DE10337829A1

DE10337829A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Begrenzung der Fehlanpassung von Endstufen

Info

Publication number: DE10337829A1
Application number: DE2003137829
Authority: DE
Inventors: Stefan Baumann; Volker Wannenmacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-03-17
Also published as: WO2005020447A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Fehlanpassung einer Endstufe eines mobilen Endgeräts, aufweisend einen Leistungsverstärker (1) und eine Antenne (2), wobei zwischen dem Leistungsverstärker und der Antenne ein einstellbares Dämpfungsglied (5) angeordnet ist. Bevorzugt ist das Dämpfungsglied (5) ausgelegt, dem Betriebszustand der Vorrichtung angepasst zu werden, wobei bei Fehlanpassung der Antenne (2) die Dämpfung soweit reduziert wird, so dass nur eine geringe Verzerrung des Leistungsverstärkers (1) vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Begrenzung der Fehlanpassung von Endstufen.

Derartige Vorrichtungen bzw. Verfahren können unter anderem in Mobilfunkgeräten der dritten Generation, wie beispielsweise Mobilfunkgeräten des UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)- Standards, eingesetzt werden.

An mobile Endgeräte werden immer höhere Anforderungen gestellt. So sollen Verstimmungen der Antenne von Mobiltelefonen vermieden werden. Solche Verstimmungen erfolgen durch Gegenstände, welche sich in der Nähe der Mobiltelefon-Antenne befinden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Hand, welche das Telefon festhält, den Kopf des Nutzers oder (besonders wirksam) metallische Gegenstände wie Brillenbügel, Hörgeräte, größere Ohrringe oder eine Unterlage aus Metall, auf die das Telefon gelegt wird, handeln. Diese Gegenstände verzerren das Nahfeld der Antenne, so dass sich die Anpassung und Abstrahl-Eigenschaften extrem verschlechtern. Das Problem hat sich in den letzten Jahren dadurch verschärft, indem die Antennen oft im Mobiltelefon integriert sind und nicht mehr als Stabantenne außerhalb des Gehäuses des Mobiltelefons angebracht sind. Damit liegen solche Antennen oft räumlich näher an den erwähnten Störobjekten.

Speziell für den Mobilfunkstandard EDGE (Enhanced Date Global System for Mobile Communications Environment) und den Mobilfunkstandard der dritten Generation UMTS werden höhere Anforderungen an die Endstufe des Mobilfunkgerätes gestellt. Eine Verstimmung der Antenne führt bei EDGE/UMTS, bei welchen amplitudenmodulierte Signale verwendet werden, zu Verzerrungen in der Endstufe, d.h. in dem Leistungsverstärker der Endstu fe. Verzerrungen treten dabei insbesondere durch Intermodulation, AM (Amplitudenmodulation)/PM (Phasenmodulation) – Konversion und PM/PM-Konversion auf.

Diese Verzerrung hat den negativen Effekt, dass der Stromverbrauch der Endstufe drastisch ansteigt. Darüber hinaus wird durch die Verzerrung eine Demodulation des beim Empfänger empfangenen Signals schwierig bzw. unmöglich. Des Weiteren führt die Verzerrung auch zu einer ineffizienten Nutzung des Frequenzspektrums, da eine Störabstrahlung in den Nachbarkanal auftritt.

Zur Vermeidung dieser Probleme und zur Begrenzung der Verzerrung ist es bekannt, in einer Endstufe einen Isolator zwischen Leistungsverstärker und Antenne anzuordnen. Eine derartige bekannte Lösung ist in 1 dargestellt. 1 zeigt schematisch eine Endstufe eines Mobilfunkgerätes. Ein Ausgangssignal wird in dem Leistungsverstärker 1 verstärkt. Anschließend wird das Ausgangssignal in dem Isolator 3 angepasst und über die Antenne 2 abgestrahlt. Die Verwendung eines Isolators in der Endstufe hat jedoch den Nachteil erhöhter Kosten für die Mobilfunkgeräte, da Isolatoren immer noch recht teuer sind. Bedingt durch die relativ große Ausbildung von Isolatoren läuft der Einsatz eines Isolators auch dem Trend entgegen, Mobilfunkendgeräte immer mehr zu miniaturisieren. Darüber hinaus hat der Einsatz eines Isolators den Nachteil, dass Isolatoren nur schmalbandig sind, so dass für jedes Frequenzband (z.B. GSM900/GSM1800) ein separater Isolator benötigt wird.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Begrenzung der Fehlanpassung einer Endstufe bereitzustellen, welches die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Begrenzung der Fehlanpassung einer Endstufe eines mobilen Endgeräts weist einen Leistungsverstärker und eine Antenne auf, wobei zwischen dem Leistungsverstärker und der Antenne ein einstellbares Dämpfungsglied angeordnet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Begrenzung der Fehlanpassung einer Endstufe, aufweisend einen Leistungsverstärker, eine Antenne und ein zwischen dem Leistungsverstärker und der Antenne angeordnetes einstellbares Dämpfungsglied, wird das Dämpfungsglied dem Betriebszustand der Vorrichtung angepasst.

Das Dämpfungsglied kann als MEMS-(Micro Electromechanical Systems)-Schalter, PIN-Diode, Feldeffekttransistor (FET), kontinuierlich oder diskret ausgeführt werden. Das Dämpfungsglied muss dabei ansteuerbar sein.

Durch die Anordnung des einstellbaren Dämpfungsgliedes zwischen Leistungsverstärker und Antenne wird gewährleistet, dass der Leistungsverstärker nie so fehlangepasst betrieben wird, dass dieser verzerrt ist und damit über die Antenne ein verzerrtes Signal abgestrahlt wird.

Bevorzugt wird das Dämpfungsglied dabei dem jeweiligen Betriebszustand der Vorrichtung angepasst.

Weiter bevorzugt ist die Vorrichtung ausgelegt, bei Fehlanpassung der Antenne die Dämpfung des Dämpfungsgliedes soweit zu erhöhen, so dass nur eine geringe Verzerrung des Leistungsverstärkers vorliegt. Durch die Erhöhung der Dämpfung geht zwar Sendeleistung verloren. Dies hat jedoch keine weiteren negativen Auswirkungen gegenüber der bekannten Lösung mit dem Isolator, da diese Sendeleistung an der Antenne zum größten Teil sowieso reflektiert wird bzw. so stark verzerrt würde, so dass eine Demodulation im Empfänger schwierig wäre.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung ausgelegt, bei nicht vorhandener Fehlanpassung das Dämpfungsglied auszuschalten. Durch das Ausschalten des Dämpfungsglieds werden zwar Verluste verursacht, diese Verluste sind aber vergleichbar mit den Verlusten eines Isolators und liegen zwischen 0,5 und 1,0 dB, so dass durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Dämpfungsgliedes keine Nachteile gegenüber der bekannten Lösung mit einem Isolator entstehen.

In einer Ausführungsform wird das Steuer- bzw. Regelungssignal für das Dämpfungsglied von der zurückfließenden Leistung der Antenne abgeleitet. Bevorzugt wird dazu zwischen Leistungsverstärker und Antenne ein Richtkoppler angeordnet. Ein Richtkoppler ist ein passives Element, welches Hochfrequenzsignale teilen und kombinieren kann. In Abhängigkeit von der zurückfließenden Leistung der Antenne wird dabei über den Richtkoppler ein Steuer- bzw. Regelungssignal dem Dämpfungsglied zugeführt.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Steuer- bzw. Regelungssignal für das Dämpfungsglied vom Stromverbrauch des Leistungsverstärkers abgeleitet. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Stromverbrauch des Leistungsverstärkers unter Fehlanpassung ansteigt.

In einer Ausführungsform ist zur Ermittlung des Stromverbrauchs des Leistungsverstärkers ein Stromspiegel vorgesehen. Ein Stromspiegel ist eine stromgesteuerte Stromquelle, d.h. am Ausgang des Stromspiegels erhält man eine verstärkte, identische oder abgeschwächte Kopie des Eingangsstromes, wodurch ein dem Stromverbrauch des Leistungsverstärkers entsprechendes Steuer- bzw. Regelungssignal dem Dämpfungsglied zugeführt werden kann.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zur Ermittlung des Stromverbrauchs des Leistungsverstärkers ein Currentsense-Widerstand vorgesehen. Bei der Anordnung mit einem Currentsense-Widerstand wird die Energie, d.h. der Strom in dem Schaltkreis, gemessen, ein dem Stromverbrauch des Leistungsverstärkers entsprechendes Steuer- bzw. Regelungssignal generiert und dem Dämpfungsglied zugeführt.

Denkbar ist aber auch, das Steuer- oder Regelsignal von sonstigen Parametern, an denen sich der Betriebszustand des Leistungsverstärkers ablesen lässt, abzuleiten. Denkbar ist dabei beispielsweise eine Messung der reflektierten Leistung, z.B. über Richtkoppler/Detektordiode, oder eine Messung der Stromaufnahme, z.B. über einen Widerstand oder einen Stromspiegel.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein mobiles Endgerät, aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein mobiles Endgerät, welches in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die dort dargestellten Merkmale und auch die bereits oben beschriebenen Merkmale können nicht nur in der genannten Kombination, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bekannten Endstufe mit einem Isolator;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Endstufe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Richtkoppler;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Endstufe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Stromspiegel; und
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Endstufe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Currentsense-Widerstand.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Endstufe mit einem Richtkoppler. Ein Ausgangssignal wird in einem Leistungsverstärker 1 verstärkt, einem Dämpfungsglied 5 gedämpft und anschließend über die Antenne 2 abgestrahlt. Dabei wird das Dämpfungsglied so eingestellt, dass es dem jeweiligen Betriebszustand der Endstufe angepasst ist. Dazu wird die zurückfließende Leistung von der Antenne 2 über den Richtkoppler 6 als Steuer- oder Regelungssignal dem Dämpfungsglied 5 zugeführt. Die Richtkopplerschaltung weist zusätzlich einen Widerstand 7 und eine Diode 8 auf. Das der zurückfließenden Leistung der Antenne entsprechende Signal aus dem Richtkoppler 6 wird anschließend in einem Tiefpass 4 gefiltert. Von dem gefilterten Signal wird danach eine Spannung Vset subtrahiert. Durch dieses Signal wird das Dämpfungsglied 5 angesteuert bzw. geregelt.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Endstufe mit einem Stromspiegel. Ein Eingangssignal wird wiederum in einem Leistungsverstärker 1 verstärkt, in einem Dämpfungsglied 5 gedämpft und über eine Antenne 2 abgestrahlt. Das Steuer- oder Regelungssignal für das Dämpfungsglied 5 wird in dieser Ausführungsform über den Stromverbrauch des Leistungsverstärkers 1 bestimmt. Aus dem Stromspiegel in dem Leistungsverstärker, wird über den Widerstand 9 ein Steuer- bzw. Regelungssignal abgeleitet, welches anschließend in einem Tiefpass 4 gefiltert wird. In einem Addierer wird danach die Spannung Vset subtrahiert und dem Dämpfungsglied 5 als Steuer- bzw. Regelungssignal zugeführt.
4 zeigt eine Ausführungsform einer Endstufe mit einem Currentsense-Widerstand. Bei dieser Ausführungsform wird wiederum das Steuer- oder Regelungssignal von dem Stromverbrauch des Leistungsverstärkers abgeleitet. Das Eingangssignal wird wiederum in einem Leistungsverstärker 1 verstärkt, in einem Dämpfungsglied 5 gedämpft und über die Antenne 2 abgestrahlt. Das dem Stromverbrauch des Leistungsverstärkers entsprechende Steuer- oder Regelungssignal wird über einen CurrentSense-Widerstand bestimmt. Die Stromaufnahme des Leistungsverstärkers 1 verursacht dabei eine Spannung über den Widerstand 11, die über den Differenzverstärker 10 abgegriffen wird. Nachdem diese durch den Tiefpass 4 gefiltert wurde, kann sie an der Summationsstelle als Steuer- oder Regelungssignal verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die Kosten für ein einstellbares Dämpfungsglied und einen Operationsverstärker wesentlich geringer als die Kosten für einen Isolator sind.
Darüber hinaus ist auch die Größe eines Dämpfungsgliedes und eines Operationsverstärkers wesentlich geringer als die Größe eines Isolators, so dass die vorliegende Erfindung zur weiteren Miniaturisierung von mobilen Endgeräten beiträgt.
Die vorliegende Erfindung kann des Weiteren auch für Breitband-Leistungsverstärker verwendet werden, für welche bisher keine andere Lösung bekannt ist.
Die Erfindung ermöglicht auch eine längere Akku-Laufzeit eines mobilen Endgeräts, da verhindert wird, dass unter Fehlanpassung ein hoher Strom von dem Leistungsverstärker gezogen wird.
Als weiteren Vorteil werden bei der vorgeschlagenen Lösung keine Oberwellen generiert.

Claims

Vorrichtung zur Begrenzung der Fehlanpassung einer Endstufe eines mobilen Endgerätes, aufweisend einen Leistungsverstärker (1) und eine Antenne (2), wobei zwischen dem Leistungsverstärker und der Antenne ein einstellbares Dämpfungsglied (5) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Dämpfungsglied (5) ausgelegt ist, dem Betriebszustand der Vorrichtung angepasst zu werden.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung ausgelegt ist, bei Fehlanpassung der Antenne (2) die Dämpfung des Dämpfungsgliedes (5) soweit zu erhöhen, so dass nur eine geringe Verzerrung des Leistungsverstärkers (1) vorliegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung ausgelegt ist, bei nicht vorhandener Fehlanpassung das Dämpfungsglied (5) auszuschalten.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Steuer- bzw. Regelungssignal für das Dämpfungsglied (5) von der zurückfließenden Leistung der Antenne (2) abgeleitet wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen Leistungsverstärker (1) und Antenne (2) ein Richtkoppler (6) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Steuer- bzw. Regelungssignal für das Dämpfungsglied (5) vom Stromverbrauch des Leistungsverstärkers (1) abgeleitet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der ein Stromspiegel (9) zur Ermittlung des Stromverbrauchs vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der ein Currentsense-Widerstand (10, 11) zur Ermittlung des Stromverbrauchs vorgesehen ist.
Verfahren zur Begrenzung der Fehlanpassung einer Endstufe, aufweisend einen Leistungsverstärker (1), eine Antenne (2) und ein zwischen dem Leistungsverstärker und der Antenne angeordnetes einstellbares Dämpfungsglied (5), bei dem das Dämpfungsglied (5) dem Betriebszustand der Vorrichtung angepasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem bei Fehlanpassung der Antenne (2) die Dämpfung des Dämpfungsgliedes (5) soweit erhöht wird, so dass nur eine geringe Verzerrung der Leistungsverstärkers (1) vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem bei nicht vorhandener Fehlanpassung das Dämpfungsglied (5) ausgeschaltet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Steuer- bzw. Regelungssignal für das Dämpfungsglied (5) von der zurückfließenden Leistung der Antenne (2) abgeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem mit Hilfe eines zwischen Leistungsverstärker (1) und An tenne (2) angeordneten Richtkopplers (6) das Steuer- bzw. Regelungssignal ableitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Steuer- bzw. Regelungssignal für das Dämpfungsglied (5) vom Stromverbrauch des Leistungsverstärkers (1) abgeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem mit Hilfe eines Stromspiegels (9) der Stromverbrauch ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem mit Hilfe eines Currentsense-Widerstand (10, 11) der Stromverbrauch ermittelt wird.
Mobiles Endgerät, aufweisend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Mobiles Endgerät zur Verwendung in einem Verfahren nach einem Ansprüche 10 bis 17.