专利名称：功率放大器效率的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及便携式无线电通信装置中的功率放大器。具体地说，本发明涉及用于优化便携式无线电通信装置中功率放大器的效率的方法和设备。
背景新的移动通信系统正在不断地发展，越来越多的功能将会被结合到移动电话终端中，使终端的功率消耗增加。要增大电池的容量很困难，因为电池的尺寸和移动电话的尺寸一起在缩小。因此寻找降低移动电话终端功率消耗的方法就非常重要。
移动电话中功率消耗较大的元件之一是无线电发射机中的功率放大器。降低功率放大器的功率消耗对于降低移动电话的功率消耗可起很大的作用。
功率放大器(PA)的输出功率和效率在很大程度上受PA的输入功率和装入PA的元件的阻抗的影响。装入PA的元件的阻抗的最佳值随PA的输出功率而改变。
移动电话中功率放大器的先有技术装置如
图1所示。发射信号馈入功率放大器1的输入端3。控制信号4馈入功率放大器1，以便确定把所述信号放大到多大输出功率。然后通过天线元件2发送此放大的信号。在功率放大器和天线元件之间常配有滤波器和开关(未示出)。功率放大器之后的组合元件构成了加载在功率放大器上的阻抗。
传统上，选择加载在功率放大器上的阻抗以便优化PA，使PA有最大的功率输出。输出低于最大功率的PA不能最有效地工作。但这一点常被忽视，因为效率不高的低功率输出比效率高的最大功率输出可消耗较少的功率。
在授予Matsushita Electric Industrial Co.的EP1093222中，利用可变的负载电路来补偿加载在功率放大器上的变化的负载，这样就以恒定的负载加载在功率放大器上。设置在功率放大器的输出端和天线元件的馈电部分之间的可变负载引入了额外成本，而且限制了带宽。
在授予Motorola的US5,673,287中，双模放大器网络能使无线电话用一个功率放大器在两种不同的传输模式(一种模拟，一种数字)下工作。不过，即使对于两种传输模式，也仅能在最大发送功率条件下优化这种功率放大器。
发明概述本发明的一个目的是提供一种通过改进其发射射频(TX-RF)前端的效率来降低便携式无线电通信装置功率消耗的方法和设备。
本发明的另一目的是回避使无线电通信装置中的元件和50欧姆标准阻抗匹配的问题。
本发明的又一目的是提供与先有技术相比具有改进的带宽的TX-RF前端。
按照本发明，这些目的尤其通过在所附权利要求书中定义的方法和设备来达到。
通过在诸如移动电话的便携式无线电通信装置中提供具有可变天线辐射阻抗的天线元件，有可能提供加载在功率放大器上的负载，使得功率放大器对于任何所需的发送功率输出都能最有效地工作。
在优选实施例中，通过改变天线元件和接地元件之间的容性耦合来改变天线元件的辐射阻抗。
在另一优选实施例中，通过改变天线元件的大小来改变天线元件的辐射阻抗。
在各个从属权利要求中定义了其它优选实施例。
从以下说明可以明白本发明的其它特征和优点。
附图简要说明从以下给出的对实施例的详细描述和附图，可以更充分的理解本发明，所述描述和附图仅仅作为说明，而非对本发明的限制，附图中图1示意地图解说明按照先有技术的连接到天线元件的功率放大器；图2示意地图解说明本发明的第一实施例；图3示意地图解说明本发明的第二实施例；图4示意地图解说明改变加载在功率放大器上的阻抗的第一方法；图5示意地图解说明改变加载在功率放大器上的阻抗的第二方法；图6示意地图解说明改变加载在功率放大器上的阻抗的第三方法；图7示意地图解说明改变加载在功率放大器上的阻抗的第四方法；以及图8示意地图解说明改变加载在功率放大器上的阻抗的第四方法。
实施例的详细说明在以下的说明中，为了解释而不是限制，提出一些具体的细节，例如特定的技术和应用，以便提供对本发明的透彻的理解。但对本专业的技术人员而言，显然，本发明可以在不同于这些具体细节的其它实施例中实现。在其它实例中，对已知方法和设备的详细说明都已省略，以免用不必要的细节模糊了对本发明的说明。
关于移动电话中功率放大器的先有技术装置，如图1所示，已作了说明，不再赘述。
现参阅图2说明本发明的第一实施例。
便携式无线电通信装置，例如移动电话，包括功率放大器(PA)1、天线元件2和控制单元5。PA1用来放大馈入PA1的输入端3的发送信号。PA1的输出功率电平由输入功率或表示移动电话的所需发送功率的信号4来确定。信号4可以是直接的功率级别，或者减少/增加的量。通常不断地从指明来自移动电话的必要的发送功率的基站接收输出信号的所需功率。
放大的发送信号馈入天线元件2，以便将信号发送到基站。在PA1和天线元件2之间，可以设置滤波器和开关(未示出)，例如，为了获得所需的发送频率、获得不同类型的分集、提供接收和发送和/或为了去除不需要的信号。也可以设置更多的天线元件。
控制单元5设置成通过对信号4进行分接来不断建立移动电话的所需发送功率。然后，控制单元5确定给出功率放大器的最佳效率的相应的所需负载阻抗。利用包括功率放大器1的输出功率和负载阻抗之间对应关系的查阅表，来实现这一点。查阅表例如可用尝试法获得。查阅表还可包括对一种输出功率的不同负载阻抗，随不同的工作位置(例如在自由空间或在紧靠用户的头部)而定。
其次，控制单元5根据所需的负载阻抗控制加载在功率放大器1上的设备。这是通过控制天线元件2和地线之间的容性耦合来实现的，如图4所示。随所需的负载阻抗而定地改变连接到接地元件的变容管8的电容和/或把变容管8的电容连接到天线元件2或与之断开。通过来自控制单元5的控制线6由该控制单元来控制所述变容管。当然，也可以用一个或多个电容器来代替或补充变容管。
本发明的重要特征是在功率放大器和天线元件的馈电部分之间没有设置用来调节功率放大器负载的电路。代之以，用天线辐射阻抗本身来调节负载阻抗。与先有技术相比，这提供若干优点。首先，提高了TX-RF前端的总效率。TX-RF前端指的是功率放大器，可能有的滤波器和天线元件的总称。第二，它消除了要使天线和传统的50欧姆阻抗匹配的问题。代之以，将天线辐射阻抗调节到工作条件。第三，改善了TX-RF前端的带宽，因为省去了带宽有限的先有技术可变负载电路。
要求PA有高度线性的系统必需接受PA中较低的效率，以获得较高的线性，所以，在这种系统中提高效率的好处就更突出。例如，要求比老系统有更高位速率的新系统就要求具有较高线性的PA。
以下，参阅图3说明本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例基本上相同，不同点如下。
控制单元5通过测量PA1输出的电流IPA和PA1输出的电压VPA来建立移动电话所需的发送功率。或者，这种建立所需发送功率的方法也可和第一实施例中描述的对信号4进行分接的方法(未示出)一起使用。
另一种控制加载在PA1上的天线元件阻抗的方法是改变天线元件2的尺寸，如图5所示。改变天线元件2的尺寸的一种方法是将导电元件7连接到天线元件2上，或将导电元件7与天线元件2断开。
如果天线元件设置在电介体上，如图6所示，另一种控制加载在PA上的天线元件阻抗的方法是调节电介体的介电系数εr。在电介体上加控制电压就可以调节介电系数。
还有一种控制天线元件阻抗的方法是横跨天线元件的隙缝设置开关9，如图7所示。通过断开和接通开关来调节隙缝的有效长度，从而调节天线元件的辐射阻抗。
还有一种控制天线元件阻抗的方法是横跨天线元件的隙缝设置开关9，如图8所示。通过断开和接通开关来调节隙缝的有效长度，从而调节天线元件的辐射阻抗。所述可调节隙缝位于信号和地线之间。
以下说明本发明的第三实施例。
便携式无线电通信装置，例如移动电话，包括功率放大器(PA)、天线元件和控制单元。PA用来放大馈入PA1的输入端的发送信号。PA1的输出功率电平由输入功率和PA的放大倍数确定。
放大的发送信号馈入天线元件，以便将信号发送到基站。在PA和天线元件之间可以设置有滤波器和开关(未示出)，例如，用于获得所需的发送频率、用于获得不同类型的分集、用于提供接收和传输和/或用于去除不需要的信号。也可以设置有更多的天线元件。
控制单元设置成不断地确定由PA输出的功率。这可以通过测量PA输出的电流和电压来实现。然后，控制单元根据功率输出而自适应地控制加载在功率放大器(包括天线元件)上的所述设备以便增加功率输出。改变加载在PA上的设备的阻抗的不同方法已结合本发明的第一和第二实施例作了说明。
在所需负载阻抗已用来控制加载在PA上的设备之后，通过自适应地控制加载在PA上的设备，来将此第三实施例与第一和第二实施例组合在一起。
显然，可以以多种方法来改变本发明。这些改变不应被认为偏离了本发明的范围。对于本专业的技术人员来说，显然，所有这些改变均应包括在本发明的范围之内。
改变本发明的一种方法是将改变加载在PA上的阻抗的一种方法和改变加载在PA上的阻抗的另一种方法组合起来，或者将改变加载在PA上的阻抗的一种方法和改变加载在PA上的阻抗的数种方法组合起来。例如，可将具有一个或多个如图5所示的可连接/可断开元件的天线装置配置在如图6所示的具有可调介电系数的介质衬底上。
权利要求
1.一种提高用于在便携式无线电通信装置中发送无线电信号的功率放大器的效率的方法，其特征在于包括以下步骤-建立所述无线电通信装置的所需发送功率(4)；-确定对于所述所需发送功率能使所述功率放大器(1)有最佳效率的所需负载阻抗；-根据所述所需负载阻抗控制(6)加载在所述功率放大器上的天线元件(2)的辐射阻抗。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤之后是根据所述功率放大器输出的功率自适应地控制一种设备以便增加所述功率输出的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述建立步骤包括读出向所述功率放大器馈入的控制信号，或读出由基站确定的所述所需输出功率。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述建立步骤包括测量所述功率放大器的输出电压和输出电流。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述确定所需负载阻抗的步骤包括从查阅表中检索对应于所述所需发送功率的所述所需负载阻抗。
6.一种提高用于在便携式无线电通信装置中发送无线电信号的功率放大器的效率的方法，其特征在于包括以下步骤-确定所述功率放大器的功率输出；以及-根据所述功率放大器的所述功率输出自适应地控制(6)加载在所述功率放大器上的天线元件(2)的辐射阻抗，以便增加所述功率输出。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述控制步骤包括改变所述天线元件和接地元件之间的容性耦合。
8.如权利要求7所述的方法，其中通过改变变容管的电容来改变所述容性耦合。
9.如权利要求7所述的方法，其中通过连接或断开电容来改变所述容性耦合。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述控制步骤包括改变所述天线元件的尺寸。
11.如权利要求10所述的方法，其中通过将导电元件连接到所述天线元件或将所述导电元件与所述天线元件断开来改变所述尺寸。
12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述控制步骤包括调节所述天线元件隙缝的长度。
13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述天线元件设置在电介体上，以及所述控制步骤包括改变所述电介体的介电系数(εr)。
14.如权利要求13所述的方法，其中通过在所述电介体上加控制电压来改变所述介电系数。
15.一种提高用于在便携式无线电通信装置中发送无线电信号的功率放大器的效率的设备，其特征在于-用于建立所述便携式无线电通信装置的所需发送功率(4)的装置；-用于确定对于所述所需发送功率能使所述功率放大器(1)有最佳效率的所需负载阻抗的装置；-天线元件(2)，它连接到所述功率放大器的输出端；以及-控制单元(5)，用于根据所述所需负载阻抗控制(6)加载在所述功率放大器上的所述天线元件(2)的辐射阻抗。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述用于建立所需发送功率的装置包括用于读出向所述功率放大器馈入的控制信号的读出装置，或用于读出由基站确定的所述所需输出功率的读出装置。
17.如权利要求15或16所述的设备，其中用于建立所需发送功率的所述装置包括用于测量所述功率放大器的输出电压和输出电流的测量装置。
18.如权利要求15-17中任一项所述的设备，其中用于确定所需负载阻抗的所述装置包括含有所需负载阻抗和所需发送功率之间对应关系的查阅表。
19.一种提高用于在便携式无线电通信装置中发送无线电信号的功率放大器的效率的设备，其特征在于-用于确定所述功率放大器的功率输出的装置；-天线元件(2)，它连接到所述功率放大器的输出端；以及-控制单元(5)，用于根据所述功率放大器的所述功率输出控制(6)加载在所述功率放大器上的所述天线元件(2)的辐射阻抗。
20.如权利要求15-19中任一项所述的设备，其中所述便携式无线电通信装置包括连接到接地元件的容性元件(8)，其中所述控制单元设置成控制所述容性元件与所述天线元件的耦合。
21.如权利要求20所述的设备，其中所述容性元件是变容管(8)。
22.如权利要求15-21中任一项所述的配置，其中包括导电元件(7)，其中，所述控制单元(5)设置成将所述导电元件连接到所述天线元件或将所述导电元件与所述天线元件断开。
23.如权利要求15-22中任一项所述的设备，其中所述天线元件(2)设置在电介体上，以及所述控制单元(5)设置成改变所述电介体的介电系数(εr)。
24.如权利要求15-23中任一项所述的配置，其中包括开关(9)，所述开关(9)设置成调节所述天线元件(2)中隙缝的长度。
全文摘要
本发明涉及用于优化便携式无线电通信装置中，例如移动电话中，用来发送无线电信号的功率放大器的效率的方法和装置。由控制器(5)根据便携式无线电通信装置的发送功率来控制加载在功率放大器(1)上的阻抗，其中，根据所需的负载阻抗来控制加载在功率放大器上的天线元件(2)的辐射阻抗。最好，通过改变天线元件和接地元件之间的容性耦合或改变天线元件的尺寸来改变辐射阻抗。从而可以获得较好的效率和带宽。
文档编号H04B1/04GK1692549SQ200380100611
公开日2005年11月2日 申请日期2003年10月10日 优先权日2002年10月10日
发明者A·托纳尔-佩尔斯 申请人:Amc世纪公司