DE102016111917A1

DE102016111917A1 - RF Schaltkreis und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102016111917A1
Application number: DE102016111917.2A
Authority: DE
Inventors: Marc Esquius Morote; Andreas Detlefsen
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-04
Also published as: WO2018005492A1

Abstract

Ein multiplexender RF Schaltkreis ist gegeben aufweisend zumindest zwei Filter. Es wird vorgeschlagen, eine Serienspule vor einem der Filter einzusetzen und so zu konstruieren, dass kapazitive Lasten verschwinden, indem ein Phasenschieber gebildet wird, wenn diese Lasten mit der Induktivität der Serienspule kombiniert werden. Des Weiteren wird dadurch ein Band-Stop Filter gebildet, der von einem anderen Filter im Schaltkreis gesehen wird, um unerwünschte resistive Lasten zu minimieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten RF Schaltkreis aufweisend eine Kombination von RF Filtern und auf eine Methode um Verluste in diesem Schaltkreis zu reduzieren.
Innerhalb eines RF Frontend-Schaltkreises sind verschiedene elektronische Komponenten wie Filter, Schalter, Signalwege und andere nützliche Komponenten miteinander verbunden, um den Betrieb des RF Frontend-Schaltkreises in einem oder mehreren Frequenzbändern, wovon jedes einem der Filter zugewiesen ist, zu ermöglichen. Der RF Frontend-Schaltkreis muss dabei derart konstruiert sein, dass eine Mehrfach-Frequenzband-Selektion ermöglicht wird, um sowohl Einzelband Betriebsmodi zu unterstützen, wobei ein einzelnes Filter im Einzelbetrieb betrieben wird, als auch einen Trägeraggregations-Betriebsmodus (CA), wobei eine Vielzahl von Filtern zur gleichen Zeit arbeiten, während sie zur selben Antenne verbunden sind.
Wenn jedoch verschiedene Filter kombiniert werden, kann jedes Filter die anderen Filter in einer kapazitiven oder resistiven Weise derart belastet, dass Verluste auftreten. Ein Anpassungsnetzwerk zu konstruieren welches dazu fähig ist, alle Filter perfekt anzupassen, wenn sie entweder alleine oder in jedem möglichen CA Betriebsmodus betrieben werden, ist ein sehr komplexes Problem. Da die Reflektivität der Filter außerhalb ihres Frequenzbandes nicht perfekt ist, tritt zusätzlich eine resistive Last auf, die die Einfügungsverluste der anderen Filter verschlechtert. Wenn man Filter basierend auf SAW-Technologie verwendet, verursachen Volumenwellen-Anregungen einen dieser Belastungseffekte. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn der Frequenzunterschied zwischen den Filtern zunimmt. Ein weiterer dieser Belastungseffekte wäre zum Beispiel der Fingerwiderstand.
Gegenwärtig verwendete RF Frontend-Schaltkreise verwenden Frequenzband Auswahl-Schalter um eine gewünschte Frequenzband-Kombination einzustellen oder zwischen verschiedenen einzelnen Frequenzbändern oder Kombinationen von Frequenzbändern zu wechseln, während Shunt-Anpassung Elemente, typischerweise Induktivitäten, implementiert werden um die kapazitive Belastung der anderen Filter zu kompensieren. Dieses Vorgehen liefert eine annehmbare Performance, falls der Frequenzunterschied zwischen den Filtern relativ klein ist, was bedeutet das der < 30% der Mittenfrequenz eines Filters ist. Andernfalls wird die Dispersion, die durch die Belastung der Filter eingeführt wird, zu stark, um effektiv durch den Einsatz dieser Art von Anpassungselementen kompensiert zu werden. Aus diesem Grund ist es im Falle von größeren Frequenzabständen zwischen den Filterbändern unmöglich alle Filterkombination gleichzeitig sehr gut anzupassen. Derzeit ist keine Lösung bekannt, um dieses Problem der resistiven Last zu verkleinern oder zu beseitigen und damit auch die zusätzlichen Einfügungsverluste, die durch gewisse Filter in andere Filter eingefügt werden, zu minimieren.
Deshalb ist es die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung einen RF Frontend-Schaltkreis bereitzustellen, der eine verbesserte Anpassung über alle verwendeten Frequenzbänder und Frequenzbandkombinationen aufweist. Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb des Frontend-Schaltkreises bereitzustellen sowie ein Verfahren zur Reduzierung der Verluste, wenn der Frontend-Schaltkreis betrieben wird.
Diese und andere Zielsetzungen werden durch den RF Frontend-Schaltkreis nach Anspruch 1 erreicht. Ein Verfahren zum Betrieb des Frontend-Schaltkreises, ein Verfahren um die Verluste zu reduzieren, wenn der Frontend-Schaltkreis betrieben wird sowie vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die weiteren Ansprüche dargestellt.
Ein RF Frontend-Schaltkreis, weist einen Schalter auf und zumindest einen ersten und einen zweiten Signalweg mit jeweils einem ersten und einem zweiten Frequenzfilter, der im jeweiligen Signalweg angeordnet ist. Beide Signalwege sind mit dem Schalter verbunden. Der Schalter erlaubt es einen der beiden Signalwege getrennt mit einer Antenne zu verbinden oder den ersten und zweiten Signalweg parallel mit der Antenne zu verbinden. Das erste Frequenzfilter ist dem ersten Frequenzband zugeordnet. Das zweite Frequenzfilter ist einem zweiten Frequenzband zugeordnet, das eine höhere Frequenz als die erste Frequenz aufweist. Bei Frequenzen außerhalb des Frequenzbandes des jeweiligen Filters wird dem jeweiligen Filter eine erste und eine zweite parasitäre Kapazität sowie ein erster und zweiter parasitärer Widerstand zugeordnet. Eine parasitäre Schalterkapazität wird dem Schalter zugeordnet.
Der Erfindung zufolge können die möglichen Verluste des RF Frontend-Schaltkreises stark reduziert werden, indem eine erste Serienspule in den ersten Signalweg eingefügt wird und diese Spule zwischen dem ersten Filter und dem Schalter verbunden wird. Wenn die Antenne verbunden ist, treten im Allgemeinen die am relevantesten Verluste des Frontend-Schaltkreises bei Frequenzen des zweiten Filters auf, verursacht durch eine resistive Belastung durch denjenigen Filter, der die tiefere Frequenz aufweist. Wenn erster und zweiter Signalweg gleichzeitig mit der Antenne verbunden sind bildete der erste Signalweg einen Shunt-Arm zum zweiten Signalweg. In diesem Shunt-Arm bildet die Reihenschaltung der Spule und der parasitären Kapazität des ersten Filters einen Band-Stop Filter, dessen Stopp-Band auf oder in die Nähe des ersten Frequenzbands gesetzt werden kann, welches außerhalb des Frequenzbandes des zweiten Filters liegt. Aus diesem Grund wird das zweite Filter nicht mehr durch die Frequenzen des ersten Frequenzbandes des ersten Filters beeinflusst.
Wenn man den ersten Filter betrachtet, dann sieht dieser Filter die Serienspule und die parasitäre Kapazität in einem Shunt-Arm. Diese beiden Elemente können ergänzt durch eine weitere Shunt-Kapazität werden, die zu einem Knotenpunkt im ersten Signalwege zwischen dem ersten Filter und der Serienspule verbunden ist. Durch eine passende Auswahl der Induktivitäten der Serienspule und der Kapazität des Shunt-Kondensators kann ein idealer Phasenschieber für die Frequenzen des ersten Frequenzbandes realisiert werden. Dieser ideale Phasenschieber muss die parasitäre Kapazität des Schalters berücksichtigen, die zur parasitären Kapazität des zweiten Filters addiert wird. Die besten Resultate werden durch ein symmetrisches Pi-Glied erzielt, das an beiden Seiten der Spule/Induktivität Kapazitäten aufweist, die fast den gleichen Wert haben.
Nach einer Ausführungsform ist ein dritter Frequenzfilter, der einem dritten Frequenzband zugeordnet ist, in einem dritten Signalwege angeordnet und mit dem Schalter verbunden. Die Frequenzen des dritten Frequenzbandes sind höher als die Frequenzen des ersten Frequenzbandes aber niedriger als die Frequenzen des zweiten Frequenzbandes. Falls keine zusätzlichen Elemente wie die Serienspule in den Schaltkreis eingefügt werden, würde das gleichzeitige Verbinden der drei Signalwege mit der Antenne über den Schalter normalerweise einige Probleme mit dem Verhalten der einzelnen Filter verursachen z. B. zusätzlich Verluste erzeugen. Zum Beispiel würde in diesem Fall das Pass-Band des ersten Filters unter einer Restwelligkeit, auch Ripple genannt, leiden, der durch Anpassungs-Bedingungen verursacht wird, die nicht gut sind. Der Einfügungsverlust des dritten Filters würde unter resistiven Verlusten leiden, die durch den Einfluss der niedrigeren Frequenzcharakteristik des ersten Frequenzbandes verursacht werden. Schließlich leidet das zweite Filter unter den größten Verlusten, die durch den Einfluss der beiden niedrigeren Frequenzcharakteristika des ersten und dritten Frequenzbandes verursacht werden. Darüber hinaus, kann eine Restwelligkeit auch im Pass-Band des zweiten Filters auftreten, der durch schlechte Anpassungsbedingungen verursacht wird.
Mit einer Serienspule, die zwischen dem Schalter und einem gemeinsamen Knotenpunkt des ersten und dritten Signalwegs angeordnet ist, wird die Transfercharakteristik aller drei Filter im Bezug zu einem bekannten Schaltkreis, der die oben angeführten Probleme und Nachteile aufweist, verbessert. Das Pass-Band des ersten Filters wird durch die anderen beiden Filter nicht beeinflusst und weist eine gute Anpassung auf. Das Pass-Band des dritten Filters zeigt eine ähnliche Performance wie vorher.
Der größte Effekt dieses Schaltkreises kann im Pass-Band des zweiten Filters beobachtet werden: es weist keine zusätzlichen Verluste auf, die durch die anderen beiden Signalwege und Filter verursacht werden, und zeigt eine gute Anpassung. Die Wirkungen wird verbessert, falls der Frequenzunterschied zwischen dem zweiten Frequenzband, welches die höchste Frequenz aufweist und den anderen Frequenzbändern größer wird. Daher stellt diese Ausführungsform der Erfindung einen Triplexer bereit, der zwei Filter mit verbessertem Verhalten aufweist und einen dritten Filter ohne zusätzlich Verluste oder Ripple.
Nach einer anderen Ausführungsform sind der erste und der dritte Frequenzfilter mit einem gemeinsamen Knotenpunkt des ersten und dritten Signalwegs verbunden. Der Knotenpunkt ist zwischen den Filtern und der ersten Serienspule angeordnet. Die parasitäre Kapazität des dritten Filters, der Serienspule und der Summe aus der zweiten parasitären Kapazität und der Schalterkapazität bilden ein Pi-Glied, welches als Phasenschieber für Frequenzen innerhalb des ersten Frequenzbandes wirkt. Die Eine Auslegung des Phasenschiebers derart, als dass er ein idealer Phasenschieber für Frequenzen des ersten Frequenzbandes darstellt, indem geeignete Induktivitäten ausgewählt werden, hat keine negativen Auswirkungen auf das Verhalten des zweiten Filters. Die vorgeschlagene Lösung funktioniert perfekt, falls beide parallele Impedanz-Elemente (Kapazitäten) die gleichen oder zumindest ähnliche parasitäre Impedanzen (Kapazität) aufweisen. Falls jedoch der Phasenschieber nicht ganz ideal ist oder nicht ganz symmetrisch ist, führt sogar eine Asymmetrie von bis zu 20% zwischen den Kapazitäten auf beiden Seiten des Pi-Gliedes zu weniger als 10% Variation (Verschlechterung) der Impedanz, was immer noch eine gute Anpassung ist.
Diese Ausführungsform stellt noch einen weiteren positiven Effekt für das Verhalten des zweiten Filters bereit, indem die resitive Last davon resultierenden Verluste eliminiert werden.
Nach einer Ausführungsform kann jedes Ungleichgewicht zwischen den parasitären Impedanz-Elementen mit einem zusätzlichen Element kompensiert werden, welches im Fall des Schalters und der Filter eine zusätzliche Kapazität sein kann. Diese zusätzliche Kapazität wird parallel zu einer ausgewählten Parallelen parasitären Kapazität verschaltet wobei die ausgewählte parasitäre Kapazität diejenige ist, welche die kleinere Kapazität aufweist. Der Wert der zusätzlichen Kapazität ist so gewählt, dass das Pi-Glied symmetrisch wird, d. h. dass die Kapazitäten in den Parallelzweig auf beiden Seiten des Pi-Glieds gleich oder zumindest ähnlich sind.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel bildet die Reihenschaltung der Serienspule und der beiden parallelen parasitären Kapazitäten des ersten und dritten Frequenzfilters einen Zweig, der parallel zum zweiten Frequenzfilter ist. Dieser Zweig wirkt als Band-Stop Filter. Die Auswahl von Filtern, die eine geeignete parasitäre Kapazität aufweisen kombiniert mit einer Spule die eine optimierte Induktivität aufweist, macht diesen Band-Stop Filter effektiv bei Frequenzen des ersten und dritten Frequenzbandes. Der beste Effekt wird erzielt, falls die Band-Stopp Frequenz zwischen das erste und das dritten Frequenzband gesetzt wird und der Frequenzunterschied zwischen erstem und drittem Frequenzband relativ klein ist. Weitere Verbesserungen des Frontend-Schaltkreises werden erzielt, indem weitere Serienspulen in einem der Signalwege zwischen dem jeweiligen Filter und dem Schalter eingefügt werden. Diese Spulen können verwendet werden, um Asymmetrien im Schaltkreis zu kompensieren und dadurch die Anpassung zu verbessern.
Eine nützliche Erweiterung des Frontend-Schaltkreises kann bereitgestellt werden, wenn der Output des zweiten Schalters zu einem der Signalwege verbunden wird oder zu einem gemeinsamen Signalweg, der den ersten Schalter mit der Antenne verbindet. Mit einer Anzahl von Inputs des zweiten Schalters wird ein zugehöriges Element zur Impedanz-Anpassung verbunden, das selektiv mit dem Signalwege verbunden werden kann. Abhängig von den möglichen Schalterstellungen kann auch eine Kombination von Impedanz-Elementen mit dem Signalweg verbunden werden. Diese Impedanz-Elemente ermöglichen eine wählbare Anpassung innerhalb des Frontend-Schaltkreises. Über diese wählbaren Impedanzen-Elemente kann die parasitäre Kapazität des Schalters beispielsweise kompensiert oder in einer anderen Weise adaptiert werden.
Wenn der zweite Schalter vorhanden ist kann ein selektives Impedanz-Element über den zweiten Schalter mit der Anordnung verbunden werden, abhängig vom ausgewählten Frequenzband oder der ausgewählten Kombination von Frequenzbändern. In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Schalter zwischen dem Schalter für die Auswahl des Frequenzbandes und einem der Signalwege oder zwischen dem ersten Schalter und der Antenne angeordnet.
Im Folgenden wird die Erfindung und ein Verfahren zum Betrieb des Frontend-Schaltkreises in größerer Detailtiefe erklärt, wobei Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen und die zugehörigen Abbildungen genommen wird.
Die Abbildungen sind nur schematisch dargestellt und können zum besseren Verständnis vereinfacht sein.
1A zeigt einen Signalweg mit einem Filter in einem Parallelzweig,
1B zeigt einen Äquivalenzschaltkreis für die Anordnung aus 1A, welcher für Frequenzen gültig ist die unterhalb des Frequenzbandes liegen
1C zeigt ein Äquivalenzschaltkreis für die Anordnung aus 1A, welche für Frequenzen gültig ist, die oberhalb des Frequenzbandes liegen
2A zeigt einen Äquivalenzschaltkreis eines Band-Stopp Filters, der eine Band-Stopp Frequenz f_BS aufweist
2B zeigt einen Äquivalenzschaltkreis eines Band-Stop Filters nach bei einer Frequenz f₀ << f_BS
2C zeigt einen Äquivalenzschaltkreis des Band-Stop Filters nach bei der Band-Stop Frequenz f_BS
2D zeigt einen Äquivalenzschaltkreis des Band-Stop Filters nach bei einer Frequenz f₀ >> f_BS
3 zeigt einen Phasenschieber ausgeführt als Pi-Glied
4 zeigt einen Diplexer in einer ersten Ausführungsform
5 zeigt einen Äquivalentschaltkreis des Schaltkreises gezeigt in aus der Sicht des Filters F1
6A zeigt den Schaltkreis nach mit einer zusätzlichen parallelen Kapazität
6B zeigt einen Äquivalenzschaltkreis des Schaltkreises gezeigt in aus Sicht des Filters F1
7 zeigt einen Triplexer in einer zweiter Ausführungsform
8 zeigt einen Äquivalenzschaltkreis des Schaltkreises gezeigt in aus Sicht des Filters F1
9 zeigt einen Äquivalenzschaltkreis des Schaltkreises gezeigt in aus Sicht des Filters F3
10A zeigt einen Äquivalenzschaltkreis des Schaltkreises gezeigt in aus Sicht des Filters F2
10B zeigt den Äquivalenzschaltkreis nach nach Vereinfachung des Schaltkreises
10C zeigt den Äquivalenzschaltkreis nach und nach weiterer Vereinfachung des Schaltkreises
11A–11C zeigen jeweils einen Vergleich der Filtertransferkurve für die jeweiligen Filter nach und der Transferkurven der zugehörigen Filter eines bekannten Schaltkreises wie gezeigt in
12 zeigt in einer weiteren Ausführungsform einen Schaltkreis ergänzt mit wählbaren Anpassung-Elementen
13 zeigt einen konventionellen Triplexer.
1A zeigt einen Signalweg SP, der ein erstes Terminal T1 mit einem zweiten Terminal T2 verbindet. In einem Pfad der parallel zum Signalweg geschaltet ist, ist ein Filter Fx mit Mittenfrequenz f_0x angeordnet.
1B zeigt einen Äquivalentschaltkreis für die Anordnung aus 1A, der für kleine Band-externe Frequenzen f₀ gültig ist, d. h. für Frequenzen im unteren Stop-Band. Für eine Frequenz f₀ verhält sich der Filter Fx wie eine parasitäre Kapazität C_Fx, die eine kapazitive Last bei einer Frequenz f₀ << f_0x auf den Signalweg SP verursacht.
1C zeigt einen Äquivalentschaltkreis für die Anordnung von 1A der gültig ist für hohe Band-externe Frequenzen, d. h. für Frequenzen f₀ im oberen Stopp-Band des Filters F_X. Für diese Frequenzen f₀ weist der Äquivalenzschaltkreis des Filters F_X eine parasitäre Shunt-Kapazität C_Fx und einen Shunt-Widerstand R_Fx auf. Das rührt daher, dass die Mittenfrequenz f_0x des Filters F_X niedriger ist als die Frequenz f₀ des betrachteten Signals im Signalweg SP. Daher erzeugt der Filter F_X eine resistive Last bei Frequenzen f₀ >> f_0x.
2A zeigt einen Äquivalenzschaltkreis für einen Band-Stopp Filter der durch eine Reihenschaltung einer Induktivität L_BS und einer Kapazität C_BS gebildet wird, die in einem Shunt-Arm angeordnet sind, der parallel zu einem Signalweg geschaltet ist, welcher die Terminals T1 und T2 verbindet.
Bei einer Frequenz f₀ bei Band-Stopp Frequenz f_BS zeigt der Shunt-Arm idealerweise keine Impedanz und bildet einen Shunt wie in gezeigt wobei f₀ = f_BS. Bei einer Frequenz f₀ < f_BS verhält sich der Band-Stop Filter nur kapazitiv und der Äquivalenzschaltkreis des Shunt-Arms bildet nur eine Kapazität C > C_BS, wie gezeigt in . Mit sich verringernder Frequenz geht der Wert der Kapazität C gegen den Wert von C_BS.
Bei einer Frequenz f₀ > f_BS verhält sich der Band-Stop Filter nur induktiv und der Äquivalenzschaltkreis des Shunt-Arms bildet nur eine Induktivität L < L_BS, wie gezeigt in . Mit sich erhöhender Frequenz geht der Wert von L gegen den Wert von L_BS.
3. zeigt ein Pi-Glied aufweisend eine Serienspule L_S in einem der Signalwege und zwei kapazitive Impedanz-Elementen C_P, die beide in Shunt-Zweigen auf beiden Seiten der Serienspule L_S parallel zum Signalweg angeordnet sind. Der Signalweg ist auf beiden Seiten mit einer Referenzimpedanz Z₀ terminiert.
Ein idealer Phasenschieber ist symmetrisch und funktioniert optimal, falls C_P und L_S ausgewählt werden in Abhängigkeit von der Referenz Impedanz Z₀ und dem benötigten Phasen-Shift Φ₀ nach den Gleichungen:
zeigt eine erste Ausführungsform eines Frontend-Schaltkreises mit zwei Filtern F1 und F2, die beide in ihrem jeweiligen Signalweg angeordnet sind, der jeweils über einen Schalter SW mit einer Antenne oder einem anderen Terminal mit einer Referenz-Impedanz Z₀ verbunden werden kann. Unterschiedliche Schalterstellungen erlauben es, einen einzelnen der Filter, beide Filter gleichzeitig oder einen der beiden Filter zusammen mit einem anderen Signalweg oder einem oder mehrerer anderer RF Schaltkreis-Elemente zu verbinden, die mit einem zugehörigen Input des Schalters SW verbunden sind (kein solches Element ist in der Abbildung gezeigt). Eine Serienspule L_S ist im Signalweg zwischen dem ersten Filter F1 und dem Schalter SW angeordnet. Die jeweilige Mittenfrequenz der beiden Filter sind mit f₀₁ und f₀₂ bezeichnet, wobei f₀₂ > f₀₁. Ein solcher Frontend-Schaltkreis kann entweder als Diplexer oder als Multiplexer höherer Ordnung betrieben werden.
Wenn das erste Filter F1 und der zugehörige Signalweg mit seiner Mittenfrequenz betrieben wird sieht das Signal einen Äquivalenzschaltkreis wie gezeigt in 5. Die Serienspule LS ist innerhalb des Signalwegs angeordnet, während der zweiten Filter F2 wie eine Shunt-Kapazität C_F2 bei f₀₁ wirkt, da < f₀₂. Das Gleiche gilt für den Schalter SW der eine parasitäre Kapazität C_SW aufweist, welche hauptsächlich durch die offenen Kontakte des Schalters SW verursacht wird.
Dieser Äquivalenzschaltkreis nach 5 kann leicht derart ergänzt werden, dass die Spule und die beiden parasitären Kapazitäten einen Tiefpass-Phasenschieber bilden. Das erfordert eine zusätzliche Kapazität C_S parallel zum ersten Filter wie gezeigt in 6B. Auf diese Weise wird ein Pi-Glied gebildet von der parallelen zusätzlichen Kapazität C_S, der Serienspule LS und der effektiven Kapazität C_e. Diese beiden Kapazitäten C_F2 und C_SW wirken wie eine Kapazität aufweisend eine effektive Kapazität C_eff = C_F2 + C_SW.
Eine solche Kapazität kann kleiner sein als die Filterkapazität und kann als zwischen-Finger Metallisierung über dem zugehörigen SAW-Filter, zum Beispiel auf dem Substrat des ersten Filters F1 implementiert werden. 6A zeigt die zugehörige Struktur des Frontend-Schaltkreises dieser Ausführungsform. Falls nun der Frontend-Schaltkreis als Diplexer betrieben wird, wobei die beiden Signalwege und deren Filter F1 und F2 gleichzeitig mit der Antenne verbunden sind, wird Filter 1 nicht mehr von Filter 2 beeinflusst. Daher werden im Diplex-Betriebsmodus keine zusätzlichen Verluste verursacht im Vergleich zum Einzelfilter Betriebsmodus, in dem nur ein Filter aktiv und mit der Antenne verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Diplexer zu einem Triplexer oder einem höheren Multiplexer erweitert werden, indem einer oder mehrere weitere Signalwege mit der Antenne verbunden werden. Wenn der dritte Filter F3, der eine Mittenfrequenz f₀₃ besitzt, mit einem gemeinsamen Knotenpunkt in dem Signalweg zwischen dem ersten Filter F1 und der Serienspule LS verbunden wird, sodass gilt f₀₁ < f₀₃ < f₀₂, kann der dritte Filter dazu beitragen mit seiner parasitären Kapazität C_F3 das Pi-Glied zu komplementieren und einen Phasenschieber auszubilden.
zeigt einen Frontend-Schaltkreis dieser Ausführungsform. Der Schalter SW kann wahlweise einen oder mehrere Signalwege gleichzeitig mit der Antenne verbinden. Für die gezeigte Ausführungsform sind zwei Schaltereingänge ausreichend. Aber weitere Eingänge, die weitere Signalwege oder andere RF-Komponenten mit der Antenne verbinden, sind möglich.
Darüber hinaus kann eine Anpassungsinduktivität L_m wie sie im ersten Signalweg des ersten Filters F1 gezeigt ist, optional in jedem Signalweg in der Nähe des jeweiligen Filters eingesetzt werden.
Das Resultat einer Analyse des Verhaltens des Schaltkreises hängt von der Frequenz wie sie im Äquivalenzschaltkreis der bis gezeigt ist, ab (hierbei wird angenommen, dass die optionale Serienspule LM nicht verwendet wird).
Der äquivalente Signalweg des Filters F1 bei seiner Mittenfrequenz f1 ist in gezeigt. Ein Tiefpass-Pi-Glied weist die Shunt-Kapazität C_F3 des Filters F3 auf sowie die Serienspule LS und die zweite effektive Shunt-Kapazität C_eff, wobei C_eff = C_F2 + C_SW. Falls dieser Phasenschieber ideal ausgeführt wird, werden weder Einflüsse auf den Signaltransfer noch Verluste durch die parasitären Elemente des Phasenschiebers erzeugt. Dies ist im unteren Teil der gezeigt.
Eine äquivalente Netzwerkdarstellung wie sie vom dritten Filter F3 bei seiner jeweiligen Mittenfrequenz f3 gesehen wird, ist in gezeigt.
Eine Darstellung des Äquivalenznetzwerks wie es vom dritten Filter F3 bei seiner Mittenfrequenz F3 gesehen wird ist in gezeigt. Wenn f3 > f1 erzeugt das erste Filter F1 eine resistive Last zusätzlich zu seiner kapazitiven Last. Diese Last kann als Shunt-Widerstand R_F1 parallel zum Signalweg des Filters F3 dargestellt werden. Die anderen Komponenten sind gleich derer des Äquivalenzschaltkreises der . Daher gibt es gleichsam einen kleinen Einfluss des ersten und zweiten Filters F1, F2 bei der Frequenz f3 zusätzlich eine effektive Belastung des Filters F1, die kleine Verluste bei F3 und f3 verursacht.
Eine Darstellung des Äquivalenznetzwerks, wie es vom zweiten Filter F2 bei seiner Mittenfrequenz f₀₂ gesehen wird, ist in gezeigt. Die Schalterkapazität C_SW ist ebenfalls parallel zum zweiten Signalweg. Da f₀₂ die höchste Betriebsfrequenz des Systems ist, zeigen beide Filter F1 und F3 sowohl eine resistive als auch kapazitive Belastung. Daher gibt es vier Shunt-Elemente R_F1, C_F1, R_F3 und C_F3 die in Serie mit der Serienspule LS verschaltet sind und parallel zum zweiten Signalweg des zweiten Filters F2. Diese fünf Elemente R_F1, C_F1, R_F3, C_F3 und LS bilden einen Band-Stopp Filter BS, der eine Mittenfrequenz f_0BS aufweist:
Wenn f_0BS zwischen f₀₁ und f₀₂ gewählt wird dann wird die resistive Last die vom Filter F1 und Filter F3 auf Filter F2 ausgewirkt wird, minimiert. Für einen Band-Stopp Filter BS der eine andere Mittenfrequenz F_0BS aufweist wird die resistiven Belastung zwar reduziert aber nicht optimal minimiert. Das kommt daher, dass die Impedanz von C_F1 und C_F3 bei der Frequenz f₀₂ klein sind und zwar viel kleiner als R_F1 und R_F3. Der Schaltkreis aus kann dann zu dem von vereinfacht werden, wobei der Shunt-Arm aus einer Induktivität L_eff (mit einem Wert ähnlich zu L_BS jedoch immer kleiner) und einem effektiven Widerstand R_eff besteht. Da der Wert von R_eff klein ist, kann der Shunt-Arm schließlich nur als parallele Induktivität (siehe ) betrachtet werden. Tatsächlich ist die resistive Belastung des Filters F2 nicht mehr vorhanden.
Der positive Effekt der Erfindung kann am besten gezeigt werden, wenn man die Transferkurven der drei Filter F1, F2 und F3 in und die Transferkurven der entsprechenden Filter eines Frontend-Schaltkreises des Stands der Technik vergleicht. Gezeigt sind unterschiedliche Kurven die unterschiedlichen Betriebsmodi zugeordnet sind, das heißt wenn die Filter alleine oder gleichzeitig mit einem oder zwei der anderen Filter betrieben werden.
Ein Frontend-Schaltkreiskreis wie bekannt aus dem Stand der Technik ist in gezeigt. Ähnlich zur sind drei Signalwege mit einem Schalter SW verbunden wobei in jedem Signalweg ein zugehöriger Filter F1 bis F3 angeordnet ist. Zwei der Filter F1, F3 sind mit einem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden, der mit dem Schalter SW verbunden ist. Eine erste Anpassungspule L2 ist mit dem zweiten Signalweg gekoppelt, um die kapazitive Belastung des zweiten Filters F2 zu kompensieren. Eine weitere Anpassungspule L₁₊₃ ist mit dem gemeinsamen Signalweg zwischen dem gemeinsamen Knotenpunkt und dem Schalter SW verbunden, um die kapazitive Belastung des ersten und des dritten Filters F1, F3 zu kompensieren. Das erste Filter in diesem Beispiel weist ein Pass-Band auf, das zum Frequenzband B3 übereinstimmt. Das Pass-Band des zweiten Filters F2 passt zu dem Frequenzband B7, während das Pass-Band des dritten Filters F3 zu dem Frequenzband B1 passt.
In werden die Filtertransferkurven des Frontend-Schaltkreises nach auf der linken Seite gezeigt und verglichen mit den zugehörigen Filtertransferkurven des Frontend-Schaltkreises nach , die auf der rechten Seite gezeigt werden, wobei die gleichen Filter verwendet werden.
zeigt die Einfügungsverluste des Filters F1. In dem Schaltkreis bekannt aus dem Stand der Technik, zeigt das Pass-Band eine Restwelligkeit, auch Ripple genannt, wenn es mit drei Filtern gleichzeitig parallel betrieben wird. Keine Restwelligkeit tritt auf wenn nur der erste und der dritte Filter F1, F3 gleichzeitig betrieben werden. Die gleichen beiden Fälle sind auf der rechten Seite für den neuen Schaltkreis gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass keine Restwelligkeit mehr auftritt während die Einfügungsverluste vergleichbar bleiben. Anders als für den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltkreis sind die Transferkurven für die beiden Betriebsmodi identisch.
zeigt die Einfügungsverluste des dritten Filters F3. In dem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltkreis kann idealer Transfer nur dann beobachtet werden, wenn Filter F3 alleine betrieben wird. Im Fall des gleichzeitigen Betriebs mit dem ersten Filter F1 oder zusammen mit beiden anderen Filter F1 und F2 tritt ein zusätzlicher Verlust auf im Vergleich zum Einzelmodenbetrieb im Frequenzband B1. In diesem Fall führt der neue Schaltkreis zu keinen signifikanten Verbesserungen. Beide Kurven sind vergleichbar zu denen des Schaltkreises der aus dem Stand der Technik bekannt ist und zeigen eine ähnliche Performance.
zeigt die Einfügungsverluste des Filters F2. In dem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltkreis kann idealer Transfer nur dann beobachtet werden, wenn Filter F2 alleine betrieben wird. Im Fall des gleichzeitigen Betriebs aller drei Filter F1, F2 und F3 treten verstärkte Verluste und Restwelligkeit im Pass-Band auf. Wenn man sich die Kurven des neuen Schaltkreises ansieht, kann die bemerkenswerteste Verbesserung für das Verhalten des zweiten Filters F2 beobachtet werden. Da diesem Filter die höchste Frequenz im Schaltkreis zugeordnet ist, verschlechtern die resistiven und kapazitiven Verluste die Eigenschaften des Filters in dem aus de dem Stand der Technik bekannten Schaltkreise, jedoch tritt keine sichtbare Degradierung der Eigenschaften des Filters F2 mehr in dem Schaltkreis der Erfindung auf! Die resistiven Verluste und die Restwelligkeit sind entfernt und die Performance des Filters ist in allen Betriebsmodi die gleiche als ob das zweite Filter alleine betrieben würde. Daher sind die Anpassung und die Einfügung dieses Filters verbessert und gut.
zeigt die Möglichkeit eine wählbare Anpassung zu realisieren. Um das zu tun ist ein weiterer Schalter SW_M mit dem Signalweg zwischen dem bereits beschriebenen Schalter SW_Band für die Frequenzbandauswahl und der Antenne verbunden oder direkt mit einem Signalweg zwischen dem Bandauswahlschalter SW_Band und einem oder mehrerer der Filter direkt verbunden. Über den weiteren Schalter SW_M können verschiedene Anpassungselemente parallel zu dem zugehörigen Signalweg verschaltet werden. Diese Anpassungelemente können wahlweise Induktivitäten oder Kapazitäten sein. Darüber hinaus können unterschiedliche Anpassungselemente eine unterschiedliche Impedanz aufweisen. Eine derart wählbare Anpassung erlaubt eine weitere Verbesserung der Anpassung in Abhängigkeit vom Betriebsmodus oder in Abhängigkeit von der externen Umgebung, die ebenfalls einen Einfluss auf die Impedanz der Antenne hat.
Die Anpassungselemente können zum Beispiel dazu verwendet werden einige Asymmetrien beim Multiplexen zu kompensieren, die durch eine irreguläre Umgebung verursacht werden d. h. zum Beispiel durch Unterschiede in den Modulverbindungen. Das kann auch dazu verwendet werden um zusätzliche Flexibilität zu gewinnen, wenn sogar noch mehr Filter kombiniert werden und daher die Anzahl an Betriebsmodi erhöht wird.
Mit einem Schalterkreis gemäß einer der Ausführungsformen und in bevorzugter Weise gemäß oder wird ein Verfahren ermöglicht, um die resistive Belastung des Filters mit der höchsten Frequenz in einer Filterkombination wie dargestellt oder in jeder anderen Filterkombination zu minimieren. Die Filterkombination bzw. der Frontend-Schaltkreis, der diese Kombination aufweist soll einen ersten und einen zweiten Frequenzfilter aufweisen sowie eine Serieninduktivität und einen gemeinsamen Knotenpunkt. Die Serieninduktivität ist im Signalweg zwischen dem ersten Filter und dem gemeinsamen Knotenpunkt angeordnet. Die Frequenz des zweiten Filters ist höher ist als die Frequenz des ersten Filters. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird die parasitäre Kapazität des ersten Frequenzfilters bestimmt. Dann wird der Wert der Serieninduktivität so eingestellt, dass das zweite Filter einen Band-Stopp Filter bildet, der durch eine Kombination der Serieninduktivität und der parasitären Kapazität des ersten Filters implementiert wird. Die Mittenfrequenz des Band-Stopp Filters ist um die Mittenfrequenz des ersten Filters eingestellt, auf diese Weise kann die resistiven Belastung des zweiten Filters signifikant verbessert werden.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Frontend-Schaltkreises, der mehrere Signalwege aufweist, wobei in jedem Signalweg ein Frequenzfilter angeordnet ist. In diesem Schaltkreis ist es möglich die Signalwege über einen Schalter, mit dem die Signalwege verbunden sind, mit einer Antenne zu verbinden. Die parasitären Kapazitäten einiger der Filter werden zusammen mit der parasitären Kapazität des Schalters verwendet um ein Pi-Glied zu bilden, das als Phasenschieber wirkt, welcher verschiedene Betriebsmodi anpasst, die umfassen den gleichzeitigen Betrieb verschiedener Filterkombinationen oder den Einzelmodenbetrieb. Indem eine Serienspule in einem der Signalwege eingefügt wird, wird ein Pi-Glied realisiert und die bereits vorhandenen parasitären Kapazitäten werden demgemäß ergänzt. Indem die Werte der Komponenten des Pi-Gliedes geeignet gewählt werden und indem die Filter und der Schalter dementsprechend konstruiert werden um eine passende Kapazität zur Verfügung zu stellen, kann der Phasenschieber für eine gewünschte Frequenz optimiert werden, welche bevorzugt die Frequenz des Filters und des zugehörigen Signalwegs ist, in dem der Phasenschieber realisiert ist. Daher ist das Filter dann frei von kapazitiver Belastung.
Trotz einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und Abbildungen beschränkt. Die Erfindung ist bestimmt durch den Wortlaut des Anspruchs 1 und beinhaltet weitere Ausführungsformen, die erzeugt werden können, wenn man neue Elemente, die in den Ausführungsformen und den Unteransprüchen verwendet werden, kombiniert.
Bezugszeichenliste

BS

Band-Stopp Filter

C_BS

Kapazität von BS

C_eff

effektive Kapazität

C_FX

Band-externe Äquivalenzkapazität des Filters Fx

C_P

Shunt-Kapazität

C_SW

Kapazität von SW

F1, F2, F3

erster, zweiter und dritter Filter

f₀₁, f₀₂, ...

Frequenz der Filter F1, F2, ...

Fx

Filter

L_BS

Induktivität von BS

L_eff

effektive Induktivität

LS

Serienspule

R_eff

effektiver Widerstand

R_FX

Band-externer Äquivalenzwiderstand von Fx

SP

Signalweg

SW

Schalter

T1, T2

Anschlusspunkte des Schaltkreises

Z₀

Impedanz

Claims

RF Frontend-Schaltkreis, bestehend aus einem Schalter, einem ersten und einem zweiten Signalweg mit darin angebrachten Frequenzfiltern, wobei die Signalwege jeweils mit dem Schalter gekoppelt sind, wobei – ein erstes Frequenzfilter, der einem ersten Frequenzband zugeordnet ist, im ersten Signalweg angeordnet ist – ein zweites Frequenzfilter, der einem zweiten Frequenzband mit einer höheren Frequenz als der ersten Frequenz zugeordnet ist, ist im zweiten Signalweg angeordnet – bei Frequenzen außerhalb der Bandbreite jedes Filters, sind eine erste und eine zweite parasitäre Kapazität sowie ein erster und ein zweiter parasitärer Widerstand jeweils den Filtern zugeordnet – eine parasitäre Schalter-Kapazität ist dem Schalter zugeordnet – eine erste Serienspule ist im ersten Signalweg angeordnet und zwischen dem ersten Filter und dem Schalter gekoppelt – eine Shunt-Kapazität ist im ersten Signalweg zwischen der Serienspule und dem ersten Filter angeordnet, wobei die Shunt-Kapazität, die Serienspule und die Summe aus zweiter parasitärer Kapazität und Schalterkapazität ein Pi-Glied bilden, das einen Phasenschieber für Frequenzkomponenten innerhalb des ersten Frequenzbandes darstellt, wobei die Reihenschaltung der Serienspule und den parasitären Kapazitäten des ersten Frequenzfilters und der Shunt-Kapazität einen Parallelzweig zum zweiten Frequenzfilter bilden, wobei der Zweig als Band-Stopp Frequenzfilter wirkt, wobei einer vom ersten oder zweiten Signalweg separat über den Schalter mit einer Antenne gekoppelt werden kann, oder wobei erster und zweiter Signalweg parallel mit einer Antenne über den Schalter gekoppelt sein können.
RF Schaltkreis aus Anspruch 1, wobei ein drittes Frequenzfilter, der einem dritten Frequenzband mit einer höheren Frequenz als das erste Frequenzband aber einer niedrigeren als das zweite Frequenzband zugeordnet ist, ist in einem dritten Signalweg angeordnet und zum ersten Signalweg an einem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden, der anstelle der Shunt Kapazität zwischen der Serienspule und dem ersten Filter angeordnet ist.
RF Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, wobei die parasitäre Kapazität des dritten Filters, der Serienspule und der Summe aus zweiter parasitärer Kapazität und der Schalterkapazität ein Pi-Glied bilden, das als Phasenschieber für Frequenzen innerhalb des ersten Frequenzbandes wirkt.
RF Schaltkreis nach Anspruch 3, wobei die parasitäre Kapazität des ersten Filters, der Serienspule und der Summe aus zweiter parasitärer Kapazität und Schalterkapazität ein Pi-Glied bilden, das als Phasenschieber für Frequenzen innerhalb des dritten Frequenzbandes wirkt.
RF Schaltkreis nach Anspruch 4, wobei die Reihenschaltung der Serienspule und der parasitären Kapazitäten des ersten Frequenzfilters einen Zweig parallel zum zweiten Frequenzfilter bilden, wobei dieser Zweig als Band-Stopp Frequenzfilter wirkt.
RF Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weitere Serienspulen in einem der Signalwege zwischen einem Filter und dem Schalter angeordnet sind.
RF Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ausgang eines zweiten Schalters mit einem der Signalwege verbunden ist oder mit einem gemeinsamen Signalweg, der den ersten Schalter und die Antenne verbindet, wobei der zweite Schalter eine Anzahl an Eingängen aufweist, um selektiv ein Element zur Impedanz-Anpassung mit dem Signalweg zu verbinden.
RF Schaltkreis nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der zweite Schalter vorhanden ist, wobei ein ausgewähltes Impedanz-Element mit der Anordnung über den zweiten Schalter verbunden ist in Abhängigkeit von einem ausgewählten Frequenzband oder einer ausgewählten Kombination von Frequenzbändern, wobei der zweite Schalter zwischen einem Schalter und einem Signalweg oder zwischen dem ersten Schalter und der Antenne angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines RF Schaltkreises aufweisend mehrere Signalwege mit jeweils einem Frequenzfilter die über einen ersten Schalter mit einer Antenne verbunden werden können, wobei eine Serienspule oder ein Shunt-Kondensator zusammen mit den parasitären Kapazitäten der Filter und des Schalters verwendet werden, um ein Pi-Glied eines Phasenschiebers zu bilden und um verschiedene Filterkombinationen anzupassen.
Verfahren zur Minimierung der resistiven Belastung der höchsten Frequenzfilter in jeglicher Kombination von Filtern, aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten Frequenzfilter, eine Reiheninduktivität und einen gemeinsamen Knoten, wobei die Reiheninduktivität zwischen dem ersten Frequenzfilter und dem gemeinsamen Knoten angeordnet ist, wobei das zweite Frequenzfilter direkt mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist, wobei die Frequenz des zweiten Filters höher als die des ersten Filters ist, das Verfahren aufweisend die Schritte a. Bestimmen der parasitären Kapazität des ersten Frequenzfilters b. Einstellen des Werts der Reiheninduktivität, so dass das zweite Filter einen Band-Stop Filter sieht, der aus der Kombination der Reiheninduktivität und der parasitären Kapazität des ersten Filters gebildet wird, mit einer Mittenfrequenz in der Nähe der Frequenz des ersten Filters.