DE10247025A1 - Differenzfunkvorrichtung - Google Patents

Abstract

Ein Mobiltelephon-Handapparat kann in einem vollständigen Differenzmode erregt werden. Die Antenne, z. B. ein einfacher Dipol oder eine Minimal-Yagi-Uda mit einem Reflektor, kann in die gedruckte Schaltungsplatine gedruckt sein. Ein Differentialduplexer kann unter Verwendung der FBAR-Technologie implementiert sein. Der rauscharme Verstärker und der Leistungsverstärker können beide vom Differenztyp sein.

Description

• Moderne Mobiltelephone verwenden einseitig geerdete Eingangsteile (single ended front ends). Speziell der Leistungsverstärker (PA = power amplifier), der Duplexer und der rauscharme Verstärker (LNA = low noise amplifier) sind alle einseitig geerdet. Häufig zieht sich diese Architektur weiter entlang der Kette durch die Erst-Frequenzwandler. Im Schaltungsaufbau, der den Wandlern nachgeschaltet ist, geht das Telephon in einen Differenzmodus über.
• Alle Originalentwürfe verwendeten diskrete Transistoren deren Konfigurierung im Differenzmodus Zeit- und kostenaufwendig ist. Das beste Verhalten beim Aufkommen einer neuen Technologie wird typischerweise durch die Verwendung von diskreten Komponenten erreicht, und die ursprünglichen Anforderungen forderten ein Verhalten nach dem Stand der Technik. An einem bestimmten Punkt, wenn die Technologie ausreichend fortgeschritten ist, so daß sie nicht mehr verhaltens-motiviert ist, wird die Schaltungsintegration zu einer Option.
• Fig. 1 stellt ein funktionales Blockdiagramm entsprechend dem Mobiltelephon-Handapparat des Stands der Technik dar. Die Antenne ist mit einem einseitig geerdeten Sendeweg und einem einseitig geerdeten Empfangsweg verbunden. Beide Wege sind mit dem Rest der Funkvorrichtung verbunden, die die IF (Zwischenfrequenz), das Basisband, den Prozessor und die Software umfassen würde.
• Die Antenne ist inhärent differenzmäßig. Die Masseebene der gedruckten Schaltungsplatine wirkt als ein Reflektor und eine Masserückführung, wie dies der zweite Pol des Dipol ist. Nichtsdestotrotz wird die Antenne notgedrungen getrieben, als ob sie einseitig geerdet wäre. Diese Topologie weist mehrere Probleme auf. Die Erdung von sowohl des LNA als auch des PA muß minimiert sein, häufig zu erheblichen Kosten. Der Rückstrom der Antenne wird im gesamten Telephon verteilt, was zu Störungen führt. Der PA selbst sendet, was eine Abschirmung innerhalb des Telephons erfordert. Eine beliebige Störung wird durch jeden einseitig geerdeten Verstärker aufgenommen.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Funkvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Differenzfunkvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Ein Mobiltelephon-Handapparat kann in einem vollständigen Differenzmodus erregt werden. Die Antenne, z. B. ein einfacher Dipol oder eine Minimal-Yagi-Uda mit einem Reflektor, kann auf die gedruckte Schaltungsplatine gedruckt sein. Ein Differenzduplexer kann unter Verwendung der FBAR-Technolgie implementiert sein. Der LNA und der PA können beide vom Differenztyp sein.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein funktionales Blockdiagramm entsprechend einem Mobiltelephon-Handapparat des Stands der Technik.
• Fig. 2 einen Differenz-Handapparat der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 3 den einseitig geerdeten (Einzeleingangs-) Leistungsverstärker, der in Fig. 1 gezeigt ist.
• Fig. 4 den Differenzleistungsverstärker, der in Fig. 2 gezeigt ist.
• Fig. 5 den rauscharmen Differenzverstärker, der in Fig. 2 gezeigt ist.
• Fig. 6 den in Fig. 2 gezeigten Duplexer.
• Fig. 7 die in Fig. 2 gezeigte Antenne.
• Fig. 2 stellt ein funktionales Blockdiagramm 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Eine Differenzantenne 12 ist mit einem Duplexer 14 verbunden. Der Empfangsabschnitt des Duplexers 14 umfaßt Eingänge zu einem rauscharmen Differenzverstärker (LNA) 16. Ein erstes Filter 18 ist zwischen den Differenzausgängen des LNA 16 und eines ersten Mischers 20 angeordnet. Ein Signalverarbeitungsabschnitt 22 empfängt die Differenz-Ausgangssignale des ersten Mischers 20. Ein zweiter Mischer 24 empfängt die Differenz-Ausgangssignale von dem Signalverarbeitungsabschnitt 22. Ein zweites Filter 26 empfängt die Differenzausgangssignale von dem zweiten Mischer 24. Ein Leistungsverstärker 28 ist zwischen dem zweiten Filter 26 und dem Übertragungsabschnitt des Duplexers 14 angeordnet.
• Wenn das gesamte System differenzmäßig wirksam ist, dann ist die Masseebene von der Antenne unabhängig. Zusätzlich führt die differenzmäßige Beschaffenheit des PA zu einer verringerten Leckage und die differenzmäßige Beschaffenheit des LNA zu einer verringerten Kopplung. Da die Kopplung reduziert ist, besteht ein geringerer Bedarf an einer Abschirmung. Bei der integrierten Schaltungstechnologie wird der Differenzmodus bevorzugt, da die Technik die parasitären Effekte des Gehäuses und der Substratleckage reduziert. Folglich unterstützt die vorliegende Erfindung einen höheren Integrationspegel als die Schaltungstopologien des Stands der Technik.
• Fig. 3 stellt einen einseitig geerdeten Leistungsverstärker des Stands der Technik dar. Um wirksam zu sein, müssen die Induktoren in den Source-Anschlüssen von jeder Stufe des Verstärkers möglichst kurz gefertigt sein. In der Praxis erfordert dies mehr als 20 einzelne Bonddrähte.
• Fig. 4 stellt den Differenz-Leistungsverstärker 28, der in Fig. 2 gezeigt ist, dar. Ein Eingangsanpassungsnetzwerk (IMN = input matching network) 30 weist zwei Eingänge und einen ersten und einen zweiten Ausgang auf. Ein Differenzeingangssignal wird über den zwei Eingängen des IMN 30 angelegt. Das Gate eines ersten Feldeffekttransistors (FET = field effect transistor) 32 ist mit dem ersten Ausgang des IMN 30 verbunden. Ein erster Kondensator 34 ist zwischen dem Drain des ersten FET 32 und dem Gate des zweiten FET 36 angeordnet. Ein Ausgangsanpassungsnetzwerk (OMN = output matching) 38 ist über das Drain des zweiten FET 36 und das Drain eines dritten FET 40 geschaltet. Über den zwei Ausgängen des OMN 38 kann eine Differenzausgangssignal-Ablesung vorgenommen werden. Die Source-Anschlüsse des zweiten und dritten FET 36, 40 sind an einem Knoten A miteinander verbunden. Ein erster Induktor 42 ist zwischen dem Knoten A und Masse geschaltet. Ein zweiter Kondensator 44 ist zwischen das Gate des dritten FET 40 und das Drain eines vierten FET 46 geschaltet. Das Gate des vierten FET 46 ist mit dem zweiten Ausgang des IMN 30 verbunden. Die Source-Anschlüsse des ersten und vierten FET 32, 34 sind an einem Knoten B miteinander verbunden. Ein zweiter Induktor 48 ist zwischen den Knoten B und Masse geschaltet.
• Es bestehen einige spezifische Vorteile bei Verwendung eines Differenz-PA. Für das gleiche Signal, wie es im Stand der Technik verwendet wird, beträgt die Ausgangsspannung über jedem Element die Hälfte der Gesamtspannung. Dies erhöht wirksam die Reserve des Transistors, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad ermöglicht wird. Zusätzlich benötigt jedes Element nur die Hälfte des Stroms, so daß die Ausgangsimpedanz zweimal so hoch ist wie für den äquivalenten einseitig geerdeten PA des Stands der Technik. Dies führt zu verringerten Transformationsverlusten am Ausgang.
• Wenn der Differenz-PA differenzmäßig betrieben wird, weist er eine virtuelle Masse auf, was die erforderlichen zahlreichen Masse-Bonddrähte eliminiert. Eine hohe Impedanz bezüglich der Masse an dem gemeinsamen Knoten ist vorteilhaft, was zu einer hohen Gleichtaktunterdrückung führt. Die vielen Bonddrähte bei dem einseitig geerdeten Entwurf sind erforderlich, um die gemeinsame Anschlußleitungsimpedanz zu reduzieren, die die Verstärkung direkt reduziert. Eine geringere Verstärkung in der Ausgangsstufe erfordert mehr Leistung in der unmittelbar vorgeschalteten Treiberstufe, was den Wirkungsgrad des gesamten PA senkt.
• Ein Differenz-PA stört viel weniger, da das Signal innerhalb der Übertragungsleitung viel effektiver enthalten ist. Insofern eine Gleichtakt-Feldinterferenz vorliegt, besteht ein geringeres Problem in dem Empfangsabschnitt des Handapparates. Daher wird der Bedarf an einer Abschirmung erheblich reduziert.
• Eine industrielle Anforderung besteht darin, zu überleben, wenn die Antenne bei einem Wert von sogar 20 : 1 sehr fehlangepaßt ist, wodurch eine große Stehwelle am Ausgang des PA bewirkt wird. Diese Stehwelle weist die höchste Intensität in der Hälfte des Zyklus auf, wenn der Verstärkerstrom minimal ist und der Transistor eine hohe Impedanz darstellt. Dies erfordert eine hohe Durchbruchspannung, um zu überleben, und stellt daher eine sehr nichtlineare Bedingung dar. Viele Handapparate verwenden einen Isolator zwischen dem PA und der Antenne, um dieser Anforderung gerecht zu werden. Eine Differenzstufe ist jedoch nicht so schwerwiegend mit einer Worst-Case-Stehwelle konfrontiert. Wenn ein Transistor sich im Hochimpedanzzustand befindet, befindet sich der andere im Niedrigimpedanzzustand, was die Momentanspannung erheblich verringert. Die Verhaltensverbesserung kann ausreichend sein, um den erforderlichen Isolator zu eliminieren. Ohne den Isolator kann die PA- Spitzenausgangsleistung reduziert werden, was abermals den Wirkungsgrad erhöht.
• Fig. 5 stellt den rauscharmen Verstärker 16, der in Fig. 2 gezeigt ist, dar. Die Source-Anschlüsse eines ersten und eines zweiten FET 50, 52 sind an einem Knoten C miteinander verbunden. Ein Induktor 54 ist zwischen den Knoten C und Masse geschaltet. Ein Differenzeingangssignal kann über die Gates des ersten und des zweiten FETs 50, 52 angelegt werden. Eine Differenzausgangssignal-Ablesung kann über den Source-Anschlüssen des ersten und des zweiten FETs 50, 52 vorgenommen werden.
• Der LNA tendiert dazu, auf eine Störung vom PA empfindlich zu reagieren. Diese Störung ist ein Gleichtakt gemäß der vorliegenden Erfindung und ist daher ein weniger bedeutsamer Faktor. Daher kann dies zu verringerten Stromanforderungen führen.
• Fig. 6 stellt den Duplexer 14 dar, der in Fig. 2 gezeigt ist. Das Ausgangssignal der Differenzantenne wird über den Knoten C und den Knoten E angelegt. Ein erster und ein zweiter Duplexerblock 56, 58 sind über den Knoten D und den Knoten E geschaltet. Der erste Duplexerblock 56 liefert einen Differenzempfängerausgang. Der zweite Duplexerblock 58 liefert einen Differenz-Sendereingang.
• Da die Duplexerblöcke identisch sind, wird der erste Duplexerblock 56 beispielhaft beschrieben. Ein Reihenresonator ist mit Bezeichnung A in einem Block bezeichnet, und ein Parallel-Resonator ist mit der Bezeichnung B in einem Block bezeichnet. Ein erster Parallel-Resonator 60 ist zwischen den Knoten D und E angeordnet. Ein erster Reihenresonator 62 ist mit dem Knoten D verbunden, und ein zweiter Reihenresonator 64 ist mit dem Knoten E verbunden. Ein zweiter Parallel-Resonator 66 ist zwischen den ersten und den zweiten Reihenresonator 62, 64 geschaltet. Ein dritter Reihenresonator 68 ist mit dem ersten Reihenresonator 62 und einem ersten Tor in Reihe geschaltet. Ein vierter Reihenresonator 70 ist mit dem zweiten Reihenresonator 64 und einem zweiten Tor in Reihe geschaltet.
• Ein wesentlicher begrenzender Faktor beim Duplexer ist die Qualität der Erdung. Bei einer Differenzstruktur existiert keine Erdung. Ein weiteres, bisher bestehendes Problem ist die Leckage durch den Massepfad. Die vermeintlich einseitig geerdete Antenne drückt Leistung in ihre benachbarte Masseebene, wo sich der Duplexer befinden muß.
• Unter Verwendung einer FBAR-Technologie (FBAR = Film Bulk Acoustic Resonator = akustischer Film-Bulk-Resonator), ist der Duplexer nicht auf eine einseitig geerdete (single ended) Struktur beschränkt.
• Fig. 7A und 7B stellen die Antenne 12 dar, die in Fig. 2 gezeigt ist. Die Fig. 7A stellt die Oberseite einer PCB (PCB = printed circuit board = gedruckte Schaltungsplatine) dar. Fig. 7B stellt die Unterseite der PCB dar. Es ist bevorzugt, daß die Antenne als eine Yagi-Uda-Antenne implementiert ist. Die einfachste Ausführung der Struktur umfaßt einen λ/2-Dipol mit einem Reflektor 0,048 λ hinter demselben. Der Abstand von 0,048 λ ist näherungsweise die Dicke der PCB und so kann diese Struktur in die PCB, die den Handapparat an sich beinhaltet, eingebaut sein. Die Dicke der Schicht zwischen dem Reflektor und dem Speisungselement weist nur eine zweitrangige Bedeutung auf und muß daher keine hohe Toleranz aufweisen. Die resultierende Antenne erfordert keine zusätzlichen Komponenten. Dies verringert die Kosten des Handapparats und macht den Entwurf einfacher.
• Die Yagi-Uda-Antenne weist eine Impedanz von 70 Ω bei einer Bandbreite von etwa 10% bei der 2 : 1 VSWR-Grenze (VSWR = voltage standing wave ratio = Spannungsstehwellenverhältnis) auf. Obgleich dies für Schmalbandanwendungen ausreichend ist, ist es bei einem Dualband-Mobiltelephon wahrscheinlich, daß zwei Antennen verwendet werden. Ein Vorteil bei dieser Struktur ist, daß sie ein Richtvermögen aufweist. Dies ermöglicht dem Handapparat vorzugsweise, den Hauptteil der übertragenen Leistung vom Kopf des Benutzers wegzusenden.

Claims (7)

1. Differenzfunkvorrichtung (10), die folgende Merkmale aufweist:
eine Differenzantenne (12) mit einem Eingang und einem Ausgang;
einen Differentialduplexer (14), der zwei Empfangssignale erzeugt und zwei Sendesignale empfängt, der mit dem Eingang und dem Ausgang der Differenzantenne elektrisch verbunden ist;
einen rauscharmen Differenzverstärker (16), der zwei Empfangssignale empfängt und zwei LNA-Signale erzeugt;
ein erstes Differenzfilter (18), das zwei LNA-Signale empfängt und ein erstes Differenzfiltersignal erzeugt;
einen ersten Differenzmischer (20), der das erste Differenzfiltersignal empfängt und ein erstes Differenzmischer-Ausgangssignal erzeugt;
eine Signalkonditionierungsschaltung (22), die das erste Differenzmischer-Ausgangssignal empfängt und ein konditioniertes Differenzsignal erzeugt;
einen zweiten Differenzmischer (24), der das konditionierte Differenzsignal empfängt und ein zweites Differenzmischer-Ausgangssignal erzeugt;
ein zweites Differenzfilter (26), das das zweite Differenzmischer-Ausgangssignal empfängt und ein zweites Differenzfiltersignal erzeugt; und
einen Differenzleistungsverstärker (28), der das zweite Differenzfiltersignal empfängt und die zwei Sendesignale erzeugt.

2. Differenzfunkvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der der Duplexer (14) ein FBAR ist.

3. Differenzfunkvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Differenzantenne (12) einen Yagi-Uda- Antenne ist.

4. Differenzfunkvorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, bei der die Differenzantenne (12) in eine gedruckte Schaltungsplatine eingebaut ist.

5. Differenzfunkvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Differentialleistungsverstärker (28) folgende Merkmale aufweist:
ein Eingangsanpassungsnetzwerk (IMN) (30) mit einem Differenzeingang und einem ersten und einem zweiten IMN-Ausgang;
einen ersten Feldeffekttransistor (FET) (32), der ein Gate aufweist, das mit dem ersten IMN-Ausgang verbunden ist;
einen ersten Kondensator (34), der mit dem Drain des ersten FET verbunden ist;
einen zweiten FET (36), der ein Gate aufweist, das mit dem ersten Kondensator verbunden ist;
einen dritten FET (40), der eine Source aufweist, die mit der Source des zweiten FET an einem ersten Knoten (A) verbunden ist;
ein Ausgangsanpassungnetzwerk (OMN) (38), das einen ersten Eingang aufweist, der mit dem Drain des zweiten FET verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Drain des dritten FET verbunden ist;
einen ersten Induktor (42), der zwischen den ersten Knoten und Masse geschaltet ist;
einen zweiten Kondensator (44), der mit dem Gate des dritten FET verbunden ist;
einen vierten FET (46), der ein Drain aufweist, das mit dem zweiten Kondensator verbunden ist, ein Gate, das mit dem zweiten IMN-Ausgang verbunden ist, eine Source, die mit der Source des ersten FET an einem zweiten Knoten (B) verbunden ist; und
einen zweiten Induktor (48), der zwischen den zweiten Knoten (B) und Masse geschaltet ist.

6. Differenzfunkvorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, bei der der Duplexer (14) Film-Bulk-Akustik-Resonatoren umfaßt.

7. Differenzfunkvorrichtung (10) gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der die Differenzantenne (12) in eine gedruckte Schaltungsplatine eingebaut ist.