匹配设备 本发明涉及一种能够把在一个功率放大电路与用在可携带无线电话机中的一个天线(负载)之间的输入和输出阻抗相匹配的匹配设备。
至此，公开专利申请No.10-163889的官方公报已经公开了一种用来自动匹配在一个功率放大电路与诸如可携带无线电话机的天线之类的负载之间的输入和输出阻抗相匹配的匹配设备。
图8表示一种在以上官方公报中公开的能够匹配功率放大器与负载的匹配设备。
如图8中所示，一个负载阻抗(包括一个匹配电路)检测器2提供在一个功率放大器1与一个天线(负载)4之间，并且一个匹配电路3由一个检测信号控制。负载阻抗检测器2分别检测作为R(电阻)和Φ(相位)的阻抗，并且检测信号以模数信号的形式由一个A/D转换器5转换，并且输入到一个微型计算机(CPU)8。 CPU8驱动诸如电机或继电器之类的驱动电路7，并且以这样一种方式控制匹配电路3，从而检测信号的R和Φ值可以对于功率放大器1的输出阻抗匹配。
负载阻抗检测器2以这样一种方式正确地调节，从而在当功率放大器1的输出阻抗和负载阻抗彼此匹配时得到的输入和输出阻抗是50Ω(纯电阻)的状态下，一个负载阻抗的一个检测信号电压等于一个检测电压的中心值。例如，正确地调节负载阻抗检测器，从而把当输入和输出阻抗是50Ω时得到的检测电压设置到0V，当电阻R大于50Ω时，可以检测与R值成正比的正电压，而当电阻R低于50Ω时，可以检测与R值成反比的负电压。而且，也以这样一种方式正确地调节相位Φ，从而可以类似地与相位值成比例地检测离开中心值的正和负电压。
使用如此正确调节的负载阻抗检测器2，并且把电阻R和检测信号的相位Φ输入到CPU8。CPU8通过以这样一种方式驱动电机或继电器驱动电路7可变地控制匹配电路3，从而通过对于与电阻R成比例地正电压信号减小电阻R或者通过对于负电压增大电阻R，电阻R可以恒定地成为等于阻抗的校正值50Ω。因而，功率放大器1的输出阻抗和负载侧阻抗能匹配在50Ω处。类似地也能控制相位Φ的匹配。
对于以上布置，当功率放大器1的输出阻抗不匹配到50Ω时，由于这样控制匹配电路3，从而在50Ω处进行匹配，所以功率放大器1和天线4不完全彼此匹配，并且由此彼此移动。特别是，当功率放大器1的放大带正在增大其宽度时，功率放大器1的输出阻抗依据频率特性变化，并因此上述匹配的移动成为显著的。
为了解决以上问题，通过使用匹配控制程序用来控制匹配电路3的CPU8具有这样的布置，从而在匹配控制程序中的一个阻抗判断阈值能响应传递频率由一个判断阈值设置器件9改变。
根据以上布置，由于通过检测输出而控制匹配电路的CPU8的阻抗判断阈值由一个阻抗变化装置响应功率放大器1的输出阻抗的变化而变化，所以当功率放大器1的输出阻抗响应传递频率变化时，即使通过对于传递频率改变阻抗判断阈值使功率放大器1的输出阻抗移动离开调节值，输入和输出阻抗也能可靠地彼此匹配。
这里产生这样一个问题，以上常规匹配方法需要复杂检测器和各种IC，如负载阻抗检测器、A/D转换器、电机继电器驱动电路及判断阈值设置器件。
而且，在以上匹配电路中，切换匹配电路的阻抗，并且这样补偿，从而在功率放大器中的输出阻抗对应于频率。特别是，尽管功率放大器的频率特性最近几年在可携带无线电话机等中受到注意，但这里执行这样一种传输功率控制(Transission Power Control：下文称作TCP)，这种传输功率控制以这样一种方式控制移动站的传输功率，从而在基站处的接收功率成为相同的，以便解决在码分多址(Code Division MultipleAccess：CDMA)等中的、受到注意的远近(near-far)问题。
在其中执行这样的TCP的终端侧的可携带无线电话机中，功率放大器的输出效率不会如此优良，并且以牺牲稳定性来改进该输出效率。因而，给稳定性优先权而牺牲输出效率。
即使当改进功率放大器的输出效率，并且在其中例如执行TPC的功率放大器的最大输出功率处阻抗与负载匹配(matching)时，在其中降低功率放大器的输出功率的部分处也极度降低输出效率，如在以后描述的那样。
形成本发明以解决以上问题，并且由本发明要解决的问题是，提供一种匹配设备，其中响应一个功率放大器的输出功率切换换和控制一个匹配电路，而不牺牲功率放大器的输出效率和稳定性。
根据第一发明，提供有一种匹配设备，该设备包括：一个功率放大装置，用来根据用来指令输出的命令传输输出功率；一个匹配装置2，连接在该功率放大装置1与一个负载4之间；及一个切换装置10，用来根据用来指令输出功率的命令切换匹配装置2的输入和输出阻抗。
根据第二发明，在根据第一发明的匹配设备中，响应来自功率放大装置1的输出功率数值以多级切换切换装置10。
根据第三发明，在根据第一或第二发明的匹配设备中，当从功率放大装置1的一个输出端输出最大输出功率时，借助于匹配装置2进行匹配，而当功率从最大输出功率至预定输出功率减小时，输出有一个用来切换输入和阻抗的切换信号，其中把匹配装置2匹配到减小的预定输出功率上。
根据第一发明至第三发明，根据来自基站等的输出功率指令命令切换匹配电路的输入和输出阻抗，由此能容易地构造检测器。因此，能得到其中输出效率和稳定性在最大输出功率和小输出功率处都满意的匹配电路。
图1是主要部分的方块图，表示根据本发明的一种可携带无线电话机的匹配设备；
图2是用在根据本发明的匹配设备中的基本匹配电路图；
图3是电路图，表示根据本发明一个实施例的一种匹配设备；
图4是电路图，表示根据本发明另一个实施例的一种匹配设备；
图5是频率增益特性曲线图，用来表明根据本发明的匹配设备的切换影响；
图6是波形图，有助于解释用在本发明中的一种增压传输输出功率；
图7是当把一个功率放大器的输出电阻用作一个参数时得到的、并且在解释本发明的设备时对其进行参考的频率增益特性曲线图；及
图8是方块图，在解释根据先有技术的匹配电路时将对其参考。
参考图1至7将详细解释一种根据本发明与可携带无线电话机一起使用的匹配设备。
图1是靠近根据本发明的一种匹配电路的一个主要部分的方块图，并且表明其中执行TPC的一种可携带无线电话机的一个传输输出部分。
在图1中，与图8中那些相对应的元件和部分标有相同的标号。
在图1中，标号11指示一个基站，并且一个用来指令从每个可携带无线电话机传输的传输功率数值的TPC指令信号，从一个传输天线12传输到包括一个终端器件的可携带无线电话机的一个匹配设备20的一个接收天线4。
来自接收天线4的一个指令信号经未表示的各种处理电路供给到微型计算机(下文称作CPU)8。
一个功率检测部分14适于根据由CPU8从基站11接收的指令信号，控制在以后将描述的表3上在级(class)2至19中所示的每2dB处的传输输出功率。来自基站11的指令信号经CPU8供给到一个转换部分15作为指令数据。转换部分15把供给的指令数据转换成一个功率控制直流信号。来自转换部分的该信号经一个功率输出部分16供给到传输功率放大器1，从而可以控制功率放大器的传输输出功率。
功率放大器1在其输入侧带有一个输入终端18，电话发射机信号从未表示的在前级处的电话发射机的电话发射机处理电路等输入到输入终端18。
功率放大器1的一个输出端经匹配电路3和一个用来检测当前传输功率的功率检测耦合器17串联连接到传输天线(发射和接收)4上。
来自耦合器17的当前传输功率衰减到一个预定值的功率值，供给到功率检测部分14，及输出到CPU8，由此现在正在从可携带无线电话机传输的输出功率传输到基站11侧作为报告数据。
因而，其中执行TPC的系统的可携带无线电话机能从CPU8接收可携带无线电话机的功率放大器的当前输出功率信息，而不用特别提供图8中所示的负载阻抗检测器。
该当前输出功率信息从CPU8供给到匹配电路3，由此根据该输出功率信息切换提供在匹配电路3内的切换装置10。
图2表示以上匹配电路3的基本电路。在图2中，标号字母R0指示功率放大器1的输出电阻，C0指示功率放大器1的输出电容，及R1指示负载电阻。匹配电路3包括一个其一端接地的第一电感L1、一个第一电容C1和一个第二电感L2的串联电路、及其一端接地的一个第二电容C3。在该电路中，我们有如下公式：L1=XL1ω,L2=XL2ω]]>
[公式1]C1=1ω·XC1,C2=1ω·XC3]]>
XL1＝XC0，XC1＝Q·R0XC3=RL·R0RL-R0,XL2=XC3+R0RLXC3]]>在图1中，如果满足ω＝2πf，并且把Q＝3、RL＝50及ω＝5.65E9代入到以上公式中作为实数值，那么我们有用于R0、C1、L2、C3的如下值。[表1] R0(Ω) C1(pF) L2(nH) C3(pF) 2 29.4 2.79 17.3 5 11.8 5.3 10.6 10 5.89 8.84 7.1 20 2.95 14.9 4.3如能从该表1理解的那样，功率放大器1的输出电阻R0根据传输输出功率从约2Ω至约20Ω显著地变化。也要理解，显著改变当在从低输出电阻R0＝2Ω至高输出电阻R0＝20Ω的范围中在匹配电路2内适当匹配阻抗时得到的阻抗值(C1、L2、C3)。
表2表示当在以上负载电阻RL＝50Ω和输出电阻R0＝2Ω至20Ω时得到的输出功率(W)、输出功率(dBm)及输出电流(A)。[表2]测量顺序 功率[W] 功率[dBm] l0[A] R0[欧姆] 0 2.6800 34.700 1.2500 2.3900 1 2.4200 33.500 1.1500 3.4200 2 1.9200 31.680 0.95000 4.8000 3 1.4500 29.200 0.70000 6.6000 4 0.89000 25.080 0.45000 10.500 5 0.37700 17.540 0.35000 21.000
如从以上表2明白的那样，在近似等于R0＝2Ω的239Ω处，功率放大器1的输出功率表示2.68W。在近似等于R0＝5Ω的48Ω处，功率放大器1的输出功率表示1.9W。在近似等于R0＝10Ω的10.5Ω处，功率放大器1的输出功率表示0.8W。在近似等于R0＝20Ω的21Ω处，功率放大器1的输出功率表示0.37W。
特别是，要理解，当功率放大器1的输出功率在约R0＝2Ω处较大和功率放大器1的输出功率在约R0＝20Ω处较小时，如果匹配电路3内的阻抗响应表1上所示的输出功率不变化，则阻抗不能适当地匹配到负载4上。
然而，由于实际可携带无线电话机不能改变在匹配电路3内当响应输出功率适当匹配阻抗时得到的阻抗，所以在实际实践中，以这样一种方式确定在匹配电路3内的阻抗(C1、L2、C3)的值从而在最大输出功率(R0＝20Ω)处可以适当地匹配阻抗。
图7表示得到的频率相对于增益的特性曲线，此时在最大输出功率(R0＝2Ω)处匹配阻抗，并且以这样一种方式逐渐增大输出电阻R0，如R0＝2Ω、R0＝5Ω、R0＝10Ω及R0＝20Ω，即逐渐减小输出功率。当从适当匹配的特性曲线22逐渐减小输出功率时，如由特性曲线23至25表示的那样失配出现，结果是输出效率显著变坏，如表3上所示。[表3] GSM 功率 No.1 级 功率[dBm] 功率[mW] 效率[％] 电流[mA] 0-2 39 7943.28 3 37 5011.87 4 35 3162.28 50 247.05 5 33 1995.26 50 155.88 6 31 1258.93 36 136.60 7 29 794.33 28 110.82 8 27 501.19 23 85.12 9 25 316.23 19 65.01 10 23 199.53 15 51.96 11 21 125.89 12 40.98 12 19 79.43 9 34.48 13 17 50.12 7 27.97 14 15 31.82 5 24.71 15 13 19.95 4 19.48 16 11 12.59 3 16.39 17 9 7.94 2 15.51 18 7 5.01 1.5 13.05 19 5 3.16 1 12.35
以上表3表示由GSM(用于移动通信的全球系统)数字移动通信的欧洲标准决定的900MHz频带的TPC系统测量的输出功率[功率(dBm)、功率(mW)]和输出效率[效率(％)]及输出电流值[电流(mA)]。在级1至19中，由来自基站11侧的指令数据代码以每2dB切换输出功率。
由于由以上表3上No.1表示的功率放大器1的输出电流值指示图6中所示的一个时隙(577ms)的1/8的猝发传输值(BT)，所以在实际实践中，例如由与原始电功率八倍一样大的电功率计算在级5的33dBm(约2W)处的输出电流值155.88mA。
例如由表3明白，把在功率33dBm处的50％的输出效率降低到在功率13dBm处的7％的输出效率。
因而，在本发明中，如图3和4中所示建造匹配电路3。在图3和4中所示的匹配电路2中，与图2的那些相对应的元件和部分标有相同的标号。
在该实施例中，输出电阻R0的一端和功率放大器1的输出电容C0都接地，其他端并联地连接，并且一个输出电流I0供给到匹配电路3。
在匹配电路3中，其一端接地的第一电感L1的另一端连接到功率放大器1的输出电容C0的另一端和第一电容C1上。
一个第三电容C1′、一个第三电感L2′及第二电感L2以串联连接到第一电容C1上，并且第二电感L2的另一端串联连接到天线4的一个负载电阻RL上，并且负载电阻RL的另一端接地。
第二电感L2的另一端连接到并联连接到第一电感L1上的第二电容C3另一端上，并且第二电容C3的另一端接地。电感L2的另一端连接到一个串联连接到一第二开关S2上的第四电容C3′上，第二开关S2与第一电感L1并联，并且第二开关S2的一端接地。一个第一开关S1适于分路第三电容C1′和第三电感L2′的一个串联电路。第一和第二开关S1和S2可以彼此一致地操作，并且构成一个切换装置10。该切换装置10响应来自CPU8的输出功率信息改变位置。
在以上布置中，当在最大输出功率(R0＝2Ω)处适当匹配时得到的阻抗(C1、L2、C3)和当在小功率(R0＝10Ω)处适当匹配时得到的阻抗(C1′、L2′、C3′)根据公式1取如下值。
C1＝29.4(PF) C1′＝7.3 (PH)
L2＝6.05(nH) L2′＝2.79(nH)
C3＝7.1 (PF) C3′＝10.2(PH)
由于CPU8选择上述的第三电容C1′、第三电感L2′及第四电容C3′的值，并且根据功率放大器1的当前输出功率把输出功率信息输出到切换装置10，所以当闭合第一和第二开关S1和S2时，第三电容C1′和第三电感L2′由第一开关S1分路，并且第四电容C3′也经第二开关S2接地，从而对于图2中所示的最大输出功率(R0＝2Ω)进行匹配。
如果闭合切换装置10的第一和第二开关S1和S2，那么对于小输出功率(R0＝10Ω)进行匹配。
尽管机械第一和第二开关S1和S2提供为图3中所示的切换装置10，但如图4中所示，开关S1和S2可以用针二极管CD1和CD2代替，并且“通”信号和“断”信号可以从CPU8经偏压电阻R1和R2作为输出信息输出，从而当输出“通”信号时，可以对于最大输出功率进行匹配，而当输出“断”信号时，可以对预定中间或小功率进行匹配。
图5表示得到的频率增益特性，此时在匹配电路3的相应阻抗的常数处由切换装置10切换R0＝10Ω和R0＝20Ω，在匹配电路3中由图3和4中所示的布置中的输出负载R0＝20Ω适当地匹配。
在图5中的特性曲线26和27指示在已经切换R0＝20Ω和R0＝10Ω之后得到的特性。从这些特性显见，尽管当不切换R0＝10Ω数据时最大增益是由特性曲线23所示的-1.7dB，但在已经切换以上数据之后得到的最大增益是由特性曲线27表示的+0.8dB。
类似地，在当不切换R0＝20Ω时最大增益是由曲线25表示的-6.94dB时，在已经切换数据之后得到的最大增益成为由特性曲线26表示的-2.7dB。因而，能理解最大增益都增大。
尽管在以上实施例中以最大输出和预定小值输出的两级切换阻抗，但要明白，当切换阻抗时需要的输出功率可以至少以两级或多级由适当的输出功率选择。有可能对于其中在TPC中使用功率的最高频率，可以在输出功率位置处切换阻抗。
根据本发明的匹配设备，基于预定输出功率，由于以这样一种方式切换和控制阻抗，从而功率放大器的输出阻抗和诸如天线之类的负载的阻抗彼此匹配，所以能以最大效率驱动功率放大器，而与诸如最大输出功率、中间及小值输出功率之类的输出功率的数值无关。而且，阻抗能由来自CPU等的输出切换和控制。由于用来检测当前传输功率的检测器也装在可携带无线电话机内，所以当该检测器在使用中时，阻抗匹配能仅由软件实现，并且能便宜地构造匹配设备。更进一步，在使用基于TPC的大输出功率的预定输出功率中，由于切换、控制和适当地匹配阻抗，所以变得有可能得到一个作为可携带无线电话机能实现最大输出效率和稳定性的传输部分。
已经参照附图描述了本发明的最佳实施例，要理解本发明不限于上述实施例，并且其中由熟悉本专业的技术人员能实现各种变更和修改，而不脱离在附属权利要求书中定义的本发明的精神或范围。