DE102017220853A1 - Sender/Empfänger-Modul für Millimeterwellen-5G-Mimo-Kommunikationssysteme - Google Patents

Sender/Empfänger-Modul für Millimeterwellen-5G-Mimo-Kommunikationssysteme Download PDF

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Abstract

Ein Sende/Empfangs-Modul beinhaltet eine integrierte Steuerschaltung, die ausgebildet ist, um in einem Sende- und Empfangsmodus zu arbeiten. In dem Sendemodus wandelt die integrierte Steuerschaltung ein digitales Eingangssignal in eine Mehrzahl phasenverschobener HF-Sendesignale um. In dem Empfangsmodus wandelt die integrierte Steuerung ein HF-Empfangssignal in ein digitales Ausgangssignal um. Das Sende/Empfangs-Modul beinhaltet ferner eine Mehrzahl angeschlossener integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen. Jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen verstärkt eines der HF-Sendesignale unter Verwendung eines Leistungsverstärkers während des Sendemodus und verstärkt eines der HF-Empfangssignale unter Verwendung eines rauscharmen Verstärkers während des Empfangsmodus. Die integrierte Steuerschaltung spannt den Leistungsverstärker vor und kalibriert einen Leistungspegel des Leistungsverstärkers in dem Sendemodus. Die integrierte Steuerschaltung schützt die integrierte Steuerschaltung durch Steuern des rauscharmen Verstärkers während des Empfangsmodus vor Beschädigung.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme und bezieht sich insbesondere auf phasengesteuerte 5G-Array-Sende/Empfangs-Module.
  • HINTERGRUND
  • Drahtlos der fünften Generation (5G) bezieht sich auf einen vorgeschlagenen Telekommunikationsstandard, der den momentanen Telekommunikationsstandard der vierten Generation (4G) ersetzen soll. 5G zielt darauf ab, eine verbesserte Netzwerkfähigkeit zu bieten, und zwar mit schnelleren Herunterlade-Geschwindigkeiten, einer größeren Bandbreite, Spektraleffizienz, geringeren Latenz usw. Der 5G-Standard wird ein Frequenzspektrum mit hoher Frequenz/kurzer Wellenlänge verwenden, beispielsweise in dem Bereich von 20 GHz — 60 GHz, was Wellenlängen in dem Bereich von 5 mm - 15 mm entspricht. Diese kurzen Wellenlängen stellen einzigartige Entwurfsherausforderungen in Bezug auf die Basisstationsausrüstung dar, die verwendet wird, um die HF-Signale zu senden und zu empfangen.
  • Phasengesteuerte Antennenarrays beziehen sich allgemein auf Kommunikationssysteme, die eine Mehrzahl von Antennen (zwei oder mehr) und eine Phasenverschiebung zum Senden und Empfangen von HF-Signalen verwenden. Phasengesteuerte Antennenarrays bieten gegenüber Einzelantennensystemen zahlreiche Vorteile, wie einen hohen Gewinn, eine Richtungslenkbarkeit und gleichzeitige Kommunikation. Momentan gibt es keine kommerziell verfügbaren phasengesteuerten 5G-mmW(Millimeterwellenlängen)-Antennenarray-Systeme. Eine erwähnenswerte Entwurfsherausforderung in Bezug auf phasengesteuerte 5G-mmW-Antennenarray-Systeme besteht darin, dass die Beabstandung zwischen Antennenelementen mit der Wellenlänge des HF-Signals korreliert sein muss, üblicherweise ½ der Wellenlänge. In dem Fall von 5G-Systemen bedeutet dies, dass die Antennen in dem Bereich von 2 mm - 7 mm voneinander beabstandet sein müssen, was einen Aufschlag für die Raumeffizienz auferlegt. Zu diesem Zweck werden Verstärkerbauelemente bevorzugt, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten können und eine kleine Standfläche bieten. Ein Verstärkerbauelement, das bei sehr hohen Frequenzen arbeiten kann und eine kleine Standfläche besitzt, ist ein III-V-Halbleiterbauelement, wie zum Beispiel ein HEMT(Feldeffekttransistor mit hoher Elektronenmobilität)-Verstärkerbauelement auf GaN(Galliumarsenid)-Basis. III-V-Halbleiterbauelemente sind üblicherweise selbstleitende Bauelemente. Dies bedeutet, dass diese Bauelemente einen selbstleitenden Kanal aufweisen, der ohne Gate-Vorspannung vorliegt. Deshalb müssen diese selbstleitenden Bauelemente durch einen Schaltungsaufbau gesteuert werden, der in der Lage ist, negative Spannungen zu erzeugen, um das Bauelement abzuschalten. In dem Kontext phasengesteuerter 5G-mmW(Millimeterwellenlängen)-Antennenarray-Systeme führen HEMT-Bauelemente auf GaN-Basis, obwohl sie vielversprechend sind, einzigartige und bisher ungelöste Herausforderungen in Bezug auf Gate-Vorspannung, Kompensation dynamischer Drain-Strom-Effekte, Leistungszurückdrehen usw. ein.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Sende/Empfangs-Modul ist offenbart. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Sende/Empfangs-Modul eine integrierte Steuerschaltung, die ausgebildet ist, um in einem Sendemodus und in einem Empfangsmodus zu arbeiten. In dem Sendemodus ist die integrierte Steuerschaltung ausgebildet, um ein digitales Eingangssignal in eine Mehrzahl phasenverschobener HF-Sendesignale umzuwandeln, die einem Strahlungsmuster für ein phasengesteuertes Array entsprechen. In dem Empfangsmodus ist die integrierte Steuerschaltung ausgebildet, um ein HF-Empfangssignal, das von einem phasengesteuerten Array empfangen wird, in ein digitales Ausgangssignal umzuwandeln. Das Sende/Empfangs-Modul beinhaltet außerdem eine Mehrzahl integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen, die mit der integrierten Steuerschaltung verbunden sind und durch dieselbe gesteuert werden. Jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen ist ausgebildet, um während des Sendemodus eines der HF-Sendesignale unter Verwendung eines Leistungsverstärkers zu verstärken und während des Empfangsmodus eines der HF-Empfangssignale unter Verwendung eines rauscharmen Verstärkers zu verstärken. Die integrierte Steuerschaltung ist ausgebildet, um in dem Sendemodus den Leistungsverstärker zumindest einer integrierten Sende/Empfangs-Schaltung vorzuspannen und einen Leistungspegel des Leistungsverstärkers zumindest einer von integrierten Sende/Empfangs-Verstärker-Schaltungen zu kalibrieren. Die integrierte Steuerschaltung ist ausgebildet, um während des Empfangsmodus die integrierte Steuerschaltung durch Steuern des rauscharmen Verstärkers zumindest einer integrierten Sende/EmpfangsVerstärker-Schaltung vor Beschädigung zu schützen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet das Sende/Empfangs-Modul eine integrierte Steuerschaltung. Die integrierte Steuerschaltung beinhaltet einen RFIC-Eingangsanschluss, mehrere Paare von I/O(Eingangs/Ausgangs)-Anschlüssen, wobei jedes Paar einen TX-Ausgangsanschluss und einen RX-Eingangsanschluss aufweist, einen Leistungsteiler/-kombinierer mit einem Eingang, der mit dem RFIC-Eingangsanschluss verbunden ist, eine Mehrzahl von Phasenschiebern, die zwischen Ausgänge des Leistungsteilers/-kombinierers und die I/O-Anschlüsse geschaltet sind, und einen Leistungssensor, der mit jedem der I/O-Anschlüsse verbunden ist. Das Sende/Empfangs-Modul beinhaltet außerdem eine Mehrzahl integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen, die mit der integrierten Steuerschaltung verbunden sind. Jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen beinhaltet einen TX-Eingangsanschluss, der mit dem TX-Ausgangsanschluss eines der Paare von I/O-Anschlüssen verbunden ist, einen RX-Ausgangsanschluss, der mit dem RX-Eingangsanschluss von dem einen der Paare von I/O-Anschlüssen verbunden ist, einen Antennenschnittstellenanschluss, einen Leistungsverstärker, der mit dem TX-Eingangsanschluss verbunden ist, einen rauscharmen Verstärker, der mit dem RX-Ausgangsanschluss verbunden ist, und einen Schalter, der zwischen den Leistungsverstärker, den rauscharmen Verstärker und den Antennenschnittstellenanschluss geschaltet ist. Gate- und Drain-Anschluss einer letzten Stufe jedes Leistungsverstärkers der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen sind unabhängig mit der integrierten Steuerschaltung verbunden und durch diese steuerbar.
  • Ein Verfahren zum Senden und Empfangen von HF-Signalen über ein phasengesteuertes Array unter Verwendung eines Sende/Empfangs-Moduls ist offenbart. Das Sende/Empfangs-Modul beinhaltet eine integrierte Steuerschaltung und eine Mehrzahl integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen, wobei jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen einen Leistungsverstärker und einen rauscharmen Verstärker aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren ein Betreiben des Sende/Empfangs-Moduls in einem Sendemodus. Der Sendemodus beinhaltet ein Wandeln eines digitalen Eingangssignals in eine Mehrzahl phasenverschobener HF-Sendesignale, die einem Strahlungsmuster für ein phasengesteuertes Array entsprechen, unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung und ein Verstärken jedes der phasenverschobenen HF-Sendesignale unter Verwendung des Leistungsverstärkers in den integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen. Das Verstärken jedes der phasenverschobenen HF-Sendesignale beinhaltet ein Vorspannen des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung und ein Kalibrieren eines Leistungspegels des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Verstärker-Schaltung unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung. Das Verfahren beinhaltet ferner ein Betreiben des Sende/Empfangs-Moduls in einem Empfangsmodus. Der Empfangsmodus beinhaltet ein Verstärken eines oder mehrerer HF-Empfangssignale, die von dem phasengesteuerten Array empfangen werden, unter Verwendung des rauscharmen Verstärkers in den integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen, ein Wandeln der HF-Empfangssignale in ein digitales Ausgangssignal unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung und ein Schützen der integrierten Steuerschaltung vor schädigenden Leistungspegeln der HF-Empfangssignale durch Vorspannen des rauscharmen Verstärkers in zumindest einer der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung.
  • Figurenliste
  • Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, es sei denn, sie schließen einander aus. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung detailliert beschrieben.
    • 1 stellt ein Digital/Analog-Hybrid-5G-mmW-HF-Frontend-(oder Eingangs-)Element gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 2 stellt ein HF-Sende/Empfangs-Modul gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 3 stellt eine detaillierte schematische Ansicht einer integrierten Sende/EmpfangsSchaltung auf GaN-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 4 stellt eine detaillierte schematische Ansicht eines Leistungsverstärkers auf GaN-Basis und von Verbindungen zu einer integrierten Steuerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 5, die 5A und 5B beinhaltet, stellt eine detaillierte schematische Ansicht eines rauscharmen Verstärkers gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 6 stellt eine detaillierte schematische Ansicht eines Sende/Empfangs-Schalters für eine integrierte Sende/Empfangs-Schaltung auf GaN-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 7, die 7A und 7B beinhaltet, stellt eine detaillierte schematische Ansicht einer Topologie eines zweipoligen Umschalters (Dual-Pole-Dual-Throw (DPDT) Switch) und einer Topologie eines einpoligen Umschalters (Single-Pole-Dual-Throw (SPDT) Switch) für eine integrierte Sende/Empfangs-Schaltung auf GaN-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 8 stellt eine detaillierte schematische Ansicht eines Sende/Empfangs-Schaltungsaufbaus in einer integrierten Steuerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 9 stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Sende/Empfangs-Moduls in einem Sendemodus gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 10 stellt eine Darstellung von Ruhe-Drain-Strom gegenüber Zeit für einen Leistungsverstärker auf GaN-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 11 stellt eine Darstellung von Eingangsleistung gegenüber Drain-Strom für einen Leistungsverstärker auf GaN-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 12 stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Sende/Empfangs-Moduls in einem Empfangsmodus gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen sind ein Sende/Empfangs-Modul für phasengesteuerte 5G-mmW-Array-Antennensysteme und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Sende/Empfangs-Moduls offenbart. Das Sende/Empfangs-Modul kombiniert eine integrierte SiGe-BiCMOS-Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von integrierten Verstärker-Sende/Empfangs-Schaltungen auf GaN-Basis, wobei eine der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen auf GaN-Basis jeder Antenne des phasengesteuerten Arrays zugeordnet ist. Signalverteilung, Phasenverschiebung, Signalverstärkung, Leistungserfassung, Leistungskalibrierung, Temperaturausgleich, Vorspannungssteuerung und Digitalsteuerung treten an der integrierten SiGe-BiCMOS-Steuerschaltung auf. Sende/Empfangs-Umschalten, Hochleistungssignal-Verstärkung und Empfängerschutz treten auf dem Sende/Empfangschip auf GaN-Basis auf. Diese Architektur bietet die folgenden drei Vorteile, die bei herkömmlichen Entwürfen nicht verfügbar sind: (1) Vorspannen des GaN-Leistungsverstärkers unter Verwendung des SiGe-BiCMOS-Steuerchips, (2) Kalibrierung der Ausgangsleistung der optimalen Effizienz und Linearität des GaN-Leistungsverstärkers unter Verwendung des SiGe-BiCMOS-Steuerchips und (3) Schutz des Empfangs-Schaltungsaufbaus auf dem SiGe-BiCMOS-Steuerchip durch Steuern des rauscharmen GaN-Verstärkers.
  • Bezug nehmend auf 1 ist ein HF-Frontend-Element 100 für 5G-mmW-Systeme gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Dies ist ein Mehrfacheingang-Mehrfachausgang(MIMO)-System, bei dem mehrere HF-Signale abhängig von den digital angewendeten Gewichtungen auf mehrere räumliche Orte gerichtet sein können. Das HF-Frontend-Element besitzt eine Hybrid-Digital/Analog-Architektur, die N (N<< Nx × Nz) HF-Ketten verwendet, wobei jede mit Nx × Nz Antennen 102 mit analogen Phasen- und Amplitudengewichtungen verbunden ist. Diese Topologie partitioniert das Antennenarray in N Teilarrays, die jeweils ein analoges Strahlformen verwenden. Eine digitale Verarbeitung wird dann verwendet, um die N Teilarrays zu kombinieren und einen MIMO-Betrieb zu erzielen. Verglichen mit einer analogen Architektur bietet die Hybrid-Alternative eine MIMO-Funktionalität. Verglichen mit digitalem Strahlformen vermindert die Hybrid-Architektur die Anzahl erforderlicher HF-Ketten und ermöglicht, dass mehrere Datenströme an unterschiedliche räumliche Richtungen gesendet werden. Ein derartiges Hybrid-HF-Frontend-Element kann mit einem Ansatz von Baustein und phasengesteuertem Array implementiert sein. Bei diesem Beispiel werden vier analoge phasengesteuerte Array-Kacheln (oder Tiles) 104 mit einem digitalen MIMO-Sende/Empfangs-Gerät kombiniert. Jede analoge phasengesteuerte Array-Kachel 104 besitzt acht Längsstrahler 102, die in 1 als planare Antennen ausgeführt sind. Jede Antenne 102 weist eine analoge Phasen- und Amplitudengewichtung auf, die durch die Sender- und Empfänger(T/R)-Chips bereitgestellt wird, und einen zugeordneten Steuerschaltungsaufbau (GaN und SiGe-BiCMOS). Diese Topologie ein bildet 4 × 8-Hybrid-Array mit analoger Strahlführung in der Höhe und digital im Azimut. Dies ist ein Beispiel und verschiedene Variationen dieser Topologie können ohne weiteres umgesetzt werden.
  • Bezug nehmend auf 2 ist ein Sende/Empfangs-Modul 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Sende/Empfangs-Modul 200 kann in das HF-Frontend-Element 100, das Bezug nehmend auf 1 beschrieben wurde, eingebaut sein. Das Sende/Empfangs-Modul 200 umfasst eine integrierte Steuerschaltung 202, die ein Si-Ge(Silizium-Germanium)-BiCMOS-Chip sein kann. Die integrierte Steuerschaltung 202 beinhaltet einen RFIC-Eingangsanschluss 204 und vier Paare von I/O-Anschlüssen 206. Jedes Paar der I/O-Anschlüsse 206 beinhaltet einen TX-Ausgangsanschluss 208 (in 3 gezeigt) und einen RX-Eingangsanschluss 210 (in 3 gezeigt). Jedes Paar der I/O-Anschlüsse 206 ist mit integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 integrierte Schaltungen auf GaN-Basis. Diese integrierten Schaltungen auf GaN-Basis könnten eines oder mehrere HEMT-Bauelemente beinhalten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die integrierte Steuerschaltung 202 eine 4-Kanal-Steuerschaltung. Eine der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 ist für jeden Kanal vorgesehen. Alternativ kann die integrierte Steuerschaltung 202 abhängig von der erwünschten Topologie mehr Kanäle aufweisen. Ferner können die vier integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als separate Chips vorgesehen sind, abhängig von der letztendlichen Implementierung in zwei oder einen Chip kombiniert sein.
  • Jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 ist mit einem Antennenelement 214 verbunden. Die Antennenelemente 214 bilden zusammen ein phasengesteuertes Array. Die Gesamtgröße und die Chipkonfiguration des Sende/Empfangs-Moduls 200 sind durch die Beabstandung zwischen Antennenelementen 214 in dem phasengesteuerten Array eingeschränkt. Für typische Kommunikationsarrays, die ein Abtasten von ±45° erfordern, ist eine Beabstandung zwischen den Elementen von 0,6λο akzeptabel.
  • Das Sende/Empfangs-Modul 200 ist ausgebildet, um in einem Sendemodus und einem Empfangsmodus zu arbeiten. In dem Sendemodus wird eine Sende/Empfangsgerät-RFIC 216 (Modem) verwendet, um ein digitales Eingangssignal in ein HF-Signal umzuwandeln, das dann in den RFIC-Eingangsanschluss 204 der integrierten Steuerschaltung 202 zugeführt wird. Ein 1:4-Leistungsteiler/-kombinierer 218 wird verwendet, um das HF-Signal an die 4 Ausgangskanäle zu verteilen. Der 1:4-Leistungsteiler/-kombinierer 218 kann ein passiver oder aktiver Leistungsteiler/-kombinierer sein. Bei jedem Kanal wird ein einpoliger Umschalter (SPDT) 220 verwendet, um die Sender- von der Empfängerfunktion zu trennen. Eine Mehrzahl von Phasenschiebern 222 ist zwischen Ausgänge des Leistungsteilers/-kombinierers 218 und die I/O-Anschlüsse 206 geschaltet. Während des Sendens läuft das HF-Signal durch den Phasenschieber 222. Der Phasenschieber 222 kann gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ein aktiver Phasendreher, eine passive geschaltete Leitung/Echtzeit-Verzögerung, ein reflektierender Phasenschieber, ein Phasenschieber mit belasteter Leitung oder ein Hochpass/Tiefpass-Phasenschieber sein. Die phasenverschobenen HF-Sendesignale werden durch den TX-Ausgangsanschluss 208 zu den integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 zugeführt. Die integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 verstärken die phasenverschobenen HF-Sendesignale unter Verwendung eines Leistungsverstärkers 224 (in 3 gezeigt), wobei die Details desselben im Folgenden detailliert beschrieben werden.
  • In dem Empfangsmodus werden eines oder mehrere HF-Empfangssignale durch das phasengesteuerte Array empfangen und zu der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 zugeführt, die dem jeweiligen Antennenelement 214 zugeordnet ist. Die integrierte Sende/Empfangs-Schaltung 212 verstärkt das HF-Empfangssignal unter Verwendung eines rauscharmen Verstärkers 226 (in 3 gezeigt), wobei die Details desselben im Folgenden detailliert beschrieben werden. Das verstärkte HF-Empfangssignal wird dann über den RX-Eingangseinschluss 210 zu der integrierten Steuerschaltung 202 zugeführt. Das verstärkte HF-Empfangssignal läuft dann durch einen VGA 228 (Verstärker mit variablem Gewinn) und einen Phasenschieber 222. Das verstärkte HF-Empfangssignal wird letztlich in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt. Sowohl bei Senden als auch Empfangen werden der VGA 228 und der Phasenschieber 222 verwendet, um die erforderlichen analogen Phasen- und Amplitudengewichtungen an jedem Kanal bereitzustellen. Der gesamte Betrieb des SiGe-BiCMOS-T/R-Chips und des GaN-T/R-Chips wird durch eine SPI(serielle Peripherieschnittstelle)-Bus-Schnittstelle 230 gesteuert.
  • Bezug nehmend auf 3 ist eine der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die integrierte Sende/Empfangs-Schaltung 212 beinhaltet einen TX-Eingangsanschluss 223, der extern mit einem der TX-Ausgangsanschlüsse 208 der integrierten Steuerschaltung 202 verbunden ist, einen RX-Ausgangsanschluss 234, der extern mit einem der RX-Eingangsanschlüsse 210 der integrierten Steuerschaltung 202 verbunden ist, und einen Antennenschnittstellenanschluss 236, der extern mit einem der Antennenelemente 214 des phasengesteuerten Arrays verbunden ist. Die integrierte Sende/Empfangs-Schaltung 212 beinhaltet intern einen Leistungsverstärker 224, einen rauscharmen Verstärker 226 und einen Sende/Empfangs-Schalter 238. Der Leistungsverstärker 224 ist mit dem TX-Eingangsanschluss 232 verbunden. Der rauscharme Verstärker 226 ist mit dem RX-Ausgangsanschluss 234 verbunden. Der Sende/Empfangs-Schalter 238 ist zwischen den Leistungsverstärker 224, den rauscharmen Verstärker 226 und den Antennenschnittstellenanschluss 236 geschaltet. Der Sende/Empfangs-Schalter 238 wird verwendet, um zwischen dem Sendemodus und dem Empfangsmodus umzuschalten. Während des Sendemodus verbindet der Sende/Empfangs-Schalter 238 einen Ausgang des Leistungsverstärkers 224 mit dem Antennenschnittstellenanschluss 236 und trennt den rauscharmen Verstärker 226 von dem Antennenschnittstellenanschluss 236. Zu diesem Zeitpunkt wird ein HF-Sendesignal, das an den TX-Eingangsanschluss 232 angelegt wird, durch den Leistungsverstärker 224 verstärkt und einem der Antennenelemente 214 über den Sende/Empfangs-Schalter 238 zugeführt. Während des Empfangsmodus verbindet der Sende/Empfangs-Schalter 238 den Antennenschnittstellenanschluss 236 mit einem Eingang des rauscharmen Verstärkers 226 und trennt den Leistungsverstärker 224 von dem Antennenschnittstellenanschluss 236. Zu diesem Zeitpunkt wird ein HF-Empfangssignal, das durch eines der Antennenelemente 214 empfangen wird, durch den rauscharmen Verstärker 226 verstärkt und dem RX-Eingangsanschluss der integrierten Steuerschaltung 202 zugeführt und kann dann in einen rauscharmen Verstärker 226 in der integrierten Steuerschaltung 202 zugeführt werden.
  • Der Sende/Empfangs-Schalter 238 benötigt eine hohe Steuerspannung (z. B. in dem Bereich von -10V bis -15V), um Spannungsumschwünge, die durch die übertragenen HF-Leistungen bewirkt werden, bis zu 36 dBm zu überleben. Abhängig von der spezifischen SiGe-BiCMOS-Technologie, die für die integrierte Steuerschaltung 202 verwendet wird, kann ein Erzeugen derartiger negativer Spannungen ein Spannungsschiebernetzwerk erforderlich machen, das in die integrierte Steuerschaltung 202 integriert ist.
  • 4 stellt ein detailliertes Blockdiagramm des Leistungsverstärkers 224 einer der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen 212 dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Leistungsverstärker 224 als ein Dreistufen-Leistungsverstärker 224 ausgebildet. Alternativ können unterschiedliche Anzahlen von Stufen abhängig von der anvisierten Ausgangsleistung und der verfügbaren Eingangsleistung von der integrierten Steuerschaltung 202 ausgewählt werden. Die dritte Stufe kann eine aktive Zelle beinhalten, wie in 4A dargestellt ist, oder kann alternativ zwei aufgeteilte aktive Zellen beinhalten, wie in 4B dargestellt ist. Die aufgeteilte Zelltopologie aus 4B besetzt etwas mehr Chipfläche, bietet jedoch eine verbesserte Wärmehandhabung (etwa 40 % weniger Wärmefluss für die gleiche Source-Drain-Beabstandung bei der gleichen Ausgangsleistung), was zu einer verbesserten leistungsbezogenen zusätzlichen Effizienz (power added efficiency = PAE) führt. Standard-Leistungsentwurfstechniken folgend kann das Treiberverhältnis des Leistungsverstärkers 224 z. B. durch die Bauelementdimensionierung abhängig von der letztendlichen Systemanforderung bestimmt werden (PAE und Pout in Sättigung, bei einer 1dB-Kompression oder mit Zurückdrehen).
  • 5, die 5A und 5B beinhaltet, stellt ein detailliertes Blockdiagramm eines rauscharmen Verstärkers 226 dar, der in der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 vorgesehen ist. 5A stellt einen rauscharmen Zweistufen-Verstärker 226 dar, und 5B stellt einen rauscharmen Einstufen-Verstärker 226 dar. Der rauscharme Verstärker 226 ist, zusätzlich zu einer Verbesserung des Empfangs, üblicherweise erforderlich, um auch einen Schutz für jedes Sende/Empfangssystem bereitzustellen, das HF-Signale mit Leistungspegeln von 36 dBm oder mehr überträgt. Während der Signalübertragung sind diese Signale mit hohen Leistungspegeln an einem Eingang des Sende/Empfangs-Schalters 238 vorhanden. Obwohl der Sende/Empfangs-Schalter 238 nominell dieses Hochleistungssignal von dem Empfangsweg der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 isoliert, liefern Sende/Empfangs-Schalter üblicherweise eine Isolierung in dem Bereich von 20 dB. Deshalb ist es möglich, dass ein HF-Signal von 16 dBm oder mehr in dem Empfangsweg der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 vorhanden sein kann. Dieses HF-Signal kann potenziell den Empfangs-Schaltungsaufbau der integrierten Steuerschaltung 202 beschädigen. Ein rauscharmer Einstufen- oder Zweistufen-Verstärker 226 liefert zusätzlichen Schutz durch Isolieren des Empfangs-Schaltungsaufbaus der integrierten Steuerschaltung 202 von diesen potenziell schädigenden Signalen. Die erste Stufe ist für eine minimale Rauschzahl und eine HF-Überlebensfähigkeit optimiert. Die zweite Stufe, falls verfügbar, kann verwendet werden, um einen zusätzlichen Gewinn bereitzustellen, sowie als ein VGA/Begrenzer zum weiteren Schützen der integrierten Steuerschaltung 202.
  • 6 stellt eine detaillierte Schematik des Sende/Empfangs-Schalters 238 dar, der in der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Sende/Empfangs-Schalter 238 eine asymmetrische Topologie auf, was es ermöglicht, dass der Senderweg für Linearität und Leistungshandhabung optimiert werden kann, während der Empfängerweg für einen geringen Verlust optimiert ist. Ferner erfordert die asymmetrische Topologie nur eine Vorspannungs-Steuerspannung und vereinfacht so eine Steuerung des Schalters. Die Schaltbauelemente 242 in dem Sende/Empfangs-Schalter 238 können FET-Bauelemente auf GaN-Basis, wie z. B. HEMT-Bauelemente, sein. Wie bereits erwähnt wurde, wird, wenn das System eine Hoch-HF-Leistung handhaben muss (z. B. Übertragen von Signalen mit 36 dBm oder mehr), eine hohe negative Steuerspannung (z. B. -10V - 15V) benötigt, um diese Schaltbauelemente 242 zu steuern. Wenn die SiGe-BiCMOS-Technologie, die für die integrierte Steuerschaltung 202 verwendet wird, nicht in der Lage ist, diese sehr hohen negativen Spannungen zu erzeugen, kann ein externes Spannungsschiebernetzwerk 244 verwendet werden. Serieninduktoren 246, z. B. schmale Mikrostreifenleitungen, können verwendet werden, um die Kapazität der FETs auszuschalten und das Ansprechen des Schalters (z. B. Einfügungsverlust und Isolierung) bei der richtigen Betriebsfrequenz zu mitteln. Eine zusätzliche Isolierung auf Kosten eines höheren Einfügungsverlustes kann durch Hinzufügen weiterer Abschnitte an dem Schalter in einer Serien/Nebenschluss-Topologie (in den Figuren nicht gezeigt) erzielt werden.
  • 7, die 7A und 7B beinhaltet, stellt ein detailliertes Blockdiagramm der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 dar, die für ein Doppelpolarisations-Antennensystem ausgebildet ist. 7A stellt eine erste Topologie mit einem zweipoligen Umschalt(DPDT)-Schalter 248 anstelle der in 6 dargestellten Topologie des Sende/Empfangs-Schalters 238 dar. Ein DPDT-Schalter besitzt üblicherweise einen höheren Verlust als ein Sende/Empfangs-Schalter, liefert jedoch zwei Ausgänge. Diese beiden Ausgänge stellen eine Verbindung zu den beiden Zuführungen einer Doppelpolarisations-Antenne her. Entsprechend kann die Topologie aus 7 für ein Doppelpolarisations-Diversity-System verwendet werden, bei dem das T/R-Modul in abwechselnden Polarisierungen senden und empfangen kann. 7B stellt eine andere Topologie dar, die zwei RX-Ketten und zwei einpolige Umschalt(SPDT)-Schalter 250 einsetzt. Diese Topologie bietet die Option des Sendens in einer Polarisierung und gleichzeitigen Empfangens in der anderen. Alternativ kann eine andere Topologie (nicht gezeigt) zwei RX-Ketten und zwei TX-Ketten mit einem zweipoligen Vierfach(DP4T)-Umschalter aufweisen. Diese Topologie kann ein gleichzeitiges Senden und Empfangen in beiden Polarisierungen bieten.
  • 8 stellt eine detaillierte Schematik der Schnittstelle zwischen der integrierten Steuerschaltung 202 und der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 dar. Diese Schematik stellt den Sendekanal der integrierten Steuerschaltung 202 dar, der das HF-Sendesignal über die Verbindung zwischen dem TX-Ausgangsanschluss 208 und dem TX-Eingangsanschluss 232 in eine erste Stufe des Leistungsverstärkers 224 zuführt, sowie den Empfangskanal der integrierten Steuerschaltung 202, der das HF-Sendesignal von dem rauscharmen Verstärker 226 über die Verbindung zwischen dem RX-Ausgangsanschluss 234 und dem RX-Eingangsanschluss 210 zu der integrierten Steuerschaltung 202 zuführt. Ein einpoliger Umschalt(SPDT)-Schalter 252 wird verwendet, um die Sender- von der Empfängerfunktion zu trennen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die integrierte Steuerschaltung 202 einen TX-Koppler 254, der mit dem TX-Ausgangsanschluss 208 verbunden ist und so ausgebildet ist, um einen HF-Leistungspegel des HF-Sendesignals, das der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 durch die integrierte Steuerschaltung 202 zugeführt wird, zu messen. Die HF-Leistung (PTX) wird an dem Leistungsdetektor 270 gemessen. Zusätzlich beinhaltet die integrierte Steuerschaltung 202 einen RX-Koppler 256, der mit dem RX-Eingangsanschluss verbunden und so ausgebildet ist, um einen HF-Leistungspegel des HF-Empfangssignals zu messen, das der integrierten Steuerschaltung 202 durch die integrierte Sende/Empfangs-Schaltung 212 zugeführt wird. Die HF-Leistung (PRX) wird an dem Leistungsdetektor 270 gemessen. Der Detektorschalter 252 wird verwendet, um den Leistungsdetektor 270 mit dem Signal zu verbinden, das durch den Tx-Koppler 254 oder den Rx-Koppler 256 gekoppelt wird.
  • Zusätzlich zu den Verbindungswegen zwischen den Paaren von I/O-Anschlüssen 206 beinhaltet die integrierte Steuerschaltung 202 unabhängige elektrische Verbindungen, die eine Vorspannsteuerung der Verstärkerbauelemente in der integrierten Sende/EmpfangsSchaltung 212 ermöglichen. Diese Vorspannungssteuerung ermöglicht es, dass die integrierte Steuerschaltung 202 (1) die geeignete Gate-Vorspannung des Leistungsverstärkers 224 einstellen, (2) den Leistungspegel des Verstärkers 224 für eine optimale Effizienz kalibrieren und (3) die integrierte Steuerschaltung 202 vor schädigenden Signalen in dem Empfangsmodus schützen kann. Die Details dieser Prozeduren werden im Folgenden detailliert beschrieben. Wie in 8 gezeigt ist, weisen die ersten beiden Stufen des Leistungsverstärkers 224 einen Gate- und einen Drain-Vorspannanschluss 258, 260 auf, die aneinander gebunden sind, da diese Stufen beide in einem linearen Modus arbeiten. Die dritte Stufe 240 des Leistungsverstärkers 224 andererseits muss bei Leistungszurückdrehen in Sättigung arbeiten, und insbesondere bei dem 1dB-Kompressionspunkt. Entsprechend ist eine unabhängige Verbindung zwischen dem Gate- und dem Drain-Vorspannanschluss 262, 264 der dritten (letzten) Stufe 240 des Leistungsverstärkers 224 und der integrierten Steuerschaltung 202 vorgesehen. Der rauscharme Verstärker 226 nutzt eine Selbstvorspann-Topologie, die die Gatespannung durch Verwenden eines geeigneten verbundenen Widerstands von der Source des Bauelements zu Masse einstellt. Deshalb wird nur eine Drain-Spannung, die durch eine Drain-Verbindung 266 zwischen der integrierten Steuerschaltung 202 und dem rauscharmen Verstärker 226 vorgesehen ist, benötigt, um das Bauelement an- und auszuschalten.
  • Ein Netzwerk von Überbrückungskondensatoren 268 ist in der integrierten Steuerschaltung 202 für jede DC-Vorspannung vorgesehen, die an die integrierte Sende/EmpfangsSchaltung 212 angelegt wird. Das Netzwerk von Überbrückungskondensatoren 268 kann ein mehrstufiges Netzwerk mit progressiv größeren Kondensatoren (beginnend bei 100pF bis zu 1 µF beispielsweise) und Widerständen beinhalten, die mit Masse nebengeschlossen sind. Dieses Überbrückungskondensator-Netzwerk unterdrückt DC- und niederfrequente Schwingungen.
  • Bezug nehmend auf 9 ist ein Verfahren 900 zum Betreiben eines Sende/Empfangs-Moduls 200, das hierin beschrieben ist, in einem Sendemodus gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verfahren 900 beinhaltet eine Technik 902 eines Gate-Vorspannens (Einschaltens) eines Leistungsverstärkers 224, eine Technik 904 für Kalibrierung und Betrieb eines Leistungsverstärkers 224.
  • Die Technik 902 zum Gate-Vorspannen (Einschalten) des Leistungsverstärkers 224 beginnt mit Ausschalten 902 (d. h. Deaktivieren) des Sendens eines HF-Signals von der integrierten Steuerschaltung 202 an die integrierte Sende/Empfangs-Schaltung 212. Nachfolgend wird unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung 202 eine negative Gate-Spannung (VG) an das oder die Gates des Leistungsverstärkers 224 angelegt 904. Die Gate-Spannung ist ausreichend, um die Gates des Leistungsverstärkers 224 abzuschalten (z. B. VG = -5V oder weniger). Nachfolgend wird eine Drain-Spannung (VD) an das oder die Drains des Leistungsverstärkers 224 angelegt 908. Nachfolgend wird die Gate-Spannung (VG) angepasst 910, bis der Leistungsverstärker 224 einen vorbestimmten Ruhe-Drain-Strom Idq aufweist. Nachfolgend wird ein HF-Sendesignal an den Leistungsverstärker 224 angelegt. Zusammenfassend erfordert eine Vorspannsteuerung der integrierten Sende/Empfangs-Schaltung 212 es, dass die integrierte Steuerschaltung 202 eine zu Beginn negative Abschnür-Gate-Spannung und positive Drain-Spannung bereitstellt, den Ruhe-Drain-Strom Idq überwacht und die negative Gate-Spannung anpasst, so dass ein richtiger Ruhestrom beibehalten wird.
  • Bezug nehmend auf 10 ist ein Drift-Effekt für den Ruhe-Drain-Strom Idq, der in Bauelementen auf GaN-Basis auftritt, dargestellt. Der Graph stellt einen Ruhe-Drain-Strom 912 Idq gegenüber einer Zeit für den Betrieb eines Transistors auf GaN-Basis dar. In den anfänglichen Betriebsminuten fällt ein Ruhe-Drain-Strom 912 Idq für die erste paar Minuten/Stunden schnell ab und stabilisiert sich schließlich nach mehreren Stunden kontinuierlichen Betriebs. Durch wiederholtes Durchführen der oben beschriebenen Gate-Vorspanntechnik während des Betriebs des Bauelements kann die integrierte Steuerschaltung 202 das Bauelement erneut vorspannen (z. B. Vg etwas stärker positiv verschieben), um immer den geeigneten Wert des Ruhe-Drain-Stroms 912 Idq zu erfüllen.
  • Bezug nehmend auf 11 ist ein Beispiel des simulierten Verhaltens eines Einstufen-Verstärkers mit 17-19 GHz auf GaN-Basis dargestellt. Dieser Verstärker auf GaN-Basis kann die letzte Stufe des Leistungsverstärkers 224 der integrierten Sende/EmpfangsSchaltung 212 sein, die hierin beschrieben ist. Wie aus der Darstellung 914 von Drain-Strom gegenüber Eingangsleistung zu sehen ist, bleibt der Drain-Strom bei oder unter einem Ruhe-Drain-Strom Idq von 50mA, wenn sich der Leistungsverstärker 224 in dem linearen Modus befindet. Bei einem 1dB-Kompressionspunkt (Pin=8 dBm) beträgt der Drain-Strom 58mA (15 % höher als Idq), bei maximaler leistungsbezogener zusätzlicher Effizienz (Pin=22 dBm) beträgt der Drain-Strom 160mA (3,2 × Idq) und bei Psat (Sättigung) beträgt der Drain-Strom 167mA (3,3 × Idq). Außerdem ist, wenn sich der Verstärker Psat annähert, die Veränderung an dem Drain-Strom gegenüber der Eingangsleistung sehr klein (5 % für jedes dB einer ansteigenden Eingangsleistung). Diese Beziehungen zeigen, dass Pout und die Linearität (Kompressionspegel) des Verstärkers auf GaN-Basis durch Verfolgen der Eingangsleistung Pin und des Drain-Stroms des Leistungsverstärkers 224 überwacht werden können. Bei diesem Beispiel tritt eine 1dB-Kompression auf, wenn Id~1,15 × Idq, und Psat ist erreicht, sobald Id 3x Idq überschreitet und die Veränderungsrate von Id gegenüber Pin <5 % pro 1 dB einer ansteigenden Eingangsleistung ist. Diese exakten Werte beziehen sich auf ein spezifisches GaN-Bauelement, diese Beziehungen können jedoch für andere mmW-GaN-Technologien extrapoliert werden.
  • Durch Verwenden der gespeicherten Darstellung 914 von Drain-Strom gegenüber Eingangsleistung kann die integrierte Steuerschaltung 202 die Kalibrierungstechnik des Leistungsverstärkers 224 durchführen. Wieder Bezug nehmend auf 9 kann die Kalibrierungstechnik 904 des Leistungsverstärkers 224 nach der Gate-Vorspanntechnik 902 des Leistungsverstärkers 224 durchgeführt werden. Sobald der Leistungsverstärker 224 vorgespannt ist, verbindet der Schalter 252 den Leistungssensor 270 durch den TX-Koppler 254 mit der Tx-Leistung und die Sendeleistung des HF-Sendesignals wird gemessen. Das HF-Signal wird dem Leistungsverstärker 224 zugeführt und PTx (Sendeleistung) verändert sich langsam rampenartig, während der Drain-Strom des Leistungsverstärkers 224 unter Verwendung der unabhängigen Verbindungen der integrierten Steuerschaltung 202 überwacht wird 918. Die integrierte Steuerschaltung 202 zeichnet PTx auf, was zu Id führt, der X% höher ist als Idq 920. Bei dem Bezug nehmend auf 10 beschriebenen Beispiel gilt x=15%. Dies ist jedoch nur ein Beispiel und der genaue Wert von X kann mit experimentellen Daten für jeden Leistungsverstärker 224 bestimmt werden. Dieser Vorgang ermöglicht es, dass die integrierte Steuerschaltung 202 den notwendigen Gate- und Drain-Strom schätzen kann, um bei dem 1dB-Kompressionspunkt zu arbeiten, und die Eingangsleistung abhängig von dem Modulations- und Codierschema (MCS) auf den nötigen Wert zurückzudrehen. Wahlweise kann PTx weiter erhöht werden, bis Id > z* Idq ist und die Anstiegsrate von Id gegenüber PTx sich verlangsamt 922 (z. B. <y% pro dB erhöhter Eingangsleistung). Bei dem oben gezeigten Beispiel wären dies z=3,3 und ein Anstieg von y=5% bei Idq für einen Anstieg von PTx von 1dB). Die genauen Werte von z und y% können für jedes beliebige Leistungsverstärkerbauelement 224 durch experimentelle Daten bestimmt werden. Dieser Kalibrierungsvorgang kann periodisch wie benötigt wiederholt werden 924, um mögliche Drift- und Temperatureffekte auf den Leistungsverstärker 224 zu berücksichtigen. Sobald der LV kalibriert ist, kann der Sender mit einem Senden von Paketen mit der maximalen Leistung, die für jedes MCS möglich ist, das im Präambel jedes Pakets spezifiziert ist, beginnen.
  • Bezug nehmend auf 12 ist ein Verfahren 1200 zum Betreiben des hierin beschriebenen Sende/Empfangs-Moduls 200 in einem Empfangsmodus gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verfahren beinhaltet einen Empfangsmodus-Initialisierungsvorgang 1202 und einen RX-Leistungsschutzvorgang 1204. Gemäß dem Empfangsmodus-Initialisierungsvorgang 1202 wird vor einem Eintreten in den Empfangsmodus VD (Drain-Spannung zu dem rauscharmen Verstärker 226) entfernt 1206, wenn der Leistungsverstärker 224 an ist. Nachfolgend wird der Sende/Empfangs-Schalter 238 in den Empfangsmodus 1208 geschaltet, so dass das Antennenelement mit dem rauscharmen Verstärker 226 verbunden ist. Nachfolgend wird VD angelegt 1208 und die integrierte Sende/- Empfangs-Schaltung 1212 arbeitet nun in dem Empfangsmodus.
  • Während des Empfangsmodus ist der Sende/Empfangs-Schalter 238 des rauscharmen Verstärkers 226 an und leitet das HF-Empfangssignal weiter, die integrierte Steuerschaltung 202 ist potenziell schädigenden Hochleistungssignalen ausgesetzt. Diese Hochleistungssignale können durch benachbarte Sender erzeugt werden oder durch Mehrweg-Reflexionen des übertragenen Signals, das in einem bestimmten zufälligen Zeitintervall, nachdem es ausgesandt wurde, in der Antenne zurückkommt. In jedem Fall besitzen diese Signale das Potenzial, den Empfangs-Schaltungsaufbau der integrierten Steuerschaltung 202 zu schädigen. Gemäß dem hierin offenbarten RX-Leistungsschutzvorgang 1204 ist, wenn der Sende/Empfangs-Schalter 238 auf Empfangen eingestellt ist, der Erfassungsschalter 252 eingestellt, da der Leistungsdetektor 270 durch den RX-Koppler 256 mit der RX-Leistung verbunden ist. Nachfolgend wird der Leistungspegel des HF-Empfangssignals (PRx) verfolgt. Wenn PRx größer ist als eine vordefinierte Grenze (definiert durch die Leistungshandhabungsfähigkeit der verwendeten BiCMOS-Technologie), wird der Gewinn des rauscharmen Verstärkers 226 durch Vermindern von Vd reduziert 1212. Alternativ kann der rauscharme Verstärker 226 abgeschaltet werden 1212. Da der rauscharme Verstärker 226, der hierin beschrieben ist, eine Selbstvorspanntopologie verwendet, wird die Gate-Vorspannung automatisch durch Vd eingestellt und deshalb muss Vd nur angepasst werden, um den rauscharmen Verstärker 226 zu steuern.
  • Das Sende/Empfangs-Modul 200 und entsprechende hierin beschriebene Techniken verwendet vorzugsweise Leistungssensoren, die in die integrierte Steuerschaltung 202 eingebaut sind, um die hierin beschriebenen Gate-Vorspann- und Leistungskalibrierungstechniken durchzuführen. Herkömmliche Entwürfe von Leistungsverstärkern auf GaN-Basis nutzen Leistungssensoren, die in den GaN-Chip selbst eingebaut sind. Während diese Konfiguration eine Kalibrierung basierend auf einer absoluten übertragenen Leistung erlaubt, hat sie nur eingeschränkt Verwendung für mmW-Kommunikationssysteme, die mit Zurückdrehpegeln von dem Ausgang arbeiten. In diesem Fall wird das Zurückdrehen abhängig davon vorbestimmt, welches Modulations- und Codierschema (MCS) verwendet wird. Die hierin beschriebene Messung von Pin gegenüber Id ermöglicht es der integrierten Steuerschaltung 202, den 1dB-Kompressionspunkt und Psat zu identifizieren und dann die Eingangsleistung in dem Leistungsverstärker 224 von diesem Punkt abhängig von dem verwendeten MCS zurückzudrehen. Diese Kalibrierung ermöglicht es dem Sender, mit der höchsten Leistung zu arbeiten, die die Spektralmasken- und Fehlervektorgrößen (EVM)-anforderungen für das ausgewählte MCS erfüllt. Ferner kann die Ausgangsleistung potenziell für jedes übertragene Paket überwacht und abhängig von den MCS-Informationen angepasst werden, die in dem Präambel-Kurz-Übungsfeld beinhaltet sind.
  • Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Entwürfe von Leistungsverstärkern auf GaN-Basis, die Leistungssensoren einsetzen, die in den GaN-Chip eingebaut sind, besteht darin, dass die Leistungssensoren wertvollen Raum auf dem GaN-Chip verbrauchen. Üblicherweise verwendet ein Leistungsdetektor einen Koppler, der das Ausgangstor abgreift und einen kleinen Bruchteil von Pout in den Detektor koppelt, und einen Diodendetektor. Der Koppler nimmt Raum auf dem GaN-Chip beispielsweise in der Form von Koppler-Übertragungsleitungen, Dünnfilmwiderstand und Strukturen von Durchgangsloch zu Masse ein. Die Detektordiode kann monolithisch auf dem GaN-Chip integriert sein (FET, geschaltet als Diode) oder kann sich auf einem unterschiedlichen Chip befinden. In dem ersten Fall nimmt die Diode Raum auf dem GaN-Chip ein (FET, Durchgangsloch-zu-Masse). In dem zweiten Fall benötigt die Diode eine zusätzliche Eingangs/Ausgangs-Anschlussfläche speziell für die Leistungserfassungsschaltung, was auch zusätzlichen Raum auf dem Chip einnimmt. Dieser Größenanstieg ist insbesondere problematisch in dem Fall von phasengesteuerten 5G-mmW-Antennenarraysystemen, die eine sehr kompakte Größe benötigen, um die Beabstandungsanforderungen der Antennenelemente unterzubringen.
  • Wie die Ausdrücke „gekoppelt“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ in dieser Beschreibung eingesetzt werden, sollen sie nicht bedeuten, dass die Elemente direkt gekoppelt sein müssen - dazwischen liegende Elemente könnten zwischen den „gekoppelten“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sein. Der Ausdruck „elektrisch verbunden“ soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den Elementen beschreiben, die elektrisch miteinander verbunden sind, z. B. eine Verbindung über ein Metall und/oder stark dotierten Halbleiter.
  • Wie die Ausdrücke „haben“, „beinhalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen hierin verwendet werden, sind sie offene Ausdrücke, die das Vorliegen angegebener Elemente oder Merkmale anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Die Artikel „eine/r/s“ und „der/die/das“ sollen den Plural wie auch den Singular beinhalten, es sei denn, der Kontext gibt dies klar anderweitig vor.
  • Unter Berücksichtigung des obigen Bereichs von Variationen und Anwendungen soll darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt ist, noch durch die beigefügten Zeichnungen eingeschränkt ist. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche und deren rechtliche Äquivalente eingeschränkt.

Claims (21)

  1. Beansprucht wird:
  2. Ein Sende/Empfangs-Modul, das folgende Merkmale aufweist: eine integrierte Steuerschaltung, die ausgebildet ist, um in einem Sendemodus und in einem Empfangsmodus zu arbeiten, wobei in dem Sendemodus die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um ein digitales Eingangssignal in eine Mehrzahl phasenverschobener HF-Sendesignale umzuwandeln, die einem Strahlungsmuster für ein phasengesteuertes Array entsprechen, und wobei in dem Empfangsmodus die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um ein HF-Empfangssignal, das von einem phasengesteuerten Array empfangen wird, in ein digitales Ausgangssignal umzuwandeln; und eine Mehrzahl integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen, die mit der integrierten Steuerschaltung verbunden sind und durch dieselbe gesteuert werden, wobei jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen ausgebildet ist, um während des Sendemodus eines der HF-Sendesignale unter Verwendung eines Leistungsverstärkers zu verstärken und während des Empfangsmodus eines der HF-Empfangs-signale unter Verwendung eines rauscharmen Verstärkers zu verstärken, wobei die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um in dem Sendemodus den Leistungsverstärker jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung vorzuspannen und einen Leistungspegel des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Verstärker-Schaltung zu kalibrieren, und wobei die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um in dem Empfangsmodus die integrierte Steuerschaltung durch Vorspannen des rauscharmen Verstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Verstärker-Schaltung vor schädigenden Leistungspegeln des HF-Empfangssignals zu schützen.
  3. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 1, bei dem die integrierte Steuerschaltung mehrere Paare von I/O-Anschlüssen aufweist, wobei jedes Paar einen TX-Ausgangsanschluss und einen RX-Eingangsanschluss aufweist, wobei die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um die Mehrzahl phasenverschobener HF-Sendesignale an die TX-Ausgangsanschlüsse anzulegen, und wobei die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um die HF-Empfangssignale an den RX-Eingangsanschlüssen zu empfangen.
  4. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 2, bei dem jede integrierte Sende/Empfangs-Schaltung einen TX-Eingangsanschluss, einen RX-Ausgangsanschluss, einen Antennenschnittstellenanschluss und einen Schalter aufweist, wobei der Leistungsverstärker mit dem TX-Eingangsanschluss verbunden ist, wobei der rauscharme Verstärker mit dem RX-Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei der TX-Eingangsanschluss jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung mit einem der TX-Ausgangsanschlüsse der integrierten Steuerschaltung verbunden ist, wobei der RX-Ausgangsanschluss jeder integrierten Sende/EmpfangsSchaltung mit einem der RX-Eingangsanschlüsse der integrierten Steuerschaltung verbunden ist, wobei der Schalter ausgebildet ist, um während des Sendemodus einen Ausgang des Leistungsverstärkers mit dem Antennenschnittstellenanschluss zu verbinden und den rauscharmen Verstärker von dem Antennenschnittstellenanschluss zu trennen, und wobei der Schalter ausgebildet ist, um während des Empfangsmodus den Antennenschnittstellenanschluss mit einem Eingang des rauscharmen Verstärkers zu verbinden und den Leistungsverstärker von dem Antennenschnittstellenanschluss zu trennen.
  5. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 3, bei dem die integrierte Steuerschaltung einen TX-Leistungssensor aufweist, der mit jedem TX-Ausgangsanschluss verbunden ist, und bei dem die integrierte Steuerschaltung einen RX-Leistungssensor aufweist, der mit jedem RX-Eingangsanschluss verbunden ist.
  6. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 4, bei dem die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um die integrierte Steuerschaltung durch Überwachen eines Leistungspegels des HF-Empfangssignals an jedem RX-Ausgangsanschluss unter Verwendung der RX-Leistungssensoren und durch Reduzieren einer Eingangsvorspannung der Leistung des rauscharmen Verstärkers, die einem HF-Empfangssignal zugeordnet ist, das einen vordefinierten Leistungspegel überschreitet, vor schädigenden Leistungspegeln des HF-Empfangssignals zu schützen.
  7. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 5, bei dem die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um die Leistung des rauscharmen Verstärkers, die dem HF-Empfangssignal zugeordnet ist, in dem Fall abzuschalten, dass das HF-Empfangssignal den vordefinierten Leistungspegel überschreitet.
  8. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem eine letzte Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/EmpfangsSchaltung einen Gate-Anschluss und einen Drain-Anschluss aufweist, und wobei jeder Gate-Anschluss und Drain-Anschluss unabhängig mit der integrierten Steuerschaltung verbunden ist.
  9. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 7, bei dem die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um den Leistungspegel des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Verstärker-Schaltung in dem Sendemodus durch Vergleichen eines gemessenen Leistungswerts der HF-Sendesignale und eines beobachteten Drain-Stroms der letzten Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers mit einer Darstellung von Leistung gegenüber Strom, die intern in der integrierten Steuerschaltung gespeichert ist, zu kalibrieren.
  10. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 8, bei dem die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um den Leistungspegel des Leistungsverstärkers durch Betreiben des Leistungsverstärkers bei einem 1dB-Kompressionspunkt unter Verwendung der gespeicherten Darstellung zu kalibrieren.
  11. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist, um den Leistungsverstärker jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung durch Steuern einer Gate-Vorspannung der letzten Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/EmpfangsSchaltung basierend auf einer Messung des Drain-Stroms der letzten Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung vorzuspannen.
  12. Ein Sende/Empfangs-Modul, das folgende Merkmale aufweist: eine integrierte Steuerschaltung, die folgende Merkmale aufweist: einen RFIC-Eingangsanschluss; mehrere Paare von I/O-Anschlüssen, wobei jedes Paar einen TX-Ausgangsanschluss und einen RX-Eingangsanschluss aufweist; einen Leistungsteiler/-kombinierer mit einem Eingang, der mit dem RFIC-Eingangsanschluss verbunden ist; und eine Mehrzahl von Phasenschiebern, die zwischen Ausgänge des Leistungsteilers/-kombinierers und die I/O-Anschlüsse geschaltet sind, wobei ein Leistungssensor mit jedem der I/O-Anschlüsse verbunden ist; eine Mehrzahl integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen, die mit der integrierten Steuerschaltung verbunden sind, wobei jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen folgende Merkmale aufweist: einen TX-Eingangsanschluss, der mit dem TX-Ausgangsanschluss eines der Paare von I/O-Anschlüssen verbunden ist; einen RX-Ausgangsanschluss, der mit dem RX-Eingangsanschluss von dem einen der Paare von I/O-Anschlüssen verbunden ist; einen Antennenschnittstellenanschluss; einen Leistungsverstärker, der mit dem TX-Eingangsanschluss verbunden ist; einen rauscharmen Verstärker, der mit dem RX-Ausgangsanschluss verbunden ist; und einen Schalter, der zwischen den Leistungsverstärker, den rauscharmen Verstärker und den Antennenschnittstellenanschluss geschaltet ist, wobei Drain- und Gate-Anschluss einer letzten Stufe jedes Leistungsverstärkers der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen unabhängig mit der integrierten Steuerschaltung verbunden und durch dieselbe steuerbar sind.
  13. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 11, bei dem die integrierte Steuerschaltung eine integrierte SiGe-BiCMOS-Schaltung ist, und bei dem alle integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen integrierte Schaltungen auf GaN-Basis sind.
  14. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem der Schalter jeder integrierten Steuerschaltung ein zweipoliger Umschalter ist.
  15. Das Sende/Empfangs-Modul gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem der Schalter jeder integrierten Steuerschaltung ein einpoliger Umschalter ist.
  16. Ein Verfahren zum Senden und Empfangen von HF-Signalen über ein phasengesteuertes Array unter Verwendung eines Sende/Empfangs-Moduls, wobei das Sende/Empfangs-Modul eine integrierte Steuerschaltung und eine Mehrzahl integrierter Sende/Empfangs-Schaltungen aufweist, wobei jede der integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen einen Leistungsverstärker und einen rauscharmen Verstärker aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Betreiben des Sende/Empfangs-Moduls in einem Sendemodus, wobei der Sendemodus folgende Schritte aufweist: Umwandeln eines digitalen Eingangssignals in eine Mehrzahl phasenverschobener HF-Sendesignale, die einem Strahlungsmuster für ein phasengesteuertes Array entsprechen, unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung; Verstärken jedes der phasenverschobenen HF-Sendesignale unter Verwendung des Leistungsverstärkers in den integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen, wobei das Verstärken jedes der phasenverschobenen HF-Sendesignale ein Vorspannen des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung und ein Kalibrieren eines Leistungspegels des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Verstärker-Schaltung unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung aufweist; Betreiben des Sende/Empfangs-Moduls in einem Empfangsmodus, wobei der Empfangsmodus folgende Schritte aufweist: Verstärken einer Mehrzahl phasenverschobener HF-Empfangssignale, die von einem phasengesteuerten Array empfangen werden, unter Verwendung des rauscharmen Verstärkers in den integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen; Umwandeln des phasenverschobenen HF-Empfangssignals in ein digitales Ausgangssignal unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung; und Schützen der integrierten Steuerschaltung vor schädigenden Leistungspegeln des HF-Empfangssignals durch Vorspannen des rauscharmen Verstärkers in den integrierten Sende/Empfangs-Schaltungen unter Verwendung der integrierten Steuerschaltung.
  17. Das Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Schützen der integrierten Steuerschaltung vor schädigenden Leistungspegeln folgende Schritte aufweist: Verwenden eines Leistungssensors in der integrierten Steuerschaltung, um einen Leistungspegel des HF-Empfangssignals zu messen; und Anpassen einer Eingangsvorspannung der rauscharmen Verstärker basierend auf dem gemessenen Leistungspegel des HF-Empfangssignals.
  18. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Schützen der integrierten Steuerschaltung vor schädigenden Leistungspegeln ein Ausschalten der rauscharmen Verstärker, die einem HF-Empfangssignal zugeordnet sind, das einen vordefinierten Leistungspegel überschreitet, aufweist.
  19. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem das Kalibrieren des Leistungspegels des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/EmpfangsVerstärker-Schaltung folgende Schritte aufweist: Verwenden eines Leistungssensors in der integrierten Steuerschaltung, um einen Leistungspegel der phasenverschobenen HF-Sendesignale zu messen, die an einen Eingang der Leistungsverstärker bereitgestellt werden; Verwenden einer unabhängigen Verbindung zwischen der integrierten Steuerschaltung und einer letzten Ausgangsstufe der Leistungsverstärker, um einen Drain-Strom der letzten Ausgangsstufe der Leistungsverstärker zu messen; Vergleichen des gemessenen Leistungspegels und des gemessenen Drain-Stroms mit einer gespeicherten Darstellung von Eingangsleistung gegenüber Drain-Strom; und Anpassen einer Gate-Spannung der letzten Ausgangsstufe der Leistungsverstärker basierend auf dem Vergleich.
  20. Das Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Kalibrieren des Leistungspegels des Leistungsverstärkers ein Anpassen der Gate-Spannung unter Verwendung der gespeicherten Darstellung, derart, dass der Leistungsverstärker bei einem 1dB-Kompressionspunkt arbeitet, aufweist.
  21. Das Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem das Vorspannen des Leistungsverstärkers jeder integrierten Sende/Empfangs-Schaltung eine Leistungsverstärker-Einschaltprozedur aufweist, wobei die Leistungsverstärker-Einschaltprozedur folgende Schritte aufweist: Anlegen einer Gate-Spannung an eine letzte Ausgangsstufe der Leistungsverstärker, die die letzte Ausgangsstufe ausschaltet; Anlegen einer Drain-Spannung an die letzte Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers; Anlegen einer Gate-Spannung an eine letzte Ausgangsstufe der Leistungsverstärker, die die letzte Ausgangsstufe einschaltet; Messen eines Ruhe-Drain-Stroms der letzten Ausgangsstufe, während die letzte Ausgangsstufe eingeschaltet ist; und Steuern der Gate-Spannung, die an die letzte Ausgangsstufe angelegt wird, während die letzte Ausgangsstufe eingeschaltet ist, um einen vorausgewählten Wert des Ruhe-Drain-Stroms zu erzielen.
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