DE102008013386A1 - Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter sowie Schaltungseinheit - Google Patents

Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter sowie Schaltungseinheit Download PDF

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DE102008013386A1
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Alexander Kopp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/10Auxiliary devices for switching or interrupting
    • H01P1/15Auxiliary devices for switching or interrupting by semiconductor devices

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  • Electronic Switches (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1') mit einem Eingang (3), mit einem Ausgang (4), mit einem Masseanschluss (6), mit einer Verbindungsleitung (5) zwischen dem Eingang (3) und dem Ausgang (4), mit einer an der Verbindungsleitung (5) angeschlossenen Kurzschlussleitung (8), die über ein Schaltelement (9) mit dem Masseanschluss (6) verbunden ist, und mit einer Schalteinrichtung (10) zur Betätigung des Schaltelements (9), wobei die Kurzschlussleitung (8) unter Einbeziehung des Schaltelements (9) eine aktive Länge (L) aufweist, die einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des zu schaltenden Hochfrequenz-Signals entspricht. Weiter ist eine Schaltungseinheit (30) mit einem derartigen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1') angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter sowie eine Schaltungseinheit mit einem derartigen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter. Die Erfindung bewegt sich dabei insbesondere auf dem Gebiet der sogenannten Time-Division-Duplex(TDD)-Technik zur wechselweisen Übermittlung hochfrequenter Signale zwischen einem Ein- und einem Ausgang, wobei zur Übertragung in beide Richtungen meist dieselbe Frequenz verwendet wird. Um ein Übersprechen der in verschiedene Richtungen laufenden Signale zu verhindern, werden die Signale unterschiedlicher Laufrichtung verschiedenen Zeitbereichen zugeordnet. Mit anderen Worten laufen die Signale zwischen dem Ein- und dem Ausgang abwechselnd in die eine und in die andere Richtung.
  • Die TDD-Technik wird zukünftig zur Übertragung von Signalen innerhalb eines Mobilfunknetzes eingesetzt werden. Dabei wechseln sich die Signallaufrichtung insbesondere zwischen einer Basisstation eines Mobilfunknetzes und einem Mobilfunkendgerät ab. Gerade in einem sogenannten Repeater, der in einer Uplink-Richtung drahtgebunden oder drahtlos mit der Basisstation und in einer Downlink-Richtung mit dem Mobilfunkendgerät kommuniziert, besteht ein Bedarf zum Einsatz der TDD-Technik. Ein Repeater wird dabei dazu eingesetzt, in Abschattungsbereichen eines Mobilfunknetzes oder an den Reichweitegrenzen einer Basisstation eine Kommunikation mit dem Mobilfunkendgerät zu ermöglichen. Hierzu sind in beiden Übertragungsrichtungen geeignete Leistungsverstärker eingesetzt.
  • Da in einem TDD-System während des Umschaltens der Signallaufrichtungen kein regulärer Betrieb möglich ist, muss die Umschaltdauer möglichst kurz gehalten werden. In einem heutigen TDD-System beträgt diese Umschaltzeit einige Mikrosekunden. Zum Umschalten werden geeignete Schalter eingesetzt, die kurz Schaltzeiten aufweisen und eine möglichst hohe Isolation zwischen den Signalen unterschiedlicher Laufrichtung bieten. Derartige Schalter zum Schalten von Hoch frequenz-Signalen sind beispielsweise aus der WO 92/22937 A1 oder der WO 2007/083861 A1 bekannt.
  • Insbesondere in einem Repeater, wobei die Signale zwischen einem Downlink- und einem Uplink-Anschluss verstärkt werden müssen, tritt das Problem eines gegenseitigen Übersprechens beider Laufrichtungen auf. Dies liegt daran, dass die verwendeten Verstärker, die Ausgangsleistungen von teilweise mehr als 10 Watt aufweisen, bei einem Wechsel der Singallaufrichtung nicht rasch genug abgeschaltet werden können. Das Schalten der hohen Versorgungsströme derartiger Verstärker, die typischerweise im Bereich von einigen Ampere liegen, innerhalb der gewünschten kurzen Schaltzeiten erfordert komplexe Schaltungslösungen. Mithin ist dieses Problem derzeit noch nicht zufriedenstellend gelöst. Trotz des Einsatzes schneller Schalter mit hoher Isolation der Schaltpfade zueinander, wird ein Rauschpegel des abgeschalteten Signals in das in andere Richtung laufende Signal eingebracht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsmöglichkeit insbesondere zur Verringerung des Rauschübersprechens in einem TDD-System anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Demnach ist ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter vorgesehen, der einen Eingang, einen Ausgang, einen Masseanschluss, eine Verbindungsleitung zwischen dem Eingang und dem Ausgang, eine an der Verbindungsleitung angeschlossene Leitung, die über ein Schaltelement über dem Masseanschluss verbunden ist, und eine Schalteinrichtung zur Betätigung des Schaltelements aufweist, wobei die Kurzschlussleitung unter Einbeziehung des Schaltelements eine aktive Länge aufweist, die einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des zu schaltenden Hochfrequenz-Signals entspricht.
  • Bisherige Überlegungen in TDD-Systemen zielten darauf ab, die Isolation der Schalter zwischen den Schaltpfaden zu verbessern. Andererseits liefert der Ein satz geeigneter Schaltelemente zum Abtrennen der Signalleitung im Sperrfall nur ein unbefriedigendes Ergebnis. Ein solches, in die Signalleitung platziertes Schaltelement, wie beispielsweise ein herkömmlicher Dioden-Schalter, bringt nämlich aufgrund der eigenen Charakteristik im geschlossenen Zustand unerwünschte nichtlineare Beiträge in den Übertragungspfad. Die hierdurch hervorgerufenen Signalintermodulationen beeinträchtigen das Signal selbst und führen zu unerwünschten Nebenaussendungen. Als Folge sind die Linearität des Signals und das Rauschübersprechen auf benachbarte Kanäle verschlechtert.
  • Von beiden Konzepten löst sich nun die Erfindung, und greift auf das Konzept resonanter Strukturen zurück. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch eine geschickte Dimensionierung des Schaltungsaufbaus im Falle von hochfrequenten Signalen konkrete schwingungsfreie Bereiche geschaffen werden können, an welchen kein Signalabgriff mehr möglich ist. Dieses Konzept macht sich die Erfindung zunutze, indem eine abzutrennende Verbindungsleitung über eine Kurzschlussleitung einer definierten aktiven Länge mit einem Masseanschluss verbunden wird. Dabei wird die aktive Länge der Kurzschlussleitung so bemessen, dass sie einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des zu schaltenden Hochfrequenz-Signals entspricht. Unter der aktiven Länge wird die reale Länge der Leiterbahn einschließlich des Schaltelements verstanden. Konkret sind somit für die aktive Länge Werte von 1/4 λ, 3/4 λ, 5/4 λ, usw. zu wählen, wobei λ die Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals bezeichnet.
  • Ein Durchschalten des Schaltelements führt dazu, dass sich am Masseanschluss ein definierter Potenzialwert, nämlich Masse, einstellt. Mit anderen Worten wird am Masseanschluss ein Schwingungsknoten des Systems erzwungen. Über die λ/4-Bedingung der Kurzschlussleitung bedeutet dies aber, dass das System hinsichtlich der zu schaltenden Hochfrequenz an der Verbindungsleitung einen Schwingungsbauch aufweist. Das Hochfrequenz-Signal kann somit an der Verbindungsleitung abgegriffen werden, wenn das Schaltelement durchgeschaltet wird.
  • Wird andererseits das Schaltelement gesperrt, so kann das Ende der Kurzschlussleitung unbestimmte, mithin freie Zustände annehmen. Mit anderen Worten wird dem System damit am Ende der Kurzschlussleitung ein Schwingungsbauch aufgenötigt. In diesem Fall befindet sich dann jedoch aufgrund der λ/4-Bedingung an der Verbindungsleitung ein Schwingungsknoten. Das Hochfrequenz-Signal ist somit abgetrennt, wenn das Schaltelement sperrt.
  • Da das Schaltelement aus der Verbindungsleitung in eine abzweigende Kurzschlussleitung eingebracht ist, trägt die Charakteristik des Schaltelements im Durchlassfall kaum mehr störend zu dem Hochfrequenz-Signal entlang der Verbindungsleitung bei. Als Resultat lässt sich ein Schalten des Hochfrequenz-Signals mit einer hohen Linearität erzielen. Wird ein derartiger Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter in einem TDD-System zum Abtrennen bzw. Abschalten des Hochfrequenz-Signals in einer Signalleitung eingesetzt, wird im Sperrfall das Rauschübersprechen auf das Signal anderer Laufrichtung und im Durchlassfall die nichtlineare Signalverzerrung deutlich reduziert.
  • Der angegebene Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter wirkt als ein sogenannter Kerb- oder Notch-Filter, der aus einem Frequenzband einen schmalen Frequenzbereich im Sinne einer Kerbe ausschneidet. Durch den Aufbau eines schaltbaren Notch-Filters ermöglicht die Erfindung ein rasches, lineares Schalten von hochfrequenten Signalen eines definierten Frequenzbereichs.
  • Je nach gewünschter Schaltgeschwindigkeit können zum Schalten grundsätzlich verschiedene Schaltelemente, selbst unter Einbeziehung mechanischer Schalter gewählt werden. Zum Erreichen hoher Schaltgeschwindigkeiten, wie sie zur Realisierung eines TDD-Systems erforderlich sind, werden jedoch vorteilhafter Weise elektronische Schaltelemente eingesetzt. Als solche Schaltelemente können Transistoren, Thyristoren, Reed-Kontakte oder so genannte MEM-Schalter eingesetzt werden. Dabei versteht man unter einem MEM-Schalter einen mikro-elektromechanischen Schalter, der auf der Nanoskala dimensioniert ist und insbesonde re ein Schalten der Strukturen elektrostatisch, piezoelektrisch oder magnetisch bewirkt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als elektronisches Schaltelement eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, oder eine Gasentladungsröhre eingesetzt. Die Schottky-Diode zeigt einen besonders raschen Abbau der Sperrschicht, was hohe Schaltgeschwindigkeiten erlaubt. Auch die Gasentladungsröhre zeigt ein rasches Schaltverhalten, sobald die über ihr abfallende Spannung ein gewisses Maß übersteigt.
  • Die Diode und die Gasentladungsröhre lassen sich in einfacher Art und Weise dadurch schalten, dass als Schalteinrichtung eine der Verbindungsleitung zuschaltbare Spannungsquelle vorgesehen ist. Über ein solches Zuschalten kann die Diode zwischen einer Durchlass- und einer Sperrrichtung geschaltet oder die Gasentladungsröhre durchgezündet bzw. in den Sperrzustand gebracht werden. Dabei bietet es sich an, die Spannungsquelle zum Entkoppeln des Hochfrequenz-Signals mittels einer Induktivität der Verbindungsleitung zuzuschalten.
  • Hinsichtlich der aktiven Länge ist anzumerken, dass beispielsweise eine dem Schaltelement, wie insbesondere der Diode, innewohnende Kapazität zu einer Verkürzung der aktiven Länge führt. Dies muss bei der Ausgestaltung der Kurzschlussleitung entsprechend berücksichtigt werden.
  • Die Kurzschlussleitung selbst kann grundsätzlich als beliebige Leiterbahn oder als beliebiger Leiter gegeben sein. Bevorzugt ist die Kurzschlussleitung als ein Streifenleiter vorgegebene Länge ausgebildet. Ein solcher Streifenleiter lässt sich definiert in bekannter Art und Weise durch einen entsprechenden Ätzvorgang auf einer Leiterplatine fertigen.
  • Der angegebene Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter wirkt wie ein Notch-Filter und betrifft insofern nur einen schmalen Frequenzbereich. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Mehrzahl von einzelnen Kurzschlussleitungen vorgesehen, die jeweils über ein Schaltelement mit dem Masseanschluss verbunden sind, wobei die aktiven Längen der Kurzschlussleitungen die Viertel-Wellenlängen-Bedingung jeweils hinsichtlich verschiedener Wellenlängen erfüllen. Bei einem Sperren der Schaltelemente sind somit an der Verbindungsleitung diejenigen Hochfrequenz-Signale nicht mehr abgreifbar bzw. abgetrennt, für die die realisierte Viertel-Wellenlängen-Beziehung zutrifft, und sich insofern in der Signalleitung ein Schwingungsknoten einstellt. Liegen die betroffenen Frequenzbereiche nahe beieinander, so lässt sich über eine Mehrzahl derartiger Kurzschluss-Leitungen ein Bandfilter erzeugen. Mittels der Schaltelemente wird dann ein Frequenzband aus der Signalleitung abgetrennt.
  • Insbesondere bei der genannten Ausgestaltung des Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters mit mehreren Kurzschlussleitungen bietet es sich an, die Schaltelemente als Dioden auszugestalten, die über eine der Verbindungsleitung zuschaltbare Spannungsquelle gesteuert werden. Über ein einfaches Steuersignal werden hierbei alle Dioden gleichzeitig zwischen der Sperr- und der Durchlassrichtung geschaltet. Gleiches gilt im Übrigen auch bezüglich der Gasentladungsröhre.
  • Die Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß durch eine Schaltungseinheit, insbesondere für ein TDD-System, gelöst, die eine erste und eine zweite Signalleitung, einen Anschlussport und eine Weiche umfasst, die beide Signalleitungen wechselweise mit dem Anschlussport verbindet, wobei in wenigstens einer der beiden Signalleitungen ein Verstärker angeordnet ist, dem ausgangsseitig der vorbeschriebene Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter zugeordnet ist.
  • Durch den Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter lässt sich im Durchlassfall eine nichtlineare Signalverzerrung vermeiden. Im Sperrfall wird ein rasches Abschalten bzw. Abtrennen des ausgangsseitigen Hochfrequenz-Signals des Verstärkers erreicht. Ein Rauschübersprechen auf die andere Signalleitung über die Weiche ist hierdurch reduziert. Nach einem Wechsel der Signallaufrichtung gelangt Rauschen aus der den Verstärker aufweisenden Signalleitung nicht mehr in die ande re Signalleitung, die nun in umgekehrter Richtung von einem anderen Signal durchlaufen wird.
  • Mit der angegebenen Schaltungseinheit kann beispielsweise ein eingehendes Signal über den Verstärker geleitet und über die Weiche auf eine Antenne geführt sein. Ein Empfangssignal der Antenne wird mittels der Weiche auf die zweite Signalleitung geführt. Mittels der Schaltungseinheit kann somit eine wechselweise Kommunikation in einem Mobilfunknetz erfolgen.
  • Insbesondere ist der Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter ausgangsseitig des Verstärkers mit seinem Eingang und seinem Ausgang direkt in die Signalleitung eingeschaltet. Mit anderen Worten ist die Verbindungsleitung des Hochspannungs-Kurzschluss-Schalters Teil der Signalleitung als solcher.
  • Die Weiche, die wechselweise die beiden Signalleitungen mit dem Anschlussport verbindet, kann in an sich bekannter Weise als ein Schalter der eingangs beschriebenen Art gemäß Stand der Technik ausgestaltet sein, mit dem sich genügend hohe Schaltzeiten realisieren lassen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Weiche jedoch als ein Zirkulator ausgebildet. Ein solcher Zirkulator weist in der Regel drei Ports auf, wobei abhängig von der Signallaufrichtung eine Weiterleitung des Signals stets nur über zwei bestimmte Ports ermöglicht ist. Auf diese Weise lässt sich eine Weiche ohne Schaltfunktion realisieren. So wird beispielsweise ein den Port 1 erreichendes Signal auf Port 3 weitergeleitet, während ein den Port 3 erreichendes Signal an Port 2 austritt. Derartige Zirkulatoren sind an sich aus der Hochfrequenztechnik bekannt, und werden beispielsweise mittels Ferriten realisiert. Bislang war der Einsatz eines Zirkulators in einem TDD-System mit dem Nachteil einer unzureichenden Isolation zwischen den beiden Signalpfaden verbunden. Durch den Einsatz des angegebenen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters in Kombination mit einem Zirkulator lässt sich jedoch ein gegenüber dem Stand der Technik weit verbessertes TDD-System realisieren. Ein Rauschübersprechen wird sicher durch den Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter verhindert, während der Zirkulator ohne Schaltung einen Wechsel der Signallaufrichtungen bewirkt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in den beiden Signalleitungen mit umgekehrter Signallaufrichtung jeweils ein Verstärker und ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter geschaltet. Gemäß dieser Ausgestaltung ist eine Verstärkung der Signale in beiden Laufrichtungen ermöglicht. Insbesondere kann mittels dieser Schaltungseinheit ein Repeater realisiert sein, der zur Aufnahme von Signalen einer Basisstation ausgebildet ist, und diese an eine Remote-Einheit weiterleitet, die dann mit einem Mobilfunkendgerät kommuniziert. Dabei werden die Signale sowohl in Richtung von der Basisstation zu dem Mobilfunkendgerät (Downlink-Richtung) als auch in umgekehrter Richtung (Uplink-Richtung) verstärkt. In dem Repeater sind die Signalleitungen der entgegengesetzten Laufrichtungen voneinander getrennt, wobei die Aufteilung jeweils über die Weichen erfolgt.
  • Insbesondere weist ein derartiger Repeater einen mit der ersten Weiche verbundenen Uplink-Anschluss, der zur Kommunikation mit der Basisstation eines Mobilfunknetzes ausgebildet ist, und einen mit der zweiten Weiche verbundenen Downlink-Anschluss auf, der zur Kommunikation mit dem Mobilfunkendgerät ausgebildet ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 das Grundprinzip eines Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters,
  • 2 einen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
  • 3 einen Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
  • 4 das Transmissionsverhalten des Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters gemäß 3,
  • 5 das Sperrverhalten des Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters gemäß 3,
  • 6 eine Schaltungseinheit eines TDD-Systems mit einem Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter,
  • 7 eine Ausführungsvariante der Schaltungseinheit gemäß 6 und
  • 8 eine als Repeater ausgebildete Schaltungseinheit eines TDD-Systems.
  • 1 zeigt das Grundprinzip eines Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters 1, wie er sich zum Abtrennen von hochfrequenten Signalen, insbesondere innerhalb eines TDD-Systems, eignet.
  • Der gezeigte Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter 1 umfasst hierbei einen Eingang 3 sowie einen Ausgang 4, die über eine Verbindungsleitung 5 miteinander in elektrischem Kontakt stehen. Weiter umfasst der Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter 1 einen Masseanschluss 6, hier direkt als Masse gezeichnet, sowie eine Kurzschlussleitung 8, die die Verbindungsleitung 5 mit dem Masseanschluss 6 verbindet. In die Kurzschlussleitung 8 ist ein betätigbares Schaltelement 9 eingesetzt, welches mittels einer Schalteinrichtung 10 zwischen einer Durchlass- und einer Sperrrichtung geschaltet werden kann.
  • Für die Funktionsprinzip ist es bedeutend, dass die aktive Länge L der Kurzschlussleitung 8 unter Einbeziehung des Schaltelements einem ungeradzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ des zu schaltenden Hochfrequenz-Signals entspricht. Befindet sich das Schaltelement wie dargestellt in seinem Sperrzustand, so ist das Potential am Ende der Kurzschlussleitung 8 undefiniert. Dem System wird insofern am Masseanschluss 6 ein Schwingungsbauch aufgezwungen. Aufgrund der λ/4-Beziehung resultiert damit für ein Hochfrequenz-Signal derjenigen Frequenz, die die angegebene Bedingung erfüllt. ein Schwingungsknoten auf der Verbindungsleitung 5. Mit anderen Worten ist ein Signal dieser Frequenz dann auf der Verbindungsleitung 5 abgeschaltet, wenn das Schaltelement offen ist bzw. sich in seinen Sperrzustand befindet.
  • Wird das Schaltelement 9 geschlossen bzw. in Durchlassrichtung geschaltet, so wird das System am Masseanschluss 6 auf ein definiertes Potential und somit auf einen Schwingungsknoten gezwungen. Über die λ/4-Beziehung resultiert nun in Folge auf der Verbindungsleitung 5 ein Schwingungsbauch für das Hochfrequenz-Signal, dessen Frequenz die angegebene Bedingung erfüllt. Mit anderen Worten kann bei in Durchlassrichtung geschaltetem Schaltelement 9 das Hochfrequenz-Signal der entsprechenden Frequenz an der Verbindungsleitung 5 abgegriffen werden.
  • Für ein Signal einer Frequenz von 1 GHz bedeutet die angegebene Bedingung, dass die aktive Länge L der Kurzschlussleitung 8 einschließlich des Schaltelements 9 etwa 7,5 cm beträgt. Je nach Wahl des Frequenzbereiches zwischen 1 MHz und mehreren GHz variiert die aktive Länge L entsprechend.
  • In 2 ist eine erste Ausführungsvariante 1' des Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters entsprechend 1 dargestellt. Als Schaltelement 9 ist nunmehr eine Schottky-Diode 12 eingesetzt. Die Schaltung der Schottky-Diode 12 wird über eine zuschaltbare Spannungsquelle 14 bewirkt, die über eine Induktivität 13 an der Verbindungsleitung 5 angeschlossen ist. Je nachdem, ob die Spannungsquelle 14 zu- oder abgeschaltet ist, befindet sich die Schottky-Diode 12 in ihrer Sperr- oder in ihrer Durchlassrichtung. Alternativ zu einer Schottky-Diode 12 kann als Schaltelement 9 auch eine Gasentladungsröhre 11 eingesetzt sein.
  • In 3 ist ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter 1'' gemäß einer weiteren Ausführungsvariante gezeigt. Der Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter 1'' weist nun mehrere Kurzschlussleitungen 8, 8', 8'' auf, die parallel von der Verbindungsleitung 5 weggeführt und jeweils mit dem Masseanschluss 6 über Schottky-Dioden 12 verbunden sind. Die zwischen dem Eingang 3 und dem Ausgang 4 angeordnete Verbindungsleitung 5 ist durch eine Reihe von definierten Stegleitern 16 und 17 ausgebildet, die auf einer Leiterplatine durch einen Ätzprozess hergestellt sind. Zusätzlich sind in die Verbindungsleitung 5 zwei Kondensatoren 18 zum Abkop peln von Gleichspannungsanteilen eingesetzt. Insbesondere sich auch die Kurzschlussleitungen 8, 8', 8'' jeweils als definiert hergestellte Stegleiter 19 gegeben. Die Stegleitern 19 weisen hierbei eine genau definierte Länge auf.
  • Unter Einbeziehung der Schottky-Dioden 12 ist die Länge jeder Stegleitung 19 der einzelnen Kurzschlussleitungen 8, 8', 8'' so gewählt, dass für benachbarte Frequenzen die vorgegebene λ/4-Bedingung erfüllt ist. Die Frequenzen liegen dabei in einem Frequenzband zwischen etwa 2,5 GHz und 2,7 GHz. Die Schottky-Dioden 12 werden mittels einer zuschaltbaren Spannungsquelle angesteuert, die in 3 nicht eingezeichnet ist.
  • Werden die Schottky-Dioden 12 in Sperrrichtung betrieben, so sind diejenigen Hochspannungs-Signale an der Verbindungsleitung 5 nicht mehr abgreifbar, deren Frequenzen- bzw. Wellenlängen jeweils die über die einzelnen Kurzschlussleitungen 8, 8', 8'' gegebenen λ/4-Bedingungen erfüllen. Insgesamt können somit durch Schalten der Schottky-Dioden 12 in Sperrrichtung Hochfrequenz-Signale innerhalb eines Frequenzbandes aus der Verbindungsleitung 5 ausgeblendet werden.
  • In den 4 und 5 ist das Durchlass- bzw. das Sperrverhalten des in 3 gezeigten Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters 1'' dargestellt. In den einzelnen Grafiken ist dabei jeweils das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangssignal in Dezibel 23 für verschiedene Frequenzen 24 aufgetragen. Man erkennt den resultierenden Frequenzverlauf 26.
  • In 4 ist das Durchlassverhalten des Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters 1'' gemäß 3 gezeigt. Mit anderen Worten befinden sich die Schottky-Dioden 12 in Durchlassrichtung. Bereits mit eingezeichnet ist das Frequenzband 27, welches von den insgesamt drei Kurzschlussleitungen 8, 8', 8'' betroffen ist.
  • In 5 ist nun das Sperrverhalten des Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalters 1'' gemäß 3 gezeigt. Man erkennt deutlich, dass sich entsprechend den drei Kurzschlussleitungen 8, 8', 8'' drei eingeschnittene Kerben im Frequenzverlauf 26 ergeben. Die Schottky-Dioden 12 sind dabei in Sperrrichtung betrieben. Die Kerben entstehen dabei genau für diejenigen Frequenzen, für die die eingestellte λ/4-Bedingung erfüllt ist. Dabei lassen sich im Sperrfall Unterdrückungswerte bis über 70 Dezibel bei einem Ausgangs-IP3-Wert von mehr als 10 Kilowatt im Durchlassfall erreichen, wie sie sich bei Schaltern bisheriger Bauweise nicht erzielen lassen. Dabei charakterisiert der IP-Wert (Intercept Point) insgesamt die nichtlinearen Eigenschaften von Übertragungsgliedern. Der IP3-Wert bezieht sich dabei auf die Intermodulationseigenschaften. Zur messtechnischen Erfassung werden die Intermodulationsprodukte bei Zuleitung zweier Sinussignale untersucht.
  • Insgesamt wird deutlich, dass durch die parallele Realisation dreier Notch-Filter bzw. Notch-Resonatoren ein Frequenzband zwischen etwa 2,5 und 2,7 GHz aktiv geschaltet werden kann.
  • In 6 ist eine Schaltungseinheit 30 dargestellt, wie sie sich für ein TDD-System eignet. Die Schaltungseinheit 30 weist zwei Signalleitungen 31 und 32 auf, in welchen Hochfrequenz-Signale in umgekehrter Richtung laufen. Die beiden Signalleitungen 31 und 32 sind auf einen Anschlussport 33 geführt, wobei eine Weiche 37 zu einem wechselweisen Aufschalten eingesetzt ist. In die beiden Signalleitungen 31, 32 sind jeweils Filter 38 bzw. 39 zur Rauschunterdrückung eingesetzt.
  • Die Signalleitung 31 repräsentiert beispielsweise einen Signallaufweg von einem Sender über die Weiche 37 auf eine Antenne 40. Die Signalleitung 32 repräsentiert einen Signallaufweg von der Antenne 40 über die Weiche 37 zu einem Empfänger. Über die Weiche 37 kann zwischen den beiden Signallaufwegen bzw. zwischen den beiden Signalleitungen 31 und 32 geschaltet werden.
  • In die erste Signalleitung 31 ist ein Leistungs-Verstärker 42 eingesetzt. Ausgangsseitig resultieren hierbei Versorgungsströme der letzten Verstärkerstufe von mehreren Ampere. Um ein Abschalten bzw. Abtrennen dieser Versorgungsströme bei einem Wechsel der Signallaufleitung in Richtung zum Empfänger zu vermeiden, ist dem Leistungs-Verstärker 42 ausgangsseitig ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter 1 zugeschaltet, wie er beispielsweise aus den 1 bis 3 entnommen werden kann. Durch das Sperren des Hochfrequenz-Signals an der Ausgangsseite des Leistungs-Verstärkers 42 im Sperrfall wird ein Rauschübersprechen von der ersten Signalleitung 31 in die zweite Signalleitung 32 verhindert. Im durchgeschalteten Zustand kann das Hochfrequenz-Signal den Schalter nahezu unverzerrt passieren.
  • In 7 ist die Schaltungseinheit gemäß 6 in einer anderen Ausführungsvariante gezeigt. Dabei ist die Weiche 37 durch einen Zirkulator 44 repräsentiert.
  • In 8 ist die Schaltungseinheit 30 zur Anwendung in einem Repeater weitergebildet. Dabei weist die Schaltungseinheit 30 nun eine erste Weiche 37 und eine zweite Weiche 37' auf, die über die beiden Signalleitungen 31 und 32 miteinander in Verbindung stehen. Die beiden Weichen 37, 37' sind hierbei als Zirkulatoren 44 bzw. 44' ausgebildet. Der Anschlussport 33 der ersten Weiche 37 steht mit einem Uplink-Anschluss 46 in Verbindung, der drahtgebunden oder drahtlos mit einer Basisstation eines Mobilfunknetzes kommuniziert. Die zweite Weiche 37' ist mit einem Downlink-Anschluss 47 verbunden, der zur Kommunikation mit einem Mobilfunkendgerät ausgestaltet ist.
  • Durch die erste Signalleitung 31 wird die sogenannte Downlink-Verbindung zwischen der Basisstation und dem Mobilfunkendgerät realisiert. Die umgekehrte oder Uplink-Verbindung findet über die zweite Signalleitung 32 statt. In beide Signalleitungen 31, 32 ist jeweils ein Verstärker 42 integriert. Beiden Verstärkern 42 ist jeweils ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter 1 zugeordnet, wie er sich beispielsweise aus den 1 bis 3 entnehmen lässt.
  • 1
    Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter
    1'
    Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter
    1''
    Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter
    3
    Eingang
    4
    Ausgang
    5
    Verbindungsleitung
    6
    Masseanschluss
    8
    Kurzschlussleitung
    8'
    Kurzschlussleitung
    8''
    Kurzschlussleitung
    9
    Schaltelement
    10
    Schalteinrichtung
    11
    Gasentladungsröhre
    12
    Schottky-Diode
    12'
    Schottky-Diode
    12''
    Schottky-Diode
    13
    Induktivität
    14
    Spannungsquelle
    16
    Stegleiter
    17
    Stegleiter
    18
    Kondensator
    19
    Stegleiter
    23
    Dezibel
    24
    Frequenz
    26
    Frequenzverlauf
    27
    Frequenzband
    30
    Schaltungseinheit
    31
    erste Signalleitung
    32
    zweite Signalleitung
    33
    Anschlussport
    37
    Weiche
    37'
    Weiche
    38
    Filter
    39
    Filter
    40
    Antenne
    42
    Verstärker
    44
    Zirkulator
    44'
    Zirkulator
    46
    Uplink-Anschluss
    47
    Downlink-Anschluss
    L
    aktive Länge
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 92/22937 A1 [0003]
    • - WO 2007/083861 A1 [0003]

Claims (13)

  1. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') mit einem Eingang (3), mit einem Ausgang (4), mit einem Masseanschluss (6), mit einer Verbindungsleitung (5) zwischen dem Eingang (3) und dem Ausgang (4), mit einer an der Verbindungsleitung (5) angeschlossenen Kurzschlussleitung (8), die über ein Schaltelement (9) mit dem Masseanschluss (6) verbunden ist, und mit einer Schalteinrichtung (10) zur Betätigung des Schaltelements (9), wobei die Kurzschlussleitung (8) unter Einbeziehung des Schaltelements (9) eine aktive Länge (L) aufweist, die einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des zu schaltenden Hochfrequenz-Signals entspricht.
  2. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') nach Anspruch 1, wobei als Schaltelement (9) ein elektronisches Schaltelement eingesetzt ist.
  3. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') nach Anspruch 2, wobei das elektronische Schaltelement eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode (12), eine Gasentladungsröhre (11), ein Transistor oder ein mikro-elektro-mechanischer Schalter (MEM) ist.
  4. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (10) als eine der Verbindungsleitung (5) zuschaltbare Spannungsquelle (14) ausgeführt ist.
  5. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') nach Anspruch 4, wobei die Spannungsquelle (14) über eine Induktivität (13) der Verbindungsleitung (5) zuschaltbar ist.
  6. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kurzschlussleitung (8) als ein Streifenleiter (19) vorgegebener Länge ausgebildet ist.
  7. Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1', 1'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von einzelnen Kurzschlussleitungen (8, 8', 8'') vorgesehen ist, die jeweils über ein Schaltelement (12, 12'', 12'') mit dem Masseanschluss (6) verbunden sind, und wobei die aktiven Längen (L) der Kurzschlussleitungen (8, 8', 8'') die Viertel-Wellenlängen-Bedingung jeweils hinsichtlich verschiedener Wellenlängen erfüllen.
  8. Schaltungseinheit (30), insbesondere für ein TDD-System, mit einer ersten und mit einer zweiten Signalleitung (31, 32), mit einem Anschlussport (33) und mit einer Weiche (37), die beide Signalleitungen (31, 32) wechselweise mit dem Anschlussport (33) verbindet, wobei in wenigstens einer der beiden Signalleitungen (31, 32) ein Verstärker (42) angeordnet ist, dem ausgangsseitig ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zugeordnet ist.
  9. Schaltungseinheit (30) nach Anspruch 8, wobei der Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1') ausgangsseitig des Verstärkers (42) mit seinem Eingang (3) und seinem Ausgang (4) in die Signalleitung (31, 32) eingeschaltet ist.
  10. Schaltungseinheit (30) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Weiche (37) als ein Zirkulator (44) ausgebildet ist.
  11. Schaltungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in den beiden Signalleitungen (31, 32) mit umgekehrter Signallaufrichtung jeweils ein Verstärker (42) und ein Hochfrequenz-Kurzschluss-Schalter (1, 1') eingeschaltet sind.
  12. Schaltungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine erste und eine zweite Weiche (37, 37') vorgesehen sind, wobei ein mit der ersten Weiche (37) verbundener erster Anschlussport (33) und ein mit der zweiten Weiche (37') verbundener zweiter Anschlussport (33') vorgesehen ist, und wobei die Signalleitungen (31, 32) beidseitig jeweils in eine Weiche (37, 37') geführt sind.
  13. Schaltungseinheit (30) nach Anspruch 12, wobei die erste Weiche (37) mit einem Uplink-Anschluss (46) zur Kommunikation mit einer Basisstation eines Mobilfunknetzes und die zweite Weiche (37') mit einem Downlink-Anschluss (47) zur Kommunikation mit einem Mobilfunkendgerät verbunden ist.
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