DE19729761C2

DE19729761C2 - Symmetrieübertrager zum Umwandeln eines unsymmetrischen Mikrowellensignals in ein symmetrisches Mikrowellensignal

Info

Publication number: DE19729761C2
Application number: DE19729761A
Authority: DE
Inventors: Wang-Chang Albert Gu
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: US5697088A; CN1173054A; DE19729761A1; CN1111925C

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf einen Symmetrieübertrager zum Umwandeln eines unsymmetrischen Mikrowellensignals in ein symmetrisches Signal und gibt auch seine Verwen dung für ein Bandpaßfilter an.

HINTERGRUND

Es ist wohlbekannt, daß differentielle Schaltungstechniken eine bessere Schaltungs-zu-Schaltungs-Isolierung und einen verbesserten Dynamikbereich liefern. Ein vorderste Stufe eines typischer Funkfrequenz-(RF)-Empfänger, die eine diffe rentielle Schaltungstopologie annimmt, ist in Fig. 1 der begleitenden Zeichnungen gezeigt. Der Funkempfänger 100 um faßt einen Symmetrieübertrager 102 für das Empfangen eines RF-Signals. Der Symmetrieübertrager nimmt das unsymmetrische (einpolige) Signal und wandelt es in ein symmetrisches (differentielles) Signal 104 um. Das differentielle Signal 104 bezieht sich auf zwei Signale gleicher Größe, die einen Phasenunterschied von 180 Grad aufweisen.

Die US 55 34 830 A und die GB 22 54 195 A zeigen derartige Symmetrieüberträger.

Das differentielle Signal 104 wird dann an einen rauscharmen Verstärker (LNA) 106 geliefert, der durch eine automatische Verstärkungssteuerung (AGC) gesteuert wird. Ein verstärktes differentielles Signal 108 wird danach durch einen Bandpaßfil ter (BPF) 110 gefiltert. Das gefilterte Signal 112 wird dann im Mischer 114 gemischt mit einem Signal eines lokalen Oszil lators (LO), das durch einen Quadraturphasenaufteiler 116 aufgeteilt wurde. Der Mischer 114 erzeugt dann ein Quadra turausgangssignal Q|Q|.

Schaltungsgestalter von tragbaren und mobilen Funkgeräten suchen ständig nach Wegen, die Empfängergestaltungen zu ver einfachen und die Zahl der Teile, die Größe und die Kosten zu vermindern.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, einen vereinfachten Symmetrieübertrager anzugeben, an die Spezifikationen bezüglich Isolation, dynamischem Be reich, Empfindlichkeit und Frequenzauswahl erfüllt, und eine Verwendung eines solchen Symmetrie übertragers zu bezeichnen.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der Anspruchs 1 bzw. 5 gelöst. Die Unteransprüche geben Ausführungs arten der Erfindung an.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Funkempfängers des Standes der Technik.

Fig. 2 ist ein Schaltbild des Übertragungsleitungsymmetrieübertrager.

Fig. 3 ist eine Kurve einer simulierten Frequenzantwort der Schaltung der Fig. 2.

Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des Symmetrieübertra gers.

Fig. 5 ist eine nochmals andere Ausführungsform des Symme trieübertragers.

Fig. 6 ist ein Bandpaßfilter.

Fig. 7 ist eine Kurve einer simulierten Frequenzantwort für das Filter der Fig. 6.

Fig. 8 ist ein Funkempfänger.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Ein Übertragungsleitungskoppler ist ein vierpoliges Netz, das vollständig durch seinen Kopplungsfaktor k, seine Impedanz Z₀ und die elektrische Länge θ bei einer spezifischen Frequenz gekennzeichnet ist. Viele möglichen Zweitornetze können ent weder durch Öffnen oder Kurzschließen von zwei der Anschlüsse ausgebildet werden, um einen zweipoligen Bandpaßfilter, auch bekannt als Viertelwellenkoppler auszubilden.

Es werden nun zwei Übertragunglei tungkoppler, einer in einer Konfiguration mit einem offenen Ende und einer in einer kurzgeschlossenen Konfiguration, miteinander verbunden, um ein asymmetrisches Paar zu bilden. Wenn sie kombiniert werden, zeigen sie die eindeutige Eigen schaft eines Symmetrieübertragers. Bezieht man sich nun auf Fig. 2, so ist dort der Symmetrieübertrager 200 gezeigt. Er umfaßt erste und zweite Übertragungsleitungskoppler 202, 204. Obwohl dies nicht gezeigt ist, wird die Erde des Übertra gungsleitungskopplers implizit angenommen. Jeder Übertra gungsleitungskoppler 202, 204 ist in Form eines zweipoligen Bandpaßfilters ausgebildet, wobei einer in einer offenen Schaltungskonfiguration und der andere in einer kurzgeschlos senen Schaltungskonfiguration ausgestaltet ist. Diese Über tragungsleitungskoppler werden auch als Viertelwellenlängen koppler 202, 204 bezeichnet. Die zwei Übertragungsleitungs koppler 202, 204 werden miteinander verbunden, um einen drei torigen Symmetrieübertrager zu bilden, der einen Eingangsan schluß 1 und erste und zweite Ausgangsanschlüsse 2, 3 hat. Der Symmetrieübertrager 200 empfängt ein Funkfrequenz-(RF)- Signal am Eingangsanschluß 206 und erzeugt ein differentiel les Ausgangssignal an den ersten und zweiten Ausgangsan schlüssen 2, 3.

Der Übertragungsleitungskoppler 202 ist aus ersten und zwei ten benachbarten Übertragungsleitungen 206, 208 gebildet, die mit einem Kopplungsfaktor von 3 dB und einer elektrischen Länge von 90 Grad bei einer spezifischen Frequenz gekoppelt sind. Die zwei gekoppelten Übertragungsleitungen liefern erste, zweite, dritte und vierte Anschlüsse 210, 212, 214, 216. Die ersten und vierten Anschlüsse 210, 216 sind diagonal entgegengesetzt und von offener Schaltung. Der dritte An schluß 214 funktioniert als Eingangsanschluß und der zweite Anschluß 212 funktioniert als Ausgangsanschluß.

Der zweite Übertragungsleitungskoppler 204 ist aus dritten und vierten benachbarten Übertragungsleitungen 218, 220 ge bildet, die mit einem Kopplungsfaktor von 3 dB und einer elektrischen Länge von 90 Grad an einer speziellen Frequenz miteinander gekoppelt sind. Diese gekoppelten Übertragungs leitungen 218, 220 liefern erste, zweite, dritte und vierte Anschlüsse 222, 224, 226 und 228. Der erste Anschluß 222 funktioniert als Eingangsanschluß, die zweiten und dritten Anschlüsse 224, 226 sind diagonal entgegengesetzt und auf Erdpotential, und der vierte Anschluß 228 funktioniert als Ausgangsanschluß. Der Eingangsanschluß 214 des ersten Über tragungsleitungskopplers 202 und der Eingangsanschluß 222 des zweiten Übertragungsleitungskopplers 204 sind miteinander verbunden, um einen Eingangsanschluß 1 für das Empfangen eines RF-Signals zu bilden. Der Ausgangsanschluß 212 des ersten Übertragungsleitungskopplers 202 und der Ausgangsan schluß 228 des zweiten Übertragungsleitungskopplers 204 lie fern erste und zweite Ausgangsanschlüsse 2, 3 für das Erzeu gen eines differentiellen Ausgangssignals in Erwiderung auf das RF-Signal.

Der Symmetrieübertrager kann in einer Vielzahl von Formen neu konfiguriert werden, aber er muß diagonal gegenüberliegende zum Erdpotential kurzgeschlos sene Anschlüsse in einem Übertragungsleitungskoppler und diagonal entgegengesetzte Anschlüsse mit offener Schaltung in einem anderen Übertragungsleitungskoppler aufweisen.

Bezieht man sich nun auf Fig. 3, so ist dort eine Kurve 300 einer simulierten Frequenzantwort für den in Fig. 2 gezeigten Symmetrieübertrager gezeigt. Für diese Simulation wurde jeder Viertelwellenkoppler gekennzeichnet durch einen Kopplungsfak tor von 3 dB, eine Impedanz Z₀ von ungefähr 70 Ohm und eine elektrische Länge von 90 Grad bei einer Frequenz f von 850 Megahertz (MHz). Die Schaltungssimulation wurde über einen Frequenzbereich von 0,65 Gigahertz (GHz) bis 1,05 GHz durch geführt. Die Größe der Rückflußdämpfung S₁₁ am Eingangsan schluß ist durch den Bezeichner 302 gezeigt. Der Einfügungs verlust zwischen dem Eingangsanschluß und dem ersten Aus gangsanschluß S₂₁ wird durch den Bezeichner 304 angezeigt, und der Einfügungsverlust zwischen dem ersten Anschluß und dem zweiten Ausgangsanschluß S₃₁ ist durch den Bezeichner 306 angezeigt. Die Schmalbandantwort ergibt eine ausgezeichnete differentielle Phasenantwort. Eine Bandbreite von ungefähr 30 Prozent wurde für eine sehr enge Toleranz von 2 Grad im dif ferentiellen Phasenwinkel erzielt.

Wesentlich für den beanspruchten Symmetrieübertrager sind die diagonal gegenüberstehende Anschlüsse mit offener Schaltung und die diagonal gegenüberstehende Anschlüsse, die zur Erde kurzgeschlossen sind.

Bezieht man sich nun auf Fig. 4, so ist dort eine andere Ausführungsform des Symmetrieübertragers der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser isometrischen Schnittansicht ist der Symmetrieübertrager 400 unter Verwendung erster und zwei ter Übertragungsleitungskoppler 402, 404 ausgebildet, wobei jeder Koppler 402, 404 benachbarte oder nebeneinander ange ordnete Übertragungsleitungen umfaßt, die auf parallelen Ebenen eines Substrats 401 gekoppelt sind. Der Koppler 402 ist aus nebeneinander angeordneten Übertragungsleitungen 406, 408 ausgebildet, während der Koppler 404 aus nebeneinander liegenden Übertragungsleitungen 410, 412 ausgebildet ist. Im ersten Koppler 402 ist ein Paar gegenüberliegender Anschlüsse 414, 416, die auf parallelen Ebenen angeordnet und mit Erde 418 kurzgeschlossen sind, während im zweiten Koppler 404 ein Paar gegenüberliegender Anschlüsse 420, 422 eine offene Schaltung aufweisen. Die Anschlüsse 424, 426 sind miteinander verbunden, um einen Eingangsanschluß 1 zu liefern, während die Anschlüsse 428, 430 erste und zweite Ausgangsanschlüsse 2, 3 liefern. Obwohl diese Anschlüsse schematisch als einander diagonal gegenüberliegend angeordnet gezeigt sind, wird in der physischen Implementierung die asymmetrische Erdung durch einen Kurzschluß zu Erde (und einer offenen Schaltung) entgegengesetzter Enden paralleler Übertragungsleitungen auf gegenüberliegenden Ebenen erreicht.

Fig. 5 zeigt eine nochmals andere Ausführungsform des Symme trieübertragers 500 der vorliegenden Erfindung, der eine spiralförmige Übertragungsleitungskopplerimplementierung verwendet. In der Explosionsansicht sind auch zwei äußere Substratschichten 502, 504 gezeigt, die Erdebenen 501, 503 liefern und erste und zweite innere Substratschichten 506, 508, die sandwichartig zwischen ihnen eingeschlossen sind. Die erste Substratschicht 506 umfaßt die Übertragungsleitung 510, die erste und zweite gekoppelte Spiralteile 512, 514 aufweist. Die zweite Substratschicht 508 umfaßt erste und zweite Spiralübertragungsleitungen 516, 518, die im wesentli chen ein Spiegelbild der auf der ersten Substratschicht ange ordneten Leitungen in einer parallelen Ebene darstellen. Auf der ersten Substratschicht 506 verbindet ein Knoten oder ein Anschluß 520 die ersten und zweiten Spiralteile 512, 514 und fungiert als Eingangsanschluß 1 des Symmetrieübertragers. Ein Ende der ersten Spirale 512 weist eine offene Schaltung auf, Anschluß 522, während das andere Ende der zweiten Spirale mit Erde kurzgeschlossen ist, Anschluß 524.

Auf der zweiten Substratschicht 508 sind die beiden Spiral teile 516, 518 durch einen Anschluß 526 getrennt, der mit Erde kurzgeschlossen ist, während der andere Anschluß 528 eine offene Schaltung aufweist. Die äußeren Anschlüsse der ersten und zweiten Spiralen der zweiten Substratschicht lie fern erste und zweite Ausgangsanschlüsse 2, 3.

Schematisch haben die Gestaltungen aller dieser Symmetrie übertragerausführungsformen dennoch eine asymmetrisch Charak teristik diagonal entgegengesetzter offener Anschlüsse und diagonal entgegengesetzter Anschlüsse, die zu Erde kurzge schlossen sind.

Durch die Hinzufügung von Abstimmelementen, wie Kondensatoren oder Spulen, kann eine Frequenzselektivität leicht in den Symmetrieübertrager der vorliegenden Erfindung mit einge schlossen werden. Bezieht man sich nun auf Fig. 6, so ist dort ein Bandpaßfilter 600 gezeigt, das den Symmetrieübertra ger 200, der in Fig. 2 beschrieben wurde, umfaßt. Das Band paßfilter 600 umfaßt erste und zweite Viertelwellenkoppler 202, 204 als auch mehrere Abstimmelemente, die hier als Kon densatoren C_s1, Cs2, Cs3, C_p1, C_p2 und C_p3, die auf einem Substrat 601 angeordnet sind, gezeigt sind. Die Abstimmele mente sind mit dem Eingangsanschluß 1 und ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen 2, 3 verbunden. Die Abstimmelemente C_s1, Cs2, Cs3, C_p1, C_p2 und C_p3, liefern eine Frequenzselektivität für den Bandpaßfilter 600.

Bezieht man sich nun auf Fig. 7, so ist dort eine Kurve einer simulierten Frequenzantwort für den Filter der Fig. 6 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Simulation werden ein Kopplungsfaktor k von 3 dB, eine Impedanz Z₀ von ungefähr 70 Ohm und eine elektrische Länge von 90 Grad bei einer Frequenz von 850 MHz verwendet. Die ungefähren Werte für die Kondensatoren sind C_s1 = 1,48 Picofarad (pF), Cs2 = 2,2 pF, Cs3 = 2,2 pF, C_p1 = 2,5 pF, C_p2 = 5,6 pF und C_p3 = 5,6 pF. Die Kurve 700 zeigt eine ausgezeichnete differentiel le Phasenantwort und Charakteristika eines zweipoligen Fil ters für beide Ausgangsanschlüsse. Die Rückflußdämpfung S₁₁ des Eingangsanschluß ist durch den Bezeichner 702 gezeigt. Der Einfügungsverlust des ersten Ausgangsanschlußes und des Eingangsanschlußes S₂₁ ist durch den Bezeichner 704 gezeigt und der Einfügungsverlust zwischen dem zweiten Ausgangsan schluß und dem Eingangsanschluß S₃₁ ist durch den Bezeichner 706 gezeigt.

Die Frequenzselektivität kann in gleicher Weise zu allen Ausführungsformen des Symmetrieübertragers hinzugefügt werden. Somit kann unabhängig von der Gestaltungstopologie eine Vielzahl von Bandpaßfiltern leicht durch das Hinzufügen von Abstimmelementen implementiert wer den.

Die erste Stufe des Empfängers kann stark vereinfacht werden unter Verwendung des durch die Erfindung beschriebenen Band paßfilters. Das Bandpaßfilter 600, das durch die Erfindung beschrieben ist, kann leicht auf einer Anzahl von Materia lien, wie beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte (PCB) und Keramiken implementiert werden. Das Hinzufügen der Band paßfilterfunktionalität zum Symmetrieübertrager 200 eliminiert die Notwendigkeit eines getrennten Bandpaßfilters in einem Funkempfänger.

Bezieht man sich nun auf Fig. 8, so ist dort ein Funkgerät gezeigt, das eine differentielle Schaltungstopologie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Der Funkempfänger 800 umfaßt das Bandpaßfilter (BPF) 600, das die Funktionalität eines Symmetrieübertragers und eines zweipoligen Bandpaßfil ters gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert. Das Band paßfilter 600 nimmt das unsymmetrische (einpolige) Signal und transformiert es in ein gefiltertes symmetrisches (differentielles) Signal 802. Diese gefilterte differentielle Signal 802 wird einem rauscharmen Verstärker (LNA) 804 zuge führt, der durch eine automatische Verstärkungssteuerung (AGC) gesteuert wird. Ein verstärktes, differentielles Signal 806 wird dann im Mischer 808 mit einem Signal eines lokalen Oszillators (LO) gemischt, das durch einen Quadraturphasen aufspalter 810 aufgespalten wurde. Der Mischer 808 erzeugt dann ein Quadraturausgangssignal Q|Q|. Somit vereinfacht das Bandpaßfilter die Empfänger gestaltung durch Kombinieren der Funktionalität des Symme trieübertragers und des Filters in einer Schaltung. Das Eli minieren des Filters des Standes der Technik, während der differentielle Aspekt der Schaltung aufrecht erhalten wird, liefert die vorteilhafte Rauschimmunität mit weniger Teilen. Die Zahl der Teile und die Gesamtgröße der Empfängerschaltun gen kann nun vermindert werden.

Ein Bandpaßfilter mit differentiellen Ausgängen, das den Symmetrieübertrager implementiert, wie er durch die Erfindung beschrieben wurde, kann auf Mikrowellenfrequenzen von 800-900 MHz, Ultrahohen Frequenzen (UHF) und sehr hohe Frequenzen (VHF) erstreckt werden, was im wesentlichen das Spektrum der gesamten tragbaren und mobilen Funkgeräte überdeckt. Zusätz lich zu Filtern, kann der Symmetrieübertrager, wie er durch die Erfindung beschrieben wurde, Anwendung finden in vielen anderen Funkschaltungen, bei denen differentielle Topologien gewünscht werden, wie in Mischern, oder einfach als verbes serter Übertrager. Der Übertragungsleitungssymmetrie übertrager, der durch die Erfindung beschrieben wurde, kann eine Vielzahl von Gestaltungstopologien annehmen, was es leicht macht, ihn in einschichtigen und mehrschichtigen Substraten zu implementieren.

Claims

1. Symmetrieübertrager zum Umwandeln eines unsymmetrischen Mikrowellensignals in ein symmetrisches Mikrowellensignal mit:
einem ersten Viertelwellenlängenkoppler, der zwei diago nal entgegengesetzte Anschlüsse, die mit Erdpotential kurzge schlossen sind, einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsan schluß aufweist;
einem zweiten Viertelwellenlängenkoppler, der zwei dia gonal entgegengesetzte offene Anschlüsse hat, einen Eingangs anschluß und einen Ausgangsanschluß, wobei der Eingangsan schluß des ersten Viertelwellenlängenkopplers mit dem Ein gangsanschluß des zweiten Viertelwellenlängenkopplers verbun den ist, um einen ersten Eingangsanschluß für das Empfangen eines RF-Signals zu bilden; und
der Ausgangsanschluß des ersten Viertelwellenlängenkopp lers und der Ausgangsanschluß des zweiten Viertelwellenlän genkopplers erste und zweite Ausgangsanschlüsse für das Er zeugen eines differentiellen Ausgangssignals in Erwiderung auf das RF-Signal liefern.

2. Symmetrieübertrager nach Anspruch 1, wobei er weiter eine Vielzahl von Abstimmelementen aufweist, die mit dem Eingangs anschluß und den ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen ver bunden sind, wobei die Vielzahl der Abstimmelemente die Fre quenzselektivität des Symmetrieübertragers steuern.

3. Symmetrieübertrager nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten Viertelwellenlängenkoppler auf einer einzigen Substratebene angeordnet sind.

4. Symmetrieübertrager nach Anspruch 2, wobei der erste Vier telwellenlängenübertrager auf ersten und zweiten Substratebe nen angeordnet ist, und der zweite Viertelwellenlängenüber trager auch auf ersten und zweiten Substratebenen angeordnet ist.

5. Verwendung eines Symmetrieübertragers nach Anspruch 2 für ein Bandpaßfilter.