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In
der Elektronik, die als elektrotechnischer Bereich bis zu Frequenzen
von einigen MHz betrachtet werden kann, ist die Bezeichnung Resonator
etwas unüblich,
obwohl, es auch in diesem Frequenzbereich eine Reihe von Anwendungen
gibt, deren elektrische Qualität
von der Güte
der eingesetzten Resonatoren (hier oft als Schwingkreise bezeichnet)
abhängig
ist. Eine sehr gute Grundlagenbeschreibung über den Stand von Resonatoren
ist in dem Buch von W. Bächthold
mit dem Titel „Mikrowellentechnik", verlegt von Vieweg,
Braunschweig, 1999, angegeben.
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Alle
Resonatoren zeigen im Bereich der Resonanzfrequenz das Verhalten
eines Serienschwingkreises (Saugkreises) oder Parallelschwingkreises
(Sperrkreises) mit einem Ersatzschaltbild bestehend aus Induktivität, Kapazität und einem
Verlustwiderstand (1).
Dabei werden L und C als ideal angenommen und alle Verlustanteile
im Widerstand R zusammengefasst. Diese Kernelemente des Ersatzschaltbildes
beschreiben die wesentlichen Eigenschaften des Resonators und aus
ihnen lassen sich alle wichtigen Kennwerte ableiten.
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So
beträgt
die Resonanzfrequenz des Schwingkreises:
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Aufgrund
der stets vorhandenen Verluste wird die Amplitude einer nur einmal
angestoßenen
freien Schwingung exponentiell abklingen. Bei einer erzwungenen,
von außen
angeregten Schwingung verbreitern diese Verluste die Resonanzkurve.
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Als
ein Maß für die Verluste
wird der Gütefaktor
definiert:
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Von
diesem Verhältnis
ist die elektrische Qualität
des Resonators direkt abhängig.
In der Entwicklung von Resonatoren ist man daher bemüht, möglichst
hohe Gütefaktoren
zu realisieren und die zur Verfügung
stehenden Technologien daraufhin zu optimieren. Dieses wie auch
geringere Herstellungskosten waren bisher auch immer die Ziele bei
der Entwicklung von verbesserten Resonatoren.
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Ein
Oszillator besteht aus einem verstärkenden Element (allg. Verstärker) und
einem rückkoppelnden Element,
das eine frequenzselektive Mitkopplung ausweist. Letzteres wird
bei frequenzstabilen Oszillatoren mittels eines Resonators und einer
ggf. notwendigen Ankoppelschaltung realisiert.
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Da
die Frequenz unmittelbar proportional zur Zeit ist, werden in der
Elektronik Oszillatoren in Uhren und Steuerungen, wie die von CD-
und DVD-Geräten
sowie in Computern allgemein eingesetzt. Für derartige Einsatzfällen ist
eine best mögliche
Frequenzstabilität
gefordert. Bei den in diesen Einsatzfällen benötigten Oszillatoren spricht
man allgemein von Takt-Oszillatoren.
Nur durch Verbesserung der Frequenzstabilität kann man die Schreib-/Lesegeschwindigkeit
und ggf. die Speicherkapazität
von optischen Datenträgern
(CD, DVD) erhöhen.
Eine schlechte Frequenzstabilität
wird in der Elektronik und der digitalen wie auch optischen Breitbandübertragungstechnik
oftmals als Gittern bezeichnet. Verringert man das Gittern, so lassen
sich größeren Datenmengen übertragen,
ohne dass die so genannten Bitfehlerraten verschlechtert werden.
Genauso ist ein verringertes Gittern notwendig, wenn man die Taktfrequenz
und somit auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Computers
erhöhen
möchte.
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In
der Funkübertragungstechnik
sind mittlerweile sämtliche
Systeme durch sogenannte PLL- Schaltungen in der Frequenzlage und
der „Reinheit" der Signale (dem
Phasenrauschen) stabilisiert. Eine PLL verwendet einen Quarz-Oszillator
und einen Hochfrequenzoszillator, der immer einen HF-Resonator enthält. Das Phasenrauschen
beider Oszillatoren geht in die Gesamtqualität der Schaltung ein. In modernen
HF-Übertragungssystemen
schränkt
nicht mehr das Eigenrauschen der Empfänger sondern das Phasenrauschen
der Oszillatoren die Übertragungsqualität ein.
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Eine
sehr wichtigste Komponente bei allen Systemen der Übertragungs-,
Mess- und Regelungstechnik ist die Filterschaltung, die im Wesentlichen
folgende Aufgaben erfüllt:
- – Bandbegrenzung,
- – Frequenzselektion,
- – Störunterdrückung,
- – Breitbandanpassung
- – und
Widerstandstransformation.
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Für die in
der Hochfrequenztechnik vorliegenden zeit- und wertkontinuierlichen
Signale werden primär analoge,
passive Filter eingesetzt. D.h., diese Signalfilter werden nach
wie vor in Schaltungstechnik realisiert. Die elektrischen Eigenschaften
von Filterschaltungen stehen generell in einer linearen Proportionalität mit den elektrischen
Eigenschaften des gesamten Systems und beeinflussen somit in direkter
Weise wichtige Systemmerkmale wie das Signal/Rausch-Verhältnis, Signaltreuheit
oder die Bitfehlerrate (engl.: Bit Error Rate; kurz BER) bei digitalen
Schaltungen. Seitdem es elektrischen Schaltungen gibt, wird es angestrebt,
die Kunst, Filterschaltungen mit guten Eigenschaften zu entwerfen
und zu realisieren, zu verfeinern. Ein Indiz hierfür ist der Anteil
an Veröffentlichungen über Filterschaltungen
in Fachzeitschriften für
Elektrotechnik.
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In
den letzten Jahren wurde vermehrt versucht, durch teure Verbesserungen
der Elementengüten, nämlich der
Kapazitäten
und Induktivitäten,
die Eigenschaften von Filterschaltungen zu verbessern. Im Zuge solcher
Forschungen sind für
die Massenproduktion keramische Trägermaterialien mit vernachlässigbar
kleinen dielektrischen Verlusten, wie in „Low Temperature Co-fired
Ceramics" (kurz
LTCC), oder Halbleiterherstellungstechnologien für mehrlagige Schaltungen entstanden.
Oft werden auch in diesen modernen Herstellungstechnologien Bandpassfilter
benötigt,
da die meisten Kommunikationssysteme im Frequenzband begrenzt sind.
Zur Realisierung der Bandpassfilter werden auch hier fast ausschließlich Topologien
eingesetzt, die Resonatoren einsetzen. Werden die Güten der
Resonatoren verbessert, so sinken die Transmissionsverluste der Filter.
Eine Verringerung der Transmissionsverluste erlaubt im Sendepfad
die HF-Sendeleistung zu reduzieren und verringert im Empfangspfad
die Rauschzahl. Zusätzlich
weisen Filter mit verringerten Verlusten eine höhere Selektivität auf.
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Deshalb
fanden in den letzten Jahren und Jahrzehnten große Bemühungen in der Realisierung
hoch integrierter und kostengünstigster
Resonatoren bei bester elektrischer Qualität statt. Moderne Kommunikationssysteme
wären ohne
hochselektiven Filter basierend auf SAW- oder BAW-Resonatoren gar nicht
vorstellbar. Mit jedem neuen Standard steigen die Anforderungen
an die Bandpassfilter. Ein typisches Beispiel ist der Vergleich
der Anforderungen der Empfangsfilter für ein GSM-System mit den einem
Duplexers für
UMTS.
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Die
bekannten Resonatortypen setzt man überwiegend in klassischen,
unsymmetrischen TEM Zweileitersystemen ein. Hier ist nur der unsymmetrische
Mode ausbreitungsfähig,
der in engem Verhältnis
zum so genannten Gleichtaktmode eines Dreileitersystems steht. Die
beiden Leiter des Zweileitersystems sind in Signalleiter und Masse
oder Hin- und Rückleiter
aufgeteilt. Das Auftreten weiterer Schwingungsmoden ist in diesem
Fall nicht möglich
und der Resonator arbeitet damit in einem so genannten Mono-Mode-Betrieb. Als
typisches Zweileitersystem in der modernen Hochfrequenzelektronik
ist die Mikrostreifenleitung zu nennen.
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Moderne
Hochfrequenzsystem werden dagegen zunehmend in symmetrischer Leitungstechnik
ausgelegt. Neben einer Verbesserung der Störfestigkeit gegenüber externer
Einstrahlungen lässt
sich hier auch die erzielbare Ausgangsleistung vervielfachen. In
einem rein symmetrischen Zweileitersystem ist alleine der Gegentaktmode
ausbreitungsfähig,
d.h. gegen Masse misst man auf beiden Leitern ein nur im Vorzeichen
verschiedenes Signal.
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In
der Praxis wird aus einem Zweileitersystem in der Regel ein Dreileitersystem,
da fast immer eine Massefläche,
entweder auf der Platine oder aufgrund einer Gehäusewand, berücksichtigt
werden muss. Jetzt können
sich, wie in 2 dargestellt,
zwei verschiedene TEM-Wellen ausbreiten. Gleich- und Gegentaktmode
treten hier gemeinsam auf. In der Praxis der Hochfrequenzelektronik
werden zwei rein massegekoppelte Mikrostreifenleitungen eingesetzt.
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Die
Beschreibung von Mixed-Mode-Systemen (3),
d.h. Systeme in denen mehr als ein Mode ausbreitungsfähig ist,
wird wie bei unsymmetrischen Systemen über eine Verknüpfung der
an den Toren ein- und auslaufenden Wellengrößen durchgeführt.
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Bei
Mono-Mode-Systemen werden diese Verhältnisse in der bekannten Streu-
bzw. S-Matrix festgehalten. Als Äquivalent
für den
Mixed-Mode Fall (kurz MM-Fall) ergibt sich die M-Matrix. Übersichtlich
hat sie die folgende Form:
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Dabei
haben die vier Quadranten jeweils eine Funktion vergleichbar zu
Streuparametern eines unsymmetrischen Zweitors.
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Durch
aufwendige Verbesserungen der Herstellungstechnologie wird versucht,
Schaltungen mit besseren elektrischen Eigenschaften zu realisieren.
Um eine Erhöhung
des Gütefaktors
eines Resonators zu erreichen, wur de bisher eine Verbesserung oder
der Wechsel der zugrunde liegenden Technologie angestrebt. Im letzteren
Trend stehen zum Beispiel die BAW-Filter, die im Vergleich zu den SAW-Filtern
eine gesteigerte Performance in Form der Güteverbesserung und einer höheren Leistungsverträglichkeit
zeigen.
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In
Fragen der konzeptionellen Systemauslegung und Schaltungstechnik
sind deutliche Innovationen ausgeblieben. Eine Verbesserung der
zugrunde liegenden Topologie und Arbeitsweise von Resonatoren wird bisher
gar nicht verfolgt.
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Zwar
gibt es bei der Optimierung der Schaltungstechnik von Oszillatoren
stete Bemühungen
zur Verbesserung. Doch all die bekannten Ansätze verwenden nur klassische
Resonatoren. Mittlerweile ist in der HF-Kommunikationstechnik der Push-Push-Oszillator
(auch differentieller Oszillator, 11)
insbesondere für
integrierte Lösungen
in CMOS als Standard zu betrachten. Obwohl es sich hierbei in der üblichen
Realisierung auf einem Halbleiter eindeutig um ein Mixed-Mode-System
handelt, gibt es keine Analyse dieser Schaltung in Parametern, welche
die Basis für
den in diesem Patent vorgestellten Innovationsschritt bildet.
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Für quasi
transversal elektromagnetische (TEM) Leiter, wie zum Beispiel der
Mikrostreifenleiter, der Koplanarleiter, der Triplateleiter oder
der Koaxialleiter, die Basis der modernen Massenkommunikation darstellen,
existieren einige bekannten Filterschaltungen mit dielektrischen
Resonatoren, LC-Schwingkreisen und SAW- oder BAW-Resonatoren. 13 zeigt ein einfachstes
Filter mit gekoppelten Resonatoren. Es gibt kein bekanntes Filter
für diese
TEM-Leiter, das die Ausbreitung von mehreren Moden innerhalb der
Resonatoren unterstützt.
Konzeptionelle Ansätze
zur Ausbeutung der zwei ausbreitungsfähigen Moden auf solchen Dreileitersystemen
sind in Fachveröffentlichungen
nicht vorgestellt worden.
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Moderne
Gatter der Digitalschaltungen können
fehlerfrei bei Schaltfrequenzen von weit über 6GHz eingesetzt werden.
Um eine zuverlässige
Durchführung
der logischen Funktionen bei hohen Taktraten zu gewährleisten,
ist es bereits Stand der Technik, dass die Gatter von einem so genannten
Clock-Signal getriggert werden. Die Grenzfrequenzen bis zu der dieses
Schaltungen betrieben werden können,
hängt wesentlich
von der Verfügbarkeit
eines „reinen" Clock-Signales ab.
Dieses Clock-Signal wird im Taktgenerator erzeugt. Mit dieser Erfindung
lassen sich mit nur sehr geringen Schaltungsmodifikationen der bekannten
Taktgeneratoren unter Beibehaltung der bisher eingesetzten Schwingquarze
als zentrale Resonatorelemente um Größenordnungen „reine" Taktsignale erzeugen.
Rechnet man das „Gittern" in Phasenrauschen
um, so kann man aus bisher durchgeführten nichtlinearen Oszillator-Simulationen
und Messungen aussagen, dass das Phasenrauschen um 6 dB vermindert
wird. Derartig verbesserte Taktgeneratoren bilden die Grundlage
für eine
weitere Performance- Steigerung der Computer sowohl innerhalb des
Mikroprozessors wie auch für
die Datenübertragungsraten über den
internen Bussen zu der weiteren Peripherie. Auch diese lässt sich
mit diesem Konzept verbessern:
- – Die Zugriffszeiten
von Festplatten und CD/DVD-Geräten
lassen sich verringern.
- – Die
Speicherkapazität
von Festplatten und CD/DVD-Geräten
lassen vergrößern.
- – Grafikkarten
lassen sich höher
takten.
- – Der
Stromverbrauch aller CMOS-Schaltungen und somit des gesamten Computers
lässt sich
bei hohen Taktraten merklich reduzieren.
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Einen
wesentlichen Teil der Breitbandkommunikation für große Datenmengen wird durch die
Glasfasertechnik abgedeckt. Bei dieser Technik die mittlerweile
Datenraten weit im zweistelligen GBit-Bereich über eine Faser überträgt, ist
die Beschränkung
in der Fertigung der elektronischen Ein- und Auskoppelschaltungen.
Auch diese Datenraten lassen sich merklich erhöhen, wenn präzisere Taktgeneratoren
verfügbar
sind.
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In
allen Funkübertragungssystemen
der Hochfrequenztechnik, die auf eine effektive Ausnutzung begrenzter
Frequenzbänder
angewiesen sind, ist es höchst
interessant, verbesserte Resonatorsysteme zur Filterung und Signalerzeugung
einzusetzen.
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Eine
weitere Steigerung von Parametern wie Phasenrauschen und Flankensteilheit
der Sendekomponenten bedeuten für
sämtliche
bekannten Übertragungsstandards
eine höhere
Selektivität
und bietet somit die Option über
weitere Strecken zu übertragen
oder die Sendeleistungen zu reduzieren. Die bisherigen Ergebnisse
erlauben die Schätzung,
dass bei gleichbleibender Übertragungsqualität die Sendeleistung
auf weniger als ein Viertel der bishe rigen Leistung gesenkt werden
kann. Somit ließen
sich einerseits die Betriebszeit von mobilen Geräten um rund den Faktor 4 verlängern und
andererseits wird die Hochfrequenz-Strahlungsbelastung der Umwelt
um den gleichen Faktor 4 gesenkt.
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Das
vorgestellte Konzept ermöglicht
diese deutliche Verbesserung der Systemleistung bei minimalem Aufwand.
Durch eine sehr geringe Änderung
der bestehenden Topologie lässt
sich ein in weitem beliebiger Resonator mehrfach in verschiedenen
Schwingungsmoden ausnutzten. Dabei wird das System jeweils einmal
im Gegentakt und Gleichtakt durchlaufen. Die Güte der so optimierten Resonatoren
verbessert sich um den Faktor 2. Für den Einsatz in Oszillatoren
und VCOs bedeutet dies eine Verbesserung des Phasenrauschens um 6
dB im Vergleich zu herkömmlichen
differentiellen Systemen. Neuartige Multimode-Filter für TEM Leiter
basierend auf vorliegender Erfindung würden den Aufbau von einer neuen
Generation von Filtern ermöglichen, die
nach den jetzigen Erkenntnissen der Patentanmelder bei einer sehr
geringen Mehraufwand
- – steilere Flanken aufweisen,
- – die
Transmissionsdämpfung
um ca. 30 % reduzieren,
- – oder
zusätzliche
Nullstellen in Transmissionspfad erzeugen.
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Der
Gedanke, ein Resonatorsystem über
den Grundmode hinaus zu nutzten, kann von einem Dual-Mode-System
ausgehend beliebig erweitert werden. Allgemein könnte bei Verfügbarkeit
von geeigneten Modekonvertern und Koppelgliedern ein n-Mode-System
realisiert werden. Bereits mit einem Vierdrahtleitersystem ließe sich
die Anzahl der Moden schon auf 4 verdoppeln, was wahrscheinlich
dazu führen
wird, dass sich das Phasenrauschen nochmals um 6 dB verbessern lässt.
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Auch
Systeme, die sich ähnlich
einem Resonator verhalten, können
von einem Multi-Mode- Betrieb profitieren. So ist die Nutzung des
Konzeptes auch für
eine Antenne denkbar, die sich bei Sendefrequenz ebenfalls in Resonanz
befindet. Da die Antennenstruktur nunmehr zweimalig durchlaufen
wird (wie im Weiteren noch gezeigt wird), kann sie zweimalig abstrahlen
und ist von daher zumindest besser angepasst. Folglich transmittiert
die Antenne mehr Energie in den Freiraum. Selbstreden wird die Strahlungscharakteristik
der Antenne durch den MM-Betrieb beeinflusst. Hierdurch ergäben sich
neue Freiheitsgrade für
die Entwicklung von schwenkbaren Antennen wie auch von umpolarisierbaren
Antennen.
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Bei
der Realisierung von digitalen Filtern greift man gerne auf klassische
Filtersynthese für
die Herstellung von passiven Filtern zurück. Der Grund liegt darin,
dass diese Entwürfe
immer stabil sind. Die neuen vorliegend vorgestellten Verfahren
zur verbesserten Realisierung von Resonatoren, liefern verbesserte
Selektionseigenschaften ohne Anhebung der Anzahl der Resonatoren.
Folglich lassen diese sich auch für verbesserte digitale Filter
einsetzen.
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Es
wurde ein neues Konzept zur Realisierung eines Resonatorsystems
entwickelt, in dem die beiden Schwingungsmoden Gleich- und Gegentakt
gemeinsam für
eine Steigerung der Performance ausgenutzt werden.
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Die
Grundkonzeption des Dual-Mode-Resonatorsystems für den Einsatz als Reflexionsschaltung
ist in 4 dargestellt. 5 zeigt
das neue Resonatorsystem für
den Transmissionseinsatz. Im Folgenden werden zunächst die
Systemelemente im Einzelnen beschrieben. Danach wird die Anwendung
für Oszillatoren und
Filter beschrieben.
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Das
allgemeine System gliedert sich in die drei Blöcke Koppelnetzwerk, Resonator
und Modekonverter.
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Das
Koppelnetzwerk 41 bzw. 51 ist die Verbindung zwischen
einem Zwei- oder Dreileitersystem mit dem Dreileitersystem des Dual-Mode-Resonator. Im einfachsten
Fall kann man zwei Dreileitersystem durch die direkte Verbindung „hart" ankoppeln. In diesem
Fall wird zwar kein Bauteil zur Realisierung des Koppelnetzwerkes
benötigt,
aber die darauf folgende Schaltung muss die Mode-Blocker- Funktion
aufweisen. Über das
Koppelnetzwerk wird Energie in das innere Resonatorsystem (bestehend
aus Resonator 42, 52 und Modekonverter 43, 53)
ein- bzw. ausgekoppelt. Der Grad der Ankopplung ist über Art
und Auslegung des Netzwerkes bestimmbar. In der Regel ist eine schwache
Ankopplung, beispielsweise über
einen kapazitiven Spannungsteiler, vorteilhaft, bei welcher der
eigentliche Resonator nicht zu stark belastet wird. In der Praxis
nutzt man das Koppelnetzwerk dazu, eine Impedanztransformation durchzuführen. Basiert
der Resonator auf ein Parallelschwingkreis, so transformiert man
die Impedanz hoch. Handelt es sich hingegen beim Resonator um einen
Serienschwingkreis, dann transformiert man die Impedanz auf einen
niederohmigen Wert. Diese Maßnahme
erlaubt eine größere Selektivität.
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Für die Erzielung
der Systemperformance ist eine Mode-Selektion durch das Koppelnetzwerk
erforderlich. So ist es möglicht,
dass nur ein Mode in das Resonatorsystem eingekoppelt werden kann
und auch nur dieser Mode es wieder verlässt. Intern kann dann über eine
zweifache Modekonversion das Resonatorsystem wiederholt durchlaufen
werden.
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Es
kann eine Mode-Blocker Struktur gewählt werden, die zum Beispiel
einen Gegentakt in gewünschtem
Maße koppelt,
den Gleichtakt aber reflektiert. Diese Eigenschaften würden z.B.
von einem Transformator erfüllt.
Alternativ können
auch gegen Masse geschaltete Resonanzkreise eingesetzt werden, welche
die Funktionalität
der Impedanztransformation und des Mode-Blockers erfüllen. Ein
Beispiel ist in der 9 ersichtlich, auf das in der
folgenden Sektion eingegangen wird.
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Für den umgekehrten
Fall, dass eine Transmission des Gleichtaktes in das Resonatorsystem
gewünscht
ist, der Gegentakt jedoch geblockt werden soll, kann das Koppelnetzwerk
auch nur einen gemeinsamen Anschluss für beide Pfade haben. Für ein Gegentaktsignal
stellt dieser Kurzschluss eine Blocking-Struktur dar. Es wird vollständig reflektiert.
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Diese
Gleichtaktankopplung ist vorteilhaft für unsymmetrische Schaltungen,
in denen ein „klassischer" Resonator ersetzt
werden soll. Wurde der „klassische" Resonator für den Transmissionsfall über jeweils
ein SMD- Bauteil
(Spule oder Kondensator) ein- und ausgekoppelt, so benötigt man
beim Dual-Mode-Resonator nunmehr jeweils zwei gleiche SMD-Bauelemente. Wurde
der „klassische" Resonator für hingegen
den Reflexionsfall über
ein SMD-Bauteil (Spule oder Kondensator) ein- und ausgekoppelt,
so benötigt
man beim Dual-Mode-Resonator nunmehr zwei gleiche SMD-Bauelemente.
Beispiele für
diesen Fall sind in den 11 und 14 dargestellt,
auf die im Weiteren noch eingegangen wird.
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Der
eingesetzte Resonator 42 bzw. 52 ist unabhängig von
der Technologie und es lassen sich grundsätzlich alle bekannten Realisierungsformen
einsetzten, die bisher auch in elektrischen Schaltungen eingesetzt
und über
Mono-Mode TEM- oder Quasi-TEM-Leitungen betrieben wurden. Der Aufbau
muss aber gewährleisten,
dass die frequenzselektive Wirkungsweise für beide erwünschten Moden gegeben ist.
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In
den Ersatzbildern wird im Folgenden einheitlich ein LC-Resonator
benutzt, kann aber nach obiger Bedingung verallgemeinert werden.
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An
dem Modekonverter 43 bzw. 53 findet eine Reflexion
der Gleich- und
Gegentaktwelle und Konvertierung der Moden statt. Eine einfallende
Gleichtaktwelle wird in eine Gegentaktwelle überführt, und umgekehrt. Dabei wirkt
die Konversion bei den im Folgenden vorgestellten Konvertern auf
den reflektierten Anteil der Welle, indem unterschiedliche Reflexionsfaktoren
für die
beiden Pfade realisiert werden. Modekonverterkonzepte mit kleiner
Transmission können
für Auskopplungen
sehr sinnvoll sein.
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Die
Erfindung geht hierbei von der Grunderkenntnis aus, dass durch eine
Modekonversion bei einem ein Mehrleitersystem umfassenden Schwingkreissystems
ein Resonator dieses Systems mehrfach genutzt und auf diese Weise
die belastete Güte
des Schwingkreises erheblich erhöht
werden kann. Diese Anordnung entspricht demnach dem nicht realisierbaren
Versuch, zwei oder mehr Resonatoren unmittelbar zu koppeln, um die
belastete Güte
zu verbessern, was in der Realität
zu keinen befriedigenden Ergebnissen führen kann, da hierzu völlig identische
Resonatoren benötigt
würden.
Durch die Bereitstellung und Ausnutzung mehrere Moden kann so ein
und derselbe Resonator mehrfach genutzt werden.
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Beispielhaft
werden die nachfolgenden Realisierungsformen dargelegt.
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Full-Reflection-Mode-Converter
(FRC) (6): Hier wird die gesamte einfallende Welle reflektiert und
dabei in den komplementären
Mode überführt. Der
Zusammenhang zwischen Gleich- und Gegentaktmode ist in einem Phasenunterschied
von 180° für einen
Pfad gegeben. Die Einlaufende Welle wird am Leerlauf des oberen
Pfades mit einem Faktor von 1 = r reflektiert und am Kurzschluss
des unteren Pfades mit 1 – =
r reflektiert, womit die Phasenbedingung für Modekonversion erfüllt ist.
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Partial-Reflection-Mode-Converter
(PRC) (7): Die einfallende Welle wird teilweise reflektiert
und dabei konvertiert, teilweise ohne Konversion transmittiert.
Das gewünschte
Verhältnis
zwischen Reflexion und Transmission ist wählbar. In der Praxis sind starke
Reflexions- und ge ringe Transmissionswerte sinnvoll, da diese das
innere Resonatorsystem am wenigsten belasten. Basierend auf dem
Prinzip des FRCs wird hier ein nur fast idealer Leerlauf und ein
fast idealer Kurzschluss verwendet. Für den Leerlauf könnte dies
eine sehr kleine Serienkapazität
oder eine sehr große
Serieninduktivität
darstellen. Der fast ideale Kurzschluss könnte eine geringe Shuntindiktivität oder eine
große
Shuntkapazität
sein. Nach der Leitungstheorie teilt sich die Welle bei diesem Impedanzsprung
auf der Leitung in einen Reflexionsteil und einen Transmissionsteil
auf. Die Reflexionsfaktoren liegen nahe bei 1 = r bzw. 1 – = r, sind
aber aufgrund der Nichtidealität
der Abschlüsse
davon leicht verschieden. Durch diesen von eins abweichenden Anteil,
der dem Transmissionsfaktor der Komponente darstellt, wird die einfallende
Welle in entsprechendem Maße
in ihrem ursprünglichen
Mode durchgelassen.
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Resonance-Reflection-Mode-Converter
(RRC) (8): Auch dieser Modekonverter baut auf dem Prinzip
des FRCs auf. Abweichend wird hier der ideale Leerlauf durch einen
Parallelresonanzkreis und der ideale Kurzschluss durch einen Serienresonanzkreis
ersetzt. Somit sind ideale Konversionsbedingungen nur exakt bei
Resonanzfrequenz gegeben, insgesamt entsteht ein breitbandigeres
Konversionsergebnis. Nachteilig an der in der abgebildeten RRC-Version
ist, dass beide Resonatoren die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen müssen und
noch weitere Resonanzen auftreten können. Wichtige Sonderformen
dieses RRC sind die reduzierten Aufbauten mit nur einem Resonator
und einem Kurzschluss bzw. Leerlauf. Setzt man für 82 einen Kurzschluss
ein, so kann man den verbleibenden Modekonver ter auch als Einzelresonator
und FRC betrachten. Folglich kann ein Dual-Mode-Resonatorsystem auch alleinig aus
einem Koppelnetzwerk und einem RRC bestehen.
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Im
Folgenden sollen einige Beispiele für Dual-Mode-Resonatorsysteme vorgestellt werden.
Jedoch lassen sich aufgrund der
- – möglichen
Gleich- oder Gegentaktankopplung,
- – den
möglichen
Einsatz von Serien- und Parallelschwingkreise als Resonatoren,
- – den
möglichen
Modekonvertern
- – und
einer sehr großen
Anzahl an Realisierungsformen für
ein Koppelnetzwerk
bei weiten nicht alle Möglichkeiten
detailliert auflisten.
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Ein
Beispiel für
Resonatorsysteme für
den Reflexionseinsatz mit Gegentakteinspeisung ist in der 9 ersichtlich.
In der linken Bildhälfte
(a) wird ein „klassischer" symmetrischer Reflexions-Resonator über die
beiden Koppelkondensatoren 92 angekoppelt. Auch in diesem
Fall sorgen diese kleinen Kondensatoren für eine Impedanztransformation
bzw. schwache Ankopplung und letztlich für ein verbesserte Selektivität. Im rechten
Teil der 9 wird der gleiche innere Resonator
(hier 96) wie im linken Teil eingesetzt. Auch die Ankoppelkondensatoren 97 unterscheiden
sich nunmehr im Wert nicht von denen in 92. Neu ist einerseits
der Modekonverter (FRC) bestehend aus einem Kurzschluss 94 und
einem Leerlauf 95. Wie zuvor erwähnt, kann dieser in Einheit
mit dem Resonator auch als RRC aufge fasst werden. Weiterhin ist
zur Realisierung des Resonatorsystems eine Modeblockerstruktur notwendig.
In diesem Beispiel wurde der Gleichtakt-Modeblocker durch das Netzwerk 98 verwirklicht.
Bei der Resonanzfrequenz bilden die beiden zugehörigen Spulen mit dem gegen
Masse geschalteten Kondensator für
das Gleichtaktsignal einen Kurzschluss. Für das Gegentaktsignal sind
hingegen nur die Spulen wirksam. Diese bilden mit den Kondensatoren 97 ggf.
eine Impedanztransformation.
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Ein
sehr einfaches Beispiel für
Resonatorsysteme für
den Reflexionseinsatz mit Gleichtakteinspeisung ist in der 10 illustriert.
In der linken Bildhälfte
(a) wird wiederum ein „klassischer" unsymmetrischer
Reflexions-Resonator mit dem inneren Resonatorelement 101 über den
Koppelkondensator 102 angekoppelt. Auch in diesem Fall
sorgt dieser kleine Kondensator für eine Impedanztransformation
bzw. schwache Ankopplung und letztlich für ein verbesserte Selektivität. Im rechten
Teil der 10 wird der gleiche innere Resonator
(hier 103) wie im linken Teil eingesetzt. Auch die Ankoppelkondensatoren 104 müssen sich
nicht von dem 102 im Wert unterscheiden. Neu ist einerseits
der Modekonverter (FRC) bestehend aus einem Kurzschluss und einem Leerlauf.
Wie zuvor erwähnt,
kann in diesem Fall der notwendige Modeblocker einfach aus der Zusammenschaltung
der beiden Kondensatoren 104 erfolgen. So wird im Vergleich
zur vorherigen Schaltung lediglich ein zusätzliches Koppelelement benötigt.
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Ähnlich einfach
wie zuvor lässt
sich aus einem bekannten Resonator für den Transmissionseinsatz
gemäß 14 ein
Dual-Mode- Resonatorsystem
erstellen. Die Umsetzung erfolgt in kompletter Analogie zu dem zuvor
eingeführten.
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Eine
besonders beliebte Realisierungsform eines einstellbaren Oszillators
in integrierter Schaltungstechnik (Halbleitertechnik) ist die des
in 11 dargestellten differentiellen VCOs.
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Der übliche Syntheseansatz
für die
Entwicklung eines differentiellen VCOs ist das Prinzip des „negativen
Eingangswiderstands".
Der durch die Induktivitäten 111 und 112 sowie
der veränderbaren
Kapazität 113 gegebene
Resonator wird in dieser Anordnung entdämpft. Im Ersatzbild wird aufgrund
der charakteristischen Kennlinie der Transistoren 114 im
Arbeitsbereich dem verlustbehafteten Schwingkreis ein negativer
Widerstand parallelgeschaltet, der die Verluste kompensiert.
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Durch
die differentielle Anordnung ist es möglich, dass der maximale Spannungshub
im Resonator die Versorgungsspannung übersteigt. Je höher dieser
Maximalpegel ausfällt,
desto besser ist die zu erwartende Rauschperformance des Oszillators.
Diese Eigenschaft wirkt sich also direkt in einer Verbesserung des
Phasenrauschens aus. Hier liegen auch die Gründe für die Popularität dieses
Konzeptes. Aus der Sicht eines Hochfrequenztechnikers ist Impedanztransformation,
die in der vereinfachten 11 nicht
dargestellt ist, der Grund für
die Spannungserhöhung
und die damit verbundene bessere Selektivität.
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Mit
einer Multi-Mode Betrachtungsweise und dem Einsatz des Dual-Mode-Resonatorsystems
lässt sich
ein weiteres Systemverständnis
anwenden. In 12 ist ein Blockschaltbild des
Dual-Mode-Oszillators dargestellt.
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Der
Push-Push-Verstärker
in differentieller Kreuzstruktur kann als ein Gegentakt-Reflexionsverstärker interpretiert
werden. Die Transistoren befinden sich beide in einer Emitter-Schaltung.
Ein auf einem Pfad in die Basis einlaufendes Signal wird mit einer
Phasenverschiebung von 180° verstärkt und über die
gekreuzten Kollektoren auf den jeweils anderen Pfad zurückgegeben.
Es findet also eine Reflexion des Gegentaktes mit einem Reflexionsfaktor
von M – / 22 = –α statt, wobei α der eingestellten
Verstärkung
der Transistoren entspricht.
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Ein
Ablauf der Schwingbedingung gliedert sich in folgende Schritte:
Die
verstärkte
Gegentaktwelle wird durch das Koppelnetzwerk mit dem integrierten
Gleichtaktblocker ohne Beeinflussung in das Resonatorsystem gekoppelt
und durchläuft
den Resonator. Nach der anschließenden Reflexion und Modekonversion
in den Gleichtakt wird das innere Resonatorelement ein zweites Mal
transmittert. Im Anschluss sorgt die Mode-Blockerstruktur mit einem
Gleichtakt-Reflexionsfaktor von M – / 11 = –1 für einen weiteren Durchlauf
des Resonatorsystems. Die Welle durchläuft den Resonator erneut, wird
an dem Reflexions-Modekonverter zurück in den Gegentakt konvertiert
erneut durch das Resonatorelement gefiltert und verlässt erst
jetzt das Dual-Mode-Resonatorsystem und wird wieder als Gegentaktsignal
verstärkt.
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Mit
der Verwendung des Dual-Mode-Resonatorsystems lässt sich das Phasenrauschen
um weitere 6 dB vermindern. Dieses wurde durch Simulationen und
Messungen verifiziert. Das Signal dieses VCO's kann schlussendlich als Gegentaktsignal
an 121 oder hinter einem optionalen Balun als unsymmetrisches
Signal an 122 ausgekoppelt werden.
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Nur
wenn man den primitivsten differentiellen VCO gemäß 11 realisiert,
weist diese Mono-Mode-Lösung
weniger Bauelemente als der Dual-Mode-VCO auf. Oft verwendet man
bereits jetzt für
die Mono-Mode-Lösung eine
Impedanztransformation, wie sie auch in der 12 dargestellt
ist. Die Imnpedanztransformation verringert wie bereits erwähnt das
Phasenrauschen merklich. In diesem Fall wird auch eine DC-Einspeisung
für die
Spannungsversorgung des Transistors benötigt, die von der Topologie
genauso aussieht wie der Modeblocker in der 12. Schlussendlich
unterscheiden sich die Schaltungen lediglich um den für den Modekonverter
notwendigen Kurzschluss. D.h., dass der Bauelementeaufwand gleich
ist.
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Ein
sehr einfacher Oszillator lässt
sich dadurch realisieren, in dem man einen Transistorverstärker über ein
frequenzselektives Netzwerk wie in der linken Hälfte der 14 dargestellt
ist, zurückkoppelt.
Im Hochfrequenzfall weisen sowohl die Transistorschaltung wie auch
das Rückkoppelnetzwerk
rund 180° Phasendrehung
bei der Resonanzfrequenz auf. So hat man neben der Amplitudenfilterung
zusätzlich
eine frequenzselektive Pha senbedingung, die beide das Phasenrauschen
reduzieren. Dieses Konzept lässt
sich mit dem Dual-Mode-Resonator dadurch verwenden, indem einfach
die im rechten Teil b) der 14 dargestellte Dual-Mode-Resonatorschaltung
statt der aus dem Teil a) einsetzt. Diese Schaltung weist sowohl
einen steileren Phasengang als auch eine um Faktor 2 schmaleres
Fenster für
die 3dB-Eckfrequenzen auf, was beides zu einer deutlichen Verringerung
des Phasenrauschen führt.
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Ein
sehr verbreitetes Konzept zur Realisierung von kompakten und gleichzeitig
effektiven Filterschaltungen mit Bandpass-Eigenschaften ist durch
das Koppeln von Resonanzschwingkreisen. Es genügt bereits die Verkopplung
von zwei Resonatoren durch ein i.d.R. hochohmige reaktives Bauelement
(Spule oder Kondensator). Es etwas erweitertes gekoppeltes Resonatorfilter
ist in der 13 dargestellt. Durch den Einsatz von
den Koppelelementen 132 am Eingang und 134 am
Ausgang lässt
sich die Steilheit der Flanken vom Durchlassbereich weiter verbessern.
Das Funktionsprinzip dieser Filterschaltung ist unabhängig von
Art der eingesetzten Resonatoren und Kopplungen. Es können sowohl
beliebige Resonatoren als auch Koppelelemente eingesetzt werden.
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13 stellt
beispielhaft den einfachen Fall von zwei LC-Resonatoren, die kapazitiv gekoppelt
sind, dar. Weiterhin sind der Eingang und der Ausgang auch kapazitiv
gekoppelt. Solche Filterschaltungen haben prinzipiell an zwei eng
beieinander liegenden Frequenzpunkten Anpassung. Die Bandbreite
wird durch die Kopplung zwischen den Resonatoren einge stellt. Die
Flankensteilheit wird durch die Werte der Resonatorelemente und
die Eingangs- und Ausgangskopplungen geprägt.
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In
Analogie zu der Transmissions-VCO-Schaltung lassen sich auch hier
die Resonatoren durch die neuen Dual-Mode-Resonatoren gemäss 14 ersetzen.
Ein Dual-Mode-Filter nach dem gleichen Prinzip, wie es in der 13 illustriert
ist, ist in der 15 abgebildet. Das System besteht
aus
- – vier
Koppelnetzwerken,
- – und
zwei FRCs.
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Die
vier Koppelnetzwerke stehen jeweils vor und nach Resonator jedem
FRC und stellen sowohl die Kopplung zwischen den Resonatoren als
auch die Ein- und Auskopplungen dar. Eine weitere Funktion der Koppelnetzwerke
ist das Blocken des Gegentaktsignals.
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Die
Funktionsweise der Dual-Mode Filterschaltung lässt sich signaltheoretisch über eine
Multi-Mode Darstellung gemäß das Blockschaltbild
5 erläutern:
Das System besteht aus zwei identisch aufgebauten Abschnitten, jeweils
mit einem FRC zwischen einem Eingang- und einem Ausgangskoppelnetzwerk.
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Das
einlaufende unsymmetrische bzw. Gleichtakt-Signal wird über das
Eingangskoppelnetzwerk zu dem ersten FRC geleitet. An dieser Stelle
wird das Gleichtakt-Signal in ein Gegentakt-Signal verwandelt. Das Gegentaktsignal
wird an den Koppelnetzwerken mit M – / 11 = –1 reflektiert und kehrt zu
dem FRC zurück.
Es entsteht nun mehr ein Gleichtaktsignal, das über das Ausgangskoppelnetzwerk
des ersten Abschnitts zu dem Eingangskoppelnetzwerk des zweiten
Abschnitts der Schaltung gelangen kann. Auf gleicher Weise wie beim
ersten Abschnitt wird der zweite FRC vom Signal zweifach durchlaufen,
bevor das eingespeiste Gleichtakt-Signal wieder als ein Gleichtakt-Signal
am Ausgang des letzten Koppelnetzwerks zur Verfügung steht.
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Durch
diesen Dual-Mode-Betrieb werden die Resonatoren jeweils zweifach
eingesetzt. Ihre Filtereigenschaften werden hierdurch merklich erhöht. Diese
Verbesserung in der System-Performance kann dazu eingesetzt werden,
um die Flanken steiler zu gestalten oder bei gleich bleibender Flankensteilheit,
die Transmissionsdämpfung
um ca. 30 % zu reduzieren.
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Steilere
Flanken erhöhen
die Bandbreitenausbeute und verbessern die Signal-Selektivität. Niedrigere Transmissionsdämpfung von
Filtern führt
in Frontend-Schaltungen zu verbesserten Signal-Rauch-Verhältnissen.
Hierdurch kann das empfangene Signal deutlicher erkannt und verarbeitet
werden, was bei analogen Systemen zu einer Erhöhung der Reichweite oder alternativ
zu einer Reduzierung der Leistungssaufnahme führen kann. Bei digitalen Systemen
führt diese
verbesserte Filterleistung zu einer Minimierung der BER.