DE10121535A1 - Vorrichtung zum Auskoppeln eines vorgegebenen Teils eines hochfrequenten Ausgangssignals - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auskoppeln eines vorgegebenen Teils eines hochfrequenten Ausgangssignals. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Sende- und/oder Empfangseinheit, insbesondere für einen Einsatz in einem Bereich des Mobilfunks. DOLLAR A Um eine Vorrichtung und eine Sende- und/oder Empfangseinheit zu schaffen, durch die bei geringem Schaltungsaufwand ein höherer Grad an Störfestigkeit erreicht wird, wird vorgeschlagen, daß die Koppeleinrichtung als Richtkoppler DIR ausgebildet ist, dessen isoliertes Tor 3 mit einem Widerstand Z¶match¶ abgeschlossen ist, dessen Größe sich im wesentlichen aus einem Ausgangswiderstand Z¶PA¶ der Schaltung PA und einem Bezugswiderstand Z¶o¶ des Richtkopplers DIR bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aus­ koppeln eines vorgegebenen Teils eines hochfrequenten Aus­ gangssignals. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Sende- und/oder Empfangseinheit, insbesondere für einen Einsatz im einem Bereich des Mobilfunks.

Bei Vorrichtungen und Einheiten der genannten Art ist be­ kannt, daß ein vorgegebener Teil eines hochfrequenten Aus­ gangssignals mittels einer Koppeleinrichtung ausgekoppelt wird, die zwischen einem Ausgang einer Schaltung und einer Schnittstelle eines Übertragungskanals angeordnet ist. Von besonderem Interesse sind Antennen als Schnittstellen draht­ loser elektromagnetischer Übertragungskanäle, wie sie im sta­ tionären und auch mobilen Einsatz im Bereich der Mobilfunk­ technik Verwendung finden. In kompakter und vorzugsweise hochintegrierter Bauform werden sie so u. a. in Schnurlos- Telefonen und Mobiltelefonen bzw. Handys und deren Systemen eingesetzt.

Hier muß ein Sendesignal als hochfrequentes Signal in dem Spezialfall einer Verarbeitung in einem TDMA-(Time Division Multiple Access bzw. Zeitmultiplex) Mobilfunkgerät unter an­ derem die Systemspezifikation erfüllen, wonach ein vorgegebe­ ner zeitlicher Verlauf der Sendeleistung während eines Auf- und Abregelns des Senders einzuhalten ist. Um die Anforderun­ gen einer jeweiligen TDMA-Spezifikation in Abhängigkeit von Temperatur, Betriebsspannungsschwankung, Frequenz, Alterung etc. einhalten zu können, wird im allgemeinen am Schaltungs­ ausgang vor einer Antenne eine Leistungsregelung vorgesehen. Von GSM-Geräten (Global standard for mobile communication) her sind Hardware-Regelungseinrichtungen zur Leistungsrege­ lung oder Stromregelung bekannt. Ferner ist ein Verfahren be­ kannt, in dem die Amplitudenmodulation getrennt von der Pha­ senmodulation auf das Sendesignal aufgebracht wird, der s. g. Polar-Loop Sender. Dies kann z. B. durch Modulation der Ver­ sorgungsspannung eines im C-, D- oder E-Betrieb stark nicht­ linear arbeitenden Leistungsverstärkers geschehen. Bei den vorstehend beispielhaft genannten Verfahren und Vorrichtungen kann die Sendeleistungskontrolle auf dem gleichen Weg gesche­ hen. Dazu wird in bekannten Vorrichtungen wird zur Regelung der Leistung an einem Ausgang eines Verstärkers ein Teil ei­ nes Ausgangssignals ausgekoppelt und in einem Rückkopplungs­ zweig zu einer Stellgröße aufbereitet zurückgeführt. Nach diesem Prinzip wird auch in genannten Hochfrequenzsendern o­ der Mobilfunksendern ein Teil der von einem Sendeverstärker erzeugten Ausgangsleistung als Signal bzw. als s. g. FEEDBACK ausgekoppelt, um die Ausgangsleistung oder die Modulation etc. zu regeln. Die Regelung wird aber durch Störsignale, die dem Signal FEEDBACK beigemischt sind, negativ beeinflußt. Im allgemeinen ist für die Störwirkung die relative Größe der Störleistung zur ausgekoppelten Sendeleistung entscheidend, so daß die Störempfindlichkeit bei geringster Sendeleistung am höchsten ist.

Die generell beim Einsatz von Koppeleinrichtungen auftreten­ den Probleme werden im Detail zusammen mit der Darstellung einer bekannten Lösung nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und eine Sende- und/oder Empfangseinheit vorzu­ schlagen, durch die bei geringem Schaltungsaufwand ein höhe­ rer Grad an Störfestigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Sende- und/oder Emp­ fangseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt als Koppeleinrich­ tung einen Richtkoppler, dessen isoliertes Tor mit einem Wi­ derstand Z_match abgeschlossen ist. Im Gegensatz zu einem übli­ chen Abschluß eines Richtkopplers entspricht Z_match jedoch nicht einem Bezugswiderstand Z_o des Richtkopplers. Z_match be­ stimmt sich erfindungsgemäß vielmehr im wesentlichen aus ei­ nem Ausgangswiderstand Z_PA einer dem Richtkoppler vorangehen­ den Schaltung und dem Bezugswiderstand Z_o des Richtkopplers gemäß folgender Formel:

In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist der Abschlußwiderstand Z_match des isolierten Tors des Richtkopp­ lers als komplexer Widerstand ausgeführt, also als Z _match. Da­ mit wird in vorteilhafter Weise der Tatsache Rechnung getra­ gen, daß Richtkoppler zwar im Regelfall rein reelle Bezugswi­ derstände Z_o aufweisen, ein Ausgangswiderstand Z _PA einer dem Richtkoppler vorangehenden Schaltung jedoch diesem Bezugswi­ derstand nicht entspricht und zudem noch in der Regel komplex ist. Erfindungsgemäß können nun alle beteiligten Größen kom­ plex sein.

Vorzugsweise ist an einem Tor des Richtkopplers als einer Koppeleinrichtung ein Leistungsstück einer bestimmten Länge l angeschlossen. Das Leitungsstück ist zur Widerstandstransfor­ mation vorgesehen, so daß der Abschlußwiderstand Z _match des isolierten Tors des Richtkopplers in jedem Fall als platzspa­ rendes, passives Netzwerk realisierbar ist. Zudem kann so in einer Großserie ein Feinabgleich beispielsweise über eine Einstellung von Z _match oder Z _PA erfolgen. In an sich bekannter Weise kann Z _PA durch Transformation an einem Anschluß des Richtkopplers auch zu einem rein reellen Widerstand umgeformt werden.

Vorteilhafterweise ist der Abschlußwiderstand Z _match des iso­ lierten Tors des Richtkopplers als Anpassungsnetzwerk mit komplexem Widerstand und einer bestimmten frequenzabhängigen Änderung ausgebildet. Damit kann der Abschlußwiderstand Z _match einem jeweils erfindungsgemäß bestimmten Widerstandswert über einen vorgegebenen Frequenzbereich folgen oder aber er kann in sonstiger Weise nachgeführt werden, mindestens um einen Arbeitspunkt herum.

Um die mögliche Datenrate einer Mobilfunkverbindung bei gleichbleibender beanspruchter Bandbreite steigern zu können, kommen auch zunehmend Modulationsverfahren mit variierender Hüllkurve des Ausgangssignals zum Einsatz. So ist für die Zu­ kunft von GSM das Modulationsverfahren EDGE GSM (enhanced data rate for GSM evolution, 3π/8-shifted 8PSK) vorgesehen. Hier ist dementsprechend innerhalb des Mobilfunkbereichs ein wesentliches Einsatzgebiet von Ausführungsformen der vorlie­ genden Erfindung zu sehen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch im Bereich hoher Frequenzen unter weitgehender Wahrung aller genannter Vorteile in jeder Art von Auskopp­ lungsschaltung und/oder Rückkopplungsnetzwerk oder auch sons­ tiger linearer Verstärkerschaltung einsetzbar.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gegenüber Vorrichtungen nach dem Stand der Technik anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels erläutert.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Darstel­ lung der Störeinflüsse bei einer bekannten Leistungs­ regelung;

Fig. 2 zeigt anhand des Blockschaltbildes von Fig. 1 eine be­ kannt Lösung;

Fig. 3 stellt als Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Aus­ führungsform dar und

Fig. 4 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel gemäß vorlie­ gender Erfindung.

Bei der Schaltung von Fig. 1 ist die Grundfunktion einer Re­ gelung der Sendeleistung in Form einer bekannten Regelschlei­ fe L als vereinfachtes Blockschaltbild dargestellt. Zur Rege­ lung der Verstärkung wird an einem Ausgang eines Sendever­ stärkers PA ein Teil eines Ausgangssignals, also der vorlau­ fenden Sendeleistung, ausgekoppelt und als Signal FEEDBACK in einem Rückkopplungszweig in eine Regelschaltung einer Hoch­ frequenz erzeugenden Schaltung RF zurückgeführt. Zu einer Stellgröße PA_CTRL aufbereitet wird das ausgekoppelte Signal auf den Sendeverstärkers PA mit steuerbarer Verstärkung gege­ ben.

Die Leistungs- oder Modulationsregelung wird aber durch Stör­ signale, die dem Signal FEEDBACK beigemischt sind, negativ beeinflußt. Diese Störsignale können dabei sowohl aus einem Teil der Sendeleistung, die an der Antenne ANT reflektiert wird, als auch aus von anderen Quellen EXT stammenden und ü­ ber eine Sendeantenne ANT aufgenommenen Signalen bestehen. Um vor allem die von dem Hochfrequenzverstärker PA in Richtung Sendeantenne ANT laufende Welle, nicht aber die von der An­ tenne ANT kommende Welle als Signal FEEDBACK zu selektieren, wird zur Auskopplung gewöhnlich ein Richtkoppler DIR verwen­ det. Durch die Richtwirkung des Richtkopplers DIR wird die Störfestigkeit gegen Reflexionen und externe Quellen EXT deutlich verbessert. Diese vorteilhafte Wirkung wird jedoch nur dann erreicht, wenn das von der Antenne ANT kommende Störsignal C nicht vom Sendeverstärker PA reflektiert wird und den Richtkoppler DIR erneut durchläuft. Diese Reflexion am Sendeverstärkerausgang findet jedoch insbesondere in Mo­ bilfunksendern im hohen Maße statt, da keine Impedanzanpas­ sung vorliegt.

Bei einem Sendeverstärker PA stellt auch ein dem Endstufen­ transistor nachgeschaltetes und hier nicht weiter dargestell­ tes Transformationsnetzwerk im allgemeinen keine Leistungsan­ passung her. Daher ist der Richtkoppler DIR am Eingang bzw. Tor 1 nicht mit der Systemimpedanz abgeschlossen. Dieses führt zu o. g. Problemen der Reflexion und rücklaufender Wel­ len bis hin zu einer Ausbildung stehender Wellen im Bereich des Richtkopplers DIR. Damit koppeln Störung D in das Signal FEEDBACK ein. Herkömmliche Richtkoppler DIR werden zudem nur für übliche reelle Systemimpedanzen wie z. B. 50 Ω angeboten. Zur Abhilfe müßte so beispielsweise jeweils ein individuelles Transformationsnetzwerk dem Sendeverstärker PA nachgeschaltet werden. Hierbei muß jedoch eine wesentliche Verschlechterung des Wirkungsgrades in Kauf genommen werden.

In einer in Fig. 2 dargestellten bekannten Lösung wird auf­ bauend auf die Schaltung von Fig. 1 das von der Sendeantenne ANT kommende Störsignal C durch nichtreziproke Bauelemente gedämpft. Hierzu wird hier ein als Isolator geschalteter Zir­ kulator ISO zwischen Verstärker PA und Antenne ANT eingefügt. Derartige Bauelemente werden also in den Sendepfad eingefügt und weisen stark unterschiedliche, richtungsabhängige Dämp­ fungen auf. Nachteilig wirkt sich jedoch bei derartigen Lö­ sungen neben den erhöhten Kosten und einem zusätzlichen Platzbedarf dieser Bauelemente die Restdämpfung in Durchlaß­ richtung aus, durch die auch die vom Sender bzw. von dem End­ verstärker PA aufzubringende Leistung erhöht werden muß. Wei­ terhin sind Isolatoren im allgemeinen nur sehr schmalbandige Bauelemente.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform als ver­ einfachtes Blockschaltbild dargestellt. Weiterhin ist der Richtkoppler DIR an allen Toren nicht reflexionsfrei abge­ schlossen, so daß auch ein Signalpegel an dem eigentlich iso­ lierten Tor 3 des Richtkopplers DIR auftritt. Ausgehend von der Schaltung gemäß Fig. 1 kann durch Abschluß des Richtkopp­ lers DIR an dem isolierten Tor 3 mit einer geeigneten Impe­ danz Z _MATCH die Funktion des Richtkopplers DIR derart geändert werden, daß die Reflexion des Störsignals C am Sendeverstär­ kerausgang und das anschließende erneute Durchlaufen des Richtkopplers DIR idealerweise nicht zu einer Auskopplung ei­ nes Signals D führt. Damit gelangt ein Störsignal D durch die Direktivität des Richtkopplers DIR in jedem Fall nur wesent­ lich gedämpft in das Signal FEEDBACK des Rückkopplungszweigs. Die Impedanz Z _MATCH kann aus der Ausgangsimpedanz des Sende­ verstärkers nach folgendem Zusammenhang ermittelt werden (Fig. 3):

mit Z _PA als komplexer Sendeverstärker Ausgangsimpedanz und Z ₀ als Bezugsimpedanz des Richtkopplers, die hier sogar komplex angesetzt werden kann.

Bei Fehlabschluß des Senderverstärkers PA oder Reflexionen des eigenen Sendesignals gelangt das Signal teilweise in den Sender zurück. Dort kann es bei der bekannten Lösung gemäß Darstellung von Fig. 1 nicht mehr von dem ursprünglichen vor­ laufenden Signal unterschieden werden. Damit wird z. B. eine korrekte Messung der Vorlaufleistung unmöglich. Ferner werden weitere Schaltungsteile, die die vorlaufende Leistung als Eingangssignal benötigen, werden störend beeinflußt. So wird eine verstärkte Regeltätigkeit ausgelöst mit negativen Aus­ wirkungen auf den Energieverbrauch und auch das Zeitverhalten wie das Frequenzspektrum des Ausgangssignals.

Die erfindungsgemäße Lösung mindert dieses Problem je nach dem Maß, in dem der Widerstand Z _MATCH genau eingestellt werden kann. Bei beliebigen Lastimpedanzen Z _ANT kann somit die vor­ laufende Leistung bestimmt werden und weiteren Schaltungstei­ len korrekt zur Verfügung gestellt werden. Damit kann die Richtwirkung des Richtkopplers DIR effizient zur Erhöhung der bei kleinen Leistungen kritischen Störfestigkeit gegen äußere Störsignale genutzt werden. Ein besonderer Vorteil einer er­ findungsgemäßen Lösung besteht in der im Vergleich zur be­ kannten Lösung breitbandigeren Wirkungsweise.

Ein konkret aufgebautes und durchgemessenes Ausführungsbei­ spiel ist in der Abbildung von Fig. 4 skizziert. Das Prinzip­ schaltbild zeigt ein Beispiel für die Dimensionierung von ZMATCH bei einer gegebenen Quellimpedanz Z _PA = (80 - j21,6)Ω für eine Betriebsfrequenz f_o von 900 MHz. Die Systemimpedanz des Richtkopplers DIR ist rein reell und beträgt 500. Der Abschlußwiderstand Z _MATCH des Isolationspfades 3 weist nach obiger Formel berechnet einen reellen ohmschen und einen ima­ ginären induktiven Anteil auf. Z _MATCH ergibt sich bei der Fre­ quenz f_o zu Z _MATCH = (29 + j7,9)Ω.

Ferner ist über das Einfügen eines Leitungsabschnitts einer bestimmten Länge l zwischen dem Ausgang des regelbaren Leis­ tungsverstärkers PA und dem Richtkoppler zur Transformation des Ausgangswiderstandes Z _PA eine im Smith-Diagramm rechts­ drehende Kompensation zur Senkung eventuell zu hoher imaginä­ rer Anteile der Impedanz Z _MATCH möglich. Es kann auch eine vollständige Kompensation eines imaginären Anteils bewirkt werden, so daß die Impedanz Z _MATCH dann nur aus einem reellen ohmschen Widerstand besteht. Diese Maßnahme ist in dem hier vorliegenden Beispielfall jedoch nicht erforderlich.

In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist Z _MATCH als Zweipol mit komplexem Widerstand ausgebildet. Das Zweipol wirkt als Funktion der Frequenz, so daß sich Z _MATCH als Z _MATCH(f) mit einer bestimmten frequenzab­ hängigen Änderung der Abschlußimpedanz zum Folgen bzw. Nach­ führen eines erfindungsgemäß bestimmten komplexen Wider­ standswertes über einen vorgegebenen Frequenzbereich um einen Arbeitspunkt herum ergibt.

Aufgrund der sehr effektiven Senkung des Einflusses von Stör­ größen auf die Funktion der Regelschleife bei geringer Bau­ größe und vergleichsweise kostengünstiger Fertigung trägt ei­ ne erfindungsgemäße Schaltung auch wesentlich zur Einhaltung der sehr strengen Spezifikationen des Zeit- und Frequenzver­ laufes des Ausgangssignals ein, wobei sie in weiten Bereichen frei an diverse TDMA-Signal-Standards und/oder Mehr-Band- Systeme angepaßt werden kann. Zusammen mit der prinzipiellen Eignung für energiesparende und hochintegrierte monolytische Hochfrequenz-Schaltkreise wird für eine erfindungsgemäße Schaltung ein Einsatz in mobilen Endgeräte bzw. Sende- und/oder Empfangseinheiten einer Datenübertragungseinrichtung oder eines Kommunikationssystems oder Mobiltelefone bevor­ zugt. Auch ist ein Einsatz unter Verwendung diskreter Elemen­ te in einer hybriden Mikro-Streifenleitungs-Anordnung direkt auf einer Platine möglich. Damit wird jedoch ein vorteilhaf­ ter Einsatz einer erfindungsgemäßen Schaltung in sonstigen Anwendungen zur Verstärkung höher- und/oder hochfrequenter Signale außerhalb des Mobilfunkbereichs nicht ausgeschlossen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Auskoppeln eines vorgegebenen Teils eines hochfrequenten Ausgangssignals mittels einer Koppelein­ richtung, die zwischen einem Ausgang einer Schaltung (PA) und einer Schnittstelle eines Übertragungskanals, insbe­ sondere einer Antenne (ANT), angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung als Richtkoppler (DIR) ausgebil­ det ist, dessen isoliertes Tor (3) mit einem Widerstand (Z_match) abgeschlossen ist, dessen Größe sich im wesentli­ chen aus einem Ausgangswiderstand (Z_PA) der Schaltung (PA) und einem Bezugswiderstand (Z_o) des Richtkopplers (DIR) zu
bestimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußwiderstand (Z _match) des isolierten Tors (3) des Richtkopplers (DIR) komplex ist.

3. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Tor der Koppeleinrichtung ein Leistungsstück einer bestimmten Länge (l) zur Widerstandstransformation angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußwiderstand (Z _match) des isolierten Tors (3) der Koppeleinrichtung als Zweipol mit einer bestimmten frequenzabhängigen Änderung zum Folgen bzw. Nachführen ei­ nes erfindungsgemäß bestimmten Widerstandswertes über ei­ nen vorgegebenen Frequenzbereich ausgebildet ist.

5. Sende- und/oder Empfangseinheit, insbesondere für einen Einsatz im Mobilfunkbereich, wobei
die Einheit eine Regelschleife (L) zur Regelung des Leis­ tungspegels eines zu verstärkenden hochfrequenten Signals umfaßt,
und die Regelschleife (L) eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche umfaßt.

6. Sende- und/oder Empfangseinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polar-Loop-Leistungsregelung vorgesehen ist.