-
Es
wird eine elektrische Schaltung angegeben, die insbesondere in den
Frontendmodulen tragbarer Mobilfunkgeräte eingesetzt werden kann.
-
In
Frontendmodulen einsetzbare Schaltungen sind z. B. aus der Druckschrift
EP 1345323 A1 bekannt.
-
Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, eine elektrische Schaltung anzugeben, die
durch eine niedrige Einfügedämpfung für Nutzsignale
charakterisiert ist.
-
Es
wird eine elektrische Schaltung mit einer Gesamtmasse angegeben,
die eine Teilschaltung mit einer lokalen Masse umfasst. Dabei ist
die lokale Masse galvanisch von der Gesamtmasse entkoppelt. Die
lokale Masse ist an die Gesamtmasse vorzugsweise kapazitiv, d. h. über eine
Kapazität
angekoppelt. Diese Kapazität
wird nachstehend auch als Koppelkapazität bezeichnet.
-
Zumindest
die Teilschaltung ist vorzugsweise komplett in einem elektrischen
Bauelement realisiert, das als eine bauliche Einheit – z. B.
als ein Chip – vorhanden
ist. Das Bauelement umfasst ein Mehrlagensubstrat, in dem vorzugsweise
zumindest ein Teil der Teilschaltung integriert ist. Die Koppelkapazität kann in
diesem Substrat oder auf diesem Substrat angeordnet sein.
-
Die
zwischen der lokalen Masse der Teilschaltung und der Gesamtmasse,
d. h. der Masse der Gesamtschaltung, geschaltete Kapazität bewirkt einerseits
die Entkopplung der Teilschaltung von der Masse der Gesamtschaltung
für Gleichstromsignale. Diese
Kapazität
sorgt außerdem
für eine
Masseankopplung für
Hochfrequenzsignale.
-
Die
Entkopplung der Teilschaltung von der Gesamtmasse ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn die Teilschaltung an elektrische Anschlüsse angeschlossen
werden soll, die mit einer Gleichspannung beaufschlagt sind.
-
Die
Teilschaltung kann je nach Ausführungsform
Leiterbahnabschnitte und/oder LC-Glieder umfassen.
-
Die
Teilschaltung weist in einer Variante ein balanciertes Tor und ein
unbalanciertes Tor auf. Das unbalancierte Tor weist einen Masseanschluss
auf, der auf lokaler Masse liegt. Die Teilschaltung kann beispielsweise
als ein Marchand-Balun ausgebildet sein, der zwei Koppler mit kapazitiv
miteinander verkoppelten Leiterbahnabschnitten umfasst.
-
In
einer weiteren Variante weist die Teilschaltung zwei unbalancierte
Tore auf, deren Masseanschlüsse
jeweils auf lokaler Masse liegen. Die Teilschaltung kann auch zwei
balancierte Tore aufweisen.
-
Der
Höchstwert
der Kapazität
ist vorzugsweise so gewählt,
dass der Arbeitsbereich der Teilschaltung inklusive des Passbandes
und eines oberhalb des Passbandes liegenden Stoppbandes, der in
der Nähe
des Passbandes angeordnet ist, unterhalb einer Resonanzfrequenz
liegt, die in Zusammenhang mit der Kapazität gebracht werden kann, da
die (reale) Kapazität
bei hohen Frequenzen die Eigenschaften eines Schwingkreises auf weisen
kann.
-
Der
Mindestwert der Kapazität
ist vorzugsweise so gewählt,
dass die vorgegebenen elektrischen Eigenschaften wie z. B. der Phasen-
oder Amplitudengang der Teilschaltung im frequenzbezogenen Arbeitsbereich
der Teilschaltung erzielt werden. Der Arbeitsbereich umfasst das
Passband und mindestens ein vorgegebenes Stoppband der Teilschaltung.
Vorzugsweise beträgt
das Produkt der in pF gemessenen Kapazität C und der in GHz gemessenen Arbeitsfrequenz
f mindestens 10, so dass gilt: C[pF] > 10/f [GHz].
-
Es
besteht die Möglichkeit,
die Kapazität durch
zwei Masseflächen
und eine dazwischen liegende dielektrische Schicht zu realisieren.
Die so gebildete Kapazität
kann (bei entsprechend hohen Frequenzen) eine eigene parasitäre Induktivität aufweisen.
In diesem Fall wirkt die Kapazität
insgesamt wie ein Schwingkreis. Die Kapazität kann außerdem mit Streuinduktivitäten der
Umgebung einen solchen Schwingkreis bilden. Der Schwingkreis verursacht bei
seiner Resonanzfrequenz einen Einbruch der Übertragungsfunktion der Kapazität.
-
Die
Kapazität
wird vorzugsweise so ausgebildet, d. h. die Masseflächen derart
geformt und relativ zueinander angeordnet, und der Kapazitätswert derart
eingestellt, dass das Passband und ein in der Nähe, vorzugsweise oberhalb des
Passbandes liegendes Stoppband der Teilschaltung unterhalb der Resonanzfrequenz
eines vorstehend erwähnten Schwingkreises
liegt.
-
Die
angegebene Schaltung kann in einem Bauelement realisiert werden,
das ein in Vielschichttechnologie ausgeführtes Substrat umfasst. Das Substrat
umfasst Metallisierungsebenen, wobei zwischen je zwei aufeinander
folgenden Metallisierungsebenen eine dielektrisch Schicht angeordnet
ist. Die Metallisierungsebenen weisen strukturierte Leiterbahnen
auf. Verschiedene Metallisierungsebenen des Substrats sind mittels
Durchkontaktierungen leitend miteinander verbunden. Mittels der
strukturierten Leiterbahnen und der Durchkontaktierungen sind verschiedene
Elemente der Teilschaltung realisiert.
-
Das
Substrat umfasst in einer Variante eine erste Massefläche, die
auf Gesamtmasse liegt, sowie eine zweite Massefläche, die auf lokaler Masse
liegt. Die Masseflächen
liegen einander gegenüber
und bilden zusammen mit einer zwischen diesen liegenden dielektrischen
Substratschicht die Kapazität.
-
Bei
Abmessungen der Masseflächen und/oder
weiterer Schaltungselemente der Teilschaltung, die (bei der gegebenen
Signalfrequenz) bei der Viertel- oder Halbwellenlänge der
elektromagnetischen Welle liegen, kann eine Resonanz auftreten. Diese
Resonanz kann zur Einstellung von bestimmten Filtereigenschaften
der Teilschaltung, beispielsweise zur Unterdrückung von Signalen bei einer
bestimmten Sperrfrequenz benutzt werden. Die Teilschaltung wirkt
in diesem Fall als ein Notch-Filter,
d. h. ein schmalbandiges Bandstoppfilter.
-
Die
Kapazität
kann alternativ als eine Chip-Kapazität ausgebildet sein, die auf
dem Substrat befestigt ist. Die Chip-Kapazität ist mittels der Durchkontaktierungen
mit einem im Substrat integrierten Teil der Teilschaltung leitend
verbunden. Auch die Chip-Kapazität
kann bei hohen Frequenzen eine Resonanz aufweisen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
wird ein elektrisches Bauelement mit einer Teilschaltung angegeben,
das als eine bau liche Einheit (z. B. Chip) vorhanden ist. Die lokale
Masse der Teilschaltung ist galvanisch von der Gesamtmasse entkoppelt.
Die Massen sind über
eine Transformatorkopplung oder eine kapazitive Kopplung miteinander
verbunden, so dass für
die HF-Signale im Arbeitsbereich der Teilschaltung eine Masseanbindung
an die Gesamtmasse des Bauelements, d. h. ein HF-Kurzschluss zwischen den beiden Massen
vorhanden ist.
-
Die
angegebene Schaltung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden
nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
Teilschaltung mit kapazitiver Masseanbindung, die als ein Marchand-Balun
ausgeführt
ist;
-
1A eine
Teilschaltung mit kapazitiver Masseanbindung, die LC-Elemente umfasst;
-
2 im
Querschnitt ein Bauelement mit einem Substrat, in dem die Teilschaltung
zumindest teilweise integriert ist;
-
3 die Übertragungsfunktion
der Kapazität
für verschiede
Werte der Kapazität;
-
4 eine
Plattenanordnung der Koppelkapazität in perspektivischer Ansicht;
-
5 eine
Plattenanordnung gemäß der 4,
bei der eine Metallfläche
eine periodische Perforation aufweist;
-
6 das
Ersatzschaltbild eines Bauelements mit der Teilschaltung.
-
In
den 1, 1A ist jeweils eine beispielhafte
Teilschaltung 1 gezeigt, deren lokale Masse GND' von der Gesamtmasse
GND einer übergeordneten,
in dieser Figur nicht gezeigten elektrischen Schaltung galvanisch
entkoppelt ist. Die Massen GND, GND' sind mittels der Kapazität C kapazitiv
aneinander gekoppelt. Folglich hat die Teilschaltung 1 eine
kapazitive Masseanbindung.
-
Die
Teilschaltung 1 weist ein balanciertes erstes Tor auf,
dessen Anschlüsse
mit den Bezugszeichen A1 und A2 bezeichnet sind. Die Teilschaltung 1 weist
ein unbalanciertes zweites Tor auf, das den Signalanschluss B aufweist.
-
Die
Teilschaltung 1 weist einen unbalancierten und einen balancierten
Signalpfad auf. Der unbalancierte Signalpfad ist an den Anschluss
B des zweiten Tores angeschlossen und umfasst zwei Leiterbahnen 11, 12.
Der balancierte Signalpfad umfasst zwei Teilpfade, wobei ein erster
Teilpfad an den Anschluss A1 und der zweite Teilpfad an den Anschluss A2
des ersten Tores angeschlossen ist.
-
Der
Wert der Kapazität
C ist so gewählt,
dass die Hochfrequenzsignale im Passband und Stoppband der Teilschaltung
durch die kapazitive Kopplung effektiv einen HF-Kurzschluss zwischen
lokaler Masse und Gesamtmasse sehen.
-
In 3 ist
die Übertragungsfunktion
der Kapazität
C für verschiedene
Kapazitätswerte
gezeigt. Die Kurve 41 entspricht dem niedrigsten, die Kurve 42 dem
mittleren und die Kurve 43 dem größten Kapazitätswert.
Der Punkt 6 an der Ordinatenachse entspricht einem offenen Ende
und der Punkt 5 einem Kurzschluss zwischen den Massen GND, GND'. Bei der Frequenz
Null, d. h. für
ein Gleichstromsignal, wirkt die Kapazität als ein offenes Ende, wobei
die Übertragungsfunktion
einen dem Punkt 6 entsprechenden Wert annimmt. Aus der 3 ist
zu sehen, dass im Falle der niedrigsten Kapazität (siehe die Kurve 41)
im gezeigten Frequenzbereich der Kurzschluss für HF-Signale nicht erreicht
wird. Im Falle der mittleren Kapazität (Kurve 42) wird
der HF-Kurzschluss erst bei sehr hohen Frequenzen erreicht. Bei der
größten Kapazität (Kurve 43)
wird eine Übertragungscharakteristik
der Kapazität
erzielt, die dem Punkt 5, d. h. einem HF-Kurzschluss, entspricht.
-
Die
Kurven 42 und 43 weisen Einbrüche (Polstellen) auf. Diese
rühren
daher, dass die Kapazität
C mit Streuinduktivitäten
der Umgebung einen Schwingkreis bildet, der Signale bei seiner Resonanzfrequenz
dämpft.
Die durch die Masseflächen 31, 32 und
die Schicht 25 realisierte Kapazität C kann auch eine eigene parasitäre Induktivität aufweisen. Der
Wert der Kapazität
C wird vorzugsweise so gewählt,
dass das Passband und das Stoppband der elektrischen Schaltung unterhalb
der Resonanzfrequenz eines solchen Serienschwingkreises liegt.
-
Die
Schaltung gemäß der 1 umfasst
einen so genannten Marchand-Balun, d. h. einen Balun, der mit Leiterbahnabschnitten
geeigneter Länge realisiert
ist. Im ersten Teilpfad ist eine Leiterbahn 21 und im zweiten
Teilpfad eine Leiterbahn 22 angeordnet. Die Leiterbahnen 11, 21 sind
kapazitiv aneinander gekoppelt und bilden einen ersten Koppler.
Die Leiterbahnen 21, 22 sind kapazitiv aneinander
gekoppelt und bilden einen zweiten Koppler. Die Koppler bilden Phasenschieber,
die im Passband mit unterschiedlichen Vorzeichen eine Phasendrehung
des Signals um 90 Grad verursachen. Die Phasendifferenz zwischen
den Anschlüssen
A1, A2 des ersten Tores beträgt
180 Grad im Passband.
-
Die
in 1A gezeigte Teilschaltung ist auf LC-Elementen
basiert. Die Kapazität
C1 und die Induktivität
L1 bilden einen ersten Phasenschieber, der eine Phasendrehung um
90 Grad verursacht. Die Kapazität
C2 und die Induktivität
L2 bilden einen zweiten Phasenschieber, der ebenfalls eine Phasendrehung
um 90 Grad verursacht. Die Phasendifferenz zwischen den Anschlüssen A1,
A2 des ersten Tores beträgt
180 Grad.
-
Sowohl
die nach Masse GND' geschalteten Leiterbahnen 21, 22 in 1 als
auch die nach Masse GND' geschaltete
Induktivität
L1 in 1A stellen eine galvanische
Verbindung mit Masse und daher für
ein DC-Signal einen Kurzschluss nach (lokaler) Masse GND' dar. Dadurch, dass
die lokale Masse jedoch galvanisch von der Gesamtmasse GND getrennt
ist, wird ein DC-Kurzschluss
zwischen einem elektrischen Anschluss A1, A2 und der Gesamtmasse
GND verhindert.
-
Die
Teilschaltung 1 ist vorzugsweise in einem in 2 schematisch
gezeigten Substrat 2 angeordnet. Das Substrat umfasst mehrere
dielektrische Schichten, zwischen denen Metallschichten angeordnet
sind. Die Metallschichten umfassen jeweils strukturierte Leiterbahnen 33 oder
Leiterflächen
wie z. B. die Masseflächen 31, 32.
Die in den verschiedenen Metallschichten ausgebildeten Strukturen
sind miteinander mittels Durchkontaktierungen 34 verbunden.
-
Eine
für den
Arbeitsbereich der Teilschaltung geeignete Kapazität C kann
beispielsweise über
die Größe der Masseflächen 31, 32,
die Dicke der zwischen den Masseflächen angeordneten dielektrischen
Schicht 25 und/oder die dielektrische Konstante dieser
Schicht eingestellt werden. Die Dicke der dielektrischen Schicht 25,
die zwischen den Masseflächen 31, 32 angeordnet
ist, kann in einer vorteilhaften Variante einige 10 μm betragen.
Die Dielektrizitätskonstante
dieser Schicht beträgt
vorzugsweise zwischen 6 und 1000. Die Kapazität ist um so höher, je
dünner
die dielektrische Schicht und je höher ihre Dielektrizitätskonstante
ist.
-
Mit
größer werdender
Kapazität
wird der HF-Kurzschluss bei tieferen Frequenzen erreicht. Außerdem verschiebt
sich der Resonanzeinbruch auch zu tieferen Frequenzen. Daher verschiebt
sich auch der vorzugsweise zu wählende
Arbeitsbereich zu tieferen Frequenzen. Aus diesem Grund ist der Höchstwert
der Kapazität
C vorzugsweise so gewählt,
dass das Passband und das oberhalb des Passbandes liegendes Stoppband
der Teilschaltung unterhalb der Resonanzfrequenz des in Zusammenhang
mit 3 erläuterten,
mit der Kapazität
C zusammenhängenden
Schwingkreises liegt.
-
Um
die vorgegebenen elektrischen Eigenschaften wie z. B. den Phasen-
oder Amplitudengang der Teilschaltung 1 im Arbeitsbereich
erzielen zu können,
ist der Mindestwert der Kapazität
vorzugsweise so gewählt,
dass im vorgegebenen Arbeitsbereich der Teilschaltung a) die Amplitudendifferenz
zwischen den Anschlüssen
A1, A2 des balancierten Tors im Bereich zwischen –1 dB und
1 dB liegt, und b) die Phasendifferenz zwischen diesen Anschlüssen vom Idealwert
von 180 Grad nicht mehr als um 10 Grad abweicht.
-
Passive
elektrische Schaltungselemente, wie z. B. die Leiterbahnen 11, 12, 21, 22 oder
die Induktivitäten
L1, L2, können
mittels lang gestreckter Leiterbahnabschnitte und/oder der Durchkontaktierungen 34 realisiert
werden. Die Leiterbahnabschnitte können gefaltet sein oder zumindest
eine Teilwindung einer Spirale bilden. Die Kapazitäten C, C1,
C2 sind vorzugsweise mittels Leiterflächen realisiert, die einander
gegen über
stehen. Aber auch nebeneinander stehende Durchkontaktierungen sind
zur Bildung einer Kapazität
geeignet.
-
Das
Substrat 2 kann außerdem
weitere Teilschaltungen bzw. Funktionsblöcke der übergeordneten Schaltung beinhalten.
-
4 erläutert eine
kapazitive Masseanbindung, die durch eine Parallelplattenanordnung
realisiert ist, anhand einer perspektivischen Darstellung. Zumindest
eine der einander gegenüber
liegenden Masseflächen 31, 32 kann
wie in der Variante gemäß der 5 periodische
Strukturen in Form einer Perforation aufweisen, die bei einer mit
der Periodizität dieser
Strukturen zusammenhängenden
Resonanzfrequenz zu einem Sperrbereich (electronic band gap) führen. Dieser
Sperrbereich ist vorzugsweise so gewählt, dass ein zu unterdrückendes
Signal, vorzugsweise eine Harmonische, in diesem Bereich liegt.
-
Eine
weitere Möglichkeit
zur kapazitiven Masseanbindung besteht darin, die lokale Masse GND' mit der Gesamtmasse
GND über
eine diskrete Kapazität
(Chip-Kapazität)
zu verbinden. Die Chip-Kapazität
stellt vorzugsweise ein SMD-Bauelement dar. SMD steht für Surface
Mounted Device. Die Chip-Kapazität
ist vorzugsweise auf dem Substrat 2 angeordnet, mit den
Kontaktfläche
des Substrats verlötet
und mittels Durchkontaktierungen leitend mit den darin integrierten
Masseflächen 31, 32 verbunden.
-
In 6 ist
eine elektrische Schaltung gezeigt, in der die vorstehend erläuterte Teilschaltung als
ein Funktionsblock eingesetzt werden kann.
-
Die
Schaltung umfasst ein Frontend-Modul FEM, das vorzugsweise als ein
kompaktes Bauelement mit einem gemeinsamen Trägersubstrat realisiert ist.
Das Trägersubstrat
ist vorzugsweise das Substrat 2 in 2 oder ein
weiteres Substrat, auf dem das Substrat 2 angeordnet ist.
-
Die
Schaltung umfasst außerdem
eine Transceiver-Schaltung, die vorzugsweise als eine Transceiver-IC
TR-IC, d. h. eine integrierte Schaltung in Form eines Chips, realisiert
ist. Die Transceiver-Schaltung und das Frontend-Modul sind elektrisch
miteinander verbunden.
-
Die
in 6 gezeigte Schaltung ist für die Datenübertragung in zwei Funkbändern ausgelegt. Signalpfade
TX1, RX1 sind für
die Datenübertragung im
ersten Funksystem vorgesehen. Signalpfade TX2, RX2 sind für die Datenübertragung
im zweiten Funksystem vorgesehen. Die Datenübertragung erfolgt im Passband
des jeweiligen Signalpfades. Die Signalpfade weisen außerdem Stoppbänder auf,
in denen Störsignale
besonders gut unterdrückt
werden sollen. Ein Stoppband eines Sendepfades kann z. B. im Frequenzbereich
einer Harmonischen des Sendesignals liegen. Ein Stoppband kann auch
bei Übertragungsfrequenz
des anderen Funkbandes vorgegeben sein.
-
Die
Schaltung umfasst den Sendepfad TX1 und den Empfangspfad RX1 für das erste
Band, das z. B. bei 2,4 GHz liegt, sowie den Sendepfad TX2 und den
Empfangspfad RX2 für
das zweite Band, das z. B. bei 5 GHz liegt. Die Empfangspfade RX1,
RX2 sind antennenseitig mittels eines ersten Diplexers zu einem
gemeinsamen Empfangspfad und die Sendepfade TX1, TX2 zu einem gemeinsamen
Sendepfad zusammengefasst. Diese gemeinsamen Signalpfade werden
abwechselnd mittels eines Schalters mit min destens einem der Antennenanschlüsse ANT1, ANT2
leitend verbunden.
-
Die
Sendepfade umfassen jeweils ein Bandpassfilter, einen Leistungsverstärker und
einen Balun BU. Die Empfangspfade umfassen jeweils ein Bandpassfilter,
einen rauscharmen Verstärker
und einen Balun BU. Ein Balun dient zur Anpassung eines unbalancierten
Abschnitts des jeweiligen Signalpfades an ein balanciertes Tor der
Transceiver-Schaltung.
-
Die
Baluns BU sind jeweils vorzugsweise wie die vorstehend erläuterte Teilschaltung 1 ausgeführt. Für jeden
Signalpfad RX1, RX2, TX1, TX2 gilt: das Passband der darin angeordneten
Teilschaltung und des darin angeordneten Bandpassfilters umfasst
das Passband dieses Signalpfades. Das Passband umfasst insbesondere
einen Frequenzbereich, in dem die Datenübertragung im jeweiligen Funkband
stattfindet. Auch die Stoppbänder
der Teilschaltung und des Bandpassfilters umfassen die vorgegebenen Stoppbänder des
jeweiligen Signalpfades.
-
Die
angegebene elektrische Schaltung ist bezüglich einer konkreten Ausgestaltung
auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nicht beschränkt.
-
- 1
- Teilschaltung
- 11,
12
- Leiterbahnen
- 21,
22
- Leiterbahnen
- 2
- Substrat
- 25
- Substratschicht
- 31,
32
- Leiterfläche
- 33
- Leiterbahn
- 34
- Durchkontaktierung
- A1,
A2
- elektrische
Anschlüsse
des ersten Tores
- ANT1,
ANT2
- Antennenanschlüsse
- B
- elektrischer
Anschluss des zweiten Tores
- C
- Kapazität
- C1,
C2
- Kapazität
- GND
- Gesamtmasse
- GND'
- lokale
Masse
- L1,
L2
- Induktivität
- FEM
- Frontendmodul
- TR-IC
- Transceiver-IC
- RX1,
RX2
- Empfangspfade
- TX1,
TX2
- Sendepfade