FR2873247A1 - Radio transmitter for mobile radiocommunication terminal, has impedance matching circuit providing impedance values towards power amplifier, where impedance values are determined according to respective conjugated matching methods - Google Patents
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Abstract
Description
EMETTEUR RADIO AVEC ADAPTATION D'IMPEDANCE VARIABLERADIO TRANSMITTER WITH VARIABLE IMPEDANCE ADAPTATION
La présente invention concerne les techniques d'adaptation d'impédance utilisables dans un émetteur radio entre son amplificateur de puissance et son antenne d'émission. Elle s'applique particulièrement, mais non exclusivement, aux émetteurs des terminaux radio mobiles. The present invention relates to impedance matching techniques usable in a radio transmitter between its power amplifier and its transmitting antenna. It applies particularly, but not exclusively, to transmitters of mobile radio terminals.
Il est connu que l'impédance complexe Z que présente une charge à un amplificateur de puissance radiofréquence (RF) qui l'alimente doit en principe être adaptée pour être égale au conjugué de l'impédance caractéristique Zout que l'amplificateur source présente sur sa sortie: Z = Zout En d'autres termes, l'impédance ramenée en sortie de l'amplificateur doit transformer un coefficient de réflexion idéal (nul) en un coefficient de réflexion égal au conjugué du coefficient de réflexion s22 en sortie du dernier transistor de puissance de l'amplificateur. C'est ce qu'on appelle l'adaptation conjuguée ("conjugate match"). Cette méthode assure en principe un transfert de puissance optimal vers la charge. It is known that the complex impedance Z that a charge presents to a radiofrequency power amplifier (RF) which supplies it must, in principle, be adapted to be equal to the conjugate of the characteristic impedance Zout that the source amplifier has on its output: Z = Zout In other words, the impedance brought back to the output of the amplifier must transform an ideal reflection coefficient (null) into a reflection coefficient equal to the conjugate of the reflection coefficient s22 at the output of the last transistor of power of the amplifier. This is called conjugate adaptation ("conjugate match"). This method ensures in principle an optimal power transfer to the load.
Cependant, la pratique conduit souvent à d'autres valeurs d'adaptation, tenant compte des limitations physiques de l'amplificateur RF, notamment en ce qui concerne le courant maximal Imax qu'il est capable de délivrer et la tension maximale Vmax qu'il admet en sortie. Dans la méthode d'adaptation de puissance ("power match") ou de ligne de charge ("load line"), un réseau d'adaptation d'impédance assure la condition Z = Umax De cette façon, on Imax profite de toute la plage de fonctionnement de l'amplificateur, au prix d'un transfert de puissance sous-optimal vers la charge (voir "RF Power Amplifiers for Wireless Communications", S.C. Cripps, Artech House, 1999, sections 1.5 et 2.2). However, the practice often leads to other adaptation values, taking into account the physical limitations of the RF amplifier, especially with regard to the maximum current Imax that it is able to deliver and the maximum voltage Vmax that it admits the output. In the power matching or load line method, an impedance matching network assures the Z = Umax condition. In this way, Imax takes advantage of the entire amplifier operating range at the expense of suboptimal power transfer to the load (see "RF Power Amplifiers for Wireless Communications", SC Cripps, Artech House, 1999, sections 1.5 and 2.2).
L'adaptation de puissance est couramment utilisée dans des émetteurs (par exemple des terminaux mobiles) où le transistor de sortie de l'amplificateur de puissance représente un élément important en termes de coût. La raison en est qu'on ne souhaite habituellement pas faire la dépense d'un transistor performant, coûteux, pour ensuite ne pas l'utiliser au maximum de la puissance qu'il est capable de délivrer. L'adaptation de puissance entraîne un taux d'ondes stationnaires plus grand que 1 en aval de l'amplificateur. Un circulateur dirige la puissance réfléchie vers une résistance adaptée (habituellement 50 n) pour éviter qu'elle atteigne le transistor de sortie. Il en résulte une dissipation de puissance qui fait consommer inutilement de l'énergie et provoque un échauffement indésirable de l'émetteur. Power matching is commonly used in transmitters (eg, mobile terminals) where the output transistor of the power amplifier is an important cost element. The reason is that one does not usually want to spend a high-performance, expensive transistor, then not use it to the maximum power it is able to deliver. Power matching causes a standing wave ratio greater than 1 downstream of the amplifier. A circulator directs the reflected power to a suitable resistor (usually 50 n) to prevent it from reaching the output transistor. This results in a power dissipation which causes unnecessary energy consumption and causes undesirable heating of the transmitter.
Un but de la présente invention est de concevoir un émetteur capable de bien exploiter les propriétés d'un transistor de puissance et de limiter sa dissipation de puissance. An object of the present invention is to design a transmitter capable of making good use of the properties of a power transistor and to limit its power dissipation.
L'invention propose ainsi un émetteur radio, comprenant une source de signal radio, un amplificateur de puissance pour recevoir un signal d'entrée issu de la source dans une bande de fréquence déterminée et délivrer un signal amplifié vers une antenne d'émission, des moyens d'adaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance et l'antenne d'émission, aptes à présenter plusieurs valeurs d'impédance vers l'amplificateur de puissance, et des moyens de commande pour sélectionner de manière adaptative la valeur d'impédance en fonction d'une caractéristique associée au signal d'entrée. The invention thus proposes a radio transmitter, comprising a radio signal source, a power amplifier for receiving an input signal coming from the source in a determined frequency band and delivering an amplified signal to a transmitting antenna, impedance matching means between the power amplifier and the transmitting antenna, capable of presenting a plurality of impedance values to the power amplifier, and control means for adaptively selecting the value of impedance according to a characteristic associated with the input signal.
On peut ainsi choisir une valeur d'impédance qui convient au type de signal émis. En règle générale, on adoptera une valeur d'impédance déterminée selon une méthode d'adaptation conjuguée lorsque le signal a une faible probabilité d'être émis au maximum de puissance autorisé par l'amplificateur, ce qui minimise la consommation électrique et l'échauffement de l'émetteur. En revanche, lorsque l'émission du signal requiert toute la dynamique du transistor de sortie de l'amplificateur, on préférera une valeur d'impédance déterminée selon une méthode d'adaptation de puissance. It is thus possible to choose an impedance value which is suitable for the type of signal emitted. In general, an impedance value determined according to a matching adaptation method will be adopted when the signal has a low probability of being emitted at the maximum power allowed by the amplifier, which minimizes the power consumption and the heating. of the issuer. On the other hand, when the emission of the signal requires all the dynamics of the output transistor of the amplifier, an impedance value determined according to a power matching method is preferred.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un émetteur radio selon l'invention; et - la figure 2 est un diagramme montrant les réponses en puissance obtenues avec deux types de réseaux d'adaptation d'impédance. Other features and advantages of the present invention will appear in the following description of nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a block diagram of a radio transmitter according to FIG. invention; and FIG. 2 is a diagram showing the power responses obtained with two types of impedance matching networks.
L'émetteur radio selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans les terminaux mobiles de radiocommunication. En effet, ce sont dans ces terminaux que les problèmes de consommation électrique et de dissipation thermique se posent avec le plus d'acuité. En particulier, les terminaux mobiles de troisième génération, de type UMTS ("Universal Mobile Telecommunications System") ont besoin d'une grande dynamique de puissance pour pouvoir être utilisés dans des services à haut débit, de sorte que l'invention présente un grand intérêt dans ces terminaux. The radio transmitter according to the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in mobile radio communication terminals. Indeed, it is in these terminals that the problems of electrical consumption and heat dissipation arise with the greatest acuity. In particular, the third-generation UMTS ("Universal Mobile Telecommunications System") mobile terminals require a large power dynamic to be used in high-speed services, so that the invention has a large interest in these terminals.
Sur le schéma de la figure 1, la référence 10 désigne la source de signal radio de l'émetteur, qui comprend de façon classique une partie numérique pour appliquer divers traitements et mises en forme au signal en bande de base, et un étage de modulation pour construire le signal radio par modulation d'une porteuse. Dans le cas de l'UMTS, la fréquence de la porteuse est dans une bande autour de 2 GHz, et la modulation est de type QPSK ("Quadrature Phase Shift Keying", modulation par déplacement de phase en quadrature) ou, dans certains cas, de type 16-QAM ("16-state Quadrature Amplitude Modulation", modulation d'amplitude en quadrature à 16 états). In the diagram of FIG. 1, the reference 10 designates the radio signal source of the transmitter, which conventionally comprises a digital part for applying various processing and formatting to the baseband signal, and a modulation stage. to build the radio signal by modulation of a carrier. In the case of UMTS, the frequency of the carrier is in a band around 2 GHz, and the modulation is of the QPSK type ("quadrature phase shift keying", quadrature phase shift keying) or, in some cases , 16-QAM ("16-state Quadrature Amplitude Modulation", 16-state quadrature amplitude modulation).
Le signal radio S issu de la source 10 est adressé à l'amplificateur de puissance 20. Celui-ci comporte un circuit d'attaque 21, un circuit de commande de gain 22 qui applique au signal une atténuation pilotée par une commande issue de la partie numérique de la source 10, et un transistor de puissance 23 qui délivre le signal radio amplifié S'. Le transistor de puissance 23 est typiquement un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium. On note Vmax sa tension de sortie maximale, Imax l'intensité maximale de son courant de sortie et Zout son impédance de sortie correspondant à un coefficient de réflexion s22 dans la plage de fonctionnement utilisée. The radio signal S coming from the source 10 is sent to the power amplifier 20. The latter comprises a driving circuit 21, a gain control circuit 22 which applies to the signal an attenuation controlled by a control coming from the digital part of the source 10, and a power transistor 23 which delivers the amplified radio signal S '. Power transistor 23 is typically a gallium arsenide field effect transistor. It denotes Vmax its maximum output voltage, Imax the maximum intensity of its output current and Zout its output impedance corresponding to a reflection coefficient s22 in the operating range used.
Un circuit d'adaptation d'impédance 30, décrit en détail plus loin, reçoit le signal radio amplifié S'. Sa sortie est reliée à l'antenne 40 de l'émetteur par 2873247 -4- l'intermédiaire d'un circulateur 50 et d'un duplexeur non représenté. Le circulateur 50 est un dispositif à ferrite qui dirige la puissance incidente de la sortie du circuit d'adaptation 30 vers l'antenne 40, et qui dirige la puissance réfléchie par l'antenne 40 vers une résistance adaptée 51, de 50 S2 par An impedance matching circuit 30, described in detail below, receives the amplified radio signal S '. Its output is connected to the antenna 40 of the transmitter by means of a circulator 50 and a duplexer not shown. The circulator 50 is a ferrite device which directs the incident power of the output of the matching circuit 30 to the antenna 40, and which directs the power reflected by the antenna 40 to a matched resistor 51, 50 S2 by
exemple.example.
Le circuit d'adaptation d'impédance 30 comporte par exemple deux réseaux d'adaptation d'impédance distincts 31, 32. The impedance matching circuit 30 comprises, for example, two different impedance matching networks 31, 32.
Le réseau 31 est dimensionné selon la méthode d'adaptation conjuguée: Z = s22. Dans l'exemple considéré, il se compose d'un condensateur 33, monté en série avec une ligne de transmission 34. Le dimensionnement approprié du condensateur 33 et de la ligne 34 est aisément déterminé en utilisant de façon classique une abaque de Smith. The network 31 is sized according to the conjugated adaptation method: Z = s22. In the example considered, it consists of a capacitor 33, connected in series with a transmission line 34. The appropriate dimensioning of the capacitor 33 and the line 34 is easily determined by conventionally using a Smith chart.
Le réseau 32 est dimensionné selon la méthode d'adaptation de puissance: Z = umax II consiste, dans l'exemple représenté, en un Imax condensateur 35 monté en dérivation sur une ligne de transmission 36. Là aussi, une abaque de Smith peut être utilisée pour dimensionner le condensateur 35 et la ligne 36 selon la méthode d'adaptation de puissance. The network 32 is dimensioned according to the power matching method: Z = umax II consists, in the example shown, in an Imax capacitor 35 connected in shunt on a transmission line 36. Here too, a Smith chart can be used to size the capacitor 35 and the line 36 according to the power matching method.
Pour mettre en circuit l'un ou l'autre des deux réseaux d'adaptation d'impédance 31, 32, le circuit 30 en comporte en outre une paire de commutateurs 37, 38 dont les positions sont commandées de façon conjointe par une unité de commande 60. To turn on either of the two impedance matching networks 31, 32, the circuit 30 further comprises a pair of switches 37, 38 whose positions are jointly controlled by a unit of order 60.
Les commutateurs 37, 38 sont avantageusement des commutateurs unipolaires bidirectionnels connus sous l'appellation SPDT ("Single-Pole Double Throw"). Le commutateur 37 a son pôle relié à l'amplificateur 20 pour recevoir le signal S', et ses deux branches respectivement reliées aux réseaux d'adaptation d'impédance 31, 32. Le commutateur 38 a son pôle relié à l'antenne 40 et ses deux branches respectivement reliées aux réseaux d'adaptation d'impédance 31, 32. Les deux commutateurs SPDT peuvent être réalisés dans un même composant RF, comme par exemple un composant du type NLAS4684 commercialisé par la société ON Semiconductor. Switches 37, 38 are advantageously bidirectional unipolar switches known as SPDT ("Single-Pole Double Throw"). The switch 37 has its pole connected to the amplifier 20 to receive the signal S ', and its two branches respectively connected to the impedance matching networks 31, 32. The switch 38 has its pole connected to the antenna 40 and its two branches respectively connected to the impedance matching networks 31, 32. The two SPDT switches can be made in the same RF component, such as for example a NLAS4684 type component marketed by ON Semiconductor.
Dans la position représentée sur la figure 1, l'unité de commande 60 positionne les commutateurs 37, 38 pour mettre en circuit le réseau 31 à adaptation conjuguée. Dans l'autre position, c'est le réseau 32 à adaptation de puissance qui est mis en circuit. Le choix entre ces deux positions est fait par l'unité de commande 60 en fonction d'une ou plusieurs caractéristiques du signal d'entrée. In the position shown in Figure 1, the control unit 60 positions the switches 37, 38 to turn on the network 31 conjugate matching. In the other position, the power adaptive network 32 is switched on. The choice between these two positions is made by the control unit 60 as a function of one or more characteristics of the input signal.
Cette caractéristique peut être liée à la gamme de puissance dans laquelle le signal est à émettre. Dans ce cas, la consigne de puissance d'émission fournie à l'amplificateur 20 est également fournie à l'unité de commande 60 qui détermine périodiquement si le signal se trouve ou non dans le haut de la plage de fonctionnement du transistor de sortie 23. This characteristic can be related to the power range in which the signal is to be transmitted. In this case, the transmit power setpoint supplied to the amplifier 20 is also supplied to the control unit 60 which periodically determines whether the signal is at the top of the operating range of the output transistor 23 or not. .
Si la puissance est modérée, l'unité 60 met en circuit le réseau 31 à adaptation conjuguée. Le transistor 23 fonctionne alors selon la caractéristique A montrée sur la figure 2. Sur cette figure, les abscisses Pin et les ordonnées Polit indiquent respectivement les puissances RF en entrée et en sortie du transistor 23, avec des unités arbitraires. If the power is moderate, the unit 60 switches on the network 31 conjugate adaptation. The transistor 23 then operates according to the characteristic A shown in FIG. 2. In this figure, the abscissa Pin and the ordinate Pol indicate respectively the RF powers at the input and at the output of the transistor 23, with arbitrary units.
Lorsqu'au contraire, le transistor 23 est sollicité dans la partie haute de sa réponse en puissance, l'unité 60 met en service l'autre réseau 32 à adaptation de puissance, afin qu'on puisse profiter de la caractéristique linéaire du transistor sur une plus large gamme de puissance (caractéristique B sur la figure 2). Le gain p ainsi obtenu par rapport à l'utilisation du réseau 31 est typiquement de l'ordre de 2 dB. Dans l'autre cas, lorsque la dynamique de puissance reste modérée, l'utilisation du réseau à adaptation conjuguée 31 procure un gain a qui est par exemple de l'ordre de 1 dB. When, on the contrary, the transistor 23 is biased in the upper part of its power response, the unit 60 puts into service the other power matching network 32, so that one can take advantage of the linear characteristic of the transistor on a wider power range (characteristic B in FIG. 2). The gain p thus obtained with respect to the use of the network 31 is typically of the order of 2 dB. In the other case, when the power dynamics remains moderate, the use of the mating network 31 provides a gain which is for example of the order of 1 dB.
L'unité de commande 60 peut décider entre ces deux cas en comparant la puissance requise à un seuil Th de l'ordre de la capacité maximale du transistor 23 en régime linéaire avec adaptation conjuguée. The control unit 60 can decide between these two cases by comparing the power required at a threshold Th of the order of the maximum capacitance of the transistor 23 in linear mode with conjugate adaptation.
D'autres paramètres peuvent être pris en compte par l'unité de commande 60 pour décider quel réseau d'adaptation d'impédance doit être mis en circuit. Other parameters may be taken into account by the control unit 60 to decide which impedance matching network is to be turned on.
Dans le cas d'application de l'invention au système UMTS, une possibilité est d'utiliser l'adaptation conjuguée lorsque le signal est modulé en QPSK, et l'adaptation de puissance lorsque le signal est modulé en 16-QAM. In the case of application of the invention to the UMTS system, one possibility is to use the conjugate adaptation when the signal is modulated in QPSK, and the power matching when the signal is modulated in 16-QAM.
Ce dernier type de modulation requiert en effet une plus grande dynamique de puissance que la QPSK. This last type of modulation requires a greater power dynamics than the QPSK.
Une autre possibilité encore est de tenir compte du type de service dans le cadre duquel la source 10 produit le signal d'entrée S. Par exemple, s'il s'agit d'un service à contrainte de temps réel, tel qu'une communication téléphonique, l'unité 60 pourra privilégier le réseau 32 à adaptation de puissance, tandis que le réseau 31 à adaptation conjuguée sera privilégié dans le cas d'un transfert de données sans contrainte de temps réel. Bien souvent, ces transferts impliquent des quantités de données importantes faisant l'objet de mécanismes d'acquittement et de retransmission dans les couches protocolaires supérieures, qui peuvent pallier une insuffisance temporaire de puissance d'émission. En privilégiant l'adaptation conjuguée pour ces transferts, on évite des dissipations d'énergie au sein du terminal. Yet another possibility is to take into account the type of service in which the source 10 produces the input signal S. For example, if it is a real-time constraint service, such as a telephone communication, the unit 60 may prefer the power adaptive network 32, while the network 31 conjugate matching will be preferred in the case of data transfer without real-time constraint. In many cases, these transfers involve large amounts of data that are subject to acknowledgment and retransmission mechanisms in the upper protocol layers, which can compensate for a temporary lack of transmission power. By favoring the conjugate adaptation for these transfers, it avoids energy dissipations within the terminal.
Un autre paramètre dont l'unité de commande 60 peut tenir compte pour sélectionner la valeur d'impédance présentée par le circuit 30 est la température T mesurée par un capteur installé dans le boîtier de l'émetteur. Typiquement, l'unité 60 sélectionne le réseau 31 à adaptation conjuguée si la température mesurée T dépasse un seuil prédéfini, tandis que le réseau 32 à adaptation de puissance pourra être sélectionné, en fonction du signal d'entrée S, si le seuil de température n'est pas atteint. Another parameter which the control unit 60 can take into account in order to select the impedance value presented by the circuit 30 is the temperature T measured by a sensor installed in the transmitter housing. Typically, the unit 60 selects the network 31 with conjugate matching if the measured temperature T exceeds a predefined threshold, while the power matching network 32 can be selected, depending on the input signal S, if the temperature threshold is not reached.
On notera que des structures de réseaux d'adaptation d'impédance autres que celles représentées sur la figure 1 peuvent convenir à la présente invention. Une possibilité avantageuse, lorsque les valeurs d'impédance complexe à obtenir le permettent, est de recourir à des réactances commandables, telles que des diodes à capacité variable, au sein d'un réseau unique dont l'impédance est sélectionnée par l'unité 60. It will be appreciated that impedance matching network structures other than those shown in FIG. 1 may be suitable for the present invention. An advantageous possibility, when the complex impedance values to be obtained allow, is to use controllable reactances, such as diodes with variable capacitance, within a single network whose impedance is selected by the unit 60. .
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