DE19749326A1 - Sende/Empfangs-Umschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sende/Empfangs-Umschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Sende/Empfangs-Umschalter werden benötigt, um eine Sende/Empfangsanordnung an eine Sende/Empfangsantenne anzu­ koppeln.

Es ist ersichtlich, daß der Aufbau und die Wahl der Bautei­ le solcher Sende/Empfangs-Umschalter sehr wesentlich von der Frequenz der Sende/Empfangssignale sowie von der Sende­ leistung abhängen. So ist es beispielsweise aus der Radar­ technologie bekannt, für einen Sende/Empfangs-Umschalter ein Anordnung zu verwenden, die einen Zirkulator enthält.

Solche Sende/Empfangs-Umschalter besitzen im allgemeinen ein großes Volumen und sind daher in nachteiliger Weise nicht für kleine Sende/Empfangsgeräte, beispielsweise soge­ nannte Mobilfunktelefone geeignet, die im mm-Wellenlängen­ bereich arbeiten und die im allgemeinen eine geringe Sende­ leistung, beispielsweise ungefähr ein Watt besitzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gat­ tungsgemäßen Sende/Empfangsumschalter anzugeben, der insbe­ sondere für den mm-Wellenlängenbereich geeignet ist, der mechanisch kompakt ist und der kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Sende/Empfangsumschalter vollständig in monolithisch inte­ grierter Halbleiter-Technologie ausführbar ist, insbesonde­ re in der sogenannten MMIC-Technologie, beispielsweise auf der Basis einer III-V-Halbleitertechnologie wie der Galli­ um-Arsenid (GaAs)- oder der Indium-Phosphid (InP)-Techno­ logie oder in einer Silizium (Si)-basierten Hetero-Bipo­ lar-Technologie, beispielsweise der SiGe-Technologie. Es werden also vorteilhafterweise keine diskreten Halbleiter­ bauelemente benötigt, die nachträglich in eine Schaltung eingefügt werden müssen, beispielsweise durch einen Klebe- oder Lötvorgang.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß für den Sende- sowie den Empfangsfall lediglich ein einziger integrierter Milli­ meterwellen-Schaltkreis (MMIC) benötigt wird, der aufgrund seiner Beschaltung doppelt nutzbar ist, nämlich im Emp­ fangsfall zur Abwärtsmischung in einen vorgebbaren ZF- Bereich und im Sendefall als Durchlaß für ein vorgebbares Sendesignal.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß im Sendefall an den Sende/Empfangsumschalter vorgebbare Schalt- und/oder Steu­ ersignale anlegbar sind derart, daß die Amplitude (Lei­ stung) des ausgesandten Sendesignals in vorgebbarer Weise steuerbar (modulierbar) ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispieles unter Bezugnahme auf eine schematisch darge­ stellte Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt einen in GaAs-Technologie monolithisch integrierbaren Sende/Emp­ fangs-Umschalter, der für einen Frequenzbereich von unge­ fähr 60 GHz und eine Sendeleistung von ungefähr 0,1 Watt geeignet ist.

Der Sende/Empfangsumschalter enthält einen Oszillator- Hybrid OH, beispielsweise einen 90°-Hybrid, an dessen Ein­ gangswellenleiter LO (Eingangstor) eine an sich bekannte Oszillatoranordnung ankoppelbar ist, was nachfolgend noch näher erläutert wird. An die beiden Ausgangstore des Oszil­ lator-Hybrids OH sind zwei gleichartig aufgebaute Pfade PF1, PF2 angeschlossen. Jeder Pfad PF1, PF2 enthält einen 180°-Hybrid HY11, HY21 sowie einen 0°-Hybrid HY12, HY22. In jedem Pfad sind die Hybride HY11, HY12 beziehungsweise HY21, HY22 jeweils durch zwei Reihenschaltungen verbunden. Jede Reihenschaltung enthält jeweils zwei Koppelkondensato­ ren C11 bis C14, C21 bis C24 sowie einen Transistor T1 bis T4, vorzugsweise Feldeffekttransistoren, der jeweils zwi­ schen zwei Koppelkondensatoren angeordnet ist, sowie eine Spannungsquelle Ug1, Ug2, die zwischen den Steueranschlüs­ sen (Gate) der Transistoren geschaltet ist. Jeder Transi­ stor ist mit einem Anschluß, beispielsweise dem Source- Anschluß, mit der Masse M (Null-Potential, Erde) verbunden. Die Pfade PF1, PF2 sind außerdem über ihre Hybride HY12, HY22 an einen Antennenhybrid AH, beispielweise einen 0°- Hybrid angeschlossen. An diesen ist eine Sende/Empfangs­ antenne SEA ankoppelbar. Im folgenden wird die Funktions­ weise der dargestellten Anordnung beschrieben.

Im Sendefall wird in den Eingangswellenleiter LO ein in vorgebbarer Weise moduliertes Sendesignal eingespeist. Die­ ses wird über den Oszillator-Hybrid OH symmetrisch, das heißt, mit gleichen Amplituden und unterschiedlichen Phasen (Phasenverschiebung 90°), in die beiden Pfade PF1, PF2 ein­ gekoppelt. An die Transistoren T1 bis T4 werden nun folgen­ de (Quadratur-)Schalt- und/oder Steuer-Signale gelegt:
An

• - den mit I+ bezeichneten Anschluß des ersten Transistors T1 (Pfad PF1) ein I⁺-Signal, so daß dieser Transistor in einem aktivem oder passivem Zustand betrieben wird,
• - den mit I- bezeichneten Anschluß des zweiten Transistors T2 (Pfad PF1) ein I⁻-Signal, so daß dieser Transistor in einem aktivem oder passivem Zustand betrieben wird,
• - den mit Q⁺ bezeichneten Anschluß des dritten Transistors T3 (Pfad PF2) ein Q⁺-Signal, so daß dieser Transistor in einem aktivem oder passivem Zustand betrieben wird und
• - den mit Q⁻ bezeichneten Anschluß des vierten Transistors T4 (Pfad PF2) ein Q⁻-Signal, so daß dieser Transistor in einem aktivem oder passivem Zustand betrieben wird.

Die Spannungsquellen Ug1, Ug2 sind dabei so gewählt, daß für jeweils aktiv beziehungsweise passiv geschaltete Tran­ sistoren an diesen eine diesen Schaltzuständen entsprechen­ de Steuerspannung anliegt.

Durch diese an den Transistoren T1 bis T4 anliegenden (Schalt-)Signale wird erreicht, daß das im Eingangswellen­ leiter LO vorhandene Sendesignal im wesentlichen verlustlos symmetrisch auf die Pfade PF1, PF2 aufgeteilt und in dem Antennenhybrid AH wieder zu einem Sendesignal kombiniert wird. Das Sendesignal kann dann an die Sende/Empfangsanten­ ne SEA weitergeleitet und abgestrahlt werden.

Werden nun diese an den Transistoren T1 bis T4 anliegenden Schalt- und/oder Steuer-Signale in vorgebbarer Weise modu­ liert, beispielsweise dadurch, daß die Schalt- und/oder Steuer-Spannungen entsprechend geändert werden, so entsteht vorteilhafterweise ein in der Amplitude (Leistung) modu­ liertes Sendesignal.

Im Empfangsfall wird das von der Sende/Empfangsantenne SEA empfangene Signal an den Antennenhybrid AH geleitet, von diesem im wesentlichen verlustfrei auf die beiden Pfade PF1, PF2 aufgeteilt. Gleichzeitig wird den Pfaden PF1, PF2 über den Eingangs-Wellenleiter LO sowie den Oszillator- Hybrid OH ein Oszillator-Signal mit vorgebbarer Frequenz, beispielsweise 60 GHz, zugeführt. Mit diesen Signalen ent­ stehen an dem Transistoren T1 bis T4 (Anschlüsse I+, I-, Q+, Q-) vorgebbare Zwischenfrequenz (ZF-) Signale, bei­ spielsweise bei einer ZF-Frequenz von ungefähr 1 GHz, wel­ che dem Empfangssignal entsprechen. Dabei entsteht an

• - dem mit I+ bezeichneten Anschluß des ersten Transistors T1 (Pfad PF1) ein positives ZF-Signal, das die Phasenin­ formation des LO enthält (I-Signal),
• - dem mit I- bezeichneten Anschluß des zweiten Transistors T2 (Pfad PF1) ein negatives ZF-Signal, das die Phasenin­ formation des LO enthält und eine zusätzliche Phasenver­ schiebung von 180° besitzt (negiertes I-Signal)
• - dem mit Q+ bezeichneten Anschluß des dritten Transistors T3 (Pfad PF2) ein positives ZF-Signal, das die Phasenin­ formation des LO enthält und eine zusätzliche Phasenver­ schiebung von 90° besitzt (Quadratur oder Q-Signal) und
• - dem mit Q- bezeichneten Anschluß des vierten Transistors T4 (Pfad PF2) ein negatives ZF-Signal, das die Phasenin­ formation des LO enthält und eine zusätzliche Phasenver­ schiebung von 90° besitzt sowie eine weitere zusätzliche Phasenverschiebung von 180° hat (negiertes Q-Signal).

Diese ZF-Signale können dann in an sich bekannter Weise in einer nicht dargestellten Empfangsanordnung (Empfangsschal­ tung) demoduliert und ausgewertet werden.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar. Beispielsweise ist es möglich, die Art der Hybride für den Oszillator- und den Antennen-Hybrid zu tauschen, das heißt, den Oszillator-Hybrid OH als 0°-Hybrid und den An­ tennen-Hybrid AH als 90°-Hybrid zu wählen.

Ebenso kann die Schaltung beispielsweise durch zwei identi­ sche MMICs, welche die Transistoren und die Hybride HY11, HY12 beziehungsweise HY21, HY22 enthalten, und zusätzliche monolithische oder in Dünnschicht-Technologie realisierte LO- und Antennenhybride OH, AH aufgebaut werden.

Claims (13)

1. Sende/Empfangs-Umschalter zum Ankoppeln einer Sende/Emp­ fangsanordnung an eine Sende/Empfangsantenne, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Oszillator-Hybrid (OH) vorhanden ist zum Auftei­ len eines in einem Eingangswellenleiter (LO) ankommenden Oszillatorsignals in zwei Pfade (PF1, PF2),
• - daß die Pfade (PF1, PF2) über einen Antennen-Hybrid (AH) an die Sende/Empfangsantenne (SEA) ankoppelbar sind,
• - daß jeder Pfad (PF1, PF2) einen ersten Hybrid (HY11, HY21) und einen zweiten Hybrid (HY12, HY22) enthält, wo­ bei die ersten Hybride (HY11, HY21) an den Oszillator-Hybrid (OH) und die zweiten Hybride an den Antennen-Hybrid (AH) angeschlossen sind,
• - daß in jedem Pfad (PF1, PF2) die dort vorhandenen Hybri­ de (HY11, HY12 sowie HY21, HY22) jeweils durch zwei par­ allel geschaltete Reihenschaltungen verbunden sind,
• - daß jede Reihenschaltung einen Transistor (T1 bis T4), der jeweils zwischen zwei Koppelkondensatoren (C11 bis C24) eingeschlossen ist, enthält und
• - daß in jedem Pfad (PF1, PF2) die Steueranschlüsse der Transistoren (T1, T2 sowie T3, T4) durch eine Spannungs­ quelle (Ug1, Ug2) verbunden sind.

2. Sende/Empfangs-Umschalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Oszillator-Hybrid (OH) als 90° Hybrid und der Antennen-Hybrid (AH) als 0°-Hybrid ausge­ bildet sind.

3. Sende/Empfangs-Umschalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator-Hybrid (OH) als 0°-Hybrid und der Antennen-Hybrid (AH) als 90°- Hybrid ausgebildet sind.

4. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein 180°-Hybrid (HY11, HY21) als Koppler ausgebildet ist.

5. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Pfaden (PF1, PF2) vorhandenen Transistoren (T1 bis T4) als Fel­ deffekttransistoren ausgebildet sind.

6. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Pfaden (PF1, PF2) vorhandenen Transistoren (T1 bis T4) mit ei­ nem Anschluß mit Masse (M) verbunden sind.

7. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator- Hybrid (OH), der Antennen-Hybrid (AH) sowie die Pfade (PF1, PF2) als eine gemeinsame integrierte Schaltung aufgebaut sind.

8. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung für den mm-Wellenbereich ausgelegt ist.

9. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung für den mm-Wellenbereich in III-V-Halbleiter Technologie aufgebaut ist.

10. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung bei niedrigen Sendeleistungen in einem tragbaren oder festinstallierten Sende/Emp­ fangsgerät.

11. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung bei niedrigen Sendeleistungen in einem tragbaren Mobilfunktelefon.

12. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Funktion einer oder mehrerer Kapazitäten (C11, C12, C21, C22) durch die diesen vor- oder nachgeschalteten Hybride (HY11, HY12, HY21, HY22) wahrgenommen wird.

13. Sende/Empfangs-Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung aus zwei identischen Teil-MMICs und zusätzlichen Hybri­ den aufgebaut ist.