专利名称：增加发送放大器的输出阻抗的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及双向通信单元，特别是，涉及使一个半双工或时分复用通信单元能在没有一个天线开关的条件下进行工作。
各种无线通信单元都是人们熟知的。其中，这些单元包括，各种双向无线设备以及各种无线话，并且典型地包括一部发射机，一部接收机，以及一组天线。该发射机典型地包括一个信息信号源以及一个发送放大器。
已知各种无线通信单元能提供全双工和半双工工作。一个提供全双工工作的通信单元允许该通信单元在同一时间进行发送(典型地在一个发送频率上)和接收(典型地在一个不同于该发送频率的接收频率上)。一个提供半双工工作的通信单元要求该通信单元在不同时间进行发送和接收。因此，在使用半双工通信单元的条件下，为了接收一组通信(信号)，该用户必须停止发送，而在使用全双工通信单元的条件下，该用户可以在同一时间进行接收和发送。在各种时分多址接入系统中，该通信单元可以提供时分复用工作，它像全双工工作一样，允许该用户在无需停止通话的条件下去接收一组通信(信号)，但也像半双工工作那样，要求信息的实际发送和接收在被称为诸时隙的不同的诸时间间隔内发生。
在一个典型的半双工或时分复用通信单元中，该接收机和该发射机经由一个天线开关被间歇地连接到该天线。在
图1中以方框图的形式描述了这样一种典型的时分复用通信单元100的发送放大器和接收机两部分。该通信单元100的发送放大器部分包括一个放大器部件101，一个直流(DC)电源103(例如，一组电池)，一个电源电压控制器105，一个偏置控制器107，以及一个天线开关109。该通信单元100的接收部分包括一根传输线115，它具有相当于该通信单元100的发送频率的四分之一波长的电长度，一个PIN二极管119，它被连接于该传输线115以及一个信号公共端121之间，一个直流阻隔(隔直)电容器117，以及一个信号接收机113。
在发送过程中(例如，在一个发送时隙内)，一个输入信号123(例如，已调制的语音或数据)被施加到该放大器部件101，它基于一个所施加的电源电压125以及一个所施加的偏置电压127(例如，当该放大器部件101是一个场效应管(FET)时)或偏置电流(例如，当该放大器部件101是一个双极型结型晶体三极管(BJT)时)，对该输入信号123进行放大。根据已知的技术，通过分别地向该电源控制器105施加一个电源控制信号133以及向该偏置控制器107施加一个偏置控制信号131，来提供该电源电压125以及该偏置电压127。除了该电源和偏置控制信号以外，一个天线开关控制信号135被施加到该天线开关109，将该发送放大器的放大器部件101的输出连接到一组天线111，以便进行该已放大信号的无线发送。为了避免该已放大信号进入(并且可能损坏)该信号接收机113，一个接收使能/禁止控制信号(Vc)129被施加到该PIN二极管119，使得该PIN二极管119导通，并且通过该PIN二极管119，有效地使该四分之一波长传输线115与该信号接收机相连的一端进入短路状态。通过使该传输线115短路，该传输线115有效地对该发送放大器的输出端呈现出开路阻抗，由此实质上允许全部的已放大信号都被送往该天线111。
在接收过程中(例如，处于一个接收时隙)，该接收使能/禁止控制信号(Vc)129，该电源电压125，以及该偏置电压127全都被撤除，并且该天线开关控制信号被调整到使该天线开关109在该发送放大器以及该天线111之间发生开路，由此使得被该天线111所接收的信号经由该直流阻隔电容器117进入该信号接收机113。若没有该天线开关109的存在，则该发送放大器的输出阻抗(对于一个砷化镓FET放大器部件来说，在不施加电源电压或偏置电压时，典型地为100欧姆)将成为该已接收信号的负载，由此降低了被施加到该信号接收机113的已接收信号的幅度，并且，实际上，不受欢迎地降低了该通信单元100的接收灵敏度。
如上所述，虽然该天线开关109用于在该通信单元100的发送和接收两部分之间起到隔离作用的目的，但由于它在该发送路径上引入了附加的损耗，使得它工作于低效状态。该天线开关的附加损耗要求该放大器部件101产生比没有天线开关109时更高的输出功率。为了产生较高的输出功率，该放大器部件101必须消耗附加的直流功率(假设放大器效率很小变化或无变化)，这在实质上减少了通话时间。例如，在不用天线开关时，对一个工作效率为40％、在发送期间向该天线提供相对于1毫瓦为27分贝的发送放大器来说，该发送放大器消耗大约1.25瓦的直流功率。在使用天线开关109并假设该天线开关的插入损耗为0.5分贝的条件下，该发送放大器所消耗的直流功率的数值增加到1.4瓦。与不用天线开关时相比，直流功耗的增加使得通话时间大约减少了12％。
因此，存在一种对于在接收方式下增加该通信单元的发送放大器的输出阻抗的方法与装置的需求，以便消除对一个天线开关的需求，由此允许该发送放大器消耗较小的直流功率，同时减轻该发送放大器对已接收的诸信号的影响。
图1表示一个典型的双向无线通信单元的发送放大器和接收机两部分的方框图。
图2表示根据本发明的一个优选实施例的一个双向无线通信单元的发送放大器和接收机两部分的方框图。
图3表示一时序图，它描述图2的通信单元在发送和接收诸时隙内的电源电压，放大器偏置电压，以及放大器输出阻抗。
图4表示根据本发明的优选实施例的通信单元在接收方式下，为了增加一个发送放大器的输出阻抗而由一个通信单元执行的诸步骤的逻辑流程图。
一般来说，本发明包含一种方法和装置，用以在该通信单元的接收方式下增加一个通信单元的发送放大器的输出阻抗。一个包括一个发送放大器，一组天线，和一部信号接收机的通信单元至少能在一种发送方式和一种接收方式下工作。在发送方式下，含有至少一个放大器部件的该发送放大器放大一组输入信号，并向该天线提供已放大的信号，用于无线发送。在接收方式下，该天线接收各种无线信号，并向该信号接收机提供已接收的各种信号。为了在接收方式下减轻该发送放大器对已接收的诸信号的影响，并且在发送方式下，在介于该发送放大器以及该天线之间的发送路径上不引入附加的损耗，该通信单元，在接收方式下，直接地将该发送放大器连接到(例如，经由一根传输线)该天线，并向该放大器部件施加一个偏置以增加该发送放大器的输出阻抗，使得该发送放大器不致于显著地成为已接收的诸信号的负载。通过在接收方式下以这种方式来增加该发送放大器的输出阻抗，本发明在不需要一个天线开关的条件下，在一个双向通信单元的发送和接收两部分之间提供了充分的隔离，由此降低了该发送放大器的射频(RF)输出功率以及对直流输入功率的需求。
参考图2-4，将能更充分地理解本发明。图2表示根据本发明的一个优选实施例的一个双向无线通信单元200的发送放大器和接收机两部分的方框图。该通信单元200的发送放大器部分包括至少一个放大器部件201，一个直流(DC)电源203(例如，一组电池)，一个电源电压控制器205，以及一个偏置控制器207。该通信单元200的接收机部分包括一根传输线213，它具有相当于该通信单元200的一个发送频率的四分之一波长的电长度，一个PIN二极管217，它被连接于该传输线213以及一个信号公共端219之间，一个直流阻隔电容器215，以及一个信号接收机211。该接收机部分以及该发送放大器部分最好经由诸传输线(未示出)被持续地连接到一组天线209。在该优选实施例中，该放大器部件201包括一个耗尽型场效应晶体管，例如一种砷化镓场效应晶体管(GaAs FET)，以及它的相关的输入和输出匹配电路(未示出)。在一个变通的实施例中，该放大器部件201可以包括一个增强型FET，一个双极型结型晶体管(BJT)，或者一个异质结双极晶体管(HBT)，以及它的相关的输入和输出匹配电路。
该电源电压控制器205最好包括一个FET开关，它在由一个微控制器或微处理器(未示出)所产生的电源控制信号229的控制下进行工作。该偏置控制器207最好包括一个直流放大器和/或电平移动器，它们在由一个微控制器或微处理器(未示出)所产生的偏置控制信号227的控制下进行工作。该信号接收机，包括滤波器，混频器以及解调器在内，在业界中是众所周知的；因此，除了为了便于更好地理解本发明以外，将不作进一步的讨论。
根据本发明的优选实施例，该通信单元200的工作基本上如下所述。为了便于讨论起见，假设该放大器部件201是一个耗尽型GaAsFET。在该优选实施例中，该通信单元按照一种时分复用通信协议进行工作。这就是说，该通信单元200被分配用于发送信息的一个发送频率和一个发送时隙，以及用于接收信息的一个接收频率和一个接收时隙。在该优选实施例中，该接收频率不同于该发送频率，并且该接收时隙与该发送时隙之间被隔开两个或多个时隙、这样一种时分复用通信协议被用于“iDEN”通信系统之中，后者可从(美国)伊利诺斯州Schaumburg(地名)的摩托罗拉公司购得。
当该通信单元200已准备好发送一组信号时，该通信单元200就进入一种发送方式。在发送方式下，该电源控制信号229被施加到该电源控制器205，使得该电源控制器205从电源203向该GaAs FET放大器部件201的一个漏极端提供直流电压223。此外，该偏置控制信号227被施加到该偏置控制器207，以允许该偏置控制器207从一个偏置电源(例如，一个负电压极性变换器)向该GaAs FET放大器部件201的一个栅极端提供一个负栅偏压225。该电源电压223以及该负栅偏压225的大小被这样选择，使之能提供所需的已放大信号233的幅度。例如，对于摩托罗垃公司的MRFIC08K07型GaAs FET放大器部件201来说，在移动(通信)应用中它被这样偏置，使得在850兆赫(MHz)频率下产生2瓦的输出功率，该电源电压223最好是3.5伏特，并且该负栅偏压最好是一2.2伏特。
最后，一个接收使能/禁止控制信号(Vc)231被施加到该PIN二极管217，使得该PIN二极管导通，并通过该PIN二极管217，使该四分之一波长传输线213与该接收机相连的一端有效地进入短路状态。根据已知的传输线理论，通过使该传输线213短路，该传输线213对该发送放大器的输出端呈现出一种开路阻抗。由此允许基本上全部的已放大信号233都被送往该天线209。一旦所有的控制信号227。229,231都已经被施加，一个输入信号221就被送往该GaAs FET放大器部件201，并且被它进行放大。随后，该已放大的信号233被送往该天线209，用于后继的无线传播。
当该通信单元200已准备好去接收一组信号时，该通信单元200就进入接收方式。在接收方式下，该放大器部件的输入信号221被撤除，并且，如同在发送方式下那样，该电源控制信号229被施加到该电源控制器205，使得该电源控制器205从电源203向该GaAs FET放大器部件201的一个漏极端提供直流电压223。此外，也跟在发送方式下一样，该偏置控制信号227被施加到该偏置控制器207，以便允许该偏置控制器207从该偏置电源向该GaAs FET放大器部件201的一个栅极端提供一个负栅偏压225。在接收方式下所施加的该负栅偏压225的大小大于或等于在发送方式下所施加的负栅偏压225的大小。在本优选实施例中，在接收方式下，该负栅偏压的大小大于或等于该特定的GaAs FET放大器部件201的夹断电压的大小。然而，为了使这个电压225开始对该发送放大器的输出阻抗(Zout)具有一种增加效应，在接收方式下，负栅偏压225不需要等于或超过该夹断电压的大小。
由于该优选的放大器部件201是一种耗尽型器件，所以随着该负栅偏压225的大小的增加，该发送放大器的输出阻抗也增加。因此，根据该通信单元200在接收方式下的特定要求，令该负栅偏压的大小小于该夹断电压的大小，这样对该已接收信号的负载作用为足够小，就不致影响该通信单元200的接收工作。此外，根据该通信单元200在接收方式下的特定要求，可能不需要将该电源电压223施加到该放大器部件201，以便在接收方式下获得所需的发送放大器输出阻抗。在以经验为根据的测试中，跟仅施加一个其大小等于该GaAs FET放大器部件的夹断电压的大小的负栅偏压225的情况相比，将电源电压223施加到该GaAs FET放大器部件201，能使该发送放大器的输出阻抗增加400欧姆。图3所表示的诸定时图，描述了在发送方式和接收方式下的电源电压223，负栅偏压225，以及放大器输出阻抗(Zout)，在下文中对此还要作更详细的叙述。
在接收方式下，除了将该电源电压223以及一个负栅偏压225施加到该GaAs FET放大器部件201以外，该通信单元还撤除该接收使能/禁止信号(Vc)231，由此降低了它通过该四分之一波长传输线213呈现于该天线209的阻抗，并允许从该天线209接收的诸信号经由该直流阻隔电容器215被送往该信号接收机211。
在该优选实施例中，该通信单元200也可以工作于待机方式。在待机方式下，该通信单元200既不发送也不接收。而是，该通信单元200正在等候接收来自一个基站或其他通信设备的各种信号，或者来自该单元的用户的发送指令。对一个通信单元来说，用以检测它何时处于待机方式的方法是众所周知的；因此，本文对各种检测方法将不作进一步的讨论。当该通信单元检测到它处于待机方式时，它最好撤除该偏置电压225以及该电源电压223，其方法是撤除该偏置控制信号227以及该电源控制信号229，或者，根据该偏置控制器207以及该电源控制器205的设计，分别地将一个适当的偏置控制信号227施加到该偏置控制器207，以及将一个适当的电源控制信号229施加到该电源控制器205，以撤除该偏置电压225以及该电源电压223。在待机方式下，通过撤除该偏置电压225以及该电源电压223，该通信单元200减小了在待机期间被该发送放大器所抽取的电流，由此延长了电池寿命。
因此，如上所述，通过在发送和接收两种方式下，向该发送放大器的放大器部件施加至少一种偏置电压(最好是偏置和电源两种电压)，本发明提供了一种方法与装置，用以在接收方式下增加一个通信单元的发送放大器的输出阻抗，在接收方式下，将适当的偏置和电源电压施加到该发送放大器的放大器部件之上，能使该发送放大器的输出阻抗提升到一个足够高的水平，从而允许在半双工或时分复用诸通信单元中取消各种天线开关。通过消除对天线开关的需求以及随之而来的固有的插入损耗，本发明让该放大器部件工作于比现有技术的通信单元更低的射频输出功率电平上。通过让该放大器部件工作于较低的输出功率，与采用天线开关方案的现有技术通信单元相比，本发明需要较小的平均直流电流并且允许较长的通话时间，虽然上面所叙述的该通信单元200的工作，是就使用一种耗尽型GaAs FET放大器部件201来说的，但一般的专业人士将理解，本发明也可以使用其他类型的放大器部件，例如增强型FET放大器部件或BJT放大器部件，来增加该发送放大器的输出阻抗。
图3表示一张时序图300，它描述了图2所示的优选通信单元在发送和接收诸时隙中的电源电压223，放大器偏置电压225，以及放大器输出阻抗(Zout)。在时分多址(TDMA)通信系统(其中，时分复用系统就是这样的TDMA系统中的一种)中，一个通信单元被分配处于一个发送载频之上的一个发送时隙，在其中可以发送语音或数据，以及处于一个接收载频之上的一个接收时隙，从该时隙可以接收语音或数据。为各种时分复用通信(系统)分配发送与接收诸时隙的方法是人所共知的；因此对这样的分配过程将不作进一步的讨论。
如图所示，在接收与发送两种时隙中，该电源电压223以及该偏置电压225被施加到该放大器部件201之上。在发送时隙中所施加的该偏置电压225的大小被表示为Vbias,tx；而在接收时隙中所施加的该偏置电压的大小被表示为Vbias,rx。在该优选实施例中，如图所示，在接收方式下所施加的该偏置电压225的大小超过在发送方式下所施加的该偏置电压的大小。特别是，在接收方式下所施加的该偏置电压225的大小最好等于该发送放大器的放大器部件的夹断电压。此外，应在该发送和接收诸时隙刚开始的一段时间(例如，2毫秒)之前以及在该发送和接收诸时隙刚完成的一段时间(例如，2毫秒)之后施加该偏置电压225；而该电源电压223则应仅在该发送与接收诸时隙中被施加。通过在该发送与接收诸时隙的一前一后施加该偏置电压225，使得该偏置控制器207能有足够的时间以便向该放大器部件201提供一个稳定的偏置电压225。
在该发送和接收诸时隙中该发送放大器的输出阻抗分别地被表示为Zout,tx和Zout,rx。在该发送时隙中该发送放大器的输出阻抗被这样选择，使之相当于当该通信单元处于发送方式下该发送放大器能产生所需的性能(例如，输出功率，效率，和/或线性)时的阻抗。在发送时隙中该发送放大器的输出阻抗的数值取决于在该发送时隙中所施加的电源电压223，偏置电压225，以及该放大器部件的输出匹配网络。无论如何，对一个给定的输出匹配网络来说，通过有选择地施加偏置与电源电压，可以改变该发送放大器的输出阻抗。因此，在该发送时隙中，通过施加该偏置与电源电压来建立一个发送输出阻抗；而在该接收时隙中，则通过施加该偏置与电源电压来建立一个接收输出阻抗，在本优选实施例中，该接收输出阻抗的大小要比该发送输出阻抗的大小大得多。通过适当地选择和施加该偏置和电源电压，该发送放大器在接收方式下的输出阻抗可以被设置成对该通信单元的接收工作仅有最小的影响，由此消除了对一个天线开关的需求以及随之而来的损耗。
图4表示根据本发明的优选实施例的通信单元在接收方式下，为了增加一个发送放大器的输出阻抗而由一个通信单元执行的诸步骤的逻辑流程图400。当该发送放大器的一个输出被连接(403)(例如，经由一根传输线或电缆)到该通信单元的一组天线上时，该逻辑流程就开始了(401)。在本优选实施例中，与现有技术中的不同，在所有的工作方式下，该发送放大器的输出端都跟该天线保持连接。这样一来，与在现有技术的方案中仅在发送方式下才将该发送放大器的输出端连接到该天线的情况相比，本发明在发送与接收两种工作方式下，都保持介于该发送放大器的输出端以及该天线之间的连接。
一旦该天线被连接到该发送放大器的输出端，该通信单元就开始按照3种方式中的任何一种进行工作。当然，该通信单元要确定它当前处于那一种工作方式之中。一个通信单元的工作方式的确定方法是众所周知的；因此本文对此将不作进一步的讨论。在确定该通信单元处于发送方式之后，该通信单元向该发送放大器的放大器部件施加(407)发送时的偏置和电源电压，使该发送放大器能将一组输入信号放大到所需的输出电平。该已放大的信号被送往该天线以便发送，并且该逻辑流程结束(409)。
在确定该通信单元处于待机方式之后，该通信单元从该发送放大器的放大器部件撤除(411)偏置和电源电压以保存电池功率，并且该逻辑流程结束(409)。最后，在确定该通信单元处于接收方式之后，该通信单元向该发送放大器的放大器部件施加(413)接收时的偏置和电源电压，以便将该发送放大器的输出阻抗增加到一个足够高的水平(例如，相当于该通信单元的信号接收机的输入阻抗的100倍)，以避免该发送放大器实质上成为该已接收信号的负载。在本优选实施例中，在接收与发送两种方式下，该通信单元向该发送放大器的放大器部件施加相同的电源电压，但所施加的偏置电压实质上是不同的(例如，在接收方式下为一个夹断电压，而在发送方式下则为使该发送放大器的放大器部件建立甲乙类线性工作状态所需的一个电压)。但是，在另一个的实施例中，在接收与发送两种方式下，该通信单元可以施加不同的电源电压以及不同的偏置电压。而且，在另一个实施例中，在接收方式下，若施加该偏置电压能将该发送放大器的输出阻抗增加到一个足够高的水平，以避免该发送放大器实质上成为该已接收信号的负载，则该通信单元可以仅施加一个偏置电压，而不施加电源电压。
本发明包含一种方法和装置，用以在该通信单元的接收方式下增加一个通信单元的发送放大器的输出阻抗。采用这样一个发明，可以省去在现有技术各种半双工以及时分复用通信单元中的天线开关，由此使得该通信单元的发送放大器工作于比对应的现有技术的各种放大器为较低的输出功率电平(相应地较低的直流输入功率电平)上。由于在发送方式下消耗较小的直流功率，所以，就平均值而言，一个纳入本发明的通信单元将提供比现有的、纳入一个天线开关的通信单元更长的通话时间。而且，本发明在不损害介于该发送放大器以及该接收机之间的隔离的条件下提供通话时间的改进。在接收方式下，通过向该发送放大器施加一个适当的偏置电压，必要时，也施加一个电源电压，本发明就能将该发送放大器的输出阻抗增加到一个足以避免该发送放大器显著地影响已接收的诸信号的水平上。
以上参照于特定的诸实施例已经对本发明作了专门的表达和描述，专业人士将会理解，在不背离本发明的精神实质和范围的前提下，可以对其中的形式和细节作出各种更改。例如，本专业人士将认识到，可以用适当地安排的集总参数元件(即，各种电容器和各种电感器)来代替该四分之一波长传输线213，以模拟该四分之一波长传输线213的功能。
权利要求
1．在一个含有一个发送放大器以及一组天线的通信单元中，该通信单元可以至少在一种发送方式和一种接收方式下工作，一种用于在接收方式下增加该发送放大器的输出阻抗的方法，该方法包括下列诸步骤在接收方式下将该发送放大器连接到该天线；以及向该发送放大器的一个放大器部件施加一个第一偏置，以增加该发送放大器的输出阻抗。
2．如权利要求1所述方法，还包括下列诸步骤在发送方式下将该发送放大器连接到该天线；向该放大器部件施加一个第二偏置，使该发送放大器能放大一组输入信号；以及向该放大器部件施加一个电源电压。
3．如权利要求1所述方法，还包括在接收方式下向该放大器部件施加一个电源电压以进一步地增加该发送放大器的输出阻抗的步骤。
4．一个至少可在一种发送方式以及一种接收方式下进行工作的通信单元，该通信单元包括一组天线；以及一个在发送方式以及接收方式下都被连接到该天线的发送放大器，它包括一个放大器部件以及连接于该放大器部件的一个偏置控制器，其中该偏置控制器在接收方式下向该放大器部件施加一个第一偏置，以便在接收方式下增加该发送放大器的输出阻抗。
5．如权利要求4所述的通信单元，还包括一个连接于该放大器部件的电源，它至少在发送方式下向该放大器部件施加一个电源电压。
6．如权利要求4所述的通信单元，其中该偏置控制器在发送方式下还向该放大器部件施加一个第二偏置，以便使该发送放大器在发送方式下能放大一组输入信号。
7．如权利要求6所述的通信单元，其中该放大器部件是一种耗尽型器件，其中该第一偏置和该第二偏置都是电压，并且其中该第一偏置的大小大于或等于该第二偏置的大小。
8．如权利要求7所述的通信单元，其中该放大器部件是一个砷化镓器件，并且其中该第一偏置的大小大于或等于该放大器部件的一个夹断电压的大小。
9．如权利要求4所述的通信单元，还包括一个信号接收机，在接收方式下，它通过操作被连接到该天线。
10．如权利要求4所述的通信单元，还包括一根传输线，在一个第一端被连接到该天线以及该发送放大器，它具有相当于在该通信单元的一个发送频率上的四分之一波长的电长度；一个二极管，被连接于该传输线的一个第二端以及一个信号公共端之间，在发送方式下，该二极管导通；以及一部信号接收机，它被连接到该传输线的第二端。
全文摘要
一个通信单元(200)使用一种方法和装置,用以在该通信单元的接收方式下增加一个发送放大器的输出阻抗。该通信单元包括一个发送放大器,一组天线(209),以及一部信号接收机(211),并且至少可以在一种发送方式和一种接收方式下进行工作。在发送方式下,含有一个放大器部件(201)的该发送放大器放大一组输入信号(221),并将该已放大的信号(233)送往该天线以便发送。在接收方式下,该天线接收诸信号,并将所接收的诸信号送往该信号接收机。
文档编号H04B1/44GK1235485SQ9910207
公开日1999年11月17日 申请日期1999年3月5日 优先权日1998年3月5日
发明者古斯塔沃·D·雷泽洛维奇, 丹尼斯·G·安森 申请人:摩托罗拉公司