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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Umschalt-Schaltung für Hochfrequenz-Kommunikationssystemelemente
zur Verwendung in Mobiltelefonen, WLANs und bei Bluetooth.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Gegenwärtig werden
für die
Mobilkommunikationssysteme von Mobiltelefonen und anderen Einrichtungen
mehrere Techniken angewendet, etwa die CDMA-Technik (Code Division
Multiple Access) und die TDMA-Technik (Time Division Multiple Access).
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Die
TDMA-Technik wird für
das GSM (Global System for Mobile Communications) und PDC (Personal
Digital Cellular) verwendet. In Europa werden vor allem die auf
dem GSM basierenden Systeme EGSM (Extended Global System for Mobile
Communications) und DCS (Digital Cellular System) verwendet. In
den Vereinigten Staaten werden vor allem das GSM 850 (Global System
for Mobile Communications 850) und PCS (Personal Communication Service)
verwendet. In Japan wird das PDC-System verwendet.
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Beispiele
für kleine,
komplexe Hochfrequenzelemente für
die Verwendung bei den verschiedenen, oben angegebenen Kommunikationssystemen sind
Dualband-Hochfrequenzmodule für
mobile Funk-Handgeräte
für EGSM
und DCS, Dreifachband-Hochfrequenzmodule für EGSM, DCS und PCS und Vierfachband-Hochfrequenzmodule
für GSM
850, EGSM, DCS und PCS.
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Die 1 zeigt
die Sendefrequenzen (TR) und die Empfangsfrequenzen (RC) der Sende-Empfangssysteme,
die bei den Hochfrequenzschaltungselementen verarbeitet werden.
Die Frequenzbänder sind
den oben genannten Hochfrequenzschaltungselementen wie folgt zugeteilt.
Für das
GSM 850 umfaßt
das Sende-Frequenzband die Frequenzen von 824 bis 849 MHz und das
Empfangs-Frequenzband die Frequenzen von 869 bis 894 MHz. Für das EGSM umfaßt das Sende-Frequenzband
die Frequenzen von 880 bis 915 MHz und das Empfangs-Frequenzband
die Frequenzen von 925 bis 960 MHz.
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Für das DCS
umfaßt
das Sende-Frequenzband die Frequenzen von 1710 bis 1785 MHz und das
Empfangs-Frequenzband die Frequenzen von 1805 bis 1880 MHz. Für das PCS
umfaßt
das Sende-Frequenzband
die Frequenzen von 1850 bis 1910 MHz und das Empfangs-Frequenzband
die Frequenzen von 1930 bis 1990 MHz.
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Um
ein mobiles Funk-Handgerät
in mehreren Kommunikationssystemen benutzen zu können, wird eine komplexe Modulschaltung
eingebaut, bei der ein Hochfrequenz-Schaltungselement einen Filter
zum Durchlassen der jeweiligen Frequenzen und einen Hochfrequenzschalter
um Umschalten zwischen dem Sende- und Empfangskreis verwendet.
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Es
besteht daher das Bedürfnis
nach einer komplexen Modulschaltung sowie nach einem kleinen und
leichten mobilen Funk-Handgerät,
wobei dieses Bedürfnis
seinerseits ein Bedürfnis
nach einem kleinen Hochfrequenz-Schaltungselement hervorruft. Eine
Erhöhung
der Integrationsdichte in einem Hochfrequenz-Schaltungselement verringert
jedoch die Abstände
zwischen den Schaltungen, so daß sich
das Problem der nicht ausreichenden Isolierung zwischen den Schaltungen
ergibt.
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Eine
nicht ausreichende Isolierung zwischen der Empfangsschaltung und
der Sendeschaltung im Eingangsteil des Systems eines mobilen Funk-Handgeräts verursacht
manchmal Schäden
am LNA (rauscharmen Verstärker)
oder eine Fehlfunktion im IC. Im allgemeinen erfordert ein stabiler
Betrieb des Systems eine Isolierung von 35 dB oder besser.
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Ein
Eingangsmodul mit einem Standard-Hochfrequenzschalter, wie er zum
Beispiel in der 2A gezeigt ist, ergibt jedoch
im Frequenzband von 1850 bis 1880 MHz nur eine Isolierung von etwa
30 dB, wie es in der 2B gezeigt ist. In diesem Frequenzband überlappen
sich die Durchlaßbänder, zum
Beispiel das PCS-Sendeband und das DCS-Empfangsband, wie es in der 1 gezeigt
ist.
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Techniken
zum Isolieren bei überlappenden Durchlaßbändern sind
zum Beispiel in der
JP-A-2004-147166 (Patentdokument
1), der
JP-A-2005-101762 (Patentdokument
2) und der
JP-A-2004-140696 (Patentdokument
3) beschrieben.
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Die
Patentdokumente 1 und 2 beschreiben eine Ausgestaltung, bei der
wie in der 3 gezeigt eine dritte Umschalt-Schaltung SW3 zwischen
die Empfangsschaltung und dem Ausgangsanschluß der Empfangsschaltung oder
einen Empfangsfilter eingefügt
ist, um die Isolierung zu verbessern. Bei der in den Patentdokumenten
1 und 2 beschriebenen Technik erfolgt die Umschaltung beim Senden
in zwei Stufen in der ersten Umschalt-Schaltung SW1 und in der dritten
Umschalt-Schaltung SW3, um zu verhindern, daß das Sendesignal in den Empfangskreis
oder den Empfangsfilter übertritt.
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Die
Patentdokumente 1 und 2 beschreiben eine Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
mit einer PIN-Diode (Positiv-Intrinsisch-Negativ). Das Patentdokument
3 beschreibt ein Eingangsmodul, ein Antennen-Schaltmodul usw. mit
verbesserter Isolation durch einen Halbleiterschalter, zum Beispiel
einen Feldeffekttransistorschalter wie einen GaAs-Schalter (Gallium-Arsenid) oder einen
CMOS-Schalter (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
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Die
beschriebene dritte Umschalt-Schaltung SW3, die zur Verbesserung
der Isolation hinzugefügt wird,
erhöht
jedoch den Umfang der Schaltung im Eingangsteil und verhindert eine
Verringerung der Schaltungsgröße. Außerdem erhöhen die
zur Ausbildung der dritten Umschalt-Schaltung SW3 hinzugefügten Elemente
die Kosten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Mit
der vorliegenden Erfindung sollen die obigen Probleme gelöst werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kleine, kostengünstige Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
zu schaffen, die eine Isolierung von 35 dB oder mehr ergibt, ohne
daß in
einem Frequenzband, in dem ein Sendefrequenzband und ein Empfangsfrequenzband
teilweise überlappen,
eine neue dritte Umschalt-Schaltung hinzugefügt wird. Aufgabe der Erfindung
ist es auch, ein Hochfrequenz-Schaltelement mit der Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
einen Aufbau hat, bei der der Sendeleitung in der Umschalt-Schaltung
ein Kondensator parallelgeschaltet ist.
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Erfindungsgemäß wird somit
eine kleine, kostengünstige
Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung geschaffen, die auch in einem Frequenzband,
in dem sich ein Sendefrequenzband und ein Empfangsfrequenzband teilweise überlagern,
eine Isolierung von 35 dB oder mehr ergibt. Außerdem wird ein Hochfrequenz-Schaltelement mit
dieser Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung geschaffen.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung der Zuteilung der Frequenzen im TDMA-Kommunikationssystem.
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2A ist
eine Darstellung des Ersatzschaltbildes eines Eingangsmoduls mit
einer Standard-Umschalt-Schaltung und 2B eine
graphische Darstellung des Simulationsergebnisses für die Isolationseigenschaften
zwischen PCS-Tx und DCS-Rx.
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3 ist
eine Darstellung des Ersatzschaltbildes eines Eingangsmoduls, zu
dem eine Umschalt-Schaltung hinzugefügt wird, um die Isolierung zwischen
PCS-Tx und DCS-Rx zu verbessern.
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4A ist
eine perspektivische Darstellung einer Umschalt-Schaltung in einer
ersten Ausführungsform
der vorlie genden Erfindung und die 4B eine
perspektivische Darstellung von oben.
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5A ist
eine perspektivische Darstellung einer Umschalt-Schaltung in einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und die 5B eine
perspektivische Darstellung von oben.
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6 ist
eine Darstellung des Ersatzschaltbildes der Umschalt-Schaltung der
ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7A ist
eine graphische Darstellung der Kapazität eines Kondensators und der Änderung
in den Isolationseigenschaften zwischen PCS-Tx und DCS-Rx und 7B eine
graphische Darstellung der Kapazität eines Kondensators und der Änderung
in den Isolationseigenschaften zwischen EGSM-Tx und GSM 850-Rx bei
der ersten und der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8A ist
eine Darstellung des Ersatzschaltbildes eines Vierfachband-Eingangsmoduls
mit einer Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, 8B eine
graphische Darstellung des Simulationsergebnisses der Isolationseigenschaften
zwischen PCS-Tx und DCS-Rx, und 8C eine
graphische Darstellung des Simulationsergebnisses der Isolationseigenschaften
zwischen EGSM-Tx und GSM 850-Rx.
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9 ist
eine Darstellung des Ersatzschaltbildes einer Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung, bei der
an der Kathodenseite einer Diode D2 ein Kondensator parallel zur
Sendeleitung angeschlossen ist.
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10 ist
eine Blockdarstellung des Eingangsmoduls mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung.
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11 ist
eine Blockdarstellung eines mobilen Funk-Handgeräts mit dem Eingangsmodul mit der
erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden werden Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Umschalt-Schaltung
und ein Eingangsmodul sowie ein mobiles Funk-Handgerät mit der
Umschalt-Schaltung beschrieben.
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In
der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen wird eine Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung,
die durch Anordnen der Schaltungselemente auf der Oberseite eines
dielektrischen Mehrlagensubstrats aus LTCC (Niedertemperatur-Cofire-Keramik)
oder HTCC (Hochtemperatur-Cofire-Keramik) oder durch Einbauen der
Schaltungselemente in das dielektrische Mehrlagensubstrat hergestellt
wird, als Beispiel für
die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
beschrieben. Es wird auch ein Eingangsmodul mit dieser Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
beschrieben.
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Es
werden nun anhand der Zeichnungen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
und ein Hochfrequenz-Schaltungselement mit der Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung beschrieben.
In den beiliegenden Zeichnungen bezeichnet L ein induktives Element
(Sendeleitung), C und Ca bezeichnen jeweils einen Kondensator, D
bezeichnet eine PIN-Diode,
R einen Widerstand, Ant und ANT bezeichnen einen Antennenanschluß, Tx bezeichnet
einen Sendeanschluß,
Rx einen Empfangsanschluß,
Vc einen Steuerstromanschluß,
SW eine Umschalt-Schaltung, SAW einen akustischen Oberflächenwellenfilter,
DIP einen Antennendiplexer (eine Sende-Empfangs-Weiche), LPF einen
Tiefpaßfilter
und HPA einen Leistungsverstärker
(Verstärker
hoher Leistung).
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Die 4A und 4B sind
schematische Darstellungen einer Umschalt-Schaltung in einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein dielektrisches Mehrlagensubstrat 1 besteht
aus LTCC oder HTCC. Die Umschalt-Schaltung der 4A und
der 4B weist einen Aufbau auf, bei dem PIN-Dioden
D1 und D2, ein Widerstand R1 und ein Kondensator Ca1 auf der Oberfläche des
dielektrischen Mehrlagensubstrats 1 angeordnet sind und eine
Sendeleitung L1 und ein Kondensator C1 in das dielektrische Mehrlagensubstrat
eingebaut sind.
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Die
Sendeleitung L1 hat eine solche Länge, daß sie bei der Betriebsfrequenz
als λ/4-Wandler dient.
Der Widerstand R1 bestimmt den Strom, der durch die Dioden D1 und
D2 fließt,
wenn der Steuerstrom Vc1 hoch ist.
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Der
Kondensator C1 verhindert nicht nur ein Fließen des Gleichstroms vom Steuerstromanschluß, sondern
mit ihm wird auch die Isolierung zwischen dem Sendekreis und dem
Empfangskreis eingestellt. Obwohl er im vorliegenden Beispiel in
das dielektrische Mehrlagensubstrat eingebaut ist, kann der Kondensator
C1 auch ein Chipkondensator sein, der auf der Oberfläche des
dielektrischen Mehrlagensubstrats angeordnet ist.
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Der
Kondensator Ca1 ist parallel zu der Sendeleitung L1 geschaltet,
um die Isolationseigenschaften zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis
zu verbessern. Ein Verändern
der Kapazität
dieses Kondensators ermöglicht
es, die Isolierung zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis
einzustellen und zu optimieren.
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Die 5A und 5B sind
schematische Darstellungen einer Umschalt-Schaltung in einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Umschalt-Schaltung weist den gleichen Aufbau
wie die der ersten Ausführungsform
auf, mit der Ausnahme, daß der
Kondensator Ca1 als Muster im dielektrischen Mehrlagensubstrat ausgebildet
ist. Das Ausbilden des Kondensators Ca1 im dielektrischen Mehrlagensubstrat
verringert den Aufwand für das
Anbringen des Kondensators.
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Die 6 zeigt
das Ersatzschaltbild der ersten und der zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Umschalt-Schaltung. P1 bezeichnet
den Verbindungspunkt mit dem Antennendiplexer, P2 den Verbindungspunkt
mit dem Tiefpaßfilter
und der Sendeschaltung und P3 den Verbindungspunkt mit dem Phasenschieber,
der Empfangsschaltung und dem Empfangsfilter. Wie in der 6 gezeigt,
ergibt der parallel zu der Sende leitung L1 angeordnete Kondensator
Ca1 eine bessere Isolation als wenn der Kondensator Ca1 nicht vorgesehen
ist.
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Die 7A und 7B zeigen
das Simulationsergebnis für
die Isolationseigenschaften zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis, wenn
die Kapazität
des Kondensators Ca1 verändert wird,
bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Die 7A zeigt die Beziehung zwischen
der Kapazität
des Kondensators Ca1 und den Isolationseigenschaften zwischen PCS-Tx
und DCS-Rx. Die 7B zeigt die Beziehung zwischen
der Kapazität
des Kondensators Ca1 und den Isolationseigenschaften zwischen EGSM-Tx und
GSM 850-Rx im Frequenzband von 880 bis 894 MHz, in dem das EGSM-Sendeband
und das GSM 850-Empfangsband überlappen.
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Die
Diagramme zeigen, daß eine
Isolierung von 35 dB oder mehr zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis
bei der vorliegenden Ausführungsform
erfordert, eine Kapazität
von 0,5 pF oder mehr hinzuzufügen,
um zwischen PCS-Tx und DCS-Rx eine ausreichende Isolierung zu erhalten, und
eine Kapazität
von 2 pF oder mehr hinzuzufügen, um
zwischen EGSM-Tx und GSM 850-Rx eine ausreichende Isolierung zu
erhalten.
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Die 8A zeigt
das Ersatzschaltbild eines Vierfachband-Eingangsmoduls, das für eine erste Umschalt-Schaltung
SW1 und eine zweite Umschalt-Schaltung SW2 die Umschalt-Schaltung einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet. Die 10 zeigt
eine Blockdarstellung eines Vierfachband-Eingangsmoduls 90,
bei dem die Umschalt-Schaltung
der dritten Ausführungsform verwendet
wird.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Kapazität des
parallel zu der Sendeleitung L1 geschalteten Kondensators auf 0,1
pF festgelegt, damit durch die Anpassung der Einfügungsverlust
beim Verbinden der Umschalt-Schaltung mit dem Antennendiplexer DIP
oder dem Empfangskreis mit einem Phasenschieber minimal wird und
um eine Isolierung von 35 dB oder mehr zwischen PCS-Tx und DCS-Rx
zu erhalten. Aus dem gleichen Grund wird die Kapazität des Kondensators
Ca2, der parallel zu der Sendeleitung L2 geschaltet ist, auf 3,0
pF festgelegt.
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Die
Kapazitäten
der Kondensatoren Ca1 und Ca2 sind nicht auf die oben angegebenen
Werte beschränkt,
sondern können
entsprechend dem verwendeten Frequenzband geändert werden.
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Auch
bei der vorliegenden Ausführungsform kann
der eingefügte
Kondensator als Muster im Substrat ausgebildet werden.
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Die 8B und 8C zeigen
das Simulationsergebnis der Isolationseigenschaften zwischen PCS-Tx
und DCS-Rx bzw. das Simulationsergebnis der Isolationseigenschaften
zwischen EGSM-Tx und GSM 850-Rx des Eingangsmoduls dieser Ausführungsform.
Die 8B und 8C zeigen,
daß sich durch
die Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung der vorliegenden Erfindung die
Isolationseigenschaften auch in den Frequenzbändern erheblich verbessern, in
denen ein Sendefrequenzband und ein Empfangsfrequenzband teilweise überlappen.
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In
den obigen Beispielen und Ausführungsformen
ist wie in der 6 gezeigt der parallel zu der Sendeleitung
hinzugefügte
Kondensator mit der Anodenseite der Diode D2 verbunden. Der gleiche
Effekt kann aber auch dadurch erhalten werden, daß wie in der 9 gezeigt
die Verbindung mit der Diode D2 an der Kathodenseite erfolgt, da
die Dioden D1 und D2 beim Senden elektrisch verbunden sind.
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Auch
wenn in den obigen Beispielen und Ausführungsformen als Schaltelement
zur Ausbildung der Umschalt-Schaltung eine PIN-Diode verwendet wird,
kann der gleiche Effekt auch mit einem Halbleiterschalter erhalten
werden, zum Beispiel mit einem Feldeffekttransistorschalter wie
einem GaAs-Schalter oder einem CMOS-Schalter.
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In
den obigen Beispielen und Ausführungsformen
wurde zwar die Isolierung zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis
bei einer bestimmten Frequenz beschrieben, die vorliegende Erfindung kann
aber ebensogut auch bei einer Frequenz verwendet werden, die bei
den Ausführungsformen
nicht erwähnt ist.
Das heißt,
daß die
Isolierung durch Anschließen
eines Kondensators parallel zu der Sendeleitung und Einstellen und
Optimieren der Kapazität des
Kondensators auch in einem Frequenzband verbessert werden kann,
in dem das Empfangsfrequenzband einer Schaltung und das Sendefrequenzband
einer anderen Schaltung teilweise überlappen.
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Für das Modulsubstrat,
in dem die Elemente der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
ausgebildet werden, kann nicht nur ein dielektrisches Mehrlagensubstrat
aus LTCC oder HTCC verwendet werden, sondern auch ein IPD-Element
(Integrated Passive Device) aus Silizium.
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Die 11 ist
eine Blockdarstellung eines mobilen Funk-Handgeräts mit dem Eingangsmodul 90 mit
der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung.
Wie in der 11 gezeigt, umfaßt das mobile
Funk-Handgerät
eine Antenne (ANT), das Eingangsmodul 90, einen HF-IC,
einen HPA, einen IC, einen Lautsprecher, ein Mikrophon, eine Tastatur, ein
Display und eine Batterie.
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Erfindungsgemäß läßt sich
zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis gut eine kleine, kostengünstige Eingangseinheit
mit Isolationseigenschaften von 35 dB oder höher ausbilden. Diese Eingangseinheit
reduziert die Gefahr einer Beschädigung
und eine Fehlfunktion des LNA und des ICs durch eine nicht ausreichende
Isolierung zwischen dem Sendekreis und dem Empfangskreis.
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Die
erfindungsgemäße Hochfrequenz-Umschalt-Schaltung
ergibt bessere Isolationseigenschaften zwischen dem Sendekreis und
dem Empfangskreis, ohne daß eine
Umschalt-Schaltung auf der Seite des Empfangskreises hinzuzufügen ist, auch
wenn in einem Frequenzband das Sendefrequenzband und das Empfangsfrequenzband
teilweise überlappen.
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Der
Fachmann weiß,
daß die
vorstehende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung verschiedenen
Abänderungen
und Modifikationen unterliegen kann, ohne vom Umfang der Erfindung und
der folgenden Patentansprüche
abzuweichen.