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Eine
elektrische Schaltung mit differentiellen Signalpfaden ist aus der
Druckschrift
EP 1 345
323 A1 bekannt.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, eine Schaltung mit einem differentiellen
Signalpfad anzugeben, die nur geringe Phasenfehler aufweist.
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Es
wird eine elektrische Schaltung mit einem für eine Datenübertragung
in einem Frequenzbereich ausgelegten ersten Signalpfad angegeben,
der differentielle Teilpfade aufweist. Im ersten Signalpfad ist eine
Anpassschaltung angeordnet, die Gleichtaktsignale in einem Sperrbereich,
also außerhalb
des Durchlassbereiches dieses Signalpfads unterdrückt.
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Mit
der angegebenen Schaltung kann ein Gleichtaktsignal in einem Frequenzbereich
beeinflusst werden, in dem dies ein dominanter Signalanteil ist.
Die differentiellen Signalanteile eines Nutzsignals, das im Durchlassbereich
des ersten Signalpfades übertragen
wird, werden dabei vorzugsweise im Wesentlichen nicht beeinflusst.
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Der
erste Signalpfad ist für
die Datenübertragung
in einem ersten Frequenzbereich ausgelegt. Die elektrische Schaltung
umfasst vorzugsweise einen zweiten Signalpfad, der für die Datenübertragung
in einem zweiten Frequenzbereich ausgelegt ist. Die Anpassschaltung
unterdrückt
vorzugsweise Gleichtaktsignale im zweiten Frequenzbereich.
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Der
erste Signalpfad ist vorzugsweise ein Empfangspfad und der zweite
Signalpfad ein Sendepfad.
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Die
Schaltung umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Antennenschaltung
und eine Transceiverschaltung, die jeweils mittels Abschnitten des
ersten und des zweiten Signalpfads elektrisch miteinander verbunden
sind. Die Anpassschaltung ist vorzugsweise zwischen einem Empfangsausgang der
Antennenschaltung und einem Empfangseingang der Transceiverschaltung
angeordnet. Die Anpassschaltung sorgt für Unterdrückung des Gleichtaktsignals
am empfindlichen Empfangseingang der Transceiverschaltung im Sperrbereich
des Empfangspfades.
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Die
angegebene Schaltung ist insbesondere zur Bearbeitung von Mobilfunksignalen
oder anderen Funksignalen wie z. B. Multimedia-Signalen geeignet und
kann in einem Mobiltelefon eingesetzt werden. Die Schaltung ist
vorzugsweise für
mehrere Übertragungssysteme
ausgelegt. Jedem Übertragungssystem
ist ein Empfangspfad und ein Sendepfad zugeordnet. Es können aber
auch mehrere Übertragungssysteme
einen gemeinsamen Sendepfad verwenden. Im jeweiligen Empfangspfad
kann das Gleichtaktsignal durch die in diesem Pfad angeordnete Anpassschaltung
bei der Sendefrequenz desselben Übertragungssystems
oder eines anderen Übertragungssystems
unterdrückt
werden.
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Unter
einer Transceiverschaltung versteht man eine Sendeempfangsschaltung,
die mindestens einen Sender und mindestens einen Empfänger umfasst.
Ein Funkband umfasst vorzugsweise ein Sendeband und ein Empfangsband,
das vorzugsweise mit dem Sendeband nicht überlappt, aber frequenzmäßig in der
Nähe des
Sendebands liegt. Pro Funkband ist vorzugsweise ein eigener Sendepfad
und Empfangspfad vorgesehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Anpassschaltung mindestens einen Querzweig, der die
differentiellen Teilpfade miteinander verbindet. Der Querzweig umfasst
mindestens einen Serienschwingkreis gegen Masse, dessen Resonanzfrequenz
im Sperrbereich des ersten Signalpfades liegt.
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Der
Querzweig umfasst vorzugsweise eine Serienschaltung von zwei Induktivitäten und
eine gegen Masse geschaltete Kapazität, die an einen zwischen den
Induktivitäten
angeordneten elektrischen Knoten angeschlossen ist. Die im Querzweig
angeordneten Induktivitäten
weisen vorzugsweise den gleichen Induktivitätswert auf.
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Die
Transceiverschaltung umfasst eine Sendeschaltung und eine Empfangsschaltung,
die vorzugsweise monolithisch in einem gemeinsamen Transceiver-Chip
integriert sind. Der Transceiver-Chip
stellt eine integrierte Schaltung (integrated circuit, IC) dar,
d. h. ein kompaktes Bauteil mit elektrischen Anschlüssen, die
vorzugsweise auf seiner Unterseite angeordnet sind. Die Antennenschaltung,
die manchmal auch als Frontendschaltung bezeichnet wird, steht vorzugsweise
auch als ein kompaktes Bauteil mit elektrischen Außenanschlüssen zur
Verfügung.
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Die
angegebene Schaltung wird vorzugsweise in einem Bauelement mit einem
Trägersubstrat und
einem fest mit diesem verbundenen Transceiver-Chip realisiert. Der
Chip mit der Antennenschaltung ist vorzugsweise auch auf dem Trägersubstrat montiert.
Die Anpassschaltung ist vorzugsweise zumindest teilweise im Trägersubstrat
realisiert.
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Als
Trägersubstrat
ist insbesondere ein Mehrlagensubstrat geeignet, das Metallisierungsebenen
und zwischen diesen ange ordnete dielektrische Schichten umfasst.
Die dielektrischen Schichten können
z. B. Keramik oder ein organisches Material umfassen. Induktivitäten und
Kapazitäten,
insbesondere die Impedanzelemente der Anpassschaltung, können in
den Metallisierungsebenen des Trägersubstrats
mittels lang gestreckten, ggf. gefalteten oder spiralförmigen Leiterbahnen
und einander gegenüber
liegenden Leiterflächen
realisiert werden.
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Mindestens
ein Teil der Antennenschaltung kann im Trägersubstrat realisiert sein.
Mindestens ein Teil der Antennenschaltung kann in einem Chip realisiert
sein, der auf dem Trägersubstrat
befestigt ist.
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Die
Antennenschaltung kann einen Schalter umfassen, der zum Umschalten
zwischen dem ersten und zweiten Signalpfad vorgesehen ist.
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Die
Antennenschaltung kann außerdem
Filter, insbesondere mindestens einen Tiefpass, mindestens einen
Hochpass, mindestens einen Bandpass und mindestens eine Bandsperre
umfassen. Diese Filter sind in den Signalpfaden der Schaltung angeordnet.
Die Tiefpässe,
Hochpässe
und Bandsperren lassen sich beispielsweise im Trägersubstrat integrieren. Eine
Bandsperre, wie auch ein Bandpass, kann auch mit akustischen Wellen
arbeitende Resonatoren umfassen. Solche Filter sind vorzugsweise
in einem Chip ausgebildet, der auf dem Trägersubstrat befestigt ist.
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In
jedem Signalpfad (Sendepfad, Empfangspfad) ist vorzugsweise mindestens
ein Filter angeordnet. Zwei Filter können eine Frequenzweiche, insbesondere
einen Duplexer oder einen Diplexer bilden. Die Frequenzweiche kann
im Prinzip den Schalter ersetzen. Sie kann aber auch zwischen der
Antenne und dem Schalter angeordnet sein. Möglich ist aber auch, dass der
Schalter zwischen der Antenne und der Frequenzweiche angeordnet
ist.
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Alle
auf dem Trägersubstrat
angeordneten Chips sind vorzugsweise elektrisch mit diesem verbunden.
Die Filter und der Schalter können
in separaten Chips oder in einem gemeinsamen Chip ausgebildet sein.
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Die
Transceiverschaltung umfasst vorzugsweise einen Vorverstärker, der
im Empfangspfad angeordnet ist. Die Transceiverschaltung kann im
Prinzip auch einen Leistungsverstärker umfassen, der im Empfangspfad
angeordnet ist. Der Leistungsverstärker kann aber auch zwischen
der Transceiverschaltung und der Antennenschaltung angeordnet sein. Falls
die angegebene Schaltung für
mehrere Übertragungssysteme
ausgelegt ist, können
mehrere Leistungsverstärker
in einer Verstärkerschaltung
angeordnet sein, die als eine integrierte Schaltung (Verstärker-IC)
verfügbar
ist.
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Die
bei der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises auftretenden Signale
werden gegen Masse leitet, d. h. es wird ein HF-Kurzschluss gegen Masse
erzeugt. Somit kann im Empfangspfad insbesondere bei einer Sendefrequenz
ein Gleichtaktanteil eines elektrischen Signals unterdrückt werden,
wohingegen der differentielle Signalanteil durch die Anpassschaltung
im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Im Empfangspfad eines Funkbands
kann der Sender dieses Funkbands oder eines anderen Funkbands unterdrückt werden.
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Ein
in einem Empfangspfad zu unterdrückendes
Lecksignal, das infolge des Übersprechens aus
dem Sendepfad der angegebenen Schaltung herrührt, ist hauptsächlich ein
Gleichtaktsignal, da am Ausgang der in der Antennenschaltung integrierten
Empfangsfilter außerhalb
des Empfangsbereichs, insbesondere im Frequenzbereich des zu unterdrückenden
Sendesignals, ein Gleichtaktsignal dominiert. Mit der angegebenen
Schaltung gelingt es, im Empfangspfad Phasenfehler bei Sendefrequenzen
zu verringern. Es gelingt dabei, die Leistung des Lecksignals am
Empfangseingang einer Transceiver-IC zu verringern. Der Gleichtaktanteil
des Lecksignals kann im Empfangspfad im Sendebetrieb verringert
werden, ohne dass das Nutzsignal im Empfangsbetrieb gestört wird.
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Im
Folgenden wird die angegebene Schaltung anhand von schematischen
und nicht maßstabgetreuen
Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Schaltung mit einem Transceiver, einer Antennenschaltung und dazwischen
angeordneten Anpassschaltungen;
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2 eine
beispielhafte Anpassschaltung;
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3 Ersatzschaltbild
der Anpassschaltung gemäß 2 für das Gleichtaktsignal;
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4 Ersatzschaltbild
der Anpassschaltung gemäß 2 für das Gegentaktsignal;
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5 ein
Bauelement, in dem die angegebene Schaltung realisiert ist.
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1 zeigt
eine Schaltung mit einer Transceiverschaltung TR und einer Antennenschaltung FEM.
Die Schaltung ist in diesem Beispiel für drei Übertragungsbänder ausgelegt.
Die Schaltung umfasst drei Empfangspfade RX1, RX2, RX3 und zwei Sendepfade
TX1, TX2. Die Pfade RX1, TX1 sind z. B. dem System GSM900 zugeordnet.
Die Pfade RX2, TX2 sind dem System GSM1800 und die Pfade RX3, TX2
dem System GSM1900 zugeordnet.
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Die
Signalpfade RX1, RX2, RX3, TX1, TX2 werden je nach Übertragungsmodus
mittels eines Schalters SW mit einem Antennenpfad verbunden, der
an einen Antennenanschluss ANT angeschlossen ist.
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Im
Empfangspfad RX1 ist ein Bandpassfilter F1, im Empfangspfad RX2
ein Bandpassfilter F2 und im Empfangspfad RX3 ein Bandpassfilter
F3 angeordnet. Der Durchlassbereich dieser Filter umfasst das Empfangsband
des jeweiligen Übertragungssystems.
Die Antennenschaltung FEM kann mindestens ein weiteres Filter – vorzugsweise
ein Tiefpassfilter – umfassen,
das in mindestens einem der Sendepfade TX1, TX2 angeordnet ist.
Zumindest ein Teil der Filter kann in einem gemeinsamen Chip realisiert
sein. Die Filter können
aber auch in separaten Chips realisiert sein. Die Bandpassfilter
können
mit akustischen Wellen arbeitende Resonatoren umfassen.
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Die
Transceiverschaltung umfasst eine Sendeschaltung und eine Empfangsschaltung,
die vorzugsweise beide in einer Transceiver-IC realisiert sind.
Die Transceiverschaltung TR ist z. B. in einem in 5 gezeigten
Chip CH1 realisiert.
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Die
Antennenschaltung FEM, die die Filter F1, F2, F3 und einen Schalter
SW umfasst, ist z. B. im Chip CH2 realisiert. Der Schalter und die
Filter sind dabei vorzugsweise auf einem gemeinsamen Substrat befestigt.
Es besteht die Möglichkeit,
die Anpassschaltungen M1, M2, M3 in diesem Substrat zu integrieren.
Auch Filter, insbesondere in den Sendepfaden TX1, TX2 angeordnete
Tiefpässe
oder Hochpässe,
können
in diesem Sub strat integriert sein. Die Filter können aber auch in einem in 5 gezeigten Trägersubstrat
TS integriert sein.
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Das
Trägersubstrat
TS kann eine Leiterplatte sein. Das Trägersubstrat kann auch ein Keramiksubstrat
sein. Die Chips können
auch ein Keramiksubstrat umfassen.
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Die
Chips, in denen die Komponenten der angegebenen Schaltung wie z.
B. die Antennenschaltung, die Transceiverschaltung, die Verstärkerschaltung
integriert sind, sind vorzugsweise als SMD-Komponenten verfügbar. Die
Antennenschaltung umfasst vorzugsweise ein Substrat, auf dem z. B.
die Filter und der Schalter angeordnet sind.
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Die
Filter sind vorzugsweise als Baluns ausgebildet, d. h. sie haben
ein unsymmetrisches (unbalanced) Eingangstor und ein symmetrisches
(balanced) Ausgangstor. In einer weiteren Variante kann zumindest
einem dieser Filter ein Balun nachgeschaltet sein.
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Ein
Abschnitt der Empfangspfade, der jeweils zwischen den Empfängereingängen IN1,
IN2, IN3 der Transceiverschaltung TR und der Antennenschaltung FEM
angeordnet ist, umfasst zwei Teilpfade und ist zur Führung eines
differentiellen Signals vorgesehen. Auch ein Abschnitt der Sendepfade,
der zwischen den Sendeausgängen
OUT1, OUT2 der Transceiverschaltung TR und der Antennenschaltung
FEM angeordnet ist, kann zur Führung
eines differentiellen Signals vorgesehen sein.
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Die
Empfängereingänge IN1,
IN2, IN3 sind jeweils als ein balanced Tor ausgelegt. In jedem Empfangspfad
RX1, RX2, RX3 ist zwischen der Antennenschaltung FEM und den Empfängereingängen IN1,
IN2, IN3 der Transceiverschaltung TR eine Anpassschal tung M1, M2,
M3 angeordnet. Die Anpassschaltung ist vorzugsweise wie in der Variante
gemäß der 2 ausgebildet.
Die Anpassschaltungen M1, M2, M3 sind vorzugsweise im Trägersubstrat
TS integriert.
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Zwischen
den Sendeausgängen
OUT1, OUT2 der Transceiverschaltung TR und der Antennenschaltung
FEM ist eine Verstärkerschaltung
PA angeordnet, die mindestens einen Leistungsverstärker pro
Sendepfad umfasst. In der Variante gemäß der 1 sind ist
die Verstärkerschaltung
PA als ein separates Modul oder Chip CH3 (5) vorhanden. Die
Verstärkerschaltung
kann aber auch ein Bestandteil der Transceiverschaltung TR sein.
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Die
Transceiverschaltung TR erzeugt im Sendefall ein Hochfrequenzsignal,
das durch den Leistungsverstärker
verstärkt
und über
die Antennenschaltung einer Antenne zugeführt wird. Dieses Sendesignal
wird im zweiten Signalpfad SP2 übertragen. Aufgrund
einer endlichen Isolation zwischen den Signalpfaden SP1 und SP2
in der Antennenschaltung FEM erreicht ein Lecksignal, d. h. Teil
der Sendeleistung den Empfängereingang
IN1 der Transceiverschaltung. Dieses Lecksignal stört das Modulationsspektrum
der Senderschaltung aufgrund von Übersprecheffekten innerhalb
der Transceiver-IC. Die Anpassschaltungen M1, M2, M3 dienen zur
Unterdrückung
des Gleichanteils des Lecksignals im jeweiligen Signalpfad und tragen
somit zur Verbesserung des Modulationsspektrums der Senderschaltung
bei.
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Die
Chips CH1, CH2, CH3 können SMD-Komponenten
sein. SMD steht für
Surface Mounted Device. Sie können
aber auch wie der in 5 gezeigte Chip CH3 mittels
Bonddrähten
mit den Kontaktflächen
des Trägersubstrats
elektrisch verbunden sein.
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In
der 2 ist ein Abschnitt des ersten Signalpfades SP1
gezeigt, der in der Variante gemäß der 1 mit
dem Empfangspfad RX1 übereinstimmt.
Dieser Abschnitt umfasst die Anpassschaltung M1. Die Anpassschaltungen
M2, M3 sind vorzugsweise wie die Anpassschaltung M1 ausgebildet.
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Der
erste Signalpfad SP1 ist einem ersten System zugeordnet. Die Schaltung
umfasst einen zweiten Signalpfad SP2, der dem ersten System oder einem
weiteren System zugeordnet sein kann. In der Variante gemäß der 1 ist
der zweite Signalpfad SP2 mit dem Sendepfad TX1 des ersten Systems identisch.
Der zweite Signalpfad SP2 kann aber auch mit dem Sendepfad TX2 übereinstimmen,
falls im ersten Signalpfad SP1 der Gleichtakt-Signalanteil bei der
Sendefrequenz des zweiten Systems unterdrückt werden soll.
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Der
erste Signalpfad SP1 umfasst zwei Teilpfade, die durch einen Querzweig
miteinander verbunden sind. Im Querzweig sind zwei in Serie geschaltete
Induktivitäten
L1, L2 angeordnet, die vorzugsweise den gleichen Induktivitätswert L1
= L/2, L2 = L/2 haben. Die Impedanz der Induktivität L1, L2
beträgt
ZL = ωL/2.
Vorzugsweise ist der Wert L so gewählt, dass gilt ZL/Z0 > 3.
Z0 ist die charakteristische Impedanz im
jeweiligen Signalpfad. Mit einer großen Induktivität gelingt
es, die Übertragungsfunktion
in den differentiellen Teilpfaden nur unwesentlich zu stören.
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Am
elektrischen Knoten, der zwischen den Induktivitäten L1, L2 angeordnet ist,
ist eine gegen Masse geschaltete Kapazität C angeschlossen. Die Werte
für die
Kapazität
und die Induktivitäten
sind derart gewählt,
dass die Resonanzfrequenz fr = 1/2π(L1,2C)1/2 eines die
Kapazität
C und eine der Induktivitäten
L1, L2 umfassenden Serienschwingkreises im Sperrbereich des ersten
Signalpfades SP1 liegt. Dieser Sperrbereich umfasst vorzugsweise
ein Übertragungsband
des zweiten Signalpfades SP2. Die Frequenz fr liegt
unterhalb der unteren Grenzfrequenz oder oberhalb der oberen Grenzfrequenz
des Durchlassbandes des Pfads SP1.
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Das
Ersatzschaltbild der in 2 gezeigten Anpassschaltung
M1 ist bei der Resonanzfrequenz in 3 und außerhalb
der Resonanzfrequenz in 4 gezeigt. Außerhalb
der Resonanz verhält
sich die Serienschaltung der Induktivitäten L1, L2 als eine Induktivität L = L1
+ L2. Die Induktivität
L1 und die Kapazität
C bilden einen ersten Saugkreis gegen Masse, wobei die Induktivität L2 und
die Kapazität
C einen zweiten Saugkreis gegen Masse bilden. Bei der Resonanzfrequenz
erzeugt jeder Saugkreis einen HF-Kurzschluss gegen Masse. Die Resonanzfrequenz
der beiden Saugkreise liegt im Übertragungsband
des zweiten Signalpfades SP2.
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Bei
der Resonanzfrequenz der Saugkreise wird in der Übertragungsfunktion des ersten
Signalpfades SP1 eine Pollstelle erzeugt. Die Werte von C und L
sind so gewählt,
dass sich diese Polstelle bei der zu unterdrückenden Sendefrequenz ergibt.
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In
einer Variante können
die Induktivitäten L1,
L2 gegen Kapazitäten
und die nach Masse geschaltete Kapazität C durch eine nach Masse geschaltete
Induktivität
ersetzt werden. Auch in diesem Fall werden zwei Saugkreise gebildet,
die bei der vorgegebenen Frequenz einen HF-Kurzschluss nach Masse
erzeugen.
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Die
gesamte in 1 gezeigte Schaltung kann in
einem kompakten – d.
h. als eine bauliche Einheit verfügbaren – Bauelement integriert sein.
Zumindest einige der Teilschaltungen FEM, TR, PA und insbesondere
die Anpassschaltungen M1, M2, M3 können im Trägersubstrat TS integriert sein.
Zumindest einige dieser Teilschaltungen, insbesondere FEM, TR, PA,
können
alternativ als SMD-Bauteile ausgebildet und auf dem Trägersubstrat
TS montiert sein. In einer vorteilhaften Variante sind alle Teilschaltungen
im Trägersubstrat
TS integriert. In einer weiteren vorteilhaften Variante sind alle
Teilschaltungen auf dem Trägersubstrat
TS montiert.
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Das
in 5 gezeigte, zur Oberflächenmontage geeignete Bauelement
kann neben der angegebenen Schaltung weitere Funktionsblöcke wie
z. B. Schalter, Filter, Frequenzweichen, Verstärker oder weitere Komponenten
einer Sendeempfangsvorrichtung umfassen, die in den Figuren nicht
gezeigt sind.
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- ANT
- Antenne
- CH1,
CH2, CH3
- Chips
- F1,
F2, F3
- Filter
- FEM
- Antennenschaltung
- IN1,
IN2, IN3
- Empfängereingang
- M1,
M2, M3
- Anpassschaltung
- OUT1,
OUT2
- Sendeausgang
- PA
- Leistungsverstärker
- SP1
- erster
Signalpfad
- SP2
- zweiter
Signalpfad
- SW
- Schalter
- TR
- Transceiverschaltung
- TS
- Trägersubstrat