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Die
Erfindung betrifft eine Sendeanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben
eines Verstärkers in
einer Sendeanordnung.
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Sendeanordnungen
werden für
Anwendungen im Kommunikationsbereich innerhalb von mobilen Kommunikationsgeräten verwendet.
Um bei modernen mobilen Kommunikationsgeräten vielfältigen Anwendungen zu ermöglichen,
ist es erforderlich, dass die Sendeeinheit mehrere verschiedene
Betriebsarten für
verschiedene Kommunikationsstandards abdecken kann. Beispiele für verschiedene Betriebsarten
ergeben sich durch die unterschiedlichen Mobilfunkstandards wie
GSM/EDGE, GPRS, UMTS/WCDMA, 802.11a/b, GPS und weitere.
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Die
verschiedenen Betriebsarten unterscheiden sich unter anderem in
der Ausgangsfrequenz eines Sendesignals. Ein Sender eines mobilen
Kommunikationsgerätes,
der die Frequenzen abdeckt, wird als multibandfähig bezeichnet. Gleichzeitig
müssen
in der Sendeanordnung unterschiedliche Modulationsarten und Ausgangsleistungen
für die
verschiedenen Kommunikationsstandards implementiert sein. Diese
Fähigkeit
wird Multimode-Fähigkeit genannt.
Eine weitere Anforderung an moderne Sender in Kommunikationsgeräten ist
ein niedriger Strombedarf, um die Standzeit bei mobilen Kommunikationsgeräten zu erhöhen.
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Bislang
wurde eine solche Sendeanordnung in einem mobilen Kommunikationsgerät dadurch
implementiert, dass ein Transceiver mit einem oder mehreren parallel
geschalteten Leistungsverstärkerpfaden
gekoppelt wurde. Die Leistungsverstärkerpfa de sind dann an eine
oder mehreren Antennen angeschlossen. Der Transceiver der Sendeanordnung wird
dabei vor allem für
die Signalaufbereitung des zu sendenden Signals verwendet. Beispielsweise
weist der Transceiver einen I/Q-Modulator auf, der ein komplexwertiges
Basisbandsignal aus einer Inphasekomponente I und einer Quadraturkomponente
Q auf ein Signal mit einer Zwischenfrequenz umsetzt. Das Basisbandsignal
trägt dabei
die zu sendenden Informationen. Das auf eine Zwischenfrequenz umgesetzte
Signal kann nun weiterhin auf die gewünschte Ausgangsfrequenz gemischt
werden. Neuerdings werden aber auch sogenannte Direktumsetzer verwendet,
die das Basisbandsignal direkt ohne eine Zwischenfrequenz auf die
Ausgangsfrequenz umsetzen. Anstatt eines I/Q-Modulators wird auch ein
Polar-Modulator
verwendet, dessen Eingangsignale eine Amplitude und einen Polarwinkel
darstellen. Da in einem Transceiver gute HF-Kleinsignaleigenschaften
notwendig sind, werden vorteilhaft BiCMOS- oder RF-CMOS-Technologien
verwendet.
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Das
auf die Ausgangsfrequenz umgesetzte Signal wird je nach Frequenz-
bzw. Betriebsartanforderung einem der mehreren parallel geschalteten Leistungsverstärkerpfade
zugeführt,
wobei sich die Frequenz- oder Betriebsanforderungen aus dem verwendeten
Mobilfunkstandard ergeben. Zum Sendevorgang wird immer der jeweilige
Leistungsverstärker
ausgewählt,
der das zu sendende Signal abhängig
von der Betriebsart optimal verstärken kann. Die Leistungsverstärker in
den einzelnen Leistungsverstärkerpfaden
sollten das zu sendende Signal gemäß dem verwendeten Mobilfunkstandard
verstärken.
Für die
Leistungsverstärker
werden daher sehr gute HF-Eigenschaften gefordert. Gleichzeitig
werden eine hohe Spannungsfestigkeit und eine gute Stromtragefähigkeit
benötigt.
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Aus
diesem Grund werden die Leistungsverstärker vielfach bezüglich der
Transceiverschaltkreise in separaten Halbleiterchips ausgebildet.
Bevorzugt werden Leistungsverstärker
dabei in GaAs-, GaN-, SiGe-, SiC- oder InP-Halbleitern realisiert.
Diese Halbleitermaterialien zeichnen sich vor allem durch eine hohe
Elektronenbeweglichkeit und geringe Leistungsverluste aus, die so
gute HF-Eigenschaften gewährleisten.
Zur Wahl der richtigen Antenne bzw. zur Impedanzanpassung ist zwischen
den Ausgang des Leistungsverstärkers
und einer Antenne meistens eine Switch- bzw. Duplexer-Einheit mit entsprechender
Impedanzanpassschaltung angeschlossen.
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Auf
dem Halbleiterchip des Leistungsverstärkers sind neben den eigentlichen
Leistungsverstärkerschaltungen
auch Bias- bzw.
Mode-Kontrollschaltungen untergebracht. Die Bias- und Kontrollschaltkreise
stellen dabei die Betriebsparameter für den Leistungsverstärker ein.
Beispielsweise geben sie den Ruhestrom des Verstärkers, die Versorgungsspannung
oder die Ausgangsleistung vor und führen einen Abgleich für einen
linearen Verstärkungsfaktor durch.
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Diese
Bias-Schaltkreise sind aus schaltungstechnischen Gründen häufig einfach
gehalten, sodass bei einem Multi-Mode-Betrieb des Leistungsverstärkers Kompromisse
bei den resultierenden Eigenschaften hingenommen werden müssen. Bei
der Wahl teurer Substrate wie GaAs oder InP für die Implementierung wird
so auch der Bias- bzw. Kontrollschaltkreis in einer teuren und aufwändigen Technologie
realisiert. Der Platzverbrauch eines Leistungsverstärkers steigt
dadurch. Bei einem Ausfall der Bias-Schaltung ist der vollständige Chip
untauglich, bei einer Änderung
der Anforderung des Leistungsverstärker muss sehr häufig eine
neue Bias- und Steuerschal tung und damit ein komplett neuer Leistungschip
entworfen und prozessiert werden.
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Der
Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine kostengünstigere und flexiblere Sendeanordnung, insbesondere
für Mobilfunkanwendungen
vorzusehen. Diese soll vorzugsweise für verschiedene Betriebsarten
gleichermaßen
einsetzbar sein. Ein weitere Aufgabe der Erfindung ist das Vorsehen
eines Verfahrens, das ein Betreiben eines Verstärkers in einer Sendeanordnung
mit einfachen Mitteln ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden mit den Gegenständen
der unabhängigen
Patentansprüche
1 und 21 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Sendeanordnung umfasst
eine Transmitterschaltung zur Signalaufbereitung von zu sendenden
Signalen. Die Transmitterschaltung enthält einen Signalausgang. In
der Sendeanordnung ist weiterhin zumindest ein in einem Halbleiterkörper ausgebildeter
Leistungsverstärker vorgesehen.
Dieser weist zumindest eine Betriebsart auf, die durch zumindest
einen einstellbaren Parameter gekennzeichnet ist. Der Leistungsverstärker enthält einen
Signaleingang und einen Signalausgang. Der Signaleingang ist an
den Signalausgang der Transmitterschaltung angeschlossen. Weiterhin ist
eine programmierbare Steuerschaltung für den Leistungsverstärker vorgesehen.
Die programmierbare Steuerschaltung ist außerhalb des Halbleiterkörpers realisiert.
Sie ist zur Abgabe von Stellsignalen an den Leistungsverstärker zur
Einstellung des zumindest einen einstellbaren Einstellparameters ausgebildet.
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Mit
der Erfindung wird die Steuerschaltung mit den verschiedenen Signalen
zur Einstellung der Betriebsart des Leistungs verstärkers und
der Leistungsverstärker
in zwei verschiedenen Halbleiterkörpern realisiert. Dadurch kann
der Leistungsverstärker in
der für
die jeweilige Anforderung optimalen Technologie implementiert werden.
Die Steuerschaltung, welche insbesondere die Versorgungs- bzw. Biasschaltkreise
sowie die Schaltkreise zur Einstellung verschiedener Betriebsarten
des Leistungsverstärkers
enthält,
ist außerhalb
des Halbleiterkörpers
des Leistungsverstärkers
und in der für
sie optimalen Technologie implementiert. Die programmierbare Steuerschaltung
kann so wegen der deutlich leistungsfähigeren realisierbaren Digital-
und/oder Analog-Schaltkreise mehrere Betriebsarten des Leistungsverstärkers in
optimaler Weise abdecken. Der Leistungsverstärker kann ebenso für mehrere
durch die Steuerschaltung einstellbare Betriebsarten ausgebildet
sein, sodass auf zusätzliche
Leistungsverstärkerzüge in einer
Sendeanordnung verzichtet werden kann.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst der Halbleiterkörper zumindest
eine Messvorrichtung zur Messung eines Betriebsparameters des Leistungsverstärkers. Die
Messvorrichtung ist mit der Steuerschaltung gekoppelt. Die Steuerschaltung
ist ihrerseits zur Einstellung des zumindest einen Einstellparameters
in Abhängigkeit
des gemessenen Betriebsparameters ausgebildet.
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Dadurch
ist es möglich,
für die
verschiedenen Betriebsarten des Leistungsverstärkers die optimalen Einstellparameter
zu erzeugen. Insbesondere können
auch dynamische Effekte des Leistungsverstärkers während eines laufenden Betriebes
durch die Messvorrichtung detektiert und bei der Erzeugung der Einstellparameter
entsprechend berücksichtigt
werden.
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In
einer Ausbildung der Erfindung ist die Messvorrichtung des Halbleiterkörpers zur
Messung eines durch den Leistungsverstärker verursachten Temperaturanstiegs
ausgebildet. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die
Messvorrichtung zur Messung eines Stromverbrauchs des Leistungsverstärkers ausgebildet.
Ebenso kann die Messvorrichtung den Verstärkungsfaktor des Leistungsverstärkers oder
die abgegebene Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers messen.
Auch das so genannte Stehwellenverhältnis bzw. die Strom- oder
Spannungsamplituden am Ausgang des Leistungsverstärkers stellt
einen möglichen
Betriebsparameter des Leistungsverstärkers dar, der für eine Einstellung
der Einstellparameter verwendbar ist. Dadurch kann die Linearität des Verstärkers konstant
gehalten werden.
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Die
Messvorrichtungen können
in geeigneter Weise auch außerhalb
des Halbleiterkörpers
angeordnet sein. Zweckmäßig ist
dies unter anderem bei einem Sensor zum Messen des Stehwellenverhältnisses
oder der vom Leistungsverstärker
abgegebenen Leistung.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der durch die Steuerschaltung
einstellbare Einstellparameter des Leistungsverstärkers den
Wert des Ruhestroms des Leistungsverstärkers. Zusätzlich kann der Einstellparameter
auch eine Einstellung des Verstärkungsfaktors
des Leistungsverstärkers
oder eine Einstellung der Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers umfassen.
Ebenso kann die Steuerschaltung zur Einstellung einer Temperaturabhängigkeit
des Ruhestroms ausgebildet sein. Unter dem Begriff Ruhestrom fallen
unter anderem der Ausgangsruhestrom des Verstärkers, aber auch eine, einen
Arbeitspunkt des Verstärkers
einstellende elektrische Größe. In einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung eine Detektionseinrichtung,
welche die von den Messvorrichtungen übermittelten Informationen
auswertet. Bei Überschreiten eines
vorbestimmten Grenzwertes ist die Detektionseinrichtung zur Abgabe
eines Signals zur Abschaltung des Leistungsverstärkers ausgebildet. Bevorzugt
stellt die Detektionseinrichtung so eine Schutzschaltung dar, die
den Leistungsverstärker
vor Überspannung,
zu hohem Strom oder einem schädigenden
Stehwellenverhältnis
schützt.
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Die
verschiedenen Einstellparameter sind je nach ausgewählter Betriebsart
unterschiedlich. Zusätzlich
können
sich die Einstellparameter zeitabhängig und auch betriebsartabhängig ändern. Durch
die Messvorrichtung wird der Steuerschaltung immer der momentan
aktuelle Betriebszustand des Leistungsverstärkers übermittelt, die daraufhin die
optimalen Einstellungen für
die jeweilige Betriebsart trifft und diese als Einstellparameter
an den Leistungsverstärker
sendet. Weitere Einstellparameter des Leistungsverstärkers, für deren
Abgabe die Steuerschaltung ausgebildet ist, sind Parameter für die Quellenimpedanz
der Ansteuerung oder Parameter für
eine dynamische Verstärkungsregelung
zur Erzeugung einer linearen Übertragungskennlinie
des Leistungsverstärkers
bei gleichzeitig niedriger Stromaufnahme im gesamten Aussteuerbereich.
Die Steuerschaltung oder der Halbleiterkörper kann zusätzlich eine
Detektionsschaltung zum Schutz des Leistungsverstärkers bei Überlast
enthalten.
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Bevorzugt
enthält
der Leistungsverstärker eine
inaktive Betriebsart, in der kein zu sendendes Signal verstärkt wird.
In dieser Betriebsart soll der Leistungsverstärker einen möglichst
geringen Stromverbrauch aufweisen. Die Steuerschaltung ist so zur Abgabe
des entsprechenden Einstellparameters zur Einstellung dieser inaktiven
Betriebsart ausgebildet. Je nach Anforderungen an die Einstellparameter
für die
verschiedenen Betriebsarten des Leistungsverstärkers ist die Steuerschaltung
in CMOS- oder Bipolar- oder in BiCMOS-Technologie ausgebildet. Sie kann
in einem zweiten Halbleiterkörper
implementiert sein, und bevorzugt in Silizium-Technologie ausgebildet
sein. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Leistungsverstärker in
einem Halbleiterkörper
implementiert, der Galliumarsenid oder Indiumphosphid oder Silizium-Germanium-Verbindungen
enthält.
Bevorzugt ist der Leistungsverstärker
in LDMOS- (Laterally-Doped MOS) oder GaAS-Technologie in MMIC-(Monolithic Microwave
integrated circuits) Technologie ausgebildet. Diese Technologien
eignen sich besonders für
Schaltungen, die sehr gute HF-Signaleigenschaften
aufweisen müssen.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung enthält die Steuervorrichtung eine
Speichereinheit. In diese Speichereinheit sind die Einstellparameter
für die
zumindest eine Betriebsart des Leistungsverstärkers ablegbar. Zusätzlich kann
die Steuerschaltung eine Schnittstelle zur Programmierung der Speichereinheit
mit den verschiedenen Einstellparametern umfassen. Die Programmierung
kann dabei über eine
digitale Schnittstelle oder eine analoge Schnittstelle erfolgen.
Damit lassen sich verschiedene Betriebsarten des Leistungsverstärkers in
der Steuereinrichtung zusammenfassen. Je nach Betriebsart werden
aus der Speichereinheit die notwendigen Einstellparameter gelesen,
eventuell weiterverarbeitet und an den Leistungsverstärker übermittelt.
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Dabei
ist es besonders zweckmäßig, wenn die
Steuerschaltung einen Dateneingang zur Einstellung der Betriebsart
aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Verstärken
eines Signals umfasst daher ein Bereitstellen eines Leistungsverstärkers in
einem Halbleiterkörper mit
zumindest einer Betriebsart für
ein Verstärken
eines zu sendenden Signals. Weiterhin wird eine Steuerschaltung
außerhalb
des Halbleiterkörpers
des Leistungsverstärkers
bereitgestellt. Es wird eine Betriebsart des Leistungsverstärkers ausgewählt, welche
durch zumindest einen Einstellparameter gekennzeichnet ist. Der
zumindest eine Parameter zur Einstellung dieser Betriebsart wird
an den Leistungsverstärker
durch die Steuerschaltung übergeben.
Bevorzugt wird dabei die Steuerschaltung mit einer Anzahl verschiedener
durch Einstellparameter gekennzeichneter Betriebsarten programmiert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Sendeanordnung in einem Sendepfad,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Sendeanordnung
in einem Ausführungspfad,
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3 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Sendeanordnung.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Sendeanordnung 1 in
einem Sendepfad. Der Sendepfad ist Teil eines aus Übersichtsgründen nicht
dargestellten mobilen Kommunikationsgeräts, welches gemäß mehreren
Mobilfunkstandards Daten senden und empfangen kann. Die Mobilfunkstandards,
welche schon in der Beschreibungseinleitung beim Stand der Technik
aufgeführt
sind, stel len unterschiedliche Anforderungen an den Sendepfad. Während beispielsweise
im GSM-Mobilfunkstandard ein zu sendende Signal während des
Sendevorgangs immer mit der gleichen Amplitude übertragen wird, ist bei dem
WCDMA-Mobilfunkstandard das zu sendende Signal amplitudenabhängig. Die
Anforderungen hinsichtlich der Linearität der Verstärkung eines Leistungsverstärker im
Sendepfad sind daher deutlich höher.
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Der
Sendepfad enthält
neben der erfindungsgemäßen Sendeanordnung 1 auch
eine Basisbandeinheit 8. Die Basisbandeinheit 8 besitzt
einen Ausgang 83 für
einen Datenstrom D, der an einen Eingang 23 einer Transmitterschaltung 2 der
erfindungsgemäßen Sendeanordnung 1 angeschlossen ist.
Der Ausgang 82 für
einen Steuerdatenstrom K ist mit einen Eingang 21 der Transmitterschaltung 2 verbunden.
Die Basisbandeinheit 8 erzeugt das zu sendende Signal in
Form eines digitalen Datenstroms D. Der digitale Datenstrom D ist
bereits mit einem für den
gewählten
Mobilfunkstandard vorgesehenen Typ moduliert. Bevorzugt wird für die verschiedenen Kommunikationsstandards
eine Vektormodulation mit unterschiedlichen Modulationsarten verwendet. Bei
einer Vektormodulation erzeugt die Basisbandeinheit 8 ein
komplexes, digitales Basisbandsignal mit einer Inphasenkomponente
I und einer Quadraturkomponente Q. Beide Komponenten I und Q ergeben
den digitalen Datenstrom D. Weiterhin gibt die Basisbandeinheit 8 über einen
Kontrollstrom bevorzugt digitale Steuersignale K an die Transmitterschaltung 2 der
erfindungsgemäßen Sendeanordnung
ab. Die Steuersignale K dienen zur Einstellung der maximalen zu
sendenden Leistung, Filter, Sendefrequenz und weiterer Parameter.
Abhängig
von dem Kontrollstrom K nimmt die Transmitterschaltung 2 die
notwendigen Einstellungen für
das zu sendende Signal vor.
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Die
Transmitterschaltung 2 besitzt zudem einen Steuerausgang 22,
der an einen Steuereingang 35 einer Bias- und Steuerschaltung 3 angeschlossen ist.
Die Transmitterschaltung 2 weist weiterhin einen Signalausgang 25 auf
sowie einen weiteren Steuerausgang 24. Der Steuerausgang 24 ist
an einen Steuereingang 52 einer Duplexer-Einheit 5 angeschlossen.
Der Signalausgang 25 ist mit einem Eingang 42 eines
Leistungsverstärkers 41 verbunden.
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Der
Leistungsverstärker 41 ist
in einem Halbleiterkörper 4 bzw.
einem Chip 4 implementiert. Er bildet so einen integrierten
Schaltkreis in diesem Chip. Alle Ein- und Ausgänge des Leistungsverstärkers 41 sind
durch Anschlüsse
auf der Oberfläche
des Halbleiterkörpers 4 gebildet.
Der Leistungsverstärker 41 weist
einen Signalausgang für
das verstärkte
zu sendende Signal auf, welcher an einen Eingang 51 der Duplexer-Einheit 5 angeschlossen
ist. Die Duplexer-Einheit 5 enthält ein hier aus Übersichtsgründen nicht
dargestelltes Anpassnetzwerk, welches eine Impedanzanpassung des
Ausgangs 40 der Verstärkungseinrichtung 41 an
die mit dem Ausgang 53 verbundenen Antenne 7 durchführt. Dadurch
wird die von der Antenne 7 reflektierte Leistung reduziert
und das Stehwellenverhältnis
zwischen Ausgang 40 des Leistungsverstärkers 4 und der Antenne 7 verringert. Das
gewählte
Anpassnetzwerk ist dabei abhängig von
der Sendefrequenz des zu sendenden Signals. Weiterhin kann die Duplexer-Einheit 5 auch
zusätzliche
Resonanzschaltkreise besitzen, um die Resonanzfrequenz der Antenne 7 auf
die Sendefrequenz anzupassen.
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Der
Leistungsverstärker 41 besitzt
weiterhin einen Eingang 43 zur Zuführung von Einstell-, Bias- oder
Steuersignalen. Der Eingang 43 ist mit einem Ausgang 33 der
Bias- bzw. Steuerschaltung 3 verbunden. Der Eingang 43 und
der Ausgang 33 um fasst dabei mehrere Anschlüsse und
parallel geschaltete Leitungen. Die auf den jeweiligen Leitungen
gesendeten, bevorzugt analogen Einstellsignale am Eingang 43 dienen
zur Einstellung von Parametern des Leistungsverstärkers 41,
die so eine optimale Verstärkung
des zu sendenden Signals für
eine spezifische Betriebsart ermöglichen.
Die Einstellsignale dienen so direkt zur Einstellung von Parametern des
Leistungsverstärker 41 im
Halbleiterkörper 4.
Die Einstellungen, die über
die Signale am Einstelleingang 43 vorgenommen werden betreffen
unter anderem die Ruhestromaufnahme des Verstärkers, seinen Verstärkungsfaktor,
Versorgungsspannung und die Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Auch
die maximale Ausgangsleistung wird bestimmt. Zusätzlich stellen in dieser Ausführung weitere
Leitungen die Versorgungsspannung und den Versorgungsstrom für den Leistungsverstärker zur
Verfügung.
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Weiterhin
sind mehrere Messvorrichtungen vorgesehen, die verschiedenartige
Betriebsparameter des Leistungsverstärkers 41 während des
laufenden Betriebs ermitteln. Einige Messvorrichtungen sind dabei
innerhalb des Halbleiterkörpers 4 implementiert.
Weitere Messvorrichtungen sind an den Ein- bzw. Ausgängen außerhalb
des Halbleiterkörpers
angeschlossen. Die von den Messvorrichtungen ermittelten Daten liegen
an einem Ausgang 44 des Halbleiterkörpers 4 an, welcher
mit einem Eingang 34 der Steuerschaltung 3 verbunden
ist.
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Die
Steuerschaltung 3 ist zur Erzeugung und Abgabe der Einstellparameter
an den Ausgang 33 ausgebildet. Dazu empfängt die
Steuerschaltung 3 zum einen ein Signal vom Transceiver 2 über den Eingang 35,
das ihr die Betriebsart des Leistungsverstärkers für das zu sendende und zu verstärkende Signal
mitteilt. Aus dieser Information erzeugt die Steuerschaltung 3 alle
Einstellparameter für
diese Betriebsart. Diese werden dem Leistungsverstärker übermittelt
und stellen so den Leistungsverstärker 41 optimal für diese
Betriebsart ein.
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Wenn
sich die Betriebsparameter des Leistungsverstärkers 41, beispielsweise
seine Temperatur, sein Stromverbrauch, das Stehwellenverhältnis am
Ausgang 40 oder auch sein Verstärkungsfaktor, während des
laufenden Betriebs ändern,
wird dies durch die Messvorrichtungen registriert. Sie erzeugen
ein Signal und geben dieses am Ausgang 44 ab. Die Messsignale
werden am Dateneingang 34 der Steuerschaltung 3 empfangen
und weiterverarbeitet. Daraus leitet die Steuerschaltung geänderte Einstellparameter
ab, welche am Ausgang 33 erneut dem Leistungsverstärker 41 im
Halbleiterkörper 4 zugeführt werden.
Die Einstellparameter werden somit entsprechend geändert, um
sich den neuen Betriebsbedingungen des Leistungsverstärkers 41 anzupassen.
Der Prozess erfolgt dynamisch und kontinuierlich, so dass immer
eine optimale Funktionsweise des Leistungsverstärkers gewährleistet ist. Dabei ist die
Bias- bzw. Steuerschaltung 3 insbesondere gegen HF-Störstrahlung
entkoppelt. Auch die direkten Versorgungsleitungen sind so gegen
HF-Störungen des
Leistungsverstärkers
gut entkoppelt.
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Wenn
eine neue Betriebsart, beispielsweise aufgrund eines neuen Mobilfunkstandards
benötigt wird,
zeigt die Basisbandeinheit 8 dies über die Steuersignale K an
ihrem Ausgang 82 dem Transceiver der Sendeanordnung 1 an.
Der Transceiver ermittelt daraus die notwendige Betriebsart für den Leistungsverstärker 41 und
sendet ein entsprechendes Stellsignal über seinen Stellausgang 22 an
die Steuerschaltung 3. Die Steuerschaltung 3 erzeugt
die neuen für diese
Betriebsart notwendigen Einstellparameter für den Leistungsverstärker 41.
Dies kann beispielsweise eine neue Verstärkungsregelung, ein neuer Linearitätsverlauf
oder auch eine Temperaturkompensation des Ruhestroms sein.
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Wenn
beispielsweise von einer Betriebsart des Leistungsverstärkers 41,
in welcher Signale mit konstanter Amplitude verstärkt werden,
in eine Betriebsart umgeschaltet wird, in der amplitudenabhängige Signale
verstärkt
werden sollen, müssen
von der Steuerschaltung 3 die Einstellparameter so gewählt werden,
dass der Leistungsverstärker
möglichst
verzerrungsfrei das Signal verstärkt.
Gleichzeitig schaltet der Transceiver 2 über den
Steuerausgang 24 die Duplexer-Einheit auf ein neues Frequenzband
oder ändert
das Anpassnetzwerk in der Duplexer-Einheit 5, um eine optimale
Anpassung an den Ausgang des Leistungsverstärkers 41 zu erreichen.
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Der
Leistungsverstärker 41 in
der erfindungsgemäßen Sendeanordnung
kann nun möglichst
breitbandig ausgelegt werden. Die notwendigen Bias-, Steuer- und
Kontrolleinstellungen werden durch die Steuerschaltung über die
Einstellparameter vorgenommen. Durch die breitbandige Realisierung des
Leistungsverstärkers
und die konsequente Übernahme
aller Bias- bzw. Kontrollschaltkreise in eine programmierbare Steuerschaltung
können
auf zusätzliche
parallel geschaltete Verstärkerzüge zum Teil
verzichtet werden. Die separat implementierte Steuerschaltung 3 ist
nun temperaturunabhängig
und lässt
sich unabhängig
von dem Leistungsverstärker entwerfen
und realisieren. Ihre flexible Programmierung ermöglicht auch,
neue Betriebsarten für
unterschiedliche Signale mit dem gleichen Leistungsverstärker 41 zu
realisieren. Eine HF-Entkopplung zwischen der Bias- und Steuerschaltung
und dem HF-Leistungsverstärker wird
verbessert.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung zeigt das Ausführungsbeispiel in der 2.
Gleiche Bauelemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen. Die Steuerschaltung 3 enthält hier
neben dem Steuereingang 35 einen weiteren Steuereingang 31,
welcher mit einem Ausgang 81 der Basisbandeinheit 8 verbunden
ist. Über
diesen lassen sich weitere Informationen an die Steuerschaltung 3 übermitteln.
Im Ausführungsbeispiel
ist der Eingang 31 unter anderem als Programmiereingang
für eine
Speichereinheit 37 ausgebildet. In der Speichereinheit 37 werden
Einstellparameter für
verschiedenen Betriebsarten des Leistungsverstärkers 41 abgelegt.
Die Kommunikation zwischen Basisbandeinheit 8 und Bias-
bzw. Steuerschaltung 3 und Transmitterschaltung 2 und
Bias bzw. Steuerschaltung 3 erfolgt über einen digitalen sogenannten
Drei-Leiter-Bus. Wird ein Signal zur Einstellung einer Betriebsart
empfangen, entnimmt die Steuerschaltung 3 aus ihrer Speichereinheit 37 die
Einstellparameter für
die einzustellende Betriebsart. Dies können beispielsweise zusätzliche
Amplituden-Informationen für
die zu sendenden Signale sein, oder Signale zur Veränderung
der Ausgangsleistung des Verstärkers 41.
Die Steuerschaltung 3 kann somit auch wichtige Betriebsinformationen
zum Transceiver 2 oder der Basisbandeinheit 8 über den Drei-Leiter-Bus
zurückmelden.
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Zusätzlich wird über den
Eingang der Bias- bzw. Steuerschaltung 3 dynamisch eine
Veränderung der
zu sendenden Signale mitgeteilt. Beispielsweise wird über den
Eingang 31 der Crestfaktor des zu sendenden Signals oder
die Maximalamplitude übermittelt.
Die Bias- bzw. Steuerschaltung 3 kann so auf die zukünftigen
Signale reagieren und den Leistungsverstärker entsprechend anpassen.
Eine Verzerrung wegen zu großen
Eingangsamplituden wird so verhindert. Der zusätzliche Eingang 31 erlaubt
daher eine dynamische und sehr schnelle Anpassung an die sich im
laufenden Betrieb ändernden
zu sendenden Signale. Die von der Basisbandeinheit übermittelten
Einstellsignale am zweiten Eingang können so vorteilhaft für eine Feinabstimmung
der Einstellparameter genutzt werden.
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In
dieser Ausführungsform
besitzt die Transmitterschaltung 2 zusätzlich noch einen Dateneingang 26 zur
Zuführung
von Messergebnissen der Messvorrichtungen im Halbleiterkörper 4.
Anhand dieser Betriebsinformationen des Leistungsverstärkers 41 kann
der Transceiver möglicherweise
Einstellungen in seinen Schaltkreisen vornehmen, um so eine noch
bessere Verstärkung
des zu sendenden Signals zu ermöglichen.
Beispielsweise könnten
so durch geeignete Maßnahmen
Verzerrungen im zu sendenden Signal reduziert werden.
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Zusätzlich ist
in diesem Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Sendeanordnung
ein weiterer parallel geschalteter Verstärkerzug 66, dargestellt durch
die gestrichelten Linien, vorgesehen. Der zweite Verstärkerzug 66 ist
in einem eigenen Halbleiterkörper 6 implementiert
und umfasst ebenfalls einen oder mehrere Leistungsverstärker und
Messvorrichtungen. Der Verstärkerzug 66 ist
ebenfalls mit seinem Ausgang 61 an einen weiteren Eingang 51A der
Duplexer-Einheit 5 angeschlossen. Ein weiterer Signalausgang 25A der
Transmitterschaltung 2 ist mit einem Eingang 62 des
Leistungsverstärkerzugs 66 verbunden.
Seine Einstellparameter zur Einstellung der Betriebsart erhält der zweite
Leistungsverstärkerzug 66 über seinen
Einstelleingang 63 von der Steuerschaltung 3.
Messvorrichtungen im Halbleiterkörper 6 des
Leistungsverstärkerzugs 66 übermitteln
die Betriebsinformationen und Betriebsparameter an die Steuerschaltung 3 bzw.
die Transmitterschaltung 2.
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Ein
solcher zweiter parallel geschalteter Leistungsverstärkerzug
kann dann erforderlich sein, wenn nicht alle möglichen Betriebsarten mit einem Leistungsverstärker abgedeckt
werden können.
Alternativ kann ein zweiter Verstärker notwendig sein, wenn der
Transceiver 2 für
eine höhere
Ausgangsleistung ausgelegt ist oder eine größere Verstärkung nicht erforderlich ist.
Der zweite Leistungsverstärker 66 umfasst
nur noch eine einzige Endstufe. Diese ist in einer teuren und aufwändigen Technologie
in einem GaAs oder InP-Halbleiter mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften
ausgebildet. Abhängig von
der Betriebsart wird der zweite Leistungsverstärker 6 immer dann
eingesetzt, wenn der Transceiver 2 das zu sendende Signal
bereits mit seinem vollen Aussteuerbereich abgibt.
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Den
Ausgängen 61 bzw. 40 der
Halbleiterkörper 6 bzw. 4 sind
jeweils eine Impedanzanpassschaltung vorgeschaltet, die über die
Signale der Steuereinrichtung 3 regelbar ist. Die Steuerschaltung stellt
die Ausgangsimpedanz mit Hilfe der von den Messvorrichtungen gemessenen
Parametern so ein, dass eine Anpassung des Ausgangs der Halbleiterkörper auf
die jeweiligen Eingänge
des Duplexers durchgeführt
werden.
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3 zeigt
einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Sendeanordnung 1 der 1.
Der Leistungsverstärker 41 ist
in einem Halbleiterkörper 4 integriert
und umfasst drei hintereinander geschaltete einzelne Verstärkerstufen 41A, 41B und 41C.
Die Verstärkerstufen
lassen sich aber genauso parallel schalten. Die einzelnen Verstärkerstufen 41A bis 41C sind
in einer monolithischen Struktur innerhalb des Halbleiterkörpers 4 realisiert
und als integrierte Schaltungen ausgebildet. Bevorzugt umfasst der Halbleiterkörper ein
Material, welches hervorragende Hochfrequenzeigenschaften besitzt.
Beispielsweise ist dies Galliumarsenid GaAs, das sich durch eine sehr
hohe Elektronenbeweglichkeit auszeichnet. Andere Beispiele sind
Indiumphosphid InP oder Silizium-Germanium SiGe. An die Verstärkungseinrichtung 41 sind
im Halbleiterkörper 4 mehrere
Messfühler 46 und 47 untergebracht.
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Beispielsweise überwacht
ein Temperaturmessfühler 46 den
Temperaturanstieg im Halbleiterkörper 4.
Ein Temperaturanstieg wird durch Wärmeverluste der eigentlichen
Leistungsverstärkerschaltkreise 41A bis 41C bei
einem Verstärken
eines Signals erzeugt. Eine Temperaturänderung in den Verstärkerschaltkreisen
verändert
wiederum weitere elektrische Parameter wie beispielsweise Widerstand,
Leistungsverbrauch oder Reaktanzen. Abhängig von der Temperatur T müssen daher
die Einstellparameter entsprechend gewählt werden. Der Messfühler übermittelt
so die gemessene Temperatur T oder die Änderung der Temperatur an den
Messeingang 34A der Bias- bzw. Steuerschaltung 3.
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Weiterhin
ist ein Messfühler 47A vorgesehen.
Dieser ist in diesem Ausführungsbeispiel
ebenfalls innerhalb des Halbleiterkörpers 4 des Leistungsverstärkers 41 untergebracht
und ermittelt den Stromverbrauch I des Verstärkerzugs 41. Das Messergebnis
wird über
den Anschluss 44B auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 4 an
einen zweiten Messeingang 34B übermittelt.
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Letztlich
ist dem Ausgang 40 des Verstärkerzuges 41 des Halbleiterkörpers 4 eine
Messschaltung 48 nachgeschaltet, welche das Stehwellenverhältnis VSWR
bestimmt. Das Stehwellenverhältnis gibt
das Verhältnis
zwischen abgestrahlter und reflektierter Leistung an. Dieser Messwert
ist besonders wichtig, um den Verstärker vor Beschädigungen zu
schützen,
die bei zu großer
reflektierter Leistung auftreten. Zudem ist der Messwert des Stehwellenverhältnisses
für eine
Optimierung der Linearität
des Leistungsverstärkers
verwendbar. Das Stehwellenverhältnis
VSWR wird an einen dritten Messeingang 34C abgegeben.
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Zusammen
mit dem Stellsignal am Eingang 35, welches die Betriebsart
für den
Leistungsverstärker
der Steuerschaltung 3 mitteilt, erzeugt die Bias- bzw.
Steuerschaltung 3 aus den übermittelten Messergebnissen
dynamisch mehrere Einstellparameter. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind dies der Ruhestrom RI sowie die Spannungen U1 und U2. Diese
werden an den Ausgängen 33A bis 33C abgegeben
und dem Verstärkerzug 41 im
Halbleiterkörper 4 zugeführt. Zur
Entkopplung gegen zurückgestrahlte HF-Störstrahlung
ist wie angedeutet ein Mittel 75 zur Entkopplung vorgesehen.
Durch die kontinuierliche Übermittlung
der Messergebnisse durch die Messvorrichtungen 46, 47 und 48 erfolgt
eine dynamische Anpassung der Einstellparameter I, U1 und U2. Der Leistungsverstärkerzug 41 mit
seinen einzelnen Leistungsverstärkerstufen 41A bis 41C wird
so stets optimal angesteuert.
-
Gleichzeitig
enthält
die Bias- bzw. Steuerschaltung eine Detektions- und Schutzeinrichtung 36.
Diese wertet das Stehwellenverhältnis
VSWR am Eingang 34C aus. Bei Überschreiten eines Grenzwertes
reduziert sie wie angedeutet die Spannung U2, um so den Leistungsverstärker 41 im
Halbleiterkörper 4 vor
Beschädigungen
zu schützen.
Beispielsweise kann sie auch einen Schalter öffnen, oder den Verstärker ganz
abschalten. In dieser Ausführung wertet
die Schutzvorrichtung 36 nur das Stehwellenverhältnis aus.
Es ist jedoch auch möglich,
weitere Betriebsparameter für
einen Schutz gegen Überlastung
oder Beschädigung
zu beobachten. Zusätzlich kann
das Stehwellenver hältnis
zur Einstellung verschiedener Parameter wie Impedanzanpassung verwendet
werden.
-
Durch
die konsequente Trennung der Bias- bzw. Steuerschaltung in der Steuerschaltung 3 und dem
eigentlichen Leistungsverstärkerzug
innerhalb eines separat angeordneten Halbleiterkörpers bleiben dennoch eine
flexible und einfache Montage gewährleistet. So kann beispielsweise
die Steuerschaltung 3 sowie der Leistungsverstärker 41 der
erfindungsgemäßen Sendeanordnung
in einzelnen Chips implementiert sein, welche mit einer Flip-Chip-
oder in Face-to-Face-Technologie montiert werden. Diese Technologie
ermöglicht
zudem auch eine einfache Platzierung verschiedener Messfühler innerhalb
und außerhalb
des Halbleiterkörpers
für den
Leistungsverstärker.
Ein Platzverbrauch bleibt somit annähernd konstant, allerdings
wird die für
die Realisierung des Leistungsverstärkers teure Technologie für die Bias-
bzw. Steuerschaltung nicht benötigt.
Daraus ergibt sich eine höhere
Flexibilität
und Präzision der
Biaseinstellungen.
-
Die
hier dargestellte konsequente Trennung in der Sendeanordnung lässt sich
in gleicher Weise auch für
einen entsprechenden Empfangspfad realisieren. In diesem Fall kann
beispielsweise eine Trennung der Bias- und Steuerschaltung eines
Empfangsverstärkers
und des eigentlichen Empfangsverstärkerzuges erfolgen. Die beiden
logischen Schaltungsblöcke,
Steuer- und Bias-Schaltung einerseits und dem eigentlichen Verstärkerzug
andererseits, werden separat in den jeweiligen optimalen Technologien
mit den optimalen Materialien implementiert. Eine Flexibilität wird dadurch
deutlich erhöht.
-
- 1
- Sendeanordnung
- 2
- Transmitterschaltung
- 3
- Bias-
bzw. Steuerschaltung
- 4,
6
- Halbleiterkörper
- 5
- Duplexer
- 7
- Antenne
- 8
- Basisbandeinheit
- 41,
66
- Leistungsverstärker
- 42,
51, 51A, 62
- Signaleingänge
- 22
- Stellausgang
- 35
- Stelleingang
- 36
- Schutzschaltung
- 43
- Stelleingang
- 25,
40
- Signalausgang
- 21
- Steuersignaleingang
- 23
- Dateneingang
- 82
- Steuersignalausgang
- 83
- Datenausgang
- 41
- Leistungsverstärker
- 41A,
41B, 41C
- Leistungsverstärkerstufen
- 46,
47A, 48
- Messvorrichtungen
- 44A,
44B
- Messausgänge
- 34A,
34B, 34C
- Messeingänge
- RI,
U1, U2:
- Einstellparameter