用于控制天线发射功率的系统 【技术领域】
本发明涉及一种用于控制特别是移动台的多频带天线发射功率的装置。本发明还涉及一种用于控制特别是移动台的多频带天线发射功率的方法。
背景技术
对无线电设备的发射功率施加限制以使接收机中的干扰水平足够低，这是很常见的。发射功率限制在移动终端中尤其合理，因为这种设备的数量和密度都很大。另一方面，发射功率自然必须足够高以使发送信号能够成功到达。如果发射天线的阻抗已知且保持恒定，则可为射频功率放大器选择合适的部件值从而以很好的精确度设定无线电发射机的发射功率。然而，例如在移动台中，周围的环境会影响发射功率。尤其是介质材料和导电材料会改变天线的阻抗匹配，从而改变发射功率。因此，测定真实的发射功率并控制射频功率放大器以便发射功率可以保持在设定值，这是有利的。
发射功率的测定通常采用定向耦合器实现，定向耦合器是天线馈线地一部分。图1和图2显示这种已知装置的一个示例。图1显示一种可用于移动台中的已知天线，而图2示意性地显示采用该天线的无线电设备的天线末端。该示例中的天线是双频带天线，因为本发明还应用于多频带设备中的装置。图1中的天线100是平面倒F型天线(PIFA)。它包括位于无线装置中的电路板105表面上的地平面110和高于地平面的辐射平面120。辐射平面由电路板105上的介质框架150支撑。辐射平面通过短路导体111在短路点S处与地平面电连接。天线馈送导体112通过电路板105上的一个通孔在馈点F处与辐射平面电连接。此外，辐射平面120还具有从其边缘开始的非导电狭槽125，使得从短路点S来看，该平面被分成不同长度的两个分支：第一分支B1沿着该平面的边缘延伸，而第二较短的分支B2位于该平面的中间部分。这两个分支还具有不同的电长度，以致天线具有对应于第一分支的下工作频带和对应于第二分支的上工作频带。
在图2中，天线100可借助天线开关ASW连接到无线电设备的发送或接收部分。所讨论的无线电设备采用时分双工(TDD)技术。在本示例中，天线开关具有五个位置。天线在位置1与第一接收器RX1相连，在位置4与第二接收器RX2相连，而在位置5与第三接收器RX3相连。第一接收器可以符合例如GSM900系统(全球移动通信系统)，第二接收器符合GSM1800系统，而第三接收器符合GSM1900系统。在本例中，前述天线100的上工作频带宽得足以同时覆盖GSM1800和GSM1900系统的频率范围。所述无线电设备包括相应的三个发送器。第一发送器TX1沿着信号传播方向包括串联的第一功率放大器PA1、第一天线滤波器TF1和第一定向耦合器DC1。第一定向耦合器在天线开关处于位置2时与天线相连。第二TX2和第三TX3发送器沿着信号传播方向共享串联的第二功率放大器PA2、第二天线滤波器TF2和第二定向耦合器DC2。第二定向耦合器在天线开关处于位置3时与天线相连。
当第一发送器TX1有效时，功率放大器PA1接收射频信号TS1，将其放大并馈送给天线。从第一定向耦合器DC1的极点P1可获得正比于朝天线传播的场的强度的第一射频测量信号M1。当例如出于外部原因致使天线的匹配变差时，从天线反射的场的强度增加，而传播场的强度则减少。实际的发射功率正比于传播场的强度的平方，因此测量信号M1可充当发射功率的指标。将该测量信号送到检测器DET，DET输出正比于所述测量信号电平变化的信号ML。在功率控制单元PCU中将信号ML与对应于某个发射功率的参考电平相比较，并基于比较的结果用控制信号C1控制第一功率放大器PA1。如果外部因素致使发射功率例如下降，则改变控制信号C1以便提高功率放大器中的放大倍数，直到信号ML的电平再次等于所述参考电平。
参考电平是由软件通过无线电设备中的总线设定的。类似地，当第二或第三发送器有效时，从第二定向耦合器DC2中获得正比于朝天线传播的场的强度的第二测量信号M2，并根据信号M2的检测结果用控制信号C2控制第二功率放大器PA2。
图2所示装置的缺点在于，那些定向耦合器是较大的部件，在电路板上占据了不切实际的较大空间。而且，它们使待发送信号产生额外的衰减，这在射频功率放大器之后发送器的那部分中尤其不利。
【发明内容】
本发明的一个目的是减轻与现有技术相关的所述缺点。本发明提供一种用于控制无线电设备中的天线(300；500)的发射功率的装置，所述天线包括用于提供下工作频带的第一辐射单元以及用于提供上工作频带的第二辐射单元，所述装置包括：
第一功率放大器，用于将所述下工作频带的信号馈送给所述天线，
第二功率放大器，用于将所述上工作频带的信号馈送给所述天线，
天线开关，用于根据所述无线电设备的工作阶段将所述天线连接到发送器或接收部分，
测量单元，用于测量所述下和上工作频带中向所述天线传播的场的强度，
检测器，用于将射频测量结果转换成表示所述发射功率的低频信号，以及
功率控制单元，用于根据表示所述发射功率的所述信号来控制所述馈送功率放大器，
所述装置的特征在于，
在所述第一和所述第二辐射单元之间存在电磁耦合，
所述天线开关具有第一部分和第二部分，所述第一辐射单元可利用所述第一部分连接到所述第一功率放大器或所述检测器，而所述第二辐射单元可利用所述第二部分连接到所述第二功率放大器或所述检测器，
用于测量所述下工作频带中天线发射功率的所述测量单元实质上包括所述第二辐射单元，以及
用于测量所述上工作频带中天线发射功率的所述测量单元实质上包括所述第一辐射单元。
本发明还提供一种用于控制使用时分双工技术的无线电设备中天线的发射功率的方法，所述天线包括至少两个辐射单元，一个用于提供下工作频带而另一个用于提供上工作频带，所述无线电设备还包括将所述下工作频带的信号馈送给所述天线的功率放大器以及将所述上工作频带的信号馈送给所述天线的第二功率放大器，在所述方法中，
将所述当前的馈送功率放大器连接到所述天线，
由测量单元测量从所述馈送功率放大器向所述天线传播的场的强度，
所述射频测量结果由检测器检测，
将获得的所述检测结果与某个参考电平作比较，
根据所述比较结果控制所述馈送功率放大器，以使所述检测结果与所述参考电平保持相等，
其特征在于，在各所述辐射单元之间存在电磁耦合，以及在所述方法中将所述馈送功率放大器连接到具有对应于所述功率放大器的频带的所述辐射单元或馈送单元，而将与所述馈送单元有关的另一辐射单元连接到所述检测器，其中，将所述另一辐射单元用作测量单元，以利用所述电磁耦合测量从所述馈送功率放大器向所述天线传播的场的强度。
根据本发明的一个方面，所述第一和第二辐射单元彼此电隔离。
根据本发明的一个方面，所述第一和第二辐射单元是基本上位于同一几何平面内的平面单元，所述天线包括与所述平面单元平行的单一地平面，并且所述第一和第二辐射单元对所述地平面短路。
根据本发明的一个方面，所述第一和所述第二平面辐射单元都分别对所述地平面短路，因此所述天线具有双PIFA结构。
根据本发明的一个方面，在所述第一和所述第二平面辐射单元之间除所述电磁耦合还存在电耦合，所述辐射单元对所述地平面的所述短路发生于所述平面中所述电耦合所在的区域。
根据本发明的一个方面，所述第一和第二辐射单元通过单个短路导体对所述地平面短路。
根据本发明的一个方面，所述第一和所述第二平面辐射单元通过两个短路导体分别在两个不同的短路点处连接到所述地平面。
根据本发明的一个方面，为了根据表示所述发射功率的所述信号来控制所述馈送功率放大器，所述功率控制单元包括用于将表示所述发射功率的所述测量信号的电平与某个参考电平进行比较并将所述比较结果传送给所述功率放大器的部件。
根据本发明的一个方面，所述部件是可编程的。
本发明的基本思想如下：天线至少具有两个对应于不同工作频带的辐射单元。在使用TDD技术的无线电设备的天线开关中为每个单元准备一个其自身的独立部分。当辐射单元连接到发送器时，另一单元连接到所述发送器的射频功率放大器的控制电路。该控制电路因此通过辐射单元之间的电磁耦合来获得表示发射功率的信号指示，从而可通过控制功率放大器来使发射功率保持在所需的电平。为了进行功率控制，要适当地设置各单元之间的电磁耦合。
本发明的优点在于，可以省掉较大的定向耦合器，从而节省无线电设备的电路板上的空间。本发明的另一优点是，由于上述原因，减少了从功率放大器到天线的传输路径上的衰减，从而减少了能量消耗，对功率放大器有利。本发明的另一优点是，由于部件数量减少，因此无线电设备的制造成本也下降。
【附图说明】
现在对本发明作更详细的说明。下面的说明参照如下附图：
图1，2显示用于控制发射功率的根据现有技术的装置，
图3显示根据本发明的天线的一个示例，
图4是显示用于控制发射功率的根据本发明的装置的框图，
图5显示根据本发明的天线的第二示例，
图6显示根据本发明的装置中天线调谐方式的示例，以及
图7是显示根据本发明的方法的流程图。
【具体实施方式】
图1和图2已经结合现有技术的描述作了讨论。
图3显示对应于图1所示天线的根据本发明的双频带平面天线的一个示例。其与图1的实质性差别在于，现在天线300的辐射平面320中的狭槽325都从平面的边缘开始并结束于所述平面的边缘，从而第一B31和第二B32发送单元彼此电隔离。它们之间仅存在电磁耦合CP。所以，每个发送单元需要其自身的馈送导体。第一辐射单元B31或简称第一单元具有与其在馈点F1处相连的第一馈送导体312，而第二辐射单元B32或简称第二单元具有与其在馈点F2相连的第二馈送导体314。类似地，每个发送单元具有其自身的短路导体：在点S1相连的第一短路导体311和在点S2相连的第二短路导体313。在本示例中，馈送导体和短路导体都属于弹性接触类型，它们是作为所述辐射单元的同一金属片的一部分。一旦将它们安装好，弹力会将它们压在无线电设备的电路板305上。第一单元B31的物理和电长度都比第二单元长，因此将其用于产生天线的下工作频带。
图4显示对应于图2所示装置的用于控制发射功率的根据本发明的装置的示例。在图4中，用朝上指的箭头符号来表示天线300的辐射单元。在辐射单元之间存在所述的电磁耦合CP。天线开关ASW现在包括两个独立的部分：具有三个位置的第一部分和具有四个位置的第二部分。当天线开关的第一部分处于位置1时，第一单元B31连接到第一接收器RX1。当天线开关的第二部分处于位置3时，第二单元B32连接到第二接收器RX2，而当它位于位置4时，第二单元连接到第三接收器RX3。所述无线电设备分别具有三个发送器。第一发送器TX1包括沿信号传播方向串联的第一功率放大器PA1和第一天线滤波器TF1。第一天线滤波器在天线开关的第一部分的位置2处与天线第一单元B31相连。这种情形在图4中描绘。第二TX2和第三TX3发送器共享沿信号传播方向串联的第二功率放大器PA2和第二天线滤波器TF2。第二天线滤波器在天线开关的第二部分的位置2处与天线第二单元B32相连。第一单元B31在天线开关ASW第一部分的位置3处与检测器DET相连。第二单元B32在天线开关第二部分的位置1处与检测器DET相连，这种情形如图4所示。
当第一发送器TX1有效时，功率放大器PA1接收射频信号TS1，并按照图4将其放大并馈送给对应于第一单元B31的天线部分。由于所述电磁耦合CP，所馈送的部分能量被传递到第二单元B32的电路中。所设置的电磁耦合非常弱，以致所传递的能量部分较小；例如，单元的隔离衰减为15到20dB。设想是从第二单元获得电平足够高的信号以便测量所馈送的场的强度。因此，第二天线单元B32代替独立的定向耦合器作为测量单元。第二单元产生正比于朝天线的第一单元传播的场的强度的第一射频测量信号M1。与图2所示的测量信号M1一样，该信号适合表示发射功率。将该测量信号送到检测器DET，由DET输出正比于该信号电平变化的信号ML。在功率控制单元PCU中将信号ML的电平与对应于某个发射功率的参考电平作比较，然后根据比较结果用控制信号C1控制第一功率放大器PA1。这样，所述反馈亦使测量信号ML的电平等于参考电平，即使发射功率保持标称值。参考电平由软件通过无线电设备中的总线来设定。类似地，当第二或第三发送器有效时，第一天线单元B31代替独立的定向耦合器作为测量单元。在这种情况下，天线开关的第二部分处于位置3且第一部分也处于位置3。第一单元给出正比于朝天线的第二单元传播的场的强度的第二射频测量信号，根据这种检测结果用控制信号C2控制第二功率放大器PA2。
图5显示根据本发明的天线的第二示例。与图3的差别在于，现在天线500的辐射平面520中的狭槽525终止于该平面的内部区域而非该平面的边缘。狭槽525的端点或闭合端相对接近辐射平面上天线馈送装置所在的那一端。在狭槽闭合端和辐射平面的所述端之间的区域中存在天线的短路点(图5所示示例中也有两个短路点)：连接到第一短路导体511的第一短路点S1以及连接到第二短路导体513的第二短路点S2。也可能只有一个短路导体。这将会有例如较宽的弹性接触，类似图3所示的，并且它将位于天线三角处狭槽525的闭合端。从短路区域来看，狭槽525将辐射平面分成两个不同长度的分支或辐射单元：第一单元B51由平面的第一长边(与短路区域相对的那端)和第二长边的一部分加以限定。第二较短的单元B52由辐射平面的第二长边的第二部分加以限定。第一单元B51具有与其在馈点F1处相连的第一馈送导体512，而第二单元B52具有与其在馈点F2处相连的第二导体514。在第一和第二单元之间存在一定的电磁耦合CP。可利用电磁耦合CP来控制天线的发射功率，正如在图3和图4所示装置中一样。
与现有技术相比，图3、4和5所示装置中的天线需要更多的馈送和短路导体，且天线开关较大。然而，排除了两个定向耦合器意味着，总的说来，无线电设备的部件所要求的空间小而且总的制造成本较低。
辐射天线单元之间的适当隔离衰减是通过单元设计和确定各单元之间的狭槽宽度而加以设定的。用于隔离衰减的装置自然对天线的谐振频率会有影响，因而对工作频带的位置产生影响。因此，在调好隔离衰减之后需要单独对谐振频率调谐。图6显示根据本发明的装置中调天线谐振频率的方法示例。图6所示辐射平面620分成第一单元B61和第二单元B62。它们分别具有各自的馈点F1、F2和短路点S1、S2。地平面未示出。第一单元B61的电长度和相应的基本谐振频率由从该单元的边缘指向单元中心区域的第一调谐槽626和位于该单元相对短路点S1较远一端且指向地平面的第一扩展部分621确定。在扩展部分621的地平面端还有一个与地平面平行的折叠部分，指向天线的内部。第二单元B62的电长度和相应的基本谐振频率由从该单元的边缘指向单元中心区域的第二调谐槽627和从该单元的一边指向地平面的第二扩展部分622确定。这些设置使得有可能在大概一百兆赫的范围内调千兆赫频率的谐振频率。
图7说明根据本发明的方法的流程图。流程图始于发送周期。在步骤701确定将天线两个工作频带中哪一个用于发送。这取决于哪一个发送器有效，这是例如通过图4所示功率控制单元PCU所了解的。如果激活使用下工作频带的第一发送器，则按照步骤702将第一功率放大器连接到在天线下工作频带中辐射的第一单元。另外，将此时用作测量单元的天线第二辐射单元连接到用于发射功率控制的检测器。这些连接可由例如前述的功率控制单元控制。在步骤703，检测将要送给检测器的射频测量信号，该信号依发射功率而定。在步骤704将检测到的测量信号电平与对应于标称功率的参考电平相比较。如果测量电平低于参考电平，则根据步骤705提高功率放大器当前所用的放大倍数。如果测量电平高于参考电平，则根据步骤706降低功率放大器当前所用的放大倍数。还可以使控制滞后，以便当测量电平在一定容限内等于参考电平时，放大倍数不会改变。如果在步骤701中看来需要上工作频带，则根据步骤707将第二功率放大器连接到在天线上工作频带辐射的第二单元。另外，将此时用作测量单元的天线第一辐射单元连接到用于发射功率控制的检测器。于是操作可以按照步骤703到706继续进行。
以上已对根据本发明的解决方案作了描述。但本发明不限于此。所述天线单元可以不同于平面单元，而且天线的工作频带数可大于两个。发送器的天线端的结构可以不同于所述的那些。本发明不限制天线开关、检测器和功率控制单元的实现方式。例如，功率控制单元中的控制操作可以是模拟或数字的，后者是基于程序的。本发明的思想可以在所附独立权利要求1和10限定的范围内以各种方式加以应用。