DE102004033268A1

DE102004033268A1 - Hochfrequenzschaltung

Info

Publication number: DE102004033268A1
Application number: DE102004033268A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr.-Ing. Alles
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-02-02
Also published as: CN1719738A; US20060009165A1

Abstract

Es ist eine Hochfrequenzschaltung mit einem Empfangsschaltkreis zum Empfang eines Signals einer Antennenvorrichtung vorgesehen. Dabei ist der Empfangsschaltkreis mit der Antennenvorrichtung über eine Diode und einen Phasenschieber verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzschaltung.
Eine Hochfrequenzschaltung des Standes der Technik ist in der 1 dargestellt. Die Antenne dient sowohl zum Empfang als auch zum Senden von Signalen. Zum Umschalten zwischen einem Sendebetrieb und einem Empfangsbetrieb sind die Dioden D₁ und D₂ vorgesehen, die in Durchlassrichtung betrieben werden um ein hochfrequentes Signal weiterzuleiten und in Sperrrichtung betreibbar sind, um ein hochfrequentes Signal zu dämpfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Hochfrequenzschaltung anzugeben, die die Zuverlässigkeit im Sendebetrieb möglichst erhöht.

Die Aufgabe wird durch die Hochfrequenzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Demzufolge ist eine Hochfrequenzschaltung mit einem Empfangsschaltkreis zum Empfang eines Signals einer Antennenvorrichtung vorgesehen. Dabei ist der Empfangsschaltkreis mit der Antennenvorrichtung über eine Diode und einen Phasenschieber verbunden. Gemäß der Erfindung gelangt ein Empfangssignal von der Antennenvorrichtung über die Diode und den Phasenschieber zum Empfangsschaltkreis. Die Verbindung umfasst dabei sowohl die erste Variante, dass der Empfangsschaltkreis mit der Antennenvorrichtung ausschließlich über eine einzige Diode und einen einzigen Phasenschieber verbunden ist, als auch jede weitere Variante, in der die Verbindung zwischen dem Empfangsschaltkreis und der Antennenvorrichtung über die die Diode, den Phasenschieber und ein oder mehrere weitere Bauelemente, wie Kondensatoren, Widerstände oder Halbleiter, besteht.

Als Diode können unterschiedliche Diodentypen verwendet werden. Vorzugsweise lässt sich durch eine an die Diode angelegte Spannung, insbesondere eine Sperrspannung oder durch einen Diodenstrom, insbesondere in Durchlassrichtung die Charakteristik der Diode für hochfrequente Signale steuern. Ein Empfangsschaltkreis ist beispielsweise ein Empfangsverstärker, der eventuell zusätzlich eine Impedanzanpassung aufweisen kann. Eine Antennenvorrichtung weist zumindest eine Antenne auf. Zusätzlich kann diese Antennenvorrichtung beispielsweise weitere Bauelemente, wie einen Kondensator oder Halbleiter aufweisen, die bevorzugt in die Antennenvorrichtung integriert sind.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Phasenschieber derart ausgebildet, dass dieser eine Totalreflexion eines an der Antenne anliegenden Sendesignals bewirkt. Die Totalreflexion bewirkt, dass das Sendesignal, dass in den Phasenschieber gelangt nahezu total refektiert wird, so dass nur eine sehr geringe Restleistung durch den Phasenschieber gelangt. Bevorzugt weist der Phasenschieber hierzu eine λ/4-Leitung auf.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Diode empfangsschaltkreisseitig und/oder der Phasenschieber antennenvorrichtungsseitig angeschlossen. Für einen empfangsschaltkreisseitigen Anschluss kann die Diode beispielsweise über einen Kondensator oder eine Impedanzanpassung an den Empfangsschaltkreis angeschlossen sein. Eine Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Diode an den Empfangsschaltkreis und/oder der Phasenschieber an die Antennenvorrichtung direkt angeschlossen sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Diode durch einen Schaltstrom in Durchlassrichtung für eine Übertragung des Signals von der Antennenvorrichtung zum Empfangsschaltkreis und vorzugsweise durch eine Sperrspannung in Sperrrichtung für eine Dämpfung von Signalen zum Empfangsschaltkreis schaltbar. Hierdurch ist beispielsweise eine Umschaltung zwischen einem Sendebetrieb und einem Empfangsbetrieb möglich, da die Signale von der Antennenvorrichtung zum Empfangsschaltkreis gedämpft werden können. Wird die Diode nicht in Durchlassrichtung von einem Strom durchflossen, sondern stromlos geschalten oder in Sperrrichtung eine Spannung aufgeschalten, bildet sich eine Raumladungszone aus die eine Dämpfung von hochfrequenten Sendesignalen bewirkt. Natürlich ist nicht zwingend für diese Funktionsweise ein reiner Gleichstrom erforderlich. So kann für diese Schaltfunktion jeder Strom in Durchlassrichtung verwendet werden, der einen für die Funktion erforderlichen Gleichanteil aufweist und beispielsweise von einem Wechselstrom überlagert ist.

Bevorzugt weist die Hochfrequenzschaltung ein Kurzschlussmittel auf, das an die λ/4-Leitung angeschlossen und derart ausgebildet ist, dass ein Kurzschluss von Hochfrequenzsignalen (HF-Signalen) nach Masse oder einem Versorgungsspannungsanschluss schaltbar ist. Dieses Kurzschlussmittel kann dabei aus einem einzigen Bauelement, wie beispielsweise einen Hochfrequenzschalttransistor, oder aus mehreren Bauelementen, wie beispielsweise aus einer weiteren Diode mit einem Kondensator bestehen. Als Versorgungsspannungsanschluss ist dabei jeder für die Funktion zur Verfügung stehende Anschluss mit jeglicher Gleichspannung und/oder Wechselspannung verwendbar, der einen Kurzschluss für die HF-Signale ermöglicht. Die Hochfrequenzsignale sind beispielsweise Störsignale oder Leistungssendesignale eines Leistungsverstärkers. Bevorzugt ist das Kurzschlussmittel dabei eine erste weitere Diode, die durch einen Schaltstrom in Durchlassrichtung den Kurzschluss bewirkt. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. sieht dabei vor, dass die Diode und die erste weitere Diode als Doppeldiode ausgebildet sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite weitere Diode, über die ein Sendeschaltkreis mit der Antennenvorrichtung verbunden ist, vorgesehen. Zwar ist prinzipiell eine direkte Verbindung zwischen dem Leistungssendeverstärker und der Antennenvorrichtung über ausschließlich die zweite weitere Diode möglich, bevorzugt ist jedoch die Verbindung über die zweite weitere Diode und weitere Bauelemente, wie einen Kondensator oder eine Impedanzanpassung, ausgebildet.

Eine Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung sieht dabei vor, dass für den Sendebetrieb die zweite weitere Diode durch einen Schaltstrom in Durchlassrichtung für eine Übertragung eines Sendesignals von dem Sendeschaltkreis zur Antennenvorrichtung schaltbar ist. Demzufolge ist es möglich, im Empfangsbetrieb den Sendeschaltkreis von der Antennenvorrichtung abzuschalten, um insbesondere die Eingangsimpedanz des Empfangsschaltkreises unabhängig von der Ausgangsimpedanz des Sendeschaltkreises auszulegen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind sowohl die erste weitere Diode als auch die zweite weitere Diode derart beschaltet, dass im Sendebetrieb sowohl die erste weitere Diode als auch die zweite weitere Diode in Durchlassrichtung bestrombar sind. Dies bewirkt zugleich eine geringe Dämpfung des Sendesignals vom Sendeverstärker zur Antennenvorrichtung und eine hohe Dämpfung des Signals vom Sendeverstärker zum Empfangsschaltkreis. Vorzugsweise werden die durch die erste weitere Diode und die zweite weitere Diode fließenden Ströme durch einen einzigen Schalterausgang eines Sende-Empfangs-Bausteins geschalten, so dass für diese Doppelfunktion lediglich ein Ausgangspin belegt werden muss.

Vorzugsweise ist der Empfangsschaltkreis und/oder der Sendeschaltkreis für eine Übertragungsfrequenz von 2,4 GHz ausgebildet. Diese Übertragungsfrequenz von 2,4 GHz ermöglicht den Einsatz dieser Hochfrequenzschaltung in neueren schnurlosen Telefonen insbesondere des neuen DECT-Standards. Daher wird die Hochfrequenzschaltung der Erfindung in einer insbesondere mobilen Sendeempfangsvorrichtung (DECT-Standard) zur Übertragung von Daten, insbesondere von Sprachdaten, verwendet. Neben Sprachdaten können natürlich auch Bilddaten oder andere Informationen beispielsweise Internetdaten eines Rechnersystem übertragen werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine Hochfrequenzschaltung des Standes der Technik, und
2 eine Hochfrequenzschaltung zum Senden und Empfangen über eine einzige Antenne.
In 2 ist eine Hochfrequenzschaltung dargestellt, die das Senden und Empfangen mittels einer einzigen Antenne antenna ermöglicht. Ein Sende-Empfangs-Baustein 1 weist für den Sendebetrieb einen Ausgang PAout eines Hochfrequenzleistungsverstärkers auf, der über eine Impedanzanpassung PAmatch, einer Diode D₁ und einen Kondensator C₁ mit der Antenne antenna verbunden ist.
Weiterhin ist der Eingang LNAin eines Hochfrequenzempfangsverstärkers mit geringem Eigenrauschen des Sende-Empfangs-Baustein 1 mit der Antenne antenna über eine Impedanzanpassung LNAmatch des Hochfrequenzempfangsverstärkers, eine Diode D₂, einen Phasenschieber, der in diesem Fall eine Lambda/4-Leitung λ/4 aufweist, und über den Kondensator C₁ verbunden.
Zwei weitere Ausgänge SWITCHoutTX und SWITCHoutRX des Sende-Empfangs-Bausteins 1 dienen zur Steuerung der Hochfrequenzbeschaltung des Sende-Empfangs-Bausteins 1. Für den Sendebetrieb ist der Ausgang SWITCHoutTX auf einem niedrigen Spannungspotential, während für den Sendebetrieb der Ausgang SWITCHoutRX auf einem hohen Spannungspotential geschalten ist. Im Empfangsbetrieb hingegen, ist der Ausgang SWITCHoutRX auf einem niedrigen Spannungspotential, während für den Empfangsbetrieb der Ausgang SWITCHoutTX auf einem hohen Spannungspotential geschalten ist.
Ziel dabei ist, dass Im Sendebetrieb die Sendesignale vom Ausgang PAout des Hochfrequenzleistungsverstärkers über den Schaltungsknoten B mit möglichst geringer Dämpfung zur Antenne antenna gelangen. Hingegen sollten die Sendesignale, die über die Schaltungsknoten B und A zum Eingang LNAin des Hochfrequenzempfangsverstärkers gelangen möglichst weitgehend gedämpft werden, um den Hochfrequenzempfangsverstärker nicht zu zerstören. Hierzu sind in der 2 mehrere Bauelemente in der Funktion als schaltbare Impedanzen für hochfrequente Signale vorgesehen.
Zunächst wird der Empfangsbetrieb näher betrachtet. Im Empfangsbetrieb fließt ein Gleichstrom in Durchlassrichtung durch die Diode D₂. Hierzu ist der Schalterausgang SWITCHoutRX auf ein niedrigeres Spannungspotential als eine Versorgungsspannung DCsupply geschaltet. Dies bewirkt einen Stromfluss von dem Versorgungsspannungs anschluss DCsupply über die Induktivität L₁, die Lambda/4-Leitung λ/4, die Diode D₂ und die Induktivität L₂ in den Schalterausgang SWITCHoutRX. Aufgrund der Polung der Diode D₂ in Durchlassrichtung können auch die von der Antenne antenna aufgenommenen Empfangssignale über die Diode D₂ zum Eingang LNAin des Sende-Empfangs-Bausteins 1 gelangen, da die Diode D₂ für die Hochfrequenzsignale lediglich eine vernachlässigbare Dämpfung des Empfangssignals bewirkt. Ebenso ist die Dämpfung der Lambda/4-Leitung λ/4 und der Impedanzanpassung LNAmatch für die Funktionsweise vernachlässigbar.
Damit weitere Bauelemente einen lediglich vernachlässigbaren Einfluss auf die gesamte Eingangsimpedanz im Empfangsbetrieb ausüben, sind diese von der Empfangsverbindung entkoppelt. Die Empfangsverbindung besteht dabei zwischen der Antenna antenna und dem Eingang LNAin des Empfangsverstärkers. Zur Enkopplung des Schalterausgangs SWITCHoutRX ist die Induktivität L₂ vorgesehen. Zur Entkopplung des Spannungsversorgungsanschlusses DCsupply ist die Induktivität L₁ vorgesehen. Weitere Entkopplungen für die hochfrequenten Empfangssignale werden durch die Dioden D₁ und D₃ bewirkt. Dabei werden die Dioden D₁ und D₃ nicht in Durchlassrichtung betrieben. Hierzu ist das Spannungspotential am Ausgang SWITCHoutTX gleich oder größer dem Versorgungsspannungspotential DCsupply. Die im Empfangsbetrieb daher in den Dioden D₁ und D₃ entstehenden Raumladungszonen bewirken eine hohe Impedanz für die Frequenz des Empfangssignals, so dass durch die Dioden D₁ und D₃ lediglich ein für die Gesamteingangsimpedanz vernachlässigbarer hochfrequenter Empfangssignalstrom fließt.
Nachfolgend wird der Sendebetrieb näher betrachtet. Im Sendebetrieb fließt ein Gleichstrom durch die Dioden D₁ und D₃ in Durchlassrichtung. Hierzu ist das Spannungspotential am Schalterausgang SWITCHoutTX für den Sendemodus um zumindest die Diodenspannung der Dioden D₁ und D₃ niedriger als das Versorgungsspannungspotential DCsupply geschalten. Dies bewirkt wiederum einen Gleichstrom von dem Versorgungsspannungsanschluss DCsupply über die Induktivität L₁, die Diode D₁, die Induktivität L₃ und dem Widerstand R₁ zum Schalterausgang SWITCHoutTX für den Sendemodus. Zudem wird ein weiterer Gleichstrom von dem Versorgungsspannungsanschluss DCsupply über die Induktivität L₁, die Lambda/4-Leitung λ/4, die Diode D₃ und den Widerstand R₂ zum Schalterausgang SWITCHoutTX für den Sendemodus bewirkt.
Da die Diode D₁ in Durchlassrichtung von dem Gleichstrom durchflossen wird, stellt die Diode D₁ für das Sendesignal kein signifikantes Dämpfungsglied dar. Das Sendesignal gelangt daher nahezu ungedämpft von dem Ausgang PAout des Hochfrequenzleistungsverstärkers des Sende-Empfangs-Bausteins 1 zur Antenne antenna.
Die Hochfrequenzschaltung nach 2 besitzt den Vorteil, dass im Sendebetrieb das Sendesignal, dass vom Ausgang PAout des Hochfrequenzieistungsverstärkers des Sende-Empfangs-Bausteins 1 zum Eingang LNAin des Hochfrequenzempfangsverstärkers des Sende-Empfangs-Bausteins 1 derart gedämpft wird, dass der Hochfrequenzempfangsverstärkers durch die verbleibende Restleistung des gedämpften Sendesignals nicht zerstört wird.
Diese Dämpfung des Sendesignals wird durch zwei unterschiedliche Dämpfungsprinzipien bewirkt. Die erste Dämpfung erfolgt durch die, zwischen die Schaltungsknoten A und B angeordnete Lambda/4-Leitung λ/4 und den Kondensator C₂ mit der Diode D₃. Da die Diode D₃ im Sendebetrieb, wie zuvor erläutert, in Durchlassrichtung von einem Gleichstrom durchflossen wird, ist der Schaltungsknoten A über die Diode D₃ und den Kondensator C₂ für die hochfrequenten Sendesignale nach Masse kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluss für die hochfrequenten Sendesignale bewirkt zusammen mit der Lambda/4-Leitung λ/4 im wesentlichen eine Totalreflexion des Sendesignals, so dass die verbleibende Restleistung des total-reflektierten Sendesignals am Schaltungsknoten A bereits sehr gering ist. Die zweite Dämpfung erfolgt durch die Diode D₂, die nicht in Durchlassrichtung durch einen Gleichstrom durchflossen wird und demzufolge eine Raumladungszone aufweist, die die verbleibende Restleistung des Sendesignals weiter dämpft.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in 2 dargestellte Ausführungsform beschränkt. So weisen beispielsweise andere Ausgestaltungsvarianten der Erfindung anstelle zumindest einer der Dioden D₁ und D₃ einen Hochfrequenzschaltungstransistor auf. Auch ist es beispielsweise möglich den Kondensator C₁ alternativ zur Ausführung der 2 in die Antenne antenna zu integrieren oder für bestimmte Antennentypen fortzulassen. Zudem ist eine Integration der Impedanzanpassung LNAmatch in den Sende-Empfangs-Baustein 1 möglich, oder auch diese kann beispielsweise fortgelassen werden, sofern eine Impedanzanpassung überhaupt erforderlich ist.
Die Hochfrequenzschaltung der 2 ist vorzugsweise für eine schnurlose Übertragung mit einer Übertragungsfrequenz von 2,4 GHz ausgebildet. Diese Übertragungsfrequenz von 2,4 GHz ermöglicht den Einsatz dieser Hochfrequenzschaltung der 2 in neueren schnurlosen Telefonen des neuen DECT-Standards. Die Hochfrequenzschaltung der
2 wird in einer mobilen oder stationären Sendeempfangsvorrichtung zur Übertragung von Daten, beispielsweise von Sprachdaten, verwendet. Neben Sprachdaten können natürlich auch Bilddaten oder andere Informationen beispielsweise eines Rechnersystem übertragen werden. Die Hochfrequenzschaltung der 2 ermöglicht durch die konkrete Anordnung der Diode D2 und der Lambda/4-Leitung λ/4 innerhalb der Hochfrequenzschaltung eine wesentliche Erhöhung der Sendeleistung, ohne dass der Empfangsschaltkreis (LNA) beschädigt wird. Eine erhöhte Sendeleistung ermöglicht es, die übertragbare Datenrate oder die Sende- beziehungsweise Empfangsreichweite des Systems zu erhöhen.

1: Sende-Empfangs-Bauelement
LNA in: Eingang eines HF-Verstärkers mit geringem Rauschen
LNAmatch, PAmatch: Impedanzanpassung
PAout: Ausgang eines HF-Leistungsverstärkers
SWITCHoutRX: Schalterausgang für Empfangsmodus
SWITCHoutTX: Schalterausgang für Sendemodus
DCsupply: Versorgungsspannung
D₁, D₂, D₃: Diode
L, L₁, L₂, L₃: Induktivität, Spule
C₁, C₂: Kapazität, Kondensator
R₁, R₂: Widerstand
λ/4: Phasenschieber, Lambda/4-Leitung
antenna: HF-Antenne
A, B: Schaltungs-Knoten

Claims

Hochfrequenzschaltung mit einem Empfangsschaltkreis (1, LNAmatch) zum Empfang eines Signals einer Antennenvorrichtung (antenna, C₁), dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsschaltkreis (1, LNAmatch) mit der Antennenvorrichtung (antenna, C₁) über eine Diode (D₂) und einen Phasenschieber (λ/4) verbunden ist.
Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (λ/4) derart ausgebildet ist, dass dieser im wesentlichen eine Totalreflexion eines an der Antennenvorrichtung (antenna, C₁) anliegenden Sendesignals bewirkt.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber eine λ/4-Leitung (λ/4) aufweist.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D₂) empfangsschaltkreisseitig und/oder der Phasenschieber (λ/4) antennenvorrichtungsseitig angeschlossen sind.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D₂) durch einen Schaltstrom in Durchlassrichtung für eine Übertragung des Signals von der Antennenvorrichtung (antenna, C₁) zum Empfangsschaltkreis (1, LNAmatch) und vorzugsweise durch eine Sperrspannung in Sperrrichtung für eine Dämpfung von Signalen zum Empfangsschaltkreis (1, LNAmatch) schaltbar ist.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Kurzschlussmittel (D₃, C₂), das an die λ/4-Leitung (λ/4) angeschlossen und derart ausgebildet ist, dass ein Kurzschluss von HF-Signalen nach Masse oder einem Versorgungsspannungsanschluss schaltbar ist.
Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlussmittel eine erste weitere Diode (D₃) aufweist, die durch einen Schaltstrom in Durchlassrichtung den Kurzschluss bewirkt.
Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D₂) und die erste weitere Diode (D₃) als Doppeldiode ausgebildet sind.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite weitere Diode (D₁), über die ein Sendeschaltkreis (1, PAmatch) mit der Antennenvorrichtung (antenna, C₁) verbunden ist.
Hochfrequenzschaltung nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Sendebetrieb die zweite weitere Diode (D₁) durch einen Schaltstrom in Durchlassrichtung für eine Übertragung eines Sendesignals von dem Sendeschaltkreis (1, PAmatch) zur Antennenvorrichtung (antenna, C₁) schaltbar ist.
Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste weitere Diode (D₃) als auch die zweite weitere Diode (D₁) derart beschaltet sind, dass im Sendebetrieb sowohl die erste weitere Diode (D₃) als auch die zweite weitere Diode (D₁) in Durchlassrichtung bestrombar sind.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Empfangsschaltkreis (1, LNAmatch) und/oder der Sendeschaltkreis (1, PAmatch) für eine Übertragungsfrequenz von 2,4 GHz ausgebildet ist.
Verwendung einer Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer insbesondere mobilen Sendeempfangsvorrichtung (DECT-Standard) zur Übertragung von Daten, insbesondere von Sprachdaten.