DE102010060581A1

DE102010060581A1 - Schutzschaltung und Hochfrequenz-Gerät mit einer solchen Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102010060581A1
Application number: DE201010060581
Authority: DE
Inventors: Alfred Plattner
Original assignee: Telefunken Radio Communication Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-05-16

Abstract

Zum Schutz von Frequenz-Baugruppen in Hochfrequenz-Geräten gegenüber Spannungen, welche insbesondere durch elektrostatische Entladungen auftreten können, wird eine Schutzschaltung beschrieben, welche mittels einer gegen Massepotential kurz geschlossenen Zweigleitung und einer Filterstruktur, welche die Zweigleitung als eine Filterkomponente enthält, solche Überspannungen an einem Hochfrequenzeingang einer Hochfrequenz-Baugruppe verhindert. Die Dämpfung des Hochfrequenz-Signals durch die Zweigleitung und die Filterstruktur kann minimal gehalten werden. Die Zweigleitung und die Filterstruktur sind in besonders kleiner Bauform realisierbar. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft in drahtlosen Kommunikationsgeräten, wie WLAN-Geräten oder GSM-Geräten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Schutz von Hochfrequenz-Baugruppen und ein Hochfrequenz-Gerät mit einer solchen Schutzschaltung.
Als Hochfrequenz-Geräte seien elektrische oder elektronische Geräte verstanden, bei welchen die Verarbeitung von Hochfrequenz-Signalen ein wesentliches Funktionsmerkmal ist und welche hierfür wenigstens eine Hochfrequenz-Baugruppe enthalten. Hochfrequenz-Baugruppen können insbesondere Sendestufen und/oder Empfängerstufen in Geräten zur drahtlosen Kommunikation sein. Solche Hochfrequenz-Baugruppen enthalten typischerweise elektrische oder elektronische Bauelemente, welche empfindlich gegen Überspannungen sind und durch an einem Anschluss der Hochfrequenz-Baugruppe eingekoppelte Überspannungen zerstört werden können. Überspannungen können insbesondere an einem mit einer Antenne über eine zur Führung von Hochfrequenz-Signalen geeignete Leitung verbundenen Anschluss auftreten.
Zum Schutz gegen Überspannungen auf Antennenzuleitungen sind beispielsweise Gasentladungs-Funkenstrecken oder Lambda-Viertel-Stichleitungen bekannt. Solche Schutzeinrichtungen sind jedoch relativ groß und daher für miniaturisierte moderne Geräte wie z. B. WLAN- oder GSM-Module nicht geeignet. Gasentladungs-Funkenstrecken besitzen außerdem eine hohe Restspannung, die z. B. die Eingangskondensatoren von Hochfrequenz-Baugruppen der beispielhaft genannten Geräte zerstören kann, und sind für die genannten Geräte in der Regel zu teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und kleinvolumige Schutzschaltung zum Schutz von Hochfrequenz-Baugruppen sowie ein Hochfrequenz-Gerät mit einer solchen Schutzschaltung anzugeben.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Der Einsatz einer von der Hochfrequenz-Leitung weg zum Massepotential führenden Zweigleitung und deren Integration in eine Hochpass-Filterstruktur bewirkt um einen die Ableitung der durch eine elektrostatische Entladung auftretenden Ladungen als Kurzschlussstrom zum Massepotential und zum anderen durch das Hochpassverhalten eine nur geringe Dämpfung des hochfrequenten Nutzsignals auf der Hochfrequenzleitung. Ein solches Hochfrequenzsignal kann in bevorzugter Ausführung des Hochfrequenz-Geräts als Telekommunikationsgerät, insbesondere als WLAN-Gerät oder als Mobiltelefon ein Empfangssignal von einer Antenne zu einer Empfängerbaugruppe oder ein Sendesignal von einer Senderbaugruppe zu einer Antenne sein.
Die Zweigleitung kann, insbesondere in einer diskret aufgebauten Filterstruktur, als Drahtleitung ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Zweigleitung als Leiterstreifen auf einem nichtleitenden Trägersubstrat ausgeführt, insbesondere in Streifenleitungstechnik (Stripline) mit auf Massepotential liegender Rückseitenmetallisierung und einer von der Hochfrequenzleitung beabstandeten Durchkontaktierung durch das Substrat als Kurzschluss zum Massepotential. Bei bevorzugter Ausführung der Zweigleitung in Streifenleitungstechnik sind vorteilhafterweise weitere Filterkomponenten der Filterstruktur sowie zumindest abschnittsweise die Hochfrequenzleitung selbst gleichfalls in Streifenleitungstechnik ausgeführt.
Die Filterstruktur enthält in bevorzugter Ausführung zusätzlich zu der Zweigleitung einen seriell in die Hochfrequenzleitung eingefügten Kondensator. Die zum Massepotential kurzgeschlossene und Ladungen aus z. B. elektrostatischer Entladung ableitende Zweigleitung, welche nachfolgend auch als erste Zweigleitung bezeichnet ist, ist dabei auf der einer zu schützenden Hochfrequenz-Baugruppe abgewandten und einer möglichen Quelle elektrostatischer Entladung zugewandten Seite des Kondensators angeordnet. In vorteilhafter Ausführung enthält die Filterstruktur eine zweite, von der Hochfrequenzleitung weg führende Zweigleitung, welche vorzugsweise gleichfalls zum Massepotential kurzgeschlossen ist.
Durch die Anordnung der ersten Zweigleitung Z1, welche gegen Massepotential am Punkt M1 kurzgeschlossen ist, auf der der Hochfrequenz-Baugruppe HB abgewandten Seite des Koppelkondensators werden Ladungen aus elektrostatischen Entladungen beispielsweise im Bereich der Antenne schnell gegen Masse abgeleitet und Überspannungen am Koppelkondensator KO bzw. am Eingang der Hochfrequenzbaugruppe zuverlässig vermieden. Durch die erste Zweigleitung Z1 kann dabei kurzzeitig ein sehr hoher Kurzschlussstrom führen. Die Filterstruktur vermeidet weitgehend eine Dämpfung der hochfrequenten Nutzsignale. Die Integration der ersten Zweigleitung als eine Filterkomponente in die Filterstruktur führt zu einem besonders geringen gesamten Platzbedarf.
Hochfrequenz-Baugruppen in Hochfrequenz-Geräten, insbesondere Telekommunikationsgeräten der genannten Art besitzen einen Betriebsfrequenzbereich um eine mittlere Betriebsfrequenz, dessen Frequenzbreite gering ist gegen die mittlere Betriebsfrequenz. Es können in einem Gerät auch mehrere getrennte Betriebsfrequenzbereiche vorgesehen sein. Vorteilhafterweise kann durch die Filterstruktur auf der Hochfrequenzleitung ein Übertragungsverhalten mit einem relativen Minimum der Signaldämpfung bei dem Betriebsfrequenzbereich eingestellt werden, so dass die Nutzsignale besonders gering abgeschwächt werden. Der Betriebsfrequenzbereich eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Geräts liegt vorzugsweise zwischen 1 GHz und 10 GHz.
Die Länge der ersten Zweigleitung und gegebenenfalls der zweiten Zweigleitung ist vorteilhafterweise geringer als eine Viertelwellenlänge bei dem Betriebsfrequenzbereich bzw. dem niedrigsten Betriebsfrequenzbereich bei mehreren Betriebsfrequenzen, so dass die erste Zweigleitung und die Filterstruktur vorteilhafterweise mit geringem Platzbedarf kompakt realisierbar und in hoch miniaturisierte Schaltungen integrierbar ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
1 eine Schaltungsanordnung mit einer Filterstruktur,
2 ein Frequenzübertragungsverhalten einer Filterstruktur.
1 zeigt schematisch einen bevorzugten Aufbau einer Filterstruktur mit einer Zweigleitung als Schutzeinrichtung im Verbund mit typischen Komponenten eines Hochfrequenzgeräts. Das Hochfrequenzgerät enthalte insbesondere eine Antenne AN und eine Hochfrequenz-Baugruppe HB, welche über eine zur Führung von Hochfrequenzsignalen ausgebildete Hochfrequenzleitung HL verbunden sind. Die Hochfrequenz-Baugruppe HB kann insbesondere eine Sende- und/oder Empfangsmodul enthalten. Die Hochfrequenz-Baugruppe ist typischerweise auf wenigstens einen schmalen Betriebsfrequenzbereich, häufig auch auf zwei getrennte Betriebsfrequenzbereiche ausgelegt.
Eine Filterstruktur besteht im wesentlichen aus der ersten Zweigleitung Z1, einem seriell in die Hochfrequenzleitung eingefügten Koppel-Kondensators KO und einer zweiten, von der Hochfrequenzleitung weg führenden Zweigleitung Z2. Die erste Zweigleitung Z1 führt von der Hochfrequenzleitung HL weg und ist an einem von der Hochfrequenzleitung HL um eine Länge L1 beabstandeten Punkt gegen Massepotential des Gerätes kurzgeschlossen. Die erste Zweigleitung Z1 ist vorzugsweise als Stichleitung in Streifenleitungstechnik auf einem elektrisch nicht leitenden Trägersubstrat, dessen Rückseite mit einer auf Massepotential liegenden Metallisierung versehen ist, ausgeführt. Der Kurzschluss zum Massepotential ist durch eine Durchkontaktierung M1 durch das Trägersubstrat zwischen der Zweigleitung Z1 und der Rückseitenmetallisierung gebildet. In die Hochfrequenzleitung HL ist zwischen der ersten Zweigleitung Z1 und der Hochfrequenzbaugruppe HB der Koppel-Kondensator KO in serieller Anordnung eingefügt. Die erste Zweigleitung ist damit auf der der Hochfrequenz-Baugruppe HB abgewandten und einer potentiellen Überspannungsquelle zugewandten Seite des Kondensators angeordnet. Auf der der Hochfrequenz-Baugruppe zugewandten Seite des Kondensators ist eine zweite Zweigleitung Z2 von der Hochfrequenzleitung HL weg geführt und in einem Abstand L2 von der Hochfrequenzleitung mittels einer Durchkontaktierung M2 mit der Rückseitenmetallisierung des Trägersubstrats kurzgeschlossen. Die zweite Zweigleitung Z2 ist ebenso wie die Hochfrequenzleitung HL und die erste Zweigleitung Z1 in Streifenleitungstechnik ausgeführt.
Der spezielle Aufbau einer Filterstruktur mit der ersten Zweigleitung Z1, dem Koppelkondensator KO und der zweiten Zweigleitung Z2 als Filterkomponenten stellt lediglich eine von mehreren möglichen Ausführungsbeispielen von Filterstrukturen dar. Die Filterstruktur bewirkt für die Hochfrequenzleitung HL zwischen Antenne und Hochfrequenz-Baugruppe HB ein Hochpass-Frequenzübertragungsverhalten. Die in 1 dargestellte Filterstruktur ist besonders einfach und kompakt realisierbar und daher von besonderem Vorteil für miniaturisierte Schaltungen in Hochfrequenz-Geräten wie beispielsweise WLAN-Geräten oder Mobiltelefon-Geräten für GSM-Netze.
Die Filterstruktur nach 1 kann vorteilhafterweise neben dem grundsätzlichen Frequenzübertragungsverhalten mit Hochpasscharakteristik auf der Hochfrequenzleitung HL zwischen Antenne AN und Hochfrequenz-Baugruppe HB auch noch gezielt auf eine besonders geringe Durchgangsdämpfung in einem Betriebsfrequenzbereich der Hochfrequenz-Baugruppe abgestimmt sein. Mit den Leitungslängen L1 der ersten Zweigleitung Z1 und L2 der zweiten Zweigleitung Z2 sowie mit dem Kapazitätswert des Kondensators KO stehen mehrere Variablen beim Filterentwurf zur Verfügung, über welche das Frequenzübertragungsverhalten auf der Hochfrequenzleitung veränderbar und einstellbar ist.
Der Entwurf einer Filterstruktur im Detail erfolgt typischerweise über ein numerisches Simulationsprogramm, bei welchem die verfügbaren variablen Parameter verändert werden können und welches ein daraus resultierendes Frequenzübertragungsverhalten berechnet und anzeigt, so dass der Filterdesigner mit einem solchen Programm die als Variablen zur Verfügung stehenden Größen verändern und sich aus einer für den Einsatzzweck günstigen, berechneten Filtercharakteristik die Kenngrößen für die Komponenten eines geeigneten Filteraufbaus entnehmen kann.
2 zeigt ein Ergebnis einer solchen Simulation in Form von zwei das Frequenzübertragungsverhalten charakterisierenden als Filterkenngrößen Y1 in einem Dezibel-Maßstab über der Frequenz f. Hierbei sei ausgegangen von einem Hochfrequenz-Gerät mit zwei voneinander beabstandeten Betriebsfrequenzbereichen bei ca. 2,5 GHz und ca. 5 GHz. Die Kurve K1 in durchgezogener Linie repräsentiert die Frequenzabhängigkeit der durch die Filterstruktur bewirkten Transmissionsdämpfung und zeigt entsprechend dem gewünschten Hochpassverhalten eine starke Transmissionsdämfung bei niedrigen Frequenzen und eine nur geringe Transmissionsdämpfung ab ca. 1,8 GHz. Die mit unterbrochener Linie eingezeichnete Kurve K2 repräsentiert die frequenzabhängige Anpassung der Filterstruktur an die Hochfrequenzleitung und zeigt bei niedrigen Frequenzen eine schlechte Anpassung mit einem Wert annähernd bei 0 DB. Eine schlechte Anpassung bei tiefen Frequenzen ist aber durch die erste Zweigleitung und den durch diese bewirkten Kurzschluss gegen Masse unproblematisch. Bei den beispielhaft gewählten Betriebsfrequenzbereichen bei ca. 2,5 GHz und ca. 5 GHz sinkt die die Anpassung repräsentierende Kurve K2 unter –25 DB, was einer sehr guten Anpassung und einer weiter verringerten Signaldämpfung für die Nutzsignale entspricht, so dass bei den Betriebsfrequenzbereichen das Filter besonders vorteilhafte Übertragungseigenschaften besitzt. Mit dem sehr einfachen Aufbau der Filterstruktur nach 1 läßt sich somit ein auch für zwei weit auseinander liegende Betriebsfrequenzbereiche ein günstiges Transmissionsverhalten bei gleichzeitigem Schutz gegen Überspannungen reichen.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Schutzschaltung zum Schutz von Hochfrequenz-Baugruppen gegen Überspannung, mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss verlaufenden und zur Führung hochfrequenter Signale geeigneten Hochfrequenzleitung und einem Massepotential und mit einer von der Hochfrequenzleitung abgehenden und diese galvanisch gegen das Massepotential kurzschließenden Zweigleitung, wobei die Zweigleitung zugleich eine Komponente einer Filterstruktur ist, welche für die Hochfrequenzleitung eine Übertragungsfunktion mit Hochpassverhalten zwischen erstem und zweitem Anschluss bewirkt.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigleitung in Streifenleitungstechnik auf einem isolierenden Substrat ausgeführt und von der Hochfrequenzleitung beabstandet durch das Substrat zu der auf Massepotential liegendem Rückseitenmetallisierung kurzgeschlossen ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigleitung als Draht ausgebildet ist.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur einen seriell in die Hochfrequenzleitung eingefügten Kondensator enthält.
Hochfrequenz-Gerät mit wenigstens einer an eine zur Führung von hochfrequenten Signalen geeigneten Hochfrequenzleitung angeschlossenen Hochfrequenz-Baugruppe und mit einer mit der Hochfrequenzleitung verbundenen Schutzschaltung zum Schutz der Hochfrequenz-Baugruppe gegen auf der Hochfrequenzleitung von einer der Hochfrequenz-Baugruppe abgewandten Seite auftretenden Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung eine von der Hochfrequenzleitung weg führende und die Hochfrequenzleitung galvanisch gegen Massepotential kurzschließenden ersten Zweigleitung enthält und dass die Zweigleitung zugleich eine Filterkomponente einer Filterstruktur ist, welche ein Hochpassverhalten der Hochfrequenzleitung bewirkt.
Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur einen seriell in der Hochfrequenzleitung zwischen der ersten Zweigleitung und der Hochfrequenz-Baugruppe eingefügten Kondensator enthält.
Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zweigleitung als ein Draht ausgeführt ist.
Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zweigleitung in Streifenleitungstechnik auf einem isolierenden Substrat ausgeführt und von der Hochfrequenzleitung beabstandet durch das Substrat mit der auf Massepotential liegenden Rückseitenmetallisierung kurzgeschlossen ist.
Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzleitung innerhalb der Filterstruktur in Streifenleitungstechnik auf einem mit der ersten Zweigleitung gemeinsamen Substrat ausgeführt ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur eine weitere, zwischen der ersten Zweigleitung und der Hochfrequenz-Baugruppe von der Hochfrequenzleitung weg zum Massepotential führende Zweigleitung enthält.
Gerät nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator zwischen den beiden Zweigleitungen in die Hochfrequenzleitung eingefügt ist.
Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zweigleitungen unterschiedliche Längen aufweisen.
Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Baugruppe einen ersten Betriebsfrequenzbereich besitzt und die Filterstruktur bei dem ersten Betriebsfrequenzbereich ein erstes relatives Minimum der Signaldämpfung besitzt.
Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Baugruppe einen zweiten Betriebsfrequenzbereich besitzt und die Filterstruktur bei dem zweiten Betriebsfrequenzbereich ein zweites relatives Minimum der Signaldämpfung aufweist.
Gerät nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und gegebenenfalls der zweite Betriebsfrequenzbereich zwischen 1 GHz und 10 GHz liegen.
Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzleitung zwischen der Hochfrequenz-Baugruppe und einer Antenne verläuft.
Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Baugruppe Teil einer WLAN-Sende-Empfänger-Schaltung ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Baugruppe Teile einer Mobiltelefon-Sende-Empfänger-Schaltung ist.