Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu
schaffen, die es ermöglicht,
in Verbindung mit einem Sendegerät
und/oder einem Empfangsgerät
eine besonders effiziente Ausnutzung einer zur Verfügung stehenden
Hochfrequenzleistung zu ermöglichen.
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die
vorliegende Erfindung schafft ein Anpassnetzwerk zur Anpassung einer
Antenne an einen Sender oder Empfänger mit einem Eingangstor zum
Empfangen einer Hochfrequenzleistung und einem Ausgangstor. Das
Anpassnetzwerk umfasst ferner eine schaltbare Impedanztransformations-Schaltung,
die zwischen das Eingangstor und das Ausgangstor geschaltet ist.
Die Impedanztransformations-Schaltung umfasst einen CMOS-Schalter in einem
Hochfrequenz-Pfad, wobei der CMOS-Schalter einen ersten Schaltzustand
und einen zweiten Schaltzustand aufweist. Die Impedanztransformations-Schaltung ist ausgelegt,
um in dem ersten Schaltzustand eine erste an dem Ausgangstor anliegende
Impedanz an eine erste vorgegebene Impedanz anzupassen, und um in
dem zwei ten Schaltzustand eine zweite an dem Ausgangstor anliegende Impedanz
an eine zweite vorgegebene Impedanz anzupassen.
Es
ist somit der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, durch einen
in dem Hochfrequenz-Pfad liegenden CMOS-Schalter in Abhängigkeit von einem Schaltzustand
des CMOS-Schalters festzulegen,
für welche
von mindestens zwei möglichen
an dem Ausgangstor anliegenden Impedanzen eine Anpassung besteht.
Es hat sich hierbei gezeigt, dass ein Anpassnetzwerk, das einen
CMOS-Schalter in dem Hochfrequenz-Pfad umfasst, die bei gegenwärtigen Anwendungen
auftretenden Anforderungen in besonders guter Weise erfüllt. So
ermöglicht
das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk
eine Anpassung einer Antenne unter wechselnden Umweltbedingungen,
wobei die Anpassung der Antenne durch Veränderung des Schaltzustands
des CMOS-Schalters schnell an wechselnde Umweltbedingungen anpassbar
ist. Somit wird durch die Verwendung des CMOS-Schalter in dem Anpassnetzwerk
ermöglicht, die
Anpassung dynamisch während
eines Sendebetriebs oder während
eines Empfangsbetriebs zu verändern.
Durch die Verwendung von sehr schnellen CMOS-Schaltern wird dabei
eine Veränderung
des Anpassungs-Zustands während
des laufenden Betriebs ermöglicht,
da die CMOS-Schalter so schnell geschaltet werden können, dass
während
des Umschaltvorgangs von dem ersten Schaltzustand in den zweiten
Schaltzustand keine Information, die über das Anpassnetzwerk übertragen
wird, verloren geht.
Der
CMOS-Schalter ist ferner besonders problemlos mechanisch in ein
Anpassnetzwerk integrierbar, da ein CMOS-Schalter typischerweise besonders geringe
Abmessungen hat. Ferner sind CMOS-Schalter im Rahmen einer integrierten
Schaltungstechnologie kostengünstig
herstellbar. Ein weiterer besonderer Vorteil bei Verwendung eines CMOS-Schalters
in einem Anpassnetzwerk besteht darin, dass ein CMOS-Schalter leistungslos
steuerbar ist. In anderen Worten, in einem statischen Zustand des
CMOS-Schalters ist keine Steuerleistung zur Einstellung des Schaltzustandes
erforder lich. Lediglich bei einem Umschalten zwischen zwei Schaltzuständen muss
eine geringe Ansteuerleistung aufgebracht werden. Somit eignet sich
ein CMOS-Schalter besonders gut für mobile Anwendungen, in denen
einer Minimierung des Leistungsverbrauchs hohe Bedeutung zukommt.
Ferner
bringt ein erfindungsgemäßes Anpassnetzwerk
deutlich geringere Transmissionsverluste mit sich als dies bei herkömmlichen
Anpassnetzwerken der Fall ist. So entfällt bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
die Notwendigkeit, eine reflektierte Leistung in Wärme umzusetzen,
bzw. zu dissipieren. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
mit einer durch einen CMOS-Schalter schaltbaren Impedanztransformations-Schaltung
wird ein herkömmlicherweise
verwendeter Isolator überflüssig. Die
Einsparung eines Isolators ist sehr vorteilhaft, da der Isolator bei
der Übertragung
in der Vorwärtsrichtung
einen nicht unerheblichen Transmissionsverlust bzw. Übertragungsverlust
aufweist. Ferner dissipiert der Isolator in der Rückwärtsrichtung
fliessende Leistung zumindest teilweise.
Durch
den Einsatz eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
kann somit durch Verringerung bzw. Unterdrückung einer Reflexion einer
Leistung verhindert werden, dass eine mit dem Anpassnetzwerk gekoppelte
Schaltungsanordnung beispielsweise durch eine Fehlanpassung in einen nicht-linearen
Betriebspunkt gebracht wird. Ist beispielsweise ein Ausgangs-Leistungsverstärker über das
erfindungsgemäße Anpassnetzwerk
mit einer Antenne gekoppelt, so wird durch das Anpassnetzwerk eine
durch die Antenne reflektierte Leistung im Vergleich zu herkömmlichen
Schaltungsanordnungen wesentlich verringert. Damit wird der Soll-Arbeitspunkt
des Leistungsverstärkers
auch dann nicht verändert,
wenn die Antenne Umwelteinflüssen
ausgesetzt ist, die ihre Fusspunktimpedanz verändern. Erfindungsgemäß kann in
diesem Fall nämlich
das Anpassnetzwerk durch Verändern
des Schaltzustands des CMOS-Schalters
sehr schnell in einen solchen Zustand versetzt werden, dass die
veränderte
Fusspunktimpedanz der Antenne wiederum hinreichend gut angepasst
ist. Somit kann der Leistungsverstärker weiterhin an seinem Soll-Betriebspunkt betrieben
werden, wodurch der Leistungsverstärker typischerweise eine optimale
Linearität
zeigt.
Ferner
ermöglicht
es das beschriebene Anpassnetzwerk, eine einzige Antenne für verschiedene
Frequenzbänder
zu verwenden, ohne dass es erforderlich ist, dass die Antenne für die verschiedenen Frequenzbänder optimiert
ist. Durch das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk
kann nämlich
durch einfaches Verändern
des Schaltzustands des CMOS-Schalters zwischen zwei verschiedenen
Anpassungszuständen
hin und her geschaltet werden. Somit kann, ansprechend auf eine
Einstellung des Zustands des CMOS-Schalters, eine bestmögliche Anpassung
sowohl in einem ersten von mehreren verwendeten Frequenzbändern als
auch in einem zweiten von mehreren möglichen Frequenzbändern erzielt
werden.
Es
zeigt sich also, dass ein erfindungsgemäßes Anpassnetzwerk sich ideal
als ein schnell schaltbares dynamisches Anpassnetzwerk eignet. Das
Anpassnetzwerk ist in Verbindung mit einer Einband-Antenne vorteilhaft
einsetzbar, wenn sich die Fusspunktimpedanz der Einband-Antenne
durch Veränderung
der Umgebungsbedingungen verändert.
Das Anpassnetzwerk ermöglicht
ferner einen Mehrband-Betrieb mit einfachen Antennen.
Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Impedanztransformations-Schaltung so ausgelegt, dass durch
Schalten des CMOS-Schalters ein Impedanztransformations-Element wahlweise
von der Impedanztransformations-Schaltung elektrisch abgetrennt,
mit der Impedanztransformations-Schaltung
elektrisch verbunden, aktiviert, deaktiviert, ganz kurzgeschlossen
oder teilweise kurzgeschlossen werden kann. Somit kann der CMOS-Schalter
ideal mit einem Impedanzelement wie beispielsweise einem Widerstand,
einer Induktivität,
einer Kapazität
oder einer Übertragungsleitung
zusammenwirken.
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst
das Anpassnetzwerk mindestens zwei Eingangstore oder mindestens
zwei Ausgangstore. Das Anpassnetzwerk umfasst in diesem Fall ein
Auswahlschalter, der ausgelegt ist, um aus den mindestens zwei Eingangstoren
oder den mindestens zwei Ausgangstoren ein Tor auszuwählen, und
das ausgewählte
Tor mit einem Signalpfad durch das Anpassnetzwerk zu koppeln. Der
Auswahlschalter umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel mindestens einen weiteren
CMOS-Schalter, der so in einen Hochfrequenz-Pfad zwischen einem
Eingangstor und einem Ausgangstor geschaltet ist, dass die Auswahl
des ausgewählten
Tores von einem Schaltzustand des weiteren CMOS-Schalters abhängt. Es
hat sich nämlich
gezeigt, dass die Verwendung eines CMOS-Schalters nicht nur für eine Einstellung
des Anpassungs-Zustands vorteilhaft ist, sondern auch für eine Auswahl
eines Eingangstors aus einer Mehrzahl von Eingangstoren bzw. eines
Ausgangstors aus einer Mehrzahl von Ausgangstoren verwendbar ist.
Durch den Einsatz eines CMOS-Schalters
zur Auswahl eines Eingangstors bzw. eines Ausgangstors wird erreicht,
dass eine besonders schnelle und leistungsarm steuerbare Veränderung
der Konfiguration des Hochfrequenz-Teils möglich ist.
So
ermöglicht
der Einsatz eines CMOS-Schalters zur Umschaltung von Eingangstoren
des Anpassnetzwerks beispielsweise, mehrere verschiedene Sender
wahlweise mit derselben Antenne zu koppeln. Die Umschaltung, welcher
der Sender mit dem Signalpfad durch das Anpassnetzwerk verbunden
ist, kann dabei zeitgleich zu einer Veränderung des Anpassungszustands
des Anpassnetzwerks erfolgen, indem gleichartige CMOS-Schalter sowohl zur
Veränderung
der Anpassung als auch zur Auswahl eines Eingangstors bzw. Ausgangstors verwendet
werden.
Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Anpassnetzwerk ferner eine Steuereinrichtung, die ausgelegt
ist, um eine Information zu ermitteln, wie gut eine Impedanz-Anpassung
an dem Eingangstor des Anpassnetzwerks ist, und die ferner ausgelegt
ist, um den CMOS-Schalter basierend auf der Information anzusteuern.
Bei dieser Ausgestaltung ist das Anpassnetzwerk in der Lage, selbständig eine
unbefriedigende Impedanz-Anpassung festzustellen und darauf hin
eine Um-Konfiguration der Impedanztransformations-Schaltung vorzunehmen.
Somit ist zu jedem Zeitpunkt eine bestmögliche Anpassung an dem Eingangstor
des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks gewährleistet.
Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Steuereinrichtung ausgelegt, um durch Schalten des CMOS-Schalters eine Mehrzahl von
Zuständen
des Anpassnetzwerks einzustellen, wenn die Steuereinrichtung feststellt,
dass die Impedanz-Anpassung an dem Eingangstor schlechter als eine
vorgegebene Schwelle ist. Die Steuereinrichtung ist ferner ausgelegt,
um für
die Mehrzahl von Zuständen
des Anpassnetzwerks eine weitere Information zu ermitteln, wie gut
eine Impedanz-Anpassung an dem Eingangstor des Anpassnetzwerks für die Mehrzahl
von Zuständen
ist. Ferner ist die Steuereinrichtung ausgelegt, um basierend auf
der weiteren Information einen neuen Zustand des Anpassnetzwerks
auszuwählen.
Eine derartige Ausgestaltung der Steuereinrichtung ist besonders
vorteilhaft, wenn das Anpassnetzwerk eine Mehrzahl von CMOS-Schaltern
umfasst, so dass mehr als zwei Anpassungszustände für das Anpassnetzwerk auswählbar sind.
Damit kann erreicht werden, dass die Steuereinrichtung beispielsweise
den besten von mehreren möglichen
Anpassungszuständen
des Anpassnetzwerks identifiziert, indem die Steuereinrichtung die
mehreren Anpassungszustände
in einer vorgegebenen Reihenfolge einstellt und darauf hin bestimmt,
wie gut die Anpassung in den jeweiligen Anpassungszuständen tatsächlich ist.
Ferner kann die Steuereinrichtung das Verändern der Anpassungszustände abbrechen,
sobald ein Anpassungszustand identifiziert ist, der gemäß einer
vorgegebenen Schwelle hinreichend gut ist. Der Steuereinrichtung kommt
jeweils zugute, dass die CMOS-Schalter, die eine Einstellung des
Anpassungszustands des Anpassnetzwerks ermöglichen, sehr schnell und außerdem verschließfrei schalten
können.
Somit kann die Steuereinrichtung innerhalb kürzester Zeit eine Mehrzahl
von Zuständen
des Anpassnetzwerks einstellen und bestimmen, wie gut die entsprechende zugehörige Anpassung
ist.
Die
beschriebene Ausgestaltung des Anpassnetzwerks unter Verwendung
einer Steuereinrichtung ermöglicht
somit eine dynamische Anpassung des Anpassungszustands des Anpassnetzwerks
an sich verändernde
Betriebsbedingungen. So wird beispielsweise das Anpassnetzwerk nachgestellt,
wenn sich eine Fusspunktimpedanz der Antenne verändert. Damit ist zu jedem Zeitpunkt
eine hinreichend gute bzw. bestmögliche
Antennenanpassung gewährleistet,
so dass der Leistungsverbrauch der entsprechenden Sende- und/oder
Empfangseinheit, die das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk umfasst,
minimiert ist. Gleichzeitig ist dem Übergang des Leistungsverstärkers in
einen nicht-linearen Verstärkungsbetrieb
entgegen gewirkt.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Figuren näher
erläutert. Es
zeigen:
1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
2a ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
2b ein
Schaltbild des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
3a ein
Schaltbild eines ersten schaltbaren Impedanzelements zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
3b ein
Schaltbild eines zweiten schaltbaren Impedanzelements zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
3c ein
Schaltbild eines dritten schaltbaren Impedanzelements zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
3d ein
Schaltbild eines vierten schaltbaren Impedanzelements zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
4 ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
mit einem Auswahlschalter, gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
5 ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
mit einer Steuereinrichtung, gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
6a ein
Schaltbild einer ersten möglichen Realisierung
eines CMOS-Schalters zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
6b ein
Schaltbild einer zweiten möglichen
Realisierung eines CMOS-Schalters zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
6c ein
Schaltbild einer dritten möglichen Realisierung
eines CMOS-Schalters zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk;
7 ein
detailliertes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks gemäß einem sechsten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
8 ein
Blockschaltbild eines Hochfrequenz-Sende-Frontends gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Anpassnetzwerk der 1 ist
in seiner Gesamtheit mit 100 bezeichnet und weist ein Eingangstor 110 zum
Empfangen einer Hochfrequenzleistung sowie ein Ausgangstor 112 auf.
Das Anpassnetzwerk umfasst eine schaltbare Impedanztransformations-Schaltung 120,
die zwischen das Eingangstor und das Ausgangstor geschaltet ist.
Die Impedanztransformations-Schaltung 120 umfasst
in einem Hochfrequenz-Pfad einen CMOS-Schalter, der einen ersten
Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand aufweist. Beispielsweise
ist der CMOS-Schalter in dem ersten Schaltzustand geschlossen bzw.
niederohmig leitend, während
der CMOS-Schalter hingegen in dem zweiten Schaltzustand geöffnet bzw.
hochohmig ist. Die Impedanztransformations-Schaltung 120 (auch
as Impedanztransformations-Netzwerk bezeichnet) ist ferner ausgelegt,
um in dem ersten Schaltzustand eine (vorgegebene) erste an dem Ausgangstor
anliegende Impedanz eingangsseitig an eine erste vorgegebene Impedanz
anzupassen, und um in dem zweiten Schaltzustand eine (vorgegebene)
zweite an dem Ausgangstor anliegende Impedanz eingangsseitig an eine
zweite vorgegebene Impedanz anzupassen. In anderen Worten, die Impedanztransformations-Schaltung
kann in Abhängigkeit
von dem Schaltzustand des CMOS-Schalters mindestens zwei verschiedene
Impedanztransformations-Zustände
annehmen, bzw. das Anpassnetzwerk kann zwei verschiedene Anpassungszustände aufweisen.
In den zumindest zwei Impedanztransformations-Zuständen passt
die Impedanztransformations-Schaltung unterschiedliche
an dem Ausgangsanschluss anliegende Impedanzen an eine erste vorgegebene
Impedanz und eine zweite vorgegebene Impedanz an. Bei der ersten
vorgegebenen Impedanz und der zweiten vorgegebenen Impedanz kann
es sich beispielsweise um die gleiche Impedanz handeln, beispielsweise um
eine Bezugsimpedanz des Eingangstores.
Eine
Anpassung ist hierbei dadurch definiert, dass eine an dem Eingangstor
auftretende reflektierte Leistung bezogen auf eine an dem Eingangstor 110 einlaufende
Leistung hinreichend klein ist. Beispielsweise kann verlangt werden,
dass die an dem Eingangstor 110 anliegende reflektierte
Leistung um mindestens 10 dB kleiner ist als die an dem Eingangstor 110 in
die Impedanztransformations-Schaltung 120 einlaufende
Leistung. Es können
allerdings auch andere Schwellwerte als 10 dB verwendet werden,
um eine Anpassung bzw. einen angepassten Zustand zu definieren.
Ferner
sei darauf hingewiesen, dass die eingangsseitigen Ziel-Impedanzen
(die erste vorgegebene Impedanz und die zweite vorgegebene Impedanz),
auf die das Impedanztransformations-Netzwerk 120 eine an
dem Ausgangstor 112 anliegende Impedanz anpasst, verschieden
sein können.
Dies ist vorteilhaft, wenn an dem Eingangstor 110 verschiedene
Schaltungsanordnungen mit verschiedener Ausgangsimpedanz wahlweise
anschließbar
sind.
Ferner
wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk 100 mit
seinem Eingangstor 110 beispielsweise mit einem Leistungsverstärker gekoppelt
werden kann. Das Ausgangstor 112 des Anpassnetzwerks 100 ist
ferner bevorzugt mit einer (Sende-)Antenne gekoppelt. Somit kann durch
das Anpassnetzwerk 100 eine Fusspunktimpedanz der Antenne
an eine Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers angepasst werden, so
dass eine an dem Eingangstor 110 zu dem Leistungsverstärker zurück reflektierte
Leistung so gering wie möglich
gehalten wird. Ändert
sich die Fusspunktimpedanz der an das Ausgangstor 112 angeschlossenen
Antenne beispielsweise aufgrund einer Veränderung der Umgebung, so kann
durch Verändern
des Schaltzustandes des CMOS-Schalters ein Anpasszustand des Impedanztransformations-Netzwerks 120 verändert werden,
wodurch auch bei veränderter Fusspunktimpedanz
der Antenne wiederum sehr schnell eine ausreichend gute Anpassung
an dem Eingangstor 110 erzielt werden kann.
Weiterhin
kann das Eingangstor 110 des Anpassnetzwerks 120 auch
mit einer (Empfangs-)Antenne gekoppelt sein, die eine Hochfrequenz-Leistung
empfängt
und an das Eingangstor 110 liefert. An dem Ausgangstor 112 des
Anpassnetzwerks 100 ist in diesem Fall bevorzugt ein Eingangsteil
eines Empfängers
angeschlossen, der eine vorgegebene Eingangsimpedanz aufweist. Das
Impedanztransformations-Netzwerk 120 kann wiederum durch
geeignetes Schalten des CMOS-Schalters so eingestellt werden, dass
eine hinreichend gute bzw. optimale Anpassung zwischen der (Empfangs-)Antenne
und dem Eingangsteil besteht, so dass die von der Empfangsantenne
gelieferte Hochfrequenzenergie in einer bestmöglichen Weise ausgenutzt wird.
2a zeigt
ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das in 2a gezeigte
Anpassnetzwerk ist in seiner Gesamtheit mit 200 bezeichnet.
Das Anpassnetzwerk 200 weist eine π-Schaltungskonfiguration auf. Das
Anpassnetzwerk 200 weist ein Eingangstor 210 sowie
ein Ausgangstor 212 auf. Bei der gezeigten Ausführungsform
sind die am Eingangstor 210 und dem Ausgangstor 212 anliegenden
Signale auf ein Bezugspotential GND bezogen. In anderen Worten, das
Eingangstor 210 und das Ausgangstor 212 bilden
unsymmetrische Tore. Ein erstes einstellbares Impedanzelement 220 (auch
als Impedanztransformationselement oder kurz als Element bezeichnet) ist
zwischen das Eingangstor 210 (bzw. einen Leiter des Einganstores)
und das Bezugspotential GND geschaltet. Ein zweites einstellbares
Impedanzelement 222 ist zwischen das Eingangstor 210 und
das Ausgangstor 212 geschaltet. Ein drittes einstellbares
Impedanzelement 224 ist ferner zwischen das Ausgangstor 212 (bzw.
einen Leiter des Ausgangstores) und das Bezugspotential GND geschaltet.
Die drei einstellbaren Impedanzelemente 220, 222, 224 bilden
somit eine π-Schaltung,
die zwischen das Eingangstor 210 und das Ausgangstor 212 geschaltet ist.
Die
variablen, in der Regel verlustarmen einstellbaren Impedanzelemente
(auch kurz als Elemente bezeichnet) zwischen dem Eingangstor 210 und
dem Ausgangstor 212 weisen jeweils kapazitive, induktive
und/oder ohmsche Eigenschaften auf, abhängig davon, welche Impedanzen
an dem Eingangstor 210 und an dem Ausgangstor 212 vorhanden
sind. Für
die einstellbaren Impedanzelemente werden bevorzugt durch CMOS-Schalter einstellbare reaktive
Elemente (Induktivitäten
bzw. Kapazitäten) verwendet,
um die Verluste in dem Anpassnetzwerk 120 so gering wie
möglich
zu halten. Der Einsatz von resistiven Elementen ist aber manchmal
zweckmäßig, beispielsweise
wenn eine besonders gute Anpassung bzw. ein besonders geringer Reflexionsfaktor
an dem Eingangstor gewünscht
ist. Ferner können
die einstellbaren Impedanzelemente 220, 222, 224 (Übertragungs-)Leitungen
umfassen, die ausgelegt sind, um die zur Erzielung einer Anpassung
erforderlichen elektrischen Eigenschaften zu realisieren.
Das
Anpassnetzwerk 200 umfasst in der gezeigten Darstellung
drei einstellbare Impedanzelemente. Dies ist allerdings kein zwingendes
Merkmal. Vielmehr kann beispielsweise nur eines der drei gezeigten
Impedanzelemente 220, 222, 224 einstellbar sein,
während
die beiden anderen Impedanzelemente fest sind. Genau so gut ist
es auch möglich,
dass zwei der Impedanzelemente 220, 222, 224 einstellbar
sind, während
hingegen ein Impedanzelement festgehalten ist bzw. durch ein festes
Impedanzelement gebildet wird.
Ferner
wird darauf hingewiesen, dass abweichend von der in der 2a dargestellten
Collins-Schaltung beispielsweise Gamma-Transformatoren und/oder
seriell-geschaltete und/oder parallel-geschaltete variable Impedanzelemente
eingesetzt werden können,
um eine Anpassung mit den gewünschten
Eigenschaften, beispielsweise in Bezug auf eine Bandbreite, eine
Transmissionsdämpfung
oder eine Impedanztransformation, zu realisieren.
Das
in der 2a gezeigte Anpassnetzwerk bildet
im übrigen
ein Kernstück
der erfindungsgemäßen dynamischen
Anpassnetzwerkschaltung.
Die 2a zeigt
ferner eine schematische Darstellung 240 des dynamischen
Anpassnetzwerks 200, wie sie beispielsweise in einem Blockschaltbild verwendet
werden kann. Die schematische Darstellung 240 repräsentiert
somit in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen beispielsweise ein
Anpassnetzwerk wie es in 2a gezeigt
ist.
2b zeigt
ferner ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Anpassnetzwerk der 2b ist
in seiner Gesamtheit mit 250 bezeichnet. Das Anpassnetzwerk 250 weist
ein Eingangstor 260 und ein Ausgangstor 262 auf,
die hier beide beispielhaft als unsymmetrische Tore, bezogen auf
ein Bezugspotential GND, gezeigt sind. Ein einstellbares Impedanzelement 270 ist
zwischen einen Anschluss des Eingangstors 260 und einen
Mittelknoten 272 geschaltet. Ein zweites einstellbares
Impedanzelement 274 ist ferner zwischen den Mittelknoten 272 und
einen Anschluss des Ausgangstors 262 geschaltet. Ferner
ist ein drittes einstellbares Impedanzelement 276 zwischen
den Mittelknoten 274 und das Bezugspotential GND geschaltet.
Die drei einstellbaren Impedanzelemente 270, 274, 276 bilden
somit eine T-Schaltung,
die zwischen das Eingangstor 260, das Ausgangstor 262 und
das Bezugspotential GND geschaltet ist. Auch das Anpassnetzwerk 250 kann
durch eine schematische Darstellung 290 beschrieben werden.
Es
wird darauf hingewiesen, dass die für den Entwurf eines fest eingestellten
Anpassnetzwerks in π-Schaltung
oder T-Schaltung
benötigte
Theorie beispielsweise den bekannten Standardwerken der Hochfrequenztechnik
entnommen werden kann. Ferner kann ein festes, d.h. nicht dynamisch
einstellbares, Anpassnetzwerk auch durch Optimierung in einem Schaltungssimulator
ermittelt werden.
Die 3a bis 3d zeigen
Schaltbilder von einstellbaren bzw. schaltbaren Impedanzelementen
zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk. Die in den 3a bis 3d gezeigten
schaltbaren Impedanzelemente bilden somit serielle variable Elemente
mit zwei Anschlüssen. Ein
einstellbares Impedanzelement, das auch mit 310 bezeichnet
ist, kann beispielsweise, wie in 3a gezeigt,
durch eine Serienschaltung 320 bestehend aus einem CMOS-Schalter 330 und
einem Impedanzelement 332 gebildet werden. In anderen Worten,
ein CMOS-Schalter 330 und ein Impedanzelement 332 können in
Serie zwischen einen ersten Anschluss 312 und einen zweiten
Anschluss 314 geschaltet werden. Ist der CMOS-Schalter 330 geöffnet, so
bildet das entsprechende Impedanzelement 310, von parasitären Effekten
abgesehen, einen Leerlauf. Ist der CMOS-Schalter 330 hingegen
geschlossen, so liegt zwischen den Anschlüssen 312, 314 eine
Impedanz an, die im wesentlichen durch das Impedanzelement 332 festgelegt
ist. Bei dem Impedanzelement 332 kann es sich beispielsweise
um einen Widerstand, eine Kapazität oder eine Induktivität handeln.
In geschlossenem Zustand des CMOS-Schalters 330 können ferner
noch geringfügige
parasitäre
Effekte (Ohmscher Widerstand, Parasitäre Induktivität) des CMOS-Schalters 330 die
gesamte zwischen den Anschlüssen 312 und 314 vorhandene
Impedanz beeinflussen. Allerdings wird davon ausgegangen, dass die
durch den CMOS-Schalter 330 verursachten
parasitären
Effekte klein im Vergleich zu der Wirkung des Impedanzelements 332 sind.
Ein
variables Impedanzelement 340 mit zwei Anschlüssen 342, 344,
kann ferner durch ein Impedanzelement 350 gebildet werden,
bei dem ein erster Teil 352 durch einen CMOS-Schalter 354 kurzgeschlossen
werden kann. Mit anderen Worten, das Impedanzelement 350 ist
in seiner Gesamtheit zwischen den ersten Anschluss 342 und
den zweiten Anschluss 344 geschaltet. Das Impedanzelement 350 wird
insgesamt durch einen ersten Teil 352 und einen zweiten
Teil 356 gebildet, und weist ferner einen Abgriff 358 auf.
Der erste Teil 352 des Impedanzelements 350 liegt
somit zwischen dem ersten Anschluss 342 und dem Abgriff 358.
Der zweite Teil des Impedanzelements 350 liegt zwischen
dem Abgriff 358 und dem zweiten Anschluss 344.
Ist der CMOS-Schalter 354 geöffnet und somit hochohmig, so
sind sowohl der erste Teil 352 als auch der zweite Teil 356 des
Impedanzelements 350 wirksam zwischen den ersten Anschluss 342 und
den zweiten Anschluss 344 geschaltet. Ist jedoch der CMOS-Schalter 354 geschlossen,
so ist der erste Teil 352 des Impedanzelements 350 kurzgeschlossen. Somit
ist im wesentlichen nur noch der zweite Teil 356 wirksam
zwischen den ersten Anschluss 342 und den zweiten Anschluss 344 geschaltet.
Durch Öffnen und
Schließen
des CMOS-Schalters 354 kann somit festgelegt werden, ob
das ganze Impedanzelement 350 oder nur der zweite Teil 356 des
Impedanzelements 350 wirksam ist.
Bei
dem Impedanzelement 350 kann es sich beispielsweise um
einen Widerstand oder eine Induktivität handeln. Sowohl Widerstände als
auch Induktivitäten
sind nämlich
mit einem Abgriff verfügbar. Handelt
es sich bei dem Impedanzelement 350 beispielsweise um eine
Induktivität,
so weist diese zwischen dem ersten Ende und ihrem zweiten Ende einen
Abgriff auf. Ist der CMOS-Schalter 354 geschlossen, so
wird ein Teil der Induktiven kurzgeschlossen, und das einstellbare
Impedanzelement weist insgesamt einen kleineren Induktivitätswert auf
als im Falle eines geöffneten
CMOS-Schalters 354,
in dem die gesamte Induktivität
wirksam ist. Ähnliches
gilt auch für
die Verwendung eines Widerstands. Wenngleich Kapazitäten mit
einem Abgriff seltener verwendet werden als Induktivitäten oder
Widerstände
mit Abgriff, so kann allerdings auch bei dem Kondensator ein Abgriff
(beispielsweise eine Zwischen-Platte) in der in 3b gezeigten
Weise beschaltet werden.
3c zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines schaltbaren Impedanzelements 360 mit einem ersten
Anschluss 362 und einem zweiten Anschluss 364.
Zwischen die Anschlüsse 362, 364 sind in
Serie eine Parallelschaltung 366 bestehend aus einem ersten
Impedanzelement 368 und einem CMOS-Schalter 370 und
ein zweites Impedanzelement 372 geschaltet. Durch die Parallelschaltung
bestehend aus dem ersten Impedanzelement 368 und dem CMOS-Schalter 370 kann
das erste Impedanzelement 368 wahlweise kurzgeschlossen
werden, indem der CMOS-Schalter 370 geschlossen wird. Ist der
CMOS-Schalter 370 hingegen geöffnet, so ist das erste Impedanzelement 368 wirksam.
Von parasitären
Effekten abgesehen wird die Impedanz zwischen den Anschlüssen 362, 364 des
gezeigten schaltbaren Impedanzelements somit durch die Summe der Impedanzen
des ersten Impedanzelements 368 und des zweiten Impedanzelements 372 festgelegt,
wenn der CMOS-Schalter 370 geöffnet ist.
Ist der CMOS-Schalter 370 hingegen geschlossen bzw. leitfähig, so
ist das erste Impedanzelement 368 im Wesentlichen kurzgeschlossen,
und zwischen den Anschlüssen 362, 364 ist
im Wesentlichen, von parasitären
Effekten abgesehen, die Impedanz des zweiten Impedanzelements 372 wirksam.
Bei
den Impedanzelementen 368, 372 kann sich wiederum,
je nach Anpassungs-Erfordernis, jeweils um resistive, induktive
und/oder kapazitive Elemente handeln. Ferner wird darauf hingewiesen, dass
jedes der Impedanzelemente 368, 372 durch eine
feste oder geschaltete Anordnung von mehreren Impedanzelementen
ersetzt werden kann.
3d zeigt
eine weitere Realisierungsform eines einstellbaren Impedanzelements 380 mit
zwei Anschlüssen 382, 384.
Zwischen die Anschlüsse 382, 384 ist
eine Parallelschaltung 386 geschaltet. Ein erster Zweig
der Parallelschaltung 386 wird durch ein erstes Impedanzelement 388 gebildet.
Ein zweiter Zweig der Parallelschaltung 386 wird durch
eine Serienschaltung eines CMOS-Schalters 390 und eines
zweiten Impedanzelements 392 gebildet.
Ist
der CMOS-Schalter 390 geöffnet, so wirkt zwischen den
Anschlüssen 382, 384 im
wesentlichen die Impedanz des ers ten Impedanzelements 388.
Ist der CMOS-Schalter 390 hingegen geschlossen, wirkt zwischen
den Anschlüssen 382, 384 im
wesentlichen die Impedanz der Parallelschaltung aus dem ersten Impedanzelement 388 und
dem zweiten Impedanzelement 892.
Die
Impedanzelemente 388, 392 können wiederum Kapazitäten, Induktivitäten oder
Widerstände
umfassen. Ferner können
die Impedanzelemente 388, 392, wie im Rahmen der
gesamten Beschreibung, aus einer Kombination von mehreren einzelnen
Bauelementen (Widerständen
Kondensatoren, Induktivitäten)
bestehen. Ferner können
die Impedanzelemente 388, 392 wiederum durch ein
geschaltetes Impedanzelement 310, 340, 360, 380 gebildet
sein.
Die
in den 3a bis 3d gezeigten
Ausführungsbeispiele
beschreiben somit verschiedene Möglichkeiten,
um ein einstellbares Impedanzelement 310, 340, 360, 380 zu
realisieren. Hierbei kann ein als ideal angenommener CMOS-Schalter 330, 354, 370, 390 zwischen
Kurzschluss und Leerlauf umgeschaltet werden, um die Impedanz des
schaltbaren bzw. einstelbaren Impedanzelements zu verändern. Die
je nach Bedarf kapazitiven, induktiven oder ohmschen Impedanzelemente
(auch kurz als Elemente bezeichnet) können dabei
- – wahlweise
ein- und ausgeschaltet werden (vergl. Impedanzelement 332 gemäß 3a),
- – teilweise
kurzgeschlossen werden, um unterschiedliche diskrete Werte zu realisieren
(Impedanzelement 350 gemäß 3b) (z.B.
Kurzschließen
von zwei Windungen einer Spule mit 5 Windungen)
- – wahlweise
zu einem anderen Impedanzelement seriell geschaltet werden (vergl.
Impedanzelemente 368, 372 gemäß 3c), oder
- – wahlweise
zu einem anderen Impedanzelement parallel geschaltet werden (vergl.
Impedanzelemente 388, 392 gemäß 3d).
Die 3a bis 3d beschreiben
beispielhaft die Möglichkeiten
zur Realisierung von seriellen variablen bzw. schaltbaren Elementen
zwischen jeweils zwei Anschlüssen 312, 314; 342, 344; 362, 364; 382, 384 bzw.
zwischen zwei Toren. In anderen Worten, die in den 3a bis 3d beschriebenen
Impedanzelemente 310, 314, 360, 380 können in
Serie zwischen ein Eingangstor und ein Ausgangstor geschaltet werden.
Wird ein Anschluss 312, 314; 342, 344; 362, 364; 382, 384 der
Impedanzelemente 310, 314, 360, 380 an
ein Bezugspotential bzw. ein Massepotential angebunden, so können aus
den beschriebenen "seriellen" variablen Impedanzelementen
parallel geschaltete variable Elemente realisiert werden. In anderen
Worten, die Impedanzelemente 310. 340, 360, 380 können sowohl
seriell in einen Signalpfad zwischen dem Eingangstor und dem Ausgangstor
eingeschaltet werden als auch zwischen ein Signal und ein Bezugspotential
eingeschaltet werden.
4 zeigt
ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks mit einem
Auswahlschalter, gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Das Anpassnetzwerk der 4 ist
in seiner Gesamtheit mit 400 bezeichnet. Das Anpassnetzwerk 400 umfasst
eine Mehrzahl von Sender-Toren 410, 412, 414,
die auch mit Tx 1, Tx 2 und Tx n bezeichnet sind. Das Anpassnetzwerk 400 umfasst
ferner eine Mehrzahl von Empfänger-Toren 420, 422, 424.
Die Empfänger-Tore
sind auch mit Rx 1, Rx 2 und Rx n bezeichnet. Die Sender-Tore 410, 412, 414 sowie
die Empfänger-Tore 420, 422, 424 sind
ferner mit einem Auswahlschalter 430 gekoppelt. Der Auswahlschalter 430 ist
ausgelegt, um eines der Sender-Tore 410, 412, 414 bzw. Empfänger-Tore 420, 422, 424 wahlweise
mit einer Impedanztransformations-Schaltung 440 zu koppeln. Die
Impedanztransformations-Schaltung 440 ist somit zwischen
den Auswahlschalter 430 und ein Ausgangs tor 450 des
Anpassnetzwerks 400 geschaltet. Das Ausgangstor 450 ist
ferner für
den Anschluss einer Antenne 460 ausgelegt.
Der
Auswahlschalter kann alternativ auch unmittelbar bei einem Tor angeordnet
sein, das für den
Anschluss der Antenne ausgelegt ist, so dass der Auswahlschalter
zwischen die Antenne und das Impedanztransformationsnetzwerk geschaltet
ist.
Die 4 zeigt
somit insgesamt den Aufbau einer Antennenschaltung mit einem dynamischen Anpassnetzwerk 440 mit
einem Schalter 430 zwischen Empfangs-Pfaden (Rx 1, Rx 2,
Rx n) und Sende-Pfaden (Tx 1, Tx 2, Tx n). Der Auswahl-Schalter 430 ist
hierbei durch eine Mehrzahl von schnellen CMOS-Schalter realisiert.
Der Auswahl-Schalter 430 ermöglicht es, mehrere Kanäle über das
dynamische Anpassnetzwerk 440 bzw. die dynamische Impedanztransformations-Schaltung 440 anzupassen.
In anderen Worten, der Auswahlschalter 430 mit schnellen
CMOS-Schaltern kann beispielsweise verwendet werden, um in einem
Hochfrequenz-Pfad eines Sendeempfänger-Frontends eine Sende-Empfangs-Umschaltung
zu ermöglichen.
So kann die Antenne 460 über das dynamische Anpassnetzwerk 440 und
den Auswahlschalter 430 wahlweise mit einem Sender oder
einem Empfänger
gekoppelt werden. Ferner können
mehrere Sender für
verschiedene Frequenzbereiche vorhanden sein, die an die verschiedenen
Sender-Tore 410, 412, 414 gekoppelt sind.
Ferner können
mehrere Empfänger
für verschiedene
Frequenzbereiche existieren, die mit den verschiedenen Empfänger-Toren 420, 422, 424 gekoppelt
sind.
Für die verschiedenen
Frequenzbereiche, in denen die verschiedenen Sender und/oder Empfänger arbeiten,
ist typischerweise eine verschiedene Anpassung, d.h. eine verschiedene
Einstellung des dynamisch einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerks 440,
erforderlich. Ferner können
in einem Sendebetrieb und einem Empfangsbetrieb verschiedene Einstellungen
des dynamisch einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerks 440 erforderlich
sein. Daher wird es bevorzugt, den Auswahlschalter 430 und
das einstellbare Impedanztransformations-Netzwerk 440 gleichzeitig
bzw. durch eine einzige Steuereinrichtung anzusteuern. Wird der Auswahlschalter 430 umgeschaltet,
so wird zugleich auch die Einstellung des Impedanztransformations-Netzwerks 440 verändert. In
anderen Worten, die Einstellung des Auswahlschalters 430 ist
mit der Einstellung des Impedanztransformations-Netzwerks gekoppelt.
5 zeigt
ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks mit einer
Steuereinrichtung. Das Anpassnetzwerk der 5 ist in
seiner Gesamtheit mit 500 bezeichnet. Das Anpassnetzwerk weist
ein Eingangstor 510 sowie ein Ausgangstor 512 auf,
wobei das Ausgangstor 512 bevorzugt mit der Antenne 514 gekoppelt
ist. Zwischen das Eingangstor 510 und das Ausgangstor 512 sind
in einem Hochfrequenz-Signalweg
in Serie ein Richtkoppler 520 sowie ein einstellbares Impedanztransformations-Netzwerk 530 geschaltet.
Der Richtkoppler 520 ist ausgelegt, um eine von dem Eingangstor 510 zu dem
Impedanztransformations-Netzwerk 530 einlaufende Leistung
und/oder eine von dem Impedanztransformations-Netzwerk 530 zu
dem Eingangstor 510 reflektierte Leistung zu bestimmen.
Zu diesem Zweck wird typischerweise ein Richtkoppler 520 mit drei
oder vier Toren verwendet, wobei beispielsweise eines der vier Tore
mit einem Abschlusswiderstand bzw. Absorber 540 terminiert
sein kann. An einem weiteren Tor des Richtkopplers 520 ist
ein Leistungsdetektor 544 angeschlossen, der beispielsweise
eine Diode zur Gleichrichtung oder eine thermische Leistungsmesseinrichtung
umfasst. Der Leistungsdetektor 544 kann dabei beispielsweise
die von dem Impedanztransformations-Netzwerk 530 zu dem Eingangstor 510 reflektierte
Leistung bestimmen und eine entsprechende Information an eine Verarbeitungseinrichtung 550 weiterleiten.
Die Verarbeitungseinrichtung kann aber genauso gut die von dem Eingangstor
zu dem Impedanztransformations-Netzwerk 530 hinlaufende
Hoch frequenzleistung bzw. eine Information über deren Größe empfangen.
Ferner
kann die Verarbeitungseinrichtung alternativ oder zusätzlich eine
Information über
ein Stehwellenverhältnis
an dem Eingangstor 510 empfangen. Ferner ist es auch möglich, dass
die Verarbeitungseinrichtung alternativ oder zusätzlich eine Information über einen
komplexwertigen Reflexionsfaktor, der an dem mit dem Eingangstor 510 verbundenen
Eingang des Impedanztransformations-Netzwerks 530 auftritt,
empfängt.
Die
Verarbeitungseinrichtung 550 wertet die gelieferte Information über die
vorlaufende und/oder reflektierte Leistung, das Stehwellenverhältnis oder den
komplexen Reflexionsfaktor daraufhin aus und steuert entsprechend
der anliegenden Information CMOS-Schalter in dem einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerk 530 ein.
Somit
kann die Verarbeitungseinrichtung 550 basierend auf der
empfangenen Information feststellen, wenn sich die Anpassung der
Antenne 514 ändert.
Die Anpassung der Antenne kann sich beispielsweise verändern, wenn
sich die Umgebungsbedingungen der Antenne verändern, wenn also beispielsweise
ein Gegenstand der Antenne angenähert wird.
Die Verarbeitungseinrichtung 550, die auch einen Rechner
umfassen kann, ist beispielsweise ausgelegt, um feststellen, dass
ein Stehwellenverhältnis oder
ein Betrag eines Eingangsreflektionsfaktors sich außerhalb
eines vorbestimmten zulässigen
bzw. tolierierbaren Bereichs befindet. Ansprechend auf diese Feststellung
veändert
die Verarbeitungseinrichtung 550 dann Zustände von
einem oder mehreren CMOS-Schaltern
in den einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerk 530.
Es
wird dabei bevorzugt, dass die Verarbeitungseinrichtung 550 die
Schaltzustände
der ein oder mehreren CMOS-Schalter
in dem einstellbaren Impedanztransformations- Netzwerk 530 so lange in einer
vorbestimmten Art und Weise verändert,
bis eine gemessene reflektierte Leistung, ein gemessenes Stehwellenverhältnis oder
ein gemessener Reflexionsfaktor wieder innerhalb des vorgegebenen
zulässigen
Bereichs ist.
Die
Reihenfolge, in der die Schaltzustände der CMOS-Schalter dabei verändert werden,
kann bevorzugt unabhängig
von der gemessenen reflektierten Leistung, dem gemessenen Stehwellenverhältnis oder
dem gemessenen Eingangsreflexionsfaktor gewählt werden. Eine solche Vorgehensweise wird
dadurch ermöglicht,
dass die CMOS-Schalter extrem schnell geschaltet werden können. Somit
ist eine komplexe und rechenaufwändige
Auswertung der gemessenen reflektierten Leistung, des gemessenen
Stehwellenverhältnisses
bzw. des gemessenen Eingangsreflexionsfaktors nicht erforderlich. Vielmehr
muss die Verarbeitungseinrichtung lediglich in der Lage sein, zu
erkennen, wenn der entsprechende Messwert sich innerhalb eines zulässigen Bereichs
befindet.
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Steuereinrichtung ausgelegt, um ansprechend auf ein Erkennen,
dass die gemessene Größe außerhalb
eines vorgegebenen zulässigen
Bereichs ist, alle Schaltzustände
(bzw. Kombinationen von Schaltzuständen) der in dem einstellbaren
Impedanztransformations-Netzwerk 530 enthaltenen ein oder
mehreren CMOS-Schalter
einzustellen, und für
jeden Schaltzustand bzw. jede Kombination von Schaltzuständen die
entsprechend zugehörige
Messgröße (reflektierte
Leistung, Stehwellenverhältnis
oder Eingangsreflexionsfaktor) zu bestimmen.
Die
Steuereinrichtung 550 ist bei dieser Ausführungsform
ausgelegt, um denjenigen Schaltzustand bzw. diejenige Kombination
von Schaltzuständen
zu ermitteln, bei der die gemessene Größe einen bestmöglichen
Wert annimmt. So kann die Verarbeitungseinrichtung 550 ausgelegt
sein, um denjenigen Schaltzustand bzw. Anpassungszustand des einstellbaren
Impedanztransformations-Netzwerks 530 zu bestimmen und
einzu stellen, bei dem die geringste reflektierte Leistung, das geringste
Stehwellenverhältnis
oder der betragsmäßig geringste
Eingangsreflexionsfaktor auftritt.
Ferner
wird darauf hingewiesen, dass die Verarbeitungseinrichtung 550 ausgelegt
sein kann, um anstatt aller möglichen
Schaltzustände
bzw. Kombinationen von Schaltzuständen der CMOS-Schalter in dem
einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerk 530 nur
Kombinationen von Schaltzuständen
aus einer vorgegebenen Menge von zulässigen Kombinationen von Schaltzuständen einzustellen.
Dabei kann die vorgegebene Menge von Kombinationen von Schaltzuständen beispielsweise
eine echte Teilmenge der gesamten Menge an möglichen Schaltzuständen sein,
wobei die vorgegebene Menge bevorzugt ausgewählt ist, um Anpassungszustände des
einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerks 530 zu
beschreiben, bei dem eine in der tatsächlichen Anwendung an dem Ausgangstor 512 des
Anpassnetzwerks auftretende Impedanz durch das einstellbare Impedanztransformations-Netzwerk 530 angepasst
wird.
Die
Verarbeitungseinrichtung 550 kann ferner ausgelegt sein,
um eine Information über
die Betriebsfrequenz zu empfangen und bei einer Einstellung der
Schaltzustände
der CMOS-Schalter des einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerks 530 zu
verwenden. Eine solche Vorgehensweise ist besonders vorteilhaft,
wenn das Anpassnetzwerk 500 für die Anpassung der Antenne 514 in
verschiedenen Frequenzbändern
bzw. Frequenzbereichen verwendet wird.
Die 6a bis 6c zeigen
Schaltbildern von möglichen
Realisierungen eines CMOS-Schalters zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk
bzw. in einem erfindungsgemäßen einstellbaren
Impedanztransformations-Netzwerk.
Die 6a zeigt
beispielsweise, dass ein CMOS-Schalter 610 durch
einen n-Kanal MOS-Feldeffekttransistor 620 gebildet
werden kann. Eine Source- Drain-Strecke
zwischen einem Source-Anschluss des n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 620 und
einem Drain-Anschluss des n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 620 ist
dabei in einen Hochfrequenz-Pfad des Anpassnetzwerks bzw. des Impedanztransformations-Netzwerks
eingeschaltet. Ein Gate-Anschluss 626 bildet
einen Steueranschluss, der für eine
Festlegung eines Schaltzustands des CMOS-Schalter 610 herangezogen
werden kann. Die Einstellung des Schaltzustands des CMOS-Schalters 610 erfolgt
dabei durch Anlegen eines festen Potentials an den Gate-Anschluss 620 des
n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors.
6b zeigt,
dass ein CMOS-Schalter 630 ferner durch einen p-Kanal MOS-Feldeffekttransistor 640 (kurz
als p-MOS-Feldefffekttransistor
bezeichnet) gebildet werden kann. Ein Source-Anschluss 642 entspricht
dabei einem ersten Anschluss des CMOS-Schalters 630, während hingegen
ein Drain-Anschluss 644 des
p-MOS-Feldeffekttransistors 640 einem zweiten Anschluss
des CMOS-Schalters 630 entspricht. Ein Gate-Anschluss des p-MOS-Feldeffekttransistors 640 dient
ferner als ein Steueranschluss, um den Schaltzustand des CMOS-Schalters 630 festzulegen.
Hierzu ist festzuhalten, dass eine Source-Drain-Strecke zwischen dem
Source-Anschluss 642 und
dem Drain-Anschluss 644 des p-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 640 in
einen Hochfrequenz-Pfad des Anpassnetzwerks bzw. des Impedanztransformations-Netzwerks eingeschaltet
ist.
Wie
in 6c gezeigt, kann ferner auch ein CMOS-Transmissions-Gatter
als ein CMOS-Schalter 650 eingesetzt werden. Das CMOS-Transmissions-Gatter
umfasst dabei eine Parallelschaltung bestehend aus einem n-Kanal
MOS-Feldeffekttransistor 660 und
einem p-Kanal MOS-Feldeffekttransistor 662.
Dabei ist ein Source-Anschluss 664 des
n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 660 mit einem Drain-Anschluss 666 des
p-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 662 gekoppelt,
bzw. direkt leitfähig
verbunden, um einen ersten Anschluss 678 des CMOS- Schalters 650 zu
bilden. Ferner ist ein Drain-Anschluss 668 des n-Kanal
MOS-Feldeffekttransistors 660 mit einem Source-Anschluss 670 des
p-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 662 gekoppelt, bzw. direkt
leitfähig
verbunden, um einen zweiten Anschluss 680 des CMOS-Schalters 650 zu
bilden.
Ein
Gate-Anschluss 690 des n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 660 wird
mit einem Steuersignal angesteuert, das komplementär zu einem
an einem Gate-Anschluss 692 des
p-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 662 angelegten Signal
ist. Liegt an dem Gate Anschluss 690 des n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 660 ein
hoher Pegel an, während
an dem Gate-Anschluss 692 des p-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 662 ein
niedriger Pegel anliegt, so leitet das Transmissions-Gatter bzw.
der entsprechende CMOS-Schalter 650. Werden die beiden
Transistoren umgekehrt angesteuert, d.h. mit einem niedrigen Pegel
an dem Gate-Anschluss 690 und
einem hohen Pegel and dem Gate-Anschluss 692,
so sperrt das Transmissions-Gatter bzw. der zugehörige CMOS-Schalter 650 ist
geöffnet.
Hierbei
ist zu beachten, dass der Schaltzustand der CMOS-Transistoren typischerweise durch eine
Potentialdifferenz zwischen den jeweiligen Gate-Anschlüssen und
den zugehörigen
Source-Anschlüssen
festgelegt wird. Das heißt,
es ist für
eine geeignete Ansteuerung notwendig, sowohl den Gate-Anschluss als auch
den Source-Anschluss gleichstrommäßig auf ein passendes Potential
zu ziehen, um in Abhängigkeit
von einer Gate-Source-Potentialdifferenz bzw. Gate-Source-Spannung den entsprechenden
MOS-Feldeffekttransistor in einen eingeschalteten Schaltzustand
oder einen ausgeschalteten Schaltzustand zu bringen.
Die 7 zeigt
ein beispielhaftes Schaltbild eines Anpassnetzwerks gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Schaltungsanordnung der 7 ist
in ihrer Gesamtheit mit 700 bezeichnet. Das Anpassnetzwerk 700 weist
ein unsymmetrisches Eingangstor 710 sowie ein symmetrisches
Ausgangstor 712 auf. Das Anpassnetzwerk 700 umfasst
eine π-Schaltung,
die zwischen das Eingangstor 710 und das Ausgangstor 712 geschaltet
ist. Ein erstes einstellbares Impedanzelement 720 entspricht
dabei von seiner Struktur her dem in 3d gezeigten
einstellbaren Impedanzelement 380. Als feste Impedanzelemente
dienen hier zwei Kapazitäten 722, 724,
und als CMOS-Schalter dient ein n-Kanal MOS-Feldeffekttransistor 726.
Die Steuerung des einstellbaren Impedanzelements 720 erfolgt über den
Gate-Anschluß 728 des
n-Kanal MOS-Feldeffekttransistors 726.
Das
Anpassnetzwerk 700 umfasst ferner ein zweites einstellbares
Impedanzelement 730, das von seiner Struktur her dem in 3b gezeigten
einstellbaren Impedanzelement 340 entspricht. Als CMOS-Schalter
ist hier ein CMOS-Transmissions-Gatter
gemäß der 6c gezeigt.
Ein drittes einstellbares Impedanzelement 740 entspricht
von seiner Struktur her dem in der 3c gezeigten
einstellbaren Impedanzelement 360. Gezeigt ist ferner eine erste
Schaltung 750 zur Arbeitspunkteinstellung sowie eine zweite
Schaltung 760 zur Arbeitspunkteinstellung. So wird beispielsweise
ein Arbeitspunkt der MOS-Transistoren des in dem zweiten Impedanzelement 730 enthaltenen
Transmissions-Gatters durch die erste Schaltung 750 zur
Arbeitspunkteinstellung eingestellt. In anderen Worten, es wird
an den Source-Anschlüssen
oder Drain-Anschlüssen
der MOS-Transistoren eine Gleichspannung zugeführt, die dafür sorgt,
dass die MOS-Transistoren ein möglichst
gutes Schaltverhalten aufweisen. Die Gleichspannung kann beispielsweise
so gewählt
werden, dass ein Ein-Widerstand
des entsprechenden MOS-Transistors bzw. der entsprechenden MOS-Transistoren
möglichst
niedrig ist. Ferner kann durch die Wahl der Arbeitspunkt-Spannung
ferner erreicht werden, dass in dem Aus-Zustand der MOS-Feldeffekttransistoren
eine parasitäre
Rest-Kapazität
der entsprechenden Drain-Source-Strecke möglichst gering ist.
Zusätzliche
Gleichspannungs-Trennkondensatoren 770, 772 können ferner
dafür sorgen,
dass eine Gleichspannung nicht zu dem Eingangstor 710 bzw.
zu dem Ausgangstor 712 weitergeleitet wird.
Das
gezeigte Anpassnetzwerk 700 umfasst ferner einen Symmetrie-Überträger (auch
als Balun bezeichnet), der ausgelegt ist, um zu erreichen, dass die
an dem Ausgangstor 712 des Anpassnetzwerks 700 anliegenden
Signale symmetrisch in Bezug auf das Bezugspotential GND sind. Somit
wird durch den Symmetrie-Überträger eine
Moden-Konversion erreicht, indem ein an dem Eingang des Symmetrie-Überträgers anliegendes
unsymmetrisches Signal in ein an dem Ausgang des Symmetrie-Überträgers anliegendes
symmetrisches Signal umgewandelt wird.
Die
gezeigten Schaltungsanordnungen können im übrigen deutlich verändert werden.
So können die
Eingangstore durchgängig
wahlweise als symmetrische oder unsymmetrische Tore ausgelegt werden. Ebenso
können
die Ausgangstore wahlweise symmetrisch oder unsymmetrisch ausgelegt
werden. Eine Moden-Konversion kann beispielsweise durch einen Symmetrier-Überträger oder jedes andere Netzwerk,
das die Umwandlung eines symmetrischen Signals in ein unsymmetrisches
Signal ermöglicht,
erfolgen.
Statt
der gezeigten konzentrierten Schaltungselemente (Kapazitäten, Induktivitäten und
gegebenenfalls Widerstände)
können
auch verteilte, durch Übertragungsleitungen
realisierte Komponenten verwendet werden. Dadurch ist beispielsweise eine
Mischbauweise aus konzentrierten und verteilten Elementen möglich.
Anstelle
der MOS-Feldeffekttransistoren können
ferner beliebige Feldeffekttransistoren verwendet werden, zum Beispiel
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren. Auch der Einsatz von Feldeffekttransistoren,
die Heterostrukturen umfassen, ist möglich. Im Bereich der Hochfrequenztechnik
lassen sich im übrigen
auch MESFETs als Schalter einsetzen. In andren Woten, die beschriebenen
CMOS-Schalter können
durch andere Schalteinrichtungen ersetzt werden, vorausgesetzt es
werden Feldeffekt-Transistoren als Schaltelemente eingesetzt.
Zusammenfassend
lässt sich
also festhalten, dass die vorliegende Erfindung ein dynamisches
Anpassnetzwerk schafft, das mittels sehr schnellen CMOS-Schaltern
zur dynamischen Anpassung von Antennen-Impedanzen für mehrere
Frequenzbereiche eingesetzt werden kann. Hierdurch kann eine einzige
einfache sogenannte "Einheitsantenne" in Kombination mit
dem dynamischen Anpassnetzwerk eingesetzt werden, um bei unterschiedlichen
Frequenzbereichen sowohl eine herkömmlich eingesetzte Mehrbandantenne
als auch einen herkömmlich verwendeten
Isolator zu ersetzen.
Damit
können
Mehrbandsysteme bzw. Multiband-Systeme mit einer bestmöglichen
Antennenanpassung, die für
einen linearen und leistungsarmen Sende- und Empfangsbetrieb notwendig
ist, betrieben werden. Mit Hilfe von schaltbaren Elementen wird
ein Anpassnetzwerk erzeugt, das bei unterschiedlichen Frequenzen
eine stets angepasste Antenne realisiert. Das dynamische Anpassnetzwerk ermöglicht weiterhin
die Kompensation von umweltbedingten Fehlanpassungen an der Antenne,
so dass eine optimale und kontinuierliche Antennenanpassung bei
der jeweiligen Frequenz gewährleistet ist.
Durch
den Einsatz des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
kann daher eine aufwändige
Antennenentwicklung vermieden werden. Ein einfacher Draht reicht
bereits aus, um die Funktion der Einheitsantenne zu erfüllen und
bei einer beliebigen Betriebsfrequenz eine optimale und umweltunabhängige Anpassung
zu erzielen. Bei Mehrband-Geräten bzw.
Multiband-Geräten,
zum Beispiel bei Dreiband-Handys mit Bluetooth, kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen dynamischen
Anpassnetzwerks eine einzige Einheitsantenne eingesetzt werden,
um in jedem beliebigen verwendeten Frequenzband dynamisch eine optimale
Anpassung zu erzeugen und gleichzeitig umweltbedingte Fehlanpassungen
zu kompensieren. In anderen Worten, die Verwendung eines erfindungsgemäßen dynamischen
Anpassnetzwerks bringt eine große
Reihe von Vorteilen mit sich. Es ist mit dem dynamischen Anpassnetzwerk möglich, mit
einer einfachen "Einheitsantenne" oder "Grundantenne" gute Anpassungen
bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen zu erzielen. Die Einheitsantenne
kann im einfachsten Fall aus einem primitiven Stück Draht bestehen.
Die
dynamische Antennenanpassungsschaltung kann umweltbedingte Fehlanpassungen
an der Antenne bzw. an den Antennen kompensieren. Dies führt zu einer
stetigen optimalen Verstärker-Anpassung,
wodurch Nichtlinearitäten
und Schwankungen des Arbeitspunktes vermieden werden. Hierdurch
erhöht
sich die Betriebsdauer der Einheit.
Herkömmlich verwendete
Isolatoren werden nicht mehr benötigt.
Der notwendige Platzbedarf und das Systemgewicht einer Einheit mit
dem erfindungsgemäßen Anpassnetzwerk
wird reduziert. Die Produktionskosten einer dynamischen Anpassnetzwerk-Schaltung,
die zum Beispiel auf einem Halbleiter-Substrat gefertigt werden kann, liegen
weit unter denen eines Isolators. Gleichzeitig werden die Transmissionsverluste
reduziert, was zu einer Erhöhung der
Betriebsdauer der Akkus führt.
Aufwändige Antennen-Entwicklungen
für unterschiedliche
Frequenzen werden überflüssig.
Es
können
auch mehrere Frequenzen mit einer einzelnen Antenne betrieben werden.
Hierfür wird
zum Beispiel in Multiband-Geräten
mit Hilfe des dynamischen Anpassnetzwerks die Fußpunktimpedanz der Einheitsantenne
bei der jeweiligen Betriebsfrequenz optimal angepasst. Durch den
Einsatz des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
ist es nicht mehr notwendig, mehrere Antennen für unterschiedliche verwendete
Frequenzbereiche in dem gleichen Gerät zu integrieren.
Im
Gegensatz zu bekannten herkömmlichen Lösungsansätzen können mit
dem vorgestellten Anpassnetzwerk mehrere unterschiedliche Frequenzbänder dynamisch
angepasst werden. Die entstandenen Platz-, Gewichts- und Kostenersparnisse müssen nicht
an anderer Stelle wieder geopfert werden, so dass die resultierende
Ersparnis wesentlich höher
ist. Darüber
hinaus werden Fehlanpassungen an der Antenne kompensiert, so dass
hierdurch keine Sendeleistung verloren geht.
Zusammenfassend
lässt sich
ferner festhalten, dass die vorliegende Erfindung ein dynamisches Anpassnetzwerk
schafft, wie es beispielsweise anhand der 2a und 2b beschrieben
wurde. Das entsprechende dynamische Anpassnetzwerk, das auch als
einstellbares Impedanztransformations-Netzwerk betrachtet werden kann, wird
im übrigen
durch ein Ersatzschaltbild beschrieben, wie es in den 2a und 2b angegeben
ist (vergl. Bezugszeichen 240, 290). Anhand der 3a bis 3d wurden
ferner unterschiedliche Möglichkeiten
zur Realisierung von variablen (Impedanz-)Elementen in serieller
oder paralleler Schaltung gezeigt. So beschreibt die 3a das
Ein- bzw. Ausschalten von Elementen, die 3b das
Kurzschließen
von Bereichen von Elementen, die 3c das
Kurzschließen
von Elementen und die 3d das Parallelschalten von
Elementen. Das Ein- bzw.
Ausschalten, das Kurzschließen
und das selektive Parallelschalten erfolgt mit Hilfe von CMOS-Schaltern,
deren Aufbau beispielhaft anhand der 6a bis 6c gezeigt
wurde.
Anhand
der 4 wurde ferner der Aufbau eines dynamischen Anpassnetzwerks
mit einer Steuerelektronik beschrieben. Zur Vervollständigung
der dynamischen Anpassnetzwerk-Schaltung wird eine Regelung verwendet.
Hierbei wird ein Anteil der Sendeleistung über den Koppler bzw. Richtkoppler 520 an
die Verarbeitungsschaltung bzw. Recheneinheit 550 geleitet.
Die Verarbeitungsschaltung bzw. Recheneinheit 550 steuert
die CMOS-Schalter in dem einstellbaren Impedanztransformations-Netzwerk 530 und
realisiert somit eine Antennen-Anpassung in Abhängigkeit von der vorhandenen
Antennen-Impedanz. Anhand der 4 wurde
ferner der Aufbau einer Antennen-Schaltung
mit dem dynamischen Anpassnetzwerk und einem Schalter zwischen Empfangspfade
(Rx) und Sendepfade (Tx) beschrieben.
Ganz
allgemein kann somit festgehalten werden, dass die vorliegende Erfindung
eine Architektur einer Schaltungsanordnung mit zwei Toren für eine dynamische
Impedanzanpassung zwischen einem Eingangstor und einem Ausgangstor
schafft. Die Tore (Eingangstor bzw. Ausgangstor) können symmetrische
oder unsymmetrische Anschlüsse
haben. Die Elemente des Anpassnetzwerks können jeweils ohmsche, induktive
und/oder kapazitive Eigenschaften haben bzw. können auch als Leitungen gestaltet sein.
Eine Transformation bzw. Impedanztransformation des Anpassnetzwerks
wird durch das Schalten schneller CMOS-Schalter auf unterschiedliche
diskrete Werte gebracht. Das Anpassnetzwerk selbst besteht aus einer
beliebigen Anordnung von seriell- und/oder parallel geschalteten
variablen bzw. einstellbaren (Impedanz-)Elementen. Die Impedanzanpassung
kann dabei für
eine beliebige Betriebsfrequenz ausgelegt werden, wobei sich die
Betriebsfrequenz während
des Betriebes ändern
kann. Ferner findet die Impedanzanpassung gleichzeitig für mehr als
eine Frequenz statt.
Bei
einer Erweiterung der obigen Architektur der Schaltungsanordnung
ist das Eingangstor in einem symmetrischen oder unsymmetrischen
Leitungssystem ausgeführt.
Ebenso ist das Ausgangstor in einem unsymmetrischen oder symmetrischen Leitungssystem
ausgeführt.
Die notwendige Moden-Konversion wird durch das Anpassnetzwerk realisiert.
Durch die Wahl der schaltbaren Elemente wird ferner eine Schalterfunktionalität realisiert,
und die schaltbare Elemente können
ferner zur Erzeugung ausgesuchter elektrischer Eigenschaften wie
zum Beispiel einer Filterung, einer Phasenverschiebung oder einer
Impedanztransformation eingesetzt werden.
Zusätzlich wird
es bevorzugt, dass die Architektur der Schaltungsanordnung so ausgelegt
ist, dass an dem Ausgangstor des Anpassnetzwerks eine einfache Antenne
angebracht werden kann.
Weiterhin
wird darauf hingewiesen, dass das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks
weit über
den Bereich der Mobilkommunikation hinausgeht. In Kombination mit
den neu verfügbaren
sehr schnellen CMOS-Schaltern ist erfindungsgemäß ein Anpassnetzwerk realisierbar,
das dynamische Anpassungen für
schnelle Anwendungen im Gigahertz-Bereich ermöglicht. Hiermit können Anpassnetzwerke
auch für
Abschlüsse
mit beliebigen, schnell ändernden
Impedanzen erstellt werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk
in Verbindung mit einer Plasma-Zündung verwendet
werden, um die dabei auftretende schnell veränderliche Impedanz stets ausreichend
gut anzupassen.
Aufgrund
seiner variablen Impedanzen kann das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk
auch als einfacher Schalter bei schnellen digitalen Schaltungen
eingesetzt werden. Dabei entstehen durch die variabel einstellbare
Lastimpedanz keine stehenden Wellen. Ferner können zwei Anpassnetzwerke eingesetzt
werden, um einen Duplex-Betrieb zu ermöglichen. Zudem ist es möglich, eine
Zusammensetzung von Anpassnetzwerken zu verwenden, um bei Multi-Mode-Systemen
dynamische Anpassungen zu realisieren.
Die
vorliegende Erfindung schafft somit ein dynamisch einstellbares
Anpassnetzwerk, das beispielsweise eingesetzt werden kann, um auch
bei schnell veränderlicher
Antennen-Fußpunkt-Impedanz
einen kontinuierlich ausreichend gut angepassten, linearen und leistungs-effizienten
Betrieb eines über
das Anpassnetzwerk mit der Antenne gekoppelten Sende-Verstärkers zu
ermöglichen.
Jedoch ergeben sich für
das erfindungsgemäße Anpassnetzwerk, wie
oben beschrieben, auch eine Vielzahl weiterer Einsatzmöglichkeiten.
Die erfindungsgemäßen Vorteile
werden erst durch den Einsatz von schnellen CMOS-Schaltern in einem
Hochfrequenz-Signalpfad des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks ermöglicht.