DE112009001878T5

DE112009001878T5 - Dynamisches Impedanzanpassungsnetzwerk und Verfahren zum Anpassen einer Impedanz zwischen einer Quelle und einer Last

Info

Publication number: DE112009001878T5
Application number: DE112009001878T
Authority: DE
Inventors: Maurice De Jongh; Adrianus Van Bezooijen
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: Qualcomm Technologies Inc
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-07-28
Also published as: EP2151921B1; WO2010015550A1; KR20110052653A; JP2011530254A; US20110163935A1; KR101670345B1; US8542078B2; EP2151921A1; JP6054033B2

Abstract

Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN), umfassend: – einen Signalpfad (SP), der einen Eingang (IN) und einen Ausgang (OUT) umfasst, – eine elektrisch in dem Signalpfad (SP) verbundene Impedanzanpassungsschaltung (IMC), die ein erstes abstimmbares Reaktanzelement (TRE1) und ein zweites abstimmbares Reaktanzelement (TRE2) umfasst, – ein in dem Signalpfad eingebettetes Fehlanpassungserfassungselement (MSE) – ein Steuernetzwerk (CN), das dafür ausgelegt ist, die Fehlanpassung des sich in dem Signalpfad (SP) ausbreitenden Signals mittels des Fehlanpassungserfassungselements (MSE) zu identifizieren und die abstimmbaren Reaktanzelemente abhängig von der identifizierten Fehlanpassung abzustimmen, – wobei die abstimmbaren Reaktanzelemente so ausgelegt sind, dass das Abstimmen eines der Reaktanzelemente (TRE1 oder TRE2) hauptsächlich die reelle Komponente der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung (IMC) variiert und das Abstimmen der anderen der Reaktanzelemente (TRE2 oder TRE1) hauptsächlich die imaginäre Komponente der Impedanzanpassungsschaltung (IMC) variiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dynamisches Impedanzanpassungsnetzwerk, das die Impedanz einer Antenne als eine Lastimpedanz an interne Schaltungen als Quellenimpedanzen, wie zum Beispiel die in tragbaren Kommunikationsgeräten, zum Beispiel in Mobiltelefonen, verwendeten, anpasst.
Stand der Technik
US 6,845,126 B2 betrifft ein System für eine adaptive Antennenimpedanzanpassung. Die Impedanzfehlanpassung wird dynamisch durch Messen der Stärke eines von einer Antenne reflektierten Signals bestimmt. Eine elektrisch mit dem Signalpfad verbundene Impedanzanpassungsschaltung wird abgestimmt, um das Spannungsstehwellenverhältnis (VSWR) zu minimieren. Die Abstimmung kann durch Variieren der Reaktanzen verschiedener Reaktanzelemente erfolgen, die elektrisch mit der Impedanzanpassungsschaltung verbunden sind.
1a zeigt eine einfache Ausführungsform einer wohlbekannten pi-Glied-Impedanzanpassungsschaltung. Eine Quellenimpedanz Rs ist elektrisch mit einem Signalpfad in Reihe geschaltet. Ein Induktivitätselement L ist elektrisch mit dem Signalpfad in Reihe geschaltet, ein Kapazitätselement C1 verbindet einen Kontakt des Induktivitätselements mit Masse und ein anderes Kapazitätselement C2 verbindet die andere Seite des Induktivitätselements mit Masse. Die drei Reaktanzelemente C1, C2 und L bilden das pi-Glied und sind unabhängig justierbar. 1b zeigt ein Smith-Diagramm der Impedanz der obenerwähnten Anpassungsschaltung. Der Sollwert, z. B. 50 Ohm, befindet sich in der Mitte des Diagramms, das Gruppen von Kurven enthält, die beispielhaft die Gesamtimpedanz abhängig von dem Wert der Reaktanzen aller drei Reaktanzelemente repräsentieren. Eine Variation von nur zwei Reaktanzen begrenzt die Impedanz auf eine kreisartige Teilmenge des gesamten Bereichs des Smith-Diagramms.
Somit ist es offensichtlich, dass das dynamische Finden einer korrekten Einstellung für alle drei Elemente, die eine gegebene Spezifikation bezüglich der gewünschten Gesamtimpedanz erfüllt, nicht trivial ist. Algorithmen zum Finden der besten Einstellung sind deshalb nicht unkompliziert, können aber auf Nachschlagetabellen basieren und sind komplex und fehleranfällig.
Deshalb wird ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit verbessertem Entwurf benötigt, um mit einem unkomplizierten und unzweideutigen Algorithmus zu arbeiten.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Impedanzanpassungsnetzwerk bereit, umfassend:

– einen Signalpfad, der einen Eingang und einen Ausgang umfasst,
– eine elektrisch in dem Signalpfad verbundene Impedanzanpassungsschaltung, die ein erstes abstimmbares Reaktanzelement und ein zweites abstimmbares Reaktanzelement umfasst,
– ein in dem Signalpfad eingebettetes Fehlanpassungserfassungselement,
– ein Steuernetzwerk, das dafür ausgelegt ist, die Fehlanpassung des sich in dem Signalpfad ausbreitenden Signals mittels des Fehlanpassungserfassungselements zu identifizieren und die abstimmbaren Reaktanzelemente abhängig von der identifizierten Fehlanpassung abzustimmen,
– wobei die abstimmbaren Reaktanzelemente so ausgewählt werden, dass das Abstimmen eines der Reaktanzelemente hauptsächlich die reelle Komponente der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung variiert und das Abstimmen der anderen der Reaktanzelemente hauptsächlich die imaginäre Komponente der Impedanzanpassungsschaltung variiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein pi-Glied-Netzwerk, das aus einer in Reihe geschalteten Induktivität L und zwei parallel geschalteten Kapazitäten C₁ und C₂ besteht, als Impedanzanpassungsschaltung verwendet. Eine solche Schaltung entspricht einem Tiefpassfilter.
Dementsprechend kann die Impedanzanpassungsschaltung auch durch ein Hochpassfilter realisiert werden, das auf pi- oder T- oder allgemeiner „pi-artigen” Schaltungen basiert. In diesem Fall werden Induktivitätselemente und Reaktanzelemente vertauscht. In den folgenden Abschnitten werden der Einfachheit halber nur Tiefpassschaltungen betrachtet. Für Fachleute ist jedoch klar, dass die Grundideen für beide gelten: für Hochpassschaltungskonfigurationen und analog für Tiefpassschaltungskonfigurationen.
Bei einer reellen Quellenimpedanz R_S und gemäß Fidler und Thompson („Application of the generic algorithm and simulated annealing to LC filter tuning", IEEE Proc. Circuits Devices Syst., Band 148, Nr. 4, S. 177–182, Aug. 2001) kann der Realteil der angepassten Impedanz eines solchen pi-Glied-Netzwerks folgendermaßen ausgedrückt werden:
und der Imaginärteil kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei ω die Kreisfrequenz des elektromagnetischen Signals ist. Als Folge des Konstanthaltens zweier Reaktanzen und des Variierens der dritten wird eine kreisförmige Impedanzkurve gefunden. Die Impedanz ist auf einen Kreis in der komplexen Ebene mit positivem Realteil beschränkt, während die Mitte und der Radius dieses Kreises Funktionen der anderen zwei Werte sind.
Ein vorteilhaft einfacher und unkomplizierter Algorithmus zum Anpassen an eine gewünschte Impedanz wird erhalten, indem man die Reaktanzelemente so entwirft, dass

i) der Kreis den gewünschten Impdanzwert enthält,
ii) die Differenz des Imaginärteils der Mitte des Kreises und des gewünschten Impedanzwerts im Wesentlichen null ist,
iii) die Differenz des Realteils der Mitte des Kreises und des gewünschten Impdanzwerts groß genug ist, um einen Bereich angemessener Größe bereitzustellen, wobei der Bogen des Kreises hauptsächlich orthogonal zu einer Linie ist, die den gewünschten Wert enthält und parallel zu der Achse des Realteils ist.

Der Vorteil von derart entworfenen Elementen besteht darin, dass das Steuern der Impedanz der Anpassungsschaltung auf orthogonale Weise nun möglich ist.
Dadurch wird sichergestellt, dass erstens eine optimale Impedanz existiert und zweitens die Variation der Reaktanzen zum Erreichen der gewünschten Impedanz direkt durch die Differenz einer tatsächlichen Impedanz, die von den äußeren Umständen abhängen kann, und der gewünschten Impedanz gegeben wird. Der Realteil und der Imaginärteil dieser Differenz können unabhängig minimiert werden, weil das Variieren des Realteils nicht zu einem Variieren des Imaginärteils führt und umgekehrt.
Beispiel: Für konstant gehaltenes C₁ und C₂ wird die Impedanz zum Variieren von L durch die folgende Gleichung (Gleichung 1) gegeben:
Somit liegt die Impedanz auf einem Kreis mit einer Mitte bei
und einem Radius von
Somit werden Mitte und Radius des Kreises durch die zwei Kapazitäten C₁ und C₂ bestimmt.
Hierbei ändert das lineare Variieren des Radius des Kreises den Realteil der Impedanz linear, während das Variieren der Position auf dem Kreis den Imaginärteil der Impedanz ändert.
Die Variation des Radius der Mittenposition oder des Realteils der Impedanz (die in diesem Fall gleich sind), während der Imaginärteil der Mittenposition konstant gehalten wird, muss in der obenerwähnten Gleichung C₂ konstant halten. Andernfalls würde sich der Imaginärteil der Mittenposition (d. h. die Ordinate) ändern. Das Variieren von C₁ führt somit zu einer Änderung nur des Realteils der Impedanz.
Bei einer Ausführungsform kann die Anpassungsschaltung mehrere abstimmbare Reaktanzelemente in mehreren pi- oder pi-artigen Gliedern umfassen.
Im Allgemeinen gilt: Wenn es eine Anzahl von m abstimmbaren Reaktanzelementen gibt, wird eine Anzahl von i >= 1 einer ersten Menge von abstimmbaren Reaktanzelementen differentiell abgestimmt und eine Anzahl von j >= 1 einer zweiten Menge von abstimmbaren Reaktanzen wird differentiell abgestimmt, wobei i + j = m und m > 2 ist. Hierbei bedeutet „differentielles Abstimmen”, dass es einen Freiheitsgrad zum Variieren der Reaktanz eines ersten abstimmbaren Elements gibt, während die Variation jedes anderen Elements derselben Menge eine Funktion der Variation der Reaktanz des ersten Elements ist.
Die Anpassungsschaltung kann weitere T-Glieder umfassen. Diese können mit existierenden pi-Gliedern weitere pi-Glieder bilden und daher gelten die obenerwähnten Grundrelationen auch und können entsprechend angewandt werden. Deshalb können weitere T-Glieder wie pi-Glieder behandelt werden, und wenn „pi-Glieder” erwähnt werden, gilt es auch für weitere T-Glieder.
Zur dynamischen Anpassung einer Quellenimpedanz an eine Lastimpedanz umfasst die Erfindung einen Regelkreis. Ein Anpassungssensorelement bestimmt die tatsächliche Fehlanpassung des Impedanzanpassungsnetzwerks. Ein Steuernetzwerk ist elektrisch mit dem Anpassungssensorelement verbunden und bestimmt die am besten geeigneten Werte für die Reaktanzelemente gemäß dem obenerwähnten Verfahren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Anpassungssensorelement ein Induktivitätselement, das in den Signalpfad eingebettet ist. Durch Erfassen der Knotenspannung an dem und des Stroms durch das Induktivitätselement werden alle Informationen erhalten, die notwendig sind, um Impedanz, Admittanz oder Reflexionskoeffizient des Impedanzanpassungsnetzwerks zu bestimmen. Dies geschieht durch einen generischen Quadraturdetektor. Im Prinzip kann das Detektieren der Fehlanpassung auf der Basis beliebiger Reaktanzelemente durchgeführt werden. Somit kann auch ein Kapazitätselement verwendet werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst jeder des mindestens einen seriellen Zweigs eines pi-artigen Glieds zwei Induktivitätselemente, die in dem seriellen Zweig elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das pi-artige Glied umfasst ferner ein Kapazitätselement (mit Kapazität C), das mit einem (mit der Induktivität L_P) der zwei in Reihe geschalteten Induktivitätselemente (mit Induktivitäten L_S und L_P) parallel geschaltet ist. Gleichung 2:
bezieht sich auf den Imaginärteil der Impedanz eines solchen seriellen Zweigs eines pi-Glieds (siehe 3a). Wenn die Reaktanzen C_P, L_P und L_S richtig gewählt werden, sind zwei distinkte Frequenzen ω_LB und ω_HB Lösungen dieser Gleichung. Das heißt, dass das pi-Glied bei zwei verschiedenen Frequenzen dieselbe Impedanz aufweist und somit ein solche pi-Glieder enthaltendes Impedanzanpassungsnetzwerk in zwei Frequenzbändern arbeiten kann. Hierbei ist ω_LB die Kreisfrequenz des niedrigeren Bands und ω_HB die Kreisfrequenz des höheren Bands. Es kann somit eine gute Abstimmung in zwei verschiedenen Frequenzbändern erhalten werden, ohne sich darüber zu sorgen, welches Band im Moment verwendet wird.
Ein analoges Zweiband-Netzwerk wird erzielt, wenn jeder serielle Pfad der pi-artigen Glieder ein elektrisch mit dem Induktivitätselement in Reihe geschaltetes Kapazitätselement enthält und eine Kapazität elektrisch mit dem Induktivitätselement parallel geschaltet ist.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform umfasst Schutzelemente, die elektrisch mit dem Eingang oder dem Ausgang des Signalpfads mit Masse verbinden. Diese Schutzelemente sind in Schutzzweigen angeordnet und können Induktivitätselemente sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Anpassungserfassungselement ein induktives Element, das in dem Signalpfad elektrisch verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Anpassungsschaltung elektrisch mit einer Antenne verbunden. Anpassung ist notwendig, weil die Antenne in verschiedenen Umgebungen verwendet werden kann oder sich in Kontakt mit anderen Reaktanzen befinden kann. Es kann auch möglich sein, dass die Antenne die Antenne einer Mobilkommunikationseinheit ist und deshalb ihre Position und Orientierung ändert. Das Abstimmen der abstimmbaren Reaktanzelemente der Impedanzanpassungsschaltung gemäß der Erfindung kann diese Variationen perfekt kompensieren.
Ein Verfahren zum Anpassen einer Impedanz zwischen einer Quelle und einer Last gemäß einer definierten Spezifikation umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Signalpfads,
b) Verbinden einer Impedanzanpassungsschaltung mit dem Signalpfad, die mindestens zwei abstimmbare Reaktanzelemente umfasst, die jeweils einer ersten oder einer zweiten Gruppe zugewiesen sind,
c) Verbinden eines Fehlanpassungserfassungselements mit dem Signalpfad,
d) Detektieren der Impedanzfehlanpassung zwischen Quelle und Last,
e) Bestimmen einer neuen Menge von Impedanzwerten der abstimmbaren Reaktanzelemente abhängig von der Fehlanpassung,
f) Abstimmen der abstimmbaren Reaktanzelemente gemäß der Fehlanpassung, wobei ein differentielles Abstimmen der ersten Gruppe der abstimmbaren Reaktanzelemente hauptsächlich die reelle Komponente der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung variiert und ein differentielles Abstimmen der zweiten Gruppe der abstimmbaren Reaktanzelemente hauptsächlich die imaginäre Komponente der Impedanzanpassungsschaltung variiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des obenerwähnten Verfahrens ist die Anzahl der abstimmbaren Reaktanzelemente m, wobei m eine ganze Zahl > 2 ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird aus der hier im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
1a ein pi-Glied-Netzwerk mit drei justierbaren Reaktanzelementen;
1b ein Smith-Diagramm des Netzwerks von 1a;
2 das Grundkonzept der Erfindung;
3a ein Netzwerk mit einem schaltbaren Kapazitätselement;
3b ein serielles Zweiband-Glied eines pi-Glied-Netzwerks;
3c ein weiteres serielles Zweiband-Glied eines pi-Glied-Netzwerks;
3d ein weiteres serielles Zweiband-Glied eines pi-Glied-Netzwerks mit einem abstimmbaren Kapazitätselement;
3e eine weitere Ausführungsform eines seriellen Glieds eines pi-Glied-Netzwerks;
3f ein pi-Glied eines Impedanzanpassungsnetzwerks zur Verwendung in einer Hochpassschaltungskonfiguration;
4a ein pi-Glied-Netzwerk mit einem abstimmbaren Induktivitätselement und zwei differentiell abstimmbaren Kapazitätselementen;
4b ein Smith-Diagramm der Impedanz des pi-Glied-Netzwerks von 4a;
5a eine Impedanzanpassungsschaltung mit einem pi-Glied mit differentiell gesteuerten Kapazitätselementen und einem T-Glied-Netzwerk;
5b die Impedanz des Netzwerks von 5a;
6 das simulierte Konvergenzverhalten des Impedanzanpassungsnetzwerks von 7;
7 ein Zweiband-Zweiglied-Impedanzanpassungsnetzwerk mit zwei pi-Gliedern.
Ausführliche Beschreibung
1a zeigt ein herkömmliches pi-Glied-Netzwerk, das verwendet werden kann, um die Impedanz einer Quelle S, die elektrisch mit dem Eingang IN des Signalpfads SP verbunden ist, an eine Einrichtung (z. B. eine Antenne) anzupassen, die mit dem Ausgang OUT des Signalpfads SP verbunden sein kann. In diesem Fall wird der Signalpfad durch das abstimmbare Induktivitätselement IN1 repräsentiert. Ein Kapazitätselement CP1 verbindet den Eingang des Signalpfads IN elektrisch mit Masse, während ein anderes Kapazitätselement CP2 den Ausgang des Signalpfads elektrisch mit Masse verbindet. Beide Kapazitätselemente sind abstimmbar. Somit gibt es drei Freiheitsgrade zum variieren der Gesamtimpedanz der gezeigten Impedanzanpassungsschaltung, was zu den obenerwähnten Problemen führt, die im Hinblick auf 1b folgendermaßen weiterbesprochen werden.
1b zeigt die Komplexität der Impedanzabhängigkeit des in 1a gezeigten einfachen pi-Glieds. Gemäß der obenerwähnten Gleichung ist es relativ schwierig, einen Algorithmus zu finden, der es ermöglicht, drei abstimmbare Elemente unabhängig zu steuern, um eine Anpassung an einen spezifizierten Wert zu erreichen.
2 zeigt das Grundkonzept der Erfindung. Der Signalpfad SP umfasst ein Anpassungserfassungselement (MSE), das die Fehlanpassung der tatsächlichen Impedanz dynamisch identifizieren kann. Diese Informationen werden zu einem Steuernetzwerk CN gesendet, das eine neue Menge von Werten für abstimmbare Elemente bestimmt, die in einer Impedanzanpassungsschaltung IMC beinhaltet sind. Diese Schaltung umfasst zwei Mengen von abstimmbaren Elementen (z. B. CP1 als die erste Menge und CP2 als die andere Menge, wobei jede Menge in diesem Fall nur ein Element aufweist). Jedes abstimmbare Element jeder Menge wird differentiell durch das Steuernetz CN abgestimmt. Das heißt, dass es nur einen Freiheitsgrad zum Wählen des Werts der Reaktanz eines Reaktanzelements gibt, während die anderen Werte der anderen abstimmbaren Elemente in jeder Menge Funktionen des einen Werts des einen Elements sind. Deshalb geben zwei Mengen von abstimmbaren Elementen dem Steuernetzwerk CN zwei Freiheitsgrade zum Abstimmen der Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks IMC. Die gezeigten Pfeile von dem Steuernetzwerk zu der Impedanzanpassungsschaltung zeigen diese zwei Freiheitsgrade an.
Im einfachsten Fall umfasst die Impedanzanpassungsschaltung ein elektrisch in dem Signalpfad verbundenes induktives Element IN1 und zwei Kapazitätselemente, die einzeln beide Kontakte des Induktivitätselements IN elektrisch mit Masse verbinden, wodurch eine pi-Glied-Schaltung gebildet wird. Mindestens zwei dieser Elemente sind abstimmbar. Das heißt, dass ihr Reaktanzwert justierbar ist und durch das Steuernetzwerk CN variiert werden kann. Insbesondere wenn diese Reaktanzelemente richtig entworfen sind, ist das Abstimmen der Impedanz gemäß der Erfindung bemerkenswert unkompliziert und leicht. Wie oben gezeigt können die Reaktanzen von pi-artigen Schaltungen so gewählt werden, dass ein in 4b gezeigtes Impedanzverhalten resultiert, worin eine hauptsächlich orthogonale Steuerung der Impedanz in einer Umgebung einer spezifizierten Anpassungsimpedanz offenbart wird.
4a zeigt eine Ausführungsform der Impedanzanpassungsschaltung, die es dem Steuernetzwerk CN ermöglicht, die Impedanz wie in 4b gezeigt abzustimmen. Das Bestimmen der Differenz zwischen 4a und 1a basiert in der differentiellen Steuerung, die durch die verbundenen Pfeile beider abstimmbaren Kapazitätselemente CP1 und CP2 angegeben ist. Somit bilden diese zwei Kapazitätselemente eine Menge von abstimmbaren Elementen, während das abstimmbare Induktivitätselement IN1 die andere Menge bildet. Mit Bezug auf 4b ist die spezifizierte Impedanz, an die anzupassen ist (z. B. 50 Ohm), in der Mitte des Smith-Diagramms angeordnet. Das Variieren der Induktivität des Induktivitätselements IN1 führt hauptsächlich zu dem Variieren des Realteils der Impedanz in einer Umgebung der spezifizierten Impedanz, während das differentielle Variieren der Kapazität der Kapazitätselemente CP1, CP2 hauptsächlich zu dem Variieren des Imaginärteils der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung führt. Die Vorteile eines solchen Entwurfs sind offensichtlich: Es wird sichergestellt, dass optimale Impedanzanpassung erzielt werden kann und die Anpassung der spezifizierten Impedanz kann in einer minimalen Anzahl von Schritten erzielt werden. Im Prinzip kann die Anpassung in einem einzigen Schritt durchgeführt werden.
5a zeigt eine weitere Ausführungsform der Impedanzanpassungsschaltung IMC. Drei induktive Elemente IN1, IN3, IN5 sind elektrisch in dem Signalpfad SP zwischen dem Eingang IN und dem Ausgang OUT des Signalpfads in Reihe geschaltet. Zwei differentiell abstimmbare Kapazitätselemente CP1, CP2, die jeweils den Signalpfad in einem jeweiligen parallelen Zweig mit Masse verbinden, bilden eine Menge von abstimmbaren Reaktanzelementen, während das andere abstimmbare Kapazitätselement CP5 den Signalpfad in einem dritten parallelen Zweig mit Masse verbindet. Die in 5a gezeigte Impedanzanpassungsschaltung umfasst somit ein pi-Glied-Netzwerk, das aus den Elementen CP1, IN1, CP2 besteht, und ein T-Glied-Netzwerk, das aus den Elementen IN3, CP3, IN5 besteht. Das T- und das pi-Glied-Netzwerk sind in dem Signalpfad SP elektrisch in Reihe geschaltet. Diese Anordnung kann auch als ein Zweifach-pi-Glied-Netzwerk betrachtet werden, das die Elemente CP3, IN3, CP1, IN1 und CP2 umfasst, die elektrisch mit dem Impedanzelement IN5 in Reihe geschaltet sind. Diese und ähnliche Netzwerktopologien werden deshalb „pi-artige” Netzwerke bezeichnet.
Die differentielle Steuerung der Kapazitätselemente CP1 und CP2 und die Steuerung des Kapazitätselements CP5 ermöglichen es dem Steuernetzwerk CN, die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks wie in 5b gezeigt abzustimmen. Hierbei ist ein Teil der komplexen Ebene gezeigt, das die komplexe Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks gemäß 5a repräsentiert. Analog zu 4b variiert das differentielle Variieren der Kapazitäten von CP1 und CP2 hauptsächlich den Imaginärteil der Impedanz, während das Variieren der Kapazität von CP3 den Realteil variiert. Somit ist wieder eine orthogonal-artige Abstimmung möglich, wodurch die erwähnten Vorteile gewährleistet werden.
Die Anpassung in zwei Frequenzbändern kann mit weiteren Reaktanzelementen geschehen, die elektrisch in der Impedanzanpassungsschaltung IMC verbunden sind. Ein Beispiel ist in 3a gezeigt. Um die Impedanzanpassungsschaltung bei verschiedenen Frequenzen abzustimmen, kann sie weitere Kapazitätselemente CPa, CPb, CPc, CPd umfassen, die elektrisch in dem Signalpfad verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform sind CPa und CPb elektrisch parallel geschaltet und CPc und CPd elektrisch parallel geschaltet. Ferner sind die Kapazitäten CPc und CPd elektrisch mit CPb in Reihe geschaltet. Ein Schalter kann die Reihenschaltung zwischen CPd und CPb öffnen oder schließen. Das Aktivieren oder Deaktivieren von CPd führt zu zwei verschiedenen Gesamtkapazitäten der elektrischen Schaltung, die diese vier Kapazitäten umfasst. Dadurch kann man die Impedanzanpassungsschaltung abstimmen, um eine Abstimmung in zwei verschiedenen Frequenzbändern zu erhalten.
3b zeigt eine weitere Möglichkeit zur Verwendung des Impedanzanpassungsnetzwerks in zwei verschiedenen Frequenzbändern. Zwei Induktivitätselemente IN1 (mit Induktivität L_P), IN2 (mit Induktivität L_S) sind elektrisch in Reihe geschaltet, während ein Kapazitätselement CP3 (mit Kapazität CP) elektrisch mit dem Induktivitätselement IN1 parallel geschaltet ist. Dieses Netzwerk weist die seriellen Glieder der pi-artigen Schaltungen in der Impedanzanpassungsschaltung auf. Gemäß Gleichung 2 kann durch Entwerfen der Reaktanzen der Elemente sichergestellt werden, dass bei zwei verschiedenen Frequenzen eine spezifizierte Impedanz erhalten wird. Die Reaktanzelemente können abstimmbar sein, um die Impedanz gemäß der Erfindung dynamisch abzustimmen.
3c zeigt eine weitere Ausführungsform der seriellen Glieder der pi-artigen Netzwerke, die durch die Impedanzanpassungsschaltung beinhaltet werden. Im Vergleich zu 3b ist das Induktivitätselement IN2 durch ein Kapazitätselement CP4 ersetzt. Dieses Netzwerk ermöglicht auch eine Abstimmung, um in zwei verschiedenen Frequenzbändern eine spezifizierte Impedanz zu erhalten.
3d zeigt das serielle Glied der pi-artigen Schaltungen der Impedanzanpassungsschaltung gemäß 3b mit einem weiteren abstimmbaren Kapazitätselement CP6, das elektrisch mit beiden seriellen Induktivitätselementen IN1, IN2 parallel geschaltet ist.
3e zeigt das serielle Glied der pi-artigen Schaltungen der Impedanzanpassungsschaltung gemäß 3b mit einem weiteren Kapazitätselement CP4, das elektrisch in dem seriellen Glied in Reihe geschaltet ist.
3f zeigt ein pi-Glied eines Impedanzanpassungsnetzwerks zur Verwendung in einer Hochpassschaltungskonfiguration. Es umfasst ein kapazitives Element HPCE in dem Signalpfad (d. h. dem seriellen Pfad) und zwei Induktivitätselemente HPIE, die jeweils elektrisch in einem parallelen Pfad geschaltet sind. Auf der Basis solcher Glieder kann das vorliegende Schaltungsanpassungsnetzwerk in einer für Fachleute bekannten Hochpasskonfiguration realisiert werden.
Weitere dynamisch abstimmbare oder statische Reaktanzelemente können in weiteren parallelen oder seriellen Zweigen angeordnet werden, die elektrisch mit der Signalleitung verbunden sind. Als Alternative können Kombinationen der dargestellten Netzwerkglieder durch die Impedanzanpassungsschaltung beinhaltet werden, um ihre Anpassungseigenschaften zu verbessern.
6 zeigt das Konvergenzverhalten einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beginnend mit acht verschiedenen nichtangepassten Impedanzen mit (von links im Diagramm nach rechts im Diagramm) zunehmender Absolutwertdifferenz zwischen tatsächlicher Impedanz und spezifizierter Impedanz. Die Ausgangsimpedanzen sind an den Ecken eines symmetrischen Achtecks angeordnet und durch Dreiecke bezeichnet. Die angepassten Impedanzen werden durch Kreise bezeichnet. Es ist ersichtlich, dass, wenn die Ausgangsimpedanz in einer Umgebung des spezifizierten Werts liegt, die Anpassung sehr gut funktioniert (linkes Smith-Diagramm). Selbst wenn sich der Ausgangspunkt in einer Region befindet, in der unabhängige Steuerung von Real- und Imaginärteil nicht mehr voll gegeben ist (Smith-Diagramm in der Mitte), ist die Konvergenz immer noch gut. Dies gilt weiterhin in dem rechten Smith-Diagramm, wobei unzweideutig eine Verbesserung der Impedanz vorliegt.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Impedanzanpassungsnetzwerks mit zwei sukzessive angeordneten pi-Gliedern, die durch Variieren von drei kapazitiven Elementen CP1, CP2, CP3 abgestimmt werden. Jedes kapazitive Element ist elektrisch in seinem eigenen parallelen Pfad geschaltet. Die kapazitiven Elemente CP1 und CP2 werden wie in der Figur angegeben differentiell gesteuert.
Die vorliegende Erfindung umfasst abstimmbare Reaktanzelemente. Abstimmbare Reaktanzelemente können abstimmbare Kondensatoren, insbesondere variable MEMS-Kondensatoren (z. B. CMOS-geschaltete Kondensatorarrays) oder Varaktoren sein. Aber das Grundkonzept hängt nicht von den Details in Bezug auf den Mechanismus der abstimmbaren Elemente ab, die auch durch variable Induktivitäten gebildet werden können. Ferner wird die Erfindung nicht durch die Ausführungsformen oder die beigefügten Figuren beschränkt. Insbesondere sind auch Ausführungsformen auf der Basis von Hochpassschaltungskonfigurationen möglich. Somit sind zahlreiche von den Figuren abweichende Varianten möglich, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Liste der Bezugszeichen:

CP1, CP2, CP3, CP5, CP6, CP7:

paralleles Kapazitätselement

CP4:

serielles Kapazitätselement

CPa, CPb, CPc, CPd:

Kapazitätselement

CN:

Steuernetzwerk

HPCE:

kapazitives Element

HPIE:

induktives Element

IMC:

Induktivitätsanpassungsschaltung

IMN:

Impedanzanpassungsnetzwerk

IN:

Eingang des Signalpfads

IN1, IN2, IN3, IN4, IN5:

serielles Induktivitätselement

MSE:

Anpassungserfassungselement

NO1, NO2:

Knoten

OUT:

Ausgang des Signalspfads

PB1, PB2:

paralleler Zweig

S:

Quelle

SP:

Signalpfad

SW:

Schalter

Zusammenfassung
Dynamisches Impedanzanpassungsnetzwerk und Verfahren zum Anpassen einer Impedanz zwischen einer Quelle und einer Last
Ein Impedanzanpassungsnetzwerk umfasst eine Impedanzanpassungsschaltung zum dynamischen Anpassen einer Impedanz zwischen einer Quelle und einer Last. Die Anpassung erfolgt durch unabhängiges Variieren des Realteils und des Imaginärteils der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6845126 B2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fidler und Thompson („Application of the generic algorithm and simulated annealing to LC filter tuning”, IEEE Proc. Circuits Devices Syst., Band 148, Nr. 4, S. 177–182, Aug. 2001) [0009]

Claims

Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN), umfassend: – einen Signalpfad (SP), der einen Eingang (IN) und einen Ausgang (OUT) umfasst, – eine elektrisch in dem Signalpfad (SP) verbundene Impedanzanpassungsschaltung (IMC), die ein erstes abstimmbares Reaktanzelement (TRE1) und ein zweites abstimmbares Reaktanzelement (TRE2) umfasst, – ein in dem Signalpfad eingebettetes Fehlanpassungserfassungselement (MSE) – ein Steuernetzwerk (CN), das dafür ausgelegt ist, die Fehlanpassung des sich in dem Signalpfad (SP) ausbreitenden Signals mittels des Fehlanpassungserfassungselements (MSE) zu identifizieren und die abstimmbaren Reaktanzelemente abhängig von der identifizierten Fehlanpassung abzustimmen, – wobei die abstimmbaren Reaktanzelemente so ausgelegt sind, dass das Abstimmen eines der Reaktanzelemente (TRE1 oder TRE2) hauptsächlich die reelle Komponente der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung (IMC) variiert und das Abstimmen der anderen der Reaktanzelemente (TRE2 oder TRE1) hauptsächlich die imaginäre Komponente der Impedanzanpassungsschaltung (IMC) variiert.
Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN) nach Anspruch 1, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk eine pi-artige Schaltung mit n Gliedern umfasst, wobei n eine ganze Zahl größer null ist und jedes Glied als Reaktanzelemente ein induktives Element (IEn) in dem seriellen Glied und ein kapazitives Element (CEn1, CEn2) in jedem parallelen Zweig umfasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN) nach Anspruch 2, wobei m Reaktanzelemente abstimmbar sind und i Reaktanzelemente einschließlich des ersten abstimmbaren Reaktanzelements (TRE1) differentiell abgestimmt werden und j Reaktanzelemente einschließlich des zweiten abstimmbare Reaktanzelements (TRE2) zusammen mit dem zweiten abstimmbaren Reaktanzelement differentiell abgestimmt werden, wobei m, i und j ganze Zahlen mit 2 < m <= 2n + 1, i + j = m > 2 und i >= 1 und j >= 1 sind.
Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN) nach Anspruch 3, das zusätzliche kapazitive Elemente (CEn3) und zusätzliche induktive Elemente (IEn2) für jedes Glied der pi-artigen Schaltung mit n Gliedern umfasst, wobei jedes zusätzliche induktive Element (IEn2) elektrisch mit dem induktiven Element (IEn) in Reihe geschaltet ist und jedes zusätzliche Kapazitätselement (CEn3) elektrisch mit einem der zusätzlichen induktiven Elemente (IEn2) parallel geschaltet ist, wodurch ein Zweiband-Impedanzanpassungsnetzwerk gebildet wird.
Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN) nach Anspruch 3, das ein erstes und ein zweites zusätzliches kapazitives Element (CEn3, CEn4) für jedes Glied der pi-Schaltung mit n Gliedern umfasst, wobei jedes erste zusätzliche kapazitive Element (CEn3) elektrisch mit dem induktiven Element (IEn) in Reihe geschaltet ist und jedes zweite zusätzliche Kapazitätselement (CEn4) elektrisch mit dem zusätzlichen induktiven Element (IEn2) parallel geschaltet ist, wodurch ein Zweiband-Impedanzanpassungsnetzwerk gebildet wird.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach Anspruch 1–5, das ein erstes induktives Schutzelement in einem elektrisch mit dem Eingang des Signalpfads verbundenen ersten Schutzzweig umfasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach Anspruch 1–6, das ein zweites induktives Schutzelement in einem elektrisch parallel zu dem Ausgang des Signalpfads angeordneten zweiten Schutzzweig umfasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Fehlanpassungserfassungselement ein elektrisch in dem Signalpfad in Reihe geschaltetes Erfassungsinduktivitätselement (SIE) umfasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Steuernetzwerk einen Quadraturdetektor zum Bestimmen des Realteils und des Imaginärteils der detektierten Impedanz umfasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1–9, das eine Signalquelle an eine Signallast anpasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Anpassung in einem ersten Frequenzband und in einem von dem ersten Frequenzband verschiedenen zweiten Frequenzband erfolgt.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1–11, das eine Signalquelle an eine Antenne anpasst.
Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN) nach Anspruch 1, wobei das Impedanzanpassungsnetzwerk eine pi-artige Schaltung mit n Gliedern umfasst, wobei n eine ganze Zahl > 0 ist und jedes Glied als Reaktanzelemente ein kapazitives Element in dem seriellen Glied und ein induktives Element in jedem parallelen Zweig umfasst.
Verfahren zum Anpassen einer Impedanz zwischen einer Quelle und einer Last gemäß einer definierten Spezifikation, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Signalpfads (SP), b) Verbinden einer Impedanzanpassungsschaltung (IMC) mit dem Signalpfad, die mindestens zwei abstimmbare Reaktanzelemente umfasst, die jeweils einer ersten oder einer zweiten Gruppe zugewiesen sind, c) Verbinden eines Fehlanpassungserfassungselements (MSE) mit dem Signalpfad, d) Detektieren der Impedanzfehlanpassung zwischen Quelle und Last, e) Bestimmen einer neuen Menge von Werten der Impedanzen der abstimmbaren Reaktanzelemente abhängig von der Fehlanpassung, f) Abstimmen der abstimmbaren Reaktanzelemente gemäß der Fehlanpassung, wobei ein differentielles Abstimmen der ersten Gruppe der abstimmbaren Reaktanzelemente (TRE1) hauptsächlich die reelle Komponente der Impedanz der Impedanzanpassungsschaltung (IMC) variiert und ein differentielles Abstimmen der zweiten Gruppe der abstimmbaren Reaktanzelemente (TRE2) hauptsächlich die imaginäre Komponente der Impedanzanpassungsschaltung (IMC) variiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Anzahl der abstimmbaren Reaktanzelemente m ist und m eine ganze Zahl > 2 ist.