DE19823060C2 - Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung - Google Patents
Leistungsverstärker-AusgangsschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung für eine Mobilfunkeinheit mit Doppelband-
Betrieb.
In DE 195 32 069 A1 ist ein Multi-Mode-Mobiltelefon
beschrieben, das eine funktionsgerechte Umschaltung zwischen
mehreren Betriebsarten beispielsweise aufgrund einer
Ermittlung von Empfangsfeldstärken ermöglicht.
In DE 197 45 350 C1 (älteres Recht) wird die Verwendung von
beispielsweise DECT-Relaisstationen im Zusammenhang mit
Multi-Mode-Mobiltelefonen beschrieben, die zudem für den
Betrieb in einem öffentlichen Mobilfunknetz ausgebildet sind.
Zudem ist in DE 197 10 226 A1 eine variable Impedanz-
Anpaßschaltung in einem Einfach-Mode-Mobilfunktelefon
beschrieben.
Momentan werden Mobilfunktelefone vorwiegend mit einer
Betriebsfrequenz betrieben. Fig. 7 zeigt eine Realisierung
eines Sende/Empfangsbetriebs in einem Mobilfunktelefon, das
mit einer Betriebsfrequenz, z. B. mit ca. 900 MHZ bei GSM, ca.
1800 MHz bei DCS oder ca. 1900 MHz bei PCS, betrieben wird.
Eine Antenne 100, über die Signale sowohl gesendet als auch
empfangen werden, ist an eine Sende/Empfangs-Umschaltung 102
angeschlossen. Die Sende/Empfangs-Umschaltung 102 enthält
einen Sendeschalter TX und einen Empfangsschalter RX. Im
Empfangsmodus ist der Sendeschalter TX geöffnet und der
Empfangsschalter RX geschlossen. Umgekehrt ist im Sendemodus
der Sendeschalter TX geschlossen und der Empfangsschalter RX
geöffnet.
Im Sendemodus gibt ein Leistungsverstärker 104 ein
Sendesignal in dem gewünschten Frequenzband ab. Hierbei
erfolgt eine Impedanzanpassung durch eine
Impedanzanpaßschaltung 106 derart, daß am Ausgang des
Leistungsverstärkers eine Impedanz anliegt, die in den
meisten Fällen niedriger als die Impedanz im nachgeschalteten
Übertragungszweig von z. B. 50 Ω ist.
Der in Fig. 7 gezeigte Schaltungsaufbau wird jedoch der
Zunahme der digitalen Mobilfunktelefonie immer weniger
gerecht, da einem fortlaufenden Anstieg der Teilnehmerzahl
eine begrenzte Zahl von Sendefrequenzen und zugeordneter
Übertragungskanäle gegenübersteht. Obgleich eine erhöhte
Sendefrequenz von beispielsweise ca. 1800 MHz bei DCS oder
ca. 1900 MHz bei PCS gegenüber ca. 900 MHz bei GSM aufgrund
der dort höheren Gesamtübertragungsbandbreite eine Erhöhung
der Zahl der Übertragungskanäle ermöglicht, gelingt dies nur
auf Kosten einer verringerten Reichweite der Sendestationen.
Vielversprechend erscheint demgegenüber die Verbindung
technischer Vorteile unterschiedlicher Ansätze durch
Bereitstellung zellularer Doppelband-Netze und hierfür
geeigneter Doppelband-Mobilfunktelefone, z. B. durch
Kombination des GSM-Frequenzbands mit dem DCS- oder PCS-
Frequenzband.
Fig. 8 zeigt einen möglichen Schaltungsaufbau für den hierfür
erforderlichen Sende/Empfangsbetrieb in einem Doppelband-
Mobilfunktelefon, der direkt auf der in Fig. 7 gezeigten
Vorgehensweise aufbaut.
Die Antenne 200 ist an zwei Sende/Empfang-Umschaltungen 202
und 204 angeschlossen. Die Sende/Empfangsumschaltung 202
enthält einen Sendeschalter TXa und einen Empfangsschalter
RXa für eine erste Sendefrequenz des ersten Frequenzbandes,
und die Sende/Empfangsumschaltung 204 enthält einen
Sendeschalter TXb und einen Empfangsschalter RXb für eine
zweite Sendefrequenz des zweiten Frequenzbandes. Die
einzelnen Schalter TXa, RXa, TXb und RXb werden jeweils gemäß
der gewählten Betriebsfrequenz so betrieben, wie unter Bezug
auf die Fig. 7 beschrieben. Zudem ist ein Diplexer 206 zum
verlustfreien Zusammenführen der beiden Übertragungspfade zu
der Antenne 200 erforderlich. Für die Verstärkung der
Sendesignale in den einzelnen Frequenzbändern, sind
zugeordnete Leistungsverstärker 214 und 216 vorgesehen, für
die eine Impedanzanpassung durch jeweils in den beiden
Übertragungszweigen vorgesehene Impedanzanpaßschaltungen 218
und 220 erfolgt. Alternativ könnten die beiden
Leistungsverstärker 214 und 216 für die beiden
Sendefrequenzen auch durch einen Leistungsverstärker mit zwei
Ausgängen und nachgeschalteten Impedanzanpaßschaltungen
ersetzt werden.
Diese unmittelbare Verallgemeinerung der in Fig. 7 gezeigten
Einband-Sende/Empfangsschaltung hat den Vorteil, daß die
Übertragungszweige für die beiden Sendefrequenzen vollständig
entkoppelt sind. Obgleich aufgrund der getrennten bzw.
vollständig entkoppelten Ausbildung der
Impedanzanpassungsschaltungen eine günstige Impedanzanpassung
in den einzelnen Sendefrequenzbändern möglich ist, gelingt
dies nur mit einem erheblichen Schaltungsaufwand. Hierdurch
erhöhen sich nicht nur die Herstellungskosten erheblich,
sondern auch der für diese Doppelband-Sende/Empfangsschaltung
erforderliche Platzbedarf spricht gegen eine derartige
Vorgehensweise.
Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der
verbesserten Anpassung eines Leistungsverstärkers, der
Sendesignale in unterschiedliche Sendefrequenzbändern an
einem Ausgang abgibt, an die Impedanzen der einzelnen
Übertragungszweige eines Doppelband-Mobilfunktelefons.
Im Rahmen der Erfindung wird diese Aufgabe gemäß
Patentanspruch 1 gelöst durch eine Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung für eine Mobilfunkeinheit mit
Doppelbandbetrieb, enthaltend eine erste Sende/Empfangs-
Umschaltschaltung zum Senden/Empfangen eines ersten
Sende/Empfangssignals, an deren Sendeanschluß eine
erste Impedanzanpaßschaltung vorgesehen ist, eine zweite
Sende/Empfangs-Umschaltung zum Senden/Empfangen eines zweiten
Sende/Empfangssignals, eine Übertragungszweig-Umschaltung zum
wahlweisen Verbinden der ersten Sende/Empfangs-Umschaltung
oder der zweiten Sende/Empfangs-Umschaltung mit einem
Leistungsverstärker, der Sendesignale in zwei Frequenzbändern
abgibt, derart, daß zwischen dem Ausgangsanschluß des
Leistungsverstärkers und der Übertragungszweig-Umschaltung
eine zweite Impedanzanpaßschaltung vorgesehen ist, und die
Übertragungszweig-Umschaltung im ersten Übertragungszweig
mindestens zwei Schaltelemente aufweist.
Wichtig für die Erfindung ist demnach eine stufenweise
Impedanzanpassung in mindestens einem Übertragungszweig der
Leistungsverstärker-Ausgangschaltung bei gleichzeitiger
Parallelschaltung von Schaltelementen in diesem
Übertragungszweig. Beide Maßnahmen tragen in funktioneller
Wechselbeziehung zu einer signifikanten Minimierung
parasitärer Störeinflüsse in der erfindungsgemäßen
Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung bei. Gleichzeitig wird
simultan eine geeignete Impedanzanpassung für die einzelnen
Frequenzbänder und Sendeleistungen in beiden
Übertragungszweigen erreicht.
Mit einer einzigen Impedanzanpassung lediglich am Ausgang des
Leistungsverstärkers ist eine optimale Impedanzanpassung für
beide Übertragungszweige nicht erreichbar. Dies gelingt
einerseits erst durch die erste, gemeinsame Impedanzanpassung
am Ausgang des Leistungsverstärkers und andererseits durch
eine weitere für das jeweilige Sendefrequenzband optimierte
Impedanzanpassung. Aufgrund der für die einzelnen
Frequenzbänder gemeinsam vorgesehenen Impedanzanpassung läßt
sich der Schaltungsaufwand deutlich verringern.
Weiterhin trägt die Erfindung der Tatsache Rechnung, daß die
Leistungsabsorbierung in parasitären Elementen der
Übertragungszweig-Umschaltung umso gravierender ist, je näher
deren störender Realteil der Impendanz an der
Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers liegt. So beträgt
z. B. der Realteil der Ausgangsimpedanz praktisch eingesetzter
Leistungsverstärker ca. 5 bis 6 Ω, und typische
Anschaltwiderstände einzelner Schaltelemente liegen im
Bereich von ca. 1 Ω. Werden Schaltelemente der
Übertragungszweig-Umschaltung erst nach einer ersten
Impendanztransformation - z. B. auf ca. 20 Ω für 900 MHz bei
GSM oder 50 Ω für 1800 MHz bei DCS - eingefügt, so wird die
Leistungsabsorption in den parasitären Elementen aufgrund des
um bis zu einer Größenordnung verringerten Verhältnisses von
Schaltelement-Anschaltwiderstand zu Impedanzniveau am
Eingangsanschluß des Schaltelements erheblich verbessert.
Erfindungsgemäß läßt sich die Leistungsabsorption durch die
parasitären Elemente weiter deutlich reduzieren, indem in
mindestens einem Übertragungszweig der Übertragungszweig-
Umschaltung mindestens zwei Schaltelemente vorgesehen sind.
Durch die Parallelschaltung wird der parasitäre Widerstand
und die parasitäre Induktivität, die aufgrund der
erforderlichen Umschaltung zwischen der ersten und zweiten
Impedanzanpassung entstehen, um einen Faktor abgesenkt, der
im wesentlichen mit der Zahl parallel geschalteter
Schaltelemente übereinstimmt.
Neben der Minimierung der absorbierten Leistung tragen die
parallel geschaltenen Schaltelemente weiterhin zu einer
verbesserten Impedanzanpassung bei. Aufgrund des geringeren
Gesamtanschaltwiderstands bzw. der geringeren parasitären
Gesamtinduktivität zwischen der ersten und zweiten
Impedanzanpassungsstufe wird die gesamte Impedanzanpassung
unempfindlicher gegenüber den Störeinflüssen der
Schaltelemente.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am
Sendeanschluß der zweiten Sende/Empfangsumschaltung eine
dritte Impedanzanpaßschaltung vorgesehen.
Demnach erfolgt eine optimierte Anpassung in den einzelnen
Übertragungszweigen jeweils speziell in Übereinstimmung mit
der jeweiligen Sendefrequenz und Sendeleistung, z. B. 3 W bei
ca. 900 MHz und 1.5 W bei ca. 1800 MHz. Da jedoch ein Teil
der Anpassung bereits in der für die einzelnen
Übertragungszweige gemeinsamen und am Ausgang des
Leistungsverstärkers angeschlossen Impedanzanpaßschaltung
erfolgt, kann der speziell für die einzelnen
Übertragunszweige erforderliche Schaltungsaufwand minimiert
werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist die Übertragungszweig-Umschaltung zwischen
der zweiten Impedanzanpaßschaltung und der dritten
Impedanzanpaßschaltung mindestens ein Schaltelement auf.
Üblicherweise werden über die beiden Übertragungszweige
Sendesignale mit einer niedrigeren Sendefrequenz, z. B. ca.
900 MHz bei GSM, und einer höheren Sendefrequenz, z. B. ca.
1800 MHz bei DCS oder ca. 1900 MHz bei PCS, abgegeben.
Hierbei ist zu beachten, daß die Impedanzanpassung am Ausgang
des Leitungsverstärkers für die unterschiedlichen
Frequenzbänder zu unterschiedlichen Ergebnissen führt.
Insbesondere im Übertragungszweig für das höhere Frequenzband
wird durch die Impedanzanpassung am Ausgang des
Leistungsverstärkers bereits eine nahezu vollständige
Anpassung an das geforderte Impedanzniveau erreicht, so daß
sich parasitäre Elemente in dem zugeordneten Zweig der
Übertragungszweig-Umschaltung weniger stark auswirken. Gemäß
der bevorzugten Ausführungsform wird somit angestrebt, diese
Maßnahmen gegen parasitäre Effekte lediglich für das
niedrigere Frequenzband frequenzselektiv unter Minimierung
der zusätzlichen Kosten für Schaltelemente insoweit
einzuführen, als dies aufgrund der gewählten Sendefrequenzen
erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist am Ausgang der dritten Impedanzanpaßschaltung
ein schaltbares Bandsperrfilter vorgesehen, das beim Senden
des ersten Sendesignals die Oberschwingungen des ersten
Sendesignals im zweiten Übertragungspfad filtert.
Der Betrieb des Leistungsverstärkers erfolgt nahe an der
Sättigungsgrenze. Hierdurch entstehen z. B. im GSM-Sendemodus
Oberschwingungen bei ca. 1800 MHz, ca. 2700 MHz, . . ., sowie
im DCS-Sendemodus Oberschwingungen bei ca. 3600 MHz usw.
Hierbei dominieren regelmäßig die Harmonischen erster
Ordnung.
Obgleich im GSM-Sendemodus die Oberschwingungen bei ca. 1800
MHz, ca. 2700 MHz, . . . im ersten Übertragungszweig
tiefpaßgefiltert werden, wird die erste Oberschwingung bei
ca. 1800 MHz im GSM-Sendemodus durch einen entsprechen
Tiefpaßfilter im zweiten Übertragungszweig nicht erfaßt, da
dieses lediglich auf Oberschwingungen des zweiten
Sendesignals bei ca. 3600 MHz usw. abgestimmt ist. Dasselbe
gilt für eine Kombination der Sendefrequenzen von GSM und PCS
mit einer Sendefrequenz von ca. 1900 MHz. Allgemein tritt
dieses Problem bei einem Leistungsverstärker, der
Sendesignale mit mehreren Sendefrequenzen abgibt, immer dann
auf, wenn Harmonische der ersten, niedrigeren Sendefrequenz
unterhalb der zweiten, höheren Sendefrequenz liegen oder mit
ihr übereinstimmen.
Zur Lösung dieses Problems ist vorteilhafterweise in dem
zweiten Übertragungszweig zusätzlich ein schaltbares
Bandsperrfilter vorgesehen, das so ausgebildet ist, daß es
speziell beim Senden mit der ersten, niedrigeren
Sendefrequenz deren erste Harmonische im zweiten
Übertragungszweig sperrt. Hierdurch wird eine optimale
Entkopplung der einzelnen Betriebsmodi erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Übertragungszweig-Umschaltung zwischen der
ersten Impedanzanpaßschaltung und der zweiten
Impedanzanpaßschaltung aus einer ersten PIN-Diode und einer
zweiten PIN-Diode aufgebaut, derart, daß die erste PIN-Diode
und die zweite PIN-Diode parallel geschaltet sind. Bevorzugt
sind die erste PIN-Diode und die zweite PIN-Diode in einem
Gehäuse aufgenommen.
Hierdurch wird erreicht, daß bei dem Betrieb und der
Fertigung der erfindungsgemäßen Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung nach wie vor lediglich ein Bauelement mit
Strom zu versorgen ist und zu plazieren ist, so daß bewährte
Schaltungslayouts und Fertigungsprozesse praktisch nicht zu
modifizieren sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist die erste Impedanzanpaßschaltung an ihrem
Eingang eine in Shunt-Konfiguration geschaltete erste
Kapazität auf, und zwischen dem Eingang der ersten
Impedanzanpaßschaltung und dem Ausgang der ersten
Impedanzanpaßschaltung ist eine zweite Kapazität seriell
angeschlossen.
Regelmäßig erfolgt die Impedanzanpassung in den einzelnen
Übertragungszweigen durch eine Abfolge von Kapazitäten und
Induktivitäten, derart, daß auch die einzelnen Leitungsstücke
zur Verbindung der Bauelemente sowie parasitäre
Induktivitäten der Schaltelemente mit einzubeziehen sind.
Erfindungsgemäß wird berücksichtigt, daß Kapazitäten
regelmäßig nur mit Kapazitätswerten verfügbar sind, die in
einem vorgegebenen Raster liegen, z. B. von 3.3 pF, 3.9 pF,
4.7 pF, 5.6 pF, usw.. Durch die erhöhte Zahl von Kapazitäten
in der ersten Impedanzanpaßschaltung wird im Ergebnis eine
feinere Abstufung bei der Impedanztransformation und somit
eine genauere Impedanzanpassung erreicht. Dies ist
insbesondere für den Übertragungszweig vorteilhaft, über den
das Sendesignal mit der niedrigeren Sendefrequenz übertragen
wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend
unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es
zeigen:
Fig. 1 die Grundstruktur einer Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung für ein Doppelband-
Mobilfunktelefon, in dem ein Leistungsverstärker
Sendesignale in unterschiedlichen Frequenzbändern
über einen Ausgang abgibt;
Fig. 2 Ersatzschaltbilder für die in Fig. 1 gezeigten
Schalter im geöffneten und geschlossenem Zustand;
Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung;
Fig. 4 eine schaltungsmäßige Realisierung der
erfindungsgemäßen Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung;
Fig. 5 die Funktion der in Fig. 4 gezeigten Bau- bzw.
Leitungselemente sowie den Einfluß parasitärer
Elemente bei der Impedanzanpassung in einem GSM-
Übertragungszweig;
Fig. 6 die Funktion der in Fig. 4 gezeigten Bau- bzw.
Leitungselemente sowie den Einfluß parasitärer
Elemente bei der Impedanzanpassung in einem DCS-
Übertragungszweig;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung und einen Diplexer für ein
Mobilfunktelefon mit Einbandbetrieb; und
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung für ein Doppelband-
Mobilfunktelefon, mit zwei Leistungsverstärkern und
zugeordneter Impedanzanpassung.
Fig. 1 zeigt die Grundstruktur einer Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung für ein Doppelband-Mobilfunktelefon gemäß
der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Leistungsverstärker 10 an
seinem Ausgang 12 mit einer ersten Impedanzanpaßschaltung 14
verbunden. Am Ausgang der ersten Impedanzanpaßschaltung 14
ist ein erster Schalter 16 angeschlossen, der die erste
Impedanzanpaßschaltung 14 mit einem ersten Übertragungszweig
verbindet.
Der erste Übertragungszweig besteht aus einer Serienschaltung
einer zweiten Impedanzanpaßschaltung 18, eines ersten
Tiefpaßfilters 20 und einer ersten Sende/Empfangsumschaltung
22 und wird in einem ersten Frequenzband betrieben. Zum
Umschalten zwischen dem Sende- und Empfangsbetrieb enthält
die erste Sende/Empfangsumschaltung 22 einen ersten
Sendeschalter 24 und einen ersten Empfangsschalter 26.
Wie in Fig. 1 ferner gezeigt, ist am Ausgang der ersten
Impedanzanpaßschaltung 14 zudem ein zweiter Schalter 28
angeschlossen, der die erste Impedanzanpaßschaltung 14 mit
einem zweiten Übertragungszweig verbindet.
Der zweite Übertragungszweig besteht aus einer
Serienschaltung einer dritten Impedanzanpaßschaltung 30 und
eines schaltbaren Bandsperrfilters 32, das bei Abgabe des
Sendesignals im ersten Übertragungszweig dessen erste
Oberschwingung im zweiten Übertragungszweig unterdrückt.
Ferner dient ein zweites Tiefpaßfilter 33 zur Unterdrückung
der Oberschwingungen des über den zweiten Übertragungszweig
abgegebenen Sendesignals. Zum Umschalten zwischen dem Sende-
und Empfangsbetrieb enthält die zweite
Sende/Empfangsumschaltung 34 einen zweiten Sendeschalter 36
und einen zweiten Empfangsschalter 38.
Der Mittenabgriff zwischen dem ersten Sendeschalter 24 und
dem ersten Empfangsschalter 26 sowie der Mittenabgriff
zwischen dem zweiten Sendeschalter 36 und dem zweiten
Empfangsschalter 38 ist jeweils mit einem Diplexer 40
verbunden, der zum verlustfreien Zusammenführen der einzelnen
Sende/Empfangspfade an eine Antenne 42 vorgesehen ist.
In einem ersten Betriebsmodus, in dem der Leistungsverstärker
10 ein Sendesignal in einem ersten Frequenzband bzw. mit
einer ersten Sendefrequenz f1 abgibt, ist der erste Schalter
16 geschlossen und der zweite Schalter 28 geöffnet. Die erste
Impedanzanpaßschaltung 14 und die zweite
Impedanzanpaßschaltung 18 bewirken eine optimale Anpassung
der Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers 10 an die für
die erste Sendefrequenz und -leistung gewünschte
Lastimpedanz.
Da der Leistungsverstärker 10 nahe an seiner Sättigung
betrieben wird, gibt er neben dem eigentlichen Sendesignal
mit der Frequenz f1 auch Oberschwingungen 2 . f1, 3 . f1, . . . ab.
Diese unerwünschten Oberschwingungen werden im ersten
Übertragungszweig durch das erste Tiefpaßfilter 20
unterdrückt, und das gefilterte Sendesignal wird an die
Antenne 42 über den ersten Sendeschalter 24 abgegeben.
Obgleich somit im ersten Betriebsmodus die Filterung der
Oberschwingungen des ersten Sendesignals gewährleistet ist,
muß aufgrund des nicht idealen Verhaltens des ersten
Schalters 16 und des zweiten Schalters 28 zudem eine Maßnahme
gegen die unerwünschte Übertragung dieser Störsignale über
den zweiten Übertragungszweig getroffen werden.
Beispielsweise wird bei der Kombination der Sendefrequenzen
von GSM bei ca. 900 MHz und DCS bei ca. 1800 MHz die erste
Oberschwingung des GSM-Sendesignals durch das im zweiten
Übertragungspfad für DCS bei ca. 1800 MHz liegende zweite
Tiefpaßfilter 33, das lediglich auf Oberschwingungen des
zweiten Sendesignals bei ca. 3600 MHz abgestimmt ist, nicht
unterdrückt. Allgemein tritt dieses Problem bei einem
Leistungsverstärker, der Sendesignale in mehreren
Sendefrequenzen abgibt, immer dann auf, wenn Oberschwingungen
der ersten, niedrigeren Sendefrequenz unterhalb der zweiten,
höheren Sendefrequenz liegen oder mit dieser übereinstimmen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird deshalb
vorgeschlagen, in dem zweiten Übertragungszweig ein
schaltbares Bandsperrfilter 32 vorzusehen, das so ausgebildet
ist, daß es speziell beim Senden mit der ersten, niedrigeren
Sendefrequenz deren erste Harmonische im zweiten
Übertragungszweig sperrt. Hierdurch wird eine optimale
Entkopplung der einzelnen Betriebsmodi erreicht.
Wie in Fig. 1 ferner gezeigt, ist in einem zweiten
Betriebsmodus, in dem der Leistungsverstärker 10 ein
Sendesignal in einem zweiten Frequenzband bzw. mit einer
zweiten Sendefrequenz f2 abgibt, der erste Schalter 16
geöffnet und der zweite Schalter 28 geschlossen.
In diesem Fall bewirken die erste Impedanzanpaßschaltung 14
und die dritte Impedanzanpaßschaltung 30 eine optimale
Anpassung der Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers 10 an
die für die zweite Sendefrequenz und -leistung gewünschte
Lastimpedanz.
Die wiederum entstehenden unerwünschten Oberschwingungen
2 . f2, 3 . f2, . . . werden vor der Abgabe des Sendesignals an die
Antenne 42 über den zweiten Sendeschalter 36 durch das zweite
Tiefpaßfilter 33 unterdrückt.
Die in Fig. 1 gezeigte Grundstruktur der erfindungsgemäßen
Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung trägt insgesamt der
Tatsache Rechnung, daß sich mit einer einzigen
Impedanzanpassung lediglich am Ausgang des
Leistungsverstärkers eine optimale Impedanzanpassung für
beide Übertragungszweige nicht erreichen läßt. Dies gelingt
erst durch die stufenweise Impedanzanpassung einerseits durch
eine gemeinsame Impedanzanpassung am Ausgang des
Leistungsverstärkers und andererseits durch eine weitere für
das jeweilige Sendefrequenzband optimierte Impedanzanpassung.
Hierbei läßt sich aufgrund der für die einzelnen
Frequenzbänder gemeinsam vorgesehenen Impedanzanpassung der
Schaltungsaufwand deutlich verringern.
Bei idealem Schaltverhalten des ersten Schalters 16 und des
zweiten Schalters 28 wäre somit die Abgabe von der
Sendesignale in zwei Frequenzbändern durch den
Leistungsverstärker 10 mit einem Ausgang vollständig
realisiert.
Wie bereits erläutert und in Fig. 2 anhand von
Ersatzschaltbildern für Schalter im geöffneten und
geschlossenem Zustand gezeigt, weisen praktisch einsetzbare
Schalter wie PIN-Dioden jedoch ein nicht-ideales Verhalten
auf. Die Dämpfung im geöffneten Zustand des Schalters ist
begrenzt und wird mit zunehmender Frequenz immer geringer.
Für PIN-Dioden liegt sie beispielsweise in der Größenordnung
von 25 dB bei 900 MHz und 10 dB bei 1800 MHz.
Fig. 3 zeigt den im Rahmen der vorliegenden Erfindung
gewählten Lösungsansatz für eine Leistungsverstärker-
Ausgangsschaltung. Hierbei sind Schaltungsteile mit im
Vergleich zu den in Fig. 1 gezeigten Schaltungsteilen
identischer Funktion mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht der erste Schalter 16 der
Übertragungszweig-Umschaltung aus mindestens zwei ersten
Schaltelementen S11, . . ., S1N. Ferner besteht der zweite
Schalter 28 der Übertragungszweig-Umschaltung aus mindestens
einem zweiten Schaltelement S21, . . ., S2M.
Funktionsgemäß sind beim Senden des ersten Sendesignals mit
der ersten Sendefrequenz sämtliche ersten Schaltelemente S11,
S1N geschlossen und somit parallel geschaltet. Genauso
sind beim Senden des zweiten Sendesignals mit der zweiten
Sendefrequenz sämtliche zweiten Schaltelemente S21, . . ., S2M
geschlossen und somit parallel geschaltet.
Funktionsgemäß wird durch die Parallelschaltung der ersten
Schaltelemente S11, . . ., S1N und der zweiten Schaltelemente
S21, . . ., S2M jeweils eine Absenkung eines
Anschaltwiderstands und einer parasitären Induktivität des
ersten bzw. zweiten Schalters 16 und 28 um einen Faktor
erreicht, der im wesentlichen mit der Zahl der parallel
geschalteten ersten Schaltelemente S11, . . ., S1N bzw. zweiten
Schaltelemente S21, . . ., S2M übereinstimmt.
Für die Funktion der in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen
Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung ist zudem wichtig, daß
die ersten Schaltelemente S11, . . ., S1N bzw. die zweiten
Schaltelemente S21, . . ., S2M jeweils hinter der ersten,
gemeinsamen Impedanzanpaßschaltung 14 vorgesehen sind. Der
Grund hierfür besteht darin, daß die Leistungsabsorption in
parasitären Elementen der ersten Schaltelemente S11, . . ., S1N
bzw. S21, . . ., S2M umso höher ist, je näher deren störender
Realteil der Impendanz an der Ausgangsimpedanz des
Leistungsverstärkers liegt. Werden die ersten Schaltelemente
S11, . . ., S1N bzw. die zweiten Schaltelemente S21, . . ., S2M
nach einer ersten Impendanztransformation - z. B. auf ca. 20
Ω für ca. 900 MHz bei GSM oder ca. 50 Ω für ca. 1800 MHz bei
DCS - eingefügt, so wird die Leistungsabsorption in den
parasitären Elementen aufgrund des erhöhten Impedanzniveaus
an den jeweiligen Eingangsanschlüssen erheblich verringert.
Für die Funktion der in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen
Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung ist schließlich von
Bedeutung, daß aufgrund des geringeren
Gesamtanschaltwiderstands bzw. der geringeren parasitären
Gesamtinduktivität des ersten Schalters 16 und des zweiten
Schalters 28 die Impedanzanpassung unempfindlicher gegenüber
den Störeinflüssen der Schaltelemente wird.
Fig. 4 zeigt eine schaltungsmäßige Realisierung der
erfindungsgemäßen Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der erste Schalter 16 aus einer
ersten PIN-Diode 44 und einer hierzu parallel geschalteten
zweiten PIN-Diode 46 aufgebaut. Vorteilhafterweise sind die
erste PIN-Diode 44 und die zweite PIN-Diode 46 in einem
Gehäuse aufgenommen und werden über die selbe Stromversorgung
versorgt.
Wie in Fig. 4 ferner gezeigt, besteht der zweite Schalter 28
aus einer einzigen PIN-Diode 47. Hierbei wird - ohne
Beschränkung des Gegenstands der Erfindung - davon
ausgegangen, daß das Sendesignal mit der ersten, niedrigeren
Sendefrequenz über den ersten Schalter 16 geführt wird und
daß das Sendesignal mit der zweiten, höheren Sendefrequenz
über den zweiten Schalter 28 geführt wird. Der Grund dafür,
daß für den zweiten Schalter lediglich eine einzige PIN-Diode
47 vorgesehen ist, besteht darin, daß an dieser Stelle für
das höhere Frequenzband die Impedanzanpassung nahezu
vollständig durchgeführt ist, z. B. auf 50 Ω für DCS mit ca.
1800 MHz. Deshalb ist der Einfluß des parasitären Widerstands
(ca. 1 Ω) der durchgeschalteten PIN-Diode 47 so gering, daß
Maßnahmen hiergegen entfallen können.
Wie in Fig. 4 ferner gezeigt, besteht die am Ausgang des
Leistungsverstärkers 10 vorgesehene Impedanzanpaßschaltung 14
am Eingang aus einem ersten Leitungselement 50, von dem vor
dem Ausgang der Impedanzanpaßschaltung 14 eine erste
Kapazität 48 zu Masse abzweigt. Das erste Leitungselement 50
wirkt als Serieninduktivität für die Impedanzanpassung. In
Fig. 4 sind weitere Leitungselemente 52 und 51 gezeigt, die
unterschiedliche geometrische Layoutkonfigurationen für den
Anschluß der einzelnen Übertragungszweige an den
Leistungsverstärker 10 widerspiegeln.
Wie in Fig. 4 ferner gezeigt, besteht die
Impedanzanpaßschaltung 30 im zweiten Übertragungszweig aus
zwei in Serie geschalteten Leitungselementen, von deren
Verbindungspunkt eine zweite Kapazität 54 zur Masse abzweigt.
Wie in Fig. 4 ferner gezeigt, besteht die
Impedanzanpaßschaltung 18 im ersten Übertragungszweig aus
einer am Eingang in Shunt-Konfiguration vorgesehenen dritten
Kapazität 60 sowie einer zwischen dem Eingang und dem Ausgang
seriell vorgesehenen vierten Kapazität 62. Die vierte
Kapazität 62 ist mit einer Induktivität 64 überbrückt.
Fig. 5 zeigt beispielhaft die Funktion der in Fig. 4
gezeigten Bau- bzw. Leitungselemente sowie den Einfluß
parasitärer Elemente bei der Impedanzanpassung in einem GSM-
Übertragungszweig.
Wie in Fig. 5 gezeigt, erfolgt die Impedanzanpassung
ausgehend von der Ausgangsimpedanz Za des
Leistungsverstärkers 10 über eine Folge von
Transformationsschritten, die hier in einem Smithchart-
Diagramm dargestellt sind. Der Übergang von der
Ausgangsimpedanz Za des Leitungsverstärkers 10 zu dem in Fig.
5 gezeigt Anpaßpunkt erfolgt im ersten Übertragungszweig
durch Teiltransformationsschritte, die mit der Abfolge
Leitungselement 50, erste Kapazität 48, Leitungselement 52,
parasitäre Induktivität des ersten Schalters 16, parasitärer
Widerstand des ersten Schalters 16, dritte Kapazität 60 und
vierte Kapazität 62 realisiert sind.
Die vierte Kapazität 62 der Impedanzanpaßschaltung im ersten
Übertragungszweig ist vorgesehen, da Kapazitätswerte
regelmäßig nur in einem vorgegebenen Raster liegen, z. B. von
3.3 pF, 3.9 pF, 4.7 pF, 5.6 pF, usw.. Die vierte Kapazität 62
ermöglicht eine feinere Abstufung bei der
Impedanztransformation und somit eine genauere
Impedanzanpassung. Die Induktivät 64 ist für eine
Gleichstromentkopplung vorgesehen.
Fig. 6 zeigt beispielhaft die Funktion der in Fig. 4
gezeigten Bau- bzw. Leitungselemente sowie den Einfluß
parasitärer Elemente bei der Impedanzanpassung in einem DCS-
Übertragungszweig.
Wie in Fig. 6 gezeigt, erfolgt auch im zweiten
Übertragungszweig die Impedanzanpassung ausgehend von der
Ausgangsimpedanz Za des Leitungsverstärkers 10 über eine
Folge von Transformationsschritten, realisiert durch die
Abfolge Leitungselement 50, erste Kapazität 48,
Leitungselement 51 und parasitäre Induktivität des zweiten
Schalters 28 und zweite Kapazität 54. In Fig. 6 sind die
Leitungsabschnitte 56 und 58 vernachlässigt.
Wie bereits unter Bezug auf Fig. 4 erläutert spielt aufgrund
des höher liegenden Frequenzbands im zweiten Übertragunszweig
der parasitäre Widerstand des zweiten Schalters 28, z. B. der
PIN-Diode 47, lediglich eine untergeordnete Rolle, so daß ein
entsprechender Teiltransformationsschritt in dem in Fig. 6
gezeigt Smithchart-Diagramm entfällt. Zudem kann aufgrund des
höher legenden Frequenzbands eine der vierten Kapazität 62
vergleichbare Kapazität entfallen, wodurch sich der
Schaltungsaufwand verringert.
Claims (15)
1. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung für eine
Mobilfunkeinheit mit Doppelbandbetrieb, enthaltend:
- a) eine erste Sende/Empfangs-Umschaltung (22) zum Senden/Empfangen eines ersten Sende/Empfangssignals, an deren Sendeanschluß eine erste Impedanzanpaßschaltung (18) vorgesehen ist,
- b) eine zweite Sende/Empfangs-Umschaltung (34) zum Senden/Empfangen eines zweiten Sende/Empfangssignals,
- c) eine Übertragungszweig-Umschaltung (16, 28) zum
wahlweisen Verbinden der ersten Sende/Empfangs-
Umschaltschaltung (22) oder der zweiten Sende/Empfangs-
Umschaltung (34) mit einem Leistungsverstärker (10), der
Sendesignale in zwei Frequenzbändern abgibt, derart, daß
- 1. zwischen dem Ausgangsanschluß (12) des Leistungsverstärkers (10) und der Übertragungszweig-Umschaltung (16, 28) eine zweite Impedanzanpaßschaltung (14) vorgesehen ist, und
- 2. die Übertragungszweig-Umschaltung (16, 28) im ersten Übertragungszweig mindestens zwei Schaltelemente (S11, . . ., S1N) aufweist.
2. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß am Sendeanschluß der zweiten
Sende/Empfangsumschaltung (34) eine dritte
Impedanzanpaßschaltung (30) vorgesehen ist.
3. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungszweig-
Umschaltung (16, 28) zwischen der zweiten
Impedanzanpaßschaltung (14) und der dritten
Impedanzanpaßschaltung (30) mindestens ein Schaltelement
(S21, . . ., S2M) aufweist.
4. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
der ersten Impedanzanpaßschaltung (18) und der ersten
Sende/Empfangsumschaltung (22) ein Tiefpaßfilter (20)
zum Filtern von Oberschwingen des ersten Sendesignals
vorgesehen ist.
5. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am
Ausgang der dritten Impedanzanpaßschaltung (30) ein
schaltbares Bandsperrfilter (32) vorgesehen ist, das
beim Senden des ersten Sendesignals die Oberschwingungen
des ersten Sendesignals im zweiten Übertragungspfad
filtert.
6. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Übertragungszweig-Umschaltung (16, 28) zwischen der
ersten Impedanzanpaßschaltung (18) und der zweiten
Impedanzanpaßschaltung (14) aus einer ersten PIN-Diode
(44) und einer zweiten PIN-Diode (46) aufgebaut ist,
derart, daß die erste PIN-Diode (44) und die zweite PIN-
Diode (46) parallel geschaltet sind.
7. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste PIN-Diode (44) und
die zweite PIN-Diode (46) in einem Gehäuse aufgenommen
sind.
8. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Übertragungszweig-Umschaltung (16, 28) zwischen der
zweiten Impedanzanpaßschaltung (14) und der dritten
Impedanzanpaßschaltung (30) aus einer dritten PIN-Diode
aufgebaut ist.
9. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die erste
Impedanzanpaßschaltung (18) an ihrem Eingang eine in
Shunt-Konfiguration geschaltete erste Kapazität (60)
aufweist.
10. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang der
ersten Impedanzanpaßschaltung (18) und dem Ausgang der
ersten Impedanzanpaßschaltung (18) eine zweite Kapazität
(62) seriell angeschlossen ist.
11. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kapazität (62)
mit einer Induktivität (64) überbrückt ist.
12. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am
Eingang der zweiten Impedanzanpaßschaltung (14) ein
erstes Leitungselement (50) vorgesehen ist.
13. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß an dem ausgangsseitigen Ende
des ersten Leitungselements (50) eine dritte Kapazität
(48) zur Masse abzweigt.
14. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach einem der
Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der
dritten Impedanzanpaßschaltung (30) zwischen dem Eingang
und dem Ausgang ein zweites Leitungselement (56) und ein
in Serie mit dem zweiten Leitungselement (56)
verbundenes drittes Leitungselement (58) vorgesehen
sind.
15. Leistungsverstärker-Ausgangsschaltung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß am Verbindungspunkt des
zweiten Leitungselements (56) und des dritten
Leitungselements (58) eine vierte Kapazität (54) zur
Masse abzweigt.
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