DE10321247B4

DE10321247B4 - Verlustarmes Sendemodul

Info

Publication number: DE10321247B4
Application number: DE10321247A
Authority: DE
Inventors: Christian Block; Holger Dr. Flühr; Christian Dr. Hoffmann
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: US7454178B2; WO2004100387A1; DE10321247A1; US20060121874A1; JP2006526315A

Abstract

Sendemodul für die Hochfrequenzstufe eines drahtlosen Kommunikationssystems, mit einer Eingangsimpedanz Z₀₁ und einer Ausgangsimpedanz Z₀₂, mit einem zwischen einem Signaleingang (IN) und einem mit einer Antenne verschaltbaren Signalausgang (OUT) angeordneten, als Sendepfad (TX) ausgebildeten Signalpfad, umfassend
– einen im Signalpfad eingangsseitig angeordneten Leistungsverstärker (PA), dessen Ausgangsimpedanz Z_PA < Z₀₁ ist,
– ein im Signalpfad ausgangsseitig angeordnetes Tiefpaßfilter (LP), dessen Eingangsimpedanz Z'₀₁und Ausgangimpedanz Z'₀₂ ist, wobei Z_PA < Z'₀₁ < Z₀₂ und Z'₀₁ < Z'₀₂ ≤ Z₀₂ gilt,
– einen im Signalpfad zwischen dem Leistungsverstärker und dem Tiefpaßfilter angeordneten Impedanzwandler (IT), der eine Impedanztransformation von Z_PA auf Z'₀₁ durchführt,
– wobei der Leistungsverstärker (PA) auf der Oberseite eines Trägersubstrats (TS) angeordnet ist,
– wobei das Trägersubstrat (TS) Metallisierungsebenen (ME) aufweist, zwischen denen dielektrische Schichten (DS) angeordnet sind,
– wobei die Metallisierungsebenen (ME) mittels Durchkontaktierungen (DK) verbunden sind,
– wobei der Impedanzwandler (IT) und/oder...

Description

Die Erfindung betrifft ein Sendemodul, insbesondere ein Sendemodul für Endgeräte der mobilen Telekommunikation.
Mobilfunkgeräte bedienen ein oder mehrere Mobilfunksysteme, die ein oder mehrere Frequenzbänder (oder Mobilfunkstandards) benutzen. Die Signalübertragung erfolgt in einem Frequenzband, das einem Mobilfunkstandard zugeordnet ist und einen Sendebereich und einen Empfangsbereich umfaßt.
Die Sendekette eines Mobilfunkgeräts umfaßt in der Regel einen Chipsatz, einen Leistungsverstärker, einen zur Regelung der Leistung dienenden Koppler, einen Antennenschalter und/oder eine Frequenzweiche und eine Antenne.
Unter einem Chipsatz versteht man eine oder mehrere zusammengeschaltete integrierte Schaltungen (HF-IC, High Frequency Integrated Circuits), die ein Trägersignal generieren und dieses mit einem Nutzsignal mischen.
Ein Leistungsverstärker weist in der Regel zumindest zwei Stufen auf, die einen Spannungsverstärker und einen Stromverstärker umfassen.
Eine Frequenzweiche kann ein Diplexer zur Trennung der Signale verschiedener Frequenzbänder oder ein Duplexer zur Trennung der Sende- und Empfangssignale eines Frequenzbandes sein.
Ein Koppler ist im Regelkreis des Leistungsverstärkers geschaltet und dient zur Regelung der Leistungsstärke des Leistungsverstärkers.

Es ist bekannt, die genannten Funktionsblöcke als Einzelelemente mit dazwischen angeordneten Anpassungsnetzwerken zur Impedanzanpassung auszubilden. Eine solche Schaltung hat den Nachteil, daß wegen vieler Schnittstellen entsprechend viele Signalverluste zustande kommen.

Es ist auch bekannt, daß man einen Leistungsverstärker, einen Koppler und ein Anpassungsnetzwerk in einem Bauelement integrieren kann. Diese Lösung hat den Nachteil, daß zum Ausgleich der Phasendrehung des Signals durch die Verbindungsleitung auf der Platine des Telefons an der Schnittstelle zum Tiefpaßfilter Anpassungselemente nötig sind, die zur Erhöhung der Einfügedämpfung der Schaltung beitragen.

Aus der Druckschrift DE 101 02 891 A1 ist ein Hochleistungsverstärker mit einer mehrstufigen Impedanzanpassungsschaltung bekannt, die z. B. durch Chipkondensatoren und Abschnitte von Signalleitungen realisiert sind. Diese Komponenten und ein Verstärkerelement sind auf einem Trägersubstrat angeordnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sendemodul anzugeben, das geringe Signalverluste aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sendemodul nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein Sendemodul für die Hochfrequenzstufe eines drahtlosen Kommunikationssystems an. Das Sendemodul hat eine Eingangsimpedanz Z₀₁ und eine Ausgangsimpedanz Z₀₂. Das Sendemodul weist einen als Sendepfad ausgebildeten Signalpfad auf, der zwischen einem Signaleingang und einem mit einer Antenne verschaltbaren Signalausgang angeordnet ist. Das Sendemodul umfaßt einen im Signalpfad eingangsseitig angeordneten Leistungsverstärker, dessen Ausgangsimpedanz Z_PA kleiner als Z₀₁ ist, ein im Signalpfad ausgangsseitig angeordnetes Tiefpaßfilter, dessen Eingangsimpedanz Z'₀₁ und Ausgangsimpedanz Z'₀₂ ist, wobei die Eingangsimpedanz Z'₀₁ größer als Z_PA und kleiner als Z₀₂ ist. Für die Ausgangsimpedanz Z'₀₂ gilt das Verhältnis Z'₀₁ < Z'₀₂ < Z₀₂. Im Signalpfad zwischen dem Leistungsverstärker und dem Tiefpaßfilter ist ein Impedanzwandler angeordnet, der eine Impedanztransformation von Z_PA auf Z'₀₁ durchführt. Der Leistungsverstärker ist auf der Oberseite eines Trägersubstrats angeordnet. Das Trägersubstrat weist auf seiner Oberseite, Unterseite und zwischen dielektrischen Schichten Metallisierungsebenen auf, wobei die Metallisierungsebenen mittels Durchkontaktierungen verbunden sind. Der Impedanzwandler und/oder das Tiefpaßfilter weisen jeweils passive Komponenten (Induktivitäten, Kapazitäten und/oder Leitungsabschnitte) auf, die zumindest teilweise als Leiterbahnabschnitte in zumindest einer der im Inneren des Trägersubstrats angeordneten Metallisierungsebenen ausgebildet sind. Die verborgenen passiven Komponenten können z. B. durch Leiterbahnabschnitte und dazwischen liegende Schichtbereiche der dielektrischen Schicht gebildet sein.

Unter einer Impedanztransformation (im Gegensatz etwa zu einer Impedanzanpassung) wird in dieser Schrift eine Änderung von einer Impedanz Z₁ auf eine Impedanz Z₂ verstanden, wobei sich Z₁ und Z₂ um mindestens Faktor zwei unterscheiden.

Ein Impedanzwandler führt eine Impedanztransformation von einer Impedanz Z₁ (Eingangsimpedanz des Impedanzwandlers, hier Z₁ = Z_PA) auf Z₂ (Ausgangsimpedanz des Impedanzwandlers, hier Z₂= Z'₀₁), also bei erfindungsgemäßer Anordnung die Anpassung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers an die Eingangsimpedanz des Tiefpaßfilters durch.

Ein Impedanzwandler kann z. B. aus einem Leitungsabschnitt bestehen, dessen Länge der erforderlichen Phasendrehung des Signals im Smith-Diagramm (z. B. um 180 Grad) entspricht. Die Phasendrehung des Signals um 180 Grad entspricht einer λ/4-Leitung, wobei λ eine der Signalfrequenz (hier Sendefrequenz) korrespondierende Wellenlänge ist. Durch eine λ/4-Leitung wird ein an einem Ende auftretender Kurzschluß in ein offenes Ende am gegenüberliegenden Ende der λ/4-Leitung umgewandelt. Daher ist es möglich, den Ausgang des Leistungsverstärkers durch einen als λ/4-Leitung ausgebildeten, zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers und Antenne angeordneten Impedanzwandler gegen einen antennenseitigen Kurzschluß zu schützen.

Möglich ist es auch, daß der Impedanzwandler aus mehreren Stufen besteht und z. B. durch im Signalpfad angeordnete Leitungsabschnitte und/oder Induktivitäten und parallel dazu geschaltete Kapazitäten gebildet ist, was hintereinander geschalteten Gliedern eines Tiefpaßfilters n-er Ordnung (n ≥ 1) entspricht.

Die Impedanztransformation von Z₁ auf Z₂ kann im Hochfrequenzbereich nur bei einer Frequenz f₀ genau durchgeführt werden, da Z₁ und Z₂ in diesem Frequenzbereich in der Regel frequenzabhängig sind. Bei von f₀ abweichenden Frequenzen ist der Ausgang des Impedanzwandlers daher fehlangepaßt. Daher rührt das Bandpaßverhalten des Impedanzwandlers, wobei man unter Bandbreite des Impedanzwandlers die Frequenzdifferenz zweier Frequenzen versteht, bei denen das Signal z. B. um 3 dB von dem bei f₀ erreichbaren Maximalwert abfällt. Eine im Vergleich zur Bandbreite des modulierten Signals (die typischerweise einige bis hunderte kHz beträgt) geringe Bandbreite des Impedanzwandlers kann das Signal also beeinflussen bzw. verzerren, wodurch Signalverluste entstehen.

Die absolute Fehlanpassung der Ausgangsimpedanz Z₂ wird bei einem geringeren Transformationsverhältnis Z₂/Z₁ entsprechend kleiner bzw. die Signalübertragung durch den Impedanzwandler wird breitbandiger. Gleichzeitig sinkt die Impedanz Z_L der Leitung,

was bei Signalübertragung durch die Leitung eine geringere Einfügedämpfung gewährleistet.

Auf dieser Überlegung beruht die dieser Erfindung zugrunde liegende Idee, die Impedanztransformation von der Ausgangsimpedanz Z_PA des Leistungsverstärkers auf die Eingangsimpedanz der Antenne in mehreren Stufen durchzuführen. Eine solche Impedanztransformation ist durch die erfindungsgemäße Integration eines Leistungsverstärkers und eines Tiefpaßfilters in einem Sendemodul möglich und hat den Vorteil, daß die Impedanztransformation von der Ausgangsimpedanz Z_PA des Leistungsverstärkers auf die Eingangsimpedanz der Antenne einer seits zum Teil (z. B. von 2 auf 20 Ohm) durch den Impedanzwandler und andererseits teilweise (z. B. von 20 auf 50 Ohm) durch das Tiefpaßfilter oder durch Tiefpaßfilter und die nachgeschalteten Stufen, z. B. Antennenschalter übernommen wird. Dabei ist die Fehlanpassung an jeweiligen Schnittstellen vom Betrag her geringer und das Übertragungsverhalten des entsprechenden Schaltungsabschnittes breitbandiger.

Dadurch, daß der Leistungsverstärker und das Tiefpaßfilter erfindungsgemäß in einem Modul realisiert sind, entfallen außerdem die später anzupassenden Schnittstellen dazwischen, wodurch die Signalverluste in Zwischenstufen reduziert werden.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist im Signalpfad zwischen dem Tiefpaßfilter und dem Signalausgang ein Antennenschalter und/oder eine Frequenzweiche angeordnet. Der Antennenschalter ist vorzugsweise zwischen dem Tiefpaßfilter und der Frequenzweiche geschaltet. Alternativ dazu kann die Frequenzweiche zwischen dem Tiefpaßfilter und dem Antennenschalter geschaltet sein. Die Frequenzweiche kann als ein Diplexer oder ein Duplexer ausgebildet sein.

Im Signalpfad zwischen dem Signaleingang und dem Leistungsverstärker kann ein Anpassungsnetzwerk geschaltet sein. Das Anpassungsnetzwerk kann in zumindest einer Metallisierungsebene angeordnet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung kann ein teilweise im Modul angeordneter Koppler vorgesehen sein, der in einem galvanisch vom Signalpfad des Moduls getrennten Stromkreis ist. Der Koppler, insbesondere ein Richtkoppler, dient beispielsweise zum Monitoring der Sendeleistung des Verstärkers.

Ein Koppler kann beispielsweise zwei kapazitiv gekoppelte Leitungsabschnitte (Koppelleitungen) umfassen. Alternativ kann ein Koppler auch als eine Transformatorschaltung zweier Induktivitäten ausgebildet sein. Eine der Koppelinduktivitäten oder Koppelleitungen (erstes Koppelelement) ist dabei im Signalpfad nach dem Leistungsverstärker angeordnet. Die andere, mit ihr gekoppelte Koppelinduktivität oder Koppelleitung (zweites Koppelelement) ist vorzugsweise in Serie mit einem Leistungsdetektor (z. B. einer Diode) in den Regelkreis des Leistungsverstärkers geschaltet. Dieser Leistungsdetektor kann im Chipsatz oder im Sendemodul angeordnet sein.

Die erste und die zweite Koppelinduktivität oder Koppelleitung können nebeneinander in der selben Metallisierungsebene oder übereinander in zumindest zwei benachbarten Metallisierungsebenen ausgebildet sein. Das erste Koppelelement kann im Tiefpaßfilter oder Impedanzwandler angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß das erste Koppelelement zwischen dem Impedanzwandler und dem Tiefpaßfilter angeordnet ist. Das erste Koppelelement kann auch dem Tiefpaßfilter nachgeschaltet sein. Bei der Ausführung des Koppelelements als Koppelleitung kann die zweite Koppelleitung gleich lang oder kürzer als die erste Koppelleitung ausgeführt sein. Die erste Koppelleitung ist vorzugsweise als eine λ/4-Leitung ausgebildet.

Der Impedanzwandler und/oder das Tiefpaßfilter kann eine oder mehrere Stufen aufweisen. Zumindest eine der Stufen kann durch einen Leitungsabschnitt oder ein Tiefpaßfilterglied realisiert sein. Die entsprechende Stufe kann alternativ durch einen Leitungsabschnitt und eine parallel dazu gegen Masse geschaltete Kapazität oder durch eine beliebige Kombination von LC-Elementen realisiert sein.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Sendemodul kann zumindest ein mit einem zweiten Signaleingang verbundener weiterer als Sendepfad ausgebildeter Signalpfad angeordnet sein, der über den bereits genannten oder einen weiteren Antennenschalter oder über eine Frequenzweiche mit dem Signalausgang verbunden ist und im wesentlichen die gleichem Komponenten wie der erste Signalpfad aufweist. Der erste und der zweite Sendepfad können jeweils unterschiedlichen Frequenzbändern drahtloser Kommunikationssysteme zugeordnet sein.

Die dielektrischen Schichten des Trägersubstrat sind vorzugsweise aus Keramik ausgebildet. Alternativ kann das Trägersubstrat einen gemischten Aufbau aus Keramik und Laminatschichten (z. B. FR4, BT, ALIVH) aufweisen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sendemoduls mit einem Sendepfad.
2a zeigt das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls mit zwei Sendepfaden.
2b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sendemoduls im schematischen Querschnitt.
3 zeigt ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Sendemodul mit einem zwischen dem Signaleingang und dem Leistungsverstärker geschalteten Anpassungsnetzwerk.
4a zeigt die Anordnung eines Kopplers mit kapazitiver Kopplung zwischen dem Impedanzwandler und dem Tiefpaßfilter.
4b zeigt die Anordnung eines Kopplers im Tiefpaßfilter.
4c zeigt die Anordnung eines Kopplers im Impedanzwandler.
5 zeigt die Anordnung eines Kopplers mit Transformatorkopplung im Tiefpaßfilter.
6 zeigt das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls mit drei Empfangspfaden und einem Frontend-Teilmodul.
7 zeigt das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls mit zwei Antennenschaltern.
1 zeigt die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sendemoduls SM. Das Sendemodul weist einen zwischen einem Signaleingang IN und einem Signalausgang OUT angeordneten Signalpfad TX (Sendepfad) auf. Die Eingangsimpedanz des Sendemoduls ist Z₀₁. Die Ausgangsimpedanz des Sendemoduls ist Z₀₂. Eingangsseitig ist ein Leistungsverstärker PA angeordnet. Die Ausgangsimpedanz Z_PA des Leistungsverstärkers PA ist in der Regel wesentlich kleiner als seine Eingangsimpedanz, die in diesem Ausführungsbeispiel der Eingangsimpedanz des Sendemoduls Z₀₁ gleich ist. Ausgangsseitig ist im Sendepfad ein Tiefpaßfilter LP angeordnet. Seine Ausgangsimpedanz Z'₀₂ ist in diesem Ausführungsbeispiel gleich der Ausgangsimpedanz Z₀₂ des Sendemoduls. Zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers PA und dem Eingang des Tiefpaßfilters LP ist ein Impedanzwandler IT angeordnet, der eine Impedanztransformation von Z_PA auf Z'₀₁ durchführt. Der Impedanzwandler IT ist vorzugsweise als ein Leitungsabschnitt passender Länge ausgebildet. Möglich ist es auch, den Impedanzwandler IT durch ein oder mehrere LC-Glieder auszubilden. Der Impedanzwandler führt bei einer ausgewählten Sendefrequenz eine Phasendrehung des Signals vorzugsweise um 180° durch.
Die Anpassung der Impedanz zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers PA und dem Ausgang des Sendemoduls erfolgt stufenweise zuerst vom Wert Z_PA auf den Zwischenwert Z'₀₁ durch den Impedanzwandler und anschießend vom Zwischenwert Z'₀₁ auf den Wert Z'₀₂ beziehungsweise Z₀₂ durch das Tiefpaßfilter LP.
2b zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls im schematischen Querschnitt. Die Komponenten des Sendemoduls sind teilweise als Chipbauelemente CB, PA-CB ausgebildet und teilweise in einem Trägersubstrat TS in Metallisierungsebenen ME, ME1, ME2 integriert. Die Metallisierungsebenen ME, ME1, ME2 sind untereinander, mit auf der Oberseite des Trägersubstrats TS angeordneten Chipbauelementen CB, PA-CB sowie mit der Platine des Mobilfunkgeräts mittels Durchkontaktierungen DK bzw. elektrischer Anschlüsse AE, AE1 verbunden. Das Trägersubstrat TS umfaßt zwischen den Metallisierungsebenen ME, ME1 und ME2 angeordnete dielektrische Schichten DS. Die dielektrischen Schichten DS sind vorzugsweise aus Keramik ausgebildet. Die Chipbauelemente CB, PA-CB sind mit dem Trägersubstrat TS mittels der elektrischen Anschlüsse AE beispielsweise mittels einer SMD-Technik (Surface Mounted Device) oder einer anderen Verbindungstechnik, z. B. Drahtbonden oder Flip Chip Technik, verbunden. Der Leistungsverstärker PA ist im Chipbauelement PA-CB angeordnet. Das Element PA-CB ist vorzugsweise ein Halbleiterchip. Der Impedanzwandler IT ist in diesem Ausführungsbeispiel in einer mittleren Metallisierungsebene ME1, die zwischen zwei dielektrischen Schichten DS angeordnet ist, realisiert. Möglich ist es auch, den Impedanzwandler IT teilweise oder komplett auf der Oberseite oder Unterseite des Trägersubstrats zu realisieren. Die Elemente des Impedanzwandlers IT können auch in mehreren Metallisierungsebenen ME, ME1, ME2 ausgebildet sein. Die Elemente des Tiefpaßfilters LP können auch in einer oder mehreren Metallisierungsebenen des Trägersubstrats TS realisiert sein. Alternativ kann der Impedanzwandler IT und/oder das Tiefpaßfilter LP zumindest teilweise im Chipbauelement CB ausgebildet sein. In einer weiteren Variante der Erfindung können im Chipbauelement CB auch nichtlineare und/oder aktive Elemente eines Antennenschalters angeordnet sein.
2a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls SM mit zwei Sendepfaden TX und TX2. Die beiden Sendepfade sind im wesentlichen gleich (gemäß 1) ausgebildet. Der Leistungsverstärker PA des ersten Sendepfades TX und der Leistungsverstärker PA2 des zweiten Sendepfades TX2 sind in diesem Ausführungsbeispiel zusammen in einem diskreten Bauelement beziehungsweise Chipbauelement realisiert. Die beiden Sendepfade TX, TX2 sind ausgangsseitig durch einen hier nicht dargestellten Diplexer DI zusammengeführt, wie z. B. in 3 gezeigt ist. Der Diplexer DI ist in 2a mit einem in 3 beschriebenen Antennenschalter AS in einem vorzugsweise als diskretes Bauelement ausgebildeten Funktionsblock realisiert und ausgangsseitig mit einer Antenne verbunden. Der Antennenschalter AS schaltet je nach Betriebsmode zwischen dem ersten und dem zweiten Mobilfunkstandard, wobei der erste Mobilfunkstandard den Sendepfad TX und den Empfangspfad RX und der zweite Mobilfunkstandard den Sendepfad TX2 und den Empfangspfad RX2 für die Signalübertragung benutzt. Die Frequenzbänder der beiden Mobilfunkstandards sind vorzugsweise um ca. eine Oktave voneinander getrennt. Die im zweiten Sendepfad TX2 angeordneten Elemente IT2, LP2 entsprechen in ihrer Funktionsweise den Elementen IT, LP des ersten Sendepfads TX.
Der Diplexer DI, der Antennenschalter AS und die Tiefpaßfilter LP und LP2 sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem modular aufgebauten Chipbauelement CB realisiert.
3 zeigt ausschnittsweise eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Sendemoduls, das zur Signalübertragung im Multibandbetrieb geeignet ist. Ein Diplexer DI trennt die Signale der sich z. B. um eine Oktave unterscheidenden Frequenzbänder voneinander. In der Figur ist ein Sendepfad für ein Frequenzband (z. B. GSM 1800) dargestellt.
Der Diplexer DI besteht aus einem Tiefpaßfilter und einem Hochpaßfilter. Durch das Tiefpaßfilter des Diplexers werden z. B. Signale der Mobilfunkstandards GSM 850 und/oder GSM 900, übertragen. Durch das Hochpaßfilter des Diplexers werden Signale von zumindest zwei vorzugsweise nebeneinander liegenden Frequenzbändern, z. B. GSM 1800 und GSM 1900, übertragen. Die Empfangssignale des ersten Mobilfunksystems (GSM 1800) werden im Empfangspfad RX weiterverarbeitet. Die Empfangssignale des zweiten Mobilfunksystems (GSM 1900) werden im Empfangspfad RX1 weiterverarbeitet. Die Sendesignale der beiden genannten Mobilfunksysteme werden über den Sendepfad TX übertragen. Der Schalter AS schaltet je nach Schalterstellung zwischen dem Sendepfad TX und dem jeweiligen Empfangspfad RX beziehungsweise RX1.
Zwischen dem Signaleingang IN des Sendemoduls und dem Eingang des Leistungsverstärkers PA ist in dieser Variante der Erfindung ein Anpassungsnetzwerk MA angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Impedanztransformation (bzw. Impedanzanpassung) von Z_PA auf Z₀₂ in vier Stufen – teilweise über den Impedanzwandler IT von Z_PA auf Z'₀₁, über das Tiefpaßfilter LP von Z'₀₁ auf Z'₀₂, über den Antennenschalter AS vom Wert Z'₀₂ auf den Wert Z''₀₂ und den Diplexer DI vom Wert Z''₀₂ auf den Wert Z₀₂. Der an das Tiefpaßfilter des Diplexers DI angeschlossene zweite Antennenschalter ist hier nicht dargestellt.
4a zeigt die Anordnung eines Koppler CO zwischen dem Impedanzwandler IT und dem Tiefpaßfilter LP. Der Koppler CO ist durch eine erste im Signalpfad angeordnete Koppelleitung KL1 und eine mit dieser kapazitiv gekoppelten zweite Koppelleitung KL2 realisiert. Die zweite Koppelleitung KL2 ist zwischen elektrischen Anschlüssen A1 und A2 angeordnet. Die Anschlüsse A1 und A2 können beispielsweise mit einem Signalprozessor eines Chipsatzes weiter verbunden werden. Der Koppler CO dient zur Leistungssteuerung des hier nicht dargestellten Leistungsverstärkers PA. Der Impedanzwandler IT weist im Signalpfad angeordnete Leitungsabschnitte LA1 und LA2 sowie in Parallelzweigen angeordnete Kapazitäten C1, C2 und C3 auf. Die Leitungsabschnitte LA1, LA2 und die Kapazitäten C1, C2 und C3 bilden zwei π-Glieder. Das Tiefpaßfilter LP besteht aus im Signalpfad angeordneten Induktivitäten L und L1 und in Parallelzweigen angeordneten Kapazitäten C4, C5 und C6. Die Induktivitäten L, L1 und die Kapazitäten C4, C5 und C6 bilden zwei π-Glieder bzw. ein Tiefpaßfilter zweiter Ordnung. Die Anzahl der π-Glieder im Impedanzwandler IT oder Tiefpaßfilter LP kann auch 1 (bevorzugte Variante) oder > 2 sein.
4b zeigt, daß der Koppler CO teilweise im Tiefpaßfilter LP angeordnet sein kann. Das Tiefpaßfilter LP weist in diesem Ausführungsbeispiel folgende Elemente auf: den Leitungsabschnitt LA1 und eine erste Koppelleitung KL1, die im Signalpfad angeordnet sind, sowie die in Parallelzweigen angeordneten Kapazitäten C4, C5 und C6. Die zweite, mit der ersten verkoppelte Koppelleitung KL2 ist in diesem Ausführungsbeispiel kürzer als die erste Koppelleitung KL1 ausgebildet. Möglich ist es auch, daß zwei gleich oder unterschiedlich lange Leitungen nur teilweise miteinander überlappen. Durch den Überlappungsbereich der beiden Koppelleitungen KL1 und KL2 läßt sich der Kopplungsfaktor einstellen.
In 4c ist eine weitere mögliche Anordnung des Kopplers CO gezeigt. Der Koppler CO ist teilweise im Impedanzwandler IT angeordnet. Der Impedanzwandler IT weist unterschiedlich ausgebildete Stufen auf. In den Parallelzweigen sind die Kapazitäten C1, C2 und C3 angeordnet. Im Signalpfad sind in Serie geschalteter Leitungsabschnitt LA1 und eine erste Koppelinduktivität KI1 geschaltet. Der Koppler CO ist durch die erste Koppelinduktivität KI1 und eine Koppelinduktivität KI2 gebildet.
5 zeigt einen im Tiefpaßfilter LP angeordneten Koppler CO mit einer Transformatorkopplung der Koppelinduktivität KI1 und KI2, wobei in Serie mit der zweiten Koppelinduktivität KI2 eine Diode D1 geschaltet ist. Die Diode D1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als diskretes Bauelement ausgebildet und auf der Oberseite des in dieser Figur nicht dargestellten Trägersubstrats TS angeordnet.
Der Impedanzwandler IT ist in diesem Ausführungsbeispiel durch im Signalpfad angeordnete Induktivitäten L2 und L3 sowie Kapazitäten C1, C2 und C3 gebildet.
Die Breite der Streifenleitungen, die den Impedanzwandler IT oder die Koppelleitungen KL1, KL2 realisieren, hängt von der relativen Dielektrizitätskonstante ε_rel der entsprechenden dielektrischen Schicht (die zwischen der Streifenleitung und der Massefläche liegt) ab. Bei niedrigen Werten von ε_rel, z. B. wenn ε_rel < 12 ist, muß die Leitungsbreite vergleichsweise groß gewählt werden, um die vorgegebene Leitungsimpedanz zu realisieren, wobei aufgrund der großen Leitungsbreite die Wellenmode (quasi-TEM-Welle) in der Streifenleitung beeinflußt werden kann. Daher haben in der bevorzugten Variante der Erfindung die dielektrischen Schichten, welche mit den Streifenleitungen direkt in Verbindung stehen, eine relative Dielektrizitätskonstante ε_rel > 12 (hochpermeable dielektrische Schichten). In der Umgebung der hochpermeablen dielektrischen Schichten lassen sich im Prinzip beliebige in zwei übereinander angeordneten Metallisierungsebenen angeordnete, durch die entsprechende Schicht DS kapazitiv gekoppelte Bauelementstrukturen (z. B. die Kapazitäten C1 – C6) mit kleinen Abmessungen realisieren.
Dagegen lassen sich die Induktivitäten (L, L1 – L3) oder die Elemente mit Transformatorkopplungen (KI1, KI2) am besten in der Umgebung von dielektrischen Schichten mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstante ε_rel < 12 realisieren.
Daher können im Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls dielektrische Schichten DS mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften vorgesehen sein. Die hochpermeablen dielektrischen Schichten bilden vorzugsweise die oberen Schichten des erfindungsgemäßen Moduls. Möglich ist aber auch, daß die hochpermeablen dielektrischen Schichten im unteren Bereich des Moduls angeordnet sind. Möglich ist es auch, die dielektrischen Schichten mit unterschiedlichem ε_rel in beliebiger Folge übereinander anzuordnen.
In 6 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Sendemoduls SM vorgestellt, welches mit einem Chipsatz CS des Endgeräts verschaltet ist. Das Sendemodul SM ist für Multiband-Betrieb (z. B. für Mobilfunk-Standards GSM900, GSM1800, GSM1900) ausgelegt und enthält neben oben schon genannten, im Sendepfaden TX (GSM900) bzw. TX2 (GSM1800/1900) geschalteten Komponenten (PA-CB, IT, LP, DI, AS) auch drei Empfangspfade RX (GSM900), RX1 (GSM1800) und RX2 (GSM1900). In dem jeweiligen Empfangspfad ist ein Bandpaßfilter angeordnet, wobei alle Bandpaßfilter vorzugsweise in einem Chip-Bauelement realisiert sind, welches ein Frontend-Teilmodul FEM bildet. Das Frontend-Teilmodul FEM ist vorzugsweise auf der Oberseite des Trägersubstrats TS des Sendemoduls SM angeordnet und mit dem Trägersubstrat TS sowohl elektrisch als auch mechanisch fest verbunden. Das Frontend-Teilmodul FEM ist über den Eingang IN1 des Sendemoduls mit den entsprechenden rauscharmen Verstärkern (LNA, Low Noise Amplifier), die im Chipsatz CS angeordnet sind, elektrisch verbunden.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Frontend-Teilmoduls in einem Sendemodul hat den Vorteil, daß die Länge der Zuleitungen zwischen den Schaltungskomponenten auf der Empfangsseite (verglichen mit einem Frontendmodul, das separat ausgebildet ist) verkürzt und besser kontrollierbar ist. Die thermische Entkopplung des Frontend-Teilmoduls insbesondere vom Leistungsverstärker-Teilmodul gelingt durch Wärmesenken oder durch eine geeignete Formgebung bei Ausbildung des Trägersubstrats TS. Die elektrische Entkopplung der beiden Teilmodule ist durch herkömmliche Abschirmelemente möglich.
Die Impedanzwandler IT, IT2 und die Tiefpaßfilter LP, LP2 sind wie in der Figur durch ein Rechteck angedeutet in einem Chip-Bauelement oder alternativ im Trägersubstrat TS realisiert. Die Frequenzweiche DI und der Antennenschalter AS können wie angedeutet in einem Chip-Bauelement realisiert sein. Es besteht auch die Möglichkeit, die Frequenzweiche DI zumindest teilweise im Trägersubstrat TS zu integrieren. Der Antennenschalter AS ist mit dem Halbleiterchip PA-CB (Leistungsverstärker-Teilmodul) über den Pfad RK rückgekoppelt (Leistungssteuerung).
Es ist möglich, die hier vorgestellten, im Sendepfad angeordneten Komponenten in einem Chip-Bauelement zu realisieren bzw. beliebig miteinander zu kombinieren. Beispielsweise ist es möglich, die Leistungsverstärker PA, PA2 und den Antennenschalter AS in einem gemeinsamen Chip-Bauelement zu realisieren.
7 zeigt das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls, das antennenseitig einen im Trägersubstrat integrierten Diplexer DI (Frequenzweiche) aufweist. Der Diplexer trennt Signale der Mobilfunk-Standrads, die sich um ca. eine Oktave unterscheiden (Z. B. GSM850/GSM900 und GSM1800/GSM1900). Der Sende- oder Empfangspfad TX bzw. RX (oder TX2 bzw. RX2) wird in unterschiedlichen Zeitschlitzen elektrisch über Antennenschalter AS1 (bzw. AS2) mit dem Eingang des Diplexers DI verbunden.
Die Antennenschalter AS, AS1 und AS2 können jeweils CMOS-Schalter, ein GaAs-Schalter oder ein Schalter auf der Basis der PIN-Dioden sein, die als Bare-Die oder SMD-Chipbauelemente (SMD = Surface Mounted Device) ausgebildet sind.
Der erste und/oder der zweite Sendepfad kann jeweils zumindest zwei unterschiedlichen Mobilfunk-Standards (z. B. GSM850/GSM900, oder GSM1800/GSM1900/UMTS) zugeordnet sein.
Neben den in den Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren vorgestellten Verwirklichungen umfaßt die Erfindung noch eine Reihe weiterer Kombinationen, die durch Weglassen einzelner Komponenten oder durch Kombination einzelner Komponenten der beschriebenen Ausführungsbeispiele erhalten werden können. Die Erfindung ist auch nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt.

IN: Signaleingang (Sendeseite)
IN1: Signaleingang (Empfangsseite)
OUT: Signalausgang (Antennenanschluß)
PA: Leistungsverstärker
MA: Anpassungsnetzwerk
LP: Tiefpaßfilter
Z₀₁: Eingangsimpedanz des Moduls
Z₀₂: Ausgangsimpedanz des Moduls
Z_PA: Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers
Z'₀₁: Eingangsimpedanz des Tiefpaßfilters
Z'₀₂: Ausgangsimpedanz des Tiefpaßfilters
Z''₀₂: Ausgangsimpedanz des Antennenschalters
IT: Impedanzwandler
AS: Antennenschalter
DI: Frequenzweiche
CO: Koppler
DS: dielektrische Schicht
ME, ME1, ME2: Metallisierungsebene
TS: Trägersubstrat
L, L1–L6: Induktivitäten
C1–C6: Kapazitäten
KI1, KI2: Koppelinduktivitäten
KL1, KL2: Koppelleitung
LA1, LA2: Leitungsabschnitt
DK: Durchkontaktierung
AE, AE1: Kontakte
A1, A2: Anschluß
D1: Diode
CB: Chip-Bauelement
PA–CB: Halbleiterchip mit PA
RX, RX1,RX2: Empfangspfade
TX, TX2: Sendepfade
PAM: Leistungsverstärker-Teilmodul
SM: Sendemodul
CS: Chipsatz

Claims

Sendemodul für die Hochfrequenzstufe eines drahtlosen Kommunikationssystems, mit einer Eingangsimpedanz Z₀₁ und einer Ausgangsimpedanz Z₀₂, mit einem zwischen einem Signaleingang (IN) und einem mit einer Antenne verschaltbaren Signalausgang (OUT) angeordneten, als Sendepfad (TX) ausgebildeten Signalpfad, umfassend – einen im Signalpfad eingangsseitig angeordneten Leistungsverstärker (PA), dessen Ausgangsimpedanz Z_PA < Z₀₁ ist, – ein im Signalpfad ausgangsseitig angeordnetes Tiefpaßfilter (LP), dessen Eingangsimpedanz Z'₀₁und Ausgangimpedanz Z'₀₂ ist, wobei Z_PA < Z'₀₁ < Z₀₂ und Z'₀₁ < Z'₀₂ ≤ Z₀₂ gilt, – einen im Signalpfad zwischen dem Leistungsverstärker und dem Tiefpaßfilter angeordneten Impedanzwandler (IT), der eine Impedanztransformation von Z_PA auf Z'₀₁ durchführt, – wobei der Leistungsverstärker (PA) auf der Oberseite eines Trägersubstrats (TS) angeordnet ist, – wobei das Trägersubstrat (TS) Metallisierungsebenen (ME) aufweist, zwischen denen dielektrische Schichten (DS) angeordnet sind, – wobei die Metallisierungsebenen (ME) mittels Durchkontaktierungen (DK) verbunden sind, – wobei der Impedanzwandler (IT) und/oder das Tiefpaßfilter (LP) passive Komponenten aufweist, die jeweils aus einer Induktivität, einer Kapazität und einem Leitungsabschnitt ausgewählt sind, welche zumindest teilweise als Leiterbahnabschnitte in zumindest einer der im Trägersubstrat (TS) innen liegenden Metallisierungsebenen (ME) ausgebildet sind.
Sendemodul nach Anspruch 1, bei dem im Signalpfad zwischen dem Tiefpaßfilter (LP) und den Signalausgang (OUT) zumindest ein Antennenschalter und/oder eine Frequenzweiche angeordnet sind.
Sendemodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Antennenschalter (AS) zwischen dem Tiefpaß filter (LP) und der Frequenzweiche (DI) geschaltet ist.
Sendemodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Frequenzweiche (DI) zwischen dem Tiefpaßfilter (LP) und dem Antennenschalter (AS) geschaltet ist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Frequenzweiche (DI) ein Diplexer oder ein Duplexer ist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Signalpfad zwischen dem Signaleingang (IN) und dem Leistungsverstärker (PA) ein Anpassungsnetzwerk (MA) geschaltet ist.
Sendemodul nach Anspruch 6, bei dem das Anpassungsnetzwerk (MA) in zumindest einer Metallisierungsebene (ME) angeordnet ist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zumindest ein Teil eines zum Monitoring der Sendeleistung vorgesehen Kopplers (CO) im Modul angeordnet ist, wobei der Koppler (CO) galvanisch vom Signalpfad des Moduls getrennt ist.
Sendemodul nach Anspruch 8, bei dem im Signalpfad nach dem Leistungsverstärker (PA) eine erste Koppelinduktivität (KI1) angeordnet ist, bei dem der Koppler (CO) eine zweite Koppelinduktivität (KI2) aufweist, wobei die erste und die zweite Koppelinduktivität über eine Transformatorkopplung gekoppelt sind, wobei die erste und die zweite Koppelinduktivität nebeneinander in derselben Metallisierungsebene (ME) oder übereinander in zumindest zwei benachbarten Metallisierungsebenen (ME) realisiert sind.
Sendemodul nach Anspruch 9, bei dem die erste Koppelinduktivität (KI1) im Tiefpaßfilter (LP) oder Impedanzwandler (IT) angeordnet ist.
Sendemodul nach Anspruch 8, bei dem im Signalpfad nach dem Leistungsverstärker (PA) eine erste Koppelleitung (KL1) angeordnet ist, bei dem der Koppler (CO) eine zweite Koppelleitung (KL2) aufweist, wobei die Länge der zweiten Koppelleitung (KL2) die Größe der ersten Koppelleitung (KL1) nicht übersteigt, wobei die erste und die zweite Koppelleitung über eine kapazitive Kopplung gekoppelt sind, wobei die erste und die zweite Koppelleitung nebeneinander in derselben Metallisierungsebene (ME) oder übereinander in zumindest zwei benachbarten Metallisierungsebenen (ME, ME1) realisiert sind.
Sendemodul nach Anspruch 11, bei dem die erste Koppelleitung (KL1) im Tiefpaßfilter (LP) oder Impedanzwandler (IT) angeordnet ist.
Sendemodul nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die erste Koppelleitung (KL1) als eine λ/4-Leitung ausgebildet ist.
Sendemodul nach Anspruch 8, 9, 11 oder 13, bei dem der Koppler (CO) vor oder nach dem Tiefpaßfilter (LP) angeordnet ist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Impedanzwandler (IT) und/oder das Tiefpaßfilter (LP) eine oder mehrere Stufen aufweist, wobei zumindest eine der Stufen durch eine Leitungstransformation oder über ein Tiefpaßfilter-Glied oder durch einen Leitungsabschnitt und eine parallel dazu gegen Masse geschaltete Kapazität oder eine Kombination von LC- Elementen realisiert ist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Impedanzwandler (IT) bei einer ausgewählten Sendefrequenz eine Phasendrehung des Signals um 180 Grad durchführt.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem zumindest ein mit einem zweiten Signaleingang verbundener weiterer als Sendepfad ausgebildeter Signalpfad angeordnet ist, der über den oder einen weiteren Antennenschalter (AS) oder der über die oder eine Frequenzweiche (DI) mit dem Signalausgang (OUT) verbunden ist und die gleichen Komponenten wie der erste Signalpfad aufweist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der erste und der zweite Sendepfad unterschiedlichen Frequenzbändern drahtloser Kommunikationssysteme zugeordnet sind.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der erste und/oder der zweite Sendepfad jeweils zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzbändern drahtloser Kommunikationssysteme zugeordnet ist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem die dielektrischen Schichten (DS) aus Keramik ausgebildet sind.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das Trägersubstrat (TS) einen gemischten Aufbau aus Keramik und Laminat aufweist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem zumindest eine dielektrische Schicht (DS) eine Dielektrizitätskonstante > 12 aufweist.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem zumindest ein Empfangspfad (RX) vorgesehen ist, wobei in dem zumindest einen Empfangspfad (RX) ein Frontend-Teilmodul angeordnet ist, wobei das Frontend-Teilmodul als Bestandteil des Sendemoduls ausgebildet ist.
Sendemodul nach Anspruch 23, bei dem das Frontend-Teilmodul auf der Oberfläche der Trägersubstrats (TS) angeordnet ist.
Sendemodul nach Anspruch 23 oder 24, bei dem das Frontend-Teilmodul zumindest ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bandpaßfilter umfaßt.
Sendemodul nach einem der Ansprüche 2 bis 25, bei dem der zumindest eine Antennenschalter (AS) als GaAs-Schalter, CMOS-Schalter oder ein PIN-Dioden-Schalter ausgebildet ist.