-
Sperrschichtkondensatoren
können
mit dotierten ferroelektrischen Keramiken als Dielektrikum hergestellt
werden. Kondensatoren aus diesen weisen zwar eine hohe Kapazität, allerdings
auch eine stark nichtlineare Abhängigkeit
der Kapazität
von der Temperatur und von der anliegenden Spannung auf. Die Kapazitätsänderung
kann bei einigen Materialien oder Nennspannungswerten bis zu 80%
betragen. Dies macht man sich in Kondensatoren mit von einer BIAS
Spannung abhängigen
Kapazitätswerten
zu Nutze. Insbesondere können
so variable spannungsgesteuerte Anpassschaltungen erzeugt werden,
wie sie z. B. in der HF Technik erforderlich sind.
-
Bekannte
Dielektrika aus ferroelektrischen Materialien sind z. B. Bariumtitanat
und Strontiumtitanat mit geeigneten Zuschlägen. Kondensatoren daraus verändern ihre
Dielektrizitätszahl
mit der Größe der anliegenden
Spannung.
-
Nachteilig
ist jedoch die Alterung dieser Bauelemente, bei denen sich mit der
Zeit die elektrischen Werte der Keramikkondensatoren ändert, insbesondere
deren Kapazitätswert.
-
Die
Alterung und damit die Lebensdauer dieser Bauelemente hängt dabei
stark von Parametern ab wie anliegende Feldstärke, Temperatur und Anteil der
Sauerstoffleerstellen im Material. Da die Lebensdauer ein wesentliches
Kriterium für
die Einsetzbarkeit dieser Bauelemente in HF-Schaltungen und insbesondere
im HF-Teil von Mobiltelefonen darstellt, müssen Bauelemente und Verfahren
aufgefunden werden, mit denen die bislang ungenügende Lebensdauer dieser Bauelemente
erhöht
werden kann.
-
US 2,555,959 zeigt eine
Schaltung mit einem nicht-linearen Kondensator, der ein von einer
angelegten BIAS Spannung abhängiges
Verhalten zeigt. Es sind Mittel zur regelmäßigen Umpolung der BIAS Spannung
vorgesehen.
-
GB 1 090 037 gibt eine Polungsmethode
für ferroelektrische
Keramiken an, bei der periodisch umgepolte BIAS Spannungen an die
Elektroden des keramischen Bauelements gelegt werden.
-
Aus
GB 829 566 ist eine Schaltung
bekannt, bei der an zwei in Serie geschaltete keramische Kondensatoren
periodisch umgepolte BIAS Spannungen in Höhe der Sättigungsspannung angelegt werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, Schaltungen mit keramischen
Bauelementen aus insbesondere diesen alterungsanfälligen Materialien
anzugeben, die bezüglich
der zu erwartenden Lebensdauer verbessert sind.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Impedanzanpassschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben
der Schaltung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren
Ansprüchen
zu entnehmen.
-
Die
Erfinder haben gefunden, dass sich keramische Bauelemente, also
Bauelemente mit einer keramischen Funktionsschicht unter einen anliegenden
BIAS Spannung ähnlich
wie PIN-Dioden verhalten. Dementsprechend fließt unter anliegender Spannung
auch ein Leckstrom. Es wurde außerdem
gefunden, dass für
die Eigenschaften des keramischen Bauelements und insbesondere für dessen
Alterung der Sauerstoffanteil in der Keramik maßgeblich ist. So wurde auch
festgestellt, dass Sauerstoffleerstellen im Keramikgefüge einen
Leckstrom erzeugen können.
Dieser kann zwar durch Dotierung beeinflusst, nicht aber verhindert
werden.
-
Als
Ursache des Alterungsprozess wurde erkannt, dass sich in der Isolationszone
der keramischen Funktionsschicht – also in der Zone zwischen den
beiden Elektroden des keramischen Bauelements – unter anliegender BIAS Spannung
in der Nähe
der Elektrode langsam Ionen anreichern. Dadurch wird die Breite
der Isolationszone langsam geringer. Ab einem bestimmten Zeitpunkt
tritt dann ein Kurzschluss auf, bei dem das Bauteil ”durchbrennt”, was sich
in einem steilen Anstieg des Leckstroms bemerkbar macht.
-
Die
Verkleinerung der Isolationszone wird auf die Wanderung der Sauerstoffleerstellen
zurückgeführt, in
deren Folge sich die keramische Funktionsschicht langsam polarisiert.
In der Nähe
der Anode verbleibt so ein positiv geladener Bereich, der den fehlenden
Sauerstoffatomen, also den Leerstellen, entspricht. Im Bereich der
Kathode wird ein negativ geladener Bereich erzeugt, da sich dort überzählige Sauerstoffionen
ansammeln. Mit über
die Zeit immer größer werdenden
geladenen Zonen kommt es irgendwann zu einem Kurzschluss, der bekannte
Bauteile unwiderruflich zerstört.
-
Die
Erfindung schlägt
nun vor, dieser Ionenwanderung in der keramischen Funktionsschicht
und damit im keramischen Bauelement dadurch entgegenzuwirken, dass
die anliegende BIAS Spannung periodisch umgepolt wird.
-
Es
hat sich nämlich
gezeigt, dass die elektrischen Eigenschaften auch bei Umpolung der
BIAS Spannung unverändert
bleiben und somit nur vom Betrag, nicht aber von der Polarität der BIAS
Spannung abhängig
sind. Durch eine periodische Umpolung wird verhindert, dass sich
die keramische Funktionsschicht polarisiert, da eine Ionenwanderung
unter einer ersten Polarität
nach dem Umpolen durch entsprechende gegenläufige Ionenwanderung kompensiert
werden kann. Dies führt
bei einer erfindungsgemäßen Schaltung
dazu, dass dieser Ausfallmechanismus nahezu vollständig kompensiert
wird und die Lebensdauer der keramischen Bauelemente in der Schaltung
wesentlich erhöht
wird. Mit einer so erhöhten
Lebensdauer ist es auch möglich,
diese Bauelemente in Schaltungen einzusetzen, die eine hohe Zuverlässigkeit
und eine hohe Lebensdauer erfordern.
-
Die
Erfindung gibt eine Schaltung mit einem keramischen Bauelement an,
das zwei Elektroden aufweist. Über
eine an diesen Elektroden anliegende BIAS Spannung sind elektrische
Eigenschaften des Bauelements eingestellt. Die Schaltung umfasst
weiterhin einen Generator zur Erzeugung der BIAS Spannung sowie
Mittel, mit denen eine periodische Umpolung der an den Elektroden
anliegenden BIAS Spannung vorgenommen werden kann. Der Generator
ist insbesondere zur Erzeugung einer variablen BIAS Spannung ausgelegt.
-
Zur
Umpolung der BIAS Spannung kann ein Generator verwendet werden,
mit dem eine um die Nulllinie symmetrische Rechteckspannung mit
periodischer Änderung
der Polarität
erzeugt werden kann. Unter rechteckiger DC-Spannung wird ein Spannungsverlauf
verstanden, der möglichst
lange bei der gewünschten
Nennspannung bleibt und dann schnell die Polarität wechselt, wobei eine betragsmäßig gleiche,
aber eben vorzeichenmäßig umgekehrte
Spannung erhalten wird. Entscheidend für die Qualität des Bauelements
ist die Geschwindigkeit der Polaritätsumpolung und damit die Steilheit
der rechteckigförmigen
DC-Spannung. Dann liegt die gewünschten Nennspannung
für eine
maximale Zeitdauer konstant an dem Bauelement an, so dass die von
der BIAS Spannung abhängigen
Eigenschaften über
einen maximale Zeitraum konstant bleiben können. Nur so wird eine stabile
Schaltung bzw. eine Schaltung mit stabilen Eigenschaften erhalten.
-
Eine
schnelle periodische Umpolung der BIAS Spannung gelingt mit einem
Generator, der zur Erzeugung einer DC-Spannung ausgelegt ist. Mit
Hilfe von Schaltmitteln kann dann die vom Generator erzeugte DC-Spannung
abwechselnd an die beiden Elektroden angelegt werden. Der Zeitanteil,
in dem das Bauelement bzw. die Schaltung bei Nennspannung betrieben
werden kann, steigt dabei mit der Schaltgeschwindigkeit. Mit Hilfe
geeigneter Schaltmittel gelingt auch ein schnelles Ansteigen der
BIAS Spannung auf den Nennwert.
-
Als
Schaltmittel können
insbesondere Halbleiterschalter vorgesehen sein, beispielsweise
Halbleiterschaltungen auf Galliumarsenidbasis, die, in Heterobipolartechnik
ausgelegt, besonders schnell umschalten können. Möglich ist es auch, als Schaltmittel
Silizium basierte Halbleiterschalter, beispielsweise Siliziumdioden,
einzusetzen. Möglich
sind ferner elektromechanische Schalter, beispielsweise MEMS-Bauelemente (MEMS
= Micro-Electro Mechanical System).
-
In
einer Ausgestaltung kann die Schaltung weiterhin eine HF-Schaltung umfassen,
in der das Bauelement mit einer HF-Signalquelle verbunden ist. Eine BIAS
spannungsabhängige
Steuerung des keramischen Bauelements und damit der Schaltung gelingt,
wenn die BIAS Spannung dem HF-Signal überlagert ist und das zur Steuerung
nutzbare BIAS Spannungsintervall, also der maximale Spannungsbereich
anliegender DC-Spannung, in dem eine Änderung der Eigenschaften erreicht
wird, wesentlich größer als
die anliegende HF-Spannung ist.
-
Besonders
vorteilhaft wird in der erfindungsgemäßen Schaltung ein keramisches
Bauelement eingesetzt, welches eine Funktionsschicht aufweist, deren
Material ein Oxid umfasst. Oxide können generell in nicht stöchiometrischer
Zusammensetzung ausgebildet werden, sodass im Oxidgitter Fehlstellen ausgebildet
sind, die den eingangs bereits erwähnten Leckstrom erzeugen, der
wiederum, wie von den Erfindern erkannt, zur Alterung bzw. zum Durchbrennen
des keramischen Bauelements führt.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
ist das keramische Bauelement in der erfindungsgemäßen Schaltung
als spannungsabhängige
Kapazität
eingesetzt. Die Eigenschaften der Schaltung können dabei über die Höhe der angelegten BIAS Spannung
und den damit über
den erzielten Kapazitätswert
des Bauelements variabel eingestellt werden. So wird eine anpassungsfähige Schaltung
erhalten. Dazu kann ein Generator eingesetzt werden, der zum Erzeugen
einer variablen DC-Spannung mit symmetrischem Rechtecksverlauf ausgelegt
ist.
-
Als
Bauelement in der erfindungsgemäßen Schaltung
kann auch ein Varaktor, auch Variocap oder Kapazitätsdiode
genannt, eingesetzt werden. Diese ist ein Halbleiterbauelement mit
von einer anliegenden BIAS Spannung abhängigen Kapazität. Die Kapazitätsdiode
wird zur Abstimmung von Schwingkreisen in Filtern und Oszillatorschaltungen, zum
Beispiel anstelle von Drehkondensatoren oder veränderbaren Induktivitäten zur
Sendereinstellung in Funkempfängern
(z. B. Radios, Fernsehempfänger)
eingesetzt.
-
Zusätzlich an
LC-Schwingkreise geschaltete Kapazitätsdioden werden zur Automatischen
Feinabstimmung (AFC) in Empfängern
oder zur Frequenzmodulation in FM-Sendern eingesetzt.
-
Bekannte
keramische Bauelemente mit einer keramischen Funktionsschicht aus
BST (Barium-Strontium-Titanat), in dem die Kationen Barium und Strontium
in einem beliebigen Mischungsverhältnis auftreten können, weisen
eine hohe Empfindlichkeit gegenüber
einer Alterung auf. Eine Schaltung mit einem keramischen Bauelement,
das eine Funktionsschicht aus dem BST-System aufweist, wird mit
der erfindungsgemäßen periodisch
umgepolten BIAS Spannung besonders vorteilhaft gegenüber dem
genannten Alterungsprozess stabilisiert.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Schaltung als adaptive Impedanzanpassschaltung
ausgelegt. Dabei wird sie zur Anpassung einer Signalquelle an die
Impedanz einer Last verwendet. Die Variabilität der Anpassschaltung wird
dabei durch ein keramisches Bauelement mit variabler Kapazität erreicht, dessen
Kapazität
von der anliegenden BIAS Spannung ist. Über den zur Erzeugung einer
variablen BIAS Spannung ausgelegten Generator können so auch die Eigenschaften
der Impedanzanpassschaltung und damit die Güte der Impedanzanpassung eingestellt
werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst eine Impedanzanpassschaltung
zumindest zwei adaptive Bauelemente, deren Eigenschaften unabhängig voneinander über eine
jeweils an die Elektroden der adaptiven Bauelemente angelegte BIAS
Spannung eingestellt werden. Eine maximale Regelbarkeit der Impedanzanpassschaltung
wird erzielt, wenn eines der adaptiven Bauelemente in einem seriellen Zweig
der Schaltung und eines der adaptiven Bauelemente in einem parallelen
Zweig der Schaltung angeordnet ist.
-
Die
Variationsbreite der Anpassschaltung ist maximal, wenn beide adaptiven
Bauelemente mit unabhängig
einstellbaren BIAS Spannungen versorgt werden können. Dementsprechend ist ein
Generator zur unabhängigen
Erzeugung zweier BIAS Spannungen erforderlich, oder zwei unabhängig voneinander betreibbare
Generatoren.
-
Eine
Schaltung mit einem keramischen Bauelement, das zwei Elektroden
umfasst, an die eine BIAS Spannung zur Einstellung des Eigenschaften des
keramischen Bauelements angelegt wird, kann nahezu alterungsfrei
betrieben werden, wenn die Polarität der angelegten BIAS Spannung
periodisch geändert
wird. Besonders vorteilhaft wird das Verfahren zum Betreiben der
Schaltung mit einer rechteckig verlaufenden DC BIAS Spannung durchgeführt.
-
Im
Betrieb der Schaltung kann das Bauelement mit einer HF-Signalquelle verbunden
werden. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die periodische Umpolung
der BIAS Spannung mit einer ausgewählten Frequenz erfolgt, die
keine störenden
Intermodulationsprodukte mit dem HF-Signal erzeugt. Auch der Generator
zur Erzeugung einer rechteckig verlaufenden wechselnden DC-Spannung
ist vorteilhaft so ausgelegt, dass er ebenfalls keine Frequenzen
erzeugt, die störende
Intermodulationsprodukte mit dem HF-Signal erzeugen können. Dies
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die rechteckförmig verlaufende BIAS
Spannung durch Überlagerung
unterschiedlicher Frequenzanteile erzeugt wird.
-
Eine
variabel anpassbare Impedanzanpassschaltung bzw. eine HF-Schaltung,
die zur variablen Impedanzanpassung einer HF-Signalquelle an Last eingesetzt wird,
umfasst Mittel, die regelmäßig oder kontinuierlich
die Anpassung der HF-Signalquelle an die Last durch Messen der von
der Last reflektierten Leistung ermitteln. Die Menge der reflektierten
Leistung ist ein Maß für die Fehlanpassung.
Aus der Höhe
der reflektierten Leistung wird der Betrag der anzulegenden BIAS
Spannung ermittelt und über den
Generator erzeugt. Die Periode, mit der die BIAS Spannung umgepolt
wird, bleibt vorteilhaft konstant, unabhängig von der anliegenden BIAS Spannung bzw.
dem geforderten Nennbetrag der variabel eingestellten BIAS Spannung.
-
Ein
beispielhaftes Impedanzanpassproblem, bei dem die erfindungsgemäße Schaltung
vorteilhaft eingesetzt werden kann, ist das Anpassen eines HF-Senders
an die umgebungsabhängige
Impedanz einer Antenne. Dieses Problem tritt insbesondere im Frontend
von Mobilfunkgeräten
auf, bei denen der Anwender sich in häufig wechselnder Nähe oder
relativer Position zur Antenne des Mobilfunkgeräts befindet. Die Impedanz der
Antenne ist dabei stark davon abhängig, wie das Mobilfunkgerät in der
Hand gehalten wird oder in welcher Position sich das Mobilfunkgerät zum Kopf
befindet.
-
Eine
weitere Anwendung der Schaltung findet sich bei der Abstimmung von
Schwingkreisen in Filtern und Oszillatorschaltungen. Die z. B. Varaktoren
umfassende Schaltung kann anstelle von Drehkondensatoren oder veränderbaren
Induktivitäten
zur Sendereinstellung in Funkempfängern (z. B. bei Radio oder
Fernsehempfänger)
eingesetzt werden. Mit der Schaltung können auch diese abstimmbaren Schwingkreisen
gegen Alterung stabilisiert werden.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehöriger Figuren näher erläutert. Die
Figuren sind rein schematisch ausgeführt und dienen allein der Veranschaulichung der
Erfindung. Sie sind nicht maßstäblich ausgeführt und
einzelne Teile können
zum besseren Verständnis vergrößert dargestellt
sein. Daher können
den Figuren auch keine relativen Maßangaben entnommen werden.
-
1 zeigt
eine Anordnung mit der erfindungsgemäßen Schaltung,
-
2A und 2B zeigen
einen beispielhaften Verlauf der BIAS Spannung und die Bewegung
der Ladungsträger
unter der jeweils anliegenden Spannung,
-
3 zeigt
den beispielhaften Verlauf des Kapazitätswerts eines Kondensators
in Abhängigkeit von
der anliegenden BIAS Spannung,
-
4 zeigt
den Verlauf des Leckstroms über die
Zeit in Abhängigkeit
von verschiedenen anliegenden BIAS Spannungen,
-
5 zeigt
eine Impedanzanpassschaltung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung,
-
6 zeigt
eine Anordnung unter Verwendung der Anpassschaltung von 5.
-
1 zeigt
in schematischer Darstellung eine einfache Schaltung mit einem Bauelement 5, welches
zwischen zwei Elektroden 3, 3' ein Dielektrikum 4 aufweist.
Zumindest eine Eigenschaft des Bauelements 5 ändert sich
in Abhängigkeit
von einer an den Elektroden 3, 3 anliegenden BIAS
Spannung. Eine Vorrichtung 6 zum Erzeugen einer periodisch wechselnden
BIAS Spannung, insbesondere eine Rechteckspannung, sorgt dafür, dass
an den Elektroden 3, 3' des Bauelements 5 stets
eine DC BIAS Spannung gewünschter
Höhe anliegt,
die in periodischen Abständen
umgepolt wird. Die Vorrichtung 6 kann einen Generator 1 zum
Erzeugen einer einstellbaren DC BIAS Spannung und Schaltmittel 2 umfassen,
die der periodischen Umpolung der DC-Spannung dienen.
-
2A zeigt
einen vorteilhaften Verlauf der BIAS Spannung. Dieser zeichnet sich
durch seine Rechteckform aus. Im Idealfall weist der Verlauf der BIAS
Spannung alternierend Abschnitte von konstanter Spannung auf, wobei
sich die Polarität
periodisch ändert
und so abwechselnd zwei entgegengesetzt gepolte aber betragsmäßig gleiche
Spannungen anliegen. Der Übergang
zwischen den entsprechenden positiven und negativen Nennspannungen UN
und –UN
ist idealerweise vertikal, im Realfall aber möglichst steil eingestellt.
-
2B zeigt
anhand von schematischen Darstellungen die Wanderungsbewegungen
von Ladungsträgern
innerhalb des Dielektrikums unter Einwirkung der anliegenden BIAS
Spannung. Im ersten Abschnitt des Spannungsverlaufs zwischen den
Zeitpunkten t0 und t1 liegt an der oberen Elektrode 3 des Bauelements 5 ein
negatives Potenzial, an der unteren Elektrode 3' dagegen ein
positives Potenzial an. Eine Ladungsträgerwanderung, welche insbesondere
durch das Wandern von positiv geladenen Sauerstofffehlstellen bedingt
ist, führt
zu einer Ansammlung von Ladungsträgern im Bereich der entsprechenden
entgegengesetzt gepolten Elektrode. Bevor dieser Zustand jedoch
erreicht ist, wird die Spannung umgepolt, sodass sich die Polarität der Elektroden 3, 3' ändert. Im
Abschnitt zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 liegt nun an der oberen
Elektrode ein positives Potenzial, an der unteren Elektrode 3' dagegen ein negatives
Potenzial an. Dies führt
dazu, dass die Wanderungsbewegungen der Ladungsträger aus dem
ersten Abschnitt nun in einer Wanderungsbewegung in entgegen gesetzte
Richtung übergehen,
sodass im Idealfall zum Zeitpunkt t2 der Zustand wie zum Zeitpunkt
t0 wiederhergestellt ist. Zum Zeitpunkt t2 schlägt dann die Spannung wieder
um, sodass ein Polaritätsverhältnis wie
im ersten Abschnitt erreicht ist und die Ladungsträger wieder
in entgegen gesetzte Richtung wandern. In der Summe wird mit der
periodisch umgepolten BIAS Spannung eine Ladungsträgeranreicherung
im Bereich einer oder beider Elektroden vermieden, die anderenfalls
zu einer Verminderung des Isolationsbereichs und schließlich zu einem
elektrischen Durchbruch im Bauelement führen könnten.
-
4 zeigt
einen beispielhaften Leckstromverlauf eines als Kondensator ausgebildeten
bekannten Bauelements 5 ohne erfindungsgemäß Schaltung
unter Einwirkung unterschiedlich starker BIAS Spannungen. Aus der
Darstellung zeigt sich, dass der Leckstrom über einen gewissen Zeitraum
nahezu konstant bleibt und nur leicht abfällt, bevor das Bauelement dann
schlagartig einen Durchbruch erleidet, der zu einem steilen Anstieg
des Leckstroms führt. Die
Zeitdauer bis zum Auftreten des Durchbruchs steigt mit abnehmender
BIAS Spannung.
-
Mit
einer erfindungsgemäßen Schaltung
wird ein elektrischer Durchbruch des Bauelements praktisch vollständig vermieden,
da mit der Umpolung der BIAS Spannung jeweils der zum elektrischen
Durchbruch führende
Effekt jeweils abschnittsweise kompensiert wird. Somit wird eine
Anreicherung von Ladungsträgern
in der Nähe
der Elektroden und eine Verkleinerung der Isolationszone vermieden.
-
3 zeigt
am Beispiel eines Kondensators eine von der anliegenden BIAS Spannung
abhängige Eigenschaft,
hier den Kapazitätswert.
Dieser erreicht seinen Maximalwert bei einer BIAS Spannung null, also
wenn keine BIAS Spannung anliegt. Mit steigender BIAS Spannung reduziert
sich der Wert dieses Parameters.
-
Aus
der Figur geht hervor, dass dieses Verhalten unabhängig von
der Polarität
der anliegenden Spannung ist, sodass sich eine um die y-Achse symmetrische
Kurve für
den Kapazitätsverlauf
in Abhängigkeit
von der Spannung ergibt. Aus diesem Verlauf wird auch klar, dass
die von der BIAS Spannung abhängige
Eigenschaft ausschließlich
vom Betrag der BIAS Spannung ist, sodass ein wie in 2A dargestellter
idealisierter BIAS Spannungsverlauf mit periodisch wechselnder Polarität gleich
wirkend einen konstanten BIAS Spannungsverlauf bei +UN oder –UN entspricht.
Eine wie in 2A anliegende BIAS Spannung
hält den
vom Betrag der BIAS Spannung abhängigen
Wert konstant.
-
Neben
den Kondensatoren existieren auch andere Bauelemente, die mit einem
anderen physikalischen Parameter ein von der anliegenden BIAS Spannung
abhängiges
Verhalten aufweisen. Viele dieser Bauelemente können in Verbindung mit der vorgeschlagenen
Schaltung in ihrer Lebensdauer und Langzeitstabilität verbessert
werden.
-
5 zeigt
als beispielhafte Anwendung der vorgeschlagenen Schaltung eine Impedanzanpassschaltung
MC. Vorteilhaft weist diese Schaltung zumindest zwei Bauelemente
auf, deren Eigenschaften über
den Betrag der anliegenden BIAS Spannung eingestellt werden können. Zumindest
eines dieser variablen Bauelemente ist in einem seriellen Zweig angeordnet,
der die beiden Anschlüsse
T1 und T2 verbindet, die Ein- und Ausgang der Schaltung darstellen.
Ein weiteres Bauelement CP, hier ein variabler
Kondensator, ist in einem Parallelzweig gegen Masse angeordnet.
-
Als
weitere Impedanzanpasselemente sind in dieser Schaltung eine serielle
Induktivität
LS und ein weiterer Parallelzweig mit einer
darin angeordneten parallelen Induktivität LP vorgesehen.
Beide variablen Bauelemente, insbesondere eine serielle Kapazität CS und eine parallele Kapazität CP können
mit der erfindungsgemäßen Schaltung
in ihrer Stabilität und
Lebensdauer verbessert werden. Durch voneinander unabhängige Einstellung
der an den variablen Bauelementen anliegenden BIAS Spannung kann mit
der vorgeschlagenen Impedanzanpassschaltung MC eine Impedanzanpassung
durchgeführt
werden.
-
6 zeigt
eine Schaltungsanordnung unter Verwendung der beispielsweise in 5 beschriebenen
Impedanzanpassschaltung MC. Diese Schaltungsanordnung umfasst einen
Signalpfad, der einen ersten Anschluss T1 mit einem zweiten Anschluss
T2 verbindet. Ein an den Anschluss T1 angelegtes Signal wird über einen
Leistungsverstärker
PA und ein Tiefpassfilter LPF geleitet und hat hinter dem Tiefpassfilter
beispielsweise eine Ausgangsimpedanz Z1. Um diese Ausgangsimpedanz
an eine mit dem zweiten Anschluss T2 verbundene Last, insbesondere
eine Antenne, zu verbinden, ist es erforderlich, die Ausgangsimpedanz
Z1 mit Hilfe einer Anpassschaltung auf die Eingangsimpedanz der
Last bzw. der Antenne zu bringen. Dazu kann eine erfindungsgemäß ausgebildete
Anpassschaltung MC eingesetzt werden, mit der es gelingt, mit Hilfe
geeigneter an die variablen Bauelemente (Kondensatoren) angelegte BIAS
Spannungen die Impedanz Z1 auf eine Impedanz Z2 anzupassen. Bei
wechselnder Ausgangsimpedanz am Anschluss T2 kann durch entsprechende Einstellung
der am variablen Bauelement angelegten BIAS Spannung die Anpassung
nachreguliert werden.
-
Zwischen
dem Anpassschaltkreis und dem zweiten Anschluss T2 ist ein Richtkoppler
SLC angeordnet, der beispielsweise aus zwei gekoppelten Leitungsabschnitten
besteht. Mit dem Richtkoppler wird die über den zweiten Anschluss T2
zurückflektierte Leistung
bestimmt, die ein Maß für eine Fehlanpassung
der Impedanz darstellt. Z. B. mit Hilfe eines Mikrocontrollers μC wird auf
die in ihren Eigenschaften variierbaren Bauelemente der Impedanzanpassschaltung
MC eingewirkt und so eine veränderte
Anpassung bewirkt, bis die am zweiten Anschluss T2 reflektierte
und vom Richtkoppler SLC erfasste Leistung einen gewünschten
Minimalpegel unterschreitet. Der Minimalpegel wird entsprechend
einer gewünschten
oder optimalen Anpassung gewählt
und dann z. B. mit Hilfe des Mikrocontrollers μC eingestellt.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen und Figuren
dargestellten Schaltungen und Schaltungsanordnungen beschränkt. Vielmehr
ist es möglich,
eine Schaltung, die ein in seinen Eigenschaften variierbares Bauelement
mit Hilfe einer rechteckförmigen
BIAS Spannung zu betreiben und in beliebigen anderen Anwendungen
zu verwenden und in beliebige andere Schaltungsanordnungen einzubauen.
In allen Fällen
garantiert die erfindungsgemäß angelegte
rechteckförmige
BIAS Spannung eine erhöhte
Stabilität
und Lebensdauer des Bauelements, die die Funktion einer das Bauelement
umfassenden Schaltung über
eine längere
als bisher bekannte Betriebsdauer stabil und konstant hält.
-
- 1
- Generator
für BIAS
Spannung
- 2
- Mittel
zur periodischen Umpolung
- 3,
3'
- erste
und zweite Elektrode
- 4
- Dielektrikum/Funktionsschicht
- 5
- Bauelement
- 6
- Generator
für periodische
BIAS Spannung
- T1; T2
- Anschluss
- LP
- parallele
Induktivität
- LS
- serielle
Induktivität
- CP
- parallele
Kapazität
- CS
- serielle
Kapazität
- MC
- Anpassschaltung
- μC
- Mikrocontroller
- LPF
- Tiefpassfilter
- PA
- Leistungsverstärker
- SLC
- Richtkoppler
- Z1,
Z2
- Impedanz