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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Radiofrequenz (RF)- bzw. Hochfrequenz
(HF)-Schaltungen
und im Besonderen Mehrband-RF-Schaltungen, welche an zwei oder mehr
RF-Frequenzbänder
angepasst sind, wie beispielsweise an die für GSM (Globales System für die Mobile
Kommunikation) definierten Frequenzbänder, z. B. 450 MHz (GSM 450),
900 MHz (GSM 900), 1800 MHz (GSM 1800) und 1900 MHz (GSM 1900).
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Beschreibung
des Standes der Technik
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RF-Schaltungen
werden für
eine große
Vielfalt unterschiedlicher Anwendungen verwendet. Als ein Beispiel
kann man Antennenumschaltschalter-Schaltkreise für Mobiltelefone nennen. An
den TDMA ("time
division multiple access";
zeitgemultiplexten Mehrfachzugangs)-Modus angepasste Mobiltelefone,
beispielsweise GSM-Systeme, verwenden üblicherweise Antennenumschalter
zum Koppeln eines Antennenanschlusses mit entweder einem Übertragungs-
bzw. Sendepfad oder einem Empfangspfad des Mobiltelefons.
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Ein
Antennenumschalter für
ein einzelnes Frequenzband, welcher im wesentlichen aus zwei Pin-Dioden
und einem λ/4-Wandler
besteht, ist aus der WO 88/00760 bekannt. Der Antennenumschalter
ist in 1 gezeigt. In einem Übertragungs- bzw. Sendemodus
sind beide Pin-Dioden D1 und D2 angeschaltet. Ein Sendeanschluss
PTX ist daher mit einem Antennenanschluss
PANT über
eine erste Pin-Diode D1 angeschlossen. Ein Empfangsanschluss PRX ist über
eine zweite Pin-Diode D2 mit Masse verbunden, und der sich ergebende Kurzschluss
am Empfangsanschluss PRX wird durch den λ/4-Wandler
in einen Leerlauf am Antennenanschluss PANT umgewandelt.
Der Empfangsanschluss PRX ist daher vom
Antennenanschluss PANT isoliert. In einem
Empfangsmodus sind beide Pin-Dioden D1 und D2 ausgeschaltet. Im
Empfangsmodus ist der Sendeanschluss PTX praktisch
vom Antennenanschluss PANT getrennt und
der Empfangsanschluss PRX ist mit dem Antennenanschluss
PANT über
den λ/4-Wandler verbunden
ist. Der Schaltzustand (An/Aus) der Pin-Dioden D1 und D2 wird mittels
einer Steuerspannung VDC gesteuert, welche
an einen Steueranschluss angelegt wird. Eine Spule L1 stellt einen
Gleichstrompfad zu den Pin-Dioden D1 und D2 her und ein Widerstand
R1 stellt den Gleichstrom durch die Pin-Dioden D1 und D2 ein.
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Für Mobiltelefone,
die in einem Zweifachfrequenzband-Modus oder einem Dreifachfrequenz-Modus betreibbar
sind, muss der in 1 dargestellte Antennenumschalter
verändert
werden. Bei Zweiband-Anwendungen wie GSM 900/GSM 1800 oder GSM 900/GSM
1900 kann beispielsweise eine Frequenzweichenschaltung in den gemeinsamen
Antennenpfad eingefügt
werden. Die Frequenzweichenschaltung spaltet eingehende Antennensignale
in Hochbandsignale und Tiefbandsignale auf. Die eingehenden Hochbandsignale
und Tiefbandsignale werden daraufhin einzeln an getrennte Antennenumschalter
angelegt. Daher muss ein erster Antennenumschalter für Hochbandsignale
und ein zweiter Antennenumschalter für Tiefbandsignale vorgesehen
sein, wobei jeder Antennenumschalter den Antennenpfad weiter in
einen Sendepfad und einen Empfangspfad aufspaltet. Dreibandanwendungen
wie GSM 900/GSM 1800/GSM 1900 verwenden üblicherweise ebenfalls eine
einzelne Frequenzweichenschaltung zum Aufspalten des gemeinsamen
Antennenpfads in einen Tiefband-Signalpfad (GSM 900) und einen kombinierten
Hochband-Signalpfad (GSM 1800/GSM 1900).
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Die
Verwendung einer Frequenzweichenschaltung zum Aufspalten eines am
Antennenanschluss eintreffenden Signals in Tiefband- und Hochband-Signale
führt zu
einem vergleichsweise komplexen Schaltungsaufbau. Daher sind Antennenumschalter
vorgeschlagen worden, welche so aufgebaut sind, dass sie auch die Signalaufspaltungsfunktion
einer Frequenzweichenschaltung durchführen.
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Ein
Antennenumschalter zum Koppeln einer einzelnen Antenne mit entweder
einem ersten und einem zweiten Empfänger, betreibbar in einem ersten
bzw. einem zweiten Frequenzband, und einem ersten und einem zweitem
Sender, betreibbar, um auf dem ersten bzw. dem zweiten Frequenzband
zu senden, ist aus
DE 197 04
151 bekannt. Der Antennenumschalter hat eine Mehrband-Wandlerstufe
100,
wie schematisch in
2 dargestellt. Die Mehrband-Wandlerstufe
100 umfasst
einen gemeinsamen Signaleingang
102, zwei getrennte Signalausgänge
104,
106,
zwei λ/4-Wandler
SL1, SL2, die in Reihe gekoppelt sind, und drei Schaltelemente SE3,
SE4, SE5.
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Die
zwei λ/4-Wandler
SL1, SL2, die in Reihe gekoppelt sind, stellen zusammen eine λ/4-Übertragungsleitung
in einem ersten Frequenzband dar, und jeder einzelne λ/4-Wandler SL1, SL2
stellt eine λ/4-Übertragungsleitung
für ein
zweites Frequenzband dar, welches ungefähr dem Doppelten des ersten
Frequenzbandes entspricht.
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Der
Signaleingang 102 der Mehrband-Wandlerstufe 100 ist üblicherweise
sowohl mit einer Antenne gekoppelt als auch mit einem Mehrband-Übertragungsumschalter
zum Koppeln entweder eines im ersten Frequenzband arbeitenden ersten
Senders oder eines im zweiten Frequenzband arbeitenden zweiten Senders mit
der Antenne. Der erste Signalausgang 104 kann mit einem
ersten Empfänger
gekoppelt sein, der im ersten Frequenzband empfängt, und der zweite Signalausgang 106 kann
mit einem zweiten Empfänger
gekoppelt sein, der im zweiten Frequenzband empfängt.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe 100 hat vier Betriebszustände. In
einem ersten Betriebszustand, der einer Übertragung im ersten Frequenzband
entspricht, sind die Schaltelemente SE3 und SE4 ausgeschaltet und
das Schaltelement SE5 ist angeschaltet. Der durch das Schaltelement
SE5 an einem Knoten 108 erzeugte Kurzschluss wird in einen
offenen Stromkreis bzw. Leerlauf für das erste Frequenzband am
Signaleingang 102 der Mehrband-Wandlerstufe 100 umgewandelt.
In einem zweiten Betriebszustand, welcher einem Senden im zweiten
Frequenzband entspricht, ist das Schaltelement SE3 angeschaltet
und die Schaltelemente SE4 und SE5 sind ausgeschaltet. Das Schaltelement
SE3 erzeugt daher einen Kurzschluss an einem Knoten 110.
Dieser Kurzschluss wird durch die λ/4-Übertragungsleitung SL1 in einen
Leerlauf für
das zweite Frequenzband am Signaleingang 102 umgewandelt.
In einem dritten Betriebszustand, der einem Empfangen im ersten
Frequenzband entspricht, sind die Schaltelemente SE3, SE4 und SE5
ausgeschaltet. Folglich ist der erste Signalausgang 104 Impedanz-angepasst über die
zwei λ/4-Übertragungsleitungen
SL1, SL2 mit dem Signaleingang 102 gekoppelt. In einem
vierten Betriebszustand, der einem Empfangen im zweiten Frequenzband
entspricht, ist das Schaltelement SE3 ausgeschaltet und die Schaltelemente
SE4, SE5 sind angeschaltet. Dies bedeutet, dass der zweite Signalausgang 106 Impedanz-angepasst über die
erste λ/4-Übertragungsleitung
SL1 mit dem Signaleingang 102 gekoppelt ist. Weiterhin
wird der durch das Schaltelement SE5 erzeugte Kurzschluss durch die
zweite λ/4-Übertragungsleitung
SL2, welche eine λ/4-Eigenschaft
für das
zweite Frequenzband aufweist, in einen Leerlauf am zweiten Ausgangsanschluss 106 umgewandelt.
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Der
vierte Betriebszustand bedingt, dass die zwei λ/4-Übertragungsleitungen SL1, SL2
identische Umwandlungseigenschaften aufweisen. Diese Anforderung
begrenzt jedoch die Anwendbarkeit der Mehrband-Wandlerstufe 100,
welche in 2 dargestellt ist, auf den Fall,
dass das erste Frequenzband ungefähr gleich der Hälfte des
zweiten Frequenzbandes ist. Ein weiterer Nachteil der Mehrband-Wandlerstufe 100 ist die
Tatsache, dass sich im vierten Betriebszustand, d. h. im Hochband-Empfangsmodus, zwei
Schaltelemente SE4, SE5 in einem AN-Zustand befinden. Dies führt zu einem
erheblichen Stromverbrauch in der Größenordnung von Milliampere
und verringert die Bereitschaftszeit von batteriebetriebenen Geräten. Darüber hinaus umfasst
die Mehrband-Wandlerstufe 100 zusammen drei Schaltelemente
SE3, SE4, SE5, die unter Vorspannung gesetzt werden müssen. Dies
erfordert ein vergleichsweise komplexes Vorspannungsstromnetzwerk. Das
Steuerstromnetzwerk wird sogar noch komplexer, falls die Mehrfach-Wandlerstufe 100 für Dreiband-Anwendungen
angepasst werden muss.
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Auch
leidet die Mehrband-Wandlerstufe 100 an einer beschränkten Isolierung
zwischen dem Signaleingang 102, welcher mit Sendern gekoppelt
sein kann, und den Signalausgängen 104, 106,
welche mit Empfängern
gekoppelt sein können.
Dies bedeutet, dass Abschlüsse
der Signalausgänge 104, 106 in
den ersten zwei Betriebszuständen
wichtig werden, d. h. in Sendemodi. Die Abschlüsse der Ausgangsanschlüsse 104, 106 sind
jedoch aufgrund der Randbedingungen schwierig auszulegen, welche
durch die mit den Ausgangsanschlüssen 104, 106 gekoppelten
Empfängern
auferlegt werden.
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Die
WO-A-00 41326 von Motorola, Inc. beschreibt einen Radiofrequenz-
bzw. Hochfrequenz-Umschalter zum Umschalten eines Antennenanschlusses
zwischen zwei Leistungsverstärkeranschlüssen, und
ein Empfangsanschluss umfasst einen Antennenanschluss, einen ersten
Verstärkeranschluss,
einen zweiten Verstärkeranschluss
und einen oder mehrere Diodenschalter, welche zwischen dem ersten
Verstärkeranschluss, dem
zweiten Verstärkeranschluss
und einem Massepotential angeordnet sind. Eine oder mehrere frequenzabhängige Isolierabschnitte
sind zwischen dem ersten Verstärkeranschluss,
dem zweiten Verstärkeranschluss und
dem Empfangsanschluss so angeordnet, dass die Diodenumschalter unter
Verwendung eines entsprechenden Steuereingangs gesteuert werden,
um entweder den ersten Verstärkeranschluss,
den zweiten Verstärkeranschluss
oder den Empfangsanschluss mit dem Antennenanschluss zu verbinden.
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Es
besteht daher ein Bedarf an einer Mehrband-Wandlerstufe, welche
nicht unter den Beschränkungen
der Mehrband-Wandlerstufen des Stands der Technik leidet. Es besteht
weiterhin ein Bedarf an einer Mehrband-Umschaltvorrichtung, welche
solch eine Mehrband-Wandlerstufe umfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
bestehende Bedürfnis
wird erfindungsgemäß durch
eine Mehrband-Umschaltvorrichtung befriedigt, welche eine Mehrband-Wandlerstufe
und eine Niedrigleistungsstufe umfasst. Die Mehrband-Wandlerstufe
umfasst sowohl einen gemeinsamen ersten Signalanschluss und einen
gemeinsamen zweiten Signalanschluss, als auch einen Signalpfad,
der zwischen dem ersten Signalanschluss und dem zweiten Signalanschluss
eingekoppelt ist. Der Signalpfad kann über zwei Schaltelemente zwischen
einem ersten Zustand mit einer ersten λ/4-Wandlereigenschaft für einen
ersten Sendemodus, einem zweiten Zustand mit einer zweiten λ/4-Wandlereigenschaft
für einen
zweiten Sendemodus und einem dritten Zustand mit einer Übertragungseigenschaft
für einen
Empfangsmodus umgeschaltet werden. Um zwischen jedem der drei Zustände umzuschalten,
braucht maximal eines der Schaltelemente für jeden Zustand angeschaltet
oder aktiviert zu werden.
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Die
erfindungsgemäße Mehrband-Wandlerstufe
kann in allen Mehrband-Umgebungen verwendet werden, welche ein Koppeln
einer elektrischen Komponente mit einem Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
in einem ersten Modus (dritter Zustand der Mehrband-Wandlerstufe)
und ein Entkoppeln der elektrischen Komponente vom Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
in einem zweiten Modus (erster und zweiter Zustand der Mehrband-Wandlerstufe)
benötigt.
Vorzugsweise wird die Mehrband-Wandlerstufe dazu verwendet, um in
einem Sendemodus einen Mehrband-Sendeschalter, welcher mit einem
Antennenanschluss gekoppelt ist, von einem Mehrband-Empfangsschalter
oder einem Mehrband-Sende-/Empfangs-Schalter zu entkoppeln, welcher
mit dem Antennenanschluss über
die Mehrband-Wandlerstufe gekoppelt ist.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe kann auf einfache Weise an mehr als zwei unterschiedliche
Frequenzbänder
angepasst werden, beispielsweise an Dreiband- oder Vierband-Anwendungen. In diesem
Fall kann der Signalpfad zwischen weiteren Zuständen umschaltbar sein, wobei
jeder weitere Zustand einer individuellen λ/4-Übertragungseigenschaft für ein individuelles
weiteres Frequenzband entspricht. Falls die Frequenzbänder nur
wenig voneinander beabstandet sind, kann jedoch ein einzelner Zustand
solchen Frequenzbändern zugeteilt
werden, da ein Zustand mit einer λ/4-Übertragungseigenschaft
für eines
dieser Frequenzbänder
auch eine ausreichend gute λ/4-Übertragungseigenschaft
für weitere
benachbarte Frequenzbänder
aufweisen wird.
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Erfindungsgemäß wird ein
im dritten Zustand über
einen der gemeinsamen Signalanschlüsse in die Mehrband-Wandlerstufe
eingespeistes Signal auf die anderen gemeinsamen Signalanschlüsse unabhängig von
seiner Frequenz übertragen.
Falls gewünscht,
können
daher einzelne Signalpfade für
einzelne Frequenzbänder
erst dann ausgewählt
werden, nachdem das Signal von der Mehrband-Wandlerstufe ausgegeben
worden ist. Beispielsweise kann ein gemeinsamer Signalanschluss
in mehrere einzelne Anschlüsse
aufgespalten werden. Da der Signalpfad nicht notwendigerweise innerhalb
der Mehrband-Wandlerstufe ausgewählt
werden muss, ergeben sich weniger Beschränkungen bezüglich des Aufbaus der Mehrband-Wandlerstufe. Dies
erlaubt eine weniger anspruchsvolle und flexiblere Umsetzung der
Mehrband-Wandlerstufe.
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Beispielsweise
kann der dritte Zustand des Signalpfads ohne die Notwendigkeit umgesetzt
werden, irgendein Schaltelement anzuschalten. Der Stromverbrauch
im dritten Zustand kann daher sehr niedrig gehalten werden. Darüber hinaus
ist die Verwendung der Mehrband-Wandlerstufe nicht mehr auf Frequenzbänder beschränkt, welche
ein bestimmtes Frequenzverhältnis
aufweisen. Auch können,
wenn der Signalpfad aufgespalten wird, nachdem das Signal durch
die Mehrband-Wandlerstufe
gelaufen ist, bestimmte Abschlussanschlüsse mit einer vorbestimmten
Abschlussimpedanz vorgesehen werden, wodurch eine Isolierung der
Mehrband-Wandlerstufe
im ersten und zweiten Zustand des Signalpfads verbessert wird.
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Der
umschaltbare Signalpfad der Mehrband-Wandlerstufe kann auf unterschiedliche
Arten realisiert werden. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weist der Signalpfad zwei Signalpfadabschnitte bzw. -teile auf,
die in Reihe gekoppelt sind. Beispielsweise ist ein erster Signalpfadabschnitt
zwischen dem ersten Signalanschluss der Mehrband-Wandlerstufe und
einem ersten Knoten eingekoppelt, und ein zweiter Signalpfadabschnitt
ist zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Signalanschluss der
Mehrband-Wandlerstufe eingekoppelt. Vorzugsweise weist jeder Signalpfadabschnitt
eine bestimmte λ/4-Eigenschaft
auf. Die λ/4-Eigenschaften
der jeweiligen Signalpfadabschnitte können so gewählt werden, dass der erste
Signalpfadabschnitt eine λ/4-Eigenschaft
für das
erste Frequenzband aufweist und dass der erste Signalpfadabschnitt
und der zweite Signalpfadabschnitt zusammen eine λ/4-Eigenschaft für das zweite
Frequenzband aufweisen.
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Falls
die Mehrband-Wandlerstufe in einer Mehrbandumgebung verwendet wird,
in welcher ein drittes Frequenzband auftritt, welches einen größeren Abstand
von dem ersten und zweiten Frequenzband aufweist, kann der Signalpfad
einen dritten Signal pfadabschnitt aufweisen. Dieser dritte Signalpfadabschnitt
kann in Reihe mit dem ersten und dem zweiten Signalpfadabschnitt
gekoppelt sein und kann eine λ/4-Eigenschaft aufweisen,
welche dergestalt ausgewählt
ist, dass die drei λ/4-Abschnitte
zusammen eine λ/4-Eigenschaft
für das dritte
Frequenzband aufweisen. Dieses Konzept kann analog erweitert werden,
falls vier oder mehr wesentlich unterschiedliche Frequenzbänder verwendet
werden.
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Das
Umschalten des Signalpfads kann mittels Schaltelementen durchgeführt werden,
welche vorzugsweise unabhängig
voneinander schaltbar sind. Für
jeden Signalpfadabschnitt kann ein Schaltelement vorgesehen sein.
Ein Schaltelement kann jeweils mit einem der zwei Enden eines entsprechenden
Signalpfadabschnitts gekoppelt sein. Die Schaltelemente können so
angeordnet sein, dass sie es erlauben, die entsprechenden Enden
der Signalpfadabschnitte selektiv kurzzuschließen. Aufgrund der λ/4-Eigenschaft jedes
Signalpfadabschnitts wird der Kurzschluss für ein bestimmtes Frequenzband
in einen Leerlauf an einem der Signalanschlüsse der Mehrband-Wandlerstufe umgewandelt.
Durch geeignetes Umschalten der einzelnen Schaltelemente wird der
Signalpfad daher in Bezug auf die verschiedenen λ/4-Eigenschaften einstellbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird die Mehrband-Wandlerstufe in Mehrschichttechnik oder mit diskreten
Elementen aufgebaut. Aufgrund der Tatsache, dass die Mehrband-Wandlerstufe
von relativ niedriger Komplexität
ist, kann eine standardisierte, niedrig-preisige Mehrschichttechnologie
verwendet werden. Vorzugsweise wird die Mehrband-Wandlerstufe als
eine einzelne Vorrichtung umgesetzt, was es ermöglicht, die Mehrband-Wandlerstufe
auf modulare Weise in bestehende Umgebungen einzufügen.
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Die
erfindungsgemäße Mehrband-Wandlerstufe
kann vorteilhafterweise zum Umsetzen von Mehrband-Umschaltvorrichtungen,
wie beispielsweise Mehrband-Antennenumschalter,
verwendet werden. Eine Mehrband-Umschaltvorrichtung kann eine Hochleistungsstufe
umfassen, die mit dem ersten Signalanschluss der Mehrband-Wandlerstufe
gekoppelt ist, und/oder eine Niedrigleistungsstufe, die mit dem
zweiten Signalanschluss der Mehrband-Wandlerstufe gekoppelt ist.
Vorzugsweise umfasst die Mehrband-Umschaltvorrichtung weiterhin
einen gemeinsamen Knoten, mit welchem ein Eingangs-/Ausgangs-Anschluss,
die Hochleistungsstufe und der erste Signalanschluss der Mehrband-Wandlerstufe
gekoppelt sind.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe kann dazu verwendet werden, die Hochleistungsstufe
von der Niedrigleistungsstufe zu entkoppeln. Auch kann die Mehrband-Wandlerstufe
dazu verwendet werden, den gemeinsamen Knoten der Hochleistungsstufe,
des Eingangs-/Ausgangs-Anschlusses und der Signalanschlüsse der Mehrband-Wandlerstufe
in geeigneter Weise abzuschließen.
Auf diese Weise kann an dem gemeinsamen Knoten reproduzierbar eine
vorbestimmte Impedanz erzeugt werden.
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Die
Niedrigleistungsstufe kann ein Niedrigleistungsumschalter sein,
welcher einen mit dem zweiten Signalanschluss der Mehrband-Wandlerstufe
gekoppelten ersten Signalanschluss umfasst und weiterhin eine Vielzahl
von zweiten Signalanschlüssen
umfasst, welche mit dem ersten Signalanschluss des Niedrigleistungsumschalters
gekoppelt sein können.
Mittels des Niedrigleistungsumschalters kann der einzelne Signalpfad
der Mehrband-Wandlerstufe wahlweise mit einem der Vielzahl von zweiten
Signalanschlüssen
des Niedrigleistungsumschalters verbunden werden. Beispielsweise
kann der Niedrigleistungsumschalter einen individuellen Signaleingangs-
oder -ausgangs-Anschluss für
jedes Frequenzband aufweisen. Im Fall von Mobiltelefonen, die beispielsweise
in einem GSM 900-, GSM 1800- und GSM-1900-Modus betreibbar sind,
kann der Niedrigleistungsumschalter daher drei entsprechende zweite
Signalanschlüsse
umfassen, welche als Signalausgangsanschlüsse konfiguriert sind. Der
Niedrigleistungsumschalter kann zusätzliche zweite Signaleingangs-
oder -ausgangsanschlüsse
für Signale
wie beispielsweise ein Niedrigleistungs-Übertragungssignal, ein GPS
("gobal positioning
system"; globales
Positioniersystem)-Signal oder ein Bluetooth-Signal aufweisen.
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Auch
kann die Niedrigleistungsstufe einen oder mehrere zweite Signalanschlüsse aufweisen,
welche als Hilfsanschlüsse
aufgebaut sind. Die Hilfsanschlüsse
können
mit unterschiedlichen vorbestimmten Impedanzen abgeschlossen werden.
Durch Koppeln der Mehrband-Wandlerstufe mit einer vorbestimmten
Impedanz mittels des Niedrigleistungsumschalters kann eine hohe
Isolierung der Mehrband-Wandlerstufe erreicht werden. Gemäß einer
weiteren Möglichkeit
kann der eine oder können
die mehreren Hilfsanschlüsse
als Eingangsanschlüsse
für eine
Gleichspannung dienen. Die Gleichspannung kann beispielsweise zum
Steuern von Schaltelementen oder anderen Komponenten der Mehrband-Wandlerstufe
dienen.
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Vorzugsweise
wird der Niedrigleistungsumschalter als eine MMIC ("microwave monolithic
integrated circuit";
monolithische integrierte Mikrowellen-Schaltung)-Vorrichtung realisiert. Da die Mehrband-Wandlerstufe
eine gute Isolierung zwischen der Hochleistungsstufe und der Niedrigleistungsstufe
sicherstellt, wird es möglich, Niedrigleistungs-MMIC-Vorrichtungen
zu verwenden, d. h. Standard-MMIC-Vorrichtungen, die bereits von einer
großen
Zahl von Zulieferern zu vergleichsweise niedrigen Preisen verfügbar sind.
MMIC-Niedrigleistungsumschalter haben den zusätzlichen Vorteil, dass die
Anzahl der zweiten Signalanschlüsse
des Niedrigleistungsumschalters auf einfache Weise auf 5 oder mehr
erhöht
werden kann. Die Zahl beispielsweise der Signalausgangsanschlüsse ist
daher nicht länger
durch das Design der Mehrband-Wandlerstufe beschränkt. Darüber hinaus
ist der Leistungs- bzw. Stromverbrauch der MMIC-Vorrichtungen vergleichsweise
niedrig. Daher ist auch der Gesamtstromverbrauch der Mehrband-Umschaltvorrichtung
niedrig, insbesondere dann, wenn die Schaltelemente der Mehrband-Wandlerstufe
ausgeschaltet sind.
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Modulare
MMIC-Niedrigleistungsstufen können
vorteilhafterweise mit modularen Mehrband-Wandlerstufen und Hochleistungsstufen
kombiniert werden, welche in Mehrschichttechnologie oder mit diskreten
Komponenten aufgebaut sind. Das modulare Konzept erlaubt eine verteilte
Zulieferung der einzelnen modularen Stufen von unterschiedlichen
Zulieferern und ist daher für
Produkte mit sehr hohen Stückzahlen
geeignet. Darüber
hinaus minimiert das modulare Konzept Designrisiken, da die modularen
Stufen der Mehrband-Umschaltvorrichtung aufgeteilt und getrennt
verifiziert werden können.
Auch führt
das modulare Konzept aufgrund der Möglichkeit des Aufteilens der
individuellen modularen Stufen zu mehr Flexibilität beim Design
von bedruckten Leiterplatten ("printed
circuit board";
PCB).
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Die
Mehrband-Umschaltvorrichtung wird vorzugsweise als ein Antennenumschalter
in Mobiltelefonen verwendet. Der Niedrigleistungsumschalter kann
daher als ein Mehrband-Empfangsumschalter konfiguriert sein. Auch
kann der Niedrigleistungsschalter als ein Mehrband-Sende-/Empfangsumschalter
konfiguriert sein, vorausgesetzt, dass der Mehrband-Sende-/Empfangsumschalter
nur niedrigen Übertragungsleistungen
unterworfen ist. Daher können
die Niedrigleistungs-Sendesignale in den Antennenumschalter über die
Niedrigleistungsstufe eingespeist werden. Die Hochleistungsstufe
kann einen Mehrband-Übertragungsumschalter
umfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der
folgenden ausführlichen Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung und mit Bezug auf die Zeichnungen klar, von denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Einzelband-Antennenumschalters nach
dem Stand der Technik ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Zweiband-Antennenumschalters nach
dem Stand der Technik ist;
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3a eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dreiband-Antennenumschalters
ist;
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3b eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vierband-Antennenumschalters
ist;
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4 eine
schematische Darstellung eines grundsätzlichen Simulationsaufbaus
für den
Dreiband-Antennenumschalter aus 3 ist;
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5 eine
Tabelle ist, welche Simulationsmodelle und Datensätze zeigt,
die für
den Simulationsaufbau aus 4 verwendet
werden; und
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6 die
Simulationsergebnisse des Simulationsaufbaus aus 4 zeigt.
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BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 3a ist
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrband-Umschaltvorrichtung
in Form eines Dreiband-Antennenumschalters 10 veranschaulicht.
Der Antennenumschalter 10 ist Teil eines Mobiltelefons,
das in drei Frequenzbändern
in Übereinstimmung
mit GSM 900, GSM 1800 und GSM 1900 betreibbar ist.
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Der
in 3a dargestellte Antennenumschalter hat eine modulare
Struktur und besteht im wesentlichen aus einer Hochleistungsstufe 12,
einer Mehrband-Wandlerstufe 14 und einer Niedrigleistungsstufe 16. Ein
Signalausgang 18 der Hochleistungsstufe 12, ein
erster Signalanschluss 20 der Mehrband-Wandlerstufe 14 und
ein als Antennenanschluss 22 aufgebauter Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
sind jeweils mit einem Knoten 24 gekoppelt. Ein zweiter
Signalanschluss 26 der Mehrband-Wandlerstufe 14 ist
mit einem Signaleingangsanschluss 28 der Niedrigleistungsstufe 16 verbunden.
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Die
Hochleistungsstufe 12 ist in Mehrlagentechnologie aufgebaut
und wird als ein Mehrband-Sendeschalter verwendet. Sie umfasst einen
ersten Signaleingang 30 und einen zweiten Signaleingang 32,
die mit entsprechenden, in 3a nicht
dargestellten Sendern gekoppelt sind. Der erste Signaleingang 30 wird
als gemeinsamer GSM 1800/GSM 1900-Signaleingang verwendet, d. h.
als Hochbandsignaleingang. Der zweite Eingang 32 wird als
GSM 900-Signaleingang verwendet, d. h. als Tiefbandsignaleingang.
Ein erster Hochleistungssignalpfad 34 ist zwischen dem
Hochbandsignaleingang 30 und einem Knoten 36 eingekoppelt.
Ein zweiter Hochleistungssignalpfad 38 ist zwischen dem
Tiefband-Signaleingang 32 und dem Knoten 36 eingekoppelt. Jeder
Hochleistungssignalpfad 34, 38 umfasst ein Tiefpassfilter 40, 42,
gefolgt von einem Schaltelement in Form einer Pin-Diode D3, D4.
Die Tiefpassfilter 40, 42 verringern den Pegel
von Übertragungs-Störsignalen bei
harmonischen Frequenzen. Die Hochleistungsstufe 12 umfasst
weiterhin ein individuelles, in 3 nicht gezeigtes
Steuerstromnetzwerk für
jede Pin-Diode D3, D4. Jedes Steuerstromnetzwerk kann wie das in 1 gezeigte
Steuerstromnetzwerk aufgebaut sein.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe 14 hat einen einzelnen Signalpfad 50,
welcher den ersten Signalanschluss 20 und den zweiten Signalanschluss 26 der
Mehrband-Wandlerstufe 14 verbindet.
Der Signalpfad 50 ist aus zwei Signalpfadabschnitten in
Form einer ersten Übertragungsleitung
T1 und einer zweiten Übertragungsleitung
T2, die in Reihe gekoppelt sind, aufgebaut. Die erste Übertragungsleitung
T1 ist so aufgebaut, dass sie ungefähr eine λ/4-Eigenschaft für die zwei
Frequenzbänder
von 1800 MHz und 1900 MHz aufweist, welche GSM 1800 und GSM 1900
entsprechen. Die zweite Übertragungsleitung
T2 ist so aufgebaut, dass die zwei Übertragungsleitungen T1 und
T2 in Reihe gekoppelt ungefähr
eine λ/4-Eigenschaft
für das
Frequenzband bei 900 MHz aufweisen, welches GSM 900 entspricht.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe 14 umfasst weiterhin zwei Schaltelemente
in Form von Pin-Dioden D1 und D2. Die zwei Pin-Dioden D1, D2 können unabhängig voneinander
mittels eines in 3a nicht gezeigten individuellen
Steuerstromnetzwerks geschaltet werden. Jedes Steuerstromnetzwerk
kann wie das in 1 gezeigte Steuerstromnetzwerk
aufgebaut sein und kann eine Spule und einen Widerstand umfassen.
Die erste Pin-Diode D1 ist zwischen Masse und einem Knoten 52 eingekoppelt,
welcher die zwei Übertragungsleitungen T1,
T2 verbindet. Die zweite Pin-Diode D2 ist zwischen einem Knoten 54 und
Masse eingekoppelt. Der Knoten 54 ist weiterhin mit dem
zweiten Signalanschluss 26 der Mehrband-Wandlerstufe 14 und
einem Ende der zweiten Übertragungsleitung
T2 gekoppelt, das der Niedrigleistungsstufe 16 zugewandt
ist.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe 14 ist ebenfalls in Mehrlagentechnik
aufgebaut. Gemäß dem modularen Gesichtspunkt
der Erfindung werden die Hochleistungsstufe 12 und die
Mehrband-Wandlerstufe 14 als individuelle Stufen auf unterschiedlichen
Substraten realisiert. Alternativ hierzu könnten die Hochleistungsstufe 12 und
die Mehrband-Wandlerstufe 14 auf
einem einzigen Mehrlagen-Substrat integriert sein.
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Die
Niedrigleistungsstufe 16 ist grundsätzlich eine Empfangsschaltmatrix
mit einem Signaleingangsanschluss 28, der mit dem zweiten
Signalanschluss 26 der Mehrband-Wandlerstufe 14, drei Signalausgangsanschlüssen 56, 58, 60 und
einem Hilfsanschluss 62 gekoppelt ist. Die Niedrigleistungsstufe 16 hat
einen Signaleingang 64 für ein Steuersignal, welches
angibt, welcher der Anschlüsse 56, 58, 60, 62 mit
dem Signaleingangsanschluss 28 der Niedrigleistungsstufe 16 zu
koppeln ist. Die Niedrigleistungsstufe 16 hat für jedes Frequenzband
einen Signalausgangsanschluss. Der Signalausgangsanschluss 56 bestimmt
den 1900 MHz-Signalpfad und ist mit einem 1900 MHz-Empfänger gekoppelt.
Der Signalausgangsanschluss 58 bestimmt den 1800 MHz-Signalpfad
und ist mit einem 1800 MHz-Empfänger
gekoppelt. Als Letztes definiert der Signalausgangsanschluss 60 den
900 MHz-Signalpfad und ist mit einem 900 MHz-Empfänger gekoppelt.
Die Empfänger
sind in 3a nicht dargestellt. Der Hilfsanschluss 62 wird
mit einer vorbestimmten festen Impedanz abgeschlossen. Die Funktion
des Hilfsanschlusses wird weiter unten genauer geschrieben.
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Nun
werden die unterschiedlichen Betriebsmodi des Antennenumschalters 10 in
Bezug auf die folgende Tabelle beschrieben:
-
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Zunächst wird
der Hochband-Sendemodus beschrieben, d. h. das Senden im 1800 MHz-Band
oder im 1900 MHz-Band. Im Hochband-Sendemodus wird entweder ein
GSM 1800-Sendesignal oder ein GSM 1900-Sendesignal an den ersten
Signaleingang 30 der Hochleistungsstufe 12 angelegt.
Die Pin-Diode D3 ist angeschaltet und die Pin-Diode D4 ist ausgeschaltet.
Folglich wird entweder das GSM 1800-Sendesignal oder das GSM 1900-Sendesignal
zum Antennenanschluss 22 geführt. In der Mehrband-Wandlerstufe 14 ist
während
eines Hochband-Sendens die Pin-Diode D1 angeschaltet und die Pin-Diode
D2 ist ausgeschaltet. Dies entspricht dem ersten Zustand des Signalpfads 50,
in welchem der Kurzschluss am Knoten 52 durch die erste Übertragungsleitung
T1, welche eine λ/4-Wandlereigenschaft
bei Hochbandfrequenzen aufweist, in einen Leerlauf am ersten Signalanschluss 20 der
Mehrband-Wandlerstufe 14 umgewandelt wird. Folglich bleibt
die Niedrigleistungsstufe 16 von der Hochleistungsstufe 12 und
dem Antennenanschluss 22 isoliert.
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Im
Tiefband-Sendemodus wird ein GSM 900-Sendesignal an den zweiten
Signaleingang 32 der Hochleistungsstufe 12 angelegt.
Die Pin-Diode D3 ist ausgeschaltet und die Pin-Diode D4 ist angeschaltet.
Folglich wird das GSM 900-Sendesignal zum Antennenanschluss 22 geführt. In
der Mehrband-Wandlerstufe 14 ist im Tiefband-Sendemodus die Pin-Diode
D1 ausgeschaltet und die Pin-Diode D2 angeschaltet. Dies entspricht dem
zweiten Zustand des Signalpfads 50 der Mehrband-Wandlerstufe,
in welchem der Signalpfad 50 eine λ/4-Wandlereigenschaft für das 900
MHz-Sendesignal
aufweist. Der Kurzschluss an Knoten 54 wird durch die zwei Übertragungsleitungen
T1, T2 in einen Leerlauf am ersten Signaleingang 20 der
Mehrband-Wandlerstufe 14 umgewandelt.
Folglich ist die Niedrigleistungsstufe 16 von sowohl der
Hochleistungsstufe 12 als auch dem Antennenanschluss 22 im
Tiefband-Sendemodus
isoliert.
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Die
Niedrigleistungsstufe 16 ist als eine GaAs-MMIC-Empfangsschaltmatrix
aufgebaut. Solche GaAS-MMIC-Vorrichtungen erzeugen üblicherweise
Fehlsignale bei harmonischen Frequenzen als Antwort auf Hochleistungsausgangssignale
in Sendemodi. Diese Fehlsignale werden intern erzeugt und tauchen
letztendlich am Antennenanschluss 22 auf. Jedoch kann keine
weitere Tiefpassfilterung am Antennenanschluss 22 vorgesehen
werden. Daher müssen
Fehlsignale unterhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, die beispielsweise
im GSM-Standard vorgegeben sind. Im Antennenumschalter 10 nach 3a sind
am Knoten 24 vorhandene Sendesignale ausreichend durch
die Höhe
der durch die Mehrband-Wandlerstufe 14 bereitgestellten
Isolierung gedämpft,
so dass eine Fehlsignalerzeugung innerhalb der Niedrigleistungsstufe 16 sogar
ohne ein Ergreifen weiterer Maßnahmen
gering gehalten wird.
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In
den Hochband- und Tiefband-Sendemodi ist die Niedrigleistungsstufe 16 dergestalt
geschaltet, dass der Signalausgang 26 der Mehrbandwandlerstufe 14 mit
dem Hilfsanschluss 62 gekoppelt ist, welcher mit einer
bestimmten Impedanz abgeschlossen ist. Solch ein fester Abschluss
ist vorteilhaft, weil herausgefunden wurde, dass eine Sperrband-Dämpfung der
Tiefpassfilter 40, 42, die innerhalb der Hochleistungsstufe 12 angeordnet
sind, durch die am Knoten 24 vorhandene Impedanz beeinträchtigt wird.
Eine beste Sendeleistung wird dann erreicht, wenn die Systemimpedanz
von beispielsweise 50 Ω am
Knoten 24 vorhanden ist. In dem in 2 beschriebenen
Stand der Technik wurde jedoch gefunden, dass ungenutzte Anschlüsse, wie
die Signalausgänge 104, 106,
welche sowohl mit den Signaleingängen 102 als
auch entsprechende Empfängern
gekoppelt sind, eine veränderliche
Impedanz in den Sendemodi zeigen. Dies basiert auf der Tatsache,
dass Empfängerfilter
im Sendemodus zu einer Fehlanpassung an den Signalausgängen 104, 106 führen. Eine
veränderliche
Impedanz an den Signalausgängen 104, 106 kann
jedoch die Impedanz der Schaltelemente SE3, SE4, SE5 der Mehrband-Wandlerstufe 100 dergestalt
verändern,
dass kein effektiver Kurzschluss erzeugt wird. Daher kann keine
korrekte Umwandlung in eine Leerlauf-Impedanz am Signaleingang 102 der
Mehrband-Wandlerstufe 100 erreicht werden. Dies beeinflusst üblicherweise
die Anpassung sowohl der entsprechenden Sender als auch auf die
Leistung der Tiefpassfilter innerhalb einer mit dem Signaleingang 102 gekoppelten
Hochleistungsstufe.
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Dieses
Problem von Antennenumschaltern nach dem Stand der Technik wird
durch die Implementierung des Hilfsanschlusses 62 gelöst, der
einen festen Abschluss des Signalausgangs 26 der Mehrband-Wandlerstufe
in Sendemodi erlaubt. Durch Aktivieren des Hilfsanschlusses 62 kann
daher die Impedanz am Knoten 24 konstant gehalten werden.
Jedes Sendesignal wird daher aufgrund der von der Mehrband-Wandlerstufe 14 bereitgestellten
Isolierung und zusätzlich
durch die Isolierung der Niedrigleistungsstufe 16 bei aktiviertem Hilfsanschluss 60 gedämpft. Die
maximalen Eingangsleistungsanforderungen der Empfängerfilter
können
entsprechend herabgesetzt werden. Hochleistungs-Empfangssägezahnfilter
sind daher nicht länger
notwendig. Die Größe der Sägezahnfilterstrukturen
kann daher verringert werden. Weiterhin ergeben sich Vorteile für Mehrfach-Burst-Übertragungsmodi,
so wie sie von GPRS ("general
packet radio systems";
allgemeine Paketradiosysteme) verlangt werden.
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Bis
jetzt sind der Tiefband- und der Hochband-Sendemodus veranschaulicht
worden. Als Nächstes wird
der Empfangsmodus beschrieben. Der Empfangsmodus entspricht dem
dritten Zustand des Signalpfads 50 innerhalb der Mehrband-Wandlerstufe 14.
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Im
Empfangsmodus sind alle Pin-Dioden D1, D2, D3, D4 ausgeschaltet,
daher ist der Stromverbrauch des Antennenumschalters 10 im
Empfangsmodus sehr niedrig.
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Da
beide Pin-Dioden D1, D2 der Mehrband-Wandlerstufe 14 im
dritten Zustand ausgeschaltet sind, können die zwei Übertragungsleitungen
D1, D2 als eine reine Übertragungsleitung
ohne λ/4-Wandlereigenschaft
angesehen werden. Im Empfangsmodus ist einer der Signalausgangsanschlüsse 56, 58, 60,
d. h. ein entsprechender Empfänger,
mit dem Antennenanschluss 22 in einer Impedanzangepassten
Weise gekoppelt.
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In 3b ist
eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrband-Umschaltvorrichtung
in Form eines Vierband-Antennenumschalters 10 gezeigt.
Der Antennenumschalter 10 ist Teil eines Mobiltelefons,
das in vier Frequenzbändern
in Übereinstimmung
mit GSM 450, GSM 900, GSM 1800 und GSM 1900 betreibbar ist. Der
in 3b gezeigte Antennenumschalter 10 hat
einige Ähnlichkeiten
mit dem in 3 gezeigten Antennenumschalter.
Die gleichen Bezugsziffern werden daher für entsprechende Komponenten
verwendet.
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Der
in 3b gezeigte Antennenumschalter 10 hat
erneut eine modulare Struktur und umfasst eine Hochleistungsstufe 12,
eine Mehrband-Wandlerstufe 14 und eine Niedrigleistungsstufe 16.
Die Hochleistungsstufe 16 ist in Mehrlagentechnologie aufgebaut
und wird als ein Mehrband-Sendeumschalter mit einem ersten Signaleingang 30 verwendet,
welcher mit einem GSM 450-Übertrager
gekoppelt ist, und mit einem zweiten Signaleingang 32,
der mit einem GSM 900-Sender gekoppelt ist.
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Die
Mehrband-Wandlerstufe 14 ist in Mehrlagentechnologie aufgebaut.
Eine erste Übertragungsleitung
T1 der Mehrband-Wandlerstufe 14 ist so aufgebaut, dass
sie ungefähr
eine λ/4-Eigenschaft
für das
Frequenzband von 900 MHz aufweist, welches GSM 900 entspricht. Eine
zweite Übertragungsleitung
T2 der Mehrband-Wandlerstufe 14 ist so aufgebaut, dass
die zwei Übertragungsleitungen
T1 und T2 zusammen ungefähr
eine λ/4-Eigenschaft
für das
Frequenzband von 450 MHz aufweisen, welches GSM 450 entspricht.
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Die
Niedrigleistungsstufe 16 ist als Sende-/Empfangs-Umschaltmatrix
mit einem einzelnen Signaleingangs-/ausgangs-Anschluss 28 aufgebaut,
der mit einem zweiten Signalanschluss 26 der Mehrband-Wandlerstufe 14,
vier Signalausgangsanschlüssen 56, 58, 60, 66,
einem Signaleingangsanschluss 68, einem Hilfsanschluss 62 und
einem Steuersignaleingang 64 gekoppelt ist. Die Signalausgangsanschlüsse 56, 58, 60, 66 sind
mit einem 1900 MHz-Empfänger,
einem 1800 MHz-Empfänger,
einem 900 MHz-Empfänger
bzw. einem 450 MHz-Empfänger
gekoppelt. Die Empfänger
sind in 3a nicht dargestellt. Der Hilfsanschluss 62 wird
mit einer vorbestimmten Impedanz abgeschlossen.
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Der
Eingangsanschluss 68 der Niedrigleistungsstufe 16 ist
entweder mit einem GSM 1800-Sendepfad oder einem GSM 1900-Sendepfad
einer in 3b nicht dargestellten Sendestufe
gekoppelt. Die am Signaleingang 68 maximal auftretende
Sendeleistung beträgt
30 dBm. Daher kann die Niedrigleistungsstufe 16 als eine
GaAs-MMIC-Sende-/Empfangs-Schaltmatrix
aufgebaut sein. Üblicherweise
können
solche GaAs-MMIC-Vorrichtungen Leistungen bis zu ungefähr 30 dBm
bewältigen.
Daher kann der Wert von 30 dBm als eine Grenze in Bezug auf Niedrigleistungs-
und Hochleistungssignale dienen. Zukünftig werden bei höheren Leistungen
betreibbare MMIC-Vorrichtungen
verfügbar
werden. Daher kann sich die Grenze zwischen Niedrigleistungs-Signalen
und Hochleistungs-Signalen entsprechend verschieben.
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Der
Betrieb des in 3b gezeigten Antennenumschalters 10 ist ähnlich dem
Betrieb des Antennenumschalters aus 3a. Daher
wird eine detaillierte Beschreibung ausgelassen. Die unterschiedlichen
Betriebsmodi des in 3b dargestellten Antennenumschalters 10 sind
in der folgenden Tabelle gezeigt:
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In 4 ist
ein Simulationsaufbau für
den in 3a gezeigten Antennenumschalter 10 gezeigt.
Die Simulation beruht auf gemessenen S-Parameter-Daten der Pin-Diode
BAR 63 und zusätzlichen
Simulationsmodellen, die in der HPADS-Bibliothek verfügbar sind,
wie in 5 gezeigt ist. Die Simulation umfasst nicht die
Niedrigleistungsstufe 16 zum wahlweisen Koppeln des Signalausgangs 26 der
Mehrbandwandlerstufe 14 mit einzelnen Empfängern oder
Hilfsanschlüssen.
Darüber
hinaus sind auch die Tiefpassfilter 40, 42 der
Hochleistungsstufe 12 nicht in den Simulationsaufbau aufgenommen
worden. Es ist weiterhin anzumerken, dass der Simulationsaufbau
keine Komponenten enthält,
welche zum Anlegen einer Vorspannung an die Pin-Dioden benötigt werden.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, sind die Spulen L3 und L4 parallel
zu den Pin-Dioden D3 und D4 geschaltet, um die Isolierung der ersten
und zweiten Signaleingänge 30, 32 der
Hochleistungsstufe zu verbessern. Im Hochband-Sendemodus wird ein
reihenresonanter Schaltkreis, der aus den parasitären Induktanzen
der Pin-Diode D1 und des Kondensators C1 besteht, in einen Leerlauf
am Antennenanschluss 22 umgewandelt. Im Tiefband-Sendemodus
wird ein Kurzschluss, der durch die serielle Resonanzschaltung erzeugt
wird, welche aus der parasitären
Induktanz der Pin-Diode D2 und des Kondensators C2 besteht, ebenfalls
in einen Leerlauf am Antennenanschluss 22 umgewandelt.
Die basierend auf dem Simulationsmodell aus 4 berechneten
Einfügungsverluste
sind in 6 gezeigt.