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Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung und eine Schaltungsanordnung.
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Schalteranordnungen werden vielfach benötigt, um Signale in einer Schaltung auf unterschiedliche Pfade zu verteilen, so dass die Signale über physikalisch unterschiedliche Wege, also über andere elektrische Leitungen, geleitet werden. Ein Anwendungsfeld hierfür bieten moderne portable Kommunikationsendgeräte, beispielsweise Mobiltelefone. Bei diesen Geräten ist es erforderlich, ein hochfrequentes empfangenes und/oder gesendetes Signal vom Pfad einer Antenne zu verschiedenen Empfangs- und/oder Sendestufen zu verteilen. Dies wird umso aufwändiger, je mehr Bänder und Modi ein derartiges Mobiltelefon unterstützt.
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Zur Realisierung der Signalverteilung werden meist Halbleiterschalter auf Basis von Pindioden, Galliumarsenid oder CMOS verwendet. Befindet sich ein derartiger Halbleiterschalter im ausgeschalteten Zustand, so besteht trotz seiner hohen Einfügedämpfung eine kapazitive Kopplung zwischen den geöffneten Kontakten. Diese kapazitive Kopplung kann als Ausschalt- oder Restkapazität bezeichnet werden, und wird üblicherweise als Kennwert Coff für einen derartigen Halbleiterschalter, als Gegenpol zu einem Einschaltwiderstand Ron, in einem Datenblatt entsprechend angegeben. Die Restkapazität ist also jene Kapazität, die zwischen den beiden Kontakten bestehen bleibt, wenn sich der Schalter im geöffneten, also im ausgeschalteten Zustand befindet. Diese ungewünschte parasitäre Restkapazität kann das Leistungsverhalten der angeschlossenen elektrischen Pfade des Schalters negativ beeinflussen. Die Isolationswerte zwischen den verschiedenen Pfaden verschlechtern sich.
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Die
EP 1 265 370 A1 offenbart z. B., wi ein an einem ersten Antennenanschluss anliegendes Signal mittels Halbleiterschalter selektiv auf einen von drei verschiedenen weiteren Anschlüssen verteilt werden kann.
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Eine Möglichkeit, dem Problem der ungewünschten kapazitiven Kopplung zwischen geöffneten Kontakten eines Schalters zu begegnen, besteht darin, den nicht genutzten Pfad des Schalters mit einem weiteren Schalter aktiv mit einem Bezugspotentialanschluss zu verbinden. Diese Lösung vergrößert jedoch die benötigte Chipfläche, was einerseits zur Verteuerung der Lösung, andererseits zur Erhöhung der Komplexität bei der Logikansteuerung beziehungsweise beim Treiber für den entsprechenden Schalter führt.
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Eine Aufgabe ist es daher, eine kostengünstige Lösung zur Kompensation der Restkapazität bei Halbleiterschaltern anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform weist eine Schalteranordnung einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluss, sowie einen ersten und einen zweiten Pfad auf. Der erste Pfad ist zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnet und umfasst einen ersten Schalter mit einer ersten parasitären Kapazität. Der zweite Pfad ist zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss angeordnet und umfasst einen zweiten Schalter mit einer zweiten parasitären Kapazität. Parallel zum ersten Pfad ist eine erste Induktivität angeordnet, die zur ersten Kapazität in einem festgelegten Frequenzbereich in Resonanz betreibbar ist. Parallel zum zweiten Pfad ist eine zweite Induktivität geschaltet, die zur zweiten Kapazität in dem festgelegten Frequenzbereich in Resonanz betreibbar ist. Weiter weist die Schalteranordnung einen vierten Anschluss, einen dritten Pfad und eine dritte Induktivität auf. Der dritte Pfad ist zwischen dem zweiten und dem vierten Anschluss angeordnet und umfasst einen dritten Schalter mit einer dritten parasitären Kapazität. Die dritte Induktivität ist parallel zum dritten Pfad angeordnet und in dem festgelegten Frequenzbereich in Resonanz zur dritten parasitären Kapazität betreibbar.
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Die dritte parasitäre Kapazität tritt zwischen den zwei Kontakten des dritten Schalters auf. In dem festgelegten Frequenzbereich befindet sich die dritte Induktivität in Resonanz zur dritten parasitären Kapazität, wodurch vorteilhafterweise ohne Hinzufügen weiterer Schaltelemente die ungewünschte parasitäre Kapazität des dritten Schalters kostengünstig kompensiert wird.
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Die erste Induktivität wird in dem festgelegten Frequenzbereich zur ersten Kapazität in Resonanz betrieben, sodass die kapazitive Kopplung, die aufgrund der ersten parasitären Kapazität bei geöffnetem ersten Schalter bestehen bleibt, kompensiert wird. Gleichermaßen befindet sich die zweite Induktivität in Resonanz zur zweiten parasitären Kapazität, sodass die kapazitive Kopplung, die aufgrund der zweiten parasitären Kapazität bei geöffnetem zweiten Schalter bestehen bleibt, kompensiert wird.
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Vorteilhafterweise erübrigt sich bei der vorgeschlagenen Lösung das Integrieren weiterer Halbleiterschalter, sodass die Die-Fläche, die von der Schalteranordnung benötigt wird, kleiner und damit günstiger realisiert werden kann.
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Der erste und/oder zweite Schalter ist/sind jeweils als Halbleiterschalter realisiert. Mit der vorliegenden Schaltung lässt sich also ein Wechselschalter, auch bekannt als single pole double throw-, SPDT-, Schalter realisieren. Die erste parasitäre Kapazität bildet dabei die oben bezeichnete Ausschalt- oder Restkapazität des ersten Schalters. Die zweite parasitäre Kapazität bildet die Ausschalt- beziehungsweise Restkapazität des zweiten Schalters. Der festgelegte Frequenzbereich wird so definiert, dass er den Frequenzbereich, in dem die Schalteranordnung eingesetzt ist, abdeckt. Ein Pfad bezeichnet einen Signalpfad wie eingangs definiert.
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Die parasitäre Kapazität tritt zwischen den beiden Kontakten eines Schalters auf. In einem Ersatzschaltbild ist die parasitäre Kapazität eines jeweiligen Schalters folglich jeweils in Parallelschaltung zu diesem Schalter angeordnet. Die erste parasitäre Kapazität ist also zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnet. Die zweite parasitäre Kapazität ist zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss angeordnet.
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In einer Weiterbildung ist entweder der erste Pfad oder der zweite Pfad eingeschaltet und der jeweilige andere Pfad ist ausgeschaltet.
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Die Schalteranordnung implementiert also einen Wechselschalter, wobei ein beispielsweise am ersten Anschluss zugeführtes Signal entweder über den ersten Pfad zum zweiten Anschluss verteilt wird, oder über den zweiten Pfad zum dritten Anschluss geleitet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Schalteranordnung eine erste Serienkapazität und eine zweite Serienkapazität auf. Die erste Serienkapazität ist zum Unterbinden eines Gleichstromes durch die erste Induktivität eingerichtet und in Reihe zur ersten Induktivität geschaltet. Die zweite Serienkapazität ist zum Unterbinden eines Gleichstromes durch die zweite Induktivität eingerichtet und in Reihe zu der zweiten Induktivität geschaltet.
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Je nach Realisierung des ersten und/oder zweiten Schalters kann es zu einem ungewollten Gleichstrom durch die Parallelschaltung umfassend parasitäre Kapazität und zugehörige Induktivität kommen. Um dies zu verhindern, wird einer jeden Induktivität jeweils eine Serienkapazität vorgeschaltet. Die Serienkapazität ist dabei jeweils mindestens um den Faktor 10 größer dimensioniert als die jeweilige parasitäre Kapazität, um die Resonanzfrequenz der parasitären Kapazität und der zugehörigen Induktivität nicht zu beeinflussen.
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Mit Vorteil wird dadurch im ausgeschalteten Zustand des ersten oder des zweiten Schalters die Isolation zwischen den Kontakten des jeweiligen Schalters weiter verbessert.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Schalteranordnung eine dritte Serienkapazität, die zum Unterbinden eines Gleichstromes durch die dritte Induktivität eingerichtet ist und in Reihe zur dritten Induktivität geschaltet ist, auf.
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Somit wird auch ein Gleichstrom durch den dritten Schalter, der durch eine entsprechende Realisierung des dritten Schalters, beispielsweise mit Transistoren hervorgerufen sein kann, mit Vorteil verhindert. Die dritte Serienkapazität ist ebenfalls mindestens um den Faktor 10 größer dimensioniert als die dritte parasitäre Kapazität.
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In einer Ausführungsform weist eine Schaltungsanordnung eine oben beschriebene Schalteranordnung sowie ein Filter, welches mit dem dritten und dem vierten Anschluss gekoppelt ist, auf.
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In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist entweder der erste Pfad eingeschaltet und der zweite und der dritte Pfad sind ausgeschaltet oder der zweite und der dritte Pfad sind eingeschaltet und der erste Pfad ist ausgeschaltet.
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Ein am ersten Anschluss zugeführtes Signal wird also entweder über den geschlossenen ersten Schalter zum zweiten Anschluss übertragen. Im anderen Fall wird ein am ersten Anschluss zugeführtes Signal bei geöffnetem ersten und geschlossenen zweiten und dritten Schaltern vom ersten Anschluss über den zweiten Schalter, das Filter und den dritten Schalter zum zweiten Anschluss übertragen.
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Diese Schaltungsanordnung stellt eine Beispielrealisierung einer Signalverteilung für eine Sende-/Empfangseinrichtung in einem Mobiltelefon mit unterschiedlichen Bändern dar. Beispielsweise wird ein über eine Antenne, welche mit dem ersten Anschluss verbunden ist, empfangenes Signal bei geschlossenem erstem Schalter zu einer Sende- und Empfangseinrichtung für Mobilfunk geleitet. Im anderen Modus, also bei geöffnetem ersten und geschlossenen zweiten und dritten Schaltern, wird das Sende-/Empfangssignal über das eingeschleifte Filter geleitet. Dieses kann beispielsweise den Frequenzbereich einer Empfangseinrichtung für digitales Fernsehen, etwa nach dem Standard DVB-H, unterdrücken. Dadurch fallen Stör- oder Rauschsignale des Sende-/Empfangssignals nicht mehr in das Frequenzspektrum für digitales Fernsehen. Ein gleichzeitiger Betrieb beider Systeme ist somit möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Filter ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter.
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Bei der oben geschilderten Anwendung wird folglich ein Rauschen, welches verursacht vom Mobilfunksender den Empfang des mobilen digitalen Fernsehens stört, unterdrückt.
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In einer Weiterbildung ist die Schaltungsanordnung zur Verwendung in einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung für mindestens zwei aus einer Liste umfassend Mobilfunk, Rundfunk und drahtlose Datenübertragung eingerichtet.
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Die Schaltungsanordnung ist also nicht auf den oben beschriebenen Anwendungsfall beschränkt, sondern ist in weiteren Sende- und Empfangseinrichtungen einsetzbar, wobei sich die kostengünstige Realisierung der Kompensation der jeweiligen parasitären Kapazitäten der eingesetzten Schalter auch in Verbindung mit in der Anwendung vorhandenen Filter als vorteilhaft erweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungsteile tragen dabei gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einer Schalteranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
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2A und 2B beispielhafte Frequenzgänge.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Schalteranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die hier gezeigte beispielhafte Ausführungsform der Schalteranordnung umfasst einen ersten Schalter S1 mit einer ersten parasitären Kapazität C1, einen zweiten Schalter S2 mit einer zweiten parasitären Kapazität C2 und einen dritten Schalter S3 mit einer dritten parasitären Kapazität C3. Des Weiteren weist die Schalteranordnung einen ersten Anschluss 10, einen zweiten Anschluss 20, einen dritten Anschluss 30 und einen vierten Anschluss 40 auf. Ein erster Pfad A ist die Verbindung zwischen erstem Anschluss 10 und zweitem Anschluss 20. Der erste Pfad A umfasst den ersten Schalter S1 sowie dessen parasitäre Kapazität C1. Ein zweiter Pfad B ist zwischen erstem Anschluss 10 und drittem Anschluss 30 angeordnet und weist den zweiten Schalter S2 sowie dessen zweite parasitäre Kapazität C2 auf. Ein dritter Pfad C ist zwischen zweitem Anschluss 20 und vierten Anschluss 40 angeordnet und weist den dritten Schalter S3 sowie dessen dritte parasitäre Kapazität C3 auf. Zwischen erstem und zweitem Anschluss 10, 20 sind in Parallelschaltung zum ersten Pfad A eine erste Induktivität L1 und eine erste Serienkapazität C11, welche zur ersten Induktivität L1 in Reihe geschaltet ist, vorgesehen. Zwischen erstem Anschluss 10 und drittem Anschluss 30 sind in Parallelschaltung zum zweiten Pfad B eine zweite Induktivität L2 sowie eine zweite Serienkapazität C21, welche zur zweiten Induktivität L2 in Reihe geschaltet ist, vorgesehen. Zwischen zweitem Anschluss 20 und viertem Anschluss 40 sind eine dritte Induktivität L3 sowie eine dritte Serienkapazität C31, welche zur dritten Induktivität L3 in Serie geschaltet ist, vorgesehen.
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Die Induktivitäten L1, L2, L3 sind jeweils so dimensioniert, dass sie in einem festgelegten Frequenzbereich zu der parasitären Kapazität C1, C2, C3 des jeweils zugeordneten Schalters S1, S2, S3 in Resonanz stehen. Die erste Induktivität L1 ist somit in dem bestimmten Frequenzbereich in Resonanz mit der ersten parasitären Kapazität C1 betreibbar. Die zweite Induktivität L2 befindet sich in dem festgelegten Frequenzbereich in Resonanz mit der zweiten parasitären Kapazität C2. In ähnlicher Art und Weise ist die dritte Induktivität L3 in dem festgelegten Frequenzbereich in Resonanz zur dritten Kapazität C3 betreibbar.
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Die parasitären Kapazitäten C1, C2, C3 sind im Sinne eines Ersatzschaltbildes zwischen den zwei Anschlüssen des jeweils zugeordneten Schalters S1, S2 oder S3 angeordnet.
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Die Serienkapazitäten C11, C21 und C31 sind jeweils so dimensioniert, dass sie einen durch die Realisierung des jeweiligen Schalters S1, S2 oder S3 hervorgerufenen Gleichstrom, welcher durch die jeweilige Induktivität L1, L2 oder L3 fließen würde, unterbinden. Damit die Resonanz zwischen jeweiliger Induktivität und jeweils zugehöriger parasitärer Kapazität nicht beeinflusst wird, ist die jeweilige Serienkapazität C11, C21 und C31 mindestens um den Faktor 10 größer dimensioniert als die jeweilige parasitäre Kapazität C1, C2 oder C3.
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Die Schalteranordnung wird so betrieben, dass entweder der erste Pfad A bei geschlossenem ersten Schalter S1 durchgeschaltet ist, und gleichzeitig der zweite Pfad B und der dritte Pfad C bei geöffnetem zweiten Schalter S2 und geöffnetem dritten Schalter S3 ausgeschaltet sind, oder dass der erste Pfad A bei geöffnetem ersten Schalter S1 ausgeschaltet ist und gleichzeitig der zweite Pfad B und der dritte Pfad C bei geschlossenen Schaltern S2 und S3 eingeschaltet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung einer jeweiligen Induktivität L1, L2 oder L3 zu einer jeweiligen parasitären Kapazität C1, C2, C3 eines Schalters S1, S2, S3 wird mit Vorteil eine kapazitive Kopplung, welche trotz geöffnetem Schalter S1, S2, S3 üblicherweise auftritt, in dem bestimmten Frequenzbereich kompensiert wird. Zusätzlich wird ein Gleichstrom durch den jeweiligen Schalter S1, S2, S3 verhindert. Da hierfür keine weiteren Schaltelemente erforderlich sind, wird die benötigte Chipfläche nicht unverhältnismäßig vergrößert, sodass eine kostengünstige Realisierung ermöglicht wird. Zudem ist keine Anpassung bei der Logikansteuerung der Schalter S1, S2, S3 erforderlich.
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Die Schaltungsanordnung umfasst die gerade beschriebene Schalteranordnung sowie ein Filter F1. Das Filter F1 ist zwischen den dritten Anschluss 30 und den vierten Anschluss 40 geschaltet. Das Filter F1 ist beispielsweise als Hochpass-, Tiefpass- oder Bandpassfilter ausgeführt.
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Eine Beispielanwendung für die Schaltungsanordnung ist in einem mobilen Kommunikationsendgerät, zum Beispiel einem Mobiltelefon, mit mindestens zwei Sende- und/oder Empfangseinrichtungen. Diese Sende-/Empfangseinrichtungen sind für Mobilfunk, insbesondere digitalen Mobilfunk, zum Beispiel nach dem GSM-Standard oder nach dem UMTS-Standard, für Rundfunk, insbesondere digitalen Rundfunk, beispielsweise nach dem Standard DVB-H, oder für drahtlose Datenübertragung, beispielsweise für ein drahtloses lokales Netzwerk, WLAN, eingerichtet. In einer derartigen Beispielanwendung ist die Antenne des Mobiltelefons am ersten Anschluss 10 angeschlossen. Am zweiten Anschluss 20 ist die Sende-/Empfangseinheit des Mobiltelefons angeschlossen.
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Ist die Sende-/Empfangseinrichtung für Mobilfunk aktiv, wird der erste Schalter S1 geschlossen und der zweite und dritte Schalter S2, S3 geöffnet. Durch die vorteilhafte Kompensation des zweiten und dritten Schalters S2, S3 wird das empfangene Mobilfunksignal mit einer möglichst geringen Einfügedämpfung an die zugehörige Sende-/Empfangseinrichtung geleitet. Im anderen Fall, wenn zusätzlich die DVB-H-Empfangseinrichtung aktiv ist, ist der erste Schalter S1 geöffnet, und der zweite und der dritte Schalter S2, S3 sind geschlossen. Somit wird das -Mobilfunk Sendesignal über das Filter F1 zur Antenne geleitet. Das Filter F1 unterdrückt ein Senderrauschen bzw. Störsignale im DVB-H Frequenzband, welches durch die Mobilfunkfrequenzen verursacht wird. Der geöffnete Schalter S1 beeinflusst vorteilhafterweise aufgrund der Kompensation seiner parasitären Kapazität C1 das Signal im Frequenzbereich des DVB-H-Bandes, welches hier dem festgelegten Frequenzbereich entspricht, nicht. Somit ist ein störungsfreier Fernsehempfang auf dem mobilen Endgerät über einen zweiten Empfänger und zugehöriger Antenne gewährleistet.
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In einer Beispielanwendung sind die Bauelemente folgendermaßen dimensioniert: Die Induktivitäten L1, L2, L3 sind in ihrer Größe aneinander angepasst. Der Wert einer Induktivität beträgt dabei beispielsweise 10 nH. Die Serienkapazitäten C11, C21 und C31 sind ebenfalls in etwa gleichgroß dimensioniert, beispielsweise mit 33 pF. Die Werte der parasitären Kapazitäten C1, C2 und C3 liegen beispielhaft im Bereich von unter 1 pF.
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2A zeigt einen beispielhaften Frequenzgang für eine Schaltungsanordnung mit herkömmlichen Halbleiterschaltern ohne Kompensation. Auf der Abszisse ist die Frequenz f in Giga-Hertz aufgetragen, auf der Ordinate ist die Dämpfung a in Dezibel dargestellt. Der Frequenzgang weist zwei Nullstellen N1, N2 auf. Als Beispielanwendung wird die in 1 beschriebene Anwendung zugrunde gelegt. Das DVB-H-Frequenzband liegt zwischen 470 und 700 MHz. Das Frequenzband des zellularen Mobilfunksystems GSM liegt zwischen 824 und 900 MHz. Somit stört die dargestellte erste Nullstelle N1, weil diese im GSM Frequenzband liegt. Die zweite Nullstelle N2 stört hingegen nicht. Die erste Nullstelle N1 bei 0,96 GHz führt zu einer Dämpfung von –2,329 dB. Diese erste Nullstelle N1 erhöht die Einfügedämpfung des GSM Systems so sehr, dass die 3GPP Spezifikation bzgl. der Sendeausgangsleistung und/oder der Empfangsempfindlichkeit nicht mehr erfüllt werden können.
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2B zeigt einen beispielhaften Frequenzgang für eine Schaltungsanordnung nach 1. Im Vergleich zu 2A ist hier deutlich zu erkennen, dass aufgrund der Kompensation der Schalter S1, S2, S3 aus 1 die erste Nullstelle N1 nicht mehr vorhanden ist. Bei der Frequenz von 0,96 GHz wurde in der Simulation lediglich eine Dämpfung von –0,4284 dB ermittelt. Da die zweite Nullstelle N2 außerhalb des Frequenzbandes für GSM liegt, ist gewährleistet, dass die 3GPP Spezifikationen erfüllt werden können.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das angegebene Ausführungsbeispiel für DVB-H und GSM-Mobilfunk beschränkt, sondern kann auch auf andere Einsatzfälle beispielsweise in anderen Frequenzbändern angewendet werden. Die Dimensionierung der zur Kompensation eingesetzten Induktivitäten L1, L2, L3 gemäß 1 sind dann entsprechend anzupassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 20, 30, 40
- Anschluss
- S1, S2, S3
- Schalter
- C1, C2, C3
- Kapazität
- C11, C21, C31
- Kapazität
- L1, L2, L3
- Induktivität
- A, B, C
- Pfad
- F1
- Filter
- N1, N2
- Nullstelle
- a
- Dämpfung
- f
- Frequenz
