МНОГОДИАПАЗОННЫЙ АНТЕННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
MULTI-BAND ANTENNA SWITCH

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к многодиапазонному антенному переключателю, а более точно - к антенному переключателю, реализованному в радиоинтерфейсе мобильного телефонного устройства. Антенный переключатель предлагает компактное решение для использования четырех диапазонов GSM (глобальной системы мобильной связи) и восьми диапазонов WCDMA (широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов) в одном и том же телефоне.
Уровень техники
В существующем решении для WEDGE (развития стандарта GSM с увеличенной скоростью передачи данных широкополосного CDMA) может использоваться только пара диапазонов вследствие высокой сложности коммутации между разными диапазонами, ограниченного пространства и затрат.
В настоящее время диапазон WCDMA, включенный в телефон, будет требовать своего собственного дуплексора и усилителя мощности. Это означает, что многочисленные варианты телефона будут требоваться для разных рынков, которые имеют разные допустимые диапазоны частот.
В WO 03/061148 раскрыто многодиапазонное радиоустройство.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить многодиапазонный антенный переключатель только с одним радиомодулем, требующим лишь небольшого количества усилителей мощности.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить широкополосное двустороннее соединение между антенным портом и ветвями передачи и приема.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение решает вышеупомянутую задачу предоставлением широкополосного радиомодуля, содержащего модуль усилителя мощности и модуль входных каскадов.
В первом аспекте изобретение предусматривает многодиапазонный антенный переключатель, содержащий:
модуль усилителя мощности с антенным портом, присоединяемым к антенне, и, по меньшей мере, один входной порт, присоединяемый к секции передатчика приемопередатчика;
модуль входных каскадов, присоединяемый к антенному порту и секции приема приемопередатчика;
при этом упомянутый модуль усилителя мощности и упомянутый модуль входных каскадов способны к перекрытию некоторого количества диапазонов частот.
Соответственно, модуль усилителя мощности содержит, по меньшей мере, две ветви с фильтрами и усилителями мощности для нижних и верхних частот соответственно.
В одном из вариантов осуществления входной порт модуля усилителя мощности содержит некоторое количество каналов и средство коммутации для управления тем, какой сигнал передается из приемопередатчика.
Соответственно, модуль входных каскадов содержит по меньшей мере две ветви с фильтрами для нижних и верхних частот соответственно.
В одном из вариантов осуществления модуль входных каскадов содержит некоторое количество каналов и средство коммутации для управления тем, какой сигнал передается в приемопередатчик.
В дополнительном варианте осуществления функция дуплексного режима передачи/приема получается посредством установки циркуляторов.
Ветви модуля усилителя мощности и модуля входных каскадов могут быть присоединены к антенному порту посредством 4-портовых циркуляторов, один циркулятор для каждой ветви, с одним портом циркулятора, соединенным с согласованной нагрузкой для обеспечения развязки между портами приемника и передатчика.
В качестве альтернативы ветви модуля усилителя мощности и модуля входных каскадов могут быть присоединены к антенному порту посредством 3-портовых циркуляторов, причем один 3-портовый циркулятор обеспечивает функцию дуплексного режима передачи/приема, и один дополнительный 3-портовый циркулятор устанавливается в каждой ветви модуля усилителя мощности и содержит один порт циркулятора, соединенный с согласованной нагрузкой для обеспечения развязки между портами приемника и передатчика.
Один дополнительный 3-портовый циркулятор может быть установлен в каждой ветви модуля входных каскадов и содержит один порт циркулятора, соединенный с согласованной нагрузкой для обеспечения развязки между портами приемника и передатчика.
В еще одном дополнительном варианте осуществления функция дуплексного режима передачи/приема получается посредством установки делителя мощности.
Соответственно, делитель мощности имеет плоскую амплитудно-частотную характеристику в широком диапазоне и отрегулированные импедансы для всех портов.
Во втором аспекте изобретение предусматривает портативное устройство радиосвязи, содержащее многодиапазонный антенный переключатель, как определенный выше.
Решение дает реализацию двенадцатидиапазонного телефона только с одним антенным портом. Решение является минимальным, которое также дает возможность «полного» разнесения RX (приема) и TX (передачи), означающего, что две полных радиоветви могут использоваться телефоном, без пространственных ограничений.
Это решение не использует коммутацию таким же образом, как используется сегодня, и уменьшает степень сложности решения двенадцатидиапазонного телефона.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема первого варианта осуществления антенного переключателя согласно изобретению, включающего в себя 4-портовые циркуляторы;
Фиг. 2 - схема второго варианта осуществления антенного переключателя согласно изобретению, включающего в себя 3-портовые циркуляторы;
Фиг. 3 - схема второго варианта осуществления антенного переключателя согласно изобретению, включающего в себя делитель мощности;
Осуществление изобретения
Как упомянуто во введении, настоящее изобретение относится к многодиапазонному антенному переключателю, который может быть реализован в радиоинтерфейсе портативных устройств радиосвязи, таких как мобильные телефоны, коммуникаторы, электронные органайзеры, смартфоны, и тому подобное. Описание будет сосредоточено на компонентах, относящихся к изобретению, тогда как другие компоненты мобильного телефонного устройства могут быть традиционными.
Здесь приведены диапазоны, определенные WCDMA в FDD (дуплексе с частотным разделением каналов) UTRAN 25.101:
Рабочий диапазон
Частоты UL, на которых UE передает, Узел Б принимает
Частоты DL, на которых UE принимает, Узел Б передает
I
1920- 1980 МГц
2110-2170 МГц
II
1850-1910 МГц
1930-1990 МГц
III
1710-1785 МГц
1805-1880 МГц
IV
1710-1755 МГц
2110-2180 МГц
V
824-849 МГц
869-894 МГц
VI
830-840 МГц
875-885 МГц
VII
2500-2570 МГц
2620-2690 МГц
VIII
880-915 МГц
925-960 МГц
IX
1750-1785 МГц
1845-1880 МГц
UL = восходящая линия связиDL = нисходящая линия связиUE = пользовательское оборудование
Чтобы перекрывать восемь из этих девяти диапазонов, а также четыре диапазона GSM, требуются высококачественная конструкция, громадные затраты и много пространства. Многие конструкции, применяемые сегодня, используют дуплексоры и усилители мощности, PA, для каждого из всего лишь одного или двух диапазонов WCDMA. Антенный переключатель, использующий традиционные коммутаторы, становится все более и более сложным, по мере того как большее количество диапазонов WCDMA объединяются в одну радиостанцию.
Установки согласно настоящему изобретению будут минимизировать площадь, снижать затраты и давать возможность использования почти всех сочетаний диапазонов с одним и тем же радиочастотным, РЧ (RF), модулем.
Прежде всего, решение основано на PA (обоих, нижнего и верхнего диапазона), который может покрывать стандарты GPRS (общей службы пакетной радиопередачи) и EDGE/WCDMA. Эти разновидности PA являются существующими на рынке.
Можно иметь эти PA в модуле PA, PAM, согласно конструкциям, которые будут представлены.
Первый вариант многодиапазонного антенного переключателя показан на Фиг. 1. Подобные компоненты обозначены одинаковыми номерами ссылок на всех чертежах.
Антенный переключатель присоединен к приемопередатчику 5, содержащему усилители мощности, показанные схематически, которые могут отправлять и принимать сигналы с модуляциями EDGE, WCDMA и GSMK.
Начиная с антенного порта 1 (ANT), дуплексор 9 будет использоваться для отделения нижних диапазонов (WCDMA 5,6,8, а также GSM 900 и 850) от верхних диапазонов (WCDMA 1,2,3,4,7,9, DCS 1800 и PCS 1900, а также Bluetooth, WLAN, и т.п.).
Такой дуплексор может иметь вносимые потери около 0,3 дБ и действительно высокую развязку, которая будет минимизировать гармоники и паразитное излучение.
После антенного порта 1 две ветви будут разделяться на приемную, RX, и передающую, TX, как для нижних, так и верхних диапазонов, как определено выше, посредством комбинации циркуляторов. Как известно, циркулятор является РЧ-компонентом, имеющим некоторое количество вводов/выводов с такой характеристикой, что энергия, проникающая в один ввод/вывод, передается на следующий соседний ввод/вывод (в направлении по стрелке). Циркулятор обеспечивает развязку в противоположном направлении. Отсюда, циркулятор также может называться изолятором в зависимости от функции, ожидаемой в определенных обстоятельствах. Циркуляторы, имеющие требуемые широкополосные характеристики, сегодня доступны для коммерческого приобретения.
Фиг. 1 показывает первый вариант осуществления многодиапазонного антенного переключателя с установкой циркуляторов для выполнения функции дуплексного режима передачи/приема. Первый циркулятор/изолятор 6 расположен в нижнем диапазоне частот, а второй циркулятор/изолятор 7 расположен верхнем диапазоне частот. Здесь, изоляторы 6, 7 обеспечивают необходимую развязку между портами, так что импедансы этих портов будут оставаться равными 50 Ом. Это необходимо, чтобы все фильтры и усилители мощности работали надлежащим образом. Циркуляторы показаны в качестве 4-портовых устройств с портами, соединенными с согласованной нагрузкой 10, так что усилители 21, 22 мощности не испытывают внеполосный импеданс фильтров 35, 36, 37, 38, 39 приема. РЧ-сигнал распространяется только в одном направлении по портам циркуляторов. Часть приемника приемопередатчика 5 может воспринимать РЧ-энергию из части передатчика приемопередатчика 5, которая отражает меньшую чем идеальная нагрузку антенны. Таким образом, фильтры приемника должны иметь порядка 50 дБ затухания полосы подавления в соответствующем диапазоне передачи.
Продолжая о ветвях RX, конструкция продолжается переключателем для каждой ветви, который будет предоставлять возможность коммутации. Переключатель 43 для ветвей нижнего диапазона RX между: WCDMA 5&6 / GSM 850 и WCDMA 8/ GSM 900, и переключатель 44 для верхних ветвей RX между: WCDMA 3&9/DCS 1800; WCDMA 2/PCS и WCDMA4 и 1 (с диапазонами WCDMA, которые определены выше). В сумме, есть пять каналов, покрывающих двенадцать диапазонов.
РЧ-переключатели должны иметь низкие вносимые потери (типично, 0,5 дБ) и низкое интермодуляционное искажение - ниже -100 дБм для удовлетворения требований блокировки.
Для нижних диапазонов RX переключатель 43 может быть реализован в качестве однополюсного 2-проходного элемента, SP2T, а для верхних диапазонов, RX, переключатель может быть реализован в качестве SP3T. Это означает, что три сигнала управления требуются для управления переключателями RX.
Сигналы управления могут переключаться сигналом группового спектра для получения GSM и оставаться закрытыми для WCDMA. Сигналы управления для переключателей надлежащим образом формируются в ASIC (специализированной интегральной схеме) сигналов группового спектра, ассоциативно связанной с радиостанцией или радиоинтерфейсом. Когда радиостанция является работающей в качестве приемопередатчика WCDMA, переключатели остаются включенными для требуемого диапазона, так как режим WCDMA является полным дуплексом. Когда радиостанция является работающей в качестве приемопередатчика GSM, переключатель для требуемого диапазона приема замкнут только во время приема пачки импульсов сигнала GSM и разомкнут, когда формируется пачка импульсов передатчика.
Кроме переключателей RX конструкция использует полосовые фильтры 35, 36, 37, 38, 39 (SAW; BAW или FBAR) для получения высокого затухания вне диапазона и низкой неравномерности внутри диапазона.
Переключатели и полосовые фильтры могут вместе использоваться в модуле входных каскадов (FEM) и сконструированы соответственно (смотри Фиг. 3). Ветви RX могут быть присоединены к приемопередатчику 5 через буферы 53, 54, 55, 56, 57.
Ожидаемые вносимые потери для нижних и верхних диапазонов, и входа LNA (малошумящего усилителя) будут максимум 4 дБ.
Для ветвей TX приемопередатчик может использовать буферы 51, 52 TX. Буферы должны быть широкополосными буферами, которые будут покрывать: один буфер 51 - все нижние диапазоны TX (WCDMA5,6&8), которые определены выше + GSM 850/GSM 900, и другой буфер 52 TX для (WCDMA 1,2,3,4,9), а также DCS 1800 и PCS 1900.
Выходной сигнал буферов 51, 52 TX приемопередатчика будет проходить во входные порты модуля усилителя мощности через два переключателя: один переключатель 41 для нижних диапазонов и один переключатель 42 для верхних диапазонов.
Переключатели 41 и 42 будут способны манипулировать обоими WCDMA (будет замкнут переключатель только для соответственного диапазона) или они могут переключаться на модуляции TDD (дуплекса с временным разделением каналов), такие как GMSK и 8PSK (восьмипозиционная фазовая манипуляция).
Переключатели 41 и 42, соответственно, являются типами РЧ-переключателей с низкими вносимыми потерями, предпочтительно максимум 0,6 дБ.
Для нижних диапазонов TX переключатель 41 может быть реализован в качестве SP2T и для верхних диапазонов TX, а переключатель 42 может быть реализован в качестве SP3T. Это означает, что три сигнала управления требуются для управления переключателями TX.
Кроме переключателей 41, 42 TX, используются пять полосовых фильтров 30, 31, 32, 33, 34 в двух гребенках 11, 12 фильтров, каждая гребенка имеет один выход на усилитель 21, 22 мощности и несколько входов с соответственных выводов переключателей.
Гребенка 11 фильтров для нижнего диапазона TX, которая следует за переключателем 41, будет покрывать как WCDMA5,6/GSM 850 в одном полосовом фильтре 30, так и WCDMA8 и GSM 900 в другом полосовом фильтре 31. Требования по этой гребенке фильтров: большое затухание вне диапазона и низкая неравномерность по диапазону. Вносимые потери не являются ключевым фактором и могут быть довольно высокими.
Гребенка 12 фильтров для верхнего диапазона TX, которая следует за переключателем 42, будет покрывать: DCS1800/WCDMA3,4 в одном полосовом фильтре 32, WCDMA2/PCS1900 - в другом полосовом фильтре 33, и полосовой фильтр 33 будет покрывать WCDMA1. Требования по этой гребенке фильтров: большое затухание вне диапазона и низкая неравномерность по диапазону. Вносимые потери не являются ключевым фактором и могут быть довольно высокими.
Гребенки 11, 12 фильтров присоединены в двух ветвях к одному усилителю мощности для каждой из них. Усилитель 21 мощности покрывает нижние диапазоны TX: (WCDMA5,6&8), которые определены выше, + GSM 850/GSM 900, а другой усилитель 22 мощности покрывает верхние диапазоны TX для (WCDMA 1,2,3,4,9) и DCS 1800/PCS 1900.
Существующие на рынке PA могут обеспечивать оба стандарта, EDGE/GMSK + WCDMA. Переключатели и гребенки фильтров с усилителями мощности могут появляться в качестве решения модуля PA, который также может включать в себя управление мощностью.
Фиг. 2 показывает второй вариант осуществления многодиапазонного антенного переключателя с другой установкой циркулятора/изолятора. В случае если циркуляторы с четырьмя портами не так практичны для сборки, как циркуляторы с тремя портами, может использоваться следующий вариант осуществления этого изобретения. В этом варианте осуществления используются только 3-портовые циркуляторы. Функция дуплексного режима передачи/приема получается посредством циркуляторов 16 и 17, соответственно, для верхних и нижних диапазонов. Развязка между портами приемника и передатчика достигается второй парой циркуляторов 18 и 19, используемых в качестве изоляторов. Это достигается соединением с согласованной нагрузкой надлежащих портов вторых циркуляторов 18, 19, для того чтобы не допускать отраженную РЧ-энергию к прохождению обратно из приемника в усилитель мощности, но, взамен, поглощаться на согласованных нагрузках 10.
Второй вариант осуществления может содержать такую же установку фильтров 30-39 в гребенках 11, 12 фильтров, а также переключатели 41-44, как первый вариант осуществления.
Таким образом, с любой реализацией или любым сочетанием однонаправленных соединений развязка достигается преимущественно между приемником и усилителем мощности передатчика, но, дополнительно, между всеми другими сочетаниями портов, до размера мощности отраженного сигнала вне нагрузки, и развязки, достигаемой в однонаправленных соединениях.
Антенна может иметь относительно плохой входной импеданс нагрузки. В качестве дополнительной альтернативы, если фильтры приемника требуют очень хорошо отрегулированного импеданса, для того чтобы достигать требуемого затухания полосы подавления, третье соединение, сконфигурированное в качестве изолятора 16', 17' (циркулятора с одним портом, соединенным с согласованной нагрузкой), может быть вставлено в линию между циркуляторами 16 и 17 и переключателями 43 и 44 фильтра приемника, соответственно.
Таким образом, описанные потери между усилителем мощности и антенной, а также фильтром приемника и антенной будут снижаться до интервала от 1 до 1,5 дБ. Это фактически лучше, чем таковые во многих из других дуплексоров с узкими частотными зазорами между диапазонами частот передачи и приема.
Требуемые объединенные диапазоны частот находятся в интервале 15-20%, и циркуляторные соединения с этой относительной шириной полосы частот вполне практичны.
Фиг. 3 показывает третий вариант осуществления многодиапазонного антенного переключателя с установкой делителя мощности. В третьем варианте осуществления, после антенного порта 1, две ветви будут разделяться при приеме, RX, и передаче, TX, для обоих, нижних и верхних диапазонов, как определено выше, посредством двух делителей мощности, одного делителя 26 мощности - для нижних диапазонов и одного делителя 27 мощности - для верхних диапазонов. Делитель 26 мощности нижних диапазонов должен перекрывать нижние диапазоны TX (824-915 МГц) и нижние диапазоны RX (869-960 МГц). Делитель 27 мощности верхних диапазонов должен перекрывать верхние диапазоны TX (1710-1980 МГц) и диапазоны RX (1805-2180 МГц). Делитель мощности будет представлять плоскую амплитудно-частотную характеристику в широком диапазоне и отрегулированные импедансы (например, 50 Ом) для всех портов. Делители мощности будут обеспечивать необходимую развязку для фильтров приемника, чтобы работать надлежащим образом, но ценою дополнительных вносимых потерь в 3 дБ в каждом тракте (при условии одного входа и двух выходов) для всех GSM/EDGE и WCDMA во всех режимах RX и TX.
К тому же, третий вариант осуществления может содержать такую же установку фильтров 30-39 в гребенках 11, 12 фильтров, усилители 21, 22 мощности, а также переключатели 41-44 как первый вариант осуществления.
Представленное решение предлагает минимальное решение для предоставления четырех диапазонов GSM (обоих, GPRS и EDGE) вместе с восемью диапазонами WCDMA, что касается как себестоимости, так и пространства. Вместо переключения на антенном порте, мы переключаем режимы вплотную к приемопередатчику, для способности принимать и передавать как TDD GSM, так и WCDMA.
Изобретение может применяться в портативном устройстве радиосвязи, таком как мобильные телефоны, коммуникаторы, электронные органайзеры, смартфоны и тому подобное. Как принимается во внимание специалистом в данной области техники, специальный подбор компонентов может изменяться в рамках настоящего изобретения, объем которого ограничен только формулой изобретения, приведенной ниже.