DE60225032T2

DE60225032T2 - Vorrichtung zur impedanzanpassung in einem verstärker unter verwendung von konzentrierter und verteilter induktanz

Info

Publication number: DE60225032T2
Application number: DE60225032T
Authority: DE
Inventors: Ronald A. Soquel MECK
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: US20060003714A1; EP1433253B1; ATE386365T1; US7206553B2; US7071792B2; TW569529B; DE60225032D1; WO2003021775A1; JP2005521275A; US20040121745A1; EP1433253A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Scheinwiderstandsanpassung für Verstärker, und insbesondere auf eine Scheinwiderstandsanpassungsschaltung und ein Verfahren zum Anpassen eines Ausgangsscheinwiderstands einer Verstärkungsschaltung in einem drahtlosen Kommunikationssystem an einen Eingangsscheinwiderstand einer Übertragungsschaltung.
Stand der Technik
Drahtlose Kommunikationssysteme enthalten typischerweise eine Kette von Verstärkungsschaltungsstufen, die von einem empfangenen oder modulierten Signal nacheinander durchlaufen werden. Der Ausgang der Verstärkungsstufen ist, typischerweise über eine Scheinwiderstandsanpassungsschaltung, an eine Last gekoppelt.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltungen helfen, den Ausgangsscheinwiderstand der Verstärkungsstufen an den Scheinwiderstand der Last anzupassen. Eine ideale Scheinwiderstandsanpassung liefert die maximale Leistungsübertragung von der Quelle zur Last. In einem drahtlosen Kommunikationssystem ist es zum Beispiel typischerweise wünschenswert, die von einer letzten Verstärkungsschaltung oder einem Leistungsverstärker an eine Antenne gelieferte Leistung zu maximieren. Die maximale Leistung wird vom Leistungsverstärker an die Antenne übertragen, wenn der Eingangsscheinwiderstand der Antenne für eine gegebene Frequenz gleich dem konjugierten Ausgangs scheinwiderstand des Leistungsverstärkers ist. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird eine Leistung mit 50% Effizienz geliefert, d. h. es wird soviel Leistung an die Antenne übertragen, wie im internen Scheinwiderstand des Leistungsverstärkers verbraucht wird.
Im Allgemeinen wird der Ausgangsscheinwiderstand eines Leistungsverstärkers nicht so sein, wie er zur maximalen Leistungsübertragung benötigt wird. Zum Beispiel kann ein in einem Handapparat eines drahtlosen Kommunikationssystems verwendeter typischer Leistungsverstärker einen internen Scheinwiderstand von etwa 3 Ohm aufweisen, wobei die in demselben Handapparat verwendete Antenne einen Eingangsscheinwiderstand von etwa 50 Ohm aufweist. Typischerweise ist ein Kondensatoren und Induktoren umfassendes Anpassungsnetzwerk zwischen dem Leistungsverstärker und die Antenne eingesetzt, um den Ausgangsscheinwiderstand des Leistungsverstärkers als das konjugiert Komplexe des Eingangswiderstands der Antenne erscheinen zu lassen. Ein derartiges Anpassungsnetzwerk ist z. B. aus der GB 2 187 042 A bekannt.
Um eine richtige Scheinwiderstandsanpassung zu erreichen, können herkömmliche Anpassungsschaltungen aber Nichtstandardwerte für L und C erfordern. Konsequenterweise ist es im Allgemeinen nicht möglich, ein Anpassungsnetzwerk zu gestalten und zu bauen, welches den Scheinwiderstand des Leistungsverstärkers präzise an den der Antenne anpasst. Dieses Problem wird durch die Veränderung der Werte der Induktoren und Kondensatoren wegen Unsicherheiten oder Toleranzen in ihren Fertigungsprozessen verschlimmert. Induktoren und Kondensatoren können um 10% oder mehr von ihrem spezifizierten Wert abweichen. Je größer die Werte der Induktoren und Kondensatoren sind, desto größer ist demnach die Auswirkung der Fertigungstoleranzen auf die Scheinwiderstandsanpassung. Somit kann es eine Forderung sein, ein Anpassungsnetzwerk zu implementie ren, um den Scheinwiderstand eines Leistungsverstärkers und einer Antenne präzise anzupassen, um eine maximale Leistungsübertragung zu erreichen.
Idealerweise würden in einer Anpassungsschaltung verwendete Induktoren und Kondensatoren keinen Widerstand aufweisen und die Anpassungsschaltung würde daher wenig oder keine Leistung verbrauchen. In Wirklichkeit kann eine Anpassungsschaltung aber mehrere Prozent der an die Last oder die Antenne zu übertragenden Leistung verbrauchen. Daher ist es im Allgemeinen wünschenswert, die Werte der Induktoren und Kondensatoren so klein wie möglich zu halten, um den Leistungsverbrauch zu minimieren.
Ein besonderes Problem mit herkömmlichen, in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendeten Anpassungsnetzwerken ist, dass die Sender-Empfänger oder Transmitter oft bei mehreren Frequenzen betrieben werden müssen. Zum Beispiel verwendet ein Dualband-GSM/DCS-Funktelefonhandapparat den Global System for Mobile Communications(GSM)-Standard um 900 MHz und den Digital Communications System(DCS)-Standard, welcher ähnlich zu GSM ist, außer dass er um 1800 MHz betrieben wird.
Demnach besteht ein Bedarf an einer Anpassungsschaltung und einem Verfahren, die einen gleichen oder im Wesentlichen gleichen Scheinwiderstand zwischen einer Verstärkungsschaltung und einer Übertragungsschaltung bereitstellen können, wodurch die Leistungseffizienz ansteigt und die Signalverzerrung reduziert wird. Ferner besteht ein Bedarf an einer Anpassungsschaltung und einem Verfahren mit der Fähigkeit, den Scheinwiderstand für Signale bei mehreren Frequenzen anzupassen. Ferner ist es wünschenswert, dass die Anpassungsschaltung und das Verfahren die Anzahl oder die Größe der in der Anpassungsschaltung verwendeten Komponenten reduzieren, einschließlich der Länge der verwendeten Übertragungsleitungen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine derartige Schaltung und ein derartiges Verfahren bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Anpassen eines Ausgangsscheinwiderstands eines Verstärkers in einem drahtlosen Kommunikationssystem an einen Eingangsscheinwiderstand einer Übertragungsschaltung bereit. Die Erfindung wird in den anhängenden Ansprüchen festgelegt.
In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltung zur Scheinwiderstandsanpassung bereit, die eine konzentrierte und verteilte Induktivität verwendet. In einem anderen Aspekt wird dies für einen Verstärker angewandt, der eine konzentrierte und verteilte Induktivität verwendet. Das Verwenden einer Übertragungsleitung mit einem festen Induktor erlaubt es, Nicht-Standard-L-Werte zu realisieren; darüber hinaus erlaubt es der feste Induktor, eine kürze Übertragungsleitung zu verwenden als wenn eine Übertragungsleitung allein wäre.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine Scheinwiderstandsanpassungsschaltung bereit, die einen zum Empfangen eines Signals von einer Verstärkungsschaltung angepassten Eingang und einen zum Koppeln des Signals an eine Übertragungsschaltung angepassten Ausgang aufweist. Die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung enthält ein kapazitives Element (C₁), das elektrisch und parallel mit dem Ausgang der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung gekoppelt ist sowie eine Reihenkombination eines Induktors (L₁) und einer Übertragungsleitung (T₁), die elektrisch zwischen und in Reihe mit dem Eingang und dem Ausgang gekoppelt sind. Die Kapazität und die Übertragungswellenlängen sind derart ausgewählt, dass in Kombination mit dem Induktor, ein vorbestimmter Wert der Gesamt induktivität L bereitgestellt wird. Im Allgemeinen sind L und C ausgewählt, einen Scheinwiderstand bereitzustellen, der gleich oder im Wesentlichen gleich einem Ausgangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung bei einer ersten Frequenz (F₁) eines durch die Verstärkungsschaltung übertragenen oder empfangenen Signals ist. Vorteilhafterweise ist der Scheinwiderstand gleich, in der Praxis kann eine kleine Abweichung von der Gleichwertigkeit akzeptierbar sein, da sogar diese wesentliche Gleichwertigkeit eine bessere Anpassung als herkömmliche Ansätze bereitstellt.
Nach der Erfindung weist der Induktor ein erstes Ende auf, das elektrisch mit einem Ausgang der Verstärkungsschaltung verbunden ist, und ein zweites Ende auf, das elektrisch mit der Übertragungsleitung verbunden ist. Die Übertragungsleitung weist ein elektrisch mit dem zweiten Ende des Induktors verbundenes erstes Ende und ein zweites elektrisch mit dem Ausgang der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung verbundenes zweites Ende auf. Das kapazitive Element ist elektrisch derart mit der Übertragungsleitung verbunden, dass die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem zweiten Ende des Induktors und dem kapazitiven Element in Kombination mit dem Induktor die gewünschte Induktivität bereitstellt.
In einer Ausführungsform ist die Übertragungsleitung vorteilhafterweise unter Verwendung eines Leiters über einer Massefläche auf einer Leiterplatte (PCB) implementiert, und das kapazitive Element ist ein Chipkondensator, der auf der Leiterplatte montiert ist. Die Übertragungsleitung dieser Art kann sogar noch vorteilhafter als ein komplanarer, geerdeter Wellenleiter implementiert sein, und ein Ende oder eine Last des Chipkondensators ist auf die Massefläche auf der Leiterplatte gelötet (oder anderweitig elektrisch verbunden). Alternativ ist das kapazitive Element ein Segment eines verkürzten Wellenleiters, der von der Übertragungsleitung an ei nem Punkt abzweigt, der zum Bereitstellen der geeigneten Länge zum Bereitstellen der gewünschten Gesamtinduktivität ausgewählten ist.
In einer anderen Ausführungsform enthält die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung ferner ein zweites kapazitives Element (C₂), das elektrisch mit der Übertragungsleitung und parallel mit dem ersten kapazitiven Element verbunden ist, sowie einen Schalter (S₁), durch welchen das zweite kapazitive Element an die Erdung gekoppelt ist. Der Schalter entkoppelt das zweite kapazitive Element von der Erdung, wenn er geöffnet ist, wodurch das zweite kapazitive Element effektiv von der Schaltung entfernt wird. Das zweite kapazitive Element ist elektrisch derart mit der Übertragungsleitung verbunden, dass die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem zweiten Ende des Induktors und dem zweiten kapazitiven Element ausgewählt ist, um, in Kombination mit dem Induktor, einen zweiten vorbestimmten Wert der Induktivität L' derart bereitzustellen, dass L' und C ausgewählt sind, einen Scheinwiderstand bereitzustellen, der gleich oder im Wesentlichen gleich dem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung bei einer zweiten, im Allgemeinen höheren Frequenz (f₂) ist. In noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung ferner einen zweiten Schalter (S₂), der das erste kapazitive Element von der Erdung elektrisch entkoppeln kann, um es von der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung zu entfernen, wenn der erste Schalter geschlossen ist und das zweite kapazitive Element mit der Erdung koppelt und es in die Schaltung einführt. Optional ist der erste Schalter ein einpoliger Umschalter, der abwechselnd C₁ und C₂ von der Erdung entkoppeln kann, um abwechselnd C₁ oder C₂ von der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich bei einem Sender-Empfänger zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationssystem. Im Allgemeinen enthält der Sender-Empfänger ferner eine Verstärkungsschaltung, die zum Verstärken von durch den Sender-Empfänger empfangenen und übertragenen Signalen angepasst ist sowie eine Übertragungsschaltung, einschließlich einer Antenne, die zum Empfangen und Übertragen von durch den Sender-Empfänger empfangenen und übertragenen Signalen angepasst ist. Die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung ist elektrisch zwischen und in Reihe mit einem Ausgang der Verstärkungsschaltung und einem Eingang der Übertragungsschaltung gekoppelt.
In einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Anpassen eines Ausgangsscheinwiderstands einer Verstärkungsschaltung an einen Eingangsscheinwiderstand einer Übertragungsschaltung bereitgestellt. Im Allgemeinen schließt das Verfahren das Bereitstellen einer Reihenkombination eines Induktors (L₁) und einer Übertragungsleitung (C₁) ein, die zwischen und in Reihe mit einem Ausgang der Verstärkungsschaltung und einem Eingang der Übertragungsschaltung gekoppelt sind. Die Übertragungsleitung ist ausgewählt, eine Länge aufzuweisen, die in Kombination mit dem Induktor einen vorbestimmten Wert einer Gesamtinduktivität L bereitstellt. Ein kapazitives Element (C₁) ist elektrisch an und parallel mit dem Ausgang der Verstärkungsschaltung gekoppelt, wobei das kapazitive Element eine Kapazität C aufweist, die derart ausgewählt ist, dass L und C die Verstärkungsschaltung mit einem Ausgangsscheinwiderstand bereitstellen, der im Wesentlichen gleich einem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung bei einer Frequenz (f₁) ist.
In einer Ausführungsform weist der Induktor ein erstes mit einem Ausgang der Verstärkungsschaltung verbundenes Ende und ein zweites mit der Übertragungsleitung verbundenes Ende auf, und die Übertragungsleitung weist ein erstes mit dem zweiten Ende des Induktors verbundenes Ende und ein zweites mit dem Ausgang der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung verbundenes Ende auf. Der Schritt des elektrischen Koppelns des kapazitiven Elements an und parallel mit dem Ausgang der Verstärkungsschaltung schließt den Schritt des elektrischen Verbindens des kapazitiven Elements mit der Übertragungsleitung ein, derart, dass die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem zweiten Ende des Induktors und dem kapazitiven Element ausgewählt ist, um den gewünschten Induktivitätswert bereitzustellen.
In einer Ausführungsform enthält die Übertragungsleitung einen Induktor über einer Massefläche auf einer Leiterplatte (PCB) und der Schritt des elektrischen Koppelns des kapazitiven Elements an den Ausgang der Verstärkungsschaltung schließt das Montieren eines Chipkondensators derart auf der Leiterplatte ein, dass ein erstes Ende oder eine Last des Kondensators elektrisch mit dem Leiter der Übertragungsleitung verbunden ist und ein zweites Ende des Kondensators elektrisch mit der Masseplatte verbunden ist. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung ein komplanarer, geerdeter Wellenleiter, und ein Ende des Chipkondensators ist an den Leiter des Wellenleiters gelötet und das andere Ende ist an die Massefläche auf der Leiterplatte gelötet (oder anderweitig elektrisch verbunden).
In einer anderen Ausführungsform enthält das Verfahren ferner die Schritte des elektrischen Verbindens eines ersten Endes oder einer Last eines zweiten kapazitiven Elements (C₂) mit der Übertragungsleitung und des elektrischen Koppelns des anderen Endes des zweiten kapazitiven Elements an die Massefläche durch einen Schalter (S₁). Das zweite kapazitive Element ist parallel mit dem ersten kapazitiven Element und dem Ausgang der Verstärkungsschaltung derart verbunden, dass die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem Ende des Induktors und dem zweiten kapazitiven Element einen zweiten vorbestimmten Wert der Induktivität L' bereitstellt, so dass L' und C einen Scheinwiderstand bereitstellen, welcher gleich dem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung bei einer zweiten, typischerweise höheren, Frequenz (f₂) ist.
In noch einer anderen Ausführungsform enthält die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung ferner einen zweiten Schalter (S2), welcher das erste kapazitive Element C₁ von der Massefläche entkoppeln kann, wodurch es von der Schaltung entfernt wird. Alternativ kann die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung einen einzelnen einpoligen Umschalter enthalten, welcher C₁ und C₂ abwechselnd elektrisch von der Massefläche entkoppeln kann, wodurch C₁ oder C₂ abwechselnd von der Schaltung entfernt werden, und der Schritt des elektrischen Koppelns des zweiten kapazitiven Elements an die Massefläche ein elektrisches Entkoppeln des ersten kapazitiven Elements von der Massefläche einschließt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen: (i) verbesserte Scheinwiderstandsanpassung zwischen der Verstärkungsschaltung und der Übertragungsschaltung, mit dem Ergebnis erhöhter Leistungseffizienz und reduzierter Signalverzerrung; (ii) Eliminieren oder Reduzieren der Größe und Induktivitätswerte eines in der Anpassungsschaltung verwendeten Induktors mit dem Ergebnis verminderter Kosten; und (iii) die Fähigkeit zur Scheinwiderstandsanpassung für Signale bei mehreren Frequenzen durch Schalten einer Anzahl kapazitiver Elemente, welche mit verschiedenen Punkten auf der Übertragungsleitung innerhalb und außerhalb der Schaltung gekoppelt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann ferner aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen verstanden werden. In den Zeichnungen:
1 ist ein beispielhaftes Blockschaltbild, welches ein Beispiel eines Typs eines drahtlosen Kommunikationssystems zeigt, mit welchem eine Vorrichtung und ein Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
2 ist ein Blockschaltbild eines Sender-Empfängers mit einer Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein schematisches Diagramm eines Verstärkers und einer Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 veranschaulicht ein Smith-Diagramm für eine Scheinwiderstandsanpassungsschaltung, welche ähnlich zu der in 3 gezeigten ist;
5 ist ein schematisches Diagramm eines Verstärkers und einer beispielhaften Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein schematisches Diagramm eines Dualfrequenzverstärkers und einer beispielhaften Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des Verstärkers und der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung von 6;
8 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen eines Ausgangsscheinwiderstands eines Verstärkers an einen Eingangsscheinwiderstand einer Antenne nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
9 veranschaulicht drei äquivalente Scheinwiderstandsanpassungsschaltungen in einem bestimmten Beispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Scheinwiderstandsanpassungsschaltung und ein Verfahren zum Anpassen eines Ausgangsscheinwiderstands einer Verstärkungsschaltung.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines drahtlosen Kommunikationssystems 100, vorliegend ein mobiles Telekommunikationssystem, für welches eine Vorrichtung und ein Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung insbesondere nützlich sind. Details mobiler Telekommunikationssysteme sind weithin bekannt und werden hierin nicht weiter beschrieben.
Mit Bezug auf 1 enthält das drahtlose Kommunikationssystem 100 im Allgemeinen eine Anzahl erster drahtloser Kommunikationsgeräte, zum Beispiel mobile Handapparate 105, und ein oder mehrere zweite drahtlose Kommunikationsgeräte, oder Basisstationen 110, welche über einen geografischen Bereich verteilt sind, um Zellen 115 zu bilden. Die Basisstationen 110 sind durch Basisstationsteuerungen 120 mit einem Schaltungszentrum 125 verbunden, welches mit einem leitungsvermittelten Telefonnetz (PSTN 130) verbunden ist und Telefonanrufe an die Basisstationen weiterleitet, welche eine durch den angerufenen oder anrufenden Handapparat 105 besetzte Zelle 115 abdecken. Um dem System 100 zu ermöglichen, einen bestimmten Handapparat 105 zu orten, weist jeder Sender-Empfänger, d. h. jede Basisstation 110 und jeder Handapparat, im System seine eigene eindeutige Identifizierungsnummer auf. Zum Beispiel weist jede Basisstation 110 eine Bereichs-Identifizierungsnummer auf, welche sie regelmäßig als Teil der Systemsteuerungsinformationen überträgt. Nach dem Einschalten wird sich ein Handapparat 105 auf das Signal der nähesten Basisstation 110 aufschalten und sich durch Übertragen einer Registrierungsnummer an die Basisstation dem System 100 identifizieren. Bei der Bewegung von Zelle zu Zelle wählt der Handapparat 105 neue Basisstationen 110 zum Aufschalten aus. Der Handapparat 105 überprüft die durch die Basisstation 110 übertragenen Bereichsidentifizierungsnummer, und wird das System 100 automatisch über seinen neuen Standort mittels eines Signalaustauschs mit der Basisstation informieren, wenn er einen Wechsel feststellt, welcher anzeigt, dass er sich zu einer neuen Zelle 115 bewegt hat. Auf diese Weise kann das System eine Aufzeichnung (Registrierung) der aktuellen Zelle 115 behalten, in welcher jeder Handapparat 105 geortet wird, und wird daher den Handapparat nur innerhalb dieser Zelle anrufen müssen.
Ein Sender-Empfänger oder Transmitter 135 zum Verwenden in den mobilen Handapparaten 105, Basisstationen 110, Basisstationsteuerungen 120 oder im Schaltungszentrum 125 des obigen drahtlosen Kommunikationssystems 100 wird jetzt mit Bezug auf 2 beschrieben. Wie in 2 gezeigt ist, weist der Transmitter 135 ein Scheinwiderstandsanpassungsnetzwerk oder eine Anpassungsschaltung 140 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf, die vorteilhafterweise verwendet werden kann, um einen Ausgangswiderstand an eine Verstärkungsschaltung 145 zu liefern, der gleich oder im Wesentli chen gleich einem Eingangsscheinwiderstand einer Übertragungsschaltung 150 ist. Details von Transmittern 135 sind weithin bekannt und werden hierin nicht beschrieben.
Transmitter 135 können ferner einen Modulator 155 zum Modulieren eines niedrigen Leistungsträgerwellensignals, und einen Frequenzmultiplizierer 160 zum Erhöhen der Frequenz des modulierten Signals enthalten, um durch Erlauben, dass der Modulator 160 die Frequenz des modulierten Signals anhebt, der Modulator 155 und nachfolgend die Verstärkungsschaltungen 145 oder Stufen bei verschiedenen Frequenzen betrieben werden, zu verbessern. Das frequenzmultiplizierte Signal wird dann durch eine Reihe von Verstärkungsschaltungen geführt, von denen nur eine gezeigt ist, um das Signal und die Amplitude zu erhöhen, und um das Signal durch Dämpfen oder Unterdrücken unerwünschter Frequenzen zu filtern. Der Transmitter 135 enthält ferner eine einzelne Verstärkungsschaltung 145 mit einem Verstärker und einem Filter (nicht gezeigt), die an die Übertragungsschaltung 150 durch eine Ausführungsform einer Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140 nach der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist. Die Übertragungsschaltung 150 enthält eine Übertragungsleitung 170 und eine Antenne 175, um das Signal zu senden.
Ein Beispiel einer Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140, das nicht in den Bereich der Ansprüche fällt, wird jetzt mit Bezug auf 3 beschrieben, welche einen sich innerhalb der Verstärkungsschaltung 145 (siehe 2) befindenden Verstärker 180 und die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140 darstellt. Der Verstärker 180 enthält typischerweise ein verstärkendes oder aktives Element 185, wie einen bipolaren oder Feldeffekttransistor mit einem Eingang 190 und einem Ausgang 195, welcher durch einen Induktor 200 mit einer Spannungsquelle 205, die vorliegend als V_DD gezeigt ist, verbunden sind. Obwohl vorliegend als ein einzelnes aktives Element 185 gezeigt ist, wird verstanden werden, dass der Verstärker 180 jede Anzahl von aktiven Elementen enthalten kann, die entweder als diskrete Elemente oder als eine integrierte Schaltung (IC) gebildet sind, und kaskadenartig oder anderweitig kombiniert sind, um die Verstärkung der Stufe weiter zu erhöhen.
Im Allgemeinen enthält die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140 einen Eingangsknoten 210, welcher mit dem Ausgang 195 des aktiven Elements 185 gekoppelt ist, und einen Ausgangsknoten 215, der mit der Übertragungsschaltung 150 (in dieser Figur nicht gezeigt) gekoppelt ist. Die Schaltung 180 enthält ferner ein kapazitives Element (C₁) 220 mit einem vorbestimmten Kapazitätswert C, welches elektrisch parallel mit dem Ausgangsknoten 215 gekoppelt ist. Die Anpassungsschaltung 140 enthält ferner eine Reihenkombination eines Induktors (L₁) 225 und einer Übertragungsleitung (T₁) 230, die elektrisch zwischen dem Eingangsknoten 210 und dem Ausgangsknoten 215 gekoppelt sind. Die Übertragungsleitung weist eine Länge auf, die ausgewählt ist, um einen vorbestimmten Induktivitätswert L₁ in Kombination mit dem Induktor bereitzustellen. Obwohl als getrennt und gesondert von den elektrischen Pfaden, welche die Anpassungsschaltung 140 zum Ausgang 195 des aktiven Elements 185 und den Induktor 225 zum kapazitiven Element 220 verbinden, gezeigt, wird verstanden werden, dass die Übertragungsleitung 230 die volle Länge der sich vom Ausgang 195 zum kapazitiven Element 220 erstreckenden Übertragungsleitung enthält. D. h., die Übertragungsleitung 230 enthält eine Leitungslänge vom Ausgang 195 zum Induktor 225 und vom Induktor zum kapazitiven Element 220. Diese Länge der Übertragungsleitung wird ausgewählt, um in Kombination mit dem Induktor einen vorbestimmten Induktivitätswert L bei einer Frequenz (f₁) des übertragenen Signals bereitzustellen. Die Induktivität L und die Kapazität C werden im Hinblick auf die Frequenz von Interesse ausgewählt, um einen Ausgangs scheinwiderstand für die Verstärkungsschaltung 145 bereitzustellen, der im Wesentlichen gleich einem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung 150 ist, so dass das gewünschte Anpassungsniveau erreicht wird.
Wie oben bemerkt, kann die Verstärkungsschaltung 145 einen Filter vor der Anpassungsschaltung 140 enthalten, um unerwünschte Frequenzen im Ausgang zu entfernen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Werte der Induktivität L und der Kapazität C der Anpassungsschaltung 140 auch im Hinblick auf die Signalfrequenz ausgewählt, um unerwünschte Frequenzen (falls vorhanden) zu filtern. Der Filter kann ein Hochpassfilter (HPF), welcher nur jene Frequenzen über einer vorbestimmten Minimalfrequenz durchlässt, ein Tiefpassfilter (LPF) welcher Frequenzen unter einer vorbestimmten Maximalfrequenz durchlässt oder ein Bandpassfilter (BPF) sein, welcher nur jene Frequenzen in einem vorbestimmten Frequenzbereich durchlässt. Der Filter kann auch oder alternativ zum Durchlassen oder Blockieren ausgewählter Frequenzbereiche gestaltet sein. Zum Beispiel kann die richtige Auswahl der Werte der Induktivität L und der Kapazität C der in 3 gezeigten Anpassungsschaltung 140 einen einpoligen LPF bereitstellen, welcher alle Frequenzen über einer vorbestimmten Maximalfrequenz dämpft oder unterdrückt.
Vorteilhafterweise erlaubt die vorliegende Erfindung das Zuschneiden der Induktivität L der Anpassungsschaltung 140, um den Scheinwiderstand der Verstärkungsschaltung 145 präzise an die Übertragungsschaltung 150 anzupassen, ohne Begrenzung auf verfügbare Standardinduktivwerte. Somit kann eine maximale Leistungsübertragung zwischen der Verstärkungsschaltung und der Übertragungsschaltung unter Verwenden von Standardwertkomponenten implementiert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Größenreduktion des Werts des Induktors 225, was ferner die Effizienz der Anpassungsschaltung 140 durch Reduzieren des in der Anpassungsschaltung verbrauchten Leistungswerts verbessert.
Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, den Ausgangsscheinwiderstand der Verstärkungsschaltung 145 präzise an die Übertragungsschaltung 150 anzupassen, wird jetzt mit Bezug auf das in 4 gezeigte Smith-Diagramm beschrieben. Ein Smith-Diagramm ist eine polare grafische Darstellung von Kreisen, welche konstante Widerstände darstellen, wie den der Übertragungsleitung 230, und Bögen, die konstante Blindwiderstände darstellen, wie den des Induktors 225 und des kapazitiven Elements 220. 4 zeigt grafisch dargestellte Werte für die Induktivität und die Kapazität für den Induktor 225, die Übertragungsleitung 230 und das kapazitive Element 220 einer Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140, ähnlich der in 3 gezeigten. Die Linie 232 stellt die normalisierte Kapazität des kapazitiven Elements 220 dar, die Linie 234 stellt die normalisierte Induktivität des Induktors 225 dar und die Linie 236 stellt die elektrische Länge der Übertragungsleitung 230 dar. Es wird verstanden werden, dass durch Variieren der Werte des kapazitiven Elements 220, des Induktors 225 und/oder der Länge der Übertragungsleitung 230, die Anpassungsschaltung 140 eine präzise Scheinwiderstandsanpassung ermöglicht. Um zum Beispiel den typischen 3 Ohm Ausgangsscheinwiderstand eines in einem Handapparat 105 eines drahtlosen Kommunikationssystems 100 verwendeten Leistungsverstärkers an eine Antenne anzupassen, wählt man die idealen 50 Ohm Scheinwiderstandskomponentenwerte und die Länge der Übertragungsleitung 230 derart, dass die grafische Darstellung der Anpassungsschaltung in einem Bereich von etwa 0,03 bis etwa 0,09 entlang der Horizontalachse des Smith-Diagramms endet, in 4 als Bereich 232 angezeigt.
9 veranschaulicht drei äquivalente 3 Ohm nach 50 Ohm Anpassungsschaltungen für eine Frequenz von 1 GHz. Die erste Schaltung, die nur konzentrierte Elemente verwendet, enthält einen Reiheninduktor mit einem Wert von etwa 1,9 nH und einen Parallelkondensator mit einem Wert von etwa 12,4 pF. Bei der zweiten Schaltung ist der konzentrierte Induktor durch eine Übertragungsleitung mit einer Länge von 11,3 mm ersetzt worden. Bei der dritten Schaltung ist der konzentrierte Induktor der ersten Schaltung durch die Kombination einer kürzeren Übertragungsleitung (4,6 mm) und einem kleinerwertigen Induktor (1,0 nH) ersetzt worden. Die kürzere Übertragungsleitung erlaubt eine kompaktere Realisierung und der kleinere Induktor minimiert Verluste.
Alternative Ausführungsformen für Anpassungsschaltungen 140 werden jetzt mit Bezug auf 5, 6 und 7 beschrieben.
In der Ausführungsform von 5 weist die Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140 eine Übertragungsleitung 230 auf, welche eine Spur 145 auf einer Leiterplatte (PCB) enthält. Die Länge der Übertragungsleitung wird durch Auswählen des Punkts, an welchem das kapazitive Element 220 elektrisch mit der Spur auf der PCB verbunden wird, festgelegt. Vorzugsweise enthält die Übertragungsleitung 230 eine Leiterspur 145 über einer Massefläche 149 auf der PCB 147, wo das kapazitive Element 220 auf die PCB montiert ist, und weist ein Ende oder eine Endstelle auf, das/die elektrisch zum Leiter, und eine andere Endstelle, die elektrisch zur Massefläche verbunden ist. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung 230 ein komplanerer geerdeter Wellenleiter auf einer PCB und das kapazitive Element 220 ist ein daran gelöteter Chipkondensator.
6 ist ein schematisches Diagramm einer Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche zur Verwendung mit einer Dualfrequenzverstärkungsschaltung geeignet ist. In dieser Ausführungsform enthält die Anpassungsschaltung 140 ein zweites kapazitives Element 240, welches schaltend parallel mit dem ersten kapazitiven Element 220 durch einen Schalter 245 gekoppelt ist. Das zweite kapazitive Element 240 weist eine Kapazität C' auf und ist zur Übertragungsleitung 230 an einem Ort gekoppelt, welcher sich von dem unterscheidet, an welchem der erste Kondensator 270 zur Leitung gekoppelt ist. Die Länge der Übertragungsleitung 230 zwischen dem Induktor 225 und dem zweiten kapazitiven Element 240 wird in Kombination mit dem Induktor ausgewählt, um eine zweite vorbestimmte Induktivität L' derart bereitzustellen, dass L' und C' den Scheinwiderstand der Verstärkungsschaltung 145 und der Übertragungsschaltung 150 bei einer zweiten Frequenz (f₂) anpassen. Diese Ausführungsform ist insbesondere nützlich, bei Dualband-GSM/DCS-Funktelefonhandapparaten, welche den Global System for Mobile Communications(GSM)-Standard um 900 MHz und den Digital Communications System(DCS)-Standard um 1800 MHz verwenden. Somit wird die Schaltung eine Scheinwiderstandsanpassung bei zwei Frequenzen, abhängig davon, ob der Schalter 245 geöffnet oder geschlossen ist, bereitstellen.
Optional enthält die Anpassungsschaltung 140 ferner einen zweiten Schalter 250, welcher das erste kapazitive Element 220 von der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung elektrisch entkoppeln kann.
Um ein bestimmtes Beispiel eines Dualbandbetriebs bei 900 und 1800 MHz zu nehmen, kann bei einer Verstärkungsschaltung mit einem Ausgangsscheinwiderstand von 3 Ohm und einer Übertragungsschaltung mit einem Eingangsscheinwiderstand von 50 Ohm, der Induktor 225 einen Wert von 0,82 nH aufweisen, und die Kondensatoren 220 und 240 können jeweils Werte von 2,6 pF und 10 pF aufweisen. Vom Schalter 250 wird angenommen, dass er immer geschlossen ist. Die Länge der Übertragungsleitung kann 1,9 mm vom Anfang zum Kondensator 220 und 7,4 mm zwischen den Kondensatoren 220 und 240 sein. Vom Schalter 245 wird angenommen, dass er für 900 MHz geschlossen und für 1800 MHz geöffnet ist.
Obwohl die Schalter 245, 250 als zwischen dem jeweiligen kapazitiven Element 220, 240 und der Masse verbunden gezeigt sind, wird verstanden werden, dass einer oder beide der Schalter alternativ zwischen den kapazitiven Elementen und der Übertragungsleitung 230 verbunden sein könnten, um den zugeordneten Kondensator von der Anpassungsschaltung 140 zu entfernen. In noch einer anderen alternativen Ausführungsform kann, wie in 7 gezeigt ist, ein einzelner einpoliger Umschalter 255 verwendet werden, um das erste und zweite kapazitive Element 220, 240 abwechselnd von der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140 zur Scheinwiderstandsanpassungsschaltung bei einer durch die Schalterverbindungen vorbestimmten Frequenz elektrisch zu koppeln und zu entkoppeln.
Ein Verfahren oder ein Prozess zum Betreiben der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung 140 wird jetzt mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 zeigt ein diagrammartiges Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen des Ausgangsscheinwiderstands der Verstärkungsschaltung 145 an den Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung 150 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen schließt das Verfahren das Auswählen einer Länge der Übertragungsleitung 230 bei Schritt 265 ein, um einen vorbestimmten Induktivitätswert aufzuweisen. Schritt 270 schließt das Koppeln der Übertragungsleitung und eines Induktors 225 in Reihe zwischen dem Eingang 210 und dem Ausgang 215 der Anpassungsschaltung 140 ein. Bei Schritt 275 wird ein kapazitives Element 220 mit einer Kapazität C an die Übertragungsleitung parallel mit dem Ausgang der Anpassungsschaltung gekoppelt. Bei Schritt 275 wird die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem Induktor und dem kapazitiven Element ausgewählt, um eine Gesamtinduk tivität L in Kombination mit dem Induktor bereitzustellen. Das kapazitive Element 220, der Induktor 225 und die Länge der Übertragungsleitung 230 werden derart ausgewählt, dass die Werte von L und C einen Ausgangsscheinwiderstand bereitstellen, der gleich einem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung 150 für ein Signal bei einer ersten Frequenz (f₁) ist. Wo die Übertragungsleitung 230 eine Leiterspur auf einer Leiterplatte (PCB) ist, enthält der Schritt 275 des elektrischen Koppelns des kapazitiven Elements 220 zur Übertragungsleitung vorzugsweise das Montieren eines Kondensators auf der PCB, derart, dass eine erste Last des Kondensators elektrisch zum Leiter verbunden ist und ein zweites Ende des Kondensators elektrisch zur Masse verbunden ist. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung ein komplanarer geerdeter Wellenleiter, welcher einen Leiter über einer Massefläche enthält. In einer derartigen Konfiguration schließt Schritt 275 des Koppelns des kapazitiven Elements zum Ausgang der Verstärkungsschaltung das Löten eines Endes eines Chipkondensators zum Leiter und das elektrische Verbinden des anderen Endes zur Massefläche ein.
Optional kann das Verfahren weitere Schritte des Koppelns eines zweiten kapazitiven Elements 240 zur Übertragungsleitung 230 parallel mit dem ersten kapazitiven Element 220 enthalten. Das Koppeln der Übertragungsleitung zwischen dem Induktor 225 und dem zweiten kapazitiven Element stellt eine zweite Gesamtinduktivität L' bereit, die ausgewählt ist, um den Scheinwiderstand der Verstärkungsschaltung 145 und der Übertragungsschaltung 150 bei einer zweiten Frequenz (f₂), wie in Schritt 280 gezeigt ist, anzupassen. Das Verbinden des ersten und zweiten kapazitiven Elements 220, 240 zu einem einpoligen Umschalter 255, welcher eines der kapazitiven Elemente von der Anpassungsschaltung 140 elektrisch isolieren kann, ist in Schritt 285 gezeigt. Beim Verfahrensschritt 290 wird der Schalter 255 zum Entfernen des ersten oder des zweiten kapa zitiven Elements 220, 240 von der Anpassungsschaltung 140 angeordnet, um die Frequenz zu ändern, bei welcher das Anpassen auftritt.
Es wird vom Durchschnittsfachmann verstanden werden, dass die Erfindung in anderen bestimmten Formen ausgeführt werden kann, ohne vom Schutzbereich, wie er in den anhängenden Ansprüchen festgelegt ist, abzuweichen. Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen werden daher in jeglicher Hinsicht als veranschaulichend und nicht beschränkend betrachtet. Der Schutzumfang der Erfindung ist durch die anhängenden Ansprüche und nicht durch die vorangehende Beschreibung angezeigt, und alle Änderungen, die innerhalb deren Bedeutung und Äquivalenzbereich liegen, sollen darin eingeschlossen sein.

Claims

Scheinwiderstandsanpassungsschaltung (140) umfassend: einen Eingangsknoten (210), der zum Empfangen eines Eingangssignals von einer Verstärkungsschaltung (145) angepasst ist; einen Ausgangsknoten (215), der zum Koppeln eines Ausgangssignals an eine Übertragungsschaltung (150) angepasst ist; ein parallel mit dem Ausgangsknoten (215) gekoppeltes und eine Kapazität C aufweisendes erstes kapazitives Element (220); einen Induktor (225) und eine Übertragungsleitung, die elektrisch zwischen und in Reihe mit dem Eingangsknoten (210) und dem Ausgangsknoten (215) gekoppelt sind, wobei die Übertragungsleitung eine zusammen mit dem Induktor (225) ausgewählte Länge aufweist, um einen vorbestimmten Wert der Induktivität L bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (225) ein elektrisch mit dem Eingangsknoten (210), der das durch die Verstärkungsschaltung (145) ausgegebene Eingangssignal empfängt, verbundenes erstes Ende und ein mit der Übertragungsleitung elektrisch verbundenes zweites Ende aufweist, und wobei die Übertragungsleitung ein elektrisch mit dem zweiten Ende des Induktors (225) verbundenes erstes Ende und ein elektrisch mit dem Ausgangsknoten (215) der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung (140) verbundenes zweites Ende aufweist, und wobei das erste kapazitive Element (220) elektrisch mit der Übertragungsleitung verbunden ist, so dass die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem zweiten Ende des Induktors (225) und dem ersten kapazitiven Element (220) ausgewählt ist, um zusammen mit dem Induktor (225) den vorbestimmten Wert der Induktivität bereitzustellen, und wobei Werte von L und C einen Scheinwiderstand bereitstellen, der im Wesentli chen gleich einem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung (150) bei einer ersten Frequenz ist.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsleitung einen Leiter über einer Massefläche auf einer Leiterplatte PCB umfasst, und wobei das erste kapazivite Element (220) auf der PCB angebracht ist.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach Anspruch 2, wobei die Übertragungsleitung einen komplanaren geerdeten Wellenleiter umfasst.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach Anspruch 3, wobei das erste kapazitive Element (220) einen kurzgeschlossenen Wellenleiter umfasst, der elektrisch mit der Übertragungsleitung verbunden ist und im Wesentlichen senkrecht aus der Übertragungsleitung vorspringt.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein elektrisch mit der Übertragungsleitung und parallel mit dem ersten kapazitiven Element (220) verbundenes zweites kapazitives Element (240), und einen ersten Schalter (245) zum elektrischen Koppeln des zweiten kapazitiven Elements (240) an die Erdung, wobei das zweite kapazitive Element (240) elektrisch an die Übertragungsleitung gekoppelt ist, so dass die Länge der Übertragungsleitung zwischen dem zweiten Ende des Induktors (225) und dem zweiten kapazitiven Element (240) ausgewählt ist, um zusammen mit dem Induktor (225) einen zweiten vorbestimmten Wert der Induktivität L' bereitzustellen, so dass L' und C ausgewählt sind, um einen Scheinwiderstand gleich dem Eingangsscheinwiderstand der Übertragungsschaltung bei einer zweiten Frequenz bereitzustellen.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach Anspruch 5, ferner umfassend einen zweiten Schalter (250) zum elektrischen Entkoppeln des ersten kapazitiven Elements (220) von der Erdung, um das erste kapazitive Element (220) von der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung (140) elektrisch zu entfernen.
Scheinwiderstandsanpassungsschaltung nach Anspruch 5, wobei der erste Schalter (245) ein einpoliger Umschalter (255) ist, der die ersten (220) und zweiten kapazitiven Elemente (240) abwechselnd elektrisch entkoppeln kann, um abwechselnd das erste (220) oder zweite kapazitive Element (240) von der Scheinwiderstandsanpassungsschaltung zu entfernen.
Sender-Empfänger zum Verwenden in einem drahtlosen Kommunikationssystem (100), wobei der Sender-Empfänger umfasst: eine Verstärkungsschaltung (145) zum Verstärken von durch den Sender-Empfänger übertragenen Signalen; eine Übertragungsschaltung (150) zum Übertragen von durch den Sender-Empfänger übertragenen Signalen, wobei die Übertragungsschaltung eine Antenne enthält; und eine Scheinwiderstandsanpassungsschaltung (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.