DE102008049668A1

DE102008049668A1 - Hochfrequenz-Vorstufe und Empfänger

Info

Publication number: DE102008049668A1
Application number: DE102008049668A
Authority: DE
Inventors: Bernd Adler; Feridoon Jalili; Mikael Bergholz Knudsen; Michael Wilhelm
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: DE102008049668B4; US20100081407A1; US8660512B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft verschiedene Ausführungsformen einer Hochfrequenz- (HF-) Filterstufe zur Verwendung in einem Empfänger.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterstufe zur Verwendung in einem Empfänger und einen Empfänger.
In der drahtlosen Kommunikation werden Informationen unter Verwendung eines Funkkommunikationskanals übertragen. Zur Durchführung der Übertragung wird ein die Informationen umfassendes Nutzsignal zum Erzeugen eines modulierten HF-Signals auf einem HF-Träger moduliert und durch eine Antenne in den Funkkommunikationskanal eingespeist. Das modulierte HF-Signal breitet sich durch den Funkkommunikationskanal aus und wird danach von einem Empfängergerät als HF-Empfangssignal empfangen. Das Empfängergerät ist zum Verarbeiten des HF-Empfangssignals zur Wiedergewinnung des Nutzsignals angeordnet.
Durch gegenwärtige Tendenzen der Mobilkommunikation wird die Industrie mit der Nachfrage nach Anwendungen mit hoher Datenrate konfrontiert. Diese können z. B. Bildtelephonie, Video- oder Netzspiele, Streaming-Multimedia, Web-Browsing usw. sein. Infolgedessen werden Telekommunikationsvorrichtungen für Mehrband- und/oder Mehrmodusbetrieb angeordnet. Innerhalb des UMTS-(Universal Mobile Telecommunication System) oder W-CDMA-(Wideband Code Division Multiple Access)Standards werden Kommunikationsstandards entwickelt, die eine Übertragung mit hoher Datenrate ermöglichen wie beispielsweise HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) oder HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Andere Standards sind durch WLAN (Wireless Local Area Network) in IEEE 811.11 oder durch WIMAX definiert.
Hohe Datenraten erfordern gewöhnlich eine gute Signalgüte in einem Empfängergerät, d. h. ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR – Signal-to-Noise-Ratio) in einer Empfängerkette von sowohl einem Endgerät wie beispielsweise einem Mobiltelefon als auch einer Basisstation. Mit zunehmender Entfernung zwischen einem Sendergerät und einem Empfängergerät kann das HF-Empfangssignal hinsichtlich des modulierten HF-Signals verzerrt werden.
Wenn sich das Endgerät in der Nähe des Randes einer eine Basisstation umgebenden Zelle befindet, ist die Empfangsgüte im Empfängergerät durch Wärmerauschen und eine Rauschzahl des Empfängergeräts selbst begrenzt. Weiterhin ist das HF-Empfangssignal durch eine Rauschzahl des Funkkommunikationskanals verzerrt, die durch Mechanismen wie beispielsweise Rayleigh-Schwund, Wärmerauschen anderer Elektronikvorrichtungen, technisches Rauschen z. B. durch Kraftfahrzeugzündung verursacht, beliebiges natürliches Rauschen, z. B. elektrische Entladungen wie beispielsweise Blitz, usw. verursacht wird.
Eine mögliche Lösung zum Erzielen einer hohen Datenrate wäre eine Erhöhung der Anzahl von Basisstationen zum Minimieren einer maximalen Entfernung zwischen einer Endgerätevorrichtung und einer Basisstation. Dieses erfordert jedoch hohe finanzielle Investitionen in eine Basisstationsinfrastruktur.
Eine weitere mögliche Lösung ist eine Erhöhung der Anzahl von Empfangswegen im Empfängergerät. Als Folge kann eine genauere Wiederherstellung des Nutzsignals erreicht werden. Dieses Konzept wird auch als „Diversity-Empfänger” bezeichnet. Ein Diversity-Empfänger erfordert gewöhnlich eine Anzahl interner Bauelemente in der Empfängerkette und es ist wünschenswert, diese Anzahl zu verringern, um eine einfache und kostengünstigere Architektur eines Diversity-Empfängers zu ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen HF-Filterstufe bzw. einen Empfänger mit einer HF-Filterstufe bereitzustellen, der eine möglichst kostengünstige Architektur aufweist.
Dieses Problem wird durch eine HF-Empfängerstufe mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 bzw. durch einen Empfänger mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs W gelöst.
Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 ist ein Blockschaltbild einer HF-Filterstufe in einem Empfänger;
2 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer HF-Filterstufe in einem Empfänger;
3 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Schalteinheit zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung; und
1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der HF-Filterstufe in einem Empfänger. Eine HF-Filterstufe 100 (gestrichelt dargestellt) weist einen ersten Eingangsanschluss 101 auf, der an eine Antenne 102 gekoppelt ist. Die Antenne nimmt ein über einen Funkkanal übertragenes Radiosignal auf. Die Antenne 102 kann dabei sowohl innerhalb aus auch außerhalb der HF-Filterstufe 100 angeordnet sein.
Weiterhin umfasst die HF-Filterstufe 100 eine Schalteinheit 103. Die Schalteinheit 103 weist einen an den ersten Eingangsanschluss 101 angekoppelten Eingang 104 auf. Sie weist weiterhin einen ersten Ausgang 105, einen zweiten Ausgang 106, einen dritten Ausgang 107 und einen vierten Ausgang 108 auf. Gemäß einem gewählten Schaltzustand verbindet die Schalteinheit 103 den Eingang 104 mit einem des ersten Ausgangs 105, des zweiten Ausgangs 106, des dritten Ausgangs 107 oder des vierten Ausgangs 108.
Der vierte Ausgang 108 ist mit einer Impedanz 109 verbunden, die in der gezeigten HF-Filterstufe 100 als Widerstand realisiert ist.
Der erste Ausgang 105 ist mit einem ersten Filterelement 110 verbunden. Der zweite Ausgang 106 ist mit einem zweiten Filterelement 111 verbunden. Der dritte Ausgang 107 ist mit einem dritten Filterelement 112 verbunden.
Das erste Filterelement 110 kann wie in der dargestellten Ausführungsform als Bandpassfilter realisiert sein. Das gleiche trifft auf das zweite Filterelement 111 und das dritte Filterelement 112 zu. Die Filterelemente weisen einen bestimmten Filtertyp auf. Zu den unterschiedlichen Filtertypen zählen bspw. ein mikromechanisches Filter, bspw. SAW-(Surface Acoustic Wave) oder BAW-(Bulk Acoustic Wave)Filter, oder ein integriertes Filter, wie beispielsweise eine LC-Schaltungsanordnung. Die LC-Schaltungsanordnung kann vollständig oder teilweise mit anderen Bauteilen der HF-Filterstufe 100 in einem einzelnen Halbleiterbauelement integriert oder geformt sein.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen können als Alternative unterschiedliche Arten von Filterelementen wie beispielsweise ein Tiefpassfilter oder Hochpassfilter benutzt werden.
Das erste Filterelement 110 weist einen Differenzausgang 113 auf, der mit einem ersten Demodulator 114 verbunden ist. Das zweite Filterelement 111 weist einen Differenzausgang 115 auf, der mit einem zweiten Demodulator 116 verbunden ist. Das dritte Filterelement 112 weist einen Differenzausgang 117 auf, der mit einem dritten Demodulator 118 verbunden ist.
Der erste Demodulator 114, der zweite Demodulator 116 und der dritte Demodulator 118 bilden jeweils einen Empfangspfad, der bspw. eine bandspezifische Demodulation des eingehenden Radiosignals ermöglicht. Dazu können die Demodulatoren verschieden Komponenten, wie Oszillatoren, Steuerlogik, etc. teilen oder gesondert aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die Empfangspfade für die Demodulations unterschiedlicher Übertragungsarten (Modulationstypen) ausgelegt sein.
Im Betrieb kann die HF-Filterstufe 100 auf vier verschiedene Schaltzustände eingestellt werden. In drei Schaltzuständen wird das von der Antenne 102 empfangen Signal einem der Empfangspfade zugeführt. In einem vierten Schaltzustand verbindet die Schalteinheit 103 den Eingang 104 mit dem vierte Ausgang 108. Das empfangene Signal wird an der Impedanz 109 reflektiert.
Die Impedanz 109 wird von Kurzschluss bis Leerlauf gewählt, so dass ein durch die Reflexion verursachter Phasenwinkel die Optimierung einer gegenseitigen Kopplung zwischen der Antenne 102 und weiteren Antenne, wie bspw. einer Sendeantenne, ermöglicht. Der vierte Schaltzustand ermöglich die Einstellung während eines Übertragungsmodus eines die HF-Filterstufe 100 enthaltenden Sender/Empfängers. Da die HF-Filterstufe 100 die Filterelemente und die Antenne 102 in den anderen Schaltzuständne direkt verbindet, sind die Filterelemente der Leistung des Empfangssignals ausgesetzt. Aufgrund gegenseitiger Kopplung mit einer Senderantenne werden die Filterelemente bei einem Sendezustand einem hohen Leistungspegel ausgesetzt sein. Dies würde die Einstellung von höheren Erfordernissen zur Leistungssteuerung der Filterelemente auf einem Empfangsweg ergeben. Infolgedessen wird eine allgemeine HF-Leistung der Filterelemente verschlechtert und verursacht z. B. einen Einfügungsverlust. Dieses Szenario kann durch Umschalten der HF-Filterstufe 100 in den vierten Schaltzustand während eines Sendemodus vermieden werden.
2 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer HF-Filterstufe in einem Empfänger; Der Empfänger enthält eine HF-Filterstufe 100 und eine Basisbandeinheit 200.
Die Basisbandeinheit 200 kann eine beliebige Digitalschaltungsanordnung zum Verarbeiten eines digitalen Basisbandsignals sein. Sie kann als Mikroprozessor oder DSP-Einheit (Digital Signal Processing) implementiert sein. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Basisbandeinheit 200 eine Schnittstelleneinheit, z. B. wie durch den Standard DigRF^TM definiert, sein, um die Verbindung des Diversity-Empfängers mit einem externen Basisbandprozessor zu ermöglichen.
Eine HF-Filterstufe 100 (gestrichelt dargestellt) weist einen ersten Eingangsanschluss 101 auf, der an eine Antenne 102 gekoppelt ist. Die Antenne nimmt ein über einen Funkkanal übertragenes Radiosignal auf. Die Antenne 102 kann dabei sowohl innerhalb aus auch außerhalb der HF-Filterstufe 100 angeordnet sein.
Weiterhin umfasst die HF-Filterstufe 100 eine Schalteinheit 103. Die Schalteinheit 103 weist einen an den ersten Eingangsanschluss 101 angekoppelten Eingang 104 auf. Sie weist weiterhin einen ersten Ausgang 105, einen zweiten Ausgang 106 und einen dritten Ausgang 107. Gemäß einem gewählten Schaltzustand verbindet die Schalteinheit 103 den Eingang 104 mit einem des ersten Ausgangs 105, des zweiten Ausgangs 106 oder des dritten Ausgangs 107.
Die Basisbandeinheit 200 ist durch eine Steuerungsleitung 201 an die Schalteinheit 103 angekoppelt. Ein Schaltzustand der Schalteinheit 105 wird durch ein durch die Basisbandeinheit 200 erzeugtes Schaltsignal eingestellt und über die Steuerungsleitung 201 zur Schalteinheit 103 weitergeleitet.
Das erste Filterelement 110 weist einen Differenzausgang 113 auf, der mit einem ersten Demodulator 114 verbunden ist. Das zweite Filterelement 111 weist einen Differenzausgang 115 auf, der mit einem zweiten Demodulator 116 verbunden ist. Das dritte Filterelement 112 weist einen Differenzausgang 117 auf, der mit einem dritten Demodulator 118 verbunden ist.
Der erste Ausgang 105 ist mit einem ersten Filterelement 110 verbunden. Der zweite Ausgang 106 ist mit einem zweiten Filterelement 111 verbunden. Der dritte Ausgang 107 ist mit einem dritten Filterelement 112 verbunden.
Das erste Filterelement 110 kann wie in der dargestellten Ausführungsform als Bandpassfilter realisiert sein. Das gleiche trifft auf das zweite Filterelement 111 und das dritte Filterelement 112 zu. Die Filterelemente weisen einen bestimmten Filtertyp auf. Zu den unterschiedlichen Filtertypen zählen bspw. ein mikromechanisches Filter, bspw. SAW-(Surface Acoustic Wave) oder BAW-(Bulk Acoustic Wave)Filter, oder ein integriertes Filter, wie beispielsweise eine LC-Schaltungsanordnung. Die LC-Schaltungsanordnung kann vollständig oder teilweise mit anderen Bauteilen der HF-Filterstufe 100 in einem einzelnen Halbleiterbauelement integriert oder geformt sein.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen können als Alternative unterschiedliche Arten von Filterelementen wie beispielsweise ein Tiefpassfilter oder Hochpassfilter benutzt werden.
Der erste Demodulator 114, der zweite Demodulator 116 und der dritte Demodulator 118 bilden jeweils einen Empfangspfad, der bspw. eine bandspezifische Demodulation des eingehenden Radiosignals ermöglicht. Das jeweils deomodulierte Signal wird der Basisbandeinheit 200 zugeführt. Dazu können die Demodulatoren verschieden Komponenten, wie Oszillatoren, Steuerlogik, etc. teilen oder gesondert aufweisen. In anderen Ausführungsformen sind die Empfangspfade für die Demodulations unterschiedlicher Übertragungsarten (Modulationstypen) ausgelegt.
Zum Erfassen verschiedener Frequenzbänder ist es vorteilhaft, wie in der Ausführungsform der 2 gezeigt, verschiedene parallele Empfangswege aufzuweisen. In einem beispielhaften Fall ist das erste Filterelement 111 ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von 960 MHz bis 869 MHz. Das zweite Filterelement 112 ist ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von 1990 MHz bis 1805 MHz. Das dritte Filterelement 113 ist ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von 2170 MHz bis 2110 MHz. In anderen Ausführungsformen können zusätzliche oder weniger Empfangswege bereitgestellt werden, die den Empfang anderer Betriebsbänder ermöglichen oder eine unterschiedliche Zuteilung eines Empfangsweges zu einem feineren oder gröberen Betriebsband ermöglichen.
Dabei ist das erste Filterelement 111 als BAW-Filter ausgestaltet. Das zweite Filterelement 112 und das dritte Filterelemet 113 als SAW-Filter ausgestaltet.
Für den Fall, dass der Empfänger außer Betrieb ist, wird der erste Eingangsanschluss 101 mittels der Schalteinheit 103 an das Filterelement 111 gekoppelt. So wird der Antenneneingang durch einen BAW-Filter terminiert. Ein BAW-Filter ist geeignet, einer von einem benachbarten Sender ausgestrahlte Leistung ohne Degradation des Filters ausgesetzt zu werden.
Die Verwendung von SAW-Filter für die übrigen Filterelemente erlaubt eine kostengünstige Realisierung der HF-Filterstufe.
3 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Schalteinheit zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung. Die Schalteinheit kann als Schalteinheit 103 in einer der gezeigten Ausführungsformen der 1 oder der 2 angeordnet sein. Die Schalteinheit 103 weist einen Eingang 104, einen ersten Ausgang 105, einen zweiten Ausgang 106 und einen dritten Ausgang 107 auf. Der Eingang 104 ist über eine Source-Drain-Verbindung eines ersten Reihentransistors 300 mit dem ersten Ausgang 105 verbunden. Ein Gate-Anschluss des ersten Reihentransistors 300 ist mit einem ersten Steuereingang 301 verbunden. Zwischen dem ersten Reihentransistor 300 und dem ersten Ausgang 105 ist ein erster Paralleltransistor 302 angeordnet. Ein Gate-Anschluss des ersten Paralleltransistors 302 ist mit einem zweiten Steuereingang 303 verbunden. Weiterhin ist der Eingang 104 über eine Source-Drain-Verbindung eines zweiten Reihentransistors 304 mit dem zweiten Ausgang 106 verbunden. Ein Gate-Anschluss des zweiten Reihentransistors 304 ist mit einem dritten Steuereingang 305 verbunden. Zwischen dem zweiten Reihentransistor 304 und dem zweiten Ausgang 106 ist ein zweiter Paralleltransistor 306 angeordnet. Ein Gate-Anschluss des zweiten Paralleltransistors 306 ist mit einem vierten Steuereingang 307 verbunden. Der Eingang 104 ist weiterhin über eine Source-Drain-Verbindung eines dritten Reihentransistors 308 mit dem dritten Ausgang 107 verbunden. Ein Gate-Anschluss des dritten Reihentransistors 308 ist mit einem fünften Steuereingang 309 verbunden. Zwischen dem dritten Reihentransistor 308 und dem dritten Ausgang 107 ist ein dritter Paralleltransistor 310 angeordnet. Ein Gate-Anschluss des dritten Paralleltransistors 310 ist mit einem sechsten Steuereingang 311 verbunden.

Mehrere Steuerspannungen werden an dem ersten Steuereingang 301, dem zweiten Steuereingang 303, dem dritten Steuereingang 305, dem vierten Steuereingang 307, dem fünften Steuereingang 309 bzw. am sechsten Steuereingang 311 bereitgestellt. Diese Spannungen können durch eine Steuereinheit wie beispielsweise die in 2 gezeigte Basisbandeinheit 200 bereitgestellt werden. In verschiedenen Ausführungsformen können die bereitgestellten Steuerspannungen einer bitgleichen Form entsprechen. In diesen Fällen kann eine Steuerspannung entweder ein hohes Potential entsprechend einer logischen „1” oder ein niedriges Potential entsprechend einer logischen Null annehmen. Eine am Gate-Anschluss eines Reihentransistors bereitgestellte Steuerspannung ist gewöhnlich die Inverse einer am Gate-Anschluss eines Paralleltransistors des gleichen Signalweges bereitgestellten Steuerspannung. Eine am Gate-Anschluss eines Reihentransistors bereitgestellte Steuerspannung ist gewöhnlich ebenfalls die Inverse von an Gate-Anschlüssen von Reihentransistoren auf anderen Signalwegen bereitgestellten Steuerspannungen. Infolgedessen können drei Zustände von Steuerspannungen angeordnet werden, um drei verschiedene Schaltzustände zu ermöglichen:

V1	V2	V3	V4	V5	V6	Eingang 104 verbunden mit:
hoch	niedrig	niedrig	hoch	niedrig	Hoch	erster Ausgang 105
niedrig	hoch	hoch	niedrig	niedrig	Hoch	zweiter Ausgang 106
niedrig	hoch	niedrig	hoch	hoch	niedrig	dritter Ausgang 107

In dem Diagramm entspricht V1 der an den ersten Steuereingang 301 angelegten Steuerspannung. V2 entspricht der an den zweiten Steuereingang 303 angelegten Steuerspannung. V3 entspricht der an den dritten Steuereingang 305 angelegten Steuerspannung. V4 entspricht der an den vierten Steuereingang 307 angelegten Steuerspannung. V5 entspricht der an den fünften Steuereingang 309 angelegten Steuerspannung bzw. V6 entspricht der an den sechsten Steuereingang 311 angelegten Steuerspannung.
Infolgedessen ist in einem Zustand des Verbindens des Eingangs 104 mit einem der Ausgänge 106, 107 oder 108 der Reihentransistor des jeweiligen Signalweges eingeschaltet, während der Paralleltransistor ausgeschaltet ist. Dies ermöglicht, dass das am Eingang bereitgestellte Signal zum gewählten Ausgang weitergeleitet wird. Zur gleichen Zeit ist auf allen anderen Signalwegen der Reihentransistor ausgeschaltet, während der Paralleltransistor eingeschaltet ist. Ein am Eingang bereitgestelltes Signal wird daher gegen Weiterleitung zu den anderen Ausgängen blockiert. Die Kanalbreiten der Reihentransistoren sind gleich gewählt. Die Kanalbreiten der Paralleltransistoren sind ebenfalls gleich gewählt. Doch können sich die Werte unterscheiden, z. B. hinsichtlich einer optimalen Implementierung hinsichtlich eines definierten Durchlassbereichs eines Signalsweges. Die Kanalbreiten der Reihentransistoren sind im Verhältnis zu den Kanalbreiten der Paralleltransistoren gewählt, um einen Kompromiss zwischen Einfügungsverlust im eingeschalteten Betrieb und Isolation im ausgeschalteten Betrieb zu erreichen. Niedriger Einfügungsverlust kann durch Wählen einer größeren Kanalbreite des Reihentransistors im Vergleich mit der Kanalbreite des Paralleltransistors erreicht werden. Entgegengesetzte Beschränkungen können eine gute Isolation im ausgeschalteten Betrieb ermöglichen.

Claims

Filterstufe zur Verwendung in einem Empfänger, umfassend: einen Schalter mit einem an einen Antennenanschluss gekoppelten Eingang, mit einem ersten Ausgang, und einem zweiten Ausgang; ein an den ersten Ausgang gekoppeltes ersten Filter einer ersten Art und ein an den zweiten Ausgang gekoppeltes zweites Filter einer von der ersten Art verschiedenen zweiten Art.
Filterstufe nach Anspruch 1, wobei das erste Filter eine elektromechanische Vorrichtung umfasst.
Filterstufe nach Anspruch 2, wobei das erste Filter ein BAW-Filter umfasst.
Filterstufe nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das zweite Filter eine elektromechanische Vorrichtung umfasst.
Filterstufe nach Anspruch 4, wobei das zweite Filter ein BAW-Filter umfasst.
Empfänger mit: – einer Filterstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und – einer an die Filterstufe gekoppelten Schalteinheit zum Steuern eines Schaltzustands des Schalters, um den Antennenanschluss selektiv in Abhängigkeit eines Auswahlsignals mit dem zweiten Ausgang verbindet.
Empfänger gemäß Patentanspruch 6 mit: – einem an die Schalteinheit angekoppelte Steuerungsschaltungsanordnung zur Bereitstellung des Auswahlsignals.
Empfänger nach einem der Ansprüche 6 oder 7, umfassend eine Mehrzahl von bandselektiven Empfangswegen.
Empfänger nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ausgeführt für Kartesische Modulation.
Empfänger nach einem der Ansprüche 6 bis 9, umfassend eine Basisbandeinheit.