專利名稱：用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的設備，它包含一個循環(huán)器和一個匹配網(wǎng)絡，該循環(huán)器將在第一端口從功率放大器接收到的信號經(jīng)第二端口路由到天線并使從天線反射且在第二端口接收到的信號通過第三端口轉(zhuǎn)向。
無線的無線電組網(wǎng)是電信行業(yè)的一項關鍵技術，通過引入UMTS(Universal Mobile Telecommunications/Telephony System，通用移動電信/電話系統(tǒng))標準，在未來幾年中，其重要性還會進一步提高。該標準開始將與原有的GSM(Global System for MobileCommunications，全球移動通信系統(tǒng))標準并行存在，且如果是完全取代的話，也將逐漸地取代后者。所以最初的有UMTS能力的蜂窩電話，也稱為第三代設備，通常也具有GSM能力，因而將包含兩個或多或少獨立的無線電系統(tǒng)。對其中所用的電子器件在小型化程度和電氣特性的質(zhì)量方面的要求會相應地增加，因為這兩個無線電系統(tǒng)中只有少數(shù)部件能被同時使用。
為了確保UMTS網(wǎng)絡的功能性，用戶的蜂窩電話必須要能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射機功率的智能調(diào)整。而其基礎則是所使用的調(diào)制或接入規(guī)程，即寬帶CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)。與GSM形成對比的是，用戶不會被分配到任何他們自己的無線電信道，相反，每個用戶都使用全部頻帶。但是為了能夠區(qū)分不同用戶的信號，為每個用戶分配了一個碼，該用戶和基站使用該碼來進行調(diào)制。為了使兩個不同用戶之間沒有相互干擾，應當只使用所謂的正交碼，但是只有較少數(shù)量的這種碼可用。所以各個UMTS網(wǎng)絡中也使用了非正交碼。然而，基站因此就必須能夠向下調(diào)整一個干擾者的發(fā)射機功率。這種發(fā)射機功率的可控性是唯一能使UMTS網(wǎng)絡無問題地運行的方式。
GSM標準也允許向下調(diào)整用戶的發(fā)射功率，但只有在基站有良好接收的情況下才行。因此，發(fā)射功率調(diào)整只是用來增加蜂窩電話的通話時間。
而后面這一點對于UMTS設備要比對GSM設備重要得多。因為寬帶CDMA方法不是用時隙進行操作，在時隙期間可能發(fā)生發(fā)送或者接收，相反，接收機一直準備去接收，且發(fā)送和接收是同時進行的，所以UMTS設備的能耗更大。為了保證待機和通話時間長，就必須經(jīng)濟地使用電池能量。
射頻電路中有一個部分對于電源管理來說是重要的，就是所謂的射頻放大器輸出和天線之間的匹配網(wǎng)絡。它確保上述功率放大器的輸出阻抗與天線的輸入阻抗相匹配。這一匹配是必須的，因為否則部分功率就會被從天線輸入反射回到功率放大器的輸出。一些功率就不可再用作發(fā)射機功率。如果反向散射功率的比例太大，就會由于反饋而額外地引起振蕩，使得無線電連接最終中斷。蜂窩電話的天線輸入阻抗不是一個固定值，而是在相當程度上依賴于其周圍的環(huán)境，例如，甚至依賴于用戶握持蜂窩電話的方式。所以，在象現(xiàn)有設備中的正常情況那樣的靜態(tài)阻抗匹配的情況下，功率的并不太小的一部分會始終在天線輸入處被反射，并因此而損失發(fā)射機功率。
靜態(tài)阻抗匹配例如根據(jù)EP1 076 374 A2，是通過提供一個具有電容器等無源部件的匹配網(wǎng)絡進行的，其中用一個循環(huán)器來允許接入匹配網(wǎng)絡的不同部分。
此外，EP0 741 463 A2中還可知一種用于在功率放大器和天線間的阻抗匹配的設備。特別地，其特征在于循環(huán)器為了耗散而最終釋放被天線反射的信號。其中也未出現(xiàn)動態(tài)匹配。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種用于功率放大器和天線間的動態(tài)阻抗匹配的設備，如上面所描述的那樣，它能夠自動地適應于瞬時的天線阻抗。該目的是通過采用權(quán)利要求1中要求的設備而實現(xiàn)的。而對其進行的有利發(fā)展則構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。
本發(fā)明的特征在于，用方向性耦合器將從功率放大器行進到天線的信號的一部分轉(zhuǎn)向信號檢測器，由該部分可以得出信號的幅度和相位，且循環(huán)器將天線反射的全部信號路由到信號檢測器，其中該信號檢測器將行進到天線的信號和從天線反射的信號的幅度和相位傳給控制器，由其對從信號檢測器接收到的信息進行評估，以確定當前的天線阻抗值，并根據(jù)所確定的天線阻抗值來校正包含有源和無源部件的可控匹配網(wǎng)絡?？刂破鲬敱焕斫鉃樵趥鹘y(tǒng)上用于半導體電路中的微控制器。
按照本發(fā)明，從功率放大器行進到天線的信號和由于失配而從天線反射的信號都要測量。行進到天線的信號的測量通過方向性耦合器實現(xiàn)，它將功率的一小部分轉(zhuǎn)向。接著，可隨后檢測被轉(zhuǎn)向的信號。這一檢測通常用于控制該功率放大器的輸出功率。至此，問題是對于反射信號的測量，反射信號常常要比行進到天線的信號弱得多。所以，如果只使用一個方向性耦合器，就只有一個很弱的信號可用于檢測，使得必須要有復雜而昂貴的電子裝置。在蜂窩電話的情況下，這樣的解決方案根本不可行。按照本發(fā)明使用循環(huán)器則避免了這些昂貴的電子裝置。循環(huán)器確保整個信號都可用于返回信號的檢測，使得可以使用價格非常低廉的電子裝置。并且保護功率放大器以免受返回信號的影響。因而功率放大器的穩(wěn)定性和線性得到了決定性的改善。
至少，方向性耦合器、循環(huán)器、信號檢測器和控制器或微控制器都優(yōu)選地緊接著排列在功率放大器的下游。
按照本發(fā)明的一種發(fā)展，可控匹配網(wǎng)絡緊接著排列在天線的上游，并通過一根控制線連接到部件以進行信號檢測和控制。這種配置的優(yōu)點是接收分支也能被動態(tài)地匹配。
按照一種類似的優(yōu)選實施方案，方向性耦合器、循環(huán)器、信號檢測器和控制器，以及可控匹配網(wǎng)絡一起采用一個模塊的形式，并緊接著排列在功率放大器的下游。
該可控匹配網(wǎng)絡的有源部件可以包含變?nèi)荻O管、MEM開關和類似器件。
按照本發(fā)明的設備可以結(jié)合LTCC(“Low Temperature CofireCeramics”，低溫共燒陶瓷)技術使用，用鐵氧體材料將方向性耦合器、循環(huán)器及可控匹配網(wǎng)絡的無源部件集成到一個LTCC基片中。
信號檢測器、控制器和可控匹配網(wǎng)絡的有源部件則可以被集成到一個半導體芯片中。
按照本發(fā)明的用于動態(tài)阻抗匹配的設備是在通信裝置，特別是蜂窩電話中使用的。它從實質(zhì)上改進了蜂窩電話的效率，并使其中包含的功率放大器穩(wěn)定。
最后，本發(fā)明還定義了一種功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的方法，其特征在于評估行進到天線的信號和天線反射的整個信號的幅度和相位以確定當前的天線阻抗值，并根據(jù)所確定的天線阻抗值來校正包含有源和無源部件的可控匹配網(wǎng)絡。
下面參考附圖中示出的實施方案例子進一步描述本發(fā)明，而本發(fā)明并不局限于這些例子。這些圖中

圖1是蜂窩電話的射頻前端的示意圖，其中具有一個按照本發(fā)明的用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的模塊化設備；圖2是圖1中模塊的框圖；以及圖3與圖1相似，但其中按照本發(fā)明的設備采用兩個子模塊的形式。
圖1是一種蜂窩電話的射頻前端的示意圖，其中離開功率放大器10的信號在通過雙工濾波器40到達天線30之前要通過模塊20路由，該模塊實現(xiàn)動態(tài)阻抗匹配，并將參考圖2被更全面地描述。為了完備性起見，圖中也顯示了用于從天線30拾取的信號的信號通路，該信號依次被路由通過雙工濾波器40直到LNA放大器50(low noise amplifier，低噪聲放大器)。模塊20一方面確保了天線30與功率放大器10最佳地匹配，使得正常情況下功率放大器10的全部輸出功率都可用作發(fā)射機功率。另一方面，功率放大器10被保護免受反向散射功率的影響，可能發(fā)生反向散射的一個例子是當天線30處阻抗劇烈變化時，這種情況是在模塊20的控制范圍之外。因此，模塊20還額外完成隔離器的功能。
這些特性的組合由圖2框圖所示的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。方向性耦合器200將行進到天線30的信號的一部分轉(zhuǎn)向并將其提供給信號檢測器220用于評估。而未被轉(zhuǎn)向的信號主要部分則行進通過循環(huán)器210和匹配網(wǎng)絡的無源部件250到達天線(圖2中未顯示)。循環(huán)器210還確保天線反射的整個信號也同樣到達信號檢測器220。信號檢測器220將行進到天線的功率和被反射的功率的幅度和相位通過一根控制線傳給微控制器230。由它對信息進行評估，并適當?shù)匦Ｕ撚性床考?40的匹配，這些有源部件和無源部件250一起構(gòu)成了可控匹配網(wǎng)絡。可以將變?nèi)荻O管用作可控電容器，也可能采用MEM開關(微電動機械開關)。方向性耦合器200、循環(huán)器210及可控匹配網(wǎng)絡的無源(即不可控)部件250都集成到一個LTCC基片260中。包含檢測器220、微控制器230和可控匹配網(wǎng)絡的有源部件240的半導體芯片270安放于基片260上。
本發(fā)明的基本特點在于以上述方式使用循環(huán)器。否則，有多種改變設備結(jié)構(gòu)的可能方式。
這一點如圖3中的例子所示。子模塊22包含循環(huán)器、方向性耦合器、信號檢測器和微控制器，其安排如圖2所示。子模塊22直接位于功率放大器10的輸出。包含有源和無源部件的匹配網(wǎng)絡則作為第二個子模塊24緊接著裝配在天線30的上游。這種配置的優(yōu)點是接收分支能與發(fā)送分支同時被匹配。接收分支只可能以這種方式被動態(tài)匹配，因為接收的信號本身很微弱，而直接檢測由此會要求復雜而昂貴的電子裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的設備，包含循環(huán)器(210)，將在第一端口從功率放大器(10)接收到的信號經(jīng)第二端口路由到天線(30)并使在天線(30)反射且在第二端口接收到的信號通過第三端口轉(zhuǎn)向；及匹配網(wǎng)絡(24、240、250)；其特征在于，方向性耦合器(200)將從功率放大器(10)行進到天線(30)的信號的一部分轉(zhuǎn)向到信號檢測器(220)，由該部分信號可以得出信號的幅度和相位；并且循環(huán)器(210)將在天線(30)反射的整個信號路由到信號檢測器(220)；其中信號檢測器(220)將行進到天線(30)的信號和天線(30)反射的信號的幅度和相位傳給控制器(230)，由其對從信號檢測器(220)接收到的信息進行評估，以確定天線(30)的當前阻抗值，并根據(jù)所確定的天線(30)阻抗值來校正包含有源和無源部件的可控匹配網(wǎng)絡(24、240、250)。
2.按照權(quán)利要求1的設備，其特征在于至少方向性耦合器(200)、循環(huán)器(210)、信號檢測器(220)和控制器(230)被緊接著安排在功率放大器(10)的下游。
3.按照權(quán)利要求1或2的設備，其特征在于可控匹配網(wǎng)絡(24)被緊接著安排在天線(30)的上游。
4.按照權(quán)利要求1或2的設備，其特征在于方向性耦合器(200)、循環(huán)器(210)、信號檢測器(220)及控制器連同可控匹配網(wǎng)絡(240、250)一起采用一個模塊(20)的形式，并被緊接著安排在功率放大器(10)的下游。
5.按照權(quán)利要求1到4中任意一個的設備，其特征在于可控匹配網(wǎng)絡的有源部件(240)包含變?nèi)荻O管、MEM開關和類似器件。
6.按照權(quán)利要求1到5中任意一個的設備，其特征在于方向性耦合器(200)、循環(huán)器(210)和可控匹配網(wǎng)絡的無源部件(250)被集成在一個LTCC基片(260)中。
7.按照權(quán)利要求1到6中任意一個的設備，其特征在于信號檢測器(220)、控制器(230)和可控匹配網(wǎng)絡的有源部件(240)被集成在一個半導體芯片(270)中。
8.一種通信裝置，特別是蜂窩電話，具有按照權(quán)利要求1到7中任意一個的、用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的設備。
9.一種用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的方法，其特征在于，評估行進到天線(30)的信號和天線(30)反射的整個信號的幅度和相位，以確定天線(30)的當前阻抗值；并且根據(jù)所確定的天線(30)阻抗值來校正具有有源和無源部件的可控匹配網(wǎng)絡(24、240、250)。
全文摘要
一種用于功率放大器與天線間的動態(tài)阻抗匹配的設備，具有一個循環(huán)器(210)和一個可控匹配網(wǎng)絡(24、240、250)，該循環(huán)器將在第一端口從功率放大器(10)接收到的信號經(jīng)第二端口發(fā)送到天線(30)并使在天線(30)反射且在第二端口接收到的信號通過第三端口轉(zhuǎn)向；其特征在于一個方向性耦合器(200)將從功率放大器(10)行進到天線的信號的一部分轉(zhuǎn)向(30)到信號檢測器(220)，由該部分信號可以得出信號的幅度和相位；循環(huán)器(210)將在天線(30)反射的整個信號路由到信號檢測器(220)，其中信號檢測器(220)將行進到天線(30)的信號和在天線(30)反射的信號的幅度和相位傳給控制器(230)，由其對從信號檢測器(220)接收到的信息進行評估，以確定天線(30)的當前阻抗值，并根據(jù)所確定的天線(30)阻抗值來校正具有有源和無源部件的可控匹配網(wǎng)絡(24、240、250)。
文檔編號H03H7/38GK1669228SQ03817073
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月20日
發(fā)明者R·皮伊蒂格, R·基維特, M·K·馬特斯－坎梅爾, T·普爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司