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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstärken von Kommunikationssignalen
in einem vorbestimmten Mikrowellenfrequenzband oberhalb von 500
MHz. Ein Bypass-Segment wird automatisch aktiviert, wenn die Verstärkereinheit
funktionsunfähig wird,
z. B. wegen Ausfall eines Hochfrequenzbauteils oder von Gleichstrom,
und ist wirksam blockiert, während
des normalen Betriebs dieser Verstärkereinheit. Besonders ist
die Vorrichtung von der Art wie im Oberbegriff des beigefügten Anspruchs
1 definiert.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
UND STAND DER TECHNIK
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Eine
Vorrichtung der erwähnten
Art ist beschrieben in
US-A-5,821,811 (Allgon
AB). In der bekannten Vorrichtung bildet die Verstärkereinheit
eine geschlossene Schleife zusammen mit dem Bypass-Segment. Im Fall
daß die
Isolation über
das Bypass-Segment im aktiven Modus geringer als der Verstärkungsgrad
ist, besteht die Gefahr der Instabilität wegen Feedback durch das
Bypass-Segment.
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Um
genügende
Stabilität
zu sichern, sollte die Isolation im Bypass-Segment wenigstens 10
dB höher
als der Verstärkungsgrad
der Verstärkereinheit im
aktiven Modus sein. Beim Gebrauch der bekannten Vorrichtung, die
mit Pin-Dioden als Verknüpfungselemente
ausgerüstet
ist, müssen
mehr als zwei, normalerweise vier Verknüpfungselemente benutzt werden,
um eine Isolation von 30 dB zu erhalten. Jedoch führt eine
solche Anordnung auch zu einem verhältnismäßig hohen Einfügungsverlust
im Bypass-Modus der Vorrichtung, nämlich in der Größenordnung
von 2 dB. Diese Höhe
ist ein Nachteil, da sie den Betrieb der Vorrichtung im Bypass-Modus nachteilig
beeinträchtigt.
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Ein
damit zusammenhängendes
Problem einer Verstärker-Bypass-Vorrichtung
der oben erwähnten
Art ist die Schwierigkeit, einen einwandfreien Betrieb der Vorrichtung
im aktiven Modus zu gewährleisten.
So ist es erwünscht,
einen geringen Rauschfaktor aufrechtzuerhalten und Eingangs-/Ausgangs-Reflexionen
in der Verstärkereinheit
zu vermeiden.
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Solches
Rauschen wird auftreten, selbst wenn zwei identische rauscharme
Vestärker
(low noise amplifiers – LNA)
in einer symmetrischen Konfiguration zwischen einem Eingangshybridkoppler
und einem Ausgangshybridkoppler eingefügt werden, wie an sich bereits
bekannt aus
US-A-4,825,177 (General
Instruments Corporation). Das beruht darauf, daß das Bypass-Segment die Symmetrie
der Verstärkereinheit
verändert.
Ein Schutzkreis, der eine Diode als ein Schaltelement verwendet
und den Bypass-Weg im normalen Modus kurzschließt, ist in
US 3,992,699 beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist demgemäß eine allgemeine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung
der oben erwähnten
Art zu schaffen, die im aktiven Modus wie im Bypass-Modus einwandfrei
arbeitet.
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Besonders
ist es eine erste Aufgabe der Erfindung, die Bypass-Isolation im
aktiven Modus zu verstärken
und den Einfügungsverlust
im Bypass-Segment im Bypass-Modus zu verringern.
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Eine
zweite besondere Aufgabe der Erfindung ist es, den Rauschfaktor
zu verringern und Eingangs-/Ausgangs-Reflexionen in der Verstärkereinheit
zu verringern, wenn diese im aktiven Modus arbeitet.
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Die
oben erwähnte
erste Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1
angegebenen Merkmalen gelöst.
So weist das Bypass-Segment der Vorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
wenigstens einen Abschnitt von gekoppelten Übertragungsleitungen auf, wodurch
die Isolation gegen Feedback durch das Bypass-Segment verbessert
wird.
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Durch
diese Maßnahme
genügt
es, nur zwei Schaltelemente einzufügen und dennoch eine ganz erheblich
verbesserte Isolation von ungefähr
55 dB (bei Verwendung von Pin-Dioden wie in der Vorrichtung des
Standes der Technik) im aktiven Modus und einen Bypass-Einfügungsverlust
von nur 1 dB im Bypass-Modus zu erhalten.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird die erwähnte zweite Aufgabe erfüllt durch
eine Vorrichtung mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen.
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Vorzugsweise
liegt die Eingangs-Impedanz des Bypass-Segments im aktiven Modus
der Vorrichtung wenigstens eine Größenordnung höher als
die Eingangs-Impedanz der Verstärkereinheit
(typischerweise 50 Ohm). Auf diese Weise werden die zwei rauscharmen
Verstärker,
die in einer symmetrischen Konfiguration zur Bildung der Verstärkereinheit
angeordnet sind, über
ein weites Frequenzband abgeglichen, selbst für Frequenzen oberhalb des vorbestimmten
Mikrowellenfrequenzbandes. Vorteilhafterweise ist eine solche relativ
hohe Eingangs-Impedanz
des Bypass-Segments (im aktiven Modus) kombiniert mit dem oben erwähnten Abschnitt
von gegenseitig gekoppelten Übertragungsleitungen.
Es ist daher möglich,
eine gesteigerte Isolation und Stabilität, einen geringen Rauschfaktor
und eine Verringerung der Eingangs-/Ausgangs-Reflexionen in der Verstärkereinheit,
wenn diese im aktiven Modus arbeitet, sowie einen verringerten Einfügungsverlust
im Bypass-Segment, wenn man im Bypass-Modus arbeitet, zu erhalten.
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Diese
und andere Einzelheiten werden weiter erläutert durch die folgende genaue
Beschreibung.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
Erfindung wird im folgenden genauer erläutert mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung,
welche eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt.
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Die
einzige Figur zeigt schematisch eine Verstärkervorrichtung mit einem Bypass-Segment
gemäß der Erfindung
(auf einem gedruckten Schaltkreis, der in der Zeichnung nicht gezeigt
ist: PCB = printed circuit board).
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BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
in der Figur gezeigte Schaltung umfaßt eine Verstärkereinheit
1 mit
einem Bypass-Segment
2 zur
Verwendung z. B. in Kombination mit einer Antenne, Duplex-Vorrichtung
und Bandpaß-Filter
am Kopf eines Antennenmastes oder Turms in einem zellularen Mobiltelefonsystem,
wie in der oben erwähnte
US-A-5,821,811 erläutert.
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Die
Verstärkereinheit 1 dient
zur Verstärkung empfangener
Kommunikationssignale in einem vorbestimmten Mikrowellenfrequenzband
in einem Frequenzbereich oberhalb 500 MHz, bevor diese Signale wesentlich
gedämpft
werden längs
einer Übertragungsleitung
(nicht gezeigt) zu einer Basisstation, die sich in der Nähe des Bodens
des Antennenmastes oder Turms befindet.
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Die
Verstärkereinheit 1 wird
zwischen einen Eingangsanschluß (port) 3 und
einen Ausgangsanschluß 4 eingefügt, wobei
das Bypass-Segment 2 parallel zur Verstärkereinheit 1 ebenfalls
zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 3, 4 angeordnet
ist.
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Wie
an sich bereits bekannt (siehe die oben erwähnte
US-A-4,825,177 ) weist die
Verstärkereinheit
zwei rauscharme Verstärker
(LNA)
5,
6 auf, die parallel zwischen einem Eingangshybridkoppler
7 und
einem Ausgangshybridkoppler
8 angeordnet sind. Ein Eingangshybridanschluß
7a ist über ein Schaltelement
9 mit
dem Eingangsanschluß
3 verbunden,
und ein Ausgangshybridanschluß
8d ist über ein
Schaltelement
10 mit dem Ausgangsanschluß
4 verbunden.
Ein isolierter Anschluß
7c des Eingangshybridkopplers
7 ist
mit Erde über
ein 50 Ohm Impedanzelement
11 verbunden und der andere
Ausgangsanschluß
8b ist
ebenfalls über
ein 50 Ohm Impedanzelement
12 mit Erde verbunden.
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So
sind die zwei Verstärker 5, 6 einpolig
geerdet und zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 3, 4 in
einer voll symmetrischen Konfiguration gekoppelt. Im normalen Betrieb
der Vorrichtung, in dessen Verlauf die vier Schaltelemente 9, 10, 16, 21 auf
einen sehr niedrigen Impedanzwert geregelt sind, ist das am Eingangshybridanschluß 7a auftretende
Eingangssignal in gleichen Anteilen an die Hybridausgangsanschlüsse 7b, 7d gekoppelt,
während die
Ausgangssignale von den Verstärkern 5, 7 von den
Hybridanschlüssen 8a, 8c zum
Hybridausgangsanschluß 8d und
dem Ausgangsanschluß 4 über das Schaltelement 10 gekoppelt
sind. Vorzugsweise bestehen die Hybridkoppler 7 und 8 aus
Lange-Kopplern oder modifizierten Lange-Kopplern z. B. von der Art
wie in der schwedischen Patentanmeldung betreffend ein „4-Anschluß-Hybridkoppler" beschrieben, die
vom gleichen Anmelder Allgon AB am gleichen Tag wie die vorliegende
Patentanmeldung eingereicht wurde. Ferner ist es auch möglich, irgendeinen
anderen 3 dB 90 Grad Hybridkoppler zu verwenden.
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Dank
der symmetrischen Konfiguration der zwei rauscharmen Verstärker 5, 6 arbeitet
die Verstärkereinheit 1 in
einem verhältnismäßig breiten Frequenzband
mit einem im wesentlichen konstanten Verstärkungsfaktor.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist das Bypass-Segment 2 so
ausgebildet, daß die
Stabilität
der Vorrichtung erhöht
und auch ein im wesentlichen symmetrischer Betrieb der Verstärkereinheit trotz
des Bypass-Segments gewährleistet
wird.
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Um
eine gute Stabilität
zu erreichen und einen möglichen
Feedback durch das Bypass-Segment 2 zu
vermeiden, ist letzteres mit zwei Abschnitten von gekoppelten Übertragungsleitungen
versehen, einem ersten Abschnitt 13 mit einer ersten Übertragungsleitung 14 und
einer zweiten Übertragungsleitung 15.
Die erste Übertragungsleitung 14 ist
zwischen dem Eingangsanschluß 3 der
Vorrichtung und einem Schaltelement 16 verbunden, dessen
Impedanz automatisch und/oder durch Fernsteuerung regelbar ist,
z. B. durch einen Regelkreis (nicht gezeigt), der sich in der Verstärker/Bypass-Vorrichtung oder
an einer zugehörigen
Basisstation befindet.
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Wie
in der oben erwähnten
Patentschrift
US-A-5,821,811 beschrieben,
kann ein solches steuerbares Schaltelement aus einer Diode, einem
bipolaren Transistor, einem Feldeffekttransistor oder einem elektromechanischen
Relais bestehen. In jedem Fall schaltet das Schaltelement
16 zwischen
einer sehr hohen Impedanz, wie 5 kOhm und einer verhältnismäßig niedrigen
Impedanz wie 1 bis 10 Ohm.
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Wenn
die Schaltelemente 9, 10, 16, 21 auf einen
Zustand von sehr hoher Impedanz gesteuert sind, was der Fall ist,
wenn die Verstärkereinheit
aus irgendeinem Grund (Bypass-Modus) außer Betrieb ist, z. B. wegen
eines Versagens eines Hochfrequenz-Bauteils oder eines Ausfalls
des Gleichstroms, der die Einheit treibt, ist die Übertragungsleitung 14 elektrisch
offen (ihre Länge
beträgt ¼ der Wellenlänge möglicherweise
unter Zusatz von einer Zahl N von Halbwellenlängen, N = 0, 1, 2, ...) und koppelt
daher stark mit der benachbarten parallelen Übertragungsleitung 15.
Die Wellenlänge
bezieht sich auf eine Frequenz im verwendeten Mikrowellenfrequenzband,
z. B. einer Mittelfrequenz in einem solchen Band.
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Ein
an den Eingangsanschluß 3 angelegtes Kommunikationssignal
pflanzt sich daher über
den ersten Abschnitt 13 der gekoppelten Übertragungsleitungen 14, 15, über einen
dritten, zentral angeordneten Bypass-Segmentabschnitt 17 und über einen zweiten
Abschnitt 18 der gekoppelten Übertragungsleitungen 19, 20 fort.
Der letztere Abschnitt 18 ist identisch mit dem ersten
Abschnitt 13 und die Übertragungsleitung 19 ist
zwischen dem Ausgangsanschluß 4 der
Vorrichtung und einem fernsteuerbaren Schaltelement 21 verbunden,
das ähnlich
oder identisch dem Element 16 ist. Die vier Schaltelemente 9, 10, 16, 21 werden
synchron gesteuert, so daß sie
zur gleichen Zeit entweder in einem Zustand hoher Impedanz oder
in einem Zustand niedriger Impedanz sind.
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Wenn
jedoch die Verstärkereinheit 1 normal arbeitet
(aktiver Modus) werden die vier Schaltelemente 9, 10, 16, 21 auf
einen Status verhältnismäßig niedriger
Impedanz gesteuert, wodurch das Bypass-Segment abgetrennt wird.
Ein Eingangssignal am Eingangsanschluß 3 wird sich dann
durch die Verstärker 5, 6 zum
Ausgangsanschluß 4 fortpflanzen.
In der gezeigten Ausführungsform
ist die Isolation über
das Bypass-Segment 2 sehr hoch, etwa 55 dB und es besteht
kein Risiko von Feedback.
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Andererseits
ist im Bypass-Modus der Einfügungsverlust
in das Bypass-Segment 2 sehr gering, etwa 1 dB.
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Weiterhin
ist in dem aktiven Modus dank der niedrigen Impedanz der zugehörigen Schaltelemente 16 und 21 im
Bypass-Segment die Bypass-Eingangsimpedanz in diesem aktiven Modus
verhältnismäßig hoch,
wodurch der symmetrische Betrieb der zwei rauscharmen Verstärker 5, 6 erhalten
bleibt. Unabhängig
vom Status der Hybridkoppler 7, 8 wird ein solcher
symmetrischer Betrieb beibehalten, da die effektiven Eingangs- und
Ausgangslasten der Verstärker 5, 6 durch
das Bypass-Segment nicht beeinflußt sind. Dementsprechend ist
der Rauschfaktor sehr niedrig und die Eingangs- und Ausgangs-Reflexionen
sind ebenfalls niedrig.