DE102010008920A1

DE102010008920A1 - Breitbandig betreibbare Impedanzanpassschaltung

Info

Publication number: DE102010008920A1
Application number: DE102010008920A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. 83371 Schmidhammer; Pasi 82008 Tikka
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: Qualcomm Technologies Inc
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-08-25
Also published as: US9130534B2; FI20125865A; US20130009841A1; KR20130006600A; FI127484B; KR101659475B1; WO2011104156A1

Abstract

Es wird eine breitbandig betreibbare Impedanzanpassschaltung mit kapazitiven Elementen variabler Kapazität im Signalpfad, einem induktiven Element in einem Parallelpfad, der parallel zum Signalpfad verschaltet ist, sowie induktiven Elementen in Massepfaden angegeben. Die Impedanzanpassschaltung ermöglicht Kommunikation in einem ersten Frequenzband und das Empfangen von HF-Signalen in einem zweiten Frequenzband.

Description

Die Erfindung betrifft eine Impedanzanpassschaltung, welche breitbandig betreibbar ist und insbesondere Senden und Empfangen in einem ersten Frequenzband sowie gleichzeitiges Empfangen in einem weiteren Frequenzband ermöglicht.
Sprünge in der Impedanz einer HF-Leitung führen zu Reflexionen des HF-Signals. In mobilen Kommunikationsgeräten passen Impedanzanpassschaltungen die Antennenimpedanz an die Impedanz der Signalleitungen an. Weist beispielsweise die Antenne eines mobilen Kommunikationsgeräts eine andere Impedanz als die Impedanz der Signalleitung auf, so ist die Signalübermittlung von und zur Antenne gestört. In modernen mobilen Kommunikationsgeräten können Antennen verschaltet sein, deren Impedanz stark von ihrer räumlichen Umgebung abhängt. Änderungen in der Umgebung der Antenne bewirken eine Änderung der Antennenimpedanz. Eine Impedanzanpassschaltung, welche die veränderliche Antennenimpedanz an die Impedanz nachfolgender Stufen des mobilen Kommunikationsgeräts anpasst, ist somit häufig unvermeidlich.
Ein adaptives Antennenanpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung ist beispielsweise aus der Patentanmeldung US 2007/0194859 A1 bekannt. Eine Impedanzanpassschaltung, welche zwischen einer Antenne und dem Front-End-Modul eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet ist, umfasst im Signalpfad verschaltete kapazitive Elemente mit einstellbarer Kapazität sowie induktive Elemente. In einem ”closed control loop” Modus wird in einem schmalen Frequenzbereich eine gute Impedanzanpassung erreicht. In einem ”open control loop” Modus wird eine breitbandige Anpassung, allerdings mit verschlechterter Einfügedämpfung, erhalten.
Ein Problem bekannter Impedanzanpassschaltungen besteht darin, dass die Impedanzanpassung sich im Allgemeinen auf ein einzelnes Frequenzband bezieht. In diesem Frequenzband ist die Impedanz gut angepasst, in anderen Frequenzbändern ist jedoch weder ein Senden noch ein Empfangen von HF-Signalen möglich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Impedanzanpassschaltung anzugeben, welche ein Senden und Empfangen in einem ersten Frequenzband ermöglicht und welche gleichzeitig zumindest das Empfangen von Signalen in einem zweiten Frequenzband ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Impedanzanpassschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung gibt eine Impedanzanpassschaltung an, die einen Signalport, einen Lastport und einen zwischen dem Signalport und dem Lastport verschalteten Signalpfad umfasst. Sie umfasst ferner ein erstes und ein zweites kapazitives Element variabler Kapazität sowie ein erstes, ein zweites und ein drittes induktives Element. Im Signalpfad ist ein Knoten angeordnet. Das erste kapazitive Element variabler Kapazität ist zwischen dem Signalport und dem Knoten verschaltet. Das zweite kapazitive Element variabler Kapazität ist zwischen dem Knoten und dem Lastport verschaltet. Das erste induktive Element verschaltet den Knoten mit Masse; das zweite induktive Element verschaltet den Lastport mit Masse. Das dritte induktive Element verschaltet in einem Parallelpfad, der parallel zum Signalpfad verschaltet ist, den Signalport mit dem Lastport.
Eine solche Impedanzanpassschaltung ermöglicht Senden und Empfangen von HF-Signalen in einem ersten Frequenzband und das Empfangen von HF-Signalen in einem zweiten Frequenzband. Insbesondere ermöglicht sie eine adaptive Impedanzanpassung im ersten Frequenzband, um auf Änderungen der Umgebung zu reagieren. Selbst wenn die Impedanz im ersten Frequenzband adaptiv geregelt wird, ist es möglich, im zweiten Frequenzband Empfangssignale ohne adaptive Anpassung zu empfangen.
Eine solche Impedanzanpassschaltung ist einfacher als bekannte Anpassschaltungen aufgebaut. Sie umfasst weniger Elemente variabler Impedanz. Dadurch ist sie günstiger herzustellen. Ihre Elemente variabler Kapazität sind bezüglich ihrer Anordnung auf den Signalpfad beschränkt. Dadurch ist die Impedanz mit einem einfacheren, schnelleren und robusteren Algorithmus einzustellen.
In einer Ausgestaltung der Impedanzanpassschaltung weist das erste induktive Element eine Induktivität zwischen 0,5 nH und 2 nH auf. Das zweite induktive Element weist eine Induktivität zwischen 1 nH und 3 nH und das dritte induktive Element weist eine Induktivität zwischen 1 nH und 3 nH auf. Der Einstellbereich der Kapazität des ersten kapazitiven Elements variabler Kapazität liegt in dem Intervall von 0,5 pF bis 3 pF. Der Einstellbereich der Kapazität des zweiten kapazitiven Elements variabler Kapazität liegt in dem Intervall von 1 pF bis 10 pF. Die Einstellbereiche der kapazitiven Elemente können die angegebenen Intervalle voll ausschöpfen oder Teilmengen davon sein.
In einer Ausführungsform ist der Lastport über eine Mikrostreifenleitung mit einer ersten Antenne verschaltet. Die Mikrostreifenleitung kann so ausgestaltet sein, dass sie selbst auch eine Impedanzanpassung vornimmt.
In einer Ausführungsform ist die Impedanzanpassschaltung in einem mobilen Kommunikationsgerät verschaltet und ermöglicht Senden und Empfangen im 1 GHz Band sowie gleichzeitig das Empfangen im 2 GHz Band.
Das erste Frequenzband kann beispielsweise das 1 GHz-Frequenzband sein. Das 1 GHz Frequenzband bezeichnet den Frequenzbereich, der für Mobilfunk vorgesehen ist und im Wesentlichen unterhalb von 1 GHz oder bei Frequenzen um 1 GHz liegt. Das zweite Frequenzband kann beispielsweise das 2 GHz Band sein. Das 2 GHz-Frequenzband bezeichnet den Frequenzbereich, der für Mobilfunk vorgesehen ist und im Wesentlichen zwischen dem 1 GHz-Frequenzbereich und dem Frequenzbereich um 2 GHz liegt. Das W-CDMA Band 12 (Sendefrequenzen liegen zwischen 698 und 716 MHz; Empfangsfrequenzen liegen zwischen 728 und 746 MHz) kann z. B. das erste Frequenzband sein. Im W-CDMA Band 12 können HF-Signale gesendet und empfangen werden. Zusätzlich ermöglicht die Impedanzanpassschaltung das Empfangen von Signalen im W-CDMA Band 1 zwischen 2110 und 2170 MHz. Andere Bänder, z. B. andere W-CDMA Bänder, z. B. das W-CDMA Band 5, können ebenfalls das erste Band sein.
In einer Ausführungsform findet im 1 GHz Band eine adaptive Regelung der Impedanzanpassung durch Variation der Werte der Kapazitäten des ersten und des zweiten kapazitiven Elements variabler Kapazität statt.
In einer Ausführungsform ist der Lastport mit einer ersten Antenne verschaltet. Über einen Schalter ist der Lastport mit einer zweiten Antenne verschaltet. Der Schalter verbindet den Lastport mit der zweiten Antenne, wenn der Empfang im 2 GHz Band über die zweite Antenne besser als über die erste Antenne ist.
Wie oben bereits erwähnt, kann die Impedanz einer Antenne variieren. Umfasst ein mobiles Kommunikationsgerät zwei Antennen, so kann der Empfang in einem bestimmten Frequenzband über die zweite Antenne besser als über die erste Antenne sein, wobei über die erste Antenne Sende- und Empfangssignale im ersten Frequenzbereich übermittelt werden.
In einer Ausführungsform werden im 1 GHz Band Gesprächsdaten gesendet und empfangen. Im 2 GHz Band wird ein Diversity-Signal empfangen. Ein Diversity-Signal ist ein zusätzliches Empfangssignal, welches z. B. die Signalqualität verbessern kann.
In einer Ausführungsform kann ein Signal, welches zusätzlich zu Signalen, die Gesprächsdaten übermitteln, empfangen werden. Ein zusätzliches Empfangssignal kann beispielsweise ein empfangenes GPS-Signal oder ein empfangenes Rundfunksignal sein.
Im Folgenden wird die Impedanzanpassschaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Grundform der Impedanzanpassschaltung,
2 eine Impedanzanpassschaltung, die über eine Mikrostreifenleitung mit einer Antenne verschaltet ist,
3 eine Impedanzanpassschaltung, welche mit zwei Antennen verschaltet ist,
4 die Einfügedämpfung des Signalpfads in einem ersten Frequenzbereich,
5 den Reflexionskoeffizienten des Signalpfads im ersten Frequenzbereich,
6 die Einfügedämpfung des Signalpfads in einem zweiten Frequenzbereich,
7 den Reflexionskoeffizienten des Signalpfads im zweiten Frequenzbereich.
1 zeigt eine Impedanzanpassschaltung IAS gemäß der Erfindung. Ein Knoten K ist zwischen dem Signalport SPO und dem Lastport LP im Signalpfad SPF angeordnet. Ein erstes induktives Element variabler Kapazität IE1 verschaltet den Knoten K mit Masse. Ein zweites induktives Element IE2 verschaltet den Lastport LP mit Masse. Zwischen dem Signalport SPO und dem Knoten K ist ein erstes induktives Element KE1 verschaltet. Zwischen dem Knoten K und dem Lastport LP ist ein zweites kapazitives Element mit variabler Kapazität KE2 verschaltet. In einem Parallelpfad, der parallel zum Signalpfad SPF verschaltet ist und den Signalport SPO mit dem Lastport LP verschaltet, ist ein drittes induktives Element IE3 verschaltet. Der Signalport SPO kann mit nachfolgenden Stufen eines mobilen Kommunikationsgeräts, z. B. einer Front-End-Schaltung, Filterschaltungen oder Verstärkerschaltungen, verschaltet sein. Der Lastport LP kann mit einer Antenne des entsprechenden Kommunikationsgeräts, in dem die Anpassschaltung verschaltet sein kann, verschaltet sein.
2 zeigt die Impedanzanpassschaltung der 1, wobei der Lastport LP über ein weiteres Element, z. B. eine Zuleitung ZL, mit einer Antenne A verschaltet ist. Das weitere Element kann beispielsweise eine Mikrostreifenleitung sein.
3 illustriert die Verschaltung der Impedanzanpassschaltung mit zwei verschiedenen Antennen A1, A2. Über Schalter S1, S2 ist der Lastport LP ausschließlich mit der ersten Antenne A1 oder ausschließlich mit der zweiten Antenne A2 oder mit beiden Antennen A1 und A2 verschaltbar. Es ist vorteilhaft, den Lastport mit derjenigen Antenne zu verschalten, die die besseren Übertragungscharakteristik aufweist. Die üblichen Methoden, z. B. mittels Detektorschaltungen, die das jeweilige Stehwellenverhältnis ermitteln, können angewendet werden, um die Anpassung der jeweiligen Antennen zu erhalten.
4 illustriert den frequenzabhängigen Verlauf der Einfügedämpfung des Signalpfads in einem Frequenzbereich zwischen 710 und 1000 MHz in dB. Insbesondere im Frequenzbereich zwischen 770 und 900 MHz ist die Einfügedämpfung besser als –2 dB. Die gezeigte Einfügedämpfung ermöglicht das Senden und Empfangen von HF-Signalen, z. B. zur Kommunikation. Eine adaptive Anpassung der Impedanz im ersten Frequenzband ist möglich, ohne dass eine adaptive Anpassung im zweiten Frequenzband nötig ist. Denn es wird eine breitbandige Anpassung im zweiten Frequenzband erhalten. Zusätzlich ist es aber möglich, die Impedanz im zweiten Frequenzband adaptiv anzupassen, um den Empfang im zweiten Frequenzband weiter zu verbessern.
5 illustriert den Reflexionskoeffizienten des Signalpfads mit erfindungsgemäßer Impedanzanpassschaltung im Frequenzbereich von 700 MHz bis 1000 MHz in dB. Insbesondere im Frequenzbereich zwischen 780 MHz und 960 MHz ist der Reflexionskoeffizient besser als –6 dB.
6 illustriert die Einfügedämpfung im Frequenzbereich von 2100 bis 2200 MHz als zweites Frequenzband in dB. Die Einfügedämpfung ist dabei im Wesentlichen konstant bei etwa –1,4 dB. Somit ist gleichzeitig ein ausreichend guter Empfang im 2 GHz Frequenzband und ein Sende- und Empfangsbetrieb bei Frequenzen zwischen 700 MHz bis 1000 MHz als erstes Frequenzband ermöglicht.
7 illustriert den frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionskoeffizienten eines erfindungsgemäß ausgestalteten Signalpfads im Frequenzbereich zwischen 2100 und 2200 MHz. Der Reflexionskoeffizient liegt dabei im Wesentlichen konstant bei etwa –7 dB.
Die in den 4 und 6 gezeigten Verläufe der Einfügedämpfung, die gleichzeitig erreicht sind, zeigen deutlich, dass das Übermitteln von HF-Signalen in verschiedenen Frequenzbändern möglich ist. Insbesondere ist es möglich, eine gute Einfügedämpfung im ersten Frequenzbereich zu erhalten und durch Variation der Kapazitäten der einstellbaren kapazitiven Elemente eine Anpassung an unterschiedliche Antennenimpedanzen zu erhalten und gleichzeitig eine Kommunikation im zweiten Frequenzband aufrecht zu erhalten.
Eine Impedanzanpassschaltung ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen, welche z. B. noch weitere kapazitive, induktive oder resistive Elemente in den angegebenen Signal- oder Massepfaden oder in weiteren Signal- oder Massepfaden umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugszeichenliste

IAS:

Impedanzanpassschaltung

SPO:

Signalport

LP:

Lastport

IE1, IE2, IE3:

induktive Elemente

KE1, KE2:

kapazitive Elemente variabler Kapazität

A, A1, A2:

Antennen

ZL:

Zuleitung

SPF:

Signalpfad

S1, S2:

Schalter

Claims

Impedanzanpassschaltung (IAS), umfassend – einen Signalport (SPO), einen Lastport (LP), einen zwischen dem Signalport (SPO) und dem Lastport (LP) verschalteten Signalpfad (SP), ein erstes kapazitives Element variabler Kapazität (KE1), ein zweites kapazitives Element variabler Kapazität (KE2), sowie ein erstes (IE1), ein zweites (IE2) und ein drittes (IE3) induktives Element, wobei – ein Knoten (K) im Signalpfad (SP) angeordnet ist, – das erste kapazitive Element variabler Kapazität (KE1) zwischen dem Signalport (SPO) und dem Knoten (K) und das zweite kapazitive Element variabler Kapazität (KE2) zwischen dem Knoten (K) und dem Lastport (LP) verschaltet sind, – das erste induktive Element (IE1) den Knoten (K) und das zweite induktive Element (KE2) den Lastport (LP) mit Masse verschalten, – das dritte induktive Element (IE3) in einem Parallelpfad parallel zum Signalpfad (SP) den Signalport (SPO) mit dem Lastport (LP) verschaltet.
Impedanzanpassschaltung (IAS) nach dem vorherigen Anspruch, wobei – das erste induktive Element (IE1) eine Induktivität zwischen 0,5 nH und 2 nH aufweist, das zweite induktive Element (IE2) eine Induktivität zwischen 1 nH und 3 nH aufweist und das dritte induktive Element (IE3) eine Induktivität zwischen 1 nH und 3 nH aufweist, – der Einstellbereich der Kapazität des ersten kapazitiven Elements variabler Kapazität (KE1) in dem Intervall von 0,5 pF bis 3 pF und der Einstellbereich der Kapazität des zweiten kapazitiven Elements variabler Kapazität (KE2) in dem Intervall von 1 pF bis 10 pF liegt.
Impedanzanpassschaltung (IAS) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lastport (LP) über eine Mikrostreifenleitung (ZL) mit einer ersten Antenne (A, A1) verschaltet ist.
Impedanzanpassschaltung (IAS) nach einem der vorherigen Ansprüche, die in einem mobilen Kommunikationsgerät verschaltet ist und Senden und Empfangen im 1 GHz Band und gleichzeitig das Empfangen im 2 GHz Band ermöglicht.
Impedanzanpassschaltung (IAS) nach dem vorherigen Anspruch, wobei im 1 GHz Band eine adaptive Regelung der Impedanzanpassung durch Variation der Kapazitäten des ersten (KE1) und des zweiten (KE2) kapazitiven Elements variabler Kapazität stattfindet.
Impedanzanpassschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der Lastport (LP) mit einer ersten Antenne (A1) verschaltet ist und wobei der Lastport (LP) über einen Schalter (S2) mit einer zweiten Antenne (A2) verschaltet ist, – der Schalter (S2) den Lastport (LP) mit der zweiten Antenne (A2) verbindet, wenn der Empfang im 2 GHz Band über die zweite Antenne (A2) besser als über die erste Antenne (A1) ist.
Impedanzanpassschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im 1 GHz Band Gesprächsdaten gesendet und empfangen werden und im 2 GHz Band ein Diversity-Signal empfangen wird.