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DE102022202132A1 - Bidirektionale verstärker mit variabler verstärkung für hochfrequenzkommunikationssysteme - Google Patents

Bidirektionale verstärker mit variabler verstärkung für hochfrequenzkommunikationssysteme Download PDF

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DE102022202132A1
DE102022202132A1 DE102022202132.0A DE102022202132A DE102022202132A1 DE 102022202132 A1 DE102022202132 A1 DE 102022202132A1 DE 102022202132 A DE102022202132 A DE 102022202132A DE 102022202132 A1 DE102022202132 A1 DE 102022202132A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
amplifier
input
pair
coupled
transmit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022202132.0A
Other languages
English (en)
Inventor
John Jackson Nisbet
Hamed Golestaneh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SKYWORKS SOLUTIONS, INC., US
Original Assignee
Skyworks Solutions Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Skyworks Solutions Inc filed Critical Skyworks Solutions Inc
Publication of DE102022202132A1 publication Critical patent/DE102022202132A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung (VGAs) für Hochfrequenzkommunikationssysteme werden offenbart. In bestimmten Ausführungsformen umfasst ein bidirektionaler VGA einen ersten Verstärker mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen zweiten Verstärker mit einem an einen Sendeanschluss gekoppelten Ausgang, einen dritten Verstärker mit einem an einen Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen vierten Verstärker mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss und den Eingang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang sowie eine Schalteranordnung, welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers mit einem Eingang des zweiten Verstärkers zu verbinden und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers mit einem Eingang des vierten Verstärkers zu verbinden.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf elektronische Systeme, insbesondere auf die Hochfrequenzelektronik (HF-Elektronik).
  • Beschreibung verwandter Technologien
  • Verstärker mit variable Verstärkung („variable gain amplifiers“, VGAs) werden in HF-Kommunikationssystemen eingesetzt, um für ein steuerbares Maß an Verstärkung von HF-Signalen zu sorgen, die unter Nutzung von Antennen drahtlos gesendet oder empfangen werden.
  • Beispiele für HF-Kommunikationssysteme, welche ein oder mehrere VGAs umfassen, sind unter anderem ohne Beschränkung der Allgemeinheit Mobiltelefone, Tablets, Basisstationen, Netzwerkzugangspunkte, Kundengeräte (Customer-Premises Equipment; CPE), Laptops und tragbare Elektronik (Wearables). Ein HF-Signal kann eine Frequenz in einem Frequenzbereich von etwa 30 kHz bis 300 GHz aufweisen, wie beispielsweise im Bereich von etwa 410 MHz bis etwa 7,125 GHz für die Kommunikation im Frequenzbereich 1 (FR1) der fünften Generation (5G) und im Bereich von etwa 24,25 GHz bis etwa 52,6 GHz für die Kommunikation im Frequenzbereich 2 (FR2) von 5G.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine drahtlose Vorrichtung. Die drahtlose Vorrichtung weist eine Antennenanordnung (auch als Antennenarray bezeichnet) mit einer Vielzahl von Antennenelementen, eine Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen, die jeweils operativ einem entsprechenden der Vielzahl von Antennenelementen zugeordnet sind und jeweils einen bidirektionalen Verstärker mit variabler Verstärkung umfassen, und einen elektrisch mit der Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen gekoppelten Sendeempfänger auf. Der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung umfasst einen ersten Verstärker mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen zweiten Verstärker mit einem an einen Sendeanschluss gekoppelten Ausgang, einen dritten Verstärker mit einem an einen Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen vierten Verstärker mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss und den Eingang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang sowie eine Schalteranordnung, welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers mit einem Eingang des zweiten Verstärkers zu verbinden und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers mit einem Eingang des vierten Verstärkers zu verbinden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist der erste Verstärker ein Verstärker mit gemeinsamem Gate und der vierte Verstärker ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain. Gemäß einer Anzahl von Ausführungsformen ist der zweite Verstärker ein Verstärker mit gemeinsamem Gate und der dritte Verstärker ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain.
  • In etlichen Ausführungsformen umfasst der erste Verstärker ein erstes Paar Transistoren mit einem ersten Paar von Sourceanschlüssen und der zweite Verstärker umfasst ein zweites Paar Transistoren mit einem zweiten Paar von Sourceanschlüssen, die direkt mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Schalteranordnung einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, welche an einem gemeinsamen Knoten miteinander verbunden sind, und der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung umfasst weiterhin einen steuerbaren Widerstand, welcher mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst zumindest einer des ersten und dritten Verstärkers ein erstes Paar Eingangstransistoren und ein zweites Paar Eingangstransistoren, welche auswählbar sind, von denen das erste Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl eine Signalinversion zu bewirken, und von denen das zweite Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl keine Signalinversion zu bewirken.
  • In etlichen Ausführungsformen umfasst jede der Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen weiterhin einen Phasenschieber, welcher mit dem Sende-/Empfangsanschluss verbunden ist.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst jede der Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen weiterhin einen Leistungsverstärker mit einem mit dem Sendeanschluss gekoppelten Eingang und einen rauscharmen Verstärker mit einem mit dem Empfangsanschluss gekoppelten Ausgang.
  • In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen bidirektionalen Verstärker mit variabler Verstärkung. Der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung umfasst einen ersten Verstärker mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen zweiten Verstärker mit einem an einen Sendeanschluss gekoppelten Ausgang, einen dritten Verstärker mit einem an einen Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen vierten Verstärker mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss und den Eingang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang sowie eine Schalteranordnung, welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers mit einem Eingang des zweiten Verstärkers zu verbinden und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers mit einem Eingang des vierten Verstärkers zu verbinden.
  • In einigen Ausführungsformen ist der erste Verstärker ein Verstärker mit gemeinsamem Gate und der vierte Verstärker ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain. Gemäß einer Anzahl von Ausführungsformen ist der zweite Verstärker ein Verstärker mit gemeinsamem Gate und der dritte Verstärker ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain.
  • In etlichen Ausführungsformen umfasst der erste Verstärker ein erstes Paar Transistoren mit einem ersten Paar von Sourceanschlüssen und der zweite Verstärker umfasst ein zweites Paar Transistoren mit einem zweiten Paar von Sourceanschlüssen, die direkt mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind. Gemäß einer Anzahl von Ausführungsformen umfasst der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung weiterhin ein Paar Induktivitäten, welche mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind und dem zweiten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind, und welche dazu ausgelegt sind, eine Eingangsanpassung an den ersten Verstärker und eine Ausgangsanpassung an den vierten Verstärker zu bewirken.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Schalteranordnung einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, welche an einem gemeinsamen Knoten miteinander verbunden sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung weiterhin einen steuerbaren Widerstand, welcher mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist.
  • In einer Anzahl von Ausführungsformen umfasst zumindest einer des ersten und dritten Verstärkers ein erstes Paar Eingangstransistoren und ein zweites Paar Eingangstransistoren, welche auswählbar sind, von denen das erste Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl eine Signalinversion zu bewirken, und von denen das zweite Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl keine Signalinversion zu bewirken.
  • In etlichen Ausführungsformen umfasst der der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung weiterhin eine Vorspannungs- und Steuerschaltung, welche dazu ausgelegt ist, den dritten Verstärker und den vierten Verstärker im Sendebetriebsmodus abzuschalten und den ersten Verstärker und den zweiten Verstärker im Empfangsbetriebsmodus abzuschalten.
  • In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Frontendsystem. Das Frontendsystem weist einen Leistungsverstärker, einen Verstärker mit geringem Rauschen und einen bidirektionalen Verstärker mit variabler Verstärkung auf, welcher einen ersten Verstärker mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen zweiten Verstärker mit einem an einen Sendeanschluss gekoppelten Ausgang, einen dritten Verstärker mit einem an einen Empfangsanschluss gekoppelten Eingang, einen vierten Verstärker mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss und den Eingang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang sowie eine Schalteranordnung umfasst, welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers mit einem Eingang des zweiten Verstärkers zu verbinden und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers mit einem Eingang des vierten Verstärkers zu verbinden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist der erste Verstärker ein Verstärker mit gemeinsamem Gate und der vierte Verstärker ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain. Gemäß etlichen Ausführungsformen ist der zweite Verstärker ein Verstärker mit gemeinsamem Gate und der dritte Verstärker ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain.
  • In einer Anzahl von Ausführungsformen umfasst der erste Verstärker ein erstes Paar Transistoren mit einem ersten Paar von Sourceanschlüssen und der zweite Verstärker umfasst ein zweites Paar Transistoren mit einem zweiten Paar von Sourceanschlüssen, die direkt mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind.
  • In etlichen Ausführungsformen umfasst die Schalteranordnung einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, welche an einem gemeinsamen Knoten miteinander verbunden sind, und der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung umfasst weiterhin einen steuerbaren Widerstand, welcher mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen umfasst zumindest einer des ersten und dritten Verstärkers ein erstes Paar Eingangstransistoren und ein zweites Paar Eingangstransistoren, welche auswählbar sind, von denen das erste Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl eine Signalinversion zu bewirken, und von denen das zweite Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl keine Signalinversion zu bewirken.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Frontendsystem weiterhin einen Phasenschieber, welcher mit dem Sende-/Empfangsanschluss verbunden ist.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen dieser Offenbarung werden nun beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Kommunikationsnetzwerkes.
    • 2A ist ein schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform eines strahlformenden Kommunikationssystems.
    • 2B ist ein schematisches Blockschaubild eines Beispiels für die Strahlformung zur Bereitstellung eines Sendestrahls.
    • 2C ist ein schematisches Blockschaubild eines Beispiels für die Strahlformung zur Bereitstellung eines Empfangsstrahls.
    • 3 ist ein schematisches Blockschaubild einer Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltung gemäß einer Ausführungsform.
    • 4 ist ein schematisches Blockschaubild eines bidirektionalen Verstärkers mit variabler Verstärkung („variable gain amplifier“, VGA) gemäß einer Ausführungsform.
    • 5 ist ein schematisches Blockschaubild eines bidirektionalen VGAs gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • 6 ist ein schematisches Blockschaubild eines groben Phasenschiebers gemäß einer Ausführungsform.
    • 7 ist ein schematisches Blockschaubild einer Verstärkungssteuerschaltung für einen bidirektionalen VGA gemäß einer Ausführungsform.
    • 8 ist ein schematisches Blockschaubild einer mobilen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
    • 9 ist eine Draufsicht auf ein Modul gemäß einer Ausführungsform.
    • 10A ist eine Perspektivansicht eines Moduls gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • 10B ist eine entlang der Linien 10B-10B dargestellten Querschnittsansicht des Moduls der 10A.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen stellt verschiedene Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen dar. Die hier beschriebenen Innovationen können jedoch auf vielfältige Weise verkörpert werden, z.B. durch die Definition und in dem Umfang der Ansprüche. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen gleichartige Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente bezeichnen können. Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellten Elemente nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass bestimmte Ausführungsformen mehr Elemente beinhalten können, als in einer Zeichnung und/oder einer Teilmenge der in einer Zeichnung dargestellten Elemente dargestellt sind. Darüber hinaus können einige Ausführungsformen jede geeignete Kombination von Merkmalen aus zwei oder mehr Zeichnungen enthalten.
  • Die Internationale Fernmeldeunion (International Telecommunication Union; ITU) ist eine Sonderorganisation der Vereinten Nationen (UN), die für globale Fragen der Informations- und Kommunikationstechnologien, einschließlich der gemeinsamen globalen Nutzung des Frequenzspektrums, zuständig ist.
  • Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist eine Zusammenarbeit zwischen Gruppen von Telekommunikations-Standardierungsbehörden auf der ganzen Welt, wie der Association of Radio Industries and Businesses (ARIB), dem Telecommunications Technology Committee (TTC), der China Communications Standards Association (CCSA), der Alliance for Telecommunications Industry Solutions (ATIS), der Telecommunications Technology Association (TTA), dem European Telecommunications Standards Institute (ETSI) und der Telecommunications Standards Development Society India (TSDSI).
  • Im Rahmen der ITU entwickelt und pflegt 3GPP technische Spezifikationen für eine Vielzahl von Mobilfunktechnologien, darunter beispielsweise die Technologie der zweiten Generation (2G) (z.B. Global System for Mobile Communications (GSM) und Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE)), die Technologie der dritten Generation (3G) (z.B. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) und High Speed Packet Access (HSPA)), sowie die Technologie der vierten Generation (4G) (z.B. Long Term Evolution (LTE) und LTE-Advanced).
  • Die von 3GPP kontrollierten technischen Spezifikationen können durch Spezifikationsversionen, die sich über mehrere Jahre erstrecken und eine Vielzahl neuer Funktionen und Entwicklungen spezifizieren können, erweitert und überarbeitet werden.
  • In einem Beispiel führte 3GPP in Release 10 die Carrier Aggregation (Trägeraggregation; CA) für LTE ein. Obwohl ursprünglich mit zwei Downlink-Carriern (Downlink-Trägern) eingeführt, erweiterte 3GPP in Release 14 die Carrier-Aggregation auf bis zu fünf Downlink-Carrier und bis zu drei Uplink-Carrier (Uplink-Träger). Weitere Beispiele für neue Funktionen und Entwicklungen, die durch 3GPP-Releases bereitgestellt werden, sind unter anderem License Assisted Access (LAA), Enhanced LAA (eLAA), Narrowband Internet of things (NB-IOT), Vehicle-to-Everything (V2X) und High Power User Equipment (HPUE).
  • 3GPP hat in Release 15 die Phase 1 der Technologie der fünften Generation (5G) und die Phase 2 der 5G-Technologie in Release 16 eingeführt. Spätere 3GPP-Versionen werden die 5G-Technologie weiter entwickeln und erweitern. Die 5G-Technologie wird hier auch als 5G New Radio (NR) bezeichnet.
  • 5G NR unterstützt oder plant die Unterstützung einer Vielzahl von Funktionen, wie z.B. Kommunikation über das Millimeterwellenspektrum, Strahlformbarkeit, Wellenformen mit hoher spektraler Effizienz, Kommunikation mit niedriger Latenzzeit, multiple Funknumerologie und/oder nicht-orthogonalen Mehrfachzugriff (NOMA). Obwohl solche HF-Funktionalitäten den Netzwerken Flexibilität bieten und die Benutzerdatenraten erhöhen, kann die Unterstützung solcher Funktionen eine Reihe von technischen Herausforderungen mit sich bringen.
  • Die hier enthaltenen Lehren gelten für eine Vielzahl von Kommunikationssystemen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kommunikationssysteme, die hochentwickelte (Advanced) Mobilfunktechnologien wie LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro und/oder 5G NR verwenden.
  • 1 ist eine schematische Illustration eines Beispiels eines Kommunikationsnetzwerkes 10. Das Kommunikationsnetzwerk 10 beinhaltet eine Makrozellen-Basisstation 1, eine Kleinzellen-Basisstation 3 und verschiedene Beispiele für Benutzereinrichtungen („user equipment“, UE), einschließlich einer ersten mobilen Vorrichtung 2a, eines drahtlos verbundenen Autos 2b, eines Laptops 2c, einer stationären drahtlosen Vorrichtung 2d, eines drahtlos verbundenen Zuges 2e, einer zweiten mobilen Vorrichtung 2f und einer dritten mobilen Vorrichtung 2g.
  • Obwohl in 1 spezifische Beispiele für Basisstationen und Benutzereinrichtungen dargestellt sind, kann ein Kommunikationsnetzwerk Basisstationen und Benutzereinrichtungen/Endgeräte unterschiedlichster Art und/oder Anzahl beinhalten.
  • In dem dargestellten Beispiel beinhaltet das Kommunikationsnetzwerk 10 beispielsweise die Makrozellen-Basisstation 1 und die Kleinzellen-Basisstation 3. Die Kleinzellenbasisstation 3 kann mit relativ geringerer Leistung, geringerer Reichweite und/oder mit weniger gleichzeitigen Benutzern im Vergleich zur Makrozellenbasisstation 1 betrieben werden. Die Kleinzellenbasisstation 3 kann auch als Femtozelle, Picozelle oder Mikrozelle bezeichnet werden. Obwohl das Kommunikationsnetzwerk 10 so dargestellt ist, dass es zwei Basisstationen beinhaltet, kann das Kommunikationsnetzwerk 10 so implementiert werden, dass es mehr oder weniger Basisstationen und/oder Basisstationen anderer Typen umfasst.
  • Obwohl verschiedene Beispiele für Benutzereinrichtungen gezeigt werden, sind die hier enthaltenen Lehren auf eine Vielzahl von Benutzereinrichtungen anwendbar, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Mobiltelefone, Tablets, Laptops, IoT-Geräte, tragbare Elektronik („Wearables“), Teilnehmernetzgeräte („customer premises equipment“, CPE), drahtlos verbundene Fahrzeuge, drahtlose Wiedergabeeinrichtungen und/oder eine Vielzahl anderer Kommunikationseinrichtungen. Darüber hinaus umfasst die Benutzereinrichtung nicht nur derzeit verfügbare Kommunikationsvorrichtungen, die in einem Mobilfunknetz betrieben werden, sondern auch später entwickelte Kommunikationsvorrichtungen, die mit den hier beschriebenen und beanspruchten erfinderischen Systemen, Prozessen, Verfahren und Vorrichtungen leicht realisierbar sind.
  • Das dargestellte Kommunikationsnetzwerk 10 von 1 unterstützt die Kommunikation mit einer Vielzahl von Mobilfunktechnologien, darunter beispielsweise 4G LTE und 5G NR. In bestimmten Implementierungen ist das Kommunikationsnetzwerk 10 weiter angepasst, um ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN), wie beispielsweise WiFi, bereitzustellen. Obwohl verschiedene Beispiele für Kommunikationstechnologien angegeben wurden, kann das Kommunikationsnetzwerk 10 so angepasst werden, dass es eine breite Vielzahl von Kommunikationstechnologien unterstützt.
  • In 1 sind verschiedene Kommunikationsverbindungen des Kommunikationsnetzwerkes 10 dargestellt. Die Kommunikationsverbindungen können auf vielfältige Weise geduplext werden, z.B. durch Frequenzmultiplexing (FDD) und/oder Zeitduplexing (TDD). FDD ist eine Art von Hochfrequenzkommunikation, die verschiedene Frequenzen zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet. FDD kann eine Reihe von Vorteilen bieten, wie z.B. hohe Datenraten und geringe Latenzzeiten. Im Gegensatz dazu ist TDD eine Art von Hochfrequenzkommunikation, die etwa die gleiche Frequenz zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet und bei der Sende- und Empfangskommunikation zeitlich geschaltet werden. TDD kann eine Reihe von Vorteilen bieten, wie z.B. die effiziente Nutzung des Spektrums und die variable Aufteilung des Durchsatzes zwischen Sende- und Empfangsrichtung.
  • In bestimmten Implementierungen können Benutzereinrichtungen mit einer Basisstation über eine oder mehrere der Technologien 4G LTE, 5G NR und WiFi kommunizieren. In bestimmten Implementierungen wird Enhanced License Assisted Access (eLAA) verwendet, um einen oder mehrere lizenzierte Frequenzträger (z.B. lizenzierte 4G LTE- und/oder 5G NR-Frequenzen) mit einem oder mehreren nicht lizenzierten Trägern (z.B. unlizenzierte WiFi-Frequenzen) zusammenzufassen.
  • Wie in 1 dargestellt, umfassen die Kommunikationsverbindungen nicht nur Kommunikationsverbindungen zwischen UE und Basisstationen, sondern auch UE zu UE Kommunikationen und Basisstation zu Basisstation Kommunikationen. So kann das Kommunikationsnetzwerk 10 beispielsweise zur Unterstützung von Self-Fronthaul und/oder Self-Backhaul implementiert werden (z.B. zwischen Mobilgerät 2g und Mobilgerät 2f).
  • Die Kommunikationsverbindungen können über eine Vielzahl von Frequenzen betrieben werden. In bestimmten Implementierungen wird die Kommunikation mit der 5G NR-Technologie über ein oder mehrere Frequenzbänder unterstützt, die kleiner als 6 Gigahertz (GHz) und/oder über ein oder mehrere Frequenzbänder, die größer als 6 GHz sind. So können die Kommunikationsverbindungen beispielsweise den Frequenzbereich 1 (FR1), den Frequenzbereich 2 (FR2) oder eine Kombination davon bedienen. In einer Ausführungsform unterstützen eine oder mehrere der mobilen Vorrichtungen eine HPUE-Leistungsklassenspezifikation.
  • In bestimmten Implementierungen kommunizieren eine Basisstation und/oder eine Benutzereinrichtung mittels Strahlformung (Beamforming). So kann die Strahlformung beispielsweise verwendet werden, um die Signalstärke zu fokussieren, um Wegverluste zu überwinden, wie beispielsweise hohe Verluste bei der Kommunikation über hohe Signalfrequenzen. In bestimmten Ausführungsformen kommunizieren Benutzereinrichtungen, wie beispielsweise ein oder mehrere Mobiltelefone, mittels Strahlformung auf Millimeterwellenfrequenzbändern im Bereich von 30 GHz bis 300 GHz und/oder oberen Zentimeterwellenfrequenzen im Bereich von 6 GHz bis 30 GHz, insbesondere 24 GHz bis 30 GHz.
  • Verschiedene Benutzer des Kommunikationsnetzwerkes 10 können verfügbare Netzwerkressourcen, wie beispielsweise das verfügbare Frequenzspektrum, auf vielfältige Weise gemeinsam nutzen.
  • In einem Beispiel wird der Frequency Division Multiple Access (FDMA) verwendet, um ein Frequenzband in mehrere Frequenzträger aufzuteilen. Zusätzlich werden einem bestimmten Benutzer ein oder mehrere Träger zugeordnet. Beispiele für FDMA sind unter anderem Single Carrier FDMA (SC-FDMA) und Orthogonal FDMA (OFDMA). OFDMA ist eine Mehrträgertechnologie, die die verfügbare Bandbreite in mehrere zueinander orthogonale Schmalbandunterträger unterteilt, die verschiedenen Benutzern separat zugeordnet werden können.
  • Weitere Beispiele für den gemeinsamen Zugriff (Shared Access) umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA), bei dem einem Benutzer bestimmte Zeitschlitze für die Nutzung einer Frequenzressource zugewiesen werden, Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA), bei dem eine Frequenzressource von verschiedenen Benutzern gemeinsam genutzt wird, indem jedem Benutzer ein eindeutiger Code zugewiesen wird, Raummultiplex-Mehrfachzugriff (SDMA), bei dem Strahlformung verwendet wird, um einen gemeinsamen Zugriff durch räumliche Aufteilung bereitzustellen, und nichtorthogonaler Mehrfachzugriff (NOMA), bei dem die Leistungsdomäne für Mehrfachzugriff verwendet wird. So kann NOMA beispielsweise verwendet werden, um mehrere Benutzer mit derselben Frequenz, Zeit und/oder demselben Code, aber mit unterschiedlichen Leistungsstufen zu bedienen.
  • Enhanced Mobile Broadband (eMBB) bezeichnet eine Technologie zur Steigerung der Systemkapazität von LTE-Netzen. So kann sich eMBB beispielsweise auf Kommunikationen mit einer maximalen Datenrate von mindestens 10Gbps und einem Minimum von 100Mbps für jeden Benutzer beziehen. Hochzuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (uRLLC) bezieht sich auf Technologien für die Kommunikation mit sehr niedriger Latenzzeit, z.B. weniger als 2 Millisekunden. uRLLC kann für handlungskritische Kommunikationen, wie z.B. für das autonome Fahren und/oder Fernchirurgieanwendungen, verwendet werden. Massive maschinenartige Kommunikation (mMTC) bezieht sich auf kostengünstige Kommunikationen mit niedriger Datenrate, die mit drahtlosen Verbindungen zu Alltagsgegenständen verknüpft sind, wie sie beispielsweise mit Internet of Things (IoT) Anwendungen verknüpft sind.
  • Das Kommunikationsnetzwerk 10 von 1 kann verwendet werden, um eine Vielzahl von erweiterten bzw. hochentwickelten (Advanced) Kommunikationsfunktionen zu unterstützen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, eMBB, uRLLC und/oder mMTC.
  • 2A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kommunikationssystems 111, das mit Strahlformung (Beamforming) arbeitet. Das Kommunikationssystem 111 beinhaltet einen Sendeempfänger 105, HF-Signalkonditionierungsschaltungen 104a1, 104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104m1, 104m2 ... 104mn und eine Antennenanordnung 102, welche Antennenelemente 103al, 103a2 ... 103an, 103b1, 103b2... 103bn, 103m1, 103m2 ... 103mn beinhaltet.
  • Kommunikationsvorrichtungen, die Millimeterwellenträger, Zentimeterwellenträger und/oder andere Trägerfrequenzen verwenden, können eine Antennenanordnung wie etwa das Antennenarray 102 verwenden, um Strahlformung und Richtwirkung für das Senden und/oder Empfangen von Signalen bereitzustellen.
  • So beinhaltet das Kommunikationssystem 111 in der dargestellten Ausführungsform beispielsweise eine Anordnung oder ein Array 102 von m x n Antennenelementen, die jeweils mit einer separaten HF-Signalkonditionierungsschaltung gekoppelt sind, in dieser Ausführungsform. Wie an den Auslassungszeichen ersichtlich, kann das Kommunikationssystem 111 mit jeder geeigneten Anzahl von Antennenelementen und HF-Signalkonditionierungsschaltungen realisiert werden.
  • In Bezug auf die Signalübertragung können die HF-Signalkonditionierungsschaltungen 104a1, 104a2... 104an, 104b1, 104b2... 104bn, 104m1, 104m2... 104mn Sendesignale an die Antennenanordnung 102 liefern, so dass von den Antennenelementen abgestrahlte Signale unter Verwendung konstruktiver und destruktiver Interferenzen kombiniert werden, um ein aggregiertes d.h. zusammengefasstes Sendesignal zu erzeugen, das strahlartige Eigenschaften mit mehr Signalstärke bei Ausbreitung in einer gegebenen Richtung weg von der Antennenanordnung 102 aufzeigt.
  • Im Rahmen des Signalempfangs verarbeiten die Signalkonditionierungsschaltungen 104a1, 104a2... 104an, 104b1, 104b2... 104bn, 104m1, 104m2... 104mn die empfangenen Signale (z.B. durch getrenntes Steuern von Empfangssignalphasen und Amplituden) so, dass mehr Signalenergie empfangen wird, wenn das Signal aus einer bestimmten Richtung in die Antennenanordnung 102 eintrifft. Dementsprechend bietet das Kommunikationssystem 111 auch eine Richtwirkung für den Empfang von Signalen.
  • Die relative Konzentration der Signalenergie in einem Sende- oder Empfangsstrahl kann durch Vergrößerung der Größe der Anordnung erhöht werden. Wenn beispielsweise mehr Signalenergie in einen Sendestrahl fokussiert wird, kann sich das Signal über eine größere Reichweite ausbreiten und gleichzeitig einen ausreichenden Signalpegel für die HF-Kommunikationen bereitstellen. So kann beispielsweise ein Signal mit einem großen Anteil der in den Sendestrahl fokussierten Signalenergie eine hohe effektive isotrope Strahlungsleistung (Effective Isotopic Radiated Power; EIRP) aufweisen.
  • In der dargestellten Ausführungsform stellt der Sendeempfänger 105 den HF-Signalkonditionierungsschaltungen 104a1, 104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104m1,104m2 ... 104mn Sendesignale zur Verfügung und verarbeitet die von den HF-Signalkonditionierungsschaltungen empfangenen Signale.
  • Wie in 2A dargestellt, erzeugt der Sendeempfänger 105 Steuersignale für die HF-Signalkonditionierungsschaltungen 104al, 104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104ml, 104m2 ... 104mn. Die Steuersignale können für eine Vielzahl von Funktionen verwendet werden, wie z.B. das Einstellen der Verstärkung und Phase von gesendeten oder empfangenen Signalen zur Strahlformung. Beispielsweise kann jede der HF-Signalkonditionierungsschaltungen 104a1, 104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104m1, 104m2 ... 104mn einen Phasenschieber und einen bidirektionalen VGA aufweisen, die in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Lehren ausgestaltet sind.
  • 2B ist ein schematisches Blockschaubild eines Beispiels für die Strahlformung zur Bereitstellung eines Sendestrahls. 2B veranschaulicht einen Abschnitt eines Kommunikationssystems, das eine erste HF-Signalkonditionierungsschaltung 114a, eine zweite HF-Signalkonditionierungsschaltung 114b, ein erstes Antennenelement 113a und ein zweites Antennenelement 113b beinhaltet.
  • Obwohl dargestellt als zwei Antennenelemente und zwei HF-Signalkonditionierungsschaltungen, kann ein Kommunikationssystem zusätzliche Antennenelemente und/oder Signalkonditionierungsschaltungen beinhalten. So veranschaulicht beispielsweise 2B eine Ausführungsform eines Teils des Kommunikationssystems 111 von 2A.
  • Die erste HF-Signalkonditionierungsschaltung 114a umfasst einen ersten Phasenschieber 130a, einen ersten Leistungsverstärker 131a, einen ersten rauscharmen Verstärker (LNA) 132a und Schalter zum Steuern der Auswahl des Leistungsverstärkers 131a oder LNA 132a. Zusätzlich beinhaltet die zweite HF-Signalkonditionierungsschaltung 114b einen zweiten Phasenschieber 130b, einen zweiten Leistungsverstärker 131b, einen zweiten LNA 132b und Schalter zum Steuern der Auswahl des Leistungsverstärkers 131b oder LNA 132b.
  • Obwohl eine Ausführungsform von HF-Signalkonditionierungsschaltungen dargestellt ist, sind andere Implementierungen von HF-Signalkonditionierungsschaltungen möglich. In einem Beispiel beinhaltet eine HF-Signalkonditionierungsschaltungen beispielsweise ein oder mehrere Bandfilter, VGAs, Duplexer, Diplexer und/oder andere Komponenten.
  • In der dargestellten Ausführungsform sind das erste Antennenelement 113a und das zweite Antennenelement 113b durch einen Abstand d getrennt. Zusätzlich wurde 2B mit einem Winkel Θ versehen, der in diesem Beispiel einen Wert von etwa 90° aufweist, wenn die Sendestrahlrichtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Antennenanordnung ist, und einen Wert von etwa 0°, wenn die Sendestrahlrichtung im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Antennenanordnung ist.
  • Durch Steuern der relativen Phase der Sendesignale, die den Antennenelementen 113a, 113b zur Verfügung gestellt werden, kann ein gewünschter Sendestrahlwinkel Θ erreicht werden. Wenn beispielsweise der erste Phasenschieber 130a einen Referenzwert von 0° aufweist, kann der zweite Phasenschieber 130b so gesteuert werden, dass er eine Phasenverschiebung von etwa -2πf(d/v)cosΘ im Bogenmaß liefert, wobei f die Grundfrequenz des Sendesignals ist, d der Abstand zwischen den Antennenelementen ist, v die Geschwindigkeit der abgestrahlten Welle ist und π die mathematische Konstante pi ist.
  • In bestimmten Implementierungen wird der Abstand d so implementiert, dass er bei ½λ liegt, wobei λ die Wellenlänge der grundlegenden Komponente des Sendesignals ist. In solchen Implementierungen kann der zweite Phasenschieber 130b so gesteuert werden, dass er eine Phasenverschiebung von etwa πcosΘ Bogenmaß liefert, um einen Sendestrahlwinkel Θ zu erreichen.
  • Dementsprechend kann die relative Phase der Phasenschieber 130a, 130b gesteuert werden, um eine Sendestrahlformung zu ermöglichen. In bestimmten Implementierungen steuern ein Sendeempfänger (z.B. der Sendeempfänger 105 von 2A) Phasenwerte von einem oder mehreren Phasenschiebern zur Steuerung der Strahlformung.
  • 2C ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels für die Strahlformung zur Bereitstellung eines Empfangsstrahls. 2C ist ähnlich wie 2B, außer dass 2C die Strahlformung im Zusammenhang mit einem Empfangsstrahl und nicht mit einem Sendestrahl darstellt.
  • Wie in 2C dargestellt, kann eine relative Phasendifferenz zwischen dem ersten Phasenschieber 130a und dem zweiten Phasenschieber 130b bis etwa gleich - 2πf(d/v)cosΘ Bogenmaß gewählt werden, um einen gewünschten Empfangsstrahlwinkel Θ zu erreichen. Bei Implementierungen, bei denen der Abstand d etwa ½λ entspricht, kann die Phasendifferenz etwa gleich πcosΘ Bogenmaß gewählt werden, um einen Empfangsstrahlwinkel Θ zu erreichen.
  • Obwohl verschiedene Gleichungen für Phasenwerte zur Strahlformung bereitgestellt wurden, sind andere Phasenauswahlwerte möglich, wie beispielsweise Phasenwerte, die basierend auf der Implementierung einer Antennenanordnung, der Implementierung von HF-Signalkonditionierungsschaltungen und/oder einer Funkumgebung ausgewählt wurden.
  • Bidirektionale VGAs für HF-Kommunikationssysteme
  • Antennenanordnungen (auch als Antennenfelder oder Antennenarrays bezeichnet) können beispielsweise zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen (HF) in Basisstationen, Netzzugangspunkten, Mobiltelefonen, Tablets, Kundengeräten (CPE), Laptops, Computern, tragbarer Elektronik und/oder anderen Kommunikationsgeräten verwendet werden. Kommunikationsvorrichtungen, die Millimeterwellenträger (z.B. 30 GHz bis 300 GHz), Zentimeterwellenträger (z.B. 3 GHz bis 30 GHz) und/oder andere Trägerfrequenzen verwenden, können eine Antennenanordnung verwenden, um Strahlformung und Richtwirkung für das Senden und/oder Empfangen von Signalen bereitzustellen.
  • Im Rahmen der Signalübertragung kombinieren sich beispielsweise die Signale der Antennenelemente der Antennenanordnung unter Verwendung konstruktiver und destruktiver Interferenzen, um ein aggregiertes d.h. zusammengefasstes Sendesignal zu erzeugen, das strahlähnliche Eigenschaften mit mehr Signalstärke aufweist, die sich in einer bestimmten Richtung von der Antennenanordnung weg ausbreiten. Im Rahmen des Signalempfangs wird mehr Signalenergie von der Antennenanordnung empfangen, wenn das Signal aus einer bestimmten Richtung kommt. Dementsprechend kann eine Antennenanordnung auch eine Richtwirkung für den Empfang von Signalen bereitstellen.
  • Deshalb können viele Millimeterwellen-Systeme (mmW-Systeme) Antennenarrays mit mehreren Elementen verwenden, um steuerbare Strahlen zu erzeugen, bei denen die Sender- oder Empfängerverstärkung in bestimmten räumlichen Richtungen auf Kosten anderer Raumrichtungen erhöht ist. Strahlsteuerung verbessert sowohl die Pfadverluste als auch die Robustheit gegenüber Interferenzen. Die Richtung und Breite des Strahls werden durch Einstellung der relativen Phase und Amplitude des Sender- oder Empfängersignals an jeder Antenne gesteuert.
  • Eine HF-Signalkonditionierungsschaltung kann verwendet werden, um ein Sendesignal für die Aussendung d.h. Übertragung über ein Antennenelement eines Antennenarrays zu konditionieren und/oder um ein empfangenes Signal von dem Antennenelement zu konditionieren, um dadurch eine gewünschte Verstärkung und Phase erreichen zu können. Derartige HF-Signalkonditionierungsschaltungen können zumindest einen Phasenschieber zur steuerbaren Phasenanpassung eines zu einem bestimmten Antennenelement zugeordneten HF-Signals und zumindest einen Verstärker mit variabler Verstärkung („variable gain amplifier“, VGA) zur steuerbaren Verstärkungsanpassung an das HF-Signal aufweisen. Um für Flexibilität in der Strahlformung zu sorgen, ist es wünschenswert, dass verfügbare Phasenanpassungen für einen Phasenversatz einen großen Winkelbereich überspannen, beispielsweise volle 360°. Die HF-Signalkonditionierungsschaltungen können darüber hinaus weitere Schaltungselemente aufweisen, wie etwa einen Leistungsverstärker zur Verstärkung eines Übertragungssignals und/oder einen rauscharmen Verstärker („low noise amplifier“, LNA) zur Verstärkung eines empfangenen Signals, wobei nur ein relativ kleiner Betrag an Rauschen erzeugt wird.
  • Zur Steuerung der Verstärkung kann eine HF-Signalkonditionierungsschaltung eine Kaskade aus einem Sende-VGA und einem Leistungsverstärker zur Verstärkung eines HF-Sendesignals zur Übertragung durch ein Antennenelement sowie eine Kaskade aus einem LNA und einem Empfangs-VGA zur Verstärkung eines von einem Antennenelement empfangenen HF-Empfangssignals aufweisen. Die Paare aus Sende-VGA/ Leistungsverstärker oder LNA/Empfangs-VGA können unter Nutzung eines Paares von Sende-/Empfangsschaltern ausgewählt werden.
  • Zur Phasensteuerung können ein grober und ein feiner Phasenschieber kaskadiert werden und zur Phasenverschiebung des HF-Sendesignals oder des HF-Empfangssignals eingesetzt werden. In bestimmten Ausgestaltungsformen sorgt der grobe Phasenschieber für eine Phasenvertauschung (eine 0°-Verschiebung oder eine 180°-Verschiebung), während der feine Phasenschieber feinere Steuerstufen ermöglicht, die einen Bereich von 180° überdecken. Daher kann eine Kombination aus einem groben und einem feinen Phasenschieber für eine Phasenverschiebung über einen vollen Bereich von 360° sorgen.
  • Um die Chipfläche zu verringern, ist es wünschenswert, einen Sende-VGA und einen Empfangs-VGA in einen einzigen bidirektionalen VGA zu kombinieren, der dazu genutzt werden kann, entweder das HF-Sendesignal oder das HF-Empfangssignal zu verstärken. Eine derartige Konfiguration kann dabei nicht nur die notwendige Chipfläche verringern, sondern auch einen der Sende-/Empfangsschalter überflüssig machen, um Schaltverluste zu vermindern.
  • 3 ist ein schematisches Blockschaubild einer Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltung 110 gemäß einer Ausführungsform. Die Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltung 110 umfasst einen feinen Phasenschieber PS1, einen bidirektionalen VGA (BVGA), einen Leistungsverstärker (PA), einen rauscharmen Verstärker (LNA), eine Antenne ANT und einen Sende-/Empfangsschalter TRS.
  • Die Antenne ANT ist mit einem Antennenanschluss des Sende-/Empfangsschalters TRS gekoppelt. Die Antenne ANT kann einem Antennenelement eines größeren Antennenarrays (zum Beispiel des Antennenarrays 102 der 2A) entsprechen, welches für eine Strahlformung genutzt wird. Wie in 3 dargestellt, sind ein Sendeanschluss und ein Empfangsanschluss des Sende-/Empfangsschalters TRS mit einem Ausgang des PAs bzw. einem Eingang des LNAs verbunden. Der PA empfängt ein Sendesignal TX von dem BVGA, während der LNA ein Empfangssignal RX an den BVGA abgibt. Die Verstärkung des VGA wird durch ein Verstärkungssteuersignal GAINCTL gesteuert. Das Signal TR kann entweder einem Eingangssendesignal für den BVGA in einem Sendebetriebsmodus oder einem verstärkten, durch den BVGA ausgegebenen Empfangssignal in einem Empfangsbetriebsmodus entsprechen. Das Signal TR wird durch den feinen Phasenschieber PS1 in der Phase verschoben, welcher seinerseits durch das Phasensteuersignal PHASECTL gesteuert wird.
  • Die Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltung 110 sorgt für eine verringerte Chipfläche im Vergleich zu einer Konfiguration mit einem separaten Sende-VGA und einem separaten Empfangs-VGA. Darüber hinaus weist die Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltung 110 nur einen einzigen Sende-/Empfangsschalter auf und arbeitet deshalb mit verringerten Schaltverlusten im Vergleich zu einer Konfiguration, welche ein Paar an Sende-/Empfangsschaltern zur Auswahl eines Sende-VGA/PA oder eines LNA/Empfangs-VGA verwendet.
  • 4 ist ein schematisches Blockschaubild eines bidirektionalen Verstärkers mit variabler Verstärkung („variable gain amplifier“, VGA) 120 gemäß einer Ausführungsform. Der bidirektionale VGA 120 umfasst ein erstes Anpassungsnetzwerk M1, ein zweites Anpassungsnetzwerk M2, ein drittes Anpassungsnetzwerk M3, einen ersten Verstärker A1, einen zweiten Verstärker A2, einen dritten Verstärker A3, einen vierten Verstärker A4, einen ersten Schalter S1, einen zweiten Schalter S2 und einen steuerbaren Widerstand Rl. Der bidirektionale VGA 120 umfasst weiterhin einen TR-Anschluss, einen TX-Anschluss und einen RX-Anschluss.
  • Der TR-Anschluss kann mit einem feinen Phasenschieber (beispielsweise mit PS1 der 3) verbunden werden, welcher für eine Phasenverschiebung zwischen 0° und 180° sorgt (zum Beispiel in feinen Stufen oder Schritten in Abhängig von einem Phasensteuersignal). Das erste Anpassungsnetzwerk M1 wird dazu verwendet, sowohl einen Eingang des ersten Verstärkers A1 als auch einen Ausgang des vierten Verstärkers A4 anzupassen.
  • In einem Sendebetriebsmodus leiten der zweite Verstärker A2 und das zweite Anpassungsnetzwerk M2 ein Signal von dem ersten Verstärker AI an den TX-Anschluss. In einem Empfangsbetriebsmodus empfangen der dritte Verstärker und das dritte Anpassungsnetzwerk M3 das Empfangssignal von dem RX-Anschluss und leiten es an den TR-Anschluss über den vierten Verstärker A4 weiter. Eine Schalteranordnung (welche in diesem Beispiel Schalter S1 und Schalter S2 umfasst) steuert die Verbindung des Ausgangs des ersten Verstärkers AI mit dem Eingang des zweiten Verstärkers A2 in dem Sendebetriebsmodus sowie eine Verbindung des Ausgangs des dritten Verstärkers A3 mit dem Eingang des vierten Verstärkers A5 in dem Empfangsbetriebsmodus.
  • In bestimmten Ausgestaltungsformen ist der erste Verstärker A1 ein Verstärker mit gemeinsamem Gate („common-gate“, CG) und der vierte Verstärker A4 ist ein Verstärker mit gemeinsamem Drain („common-drain“, CD). Durch eine Ausgestaltung des ersten Verstärkers A1 und des vierten Verstärkers A4 auf diese Art und Weise können die Sourceanschlüsse der Verstärker A1 und A4 ganz einfach zusammengeschlossen werden, und das erste Anpassungsnetzwerk M1 kann als eine Anordnung von zwei Induktivitäten und zwei Kondensatoren ausgestaltet werden. Falls der erste Verstärker A1 in geeigneter Weise deaktiviert wird, beeinträchtigt er nicht den Betrieb des vierten Verstärkers A4, und umgekehrt. Außerdem kann durch eine geeignete Auswahl der Größen und Vorspannungsbedingungen der Feldeffekttransistoren (FET) das erste Anpassungsnetzwerk M1 für eine Anpassung sowohl des Eingangs des ersten Verstärkers AI als auch des Ausgangs des vierten Verstärkers A4 sorgen.
  • In bestimmten Ausgestaltungsformen ist der zweite Verstärker A2 ein CD-Verstärker und der dritte Verstärker A3 ist ein CG-Verstärker. Der zweite Verstärker A2 kann beispielsweise eine Replika des vierten Verstärkers A4 sein, während der dritte Verstärker A3 eine Replika des ersten Verstärkers A1 sein kann. Eine Ausgestaltung der Verstärker auf diese Weise hilft bei der Anpassung von Verstärkungsmaß, Phase und/oder Gruppenverzögerung im Sende- und im Empfangsbetrieb. Um eine derartige Anpassung weiter zu verbessern, können das zweite Anpassungsnetzwerk M2 und das dritte Anpassungsnetzwerk M3 einer Replika des ersten Anpassungsnetzwerks M1 entsprechen, wodurch für eine geringere Gruppenverzögerungsabweichung mit der Frequenz gesorgt werden kann als im Vergleich zu den Netzwerken, die für eine Konfiguration mit einem Kaskodenverstärker genutzt werden.
  • Außerdem vermeidet die Nutzung von CD- und CG-Verstärkern die Notwendigkeit für Kaskodenverstärker, die große Anpassungsinduktivitäten verwenden und/oder bei geringer Versorgungsspannung einen unpassenden Ausgangskompressionsarbeitspunkt haben können. Bei Nutzung eines Kaskodenverstärkers beispielsweise können die Anschlüsse des VGAs mit FET-Gates hoher Kapazitätswerte verbunden werden, was den Einsatz großer Anpassungsinduktivitäten notwendig macht. Im Gegensatz dazu erlaubt es der Einsatz von CD- und CG-Verstärkern, die Anschlüsse des VGAs mit FET-Sourceanschlüssen zu verbinden, die eine vergleichsweise geringe Kapazität im Vergleich mit FET-Gateanschlüssen aufweisen.
  • 5 ist ein schematisches Blockschaubild eines bidirektionalen Verstärkers mit variabler Verstärkung („variable gain amplifier“, VGA) 130 gemäß einer Ausführungsform. Der bidirektionale VGA 130 umfasst einen ersten Verstärker 121, einen zweiten Verstärker 122, einen dritten Verstärker 123, einen vierten Verstärker 124, eine Vorspannungs- und Steuerschaltung 125, einen steuerbaren Widerstand Rl, einen ersten Schalter S1, einen zweiten Schalter S2, einen ersten Kondensator C1, einen zweiten Kondensator C2, einen dritten Kondensator C3, einen vierten Kondensator C4, einen fünften Kondensator C5, einen sechsten Kondensator C6, einen siebten Kondensator C7, einen achten Kondensator C8, einen neunten Kondensator C9, einen zehnten Kondensator C10, einen elften Kondensator C11, einen zwölften Kondensator C12, einen dreizehnten Kondensator C13, einen vierzehnten Kondensator C14, eine erste Induktivität L1, eine zweite Induktivität L2, eine dritte Induktivität L3, eine vierte Induktivität L4, eine fünfte Induktivität L5, eine sechste Induktivität L6, eine siebte Induktivität L7, eine achte Induktivität L8, eine neunte Induktivität L9 und eine zehnte Induktivität L10. Der bidirektionale VGA 130 umfasst weiterhin einen differentiellen TR-Anschluss, einen differentiellen TX-Anschluss und einen differentiellen RX-Anschluss.
  • Der erste Verstärker 121 weist einen Vorspannungswiderstand Rb1, einen Transistor N1 und einen Transistor N2 auf und nutzt die Induktivitäten L5 und L6 als Lasten. Der erste Verstärker 121 ist als CG-Verstärker implementiert, welcher von einer ersten Gatevorspannungsspannung Vg1 von der Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 gesteuert wird.
  • Der zweite Verstärker 122 weist einen Vorspannungswiderstand Rb2a, einen Vorspannungswiderstand Rb2b, einen Transistor N3 und einen Transistor N4 auf. Der erste Verstärker 121 ist als CD-Verstärker implementiert, welcher von einer zweiten Gatevorspannungsspannung Vg2 von der Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 gesteuert wird.
  • Der dritte Verstärker 123 weist einen Vorspannungswiderstand Rb3, einen Transistor N5 und einen Transistor N6 auf und nutzt die Induktivitäten L9 und L10 als Lasten. Der dritte Verstärker 123 ist als CG-Verstärker implementiert, welcher von einer dritten Gatevorspannungsspannung Vg3 von der Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 gesteuert wird.
  • Der vierte Verstärker 124 weist einen Vorspannungswiderstand Rb4a, einen Vorspannungswiderstand Rb4b, einen Transistor N7 und einen Transistor N8 auf. Der vierte Verstärker 124 ist als CD-Verstärker implementiert, welcher von einer vierten Gatevorspannungsspannung Vg4 von der Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 gesteuert wird.
  • Wie in 5 gezeigt, empfängt die Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 ein Vorspannungssteuersignal GAINCTL zum Einstellen einer Verstärkung des bidirektionalen VGAs 130 sowie ein Modussignal MODE zur Angabe eines Sendebetriebsmodus oder eines Empfangsbetriebsmodus. Andere Konfigurationen zur Steuerung des bidirektionalen VGAs 130 sind allerdings ebenso möglich.
  • In dieser Ausführungsform erzeugt die Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 Vgl, Vg2, Vg3 und Vg4 zur Vorspannung der Verstärker A1, A2, A3 bzw. A4 sowie zur selektiven Aktivierung der Verstärker in Abhängigkeit davon, ob der bidirektionale VGA 130 in dem Sendebetriebsmodus oder dem Empfangsbetriebsmodus betrieben wird. Die Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 erzeugt darüber hinaus ein Verstärkungssignal GAINVGA zur Steuerung eines Widerstandswertes des Widerstandes R1, um die Verstärkungsparameter des bidirektionalen VGAs einzustellen, sowie ein Schaltersteuersignal SCTL zur Steuerung der Schalter S1 und S2.
  • Die Transistoren N1 und N2 (welche gemeinsam mit den Lastinduktivitäten L5 und L6 arbeiten) bilden den Eingangs-CG-Verstärker in Senderichtung. Die Induktivitäten L1 und L2 und die Kondensatoren C1 und C2 bilden das Anpassungsnetzwerk für den TR-Anschluss. Zusätzlich arbeiten die Kondensatoren C5, C6, C7 und C8 als Gleichspannungssperrkondensatoren, die dazu eingesetzt werden, den Gleichspannungsanteil der Vorspannung des variablen Widerstandes R1 von den dargestellten CG- und CD-Verstärkern zu sperren. Die Transistoren N3 und N4 bilden gemeinsam die Ausgangs-CG-Stufe in Senderichtung. Ein Anpassungsnetzwerk für den TX-Anschluss umfasst die Induktivitäten L3 und L4 sowie die Kondensatoren C3 und C4.
  • In Empfangsrichtung bilden die Transistoren N5 und N6 mit den Induktivitäten L9 und L10 den Eingangs-CG-Verstärker und die Transistoren N7 und N8 bilden den Ausgangs-CD-Verstärker. In der dargestellten Ausführungsform sind die Sourceanschlüsse der Transistoren N7 und N8 direkt mit den Sourceanschlüssen der Transistoren N1 bzw. N2 verbunden, und diese vier FETs teilen sich das Anpassungsnetzwerk des TR-Anschlusses. Dementsprechend besteht kein Bedarf an einem expliziten Sende-/Empfangsschalter. Dadurch werden verringerte Verluste und ein geringerer Bauraumbedarf erzielt.
  • Außerdem sorgt die Nutzung von CG- und CD-Verstärkern wie in 5 gezeigt für verhältnismäßig gute Isolation zwischen HF-Anschlüssen, und die Impedanzen der HF-Anschlüsse zeigen keine oder kaum Variation in Bezug auf die Einstellung des variablen Widerstands Rl. Da die CG- und CD-Verstärker gestapelte Vorrichtungen umgehen (gegenüber Kaskodenverstärkern), ermöglichen sie große Ausgangsspannungsbereiche und einen exzellenten Ausgangskompressionsarbeitspunkt, was besonders für Anwendungen mit niedriger Versorgungsspannung (VDD) wünschenswert ist.
  • Demgemäß kann der bidirektionale VGA 130 der 5 eine Anzahl von Vorteilen aufweisen, einschließlich und ohne Beschränkung der Allgemeinheit geringer Bauraumbedarf, geringe Verluste, breitbandige Anpassung von Abschlussimpedanzen, Flachheit der Verstärkung, geringe Variation der Gruppenverzögerung und/oder höheren Ausgangskompressionsarbeitspunkt bei 1 dB (OP1dB) bei einer geringen Versorgungsspannung.
  • 6 ist ein schematisches Blockschaubild eines groben Phasenschiebers 150 gemäß einer Ausführungsform. Der grobe Phasenschieber 150 umfasst einen Transistor N1a, einen Transistor Nlb, einen Transistor N2a, einen Transistor N2b, einen Vorspannungswiderstand Rbla und einen Vorspannungswiderstand Rblb. Der grobe Phasenschieber 150 umfasst einen differentiellen Eingangsanschluss IN und einen differentiellen Ausgangsanschluss OUT. Die Gatevorspannungsspannung Vgla spannt die Gates des Transistors N1a und des Transistors N1b vor, während die Gatevorspannungsspannung Vglb die Gates des Transistors N2a und des Transistors N2b vorspannt.
  • Der grobe Phasenschieber 150 kann das Paar von Eingangstransistoren eines CG-Verstärkers ersetzen, wie beispielsweise das des ersten Verstärkers AI und/oder das des dritten Verstärkers A3 der 5, um für Flexibilität bei der Bereitstellung einer 180°-Phasenverschiebung wie gewünscht zu sorgen.
  • Deshalb kann eine Phasenvertauschung in einem bidirektionalen VGA leicht erreicht werden, wenn durchgehend ein differentieller Signalpfad verwendet wird. Beispielsweise können sowohl der erste Verstärker A1 als auch der dritte Verstärker A3 mit zwei FET-Paaren mit untereinander kreuzweise verbundenen Drainanschlüssen wie in 6 gezeigt (statt mit einem einzelnen FET-Paar) ausgestaltet werden. Eine Phasenvertauschung wird dadurch erreicht, dass das ein oder das andere FET-Paar entsprechend des gewünschten Phasenverschiebung (0° oder 180°) aktiviert wird.
  • Wenn beispielsweise Vg1a hoch und Vglb tief ist, werden die Transistoren N1a und N1b leitfähig und der Verstärker ist nicht-invertierend (0° Phasenverschiebung). Wenn allerdings Vg1a tief und Vg1b hoch ist, werden die Transistoren N2a und N2b leitfähig und der Verstärker ist invertierend (180° Phasenverschiebung).
  • 7 ist ein schematisches Blockschaubild einer Verstärkungssteuerschaltung 160 für einen bidirektionalen VGA gemäß einer Ausführungsform. Die Verstärkungssteuerschaltung 160 umfasst drei Widerstandsauswahlschaltungen zur Steuerung des Widerstandswertes zwischen einem ersten Anschluss RFP und einem zweiten Anschluss RFN. Auch, wenn drei Widerstandsauswahlschaltungen in diesen Beispielen gezeigt werden, können mehr oder weniger Widerstandsauswahlschaltungen aufgenommen werden, wie durch die Auslassungszeichen angedeutet. Auch, wenn ein Beispiel einer Verstärkungssteuerschaltung dargestellt ist, können andere Ausgestaltungsformen von Verstärkungssteuerschaltungen in einem bidirektionalen VGA eingesetzt werden.
  • In bestimmten hierin aufgeführten Implementierungen wird die Anpassung der Verstärkung über einen digital gesteuerten Widerstand bewerkstelligt, welcher über den differentiellen Signalpfad hinweg verbunden ist. Beispielsweise kann dieser Widerstand als eine Vielzahl von Widerständen implementiert werden, die durch digital geschaltete FETs mit dem differentiellen Signalpfad verbunden oder von diesem getrennt werden können.
  • In der dargestellten Ausführungsform umfasst jede Widerstandsauswahlschaltung einen ersten FET, einen Widerstand und einen zweiten FET in Reihe zwischen dem ersten Anschluss RFP und dem zweiten Anschluss RFN, mit den Gateanschlüssen der FETs vorgespannt durch eine Steuerspannung unter Nutzung eines Widerstandspaares. Wie in 6 gezeigt, umfasst die erste Widerstandsauswahlschaltung beispielsweise einen Transistor N61a, einen Widerstand RR1 und einen Transistor N61b in Reihe zwischen RFP und RFN sowie Vorspannungswiderstände R61a und R61b zum Vorspannen der Gateanschlüsse von N61a bzw. N61b mit einer ersten Steuerspannung Vc1. Gleichermaßen umfasst die zweite Widerstandsauswahlschaltung einen Transistor N62a, einen Widerstand RR2 und einen Transistor N62b in Reihe zwischen RFP und RFN sowie Vorspannungswiderstände R62a und R62b zum Vorspannen der Gateanschlüsse von N62a bzw. N62b mit einer zweiten Steuerspannung Vc2. Außerdem umfasst die dritte Widerstandsauswahlschaltung einen Transistor N63a, einen Widerstand RR3 und einen Transistor N63b in Reihe zwischen RFP und RFN sowie Vorspannungswiderstände R63a und R63b zum Vorspannen der Gateanschlüsse von N63a bzw. N63b mit einer dritten Steuerspannung Vc3. Die Werte der Steuerspannungen Vc1, Vc2 und Vc3 können durch eine Vorspannungs- und Steuerschaltung eingestellt werden (beispielsweise die Vorspannungs- und Steuerschaltung 125 der 5).
  • In bestimmten Ausgestaltungsformen werden die RF-Anschlüsse des Widerstands, RFP und RFN, mit einer Gleichspannung auf einen gewünschten Gleichspannungswert (zum Beispiel eine Spannung Vsd) vorgespannt. Falls Vc1 beispielsweise höher als Vsd ist, wird RR1 zwischen RFP und RFN gekoppelt. Wenn in analoger Weise Vc2 höher als Vsd ist, wird RR2 zwischen RFP und RFN gekoppelt. Gleichermaßen wird, wenn Vc3 höher als Vsd ist, RR3 zwischen RFP und RFN gekoppelt. In manchen Ausgestaltungsformen haben die Widerstände alle identische Werte, während die Widerstandswerte oder deren reziproke Konduktanzwerte in anderen Ausgestaltungsformen mittels binärer Wichtung oder einem anderen gewünschten Gewichtungsschema gewichtet werden können.
  • 8 ist ein schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform einer mobilen Vorrichtung bzw. eines Mobilgeräts 800. Das Mobilgerät 800 beinhaltet ein Basisbandsystem 801, einen Sendeempfänger 802, ein Frontendsystem 803, Antennen 804, ein Leistungssteuerungssystem 805, einen Speicher 806, eine Benutzeroberfläche 807 und eine Batterie 808.
  • Das Mobilgerät 800 kann über eine Vielzahl von Kommunikationstechnologien kommunizieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, 2G, 3G, 4G (einschließlich LTE, LTE-Advanced und LTE-Advanced Pro), 5G NR, WLAN (beispielsweise Wi-Fi), WPAN (beispielsweise Bluetooth und ZigBee), WMAN (beispielsweise WiMAX) und/oder GPS-Technologien.
  • Der Sendeempfänger 802 erzeugt HF-Signale zur Übertragung und verarbeitet eingehende HF-Signale, die von den Antennen 804 empfangen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Funktionalitäten, die mit dem Senden und Empfangen von HF-Signalen verbunden sind, durch eine oder mehrere Komponenten erreicht werden können, die in 8 kollektiv als Sendeempfänger 802 dargestellt sind. In einem Beispiel können separate Komponenten (z.B. separate Schaltungen oder Rohchips) für die Verarbeitung bestimmter Arten von HF-Signalen bereitgestellt werden.
  • Das Frontendsystem 803 hilft bei der Aufbereitung von Signalen, die von den Antennen 804 gesendet und/oder empfangen werden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Frontendsystem 803 Phasenschieber 811, Leistungsverstärker (PAs) 811, rauscharme Verstärker („low noise amplifiers“, LNAs) 812, Filter 813, 814 und VGAs 815. Andere Implementierungsformen sind allerdings auch möglich.
  • Beispielsweise kann das Frontendsystem 803 für eine Anzahl von Funktionen sorgen, inklusive, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, Sendesignalverstärkung, Empfangssignalverstärkung, Signalfilterung, Umschaltung zwischen verschiedenen Bändern, Umschaltung zwischen verschiedenen Leistungsmodi, Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsmodi, Signalduplexen, Signalmultiplexen (beispielsweise Diplexen oder Triplexen) oder jedwede Kombination dieser Funktionen.
  • Das Mobilgerät 800 wird mit Strahlformung betrieben. Beispielsweise weist das Frontendsystem 803 Phasenschieber 810 mit variabler Phase, die durch den Sendeempfänger 802 gesteuert werden, sowie VGAs 815 mit variabler Verstärkung auf, die durch den Sendeempfänger 802 gesteuert werden. Die VGAs 815 können ein oder mehrere bidirektionale VGAs in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Lehren umfassen. In bestimmten Ausführungsvarianten steuert der Sendeempfänger 802 die Phasen der Phasenschieber 810 und die Verstärkung der VGAs 815 in Abhängigkeit von Daten, die von dem Prozessor 801 empfangen werden.
  • Die Phasenschieber 810 und die VGAs 815 werden angesteuert, um für eine Strahlformung und Richtungscharakteristik für eine Übertragung und/oder einen Empfang von Signalen unter Nutzung der Antennen 804 zu sorgen. Beispielsweise können im Zusammenhang mit einer Signalübertragung die Phasen der Sendesignale, die einem Antennenarray bereitgestellt werden, derart gesteuert werden, dass die ausgestrahlten Signale unter konstruktiver und destruktiver Interferenz kombiniert werden, um ein gebündeltes Sendesignal mit strahlartigen Eigenschaften zu erhalten, welches in einer vorgegebenen Ausbreitungsrichtung eine höhere Signalstärke aufweist. Im Zusammenhang mit einem Signalempfang können die Phasen und Verstärkungen so gesteuert werden, dass mehr Signalenergie empfangen wird, wenn das Signal an dem Antennenarray aus einer bestimmten Richtung ankommt.
  • Die VGAs 815 können in Übereinstimmung mit jeder der hierin offenbarten Ausführungsformen implementiert werden. Auch, wenn 8 ein Beispiel für eine mobile Vorrichtung zeigt, die in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Lehren ausgestalteten Phasenschieber aufweist, können die hierin beschriebenen VGAs in auf vielfältige Art und Weise ausgestalteten Kommunikationssystemen eingesetzt werden. Dementsprechend sind andere Implementierungsformen ebenfalls möglich.
  • In bestimmten Implementierungen unterstützt das Mobilgerät 800 eine Trägerbündelung und sorgt somit für eine Flexibilität um Spitzendatenraten zu erhöhen. Trägerbündelung kann sowohl für ein Frequenzaufteilungsduplexen („Frequency Division Duplexing“, FDD) als auch ein Zeitaufteilungsduplexen („Time Division Duplexing“, TDD) genutzt werden und kann dazu eingesetzt werden, eine Vielzahl von Trägern oder Kanälen zu bündeln. Trägerbündelung umfasst eine zusammenhängende Bündelung, bei der aneinandergrenze Träger innerhalb desselben Betriebsfrequenzbandes gebündelt werden. Trägerbündelung kann auch nicht zusammenhängend sein, und kann Träger umfassen, die innerhalb eines gemeinsamen Bandes oder in unterschiedlichen Bändern frequenzgetrennt sind.
  • Die Antennen 804 können Antennen umfassen, die für eine große Vielzahl unterschiedlicher Kommunikationsarten genutzt werden. Beispielsweise können die Antennen 804 Antennen zum Übertragen und/oder Empfangen von Signalen aufweisen, die mit einer großen Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen und Kommunikationsstandards verknüpft sind.
  • In bestimmten Implementierungen unterstützen die Antennen 804 MIMO-Kommunikation und/oder geschaltete Diversitätskommunikation. Zum Beispiel nutzt MIMO-Kommunikation mehrere Antennen, um mehrere Datenströme über einen einzigen Hochfrequenzkanal zu kommunizieren. MIMO-Kommunikation profitiert von einem besseren Signal-zu-Rausch-Verhältnis, von verbesserter Codierung und/oder von verminderter Signalinterferenz aufgrund räumlicher Multiplexunterschiede der Funkumgebung. Geschaltete Diversität bezieht sich auf eine Kommunikation, bei der eine bestimmte Antenne zu bestimmten Zeitpunkte für einen Betrieb ausgewählt wird. Beispielsweise kann ein Schalter genutzt werden, um eine bestimmte Antenne aus einer Gruppe von Antennen basierend auf einer Vielzahl von Faktoren auszuwählen, wie etwa eine beobachtete Bitfehlerrate und/oder ein Signalstärkenindikator.
  • In bestimmten Implementierungen weisen die Antennen 804 ein oder mehrere Anordnungen von Antennenelementen auf, um das Strahlformen zu verstärken.
  • Das Basisbandsystem 801 ist mit der Nutzerschnittstelle 807 gekoppelt, um eine Verarbeitung von verschiedentlichen Nutzereingaben und -ausgaben (I/O) wie etwa Sprach- und Datensignale zu verarbeiten. Das Basisbandsystem 801 versorgt den Sendeempfänger 802 mit digitalen Darstellungen der Übertragungssignale, die der Sendeempfänger 802 zur Erzeugung von HF-Signalen für die Übertragung verarbeitet. Das Basisbandsystem 801 verarbeitet auch digitalen Darstellungen von Empfangssignalen, die von dem Sendeempfänger 802 geliefert werden. Wie in 8 gezeigt, ist das Basisbandsystem 801 mit dem Speicher 806 gekoppelt, um einen Betrieb des Mobilgeräts 800 zu ermöglichen.
  • Der Speicher 806 kann für eine breite Vielfalt an Zwecken verwendet werden, wie etwa Speichern von Daten und/oder Anweisungen, um den Betrieb des Mobilgeräts 800 zu ermöglichen und/oder Speicher für Nutzerinformationen bereitzustellen.
  • Das Leistungssteuerungssystem 805 stellt eine Anzahl von Leistungssteuerungsfunktionen für das Mobilgerät 800 bereit. In bestimmen Implementierungen weist das Leistungssteuerungssystem 805 eine Leistungsverstärkerversorgungssteuerschaltung auf, die die Versorgungsspannungen der Leistungsverstärker 811 steuert. Beispielsweise kann das Leistungssteuerungssystem 805 dazu ausgelegt sein, die Versorgungsspannung(en), die ein oder mehreren der Leistungsverstärker 811 bereitgestellt werden, zu ändern, um ihre Effizienz zu verbessern, wie etwa den Leistungswirkungsgrad („power added efficiency“, PAE).
  • Wie in 8 gezeigt, empfängt das Leistungssteuerungssystem 805 eine Batteriespannung von der Batterie 808. Die Batterie 808 kann jede Art von geeigneter Batterie für die Nutzung in dem Mobilgerät 800 sein, einschließlich beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie.
  • 9 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform für ein Modul 680. Das Modul 680 umfasst ein Substrat 690 sowie verschiedene Strukturen, die auf dem Substrat 690 ausgebildet und/oder an das Substrat 690 angebracht sind. Beispielsweise umfasst das Modul 680 eine oder mehrere Antennenanordnungen 681, Phasenverschiebungsübertragungsleitungen 682, ein Gehäuse 683, IC(s) 684 (einschließlich einer Steuerschaltung 691 und VGAs 692 in dieser Ausführungsform), oberflächenmontierte Vorrichtungen oder SMDs 685, integrierte passive Vorrichtungen oder IPDs 686 und eine Abschirmung 687. Das Modul 680 veranschaulicht unterschiedliche Beispiele für Komponenten und Strukturen, die in einem Modul einer Kommunikationsvorrichtung vorgesehen sein können, welche ein oder mehrere in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Lehren ausgestaltete VGAs aufweisen kann.
  • Auch, wenn eine beispielhafte Kombination von Komponenten und Strukturen gezeigt ist, kann ein Modul mehr oder weniger Komponenten und/oder Strukturen umfassen.
  • 10A ist eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform eines Moduls 700. 10B ist eine entlang der Linien 10B-10B dargestellte Querschnittsansicht des Moduls 700 der 10A.
  • Das Modul 700 beinhaltet ein laminiertes Substrat oder Laminat 701, einen Halbleiterrohchip (engl. „die“) oder einen IC 702 (in 10A nicht sichtbar), Surface Mount Devices (SMDs) d.h. auf der Oberfläche anbringbare Einrichtungen (in 10A nicht sichtbar), und eine Antennenanordnung mit den Antennenelementen 710a1, 710a2, 710a3 ... 710an, 710b1, 710b2, 710b3 ... 710bn, 710c1, 710c2, 710c3 ... 710cn, 710m1, 710m2, 710m3 ... 710mn n.
  • Auch, wenn es in den 10A und 10B nicht dargestellt wird, kann das Modul 700 zusätzliche Strukturen und Komponenten aufweisen, die in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden sind. Außerdem kann das Modul 700 auf vielfältige Art und Weise modifiziert werden, je nach Wunsch für eine bestimmte Anwendung und/oder Ausgestaltungsvariante.
  • Die Antennenelemente 710a1, 710a2, 710a3 ... 710an, 710bl, 710b2, 710b3 ... 710bn, 710c1, 710c2, 710c3 ... 710cn, 710m1, 710m2, 710m3 ... 710mn sind auf einer ersten Oberfläche des Laminats 701 ausgebildet und können je nach Ausgestaltungsvariante zum Empfangen und/oder Senden von Signalen verwendet werden. Obwohl ein 4x4-Array von Antennenelementen dargestellt wird, sind mehr oder weniger Antennenelemente möglich, wie durch Auslassungszeichen dargestellt. Darüber hinaus können Antennenelemente in anderen Mustern oder Konfigurationen angeordnet werden, einschließlich beispielsweise Arrays mit ungleichmäßiger Anordnung von Antennenelementen. Darüber hinaus sind in einer weiteren Ausführungsform mehrere Antennenanordnungen vorgesehen, wie beispielsweise separate Antennenanordnungen für Senden und Empfangen.
  • In der dargestellten Ausführungsform befindet sich der IC 702 auf einer zweiten Oberfläche des Laminats 701 gegenüber der ersten Oberfläche. Es sind jedoch auch andere Implementierungen möglich. In einem Beispiel ist der IC 702 intern in das Laminat 701 integriert.
  • In bestimmten Implementierungen beinhaltet der IC 702 Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen, die den Antennenelementen 710a1, 710a2, 710a3 ... 710an, 710b1, 710b2, 710b3 ... 710bn, 710c1, 710c2, 710c3 ... 710cn, 710m1, 710m2, 710m3 ... 710mn zugeordnet sind und die in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Lehren ausgestaltete VGAs aufweisen. Auch, wenn eine Ausgestaltungsform mit einem Halbleiterchip gezeigt ist, sind die hierin offenbarten Lehren auch auf Ausgestaltungsformen mit zusätzlichen Halbleiterchips anwendbar.
  • Das Laminat 701 kann verschiedene Strukturen beinhalten, wie z.B. leitfähige Schichten, dielektrische Schichten und/oder Lötmittelmasken. Die Anzahl der Schichten, Schichtdicken und Materialien, aus denen die Schichten gebildet werden, können anhand einer Vielzahl von Faktoren ausgewählt werden und können je nach Anwendung und/oder Implementierung variieren. Das Laminat 701 kann Durchkontaktierungen beinhalten, um elektrische Verbindungen zu Signal- und/oder Massezuführungen der Antennenelemente herzustellen. Beispielsweise können Durchkontaktierungen in bestimmten Implementierungen dazu beitragen, elektrische Verbindungen zwischen HF-Signalkonditionierungsschaltungen des ICs 702 und entsprechenden Antennenelementen herzustellen.
  • Die Antennenelemente 710a1, 710a2, 710a3 ... 710an, 710bl, 710b2, 710b3 ... 710bn, 710c1, 710c2, 710c3 ... 710cn, 710ml, 710m2, 710m3 ... 710mn können den auf unterschiedlichste Weise realisierten Antennenelementen entsprechen. In einem Beispiel beinhaltet die Anordnung der Antennenelemente ein Patch-Antennenelement, das aus einer gemusterten leitenden Schicht auf der ersten Seite des Laminats 701 gebildet ist, wobei eine Masseplatte mit einer leitenden Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Laminats 701 oder innerhalb des Laminats 701 gebildet ist. Weitere Beispiele für Antennenelemente sind unter anderem Dipolantennenelemente, Keramikresonatoren, gestanzte Metallantennen und/oder Laser-Direktstrukturierungsantennen.
  • Anwendungen
  • Die Prinzipien und Vorteile der hierin beschriebenen Ausführungsformen können in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden.
  • Beispielsweise können VGAs in verschiedentlichen elektronischen Geräten implementiert werden, welche einschließen - aber nicht darauf beschränkt sein - können: Unterhaltungselektronikprodukte, Teile von Unterhaltungselektronikprodukten, elektronische Prüfgeräte usw. Beispiele für elektronische Vorrichtungen können auch einschließen - aber nicht darauf beschränkt sein - eine Basisstation, ein drahtloser Netzwerkzugriffspunkt, ein Mobiltelefon (zum Beispiel ein Smartphone), ein Tablet, ein Fernseher, ein Computermonitor, ein Computer, ein tragbarer Computer, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), eine Mikrowelle, ein Kühlschrank, ein Automobil, eine Stereoanlage, ein CD-/DVD-Spieler, eine Digitalkamera, ein tragbarer Speicherchip, eine Waschmaschine, ein Trockner, ein Kombination aus Waschmaschine und Trockner, ein Kopierer, ein Faxgerät, ein Scanner, eine multifunktionale Peripherievorrichtung, eine Armbanduhr, eine Uhr usw. Darüber hinaus können die elektronischen Geräte auch unfertige Produkte beinhalten.
  • Schlussbemerkungen
  • Sofern der Kontext nicht eindeutig etwas Anderes erfordert, sind die Worte „umfassen“, „umfassend“ und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen in einem inklusiven Sinne auszulegen, im Gegensatz zu einem exklusiven oder erschöpfenden Sinne; das heißt, im Sinne von „einschließlich, aber nicht beschränkt auf. Das Wort „gekoppelt“, wie hier allgemein verwendet, bezieht sich auf zwei oder mehrere Elemente, die entweder direkt miteinander verbunden sind oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Ebenso bezieht sich das Wort „verbunden“, wie es hier allgemein verwendet wird, auf zwei oder mehrere Elemente, die entweder direkt verbunden sind oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Darüber hinaus beziehen sich die Worte „hier“, „oben“, „unten“ und Worte von ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung als Ganzes und nicht auf einen bestimmten Teil dieser Anmeldung. Wenn der Kontext es zulässt, können Wörter in der obigen Detailbeschreibung mit der Ein- oder Mehrzahl auch die Mehr- oder Einzahl beinhalten. Das Wort „oder“ in Bezug auf eine Liste von zwei oder mehr Elementen deckt alle folgenden Interpretationen des Wortes ab: eines der Elemente in der Liste, alle Elemente in der Liste und jede Kombination der Elemente in der Liste.
  • Darüber hinaus ist die hier verwendete bedingte Sprache, wie unter anderem „könnte unter Umständen“, „könnte“, „könnte möglicherweise“, „kann“, „z.B.“, „wie“ und dergleichen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder anderweitig im Rahmen des verwendeten Kontexts verstanden, im Allgemeinen dazu bestimmt, zu vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände beinhalten, während andere Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände nicht beinhalten. Daher ist eine solche bedingte Sprache im Allgemeinen nicht dazu bestimmt, zu implizieren, dass Merkmale, Elemente und/oder Zustände in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind, oder dass eine oder mehrere Ausführungsformen notwendigerweise eine Logik beinhalten, um zu entscheiden, ob diese Merkmale, Elemente und/oder Zustände in einer bestimmten Ausführungsform enthalten sind oder ausgeführt werden sollen, mit oder ohne Einbindung oder Aufforderung durch den Autor.
  • Die vorstehende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung soll nicht abschließend sein oder die Erfindung auf die vorstehend offenbarte genaue Form beschränken. Während spezifische Ausführungsformen und Beispiele für die Erfindung vorstehend zur Veranschaulichung beschrieben sind, sind im Rahmen der Erfindung verschiedene gleichwertige Änderungen möglich, wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen werden. Während beispielsweise Prozesse oder Blöcke in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt werden, können alternative Ausführungsformen Routinen mit Schritten ausführen oder Systeme mit Blöcken in einer anderen Reihenfolge verwenden, und einige Prozesse oder Blöcke können gelöscht, verschoben, hinzugefügt, unterteilt, kombiniert und/oder geändert werden. Jeder dieser Prozesse oder Blöcke kann auf unterschiedliche Weise implementiert werden. Auch während Prozesse oder Blöcke manchmal als in Serie ausgeführt dargestellt werden, können diese Prozesse oder Blöcke stattdessen parallel oder zu unterschiedlichen Zeiten ausgeführt werden.
  • Die Lehren der hier angegebenen Erfindung können auf andere Systeme angewendet werden, nicht unbedingt auf das vorstehend beschriebene System. Die Elemente und Handlungen der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden.
  • Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindungen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur als Beispiel dargestellt und sollen den Umfang der Offenbarung nicht einschränken. Tatsächlich können die hier beschriebenen neuen Verfahren und Systeme in einer Vielzahl anderer Ausbildungen umgesetzt werden; ferner können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen in der Ausbildung der hier beschriebenen Methoden und Systeme vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Offenbarung abzuweichen. Die beiliegenden Ansprüche und deren äquivalente Ausbildungen sollen solche Ausbildungen oder Modifikationen abdecken, die in den Schutzbereich und den Grundgedanken der Offenbarung fallen.

Claims (20)

  1. Eine Mobilvorrichtung (111; 800), umfassend: ein Antennenarray (102) mit einer Vielzahl von Antennenelementen (ANT; 804); eine Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen (104a1, 104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104m1,104m2 ... 104mn; 110), die jeweils operativ einem entsprechenden der Vielzahl von Antennenelementen (ANT; 804) zugeordnet sind und jeweils einen bidirektionalen Verstärker mit variabler Verstärkung (120; 130; 815) umfassen, welcher einen ersten Verstärker (121; A1) mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss (TR) gekoppelten Eingang, einen zweiten Verstärker (122; A2) mit einem an einen Sendeanschluss (TX) gekoppelten Ausgang, einen dritten Verstärker (123; A3) mit einem an einen Empfangsanschluss (RX) gekoppelten Eingang, einen vierten Verstärker (124; A4) mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss (TR) und den Eingang des ersten Verstärkers (121; A1) gekoppelten Eingang sowie eine Schalteranordnung (S1, S2) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers (121; A1) mit einem Eingang des zweiten Verstärkers (122; A2) zu verbinden und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers (123; A3) mit einem Eingang des vierten Verstärkers (124; A4) zu verbinden; und einen elektrisch mit der Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen (104a1,104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104ml, 104m2 ... 104mn; 110) gekoppelten Sendeempfänger (105; 802).
  2. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Verstärker (121; A1) ein Verstärker mit gemeinsamem Gate ist und der vierte Verstärker (124; A4) ein Verstärker mit gemeinsamem Drain ist.
  3. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß Anspruch 2, wobei der zweite Verstärker (122; A2) ein zweiter Verstärker mit gemeinsamem Gate und der dritte Verstärker (123; A3) ein zweiter Verstärker mit gemeinsamem Drain ist.
  4. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Verstärker (121; A1) ein erstes Paar Transistoren mit einem ersten Paar von Sourceanschlüssen umfasst und der zweite Verstärker (122; A2) ein zweites Paar Transistoren mit einem zweiten Paar von Sourceanschlüssen umfasst, die direkt mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind.
  5. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schalteranordnung einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2) aufweist, welche an einem gemeinsamen Knoten miteinander verbunden sind, und der bidirektionale Verstärker mit variabler Verstärkung (120; 130; 815) weiterhin einen steuerbaren Widerstand (R1) aufweist, welcher mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist.
  6. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest einer des ersten Verstärkers (121; A1) und dritten Verstärkers (123; A3) ein erstes auswählbares Paar Eingangstransistoren und ein zweites auswählbares Paar Eingangstransistoren umfasst, von denen das erste Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl eine Signalinversion zu bewirken, und von denen das zweite Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl keine Signalinversion zu bewirken.
  7. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen (104a1,104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104ml, 104m2 ... 104mn; 110) weiterhin einen Phasenschieber (PS1) aufweist, welcher mit dem Sende-/Empfangsanschluss (TR) ist.
  8. Die Mobilvorrichtung (111; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede der Vielzahl von Hochfrequenzsignalkonditionierungsschaltungen (104a1,104a2 ... 104an, 104b1, 104b2 ... 104bn, 104m1,104m2 ... 104mn) weiterhin einen Leistungsverstärker (811) mit einem mit dem Sendeanschluss (TX) gekoppelten Eingang und einen rauscharmen Verstärker (812) mit einem mit dem Empfangsanschluss (RX) gekoppelten Ausgang umfasst.
  9. Ein bidirektionaler Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung, umfassend: einen ersten Verstärker (121; A1) mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss (TR) gekoppelten Eingang; einen zweiten Verstärker (122; A2) mit einem an einen Sendeanschluss (TX) gekoppelten Ausgang; einen dritten Verstärker (123; A3) mit einem an einen Empfangsanschluss (RX) gekoppelten Eingang; einen vierten Verstärker (124; A4) mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss (TR) und den Eingang des ersten Verstärkers (121; A1) gekoppelten Eingang; und eine Schalteranordnung (S1; S2), welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers (121; A1) mit einem Eingang des zweiten Verstärkers (122; A2) zu verbinden, und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers (123; A3) mit einem Eingang des vierten Verstärkers (124; A4) zu verbinden.
  10. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß Anspruch 9, wobei der erste Verstärker (121; A1) ein Verstärker mit gemeinsamem Gate ist und der vierte Verstärker (124; A4) ein Verstärker mit gemeinsamem Drain ist.
  11. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß Anspruch 10, wobei der zweite Verstärker (122; A2) ein zweiter Verstärker mit gemeinsamem Gate und der dritte Verstärker (123; A3) ein zweiter Verstärker mit gemeinsamem Drain ist.
  12. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß Anspruch 9, wobei der erste Verstärker (121; A1) ein erstes Paar Transistoren mit einem ersten Paar von Sourceanschlüssen umfasst und der zweite Verstärker (122; A2) ein zweites Paar Transistoren mit einem zweiten Paar von Sourceanschlüssen umfasst, die direkt mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind.
  13. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß Anspruch 12, weiterhin mit einem Paar Induktivitäten, welche mit dem ersten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind und dem zweiten Paar von Sourceanschlüssen verbunden sind, und welche dazu ausgelegt sind, eine Eingangsanpassung an den ersten Verstärker (121; A1) und eine Ausgangsanpassung an den vierten Verstärker (124; A4) zu bewirken.
  14. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Schalteranordnung einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2) aufweist, welche an einem gemeinsamen Knoten miteinander verbunden sind.
  15. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß Anspruch 14, weiterhin mit einem steuerbaren Widerstand (R1), welcher mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist.
  16. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei zumindest einer des ersten Verstärkers (121; A1) und des dritten Verstärkers (123; A3) ein erstes Paar Eingangstransistoren und ein zweites Paar Eingangstransistoren aufweist, welche auswählbar sind, von denen das erste Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl eine Signalinversion zu bewirken, und von denen das zweite Paar Eingangstransistoren dazu ausgelegt ist, im Falle einer Auswahl keine Signalinversion zu bewirken.
  17. Der bidirektionale Verstärker (120; 130) mit variabler Verstärkung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, weiterhin umfassend eine Vorspannungs- und Steuerschaltung (125), welche dazu ausgelegt ist, den dritten Verstärker (123; A3) und den vierten Verstärker (124; A4) im Sendebetriebsmodus abzuschalten und den ersten Verstärker (121; A1) und den zweiten Verstärker (122; A2) im Empfangsbetriebsmodus abzuschalten.
  18. Ein Frontendsystem (803), umfassend: einen Leistungsverstärker (811); einen Verstärker mit geringem Rauschen (812); und einen bidirektionalen Verstärker mit variabler Verstärkung (120; 130) welcher einen ersten Verstärker (121; A1) mit einem an einen Sende-/Empfangsanschluss (TR) gekoppelten Eingang, einen zweiten Verstärker (122; A2) mit einem an einen Sendeanschluss (TX) gekoppelten Ausgang, einen dritten Verstärker (123; A3) mit einem an einen Empfangsanschluss (RX) gekoppelten Eingang, einen vierten Verstärker (124; A4) mit einem an den Sende-/Empfangsanschluss (TR) und den Eingang des ersten Verstärkers (121; A1) gekoppelten Eingang sowie eine Schalteranordnung (S1, S2) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, in einem Sendebetriebsmodus einen Ausgang des ersten Verstärkers (121; A1) mit einem Eingang des zweiten Verstärkers (122; A2) zu verbinden und in einem Empfangsbetriebsmodus einen Ausgang des dritten Verstärkers (123; A3) mit einem Eingang des vierten Verstärkers (124; A4) zu verbinden.
  19. Das Frontendsystem (803) gemäß Anspruch 18, wobei der erste Verstärker (121; A1) ein Verstärker mit gemeinsamem Gate ist und der vierte Verstärker (124; A4) ein Verstärker mit gemeinsamem Drain ist.
  20. Das Frontendsystem (803) gemäß Anspruch 19, wobei der zweite Verstärker (122; A2) ein zweiter Verstärker mit gemeinsamem Gate und der dritte Verstärker (123; A3) ein zweiter Verstärker mit gemeinsamem Drain ist.
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