DE102013202124B4 - Einstellbares Impedanzanpassungsnetz - Google Patents

Abstract

Impedanzanpassungsnetz, das Folgendes umfasst:einen ersten Anschluss (101);einen zweiten Anschluss (102);einen Referenzpotentialanschluss (103);einen ersten Nebenschlusszweig (171) zwischen dem ersten Anschluss (101) und dem Referenzpotentialanschluss (103), wobei der erste Nebenschlusszweig (171) ein kapazitives Element umfasst;einen zweiten Nebenschlusszweig (172) zwischen dem zweiten Anschluss (102) und dem Referenzpotentialanschluss (103), wobei der zweite Nebenschlusszweig (172) ein induktives Element umfasst; undeinen Übertragungsleitungstransformator (120) mit einem ersten Induktorpfad (121) und einem zweiten Induktorpfad (122), wobei der erste Induktorpfad (121) den ersten Anschluss (101) und den zweiten Anschluss (102) verbindet.

Description

• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Impedanzanpassungsnetz. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Anpassen einer Impedanz. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Antennenschaltung. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein monolithisch vollständig integrierbares Anpassungsnetz mit einem breiten Impedanzbereich. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine adaptive Anpassungsschaltung mit Vortransformation.
• In elektrischen oder elektronischen Systemen ist es häufig erwünscht, die Eingangsimpedanz einer elektrischen Last (oder die Ausgangsimpedanz einer Quelle für elektrische Energie) auszulegen, um die Leistungsübertragung zu maximieren und/oder Reflexionen von der Last zu minimieren. Eine maximale Leistungsübertragung wird typischerweise erhalten, wenn die Lastimpedanz gleich dem komplex Konjugierten der Quellenimpedanz ist. Im Gegensatz dazu kann eine minimale Reflexion typischerweise erreicht werden, wenn die Lastimpedanz gleich der Quellenimpedanz ist.
• Derzeitige Radiofrequenz- (RF) oder Hochfrequenz- (HF) Frontend-Systeme umfassen typischerweise immer noch am Senderende einen Leistungsverstärker (PA) zum Verstärken des Signals auf den erforderlichen Pegel, ein Filter (typischerweise ein Oberwellenfilter), einen Leistungsdetektor und einen Antennenschalter, der eine Umschaltung zwischen den Sendebändern, den Empfangsbändern sowie zwischen dem Senderbetrieb und dem Empfängerbetrieb durchführt. Danach wird das Signal typischerweise über ein Antennenimpedanzanpassungsnetz zur Antenne weitergeleitet.
• Diese Antennenimpedanzanpassung ist so ausgelegt, dass über alle Verwendungsfälle, Frequenzen und Betriebsmodi sowie über ihre jeweiligen Wahrscheinlichkeiten gemittelt ein Optimum erreicht wird. Wie leicht zu sehen ist, wird das Optimum nur sehr selten erreicht, da das Frequenzspektrum der Mobilkommunikationsfrequenzen ständig breiter wird und auch die Antenne selbst eine sehr unterschiedliche Anpassung für alle Frequenzen und Umgebungsbedingungen, die auftreten können, vorsieht.
• Die DE 690 23 417 T2 beschreibt eine Anpassungsschaltung mit einstellbaren Impedanzelementen, die einen Transformator umfassen, der aus einer Primär- und einer Sekundärwicklung besteht, die um einen nichtlinearen magnetischen Kern gewickelt sind. Die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Kerns, die Windungsanzahl der Primärwicklung und die Windungsanzahl der Sekundärwicklung sind so gewählt, dass eine Änderung des Stromes durch die Sekundärwicklung eine Änderung der Induktivität der Impedanzschaltung bewirkt, jedoch eine Änderung des Stromes durch die Primärwicklung keine Änderung der Induktivität der Impedanzschaltung bewirkt. Die Induktivität wird durch ein Stromsignal von einem Regelkreis eingestellt.
• Weitere, im Stand der Technik bekannte Impedanztransformationsschaltungen werden z.B. in DE 199 45 662 A1 , der DE 196 44 339 C1 oder der DE 34 44 776 C2 beschrieben
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen ein Impedanzanpassungsnetz mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem Referenzpotentialanschluss, einem ersten Nebenschlusszweig, einem zweiten Nebenschlusszweig und einem Übertragungsleitungstransformator. Der erste Nebenschlusszweig erstreckt sich zwischen dem ersten Anschluss und dem Referenzpotentialanschluss. Der erste Nebenschlusszweig umfasst ein kapazitives Element. Der zweite Nebenschlusszweig erstreckt sich zwischen dem zweiten Anschluss und dem Referenzpotentialanschluss. Der zweite Nebenschlusszweig umfasst ein induktives Element. Der Übertragungsleitungstransformator umfasst einen ersten Induktorpfad und einen zweiten Induktorpfad, wobei der erste Induktorpfad den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss verbindet.
• Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen ein Impedanzanpassungsnetz mit einem ersten Port, einem zweiten Port, einem Transformator und einem adaptiven Anpassungsnetz. Der Transformator ist dazu konfiguriert, eine mit dem ersten Port verbundene Impedanz zu transformieren, so dass eine entsprechende transformierte Impedanz innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs in einer komplexen Impedanzebene liegt. Das adaptive Anpassungsnetz ist einstellbar, um die transformierte Impedanz, die irgendwo innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs liegt, an eine zweite Impedanz, die mit dem zweiten Port verbunden ist, anzupassen.
• Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine Antennenschaltung eine Antenne, einen Signalanschluss, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu einem Empfänger oder von einem Sender weiterzuleiten, und ein Impedanzanpassungsnetz. Das Impedanzanpassungsnetz verbindet die Antenne und den Signalanschluss miteinander und umfasst ein Pi-Netz mit einem ersten Induktorpfad eines Übertragungsleitungstransformators in einem Reihenzweig des Pi-Netzes.
• Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine Antennenschaltung eine Antenne, einen Signalanschluss, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu einem Empfänger oder von einem Sender weiterzuleiten, und ein Impedanzanpassungsnetz, das die Antenne und den Signalanschluss miteinander verbindet. Das Impedanzanpassungsnetz umfasst einen Transformator, der dazu konfiguriert ist, eine mit dem ersten Port verbundene Impedanz zu transformieren, so dass eine entsprechende transformierte Impedanz innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs in einer komplexen Impedanzebene liegt. Das Impedanzanpassungsnetz umfasst ferner ein adaptives Anpassungsnetz, das einstellbar ist, um die transformierte Impedanz, die irgendwo innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs liegt, an eine zweite Impedanz, die mit dem zweiten Port verbunden ist, anzupassen.
• Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Anpassen einer Impedanz unter Verwendung eines Impedanzanpassungsnetzes, das einen ersten Nebenschlusszweig mit einem kapazitiven Element, einen zweiten Nebenschlusszweig mit einem induktiven Element und einen Übertragungsleitungstransformator mit einem ersten Induktorpfad und einem zweiten Induktorpfad umfasst. Der erste Induktorpfad verbindet den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss (miteinander). Das Verfahren umfasst das Einstellen eines Realteils der Impedanz durch Einstellen eines Übertragungsverhältnisses des Übertragungsleitungstransformators. Das Verfahren umfasst ferner das Einstellen eines Imaginärteils der Impedanz durch Einstellen des Kapazitätselements und/oder des induktiven Elements.
• Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Anpassen einer Impedanz, die mit einem ersten Port eines Impedanzanpassungsnetzes verbunden ist, geschaffen. Das Verfahren umfasst das Transformieren der Impedanz in eine entsprechende transformierte Impedanz, die innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs in einer komplexen Impedanzebene liegt. Dieses Transformieren wird von (oder unter Verwendung von) einem Transformator des Impedanzanpassungsnetzes durchgeführt. Das Verfahren umfasst auch das Anpassen der transformierten Impedanz, die irgendwo innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs liegt, an eine zweite Impedanz, die mit einem zweiten Port des Impedanzanpassungsnetzes verbunden ist. Diese Anpassung wird durch ein adaptives Anpassungsnetz oder unter Verwendung eines adaptiven Anpassungsnetzes durchgeführt.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
• 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines RF- oder HF-Frontend-Systems gemäß dem Stand der Technik;
• 2 zeigt ein Smith-Diagramm, das mehrere Testfälle für einen Fehlanpassungstest darstellt, wie für einige Mobilkommunikationsstandards erforderlich;
• 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines RF- oder HF-Frontend-Systems gemäß dem Stand der Technik mit einem abstimmbaren Pi-Netz für die Antennenanpassung;
• 4 stellt mehrere Basis-LC-Netze und ihre entsprechenden „verbotenen Bereiche“ in der Smith-Diagramm-Ebene dar;
• 5 zeigt ein abstimmbares Pi-Netz, einen Graphen, der die Vorwärtsübertragung des Pi-Netzes über die Frequenz darstellt, und ein Smith-Diagramm, das die Eingangs- und Ausgangsreflexionskoeffizienten als Funktion der Frequenz darstellt;
• 6 zeigt einen Graphen, der die Vorwärtsübertragung über die Frequenz des Pi-Netzes von 5 darstellt, und ein Smith-Diagramm, das die Eingangs- und Ausgangsreflexionskoeffizienten als Funktion der Frequenz darstellt;
• 7 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Pi-Netzes mit drei einstellbaren kapazitiven Elementen und drei induktiven Elementen mit festem Wert;
• 8 zeigt einen schematischen Schaltplan eines mehrstufigen Anpassungsnetzes mit drei einstellbaren kapazitiven Elementen und zwei induktiven Elementen mit festem Wert;
• 9 zeigt einen Schaltplan eines Ruthroff-Transformators, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist, eine Quellenimpedanz und eine Lastimpedanz;
• 10 zeigt ein Pi-Netz mit einem Ruthroff-Transformator;
• 11 zeigt einen Graphen, der die Vorwärtsübertragung über die Frequenz des Pi-Netzes mit dem in 10 gezeigten Ruthroff-Transformator darstellt, und ein Smith-Diagramm, das die Eingangs- und Ausgangsreflexionskoeffizienten davon als Funktion der Frequenz darstellt;
• 12 stellt einen elektrostatischen (Überstrom-) Hauptentladungspfad innerhalb eines Pi-Netzes mit einem Ruthroff-Transformator dar;
• 13 zeigt einen Schaltplan eines Ruthroff-Transformators in einer zweiten Konfiguration;
• 14 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Pi-Netzes mit einem induktiven Element und einem einstellbaren kapazitiven Element im Reihenzweig;
• 15 stellt dar, wie die Impedanz des Pi-Netzes in 13 sich als Funktion der Induktivität im Reihenzweig ändert;
• 16 zeigt einen schematischen Schaltplan eines induktiven Nebenschlusselements („shunt L“);
• 17 stellt dar, wie die Impedanz des induktiven Nebenschlusselements in 15;
• 18 zeigt einen schematischen Schaltplan eines T-Netzes mit Reihenkondensatoren und einem Nebenschlussinduktor;
• 19 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Pi-Netzes mit einem kapazitiven Nebenschlusszweig, dem ersten induktiven Pfad eines Übertragungsleitungstransformators im Reihenzweig und einem induktiven Nebenschlusszweig;
• 20 stellt im Smith-Diagramm dem Effekt der Einstellung des Realteils der Impedanz unter Verwendung des Übertragungsleitungstransformators dar;
• 21 stellt im Smith-Diagramm den Effekt der Einstellung eines induktiven Imaginärteils der Impedanz unter Verwendung des induktiven Nebenschlusszweigs dar;
• 22 stellt im Smith-Diagramm den Effekt der Einstellung eines kapazitiven Teils der Impedanz unter Verwendung des kapazitiven Nebenschlusszweigs dar;
• 23 zeigt eine schematische Draufsicht eines induktiven Elements mit Abgriffen, das im induktiven Nebenschlusszweig verwendet werden kann;
• 24 zeigt einen schematischen Schaltplan eines einstellbaren induktiven Elements mit Abgriffen, das im induktiven Nebenschlusszweig verwendet werden kann;
• 25 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Pi-Netzes mit einem kapazitiven Nebenschlusszweig, einem Ruthroff-Transformator mit einem einstellbaren Übertragungsverhältnis im Reihenzweig des Pi-Netzes und einem induktiven Nebenschlusszweig;
• 26 zeigt eine schematische Draufsicht eines Übertragungsleitungstransformators, der z. B. in dem Pi-Netz von 24 verwendet werden kann;
• 27 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Frontend-Systems mit einem Impedanzanpassungsnetz mit Vortransformation;
• 28 stellt dar, wie ein begrenzter ursprünglicher Impedanzbereich durch die Vortransformation in einen begrenzten Impedanzbereich transformiert wird;
• 29 zeigt einen schematischen Schaltplan eines mehrstufigen adaptiven Anpassungsnetzes, das zusammen mit dem Transformator, der die Vortransformation durchführt, verwendet werden kann;
• 30 stellt schematisch die Chipanordnung eines induktiven Elements dar, das als induktive Reihenelemente im mehrstufigen adaptiven Anpassungsnetz von 28 verwendbar ist, wobei das induktive Element zwei induktive Abschnitte und einen Zwischenabgriff aufweist;
• 31 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Impedanzanpassungsnetzes mit einem Transformator für die Vortransformation;
• 32 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu Anpassen einer Impedanz unter Verwendung eines Impedanzanpassungs-Pi-Netzes mit einem Übertragungsleitungstransformator im Reihenzweig; und
• 33 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen einer Impedanz unter Verwendung eines Impedanzanpassungsnetzes mit einem Transformator zum Durchführen einer Vortransformation.
• Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
• In der folgenden Beschreibung werden mehrere Details dargelegt, um eine gründlichere Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorzusehen. Es ist jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Vorrichtungen vielmehr in Blockdiagrammform als im Einzelnen gezeigt, um es zu vermeiden, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unklar zu machen. Außerdem können Merkmale der nachstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, wenn nicht spezifisch anders angegeben.
• 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines vereinfachten Radiofrequenz- (RF) oder Hochfrequenz- (HF) Frontend-Systems, wie es beispielsweise in einer Mobilstation oder einer Basisstation eines Mobilkommunikationsnetzes, wie z. B. einem Mobiltelefon, einem Smartphone, einem Tablet-Computer, einem drahtlosen USB-Modem, einem drahtlosen Router oder einer Sender/Empfänger-Basisstation, verwendet werden kann. Das Frontend-System umfasst einen Sender/Empfänger 2, einen Leistungsverstärker (PA) 3, ein Oberwellenfilter 4, einen Antennenschalter, ein Antennenanpassungsnetz 6 und eine Antenne 7. Wenn er in einem Senderbetriebsmodus funktioniert, liefert der Sender/Empfänger 2 ein Sendesignal an seinem Ausgang TX zum Leistungsverstärker 3. Ein verstärktes Sendesignal, das vom Leistungsverstärker 3 geliefert wird, wird in das Oberwellenfilter 4 eingespeist, das die Frequenzkomponenten des verstärkten Sendesignals außerhalb eines beabsichtigten Sendefrequenzbereichs verringert. Ein Ausgang des Oberwellenfilters 4 ist mit einem der mehreren Eingänge des Antennenschalters 5 verbunden. In dem Beispiel von 1 ist der Antennenschalter 5 gegenwärtig dazu konfiguriert, den Eingang mit einem Antennenschalterausgang zu verbinden. Die anderen Eingänge des Antennenschalters 5 können mit jeweiligen Ausgängen von weiteren Oberwellenfiltern (in 1 nicht dargestellt) mit einem anderen Frequenzgang als das Oberwellenfilter 4 verbunden werden, so dass das in 1 dargestellte HF-Frontend-System dazu konfiguriert sein kann, mehrere Sendefrequenzen und/oder mehrere Mobilkommunikationsstandards zu unterstützen. Der Antennenschalter 5 ist ferner dazu konfiguriert, das Antennenanpassungsnetz 6 mit einem RX-Eingang (d. h. einem Empfängereingang) des Sender/Empfängers 2 über eine Verbindung 8 zu verbinden, wenn das HF-Frontend-System in einem Empfängermodus arbeitet.
• Der Antennenschalterausgang ist mit einem Eingang des Antennenanpassungsnetzes 6 verbunden. Das Antennenanpassungsnetz 6 ist im dargestellten Beispiel als Basis-LC-Netz mit einer Reiheninduktivität und einer Kapazität, die mit einem Ausgang des Antennenanpassungsnetzes 6 parallel geschaltet ist (d. h. eine „Nebenschlusskapazität“), implementiert. Der Ausgang des Antennenanpassungsnetzes 6 ist mit der Antenne 7 verbunden.
• Da das HF-Frontend-System mittels des Antennenschalters 5 umkonfiguriert werden kann, um mehrere Frequenzen, Mobilkommunikationsstandards und/oder weitere Parameter in Bezug auf die Sendung oder den Empfang von Funksignalen zu unterstützen, muss das Antennenanpassungsnetz 6 unter Berücksichtigung der verschiedenen möglichen Verwendungsfälle, Frequenzen und Betriebsmodi sowie ihrer jeweiligen Wahrscheinlichkeiten ausgewählt werden, um ein gewichtetes Optimum zu schaffen. Diese Aufgabe wird immer schwieriger, da das Frequenzspektrum der Mobilkommunikationsfrequenzen immer breiter wird und auch die Antenne selbst verschiedene Impedanzanpassungseinstellungen für verschiedene Umgebungsbedingungen erfordert. Außerdem muss das Problem der Antennenfehlanpassung aufgrund der unterschiedlichen Umgebung der Antenne berücksichtigt werden. Die Impedanz einer Antenne kann beispielsweise sehr stark variieren, wenn die Antenne berührt wird, z. B. von einem Finger eines Mobiltelefonbenutzers, wie es bei einigen Mobiltelefonmodellen, die in der Vergangenheit verkauft wurden, beobachtet werden konnte. Überdies führt eine Fehlanpassung zu zusätzlichen Nicht-Linearitäten am Leistungsverstärker 3 und zu einer Modifikation des Filterverhaltens des Oberwellenfilters 4, da die Fehlanpassung durch den Antennenschalter 5 geleitet wird. Folglich wird das Gesamtsystem an mehreren Punkten durch die Fehlanpassung negativ beeinflusst. Diese Probleme werden erst in letzter Zeit exakter betrachtet, da Mobilkommunikationssysteme gewöhnlich nur für Messsysteme für 50 Ohm spezifiziert waren.
• Seit einiger Zeit existieren zusätzliche Anforderungen in Bezug auf die gesamte abgestrahlte Leistung (TRP), die durch Mobilkommunikationsvorrichtungen für spezifische Netzanbieter erfüllt werden müssen. Dies bedeutet, dass für einen breiten Bereich von Fehlanpassungen das System die erforderliche abgestrahlte Leistung erreichen muss. Eine Fehlanpassung tritt auf, wenn die Antennenimpedanz sich von der Quellenimpedanz, z. B. der Ausgangsimpedanz des Antennenschalters 5 in 1, unterscheidet. 2 stellt schematisch eine Auswahl von verschiedenen Antennenimpedanzen, die während des Betriebs einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung auftreten können, in einem Smith-Diagramm dar, und daher zu einer Fehlanpassung führen können. Es ist zu beachten, dass die möglichen Impedanzen in einem begrenzten Bereich angeordnet sind, der auf dem Ursprung des Smith-Diagramms zentriert ist. Ein äußerer Ring der Smith-Diagrammebene enthält keine zu betrachtenden Impedanzwerte, d. h. der entsprechende Impedanzbereich wird nicht als sehr wahrscheinlich während des normalen Betriebs auftretend betrachtet. Tatsächlich entspricht der äußere Ring des Smith-Diagramms Impedanzen, die sich signifikant von einer Referenzimpedanz Z₀ (z. B. 50 Ohm) unterscheiden, die sich im Zentrum des Smith-Diagramms befindet, und daher eher unwahrscheinlich auftreten.
• Mit anderen Worten, 2 stellt mehrere Testfälle in einer Smith-Diagrammdarstellung dar, die ein HF- oder RF-Frontend-System bestehen muss, damit es für den Betrieb in bestimmten Mobilkommunikationsnetzen zugelassen wird. Insbesondere zeigt 2 die mögliche Impedanz innerhalb eines Kreises eines gegebenen VSWR (Spannungsstehwellenverhältnisses), hier für VSWR=10. Folglich kann jede Fehlanpassung unter VSWR=10 ein gültiger Punkt sein, und da dies unbegrenzt viel sein kann, ist die Menge an Punkten auf 121 (11 Linien, wobei jede Linie 11 Punkte aufweist) für den Zweck der Darstellung in 2 begrenzt.
• Es kann erwartet werden, dass einfache Anordnungen in der Zukunft zum Erfüllen von derzeitigen und zukünftigen Anforderungen nicht ausreichen könnten. Aus diesem Grund werden gegenwärtig in einigen ersten Vorrichtungen schaltbare Anpassungsnetze verwendet, wobei gemäß der verwendeten Frequenz eine Modifikation der Anpassung durchgeführt wird.
• 3 stellt ein schematisches Blockdiagramm eines HF-Frontend-Systems mit einem einstellbaren Antennenanpassungsnetz 9 dar. Das einstellbare Antennenanpassungsnetz 9 ist in dem in 3 dargestellten Beispiel als Pi-Netz mit abstimmbaren Kapazitäten konfiguriert, die mit dem Eingang bzw. dem Ausgang parallel geschaltet sind.
• In Bezug auf das Impedanzanpassungsnetz muss berücksichtigt werden, dass mit einer gegebenen Impedanzanpassungsnetztopologie nicht jede Impedanz verwirklicht werden kann, d. h. es gibt sogenannte „verbotene Bereiche“. 4 stellt einige LC-Basisnetze und unter jedem LC-Basisnetz ein entsprechendes schematisches Smith-Diagramm dar, in dem der verbotene Bereich als schraffierter Bereich dargestellt ist. Eine Lastimpedanz Z_L ist mit den verschiedenen LC-Basisnetzen verbunden.
• Um einen breiten Bereich von möglichen Impedanzen abzudecken, weisen einstellbare Impedanzanpassungsnetze typischerweise eine Pi-Topologie (Π-Topologie) oder eine T-Topologie auf. Eine Pi-Topologie mit einer Reiheninduktivität, einer parallelen Eingangskapazität und einer parallelen Ausgangskapazität bildet ein Tiefpassfilter, das die Oberwellenerzeugung dämpft. Ferner stehen variable Kapazitäten zur Verfügung (Drehkondensator, BSR-Kondensator (d. h. (Ba,Sr)RuO₃-Kondensator) ...), wohingegen eine variable Induktivität typischerweise einen variablen Abgriff erfordert.
• 5 stellt schematisch eine Pi-Topologie eines einstellbaren Impedanzanpassungsnetzes dar. 6 stellt ein entsprechendes Diagramm der Vorwärtsübertragung S (2,1) über die Frequenz und ein Smith-Diagramm des Eingangsreflexionskoeffizienten S(1,1) und des Ausgangsreflexionskoeffizienten S(2,2) als Funktion der Frequenz dar. Eine Impedanz von 12,5 Ohm soll an eine Impedanz von 50 Ohm angepasst werden. Die Zielfrequenz ist 900 MHz. Die Pi-Struktur ist in 5 dargestellt. Die Reiheninduktivität der Pi-Struktur ist 4 nH mit einem Reihenwiderstand von 2 Ohm. Das obere Diagramm stellt den Einfügungsverlust S(2,1) dar und das Smith-Diagramm im unteren Teil von 6 stellt den Eingangsreflexionskoeffizienten S(1,1) als durchgezogene Linie und den Ausgangsreflexionskoeffizienten S(2,2) als gestrichelte Linie dar.
• 7 zeigt einen schematischen Schaltplan eines einstellbaren Pi-Netzes mit drei einstellbaren kapazitiven Elementen und drei konstanten induktiven Elementen (mit einem festen Induktivitätswert). Im Vergleich zur Netzstruktur von 5 macht es die Netzstruktur von 7 möglich, einen größeren Bereich des Spannungsstehwellenverhältnisses (VSWR) abzudecken und auch einen größeren Frequenzbereich abzudecken.
• Mit einem Netz mit einer Pi-Struktur werden typischerweise nur die Kapazitäten eingestellt, wohingegen die Induktivität fest ist und einen hohen Gütefaktor aufweisen sollte.
• Das Problem der Pi-Struktur besteht darin, dass typischerweise nur die Kapazitäten verändert werden, wohingegen die Induktivität konstant ist und eine hohe Gütezahl oder einen hohen Gütefaktor aufweisen muss. In dem Fall, in dem keine Anpassung durchgeführt werden muss, das heißt 50 Ohm an 50 Ohm angepasst werden, funktioniert die Schaltung als reiner Phasenschieber. Wie zu sehen ist, wenn die in 5 dargestellte Schaltung untersucht wird, treten Verluste in dieser Situation auf, d. h. es wäre erwünscht, die Induktivität zu überbrücken. In Fällen, in denen es nicht möglich ist, die Induktivität zu überbrücken, kann eine einstellbare Kapazität in Reihe geschaltet werden, um die effektive Reiheninduktivität zu verringern. Leider führt eben diese Handlung unvermeidlich zu einem Verlust an Gütefaktor, d. h. der Imaginärteil wird kleiner, aber der Reihenwiderstand bleibt bestenfalls konstant (typischerweise nimmt er sogar zu). Daher bilden die in 5 und 7 dargestellten Topologien Schmalbandsysteme erster Ordnung, d. h. eine gute Anpassung kann nur in einem sehr kleinen Frequenzbereich oder alternativ in einem breiteren Frequenzbereich durch Akzeptieren von schlechteren Gütezahlen/Gütefaktoren erreicht werden, was zu höheren Verlusten führt. Aus diesem Grund wären Breitbandlösungen, die so wenige Komponenten wie möglich erfordern und/oder möglicherweise monolithisch integrierbar sind, erwünscht.
• Dies bedeutet grundsätzlich, dass eine mehrstufige Anpassungsstruktur gewählt wird, wie in 8 gezeigt, die offensichtlich zu mehreren Anpassungselementen führt, oder dass ein Transformator verwendet wird. Insbesondere für Impedanztransformationen in der realen Ebene sind sogenannte Guanella- oder Ruthroff-Transformatoren in der Literatur bekannt. Obwohl diese historisch als makroskopische Transformatoren mit bifilaren Wicklungen implementiert wurden, können sie auch als planare Transformatoren auf oder innerhalb einer gedruckten Leiterplatte, eines Siliziumsubstrats oder einer laminierten Struktur verwirklicht werden.
• Als Beispiel zeigt 9 einen Schaltplan eines Ruthroff-Transformators, der als 1:4-ImpedanzTransformator funktioniert, von dem angenommen wird, dass er zwei identische Induktivitäten aufweist. Die Grundidee dieser Transformatoren ist die Kombination von Signalteilen in einer additiven Weise. In dem in 9 dargestellten Fall ist die Ausgangsspannung eine Summe der Spannung V2 über der Reiheninduktivität und der Spannung V1 über dem Massepfad. Gleichzeitig wird der elektrische Strom über die zwei Induktivitäten aufgeteilt, so dass aufgrund einer Verdoppelung der Spannung und einer Halbierung des elektrischen Stroms eine Impedanztransformation von 1:4 erreicht wird (R_L erscheint der Spannungsquelle V_g höherohmig).
• 10 zeigt eine 4:1-Ruthroff-Transformator-Struktur innerhalb eines Pi-Netzes. 11 zeigt ein Diagramm des Vorwärtsübertragungskoeffizienten als Funktion der Frequenz und ein Smith-Diagramm des Eingangsreflexionskoeffizienten S(1,1) und des Ausgangsreflexionskoeffizienten S(2,2). Die Reiheninduktivität zwischen den Knoten 3 und 4 ist L_s = 4 nH und weist einen Reihenwiderstand von 2 Ohm auf. Die Induktivität im Pfad zur Masse ist im Wesentlichen gleich, d. h. L_P = 4 nH mit einem Reihenwiderstand von 2 Ohm. Die parallele Eingangskapazität ist Cs1 = 3,4 pF und die parallele Ausgangskapazität ist Cs2 = 2 pF. Der magnetische Kopplungsfaktor zwischen der Reiheninduktivität und der Massepfadinduktivität ist k = 0,8. Wiederum wurde eine Kleinsignalsimulation (S-Parameter) durchgeführt und zeigt das in den Diagrammen von 8 dargestellte Verhalten. Die Lösung unter Verwendung eines Transformators hat typischerweise die folgenden Eigenschaften im Vergleich zu beispielsweise einer Lösung unter Verwendung einer (klassischen) Pi-Struktur, wie in 5 gezeigt. Für den Vergleich ist derselbe Grad an Anpassung wie in 6 erwünscht, nämlich eine Anpassung von 12,5 Ohm an 50 Ohm. Die Zielfrequenz ist 900 MHz. Wie im oberen Diagramm von 11 zu sehen ist, das den Vorwärtsübertragungsfaktor als Funktion der Frequenz darstellt, kann ein kleinerer Einfügungsverlust unter Verwendung einer identischen Reiheninduktivität mit einer identischen Gütezahl/einem identischen Gütefaktor erreicht werden. Insbesondere erzeugte die in 5 gezeigte Pi-Struktur einen Einfügungsverlust von ungefähr 0,66 dB, wohingegen das Impedanzanpassungsnetz unter Verwendung eines Ruthroff-Transformators, das in 10 dargestellt ist, einen Einfügungsverlust von nur 0,49 dB aufweist. Dies ist eine Differenz von 0,15 dB, selbst wenn eine zusätzliche zweite Induktivität mit derselben Gütezahl/demselben Gütefaktor beteiligt ist.
• Der Vergleich der Eingangsreflexionskoeffizienten S(1,1) und der Kurve für S(2,1) der in 6 gezeigten Pi-Struktur mit denselben Kurven der in 11 gezeigten Ruthroff-Transformator-Struktur offenbart weiter, dass die Transformatorlösung auch ein verbessertes Bandbreitenverhalten bietet, insbesondere eine breitere Bandbreite. Obwohl das Pi-Netz von 5 eine Dämpfung von bereits 18 dB bei 3 GHz (siehe Vorwärtsübertragungsfaktor-Diagramm in 6) aufweist, kann eine Dämpfung von nur 2 dB unter Verwendung des mit Transformator implementierten Impedanzanpassungsnetzes erreicht werden, wie in 10 dargestellt, wie im Vorwärtsübertragungsfaktor-Diagramm von 11 zu sehen ist. Dies ist in Bezug auf Produktionstoleranzen von besonderem Interesse, da Schmalbandsysteme zu Ausbeuteproblemen führen könnten.
• Die in 10 gezeigte Transformatorstruktur schafft ferner einen zusätzlichen Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD), wie in 12 dargestellt. Obwohl empfindliche Kapazitäten der Pi-Struktur in 5 einen ESD-Impuls hauptsächlich für sich allein aushalten müssen (was unter Verwendung einer integrierten Schaltung auf Siliziumbasis typischerweise nicht möglich ist oder zumindest schwierig zu implementieren ist), wird die Kapazität innerhalb der mit Transformator implementierten Struktur durch die Induktivität L_P geschützt. Der Entladungsstrompfad ist in 12 als dicke Linie angegeben. Ein weiteres Merkmal des mit Transformator implementierten Impedanzanpassungsnetzes, das für die adaptive Anpassung von Interesse sein kann, wird nachstehend genauer beschrieben: von Natur aus teilen sich die Spannungen über die zwei Induktivitäten des Übertragungsleitungstransformators (Ruthroff-Transformators) auf.
• Durch Wählen von verschiedenen Induktivitäten für die Reiheninduktivität L_S und die Massepfadinduktivität L_P können andere Transformationsfaktoren als 1:4 implementiert werden. Ferner ist es möglich, eine der Induktivitäten zu invertieren, um den 1:4-Transformator in einen 4:1-Transformator umzuwandeln. Zweckmäßigerweise ist es nicht erforderlich, die Reiheninduktivität L_S für eine solche Umkonfiguration des Ruthroff-Transformators zu ändern oder neu zu verbinden, sondern es reicht aus, den Massepfad L_P „umzukehren“. In dem in 13 gezeigten Schaltplan ist die Massepfadinduktivität L_P im Vergleich zur Konfiguration des in 9 gezeigten Ruthroff-Transformators invertiert, da der Knoten 1 der Massepfadinduktivität L_P nun mit dem Knoten 4 der Reiheninduktivität L_S verbunden ist, während der Knoten 2 der Massepfadinduktivität L_P mit dem Massepotential verbunden ist. Die Verbindung der Reiheninduktivität L_S ist in 9 und 13 gleich.
• Um eine einstellbare Impedanztransformation zu erhalten, ist es möglich, entweder die Reiheninduktivität L_S oder die Massepfadinduktivität L_P umzuschalten. Reaktive Komponenten wie z. B. induktive oder kapazitive Komponenten können dann wie bei der ursprünglichen Methode unter Verwendung von variablen Kapazitäten C1 und C2 eingestellt werden, wie in 10 dargestellt. 10 zeigt einen Schaltplan eines einstellbaren Impedanzanpassungsnetzes gemäß mindestens einer Ausführungsform.
• Eine weitere Herausforderung, die überwunden werden müssen kann, ist der Bedarf, den Imaginärteil/die reaktive Komponente einzustellen. Während der kapazitive Abschnitt in einer relativen einfachen Weise unter Verwendung von (einstellbaren) Kondensatoren gegenüber Masse eingestellt werden kann, ist die klassische Methode für die Impedanzanpassung unter Verwendung eines Pi-Netzes eine Reiheninduktivität L_S, wie schematisch im Schaltplan von 14 dargestellt. Tatsächlich ist die Reiheninduktivität L_S fest und ein einstellbarer Kondensator ist mit der Reiheninduktivität L_S in Reihe geschaltet, um die Induktivität des Reihenzweiges des Pi-Netzes zu ändern.
• 15 zeigt in einem Smith-Diagramm, wie die Impedanz einer Reiheninduktivität sich mit zunehmender Induktivität ändert. Eine sehr kleine Induktivität (L ≈ 0) verhält sich ganz wie ein Kurzschluss, so dass die Eingangsimpedanz (oder Gesamtimpedanz) eines Netzes mit der Reiheninduktivität (d. h. im Wesentlichen ein Kurzschluss für eine kleine Induktivität) und einer Lastimpedanz gleich der Lastimpedanz ist. Der entsprechende Punkt im Smith-Diagramm liegt im oder sehr nahe am Zentrum des Smith-Diagramms bei (1,0). Mit zunehmender Induktivität der Reiheninduktivität wird die Eingangsimpedanz zunehmend induktiv. In 15 wird die Induktivität zwischen 1 nH und 10 nH verändert.
• Ferner muss der Gütefaktor einer einstellbaren Reiheninduktivität typischerweise berücksichtigt werden. Falls die Einstellbarkeit der einstellbaren Induktivität tatsächlich durch eine in Reihe geschaltete einstellbare Kapazität durchgeführt wird, wird der Imaginärteil automatisch verringert, während der Reihenwiderstand im Wesentlichen konstant bleibt, was zu einer Verringerung des Gütefaktors führt. Verluste, die durch die Kapazität selbst und/oder durch einen Schalter (falls ein solcher Schalter verwendet wird, z. B. ein CMOS-Schalter) verursacht werden, können außerdem den Gütefaktor weiter verschlechtern. Eine geringfügig bessere Möglichkeit wäre dann, entweder mehrere Spulen (Induktivitäten) zu schalten oder zu kommutieren oder eine Spule mit einem oder mehreren Abgriffen zu konstruieren, mit denen die Induktivität eingestellt werden kann. Die Bereitstellung von mehreren Spulen führt zu höheren Kosten und Platzanforderungen. Eine Spule mit Abgriff(en) erfordert typischerweise eine entsprechende Aufbautechnologie wie z. B. LTCC (Niedertemperatur-Einbrand-Keramik) oder monolithische Integration.
• Aus diesem Grund ist diese Methode bei Laminatmodulen typischerweise nicht zu finden, unter anderem da Abgriffe aufgrund der erforderlichen Kontaktlöcher und aufgrund von anderen Parametern einfach zu groß sind.
• Ungeachtet dessen, welche Methode gewählt wird, müssen signifikante zusätzliche Verluste akzeptiert werden. Überdies können mit ESD verbundene Probleme entstehen, die durch die Kapazität oder die Kapazitäten verursacht werden, insbesondere wenn die Kapazität eine Nebenschlusskapazität ist. Daher scheint eine andere Möglichkeit geeigneter, nämlich die Verwendung einer Induktivität gegen Masse, d. h. ein „shunt L“.
• 16 zeigt einen Schaltplan einer Induktivität gegen Masse („shunt L“). 17 zeigt das Impedanzverhalten des Netzes in 16 für variierende Induktivitätswerte zwischen 1 nH und 10 nH. Für eine sehr kleine Induktivität (L ≈ 0) erzeugt die Nebenschlussinduktivität im Wesentlichen einen Kurzschluss, so dass die resultierende Eingangsimpedanz (oder Gesamtimpedanz) des Netzes an dem am weitesten links liegenden Punkt (0,0) des Smith-Diagramms liegt, d. h. der Realteil und der Imaginärteil sind beide null. In 17 ist zu sehen, dass ein im Wesentlichen unterschiedliches Verhalten erhalten wird, das für eine reine Pi-Struktur nicht von Nutzen zu sein scheint, insbesondere wenn die anzupassende Impedanz eine sehr kleine Impedanz ist. Der Grund besteht darin, dass ein Hochpassverhalten erhalten wird. Folglich wäre eine T-Struktur mit Reihenkondensatoren und einer Nebenschlussspule das Ergebnis, wie in Schaltplanform in 18 dargestellt. Aufgrund von ESD-Problemen in Bezug auf die Kapazitäten wird jedoch diese Methode typischerweise nicht weiter verfolgt.
• Wie vorstehend erwähnt, kann es schwierig sein, sehr niedrige Impedanzwerte der anzupassenden Impedanz anzupassen. Ein Transformator macht es jedoch möglich, Impedanzen von niedrig auf hoch oder umgekehrt in Abhängigkeit vom Transformationsverhältnis zu transformieren. Wenn ein Transformator, wie vorstehend erwähnt, zum Erzeugen von reellwertigen Startwerten verwendet wird, ist es möglich, den reellwertigen Startwert in einer solchen Weise anzuordnen, dass eine Nebenschlussinduktivität ausreicht.
• 19 zeigt einen schematischen Schaltplan eines entsprechenden Impedanzanpassungsnetzes 100 mit einem Übertragungsleitungstransformator 120 zwischen einem kapazitiven Nebenschlusszweig 171 und einem induktiven Nebenschlusszweig 172. In dem Beispiel von 19 wird angenommen, dass eine relativ hohe Impedanz mit der linken Seite des Impedanzanpassungsnetzes 100 verbunden ist (an einem ersten Anschluss 101 des Impedanzanpassungsnetzes 100) und eine kleinere Impedanz mit der rechten Seite des Impedanzanpassungsnetzes 100 verbunden ist (an einem zweiten Anschluss 102 des Impedanzanpassungsnetzes 100).
• Das in 19 gezeigte einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 umfasst einen ersten Anschluss 101, einen zweiten Anschluss 102 und einen Referenzpotentialanschluss 103. In der in 19 gezeigten Ausführungsform entspricht das Referenzpotential einem Massepotential für die Schaltung 100. Die Schaltung 100 kann mit dem Referenzpotential an mehreren Orten über mehrere Referenzpotentialanschlüsse 103 verbunden sein. Eine Impedanz Z_L oder R_L, die an die Eingangsimpedanz oder Ausgangsimpedanz einer anderen Schaltung (z. B. die Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers 3, wie in 3 dargestellt) angepasst werden soll, kann mit dem ersten Anschluss 101 oder dem zweiten Anschluss 102 verbunden werden. Die andere Schaltung wird dann mit dem zweiten Anschluss 102 bzw. dem ersten Anschluss 101 verbunden.
• Das einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 umfasst auch einen Übertragungsleitungstransformator 120. Der Übertragungsleitungstransformator 120 umfasst eine Reiheninduktivität (erster Induktorpfad) 121 und eine Massepfadinduktivität (zweiter Induktorpfad) 122, die magnetisch gekoppelt sind (Kopplungskoeffizient k). Die Reiheninduktivität 121 bildet (oder ist ein Teil von) einen ersten Induktorpfad des Übertragungsleitungstransformators 120. Die Massepfadinduktivität 122 bildet (oder ist ein Teil von) einen zweiten Induktorpfad des Übertragungsleitungstransformators 120. Der Übertragungsleitungstransformator 120 ist in der in 11 gezeigten Ausführungsform als Ruthroff-Transformator verbunden. In alternativen Ausführungsformen könnte der Übertragungsleitungstransformator als Guanella-Transformator verbunden sein. Der erste Induktorpfad 121 ist mit dem ersten Anschluss 101 an einem seiner Enden und mit dem zweiten Anschluss 102 an seinem anderen Ende verbunden. Die Massepfadinduktivität oder der zweite Induktorpfad 122 ist leitfähig zwischen den ersten Eingangsanschluss 101 und den Referenzpotentialanschluss 103 koppelbar, wie nachstehend genauer beschrieben wird. In einer alternativen Ausführungsform könnte der erste Induktorpfad 121 ebenso leitfähig zwischen den ersten Anschluss 101 und den zweiten Anschluss 102 in einer umkonfigurierbaren Weise koppelbar sein. Insbesondere könnte der erste Induktorpfad 121 mit umgekehrter Polarität verbunden sein. Es ist zu beachten, dass die Polarität des ersten Induktorpfades 101 und des zweiten Induktorpfades 102 aufgrund der magnetischen Kopplung des ersten und des zweiten Induktorpfades 101, 102 betrachtet werden muss. Dies bedeutet, dass der Übertragungsleitungstransformator 120 unterschiedliche Verhaltensweisen zeigt, wenn einer des ersten und des zweiten Induktorpfades 101, 102 mit umgekehrter Polarität verbunden ist.
• 20 bis 22 stellen schematisch eine Prozedur zum Einstellen (Anpassen) einer Impedanz dar. 20 stellt einen Schritt zum Einstellen des Realteils der Impedanz unter Verwendung des Übertragungsleitungstransformators dar. Die anzupassende Impedanz weist einen relativ kleinen Realteil auf. Der Pfeil und der Stern in 20 stellen das Ergebnis der durch den Übertragungsleitungstransformator durchgeführten Transformation dar.
• In 21 ist das Ergebnis einer Aktivierung des shunt-L 172 in 19 im Smith-Diagramm dargestellt. In einer umgekehrten Weise zeigt 22 den Einfluss einer kapazitiven Impedanz auf der Basis einer Kondensatorbank im kapazitiven Nebenschlusszweig 171. Es ist zu sehen, dass unter Verwendung dieser Methodologie nur ein Nebenschlusselement zusätzlich zum (schaltbaren) Transformator erforderlich ist. Zweckmäßigerweise schafft der induktive Nebenschlusszweig 171 auch einen ESD-Schutz, falls die Sekundärwicklung 122 des Transformators 120 aus irgendeinem Grund nicht verwendet wird.
• Es scheint vernünftig, eine solche Nebenschlussinduktivität als Spule mit Abgriffen zu konstruieren, um die erforderliche Induktivität grob zu erhalten, und dann eine Feinabstimmung mit der Kondensatorbank im kapazitiven Nebenschlusszweig 171 durchzuführen, so dass kein signifikanter Verlust des Gütefaktors auftritt. 23 zeigt eine schematische Draufsicht eines induktiven Elements 372, das innerhalb des induktiven Nebenschlusszweigs 172 verwendet werden kann. Das induktive Element 372 umfasst einen ersten Anschluss 372a und einen zweiten Anschluss 372f. Ferner umfasst das induktive Element 372 mehrere Abgriffe 372b, 372c, 372d und 372e.
• 24 zeigt einen schematischen Schaltplan des induktiven Elements 372 und mehrere Schaltelemente 472b, 472c und 472d, die mit den Abgriffen 372b, 372c und 372d verbunden sind (der Abgriff 372e ist in 24 nicht gezeigt). Jedes der Schaltelemente 472b, 472c, 472d ist dazu konfiguriert, selektiv den entsprechenden Abgriff 372b, 372c, 372d mit dem Massepotential zu verbinden. Mit anderen Worten, das induktive Element 172 umfasst eine Spule 372 mit einem Abgriff 372b und ein Schaltelement 472b, das mit dem Abgriff 372b verbunden ist und dazu konfiguriert ist, selektiv einen zweiten induktiven Abschnitt zu überbrücken, der sich (in einer elektrischen Hinsicht) entlang des induktiven Elements 372 zwischen dem Abgriff 372b und dem Referenzpotentialanschluss 103 erstreckt.
• Das induktive Element 372 kann einen ersten induktiven Abschnitt, einen zweiten induktiven Abschnitt, der mit dem ersten induktiven Abschnitt in Reihe geschaltet ist, und ein Schaltelement 472b, das mit einem Schaltungsknoten (z. B. Abgriff 372b) zwischen dem ersten induktiven Abschnitt und dem zweiten induktiven Abschnitt verbunden ist und dazu konfiguriert ist, selektiv den Schaltungsknoten 372b mit dem Referenzpotential zu verbinden, umfassen.
• 25 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Impedanzanpassungsnetzes 100 gemäß zumindest einigen Ausführungsformen. Das Impedanzanpassungsnetz 100 von 25 kann als Kombination der vorstehend beschriebenen Elemente betrachtet werden.
• Die Reiheninduktivität 121 des Übertragungsleitungstransformators 120 umfasst mehrere Unterabschnitte 121a, 121b, ... 121k. Jeder Unterabschnitt der mehreren Unterabschnitte 121a ... 121k erstreckt sich zwischen zwei Induktorknoten von mehreren Induktorknoten 21a, 21b, ... 21k, 21k+1. Der zweite Induktorpfad 122 umfasst auch mehrere Unterabschnitte 122a, 122b, ... 122j und entsprechende Induktorknoten 22a bis 22j+1. Die Anzahl von Unterabschnitten des ersten Induktorpfades 121 kann gleich der Anzahl von Unterabschnitten des zweiten Induktorpfades 121 sein, d. h. j = k. Gemäß einigen Ausführungsformen können jedoch der erste und der zweite Induktorpfad 121, 122 unterschiedliche Zahlen von Unterabschnitten aufweisen, d. h. j ≠ k.
• Das einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 umfasst auch mehrere Schaltelemente 131a, 131b, ... 131k+1. Die Schaltelemente 131a ... 131k+1 sind zwischen einem Schaltungsknoten links von einem entsprechenden Unterabschnitt 121a bis 121k und mit dem zweiten Anschluss 102 verbunden (d. h. beispielsweise ist das Schaltelement 131a zwischen den Schaltungsknoten links (in Bezug auf 25) vom Unterabschnitt 121a und den zweiten Anschluss 102 geschaltet). Jedes Schaltelement 131a ... 131k+1 kann ein Halbleiterschaltelement sein. Jedes der mehreren Schaltelemente 131a ... 131k kann einen oder mehrere Unterabschnitte 121a ... 121k des ersten Induktorpfades 121 überbrücken, wenn das Schaltelement mittels eines geeigneten Steuersignals so gesteuert wird, dass es sich in einem leitenden Zustand befindet. Insbesondere kann der ganze erste Induktorpfad 121 überbrückt werden, wenn das Schaltelement 131a leitet, so dass der erste Anschluss 101 und der zweite Anschluss 102 über das Halbleiterschaltelement 131a verbunden sind.
• Das in 25 gezeigte einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 umfasst ferner eine Umkonfigurationseinheit 150, die verwendet werden kann, um das einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 gemäß mindestens zwei verschiedenen Konfigurationen zu konfigurieren. In einer ersten möglichen Konfiguration ist ein erstes Ende (das mit dem Knoten 22j+1 in der in 25 gezeigten Ausführungsform übereinstimmt) des zweiten Induktorpfades 122 mit dem ersten Anschluss 101 verbunden und ein zweites Ende (das mit dem Induktorknoten 22a übereinstimmt) des zweiten Induktorpfades 122 ist mit dem Referenzpotentialanschluss 103 verbunden. In einer zweiten möglichen Konfiguration ist das erste Ende (d. h. der Induktorknoten 22j+1) des zweiten Induktorpfades 122 mit dem Referenzpotentialanschluss 103 verbunden und das zweite Ende (d. h. der Induktorknoten 22a) des zweiten Induktorpfades 122 ist mit dem ersten Anschluss 101 verbunden. Folglich ist in der ersten Konfiguration der Übertragungsleitungstransformator 120 als Ruthroff-Transformator gemäß 9 verbunden. In der zweiten Konfiguration ist der Übertragungsleitungstransformator 120 als Ruthroff-Transformator gemäß 13 verbunden. Wie in Verbindung mit 13 erläutert, kann das Impedanztransformationsverhältnis durch Ändern von der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration geändert werden, beispielsweise von einem 1:4-Impedanztransformationsverhältnis auf ein 4:1-Impedanztransformationsverhältnis.
• Die Umkonfigurationseinheit 150 umfasst Schaltelemente 451, 452, 453 und 454. Die Schaltelemente können Transistoren sein, z. B. MOSFETs, NMOS-Transistoren usw. Die Transistoren 451 und 453 schaffen die Funktionalität eines Umstellschalters. Die Transistoren 452 und 454 schaffen die Funktionalität eines weiteren Umstellschalters 152. Die Transistoren 451 und 452 sind mit dem Induktorknoten 22a des zweiten Induktors 122 und an ihren jeweiligen entgegengesetzten Seiten mit dem Referenzpotential bzw. dem zweiten Anschluss 102 verbunden. Die Transistoren 453 und 454 sind mit dem Induktorknoten 22j+1 des zweiten Induktors 122 und an ihren jeweiligen entgegengesetzten Seiten mit dem Referenzpotential- bzw. dem ersten Anschluss 101 verbunden.
• Die Umkonfigurationseinheit 150 kann auch als Polumkehrelement betrachtet oder verwendet werden, das dazu konfiguriert ist, eine Polarität des ersten Induktorpfades 121 oder des zweiten Induktorpfades 122 umzukehren. Wenn es als Polumkehrelement für den ersten Induktorpfad 121 verwendet wird, würden die gemeinsamen Anschlüsse der zwei Umstellschalter 151, 152 mit dem ersten Induktorknoten 21a und dem zweiten Induktorknoten 21k+1 des ersten Induktorpfades 121 verbunden werden. Die anderen Anschlüsse der zwei Umstellschalter 151, 152 würden dann mit dem ersten Anschluss 101 und dem zweiten Anschluss 102 verbunden werden.
• Das einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 von 25 umfasst auch einen kapazitiven Nebenschlusszweig 171 und einen induktiven Nebenschlusszweig 172. Der kapazitive Nebenschlusszweig 171 umfasst eine Bank von parallelen, individuell schaltbaren Kondensatoren 371a, 371b, 371c und mehrere weitere (Halbleiter-) Schaltelemente 471a, 471b, 471c. In dieser Weise ist der kapazitive Nebenschlusszweig 171 variabel oder einstellbar. Der kapazitive Nebenschlusszweig 171 ist mit dem Rest des einstellbaren Impedanzanpassungsnetzes 100 zwischen dem ersten Anschluss 101 und dem Referenzpotentialanschluss 103 parallel geschaltet. Der induktive Nebenschlusszweig umfasst das einstellbare induktive Element 372 und die Schaltelemente 472b, 472c, 472d, die in 24 dargestellt sind.
• Das einstellbare Impedanzanpassungsnetz 100 bildet ein Pi-Netz, wobei der kapazitive Nebenschlusszweig 171 und der induktive Nebenschlusszweig 172 die parallelen Impedanzen sind. Der erste Induktorpfad 121 des Ruthroff-Transformators 120 bildet eine Reihenimpedanz oder ein Reihenelement des Pi-Netzes.
• Der Übertragungsleitungstransformator 120 kann ein klassischer Transformator, ein bifilarer Transformator oder ein planarer Transformator sein. Im Fall eines planaren Transformators kann er als in eine gedruckte Leiterplatte integrierter Transformator, als Halbleitertransformator, als Umverteilungsschichttechnologien (EWLB - Eingebettete Waferebenen-Kugelgittermatrix), als LTCC-Struktur, als HTCC-Struktur oder als Kombination davon implementiert werden.
• Als weitere Option für die Einstellung könnte ebenso die Reiheninduktivität L_S ungleich der parallelen Induktivität L_P konstruiert werden und/oder die parallele Induktivität L_P könnte schaltbar gemacht werden (in 25 nicht gezeigt). Die parallele Induktivität L_P könnte beispielsweise in Bezug auf ihren Induktivitätswert durch Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der Unterabschnitte 122a bis 122j des zweiten Induktorpfades schaltbar gemacht werden. Dies würde den Bereich von möglichen Transformationsverhältnissen größer machen, so dass zusätzliche reale Werte in der komplexen Ebene erreicht werden können.
• Gemäß dem Obigen wird vorgeschlagen, keine bekannten T-Netze oder Pi-Netze zu verwenden, sondern stattdessen einen Transformator zu verwenden, und sein Transformationsverhältnis in mindestens einem Unterabschnitt seiner Wicklung zu implementieren. Folglich kann eine Anzahl von Vorteilen erreicht werden:
• Niedrigere Verluste/niedrigerer Einfügungsverlust, wenn äquivalente Komponenten verwendet werden.
• Größere Bandbreite und folglich weniger Empfindlichkeit gegen Produktionstoleranzen.
• Verwendbar für mehrere Frequenzbänder; ein Transformator kann das Band mit 900 MHz ebenso wie das Band mit 1,8 GHz handhaben, wohingegen eine Pi-Struktur gemäß 5 zwei verschiedene Induktivitäten erfordern würde (die unter Verwendung eines Schalters erreicht werden können, dies würde jedoch einen zusätzlichen Schalter erfordern, und führt folglich zu zusätzlichen Verlusten) .
• Eine Masseverbindung ist immer über den zweiten Induktorpfad vorgesehen, so dass die Kapazitäten (falls vorhanden) besser gegen eine elektrostatische Entladung (ESD) geschützt sind.
• Da die Schaltelemente (z. B. Schalttransistoren) nur einen kleinen Teil des Spannungshubs sehen, können Vorrichtungen mit einer niedrigeren Durchbruchspannung verwendet werden: Vorrichtungen mit einem kleineren Einschaltwiderstand R_on und/oder einer kleineren Ausschaltkapazität C_off können verwendet werden.
• Der induktive Teil wird unter Verwendung einer Nebenschlussinduktivität eingestellt, die weniger Verluste beisteuert, da sie „nur“ die reaktive Komponente beeinflusst.
• Die Schaltelemente 131a bis 131k+1, 471a bis 471c, 472b bis 472d und 451 bis 454 können als CMOS-Transistoren, typischerweise NMOS-Transistoren, implementiert werden.
• 26 zeigt in schematischer Weise eine Draufsicht eines planaren Übertragungsleitungstransformators 820. Im Allgemeinen kann der Übertragungsleitungstransformator in einer passiven Integration verwirklicht werden oder alternativ in einem Laminat (z. B. einer gedruckten Leiterplatte), als LTCC- oder HTCC-Struktur (Nieder-/Hochtemperatur-Einbrand-Keramik-Struktur) usw. untergebracht werden. Andere Implementierungen des Übertragungsleitungstransformators sind auch möglich, wie z. B. ein in ein Siliziumsubstrat integrierter Transformator oder EWLB (eingebettete Waferebenen-Kugelgittermatrix). Der Übertragungsleitungstransformator 820 umfasst den ersten Induktorpfad 121 und den zweiten Induktorpfad 122. Der erste Induktorpfad 121 erstreckt sich zwischen den Anschlüssen, die in 18 mit 1 und 2 nummeriert sind. Der zweite Induktorpfad 122 erstreckt sich zwischen den Anschlüssen, die in 18 mit 2 und 4 nummeriert sind. In anderen Konfigurationen kann der Übertragungsleitungstransformator einen dritten Induktorpfad und möglicherweise sogar weitere Induktorpfade umfassen. Wenn ein planarer Transformator 820 verwendet wird, wie in 18 gezeigt, kann der Transformator 820 an geeigneten Stellen abgegriffen werden, um das gewünschte Impedanzschaltverhältnis zu erhalten.
• Das kapazitive Element oder der Nebenschlusszweig 171 und das induktive Element oder der Nebenschlusszweig 172 können beide einstellbar sein. Das kapazitive Element 171 kann eine feinere Einstellungsauflösung aufweisen als das induktive Element 172.
• Das kapazitive Element 171, das induktive Element 172 und der Übertragungsleitungstransformator 120 können monolithisch innerhalb einer integrierten Schaltung integriert sein. Alternativ kann der Übertragungsleitungstransformator innerhalb eines Laminatmoduls ausgebildet sein.
• Wie bereits vorstehend in der Beschreibung in Bezug auf 5 und 7 erwähnt, stellt das Abdecken einer großen Frequenz gleichzeitig mit einem Abdecken eines großen Impedanzbereichs eine Herausforderung für die Konstruktion von Impedanzanpassungsnetzen dar. Frequenzen zwischen 700 MHz und 2,69 GHz müssen beispielsweise in Mobiltelefonen berücksichtigt werden.
• Wenn die Reiheninduktivität für die niedrigste Frequenz (die typischerweise zum höchsten Induktivitätswert führt) in Abhängigkeit von der Spezifikation des zu erreichenden Einstellungsbereichs konstruiert wird, endet dies mit einer Induktivität von 22 nH. Insbesondere erfordern hohe Impedanzwerte (≈ 500 Ohm) solche Induktivitätswerte. Wenn dieselbe Impedanz bei 2,69 GHz erreicht (d. h. angepasst), werden muss, kann die Reiheninduktivität wesentlich kleiner sein, nämlich ungefähr 3 nH. Daher muss die Induktivität in einem Impedanzanpassungsnetz mit der in 7 gezeigten Struktur signifikant verringert werden. Selbst wenn wir eine ideal einstellbare Kapazität annehmen, bleibt der Reihenwiderstand der Reiheninduktivität konstant, was zu einem merklich verringerten Gütefaktor führt. Folglich weist die Mobilkommunikationsvorrichtung große Verluste auf oder es kann nicht möglich sein, überhaupt diesen speziellen Bereich von Impedanzen abzudecken.
• Ein ähnliches Verhalten kann bei einstellbaren Kapazitäten beobachtet werden: bei 700 MHz sind relativ große Kapazitätswerte erforderlich, wohingegen bei 2,69 GHz nur kleine Kapazitätswerte erforderlich sind. Wiederum verursacht in Anbetracht eines im Wesentlichen konstanten Realteils der Impedanz die Verringerung des Imaginärteils der Impedanz unvermeidlich eine Verringerung des Gütefaktors. Aus diesem Grund werden nur Technologien für diese Anpassungsschaltungen verwendet, die den höchstmöglichen Gütefaktor bereitstellen. Ferner kann der zulässige Frequenzbereich auch begrenzt sein.
• 27 bezieht sich auf ein Konzept für eine adaptive Anpassungsschaltung mit Vortransformation. 27 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Frontend-Systems einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung mit einem Impedanzanpassungsnetz 500, das eine Voreinstellung oder Vortransformation 700 verwendet, um bestimmte Bereiche der möglichen Impedanzwerte auszuschließen, bevor die Impedanz zu einem adaptiven Anpassungsnetz 600, beispielsweise einem Pi-Netz, weitergeleitet wird. Genauer umfasst das vorgeschlagene Impedanznetz 500 einen ersten Port 501 und einen zweiten Port 502. Das Impedanzanpassungsnetz umfasst ferner einen Transformator 700, der dazu konfiguriert ist, eine Impedanz (z. B. die Impedanz der Antenne 7), die mit dem ersten Port 501 verbunden ist, zu transformieren, so dass eine entsprechende transformierte Impedanz innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs 799 in einer komplexen Impedanzebene 797 liegt. Das Impedanzanpassungsnetz 500 umfasst auch ein adaptives Anpassungsnetz, das einstellbar ist, um die transformierte Impedanz, die irgendwo innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs liegt, an eine zweite Impedanz 507 anzupassen, die mit dem zweiten Port 502 verbunden ist.
• 28 zeigt das Ergebnis eines simulierten Beispiels. Die Simulation wurde für eine Frequenz von 850 MHz als Feldsimulation eines planaren Transformators in der CMOS-Technologie durchgeführt. Der obere Teil von 28 zeigt ein Smith-Diagramm, das eine komplexe Impedanzebene 797 darstellt. Mit Bezug auf 27 kann die Antenne 7 mehrere verschiedene Impedanzen in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen, Betriebsbedingungen usw. bieten. Die von der Antenne 7 gebotenen mehreren Impedanzen befinden sich innerhalb eines begrenzten ursprünglichen Impedanzbereichs 798. Der begrenzte ursprüngliche Impedanzbereich 798 weist die Form eines Kreises auf, dies ist jedoch nicht erforderlich. Ohne Verlust der Allgemeinheit wird angenommen, dass die Impedanz am zweiten Port 502 dem Punkt (1,0) in der komplexen Impedanzebene 797 entspricht, d. h. dem Zentrum des kreisförmigen begrenzten ursprünglichen Impedanzbereichs 798. Impedanzen, die durch Punkte nahe dem Zentrum (1,0) des Kreises 798 dargestellt sind, sind bereits in relativ guter Weise angepasst. Punkte, die vom Zentrum des Kreises 798 weit entfernt sind, entsprechen relativ schlecht angepassten Impedanzen. Der begrenzte ursprüngliche Impedanzbereich 798 ist begrenzt oder beschränkt, was bedeutet, dass theoretisch Impedanzwerte vorhanden sein können, die außerhalb des begrenzten ursprünglichen Bereichs liegen. Es wird jedoch erwartet, dass diese abseits gelegenen Impedanzwerte in der Praxis nicht oder zumindest nur sehr selten auftreten.
• In 28 ist zu sehen, dass die Vortransformation den Impedanzbereich gekonnt vermindert. Aufgrund der großen Bandbreite des Ruthroff-Transformators sieht das Ergebnis im Wesentlichen genauso bei hohen Frequenzen (2 GHz) aus. Um diesen reduzierten Bereich anzupassen, sind wesentlich kleinere Induktivitätswerte erforderlich (ungefähr 3 nH bei 800 MHz). Außerdem können diese kleineren Induktivitäten in einer monolithischen Weise viel leichter implementiert werden.
• Folglich werden ein kleinerer Einfügungsverlust und auch Vorteile von der großen Bandbreite des Transformators erhalten. Dies bedeutet, dass die Bandbreite global verbessert ist.
• Das zugrundeliegende Prinzip ist die Verwendung einer sechs eingefügten Vortransformation, um den möglichen VSWR-Bereich/Impedanzbereich zu begrenzen. In dieser Weise kann ein vereinfachtes adaptives Anpassungsnetz erhalten werden, das weniger extreme Grenzbedingungen erfordert oder erst einmal für die monolithische Integration geeignet wird.
• In Bezug auf die Vortransformation existiert eine Anzahl von Optionen. Ein Pi-Netz ist beispielsweise vorstellbar, bei höheren Frequenzen ein λ/4-Transformator, ein Wandler und die Übertragungsleitungstransformatoren, die bereits für diesen Zweck erwähnt wurden. Der Guanella-Transformator und der Ruthroff-Transformator sind Übertragungsleitungstransformatoren. Obwohl der Guanella-Transformator und der Ruthroff-Transformator historisch von makroskopischen Transformatoren mit bifilaren Wicklungen stammen, können sie im Prinzip auch als planare Transformatoren auf Laminat oder Silizium implementiert werden. Als Beispiel zeigt 9 einen Ruthroff-Transformator als 1:4-Impedanztransformator, für den zwei identische Induktivitäten angenommen werden.
• Die Grundidee dieser Transformatoren ist die Kombination von Signalteilen in einer additiven Weise. In dem in 9 dargestellten Fall ist die Ausgangsspannung eine Summe der Spannung V2 über der Reiheninduktivität und der Spannung V1 über dem Massepfad. Gleichzeitig wird der elektrische Strom über die zwei Induktivitäten aufgeteilt, so dass aufgrund einer Verdoppelung der Spannung und einer Halbierung des elektrischen Stroms eine Impedanztransformation von 1:4 erreicht wird (R_L erscheint der Spannungsquelle V_g höherohmig).
• Im Allgemeinen weist die Lösung auf Transformatorbasis einige Vorteile gegenüber einer Lösung auf Pi-Netz-Basis auf:
• Einfügungsverlust
• Bandbreite
• ESD-Robustheit
• Es wird auf 5, 6, 10 und 11 für einen Vergleich eines klassischen Pi-Netzes und eines Pi-Netzes mit einem Übertragungsleitungstransformator Bezug genommen.
• Wenn eine Impedanz, die sich innerhalb des begrenzten ursprünglichen Impedanzbereichs 798 befindet, auf den Transformator 700 angewendet wird, wird die Impedanz gemäß dem Transformationsverhältnis transformiert. Wenn das Transformationsverhältnis geeignet gewählt wird, führt dies dazu, dass der begrenzte ursprüngliche Impedanzbereich 798 zu dem kleineren begrenzten Impedanzbereich 799 verdichtet wird, der im unteren Teil von 28 dargestellt ist. Mit anderen Worten, die mit dem ersten Port 501 verbundene Impedanz kann innerhalb des begrenzten ursprünglichen Impedanzbereichs 798 in der komplexen Impedanzebene 797 angeordnet sein, der größer ist als der begrenzte Impedanzbereich 799. Es ist zu beachten, dass der begrenzte ursprüngliche Impedanzbereich 798 einen äußeren Ring der komplexen Impedanzebene 797 auslässt, da dieser äußere Ring extreme Impedanzwerte enthält, die entweder sehr klein oder sehr groß sind.
• Der begrenzte Impedanzbereich 799 kann eine Funktion der Fähigkeiten des adaptiven Anpassungsnetzes 600 sein. Mit anderen Worten, wenn der Satz von Impedanzen bekannt ist, die unter Verwendung des adaptiven Anpassungsnetzes 600 angepasst werden können, definiert dies den begrenzten Impedanzbereich 799. Der begrenzte ursprüngliche Impedanzbereich 798 kann auf der Basis des begrenzten Impedanzbereichs 799 unter Verwendung des Transformationsverhältnisses des Vortransformators 700 bestimmt werden.
• Der Transformator 700 kann ein festes Transformationsverhältnis aufweisen. Der Transformator 700 kann ein Übertragungsleitungstransformator sein.
• Nachdem die Vortransformation durch den Transformator 700 durchgeführt ist, muss der neue Impedanzbereich in einem nächsten Schritt an die Zielimpedanz angepasst werden. Grundsätzlich kann eine Struktur, wie schematisch in 5 oder 18 dargestellt, dazu verwendet werden. Um die Bandbreite durch Durchführen dieser Anpassung nicht zu begrenzen (was beispielsweise für Breitband-LTE-Signale erforderlich ist), kann es ratsam sein, eine mehrstufige Anpassung durchzuführen, wie schematisch durch ein mehrstufiges Pi-Netz dargestellt, wie in 8 gezeigt.
• Anstelle der Verwendung von zwei Spulen, wie in 8 gezeigt, kann es sogar ratsamer sein, eine einzige Spule mit einem Abgriff zu verwenden, da in dieser Weise die Kopplung zwischen den Induktivitäten ebenso genutzt werden kann. 29 zeigt einen schematischen Schaltplan eines entsprechenden adaptiven Anpassungsnetzes 600 gemäß einigen Ausführungsformen. Das adaptive Anpassungsnetz 600 ist ein zweistufiges Pi-Netz und umfasst einen ersten Anschluss 601 und einen zweiten Anschluss 602. Der erste Anschluss sechs von eins und der zweite Anschluss sechs und zwei sind durch eine Reihenschaltung eines ersten induktiven Elements 634 und eines zweiten induktiven Elements 644 verbunden. In der in 29 gezeigten Ausführungsform sind das erste und das zweite induktive Element 634, 644 induktiv gekoppelt, wie durch den Kopplungsfaktor k angegeben. Es kann vorteilhaft sein, die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten induktiven Element auszunutzen. Dies kann unter Verwendung einer einzelnen Spule erreicht werden, die einen Abgriff 654 aufweist. In anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, dass das erste induktive Element 634 und das zweite induktive Element 644 als zwei verschiedene Spulen mit keiner oder nur einer vernachlässigbaren induktiven Kopplung implementiert werden. Das in 29 gezeigte adaptive Anpassungsnetz 600 umfasst ferner drei einstellbare Kapazitätselemente 632, 642 und 652.
• Das adaptive Anpassungsnetz 600 kann ein Pi-Netz mit einer Reiheninduktivität 634 und Nebenschlusskapazitäten 632, 642 umfassen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das adaptive Anpassungsnetz 600 mindestens zwei Stufen umfassen. Das adaptive Anpassungsnetz 600 kann eine Reiheninduktivität 634, 644 mit einem Zwischenabgriff 654 und ein kapazitives Element 642, das mit dem Zwischenabgriff verbunden ist, umfassen. Die Reiheninduktivität kann einen ersten induktiven Abschnitt, der einer ersten Stufe der mindestens zwei Stufen zugeordnet ist, und einen zweiten induktiven Abschnitt, der einer zweiten Stufe zugeordnet ist, umfassen, wobei der zweite induktive Abschnitt mit dem ersten induktiven Abschnitt induktiv gekoppelt ist.
• Das adaptive Anpassungsnetz 600 kann einen ersten einstellbaren kapazitiven Nebenschlusszweig und einen zweiten einstellbaren kapazitiven Nebenschlusszweig umfassen.
• Das adaptive Anpassungsnetz 600 kann eine feste Induktivität und ein einstellbares kapazitives Element umfassen.
• 30 zeigt ein Beispiel einer schematischen Chipanordnung der zwei gekoppelten induktiven Elemente 634 und 644 sowie der kapazitiven Elemente 642a und 642b, die mit Abgriffen 654a bzw. 654b verbunden sind. Die in 30 gezeigte Spule unterscheidet sich von dem schematischen Schaltplan in 29 insofern, als die Spule zwei Abgriffe 654a, 654b umfasst. Die kapazitiven Elemente 642a und 642b sind als Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren implementiert.
• 31 zeigt einen schematischen Schaltplan des Impedanzanpassungsnetzes 500 mit dem Transformator 700 und dem adaptiven Impedanzanpassungsnetz 600.
• Eine Antennenschaltung gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Antenne 7 (siehe beispielsweise 3), einen Signalanschluss, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu einem Empfänger oder von einem Sender weiterzuleiten (in 3 beispielsweise dem Ausgang des Antennenschalters 5) und ein Impedanzanpassungsnetz, das die Antenne 7 und den Signalanschluss miteinander verbindet, umfassen. Abweichend von 3 umfasst das Impedanzanpassungsnetz ein Pi-Netz mit einem ersten Induktorpfad eines Übertragungsleitungstransformators in einem Reihenzweig des Pi-Netzes. Als Alternative kann eine Antennenschaltung gemäß weiteren Ausführungsformen die Antenne 7, den Signalanschluss und ein Impedanzanpassungsnetz, wie schematisch in 31 dargestellt, umfassen.
• 32 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen einer Impedanz unter Verwendung eines Impedanzanpassungsnetzes mit einem ersten Nebenschlusszweig mit einem kapazitiven Element, einem zweiten Nebenschlusszweig mit einem induktiven Element und einem Übertragungsleitungstransformator mit einem ersten Induktorpfad und einem zweiten Induktorpfad, wobei der erste Induktorpfad den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss verbindet. Das Verfahren umfasst einen Schritt 902 zum Einstellen eines Realteils der Impedanz durch Einstellen eines Übertragungsverhältnisses des Übertragungsleitungstransformators. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt 904 zum Einstellen eines Imaginärteils der Impedanz durch Einstellen des kapazitiven Elements und/oder des induktiven Elements.
• Der Schritt 902 zum Einstellen des Übertragungsverhältnisses des Übertragungsleitungstransformators kann das Steuern eines Schaltelements umfassen, das mit einem Unterabschnitt des ersten Induktorpfades oder des zweiten Induktorpfades parallel geschaltet ist, um selektiv den Unterabschnitt zu überbrücken und die Induktivität des ersten Induktorpfades oder des zweiten Induktorpfades einzustellen.
• Der Schritt 904 zum Einstellen des Imaginärteils der Impedanz kann das Durchführen einer groben Einstellung durch Einstellen des induktiven Elements umfassen. Anschließend kann eine Feineinstellung durch Einstellen des kapazitiven Elements durchgeführt werden.
• Der Schritt 904 zum Einstellen des induktiven Elements kann das Steuern eines weiteren Schaltelements umfassen, das mit einem Abgriff des induktiven Elements verbunden ist, wobei der Abgriff mit einem Knoten zwischen einem ersten induktiven Abschnitt und einem zweiten induktiven Abschnitt des induktiven Elements verbunden ist, um selektiv den zweiten induktiven Abschnitt des induktiven Elements zu überbrücken.
• 33 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen einer Impedanz. Die anzupassende Impedanz ist mit einem ersten Port eines Impedanzanpassungsnetzes verbunden. Das Verfahren umfasst einen Schritt 952 zum Transformieren der Impedanz in eine entsprechende transformierte Impedanz, die innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs in einer komplexen Impedanzebene liegt. Das Transformieren wird durch einen Transformator des Impedanzanpassungsnetzes durchgeführt. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt 954 zum Anpassen der transformierten Impedanz, die irgendwo innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs liegt, an eine zweite Impedanz, die mit einem zweiten Port des Impedanzanpassungsnetzes verbunden ist, wobei das Anpassen durch ein adaptives Anpassungsnetz durchgeführt wird.
• Die mit dem ersten Port verbundene Impedanz kann typischerweise innerhalb eines begrenzten ursprünglichen Impedanzbereichs in der komplexen Impedanzebene liegen, der größer ist als der begrenzte Impedanzbereich.
• Das adaptive Anpassungsnetz kann ein einstellbares kapazitives Element und/oder ein einstellbares induktives Element umfassen. Das Anpassen der transformierten Impedanz an die zweite Impedanz kann das Einstellen des einstellbaren kapazitiven Elements oder des einstellbaren induktiven Elements umfassen.
• Der Schritt 954 zum Einstellen des einstellbaren kapazitiven Elements oder des einstellbaren induktiven Elements kann das Steuern eines Schaltelements, um selektiv einen speziellen induktiven Abschnitt des einstellbaren induktiven Elements oder einen speziellen kapazitiven Abschnitt des einstellbaren kapazitiven Elements einzuschalten oder abzutrennen, umfassen.
• Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog können im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung darstellen. Einige oder alle der Verfahrensschritte können von (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie beispielsweise einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung. In einigen Ausführungsformen können irgendeiner oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
• In der vorangehenden ausführlichen Beschreibung ist zu sehen, dass verschiedene Merkmale in Ausführungsformen für den Zweck der Straffung der Offenbarung miteinander gruppiert sind. Dieses Offenbarungsverfahren soll nicht als eine Absicht widerspiegelnd interpretiert werden, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern, als ausdrücklich in jedem Anspruch angeführt sind. Wie die folgenden Ansprüche widerspiegeln, kann vielmehr der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als separate Ausführungsform stehen kann. Obwohl jeder Anspruch für sich allein als separate Ausführungsform stehen kann, soll beachtet werden, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination von jedem Merkmal mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, wenn nicht angegeben ist, dass eine spezifische Kombination nicht gewollt ist. Ferner ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
• Ferner ist zu beachten, dass die in der Patentbeschreibung oder in den Ansprüchen offenbarten Verfahren durch eine Vorrichtung mit einem Mittel zum Durchführen von jedem der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert werden können.
• Ferner kann in einigen Ausführungsformen ein einzelner Schritt mehrere Unterschritte umfassen oder in diese unterteilt sein. Solche Unterschritte können in der Offenbarung dieses einzelnen Schritts enthalten sein und ein Teil davon sein, wenn nicht ausdrücklich ausgeschlossen.
• Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich erläuternd. Selbstverständlich sind Modifikationen und Variationen der hier beschriebenen Anordnungen und Details für einen anderen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich. Daher ist es die Absicht, nur durch den Schutzbereich der kommenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details begrenzt zu sein, die zur Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsformen hier dargestellt sind.

Claims (26)

1. Impedanzanpassungsnetz, das Folgendes umfasst: einen ersten Anschluss (101); einen zweiten Anschluss (102); einen Referenzpotentialanschluss (103); einen ersten Nebenschlusszweig (171) zwischen dem ersten Anschluss (101) und dem Referenzpotentialanschluss (103), wobei der erste Nebenschlusszweig (171) ein kapazitives Element umfasst; einen zweiten Nebenschlusszweig (172) zwischen dem zweiten Anschluss (102) und dem Referenzpotentialanschluss (103), wobei der zweite Nebenschlusszweig (172) ein induktives Element umfasst; und einen Übertragungsleitungstransformator (120) mit einem ersten Induktorpfad (121) und einem zweiten Induktorpfad (122), wobei der erste Induktorpfad (121) den ersten Anschluss (101) und den zweiten Anschluss (102) verbindet.
2. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Element oder das induktive Element einstellbar ist.
3. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 2, wobei sowohl das kapazitive Element als auch das induktive Element einstellbar sind und wobei das kapazitive Element eine feinere Einstellungsauflösung aufweist als das induktive Element.
4. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, wobei das induktive Element eine Spule (372) mit einem Abgriff (372b) und ein Schaltelement (472b), das mit dem Abgriff (372b) verbunden ist und dazu konfiguriert ist, selektiv den zweiten induktiven Abschnitt zu überbrücken, der sich entlang der Spule (372) zwischen dem Abgriff (372b) und dem Referenzpotentialanschluss (103) erstreckt, umfasst.
5. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, wobei das induktive Element (372)einen ersten induktiven Abschnitt, einen zweiten induktiven Abschnitt, der mit dem ersten induktiven Abschnitt in Reihe geschaltet ist, und ein Schaltelement (472b), das mit einem Schaltungsknoten (372b) zwischen dem ersten induktiven Abschnitt und dem zweiten induktiven Abschnitt verbunden ist und dazu konfiguriert ist, selektiv den Schaltungsknoten (372b) mit dem Referenzpotential (103) zu verbinden, umfasst.
6. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 5, wobei das Schaltelement (472b) einen Metalloxid-Halbleiter-Transistor umfasst.
7. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, wobei das Impedanzanpassungsnetz ein Pi-Netz bildet, wobei der erste Induktorpfad (121) als Reihenelement des Pi-Netzes wirkt.
8. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, das ferner ein Schaltelement (131a-k) umfasst, das dazu konfiguriert ist, selektiv einen Unterabschnitt (121a-k, 122a-k) des ersten Induktorpfades (121) oder des zweiten Induktorpfades (122) zu überbrücken, um dadurch eine Induktivität des ersten Induktorpfades (121) oder des zweiten Induktorpfades (122) einzustellen.
9. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Element, das induktive Element und der Übertragungsleitungstransformator (120) in eine integrierte Schaltung integriert sind.
10. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 1, wobei der Übertragungsleitungstransformator (120) in einem Laminatmodul ausgebildet ist.
11. Impedanzanpassungsnetz, das Folgendes umfasst: einen ersten Port (501); einen zweiten Port (502); einen Transformator (700), der dazu konfiguriert ist, eine Impedanz, die mit dem ersten Port (501) verbunden ist, zu transformieren, so dass eine transformierte Impedanz innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs (798) in einer komplexen Impedanzebene (797) liegt; und ein adaptives Anpassungsnetz (600), das einstellbar ist, um die transformierte Impedanz innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs (798), an eine zweite Impedanz (507), die mit dem zweiten Port (502) verbunden ist, anzupassen.
12. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 11, wobei der Transformator (700) ein festes Transformationsverhältnis aufweist.
13. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 11, wobei der Transformator (700) ein Übertragungsleitungstransformator ist.
14. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 11, wobei das adaptive Anpassungsnetz (600) ein Pi-Netz mit einer Reiheninduktivität (634, 644) und Nebenschlusskapazitäten (632, 642, 652) umfasst.
15. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 11, wobei das adaptive Anpassungsnetz (600) mindestens zwei Stufen umfasst.
16. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 15, wobei das adaptive Anpassungsnetz (600) eine Reiheninduktivität (634, 644) mit einem Zwischenabgriff (654) und ein kapazitives Element (642), das mit dem Zwischenabgriff (654) verbunden ist, umfasst, wobei die Reiheninduktivität einen ersten induktiven Abschnitt (634), der einer ersten Stufe der mindestens zwei Stufen zugeordnet ist, und einen zweiten induktiven Abschnitt (644), der einer zweiten Stufe zugeordnet ist, umfasst, wobei der zweite induktive Abschnitt (644) mit dem ersten induktiven Abschnitt (634) induktiv gekoppelt ist.
17. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 15, wobei das adaptive Anpassungsnetz (600) einen ersten einstellbaren kapazitiven Nebenschlusszweig (632) und einen zweiten einstellbaren kapazitiven Nebenschlusszweig (652) umfasst.
18. Impedanzanpassungsnetz nach Anspruch 11, wobei das adaptive Anpassungsnetz (600) eine feste Induktivität (634, 644) und ein einstellbares kapazitives Element (632, 642, 652) umfasst.
19. Antennenschaltung, die Folgendes umfasst eine Antenne (7); einen Signalanschluss (502), der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu einem Empfänger oder von einem Sender weiterzuleiten; und ein Impedanzanpassungsnetz (500), das die Antenne (7) und den Signalanschluss (502) miteinander verbindet und ein Pi-Netz (100) mit einem ersten Induktorpfad (121) eines Übertragungsleitungstransformators (120) in einem Reihenzweig des Pi-Netzes (100) umfasst.
20. Verfahren zum Anpassen einer Impedanz unter Verwendung eines Impedanzanpassungsnetzes (100), das einen ersten Nebenschlusszweig (171) mit einem kapazitiven Element, einen zweiten Nebenschlusszweig (172) mit einem induktiven Element und einen Übertragungsleitungstransformator (120) mit einem ersten Induktorpfad (121) und einem zweiten Induktorpfad (122) umfasst, wobei der erste Induktorpfad (121) einen ersten Anschluss (101) und einen zweiten Anschluss (102) des Impedanzanpassungsnetzes (100) verbindet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einstellen eines Realteils der Impedanz durch Einstellen eines Übertragungsverhältnisses des Übertragungsleitungstransformators (120); und Einstellen eines Imaginärteils der Impedanz durch Einstellen des kapazitiven Elements und/oder des induktiven Elements.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Einstellen des Übertragungsverhältnisses des Übertragungsleitungstransformators (120) das Steuern eines Schaltelements (133a-k), das mit einem Unterabschnitt (121a-k, 122a-k) des ersten Induktorpfades (121) oder des zweiten Induktorpfades (122) parallel geschaltet ist, umfasst, um selektiv den Unterabschnitt (121a-k, 122a-k) zu überbrücken und die Induktivität des ersten Induktorpfades (121) oder des zweiten Induktorpfades (122) einzustellen.
22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Einstellen des Imaginärteils der Impedanz Folgendes umfasst: Durchführen einer groben Einstellung durch Einstellen des induktiven Elements; und Durchführen einer Feineinstellung durch Einstellen des kapazitiven Elements.
23. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Einstellen des induktiven Elements das Steuern eines weiteren Schaltelements (472b), das mit einem Abgriff (372b) des induktiven Elements (372) verbunden ist, umfasst, wobei der Abgriff (372b) mit einem Knoten zwischen einem ersten induktiven Abschnitt und einem zweiten induktiven Abschnitt des induktiven Elements verbunden ist, um selektiv den zweiten induktiven Abschnitt des induktiven Elements (372) zu überbrücken.
24. Verfahren zum Anpassen einer Impedanz, die mit einem ersten Port (501) eines Impedanzanpassungsnetzes (500) verbunden ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Transformieren der Impedanz in eine transformierte Impedanz, die innerhalb eines begrenzten Impedanzbereichs (798) in einer komplexen Impedanzebene (797) liegt, wobei das Transformieren durch einen Transformator (600) des Impedanzanpassungsnetzes (500) durchgeführt wird; und Anpassen der transformierten Impedanz innerhalb des begrenzten Impedanzbereichs an eine zweite Impedanz (507), die mit einem zweiten Port (502) des Impedanzanpassungsnetzes (500) verbunden ist, wobei das Anpassen durch ein adaptives Anpassungsnetz (600) durchgeführt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das adaptive Anpassungsnetz (600) ein einstellbares kapazitives Element und/oder ein einstellbares induktives Element umfasst und wobei die Anpassung der transformierten Impedanz an die zweite Impedanz das Einstellen des einstellbaren kapazitiven Elements oder des einstellbaren induktiven Elements umfasst.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Einstellen des einstellbaren kapazitiven Elements oder des einstellbaren induktiven Elements das Steuern eines Schaltelements, um selektiv einen speziellen induktiven Abschnitt des einstellbaren induktiven Elements oder einen speziellen kapazitiven Abschnitt des einstellbaren kapazitiven Elements einzuschalten oder abzutrennen, umfasst.

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