererseits mit
wenigstens einem Schalter, der in einer ersten Schalterstellung die Verbindung mit
einem Masseanschluß und in einer zweiten Schalterstellung mit dem Eingang der
Antenne herstellt, vorgesehen. Dabei kann zur Bildung des Schalters ein mit PIN-Di
oden realisierter Hochfrequenzschalter oder ein bistabiles mechanisches Relais
vorgesehen werden. Bei einer solchen Anordnung kann die Steuerung der Schalter
von einer Software übernommen werden, so daß eine schnelle und flexible
Steuerung des Impedanzanpassungsnetzwerk möglich ist. Weiterhin wird durch eine
antennenseitige Anordnung des Schalters vermieden, daß im Schalter große Verluste
entstehen. Da diese Seite hochohmig ist, fließt dort im Vergleich zum maximalen
Sendestrom an der Senderendstufe nur ein geringer Strom.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung noch durch einen Sender gelöst, bei dem
im Impedanzanpassungsnetzwerk wenigstens zwei Impedanztransformatoren durch
wahlweise Parallelschaltung zur Bildung von wenigstens zwei Transformations
faktoren vorgesehen sind.
Im Anschluß wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm der Funktionsblöcke eines Mobilfunkgerätes,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teiles des Sendezweiges des
Mobilfunkgerätes,
Fig. 3 ein detailliertere Darstellung eines Impedanzanpassungsnetzwerkes
zwischen einer Senderendstufe und einer Antenne.
Die Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm die Funktionsblöcke eines Sende- und
eines Empfangszweiges eines Mobilfunkgerätes, wie es beispielsweise einem
Mobiltelefon nach dem GSM-Standard entspricht. Eine Antenne 1 ist mit einem
Antennenumschalter 2 gekoppelt, der in einem Empfangs- bzw. Sendebetrieb den
Empfangs- bzw. Sendezweig mit der Antenne 1 verbindet. Im Empfangsbetrieb
gelangen die analogen Funksignale über eine Empfangsschaltung 3 zu einem
A/D-Umsetzer 4. Die erzeugten digitalen Signale werden in einem Demodulator 5
demoduliert und anschließend einem digitalen Signalprozessor (DSP) 6 zugeführt.
Im DSP 6 werden nacheinander die nicht im einzelnen dargestellten Funktionen
Entzerrung, Entschlüsselung, Kanaldekodierung und Sprachdekodierung durch
geführt. Mit einem D/A-Umsetzer 7 werden analoge Signale erzeugt, die über einen
Lautsprecher 8 ausgegeben werden.
Im Sendebetrieb werden die von einem Mikrofon 9 aufgenommenen analogen
Sprachsignale mit einem A/D-Umsetzer 10 umgewandelt und dann einem DSP 11
zugeführt. Der DSP 11 führt die dem Empfangsbetrieb komplementären Funktionen
Sprachkodierung, Kanalkodierung und Verschlüsselung durch, wobei alle Funktionen
von einem einzigen DSP ausgeführt werden. Die binär kodierten Datenworte werden
in einem Modulator 12 GMSK moduliert und dann in einem D/A-Umsetzer 13 in
analoge Funksignale umgewandelt. Eine Senderendstufe 14 mit einem Leistungs
verstarker erzeugt das über die Antenne 1 zu sendende Funksignal.
In der weiteren Beschreibung zu Fig. 2 wird von der Senderendstufe 14 nur noch
der Leistungsverstärker 15 betrachtet. Der Leistungsverstärker 15 ist über ein
Impedanzanpassungsnetzwerk 16 mit einem Transformationsfaktor T mit der
Antenne 1 verbunden. Die Antenne 1 besitzt einen Eingangswiderstand ZAnt, der
einen Wert von beispielsweise 75 Ω hat. Um einen optimalen Wirkungsgrad der
Senderendstufe 14 zu erreichen, muß der Eingangswiderstand ZAnt an eine geforderte
Last ZPA des Leistungsverstarkers 15 angepaßt werden. Für große Sendeleistungen
(um 2 W) muß eine Last ZPA für den Leistungsverstärker 15 von etwa 1-2 Ω
eingestellt werden, während bei einer kleineren geforderten Sendeleistung eine
hochohmigere Last benötigt wird. Daher transformiert das Impedanzanpassungs
netzwerk 16 den Eingangswiderstand ZAnt der Antenne 1 um den Transformations
faktor T.ZAnt = ZPA auf den Ausgang des Leistungsverstarkers 15.
Der Leistungsverstarker 15 wird von einer nicht dargestellten Batterie mit einer
Betriebsspannung UB versorgt. Am Ausgang liefert er eine Ausgangsspannung UA,
die an der jeweiligen Last ZPA anliegt. Bei einem Mobilfunkgerät nach dem
GSM-Standard sind zahlreiche, einzustellende Pegel für die Sendeleistung festgelegt. Die
Ausgangsleistung PPA des Leistungsverstärkers 15, die am Realteil der Last ZPA
wirksam ist, d. h. als Sendeleistung abgestrahlt wird, wird daher immer auf einen
exakten Wert geregelt. Nach PPA= 1/2.UA 2/ZPA bleibt damit bei konstanter Last ZPA
die Ausgangsspannung UA ebenfalls konstant. Dadurch kann sich nach ZPA = UA/IA
auch der Ausgangsstrom IA nicht verändern, wodurch sich häufig ein überhöhter
Stromverbrauch ergibt. Die Last ZPA, d. h. auch der zugehörige der Transformations
faktor T, wird für einen bestimmten Arbeitspunkt der Ausgangsspannung UA
gewählt. Bei einer Betriebsspannung von UB ergibt sich gemäß η = PPA/PGesamt ein
Wirkungsgrad η (typisch η < 40%) für den Leistungsverstärker 15. Dieser Wirkungs
grad verschlechtert sich, sobald die Betriebsspannung UB gegenüber dem einge
stellten Arbeitspunkt, z. B. gemäß der typischen Entladekurve der verwendeten
Batterie, erhöht ist. Um den Wirkungsgrad für unterschiedliche Arbeitspunkte der
Betriebsspannung UB zu optimieren, kann der Transformationsfaktor T und damit
die Last ZPA des Leistungsverstärkers 15 zwischen zwei Werten umgeschaltet
werden. Dies wird anhand der Fig. 3 beschrieben.
Das Impedanzanpassungsnetzwerk 16 ist in der Fig. 3 ausführlicher dargestellt. Ein
als λ/4-Wellenleiter ausgeführter erster Impedanztransformator 17 ist einerseits mit
dem Ausgang des Leistungsverstarkers 15 und andererseits mit dem Eingang der
Antenne 1 verbunden. Dieser λ/4-Wellenleiter 17 ist so bemessen, daß er bei der
verwendeten Sendefrequenz die Impedanz ZW = √(ZAnt.ZPA) besitzt, um die ange
schlossenen Last ZAnt an die geforderte Lastimpedanz ZPA des Leistungsverstärkers
15 anzupassen. Der Wert ergibt sich aus der Gleichung für einen λ/4-Transformator,
wonach für die Eingangsimpedanz ZEIN eines λ/4-Wellenleiters in Abhängigkeit von
der Leitungsimpedanz ZW und der Impedanz am Ausgang ZAUS gilt: ZEIN = ZW 2/ZAUS.
Durch geeignete Wahl der Parameter für den λ/4-Wellenleiter 17 kann eine
entsprechende Impedanz ZW und damit ein Transformationsfaktor
T = ZPA/ZAnt = (ZW/ZAnt)2 eingestellt werden. Dabei kann der λ/4-Wellenleiter 17 als
Stripline, Koaxialkabel oder durch ein LC-Netzwerk realisiert werden, das einen
solchen λ/4-Wellenleiter nachbildet. Die Impedanz kann mittels der geometrischen
Abmessungen und der Materialkonstanten eingestellt werden. Der Wellenleiter kann
auch durch eine Leitungsnachbildung mit diskreten Bauelementen nachgebildet
werden. Die Leitungsnachbildung kann dabei sowohl induktive (L) als auch
kapazitive (C) Elemente enthalten, die den jeweiligen Leitungsbelägen (L' = L/mm
bzw. C' = C/mm) des nachzubildenden Wellenleiters entsprechen. Bei allen
möglichen Realisierungen kann die wirksame Länge des Wellenleiters an die
verwendete Sendefrequenz angepaßt werden.
Ein zweiter Impedanztransformator 18 wird ebenfalls durch einen λ/4-Wellenleiter
realisiert, der am Leistungsverstarker 15 zum ersten λ/4-Wellenleiter 17 parallel
geschaltet ist. Am anderen Ende ist der zweite λ/4-Wellenleiter 18 mit einem
Schalter 19 verbunden, der in einer ersten Schalterstellung an einem Masseanschluß
und in einer zweiter Schalterstellung an der Antenne 1 anliegt. Der Kurzschluß am
Ende in der ersten Schalterstellung wird durch den λ/4-Wellenleiter 18 auf einen
Leerlauf am Anfang transformiert. Damit ist der zweite λ/4-Wellenleiter 18 in
dieser Schalterstellung unwirksam. Dagegen entsteht in der zweiten Schalterstellung
aufgrund der parallel geschalteten λ/4-Wellenleiter 17 und 18 ein neuer λ/4-Wel
lenleiter. Die Impedanz des neuen λ/4-Wellenleiters ergibt sich aus der
Parallelschaltung der Impedanzen der λ/4-Wellenleiter 17 und 18 zu
ZW =(Z18.Z17)/(Z17 + Z18). Damit verändert sich auch der Transformationsfaktor T
des Impedanzanpassungsnetzwerk 16.
Auf diese Weise lassen sich überraschend einfach zwei unterschiedliche Trans
formationsfaktoren und damit eine Anpassung des Leistungsverstärkers 15 an die
Antenne 1 in zwei verschiedenen Arbeitspunkten realisieren. Durch die antennen
seitige Anordnung des Schalters 19 wird die Umschaltung an einer hochohmigen
Stelle durchgeführt. Die kleine Lastimpedanz ZPA des Leistungsverstarkers 15 von
etwa 1-2 Ohm ist hochtransformiert, wodurch der Schalter 19 mit einem kleinen
Strom belastet ist. Daher ist eine Dimensionierung des Schalters für den maximalen
Sendestrom nicht erforderlich, und es entstehen nur geringe Verluste im Schalter 19.
Für den Schalter 19 können bistabile mechanische Relais oder gebräuchliche, mit
PIN-Dioden realisierte Hochfrequenzschalter eingesetzt werden. Zumeist wird die
Anpassung der Senderendstufe 14 an die Antenne 1 in zwei Transformationsstufen
vorgenommen, von denen die erste Stufe innerhalb der Senderendstufe 14 enthalten
ist. Dadurch muß ein erfindungsgemäßes Impedanzanpassungsnetzwerk 16 nicht von
ZPA = 1 Ω auf ZAnt =75 Ω umsetzen.
Beispielsweise werden zwei Streifenleiter als λ/4-Wellenleiter 17 und 18 verwendet.
Der breite Streifenleiter 17 hat einen Wellenwiderstand von Z17 = 53 Ω und der
schmale Streifenleiter 18 von Z18 = 128 Ω. Bei einer Antenneneingangsimpedanz von
ZAnt = 75 Ω ergibt sich in der ersten Schalterstellung eine Transformation auf einen
Wert von 37,5 Ω. Diese Transformation wird durch eine weitere Stufe ergänzt, die
in der Senderendstufe 14 enthalten ist und einen Übersetzungsfaktor von n2 = 17
realisiert. Diese zusätzliche Transformation entsteht durch integrierte Übersetzer
sowie auch durch vorhandene parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten. Damit
ergibt sich eine Last von ZPA = 2,2 Ω für die erste Schalterstellung. Bei parallel
geschaltetem zweiten λ/4-Wellenleiter 18 wird die wirksame Impedanz des neuen
λ/4-Wellenleiters zu ZW = (Z13.Z17)/(Z17 + Z18) = 37,5 Ω, so daß das Impedanz
anpassungsnetzwerk 16 um den Faktor T = 0,25 auf 18,8 Ω transformiert. Mittels der
zusätzlichen Übersetzung in der Senderendstufe 14 ergibt sich eine Last von
ZPA = 1,1 Ω. Durch Umschalten des Schalters 19 verändert sich die Last, so daß der
Ausgangsstrom IA des Leistungsverstärkers 15 bei konstanter Ausgangsspannung UA
reduziert wird. Damit wird der Stromverbrauch der Senderendstufe 14, z. B. bei
erhöhter Betriebsspannung UB von einer Batterie, trotz konstant geregelter
Ausgangsleistung gesenkt. Ein Abfallen des Wirkungsgrades von η < 40% auf einen
Wert um 30% durch die Fehlanpassung kann so verhindert werden. Weiterhin wird
durch das Umschalten der Last lediglich die ohmsche Last verändert, während auf
die Sendefrequenz eingestellte Schwingkreise nicht in ihrer Resonanzfrequenz
verstimmt werden.
Claims (6)
1. Mobilfunkgerät mit wenigstens einer Senderendstufe (14), mit wenigstens einer
Antenne (1) und mit wenigstens einem zwischen Senderendstufe (14) und Antenne
(1) angeordneten Impedanzanpassungsnetzwerk (16) mit einem Transformations
faktor (T) zur Anpassung einer Senderlastimpedanz (ZPA) an eine Antenneneingangs
impedanz (ZAnt),
dadurch gekennzeichnet,
daß im Impedanzanpassungsnetzwerk (16) wenigstens zwei Impedanztransformatoren
(17, 18) durch wahlweise Parallelschaltung zur Bildung von wenigstens zwei
Transformationsfaktoren vorgesehen sind.
2. Mobilfunkgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens zwei λ/4-Wellenleiter (17, 18) zur Bildung der Impedanz
transformatoren (17, 18) vorgesehen sind.
3. Mobilfunkgerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Impedanzanpassungsnetzwerk (16)
- - ein erster λ/4-Wellenleiter (17) einerseits zur Kopplung mit dem Ausgang der Senderendstufe (15) und andererseits mit dem Eingang der Antenne (1) und
- - ein zweiter λ/4-Wellenleiter (18) einerseits zur Kopplung mit dem Ausgang der Senderendstufe (15) und andererseits mit wenigstens einem Schalter (19), der in einer ersten Schalterstellung die Verbindung mit einem Masseanschluß und in einer zweiten Schalterstellung mit dem Eingang der Antenne (1) herstellt, vorgesehen ist.
4. Mobilfunkgerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit PIN-Dioden realisierter Hochfrequenzschalter zur Bildung des Schalters
(19) vorgesehen ist.
5. Mobilfunkgerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein bistabiles mechanisches Relais zur Bildung des Schalters (19) vorgesehen ist.
6. Sender mit wenigstens einer Senderendstufe (14), mit wenigstens einer Antenne
(1) und mit wenigstens einem zwischen Senderendstufe (14) und Antenne (1)
angeordneten Impedanzanpassungsnetzwerk (16) mit einem Transformationsfaktor
(T) zur Anpassung einer Senderlastimpedanz (ZPA) an eine Antenneneingangs
impedanz (ZAnt),
dadurch gekennzeichnet,
daß im Impedanzanpassungsnetzwerk (16) wenigstens zwei Impedanztransformatoren
(17, 18) durch wahlweise Paralieischaltung zur Bildung von wenigstens zwei
Transformationsfaktoren vorgesehen sind.
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