DE202010012899U1 - Protection circuit and high-frequency device with such a protection circuit - Google Patents
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Abstract
Schutzschaltung zum Schutz von Hochfrequenz-Baugruppen gegen Überspannung, mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss verlaufenden und zur Führung hochfrequenter Signale geeigneten Hochfrequenzleitung und einem Massepotential und mit einer von der Hochfrequenzleitung abgehenden und diese galvanisch gegen das Massepotential kurzschließenden Zweigleitung, wobei die Zweigleitung zugleich eine Komponente einer Filterstruktur ist, welche für die Hochfrequenzleitung eine Übertragungsfunktion mit Hochpassverhalten zwischen erstem und zweitem Anschluss bewirkt.Protection circuit for the protection of high-frequency modules against overvoltage, with a running between a first and a second terminal and for guiding high-frequency signals high frequency line and a ground potential and with a outgoing from the high-frequency line and this galvanically short-circuiting the ground potential branch line, the branch line at the same time is a component of a filter structure which causes a high-frequency transfer function between the first and second ports for the high-frequency line.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Schutz von Hochfrequenz-Baugruppen und ein Hochfrequenz-Gerät mit einer solchen Schutzschaltung.The The invention relates to a protection circuit for the protection of high-frequency assemblies and a high-frequency device with a such protection circuit.
Als Hochfrequenz-Geräte seien elektrische oder elektronische Geräte verstanden, bei welchen die Verarbeitung von Hochfrequenz-Signalen ein wesentliches Funktionsmerkmal ist und welche hierfür wenigstens eine Hochfrequenz-Baugruppe enthalten. Hochfrequenz-Baugruppen können insbesondere Sendestufen und/oder Empfängerstufen in Geräten zur drahtlosen Kommunikation sein. Solche Hochfrequenz-Baugruppen enthalten typischerweise elektrische oder elektronische Bauelemente, welche empfindlich gegen Überspannungen sind und durch an einem Anschluss der Hochfrequenz-Baugruppe eingekoppelte Überspannungen zerstört werden können. Überspannungen können insbesondere an einem mit einer Antenne über eine zur Führung von Hochfrequenz-Signalen geeignete Leitung verbundenen Anschluss auftreten.When High-frequency equipment be understood electrical or electronic devices in which the Processing of high-frequency signals is an essential feature is and which for this at least a high-frequency module contain. Radio-frequency modules can in particular transmit levels and / or receiver stages in devices to be wireless communication. Such high frequency assemblies typically contain electrical or electronic components, which are sensitive to overvoltages are and by coupled to a terminal of the high-frequency module overvoltages destroyed can be. surges can in particular at one with an antenna over one for the guidance of high-frequency signals appropriate line connected connection occur.
Zum Schutz gegen Überspannungen auf Antennenzuleitungen sind beispielsweise Gasentladungs-Funkenstrecken oder Lambda-Viertel-Stichleitungen bekannt. Solche Schutzeinrichtungen sind jedoch relativ groß und daher für miniaturisierte moderne Geräte wie z. B. WLAN- oder GSM-Module nicht geeignet. Gasentladungs-Funkenstrecken besitzen außerdem eine hohe Restspannung, die z. B. die Eingangskondensatoren von Hochfrequenz-Baugruppen der beispielhaft genannten Geräte zerstören kann, und sind für die genannten Geräte in der Regel zu teuer.To the Protection against overvoltages on antenna feed lines are, for example, gas discharge spark gaps or lambda quarter stubs known. Such protective devices however, are relatively large and therefore for miniaturized modern devices such as B. WLAN or GSM modules are not suitable. Gas discharge spark gaps own as well a high residual stress, the z. B. the input capacitors of High-frequency modules of the exemplified devices can destroy, and are for the mentioned devices usually too expensive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und kleinvolumige Schutzschaltung zum Schutz von Hochfrequenz-Baugruppen sowie ein Hochfrequenz-Gerät mit einer solchen Schutzschaltung anzugeben.Of the Invention is based on the object, a cost-effective and Small-volume protection circuit for the protection of high-frequency modules as well as a high-frequency device specify with such a protection circuit.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.Inventive solutions are in the independent ones claims described. The dependent ones claims contain advantageous embodiments and developments of the invention.
Der Einsatz einer von der Hochfrequenz-Leitung weg zum Massepotential führenden Zweigleitung und deren Integration in eine Hochpass-Filterstruktur bewirkt um einen die Ableitung der durch eine elektrostatische Entladung auftretenden Ladungen als Kurzschlussstrom zum Massepotential und zum anderen durch das Hochpassverhalten eine nur geringe Dämpfung des hochfrequenten Nutzsignals auf der Hochfrequenzleitung. Ein solches Hochfrequenzsignal kann in bevorzugter Ausführung des Hochfrequenz-Geräts als Telekommunikationsgerät, insbesondere als WLAN-Gerät oder als Mobiltelefon ein Empfangssignal von einer Antenne zu einer Empfängerbaugruppe oder ein Sendesignal von einer Senderbaugruppe zu einer Antenne sein.Of the Use one of the high frequency line away to ground potential leading Branch line and their integration into a high-pass filter structure causes the discharge of the by an electrostatic discharge occurring charges as a short-circuit current to the ground potential and the Others by the high-pass behavior a low attenuation of the high-frequency useful signal on the high-frequency line. Such High-frequency signal can in a preferred embodiment of the high-frequency device as a telecommunications device, in particular as a WLAN device or as a mobile phone a received signal from an antenna to a receiver assembly or a transmission signal from a transmitter module to an antenna be.
Die Zweigleitung kann, insbesondere in einer diskret aufgebauten Filterstruktur, als Drahtleitung ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Zweigleitung als Leiterstreifen auf einem nichtleitenden Trägersubstrat ausgeführt, insbesondere in Streifenleitungstechnik (Stripline) mit auf Massepotential liegender Rückseitenmetallisierung und einer von der Hochfrequenzleitung beabstandeten Durchkontaktierung durch das Substrat als Kurzschluss zum Massepotential. Bei bevorzugter Ausführung der Zweigleitung in Streifenleitungstechnik sind vorteilhafterweise weitere Filterkomponenten der Filterstruktur sowie zumindest abschnittsweise die Hochfrequenzleitung selbst gleichfalls in Streifenleitungstechnik ausgeführt.The Branch line can, in particular in a discrete filter structure, designed as a wire line be. Preferably, the branch line is a conductor strip on a non-conductive carrier substrate executed in particular in stripline technology (stripline) with at ground potential lying backside metallization and a spaced from the high-frequency line via the substrate as a short circuit to the ground potential. In preferred execution the branch line in stripline technology are advantageously further filter components of the filter structure and at least in sections the high frequency line itself also in stripline technology executed.
Die Filterstruktur enthält in bevorzugter Ausführung zusätzlich zu der Zweigleitung einen seriell in die Hochfrequenzleitung eingefügten Kondensator. Die zum Massepotential kurzgeschlossene und Ladungen aus z. B. elektrostatischer Entladung ableitende Zweigleitung, welche nachfolgend auch als erste Zweigleitung bezeichnet ist, ist dabei auf der einer zu schützenden Hochfrequenz-Baugruppe abgewandten und einer möglichen Quelle elektrostatischer Entladung zugewandten Seite des Kondensators angeordnet. In vorteilhafter Ausführung enthält die Filterstruktur eine zweite, von der Hochfrequenzleitung weg führende Zweigleitung, welche vorzugsweise gleichfalls zum Massepotential kurzgeschlossen ist.The Contains filter structure in a preferred embodiment additionally to the branch line a capacitor inserted serially in the high frequency line. The shorted to the ground potential and charges of z. B. electrostatic Discharge dissipative branch line, which hereinafter also as the first Branch line is designated, it is on the one to be protected Radio frequency assembly facing away from and a potential source of electrostatic Discharge facing side of the capacitor arranged. In an advantageous manner execution contains the Filter structure a second, away from the high-frequency line branch line, which preferably also shorted to ground potential is.
Durch die Anordnung der ersten Zweigleitung Z1, welche gegen Massepotential am Punkt M1 kurzgeschlossen ist, auf der der Hochfrequenz-Baugruppe HB abgewandten Seite des Koppelkondensators werden Ladungen aus elektrostatischen Entladungen beispielsweise im Bereich der Antenne schnell gegen Masse abgeleitet und Überspannungen am Koppelkondensator KO bzw. am Eingang der Hochfrequenzbaugruppe zuverlässig vermieden. Durch die erste Zweigleitung Z1 kann dabei kurzzeitig ein sehr hoher Kurzschlussstrom führen. Die Filterstruktur vermeidet weitgehend eine Dämpfung der hochfrequenten Nutzsignale. Die Integration der ersten Zweigleitung als eine Filterkomponente in die Filterstruktur führt zu einem besonders geringen gesamten Platzbedarf.By the arrangement of the first branch line Z1, which against ground potential shorted at point M1, on the high-frequency module HB facing away from the coupling capacitor charges are off electrostatic discharges, for example in the field of the antenna quickly derived from ground and overvoltages on the coupling capacitor KO or at the input of the high-frequency module reliable avoided. Through the first branch line Z1 can short-term cause a very high short-circuit current. The filter structure avoids largely a damping the high frequency useful signals. The integration of the first branch line as a filter component in the filter structure leads to a especially low total space requirement.
Hochfrequenz-Baugruppen in Hochfrequenz-Geräten, insbesondere Telekommunikationsgeräten der genannten Art besitzen einen Betriebsfrequenzbereich um eine mittlere Betriebsfrequenz, dessen Frequenzbreite gering ist gegen die mittlere Betriebsfrequenz. Es können in einem Gerät auch mehrere getrennte Betriebsfrequenzbereiche vorgesehen sein. Vorteilhafterweise kann durch die Filterstruktur auf der Hochfrequenzleitung ein Übertragungsverhalten mit einem relativen Minimum der Signaldämpfung bei dem Betriebsfrequenzbereich eingestellt werden, so dass die Nutzsignale besonders gering abgeschwächt werden. Der Betriebsfrequenzbereich eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Geräts liegt vorzugsweise zwischen 1 GHz und 10 GHz.High-frequency modules in high-frequency devices, in particular telecommunications equipment of the type mentioned have an operating frequency range around a mean operating frequency, the frequency width is low against the average operating frequency. It can work in one device too several separate operating frequency ranges may be provided. Advantageously, by the filter structure on the high-frequency line, a transmission behavior can be set with a relative minimum of the signal attenuation in the operating frequency range, so that the useful signals are attenuated particularly low. The operating frequency range of a high-frequency device according to the invention is preferably between 1 GHz and 10 GHz.
Die Länge der ersten Zweigleitung und gegebenenfalls der zweiten Zweigleitung ist vorteilhafterweise geringer als eine Viertelwellenlänge bei dem Betriebsfrequenzbereich bzw. dem niedrigsten Betriebsfrequenzbereich bei mehreren Betriebsfrequenzen, so dass die erste Zweigleitung und die Filterstruktur vorteilhafterweise mit geringem Platzbedarf kompakt realisierbar und in hoch miniaturisierte Schaltungen integrierbar ist.The Length of first branch line and optionally the second branch line is advantageously less than a quarter wavelength at the operating frequency range or the lowest operating frequency range at several operating frequencies, leaving the first branch line and the filter structure advantageously compact with a small footprint feasible and integrable into highly miniaturized circuits is.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:The The invention is based on preferred embodiments illustrated in detail with reference to the figures. there shows:
Eine Filterstruktur besteht im wesentlichen aus der ersten Zweigleitung Z1, einem seriell in die Hochfrequenzleitung eingefügten Koppel-Kondensators KO und einer zweiten, von der Hochfrequenzleitung weg führenden Zweigleitung Z2. Die erste Zweigleitung Z1 führt von der Hochfrequenzleitung HL weg und ist an einem von der Hochfrequenzleitung HL um eine Länge L1 beabstandeten Punkt gegen Massepotential des Gerätes kurzgeschlossen. Die erste Zweigleitung Z1 ist vorzugsweise als Stichleitung in Streifenleitungstechnik auf einem elektrisch nicht leitenden Trägersubstrat, dessen Rückseite mit einer auf Massepotential liegenden Metallisierung versehen ist, ausgeführt. Der Kurzschluss zum Massepotential ist durch eine Durchkontaktierung M1 durch das Trägersubstrat zwischen der Zweigleitung Z1 und der Rückseitenmetallisierung gebildet. In die Hochfrequenzleitung HL ist zwischen der ersten Zweigleitung Z1 und der Hochfrequenzbaugruppe HB der Koppel-Kondensator KO in serieller Anordnung eingefügt. Die erste Zweigleitung ist damit auf der der Hochfrequenz-Baugruppe HB abgewandten und einer potentiellen Überspannungsquelle zugewandten Seite des Kondensators angeordnet. Auf der der Hochfrequenz-Baugruppe zugewandten Seite des Kondensators ist eine zweite Zweigleitung Z2 von der Hochfrequenzleitung HL weg geführt und in einem Abstand L2 von der Hochfrequenzleitung mittels einer Durchkontaktierung M2 mit der Rückseitenmetallisierung des Trägersubstrats kurzgeschlossen. Die zweite Zweigleitung Z2 ist ebenso wie die Hochfrequenzleitung HL und die erste Zweigleitung Z1 in Streifenleitungstechnik ausgeführt.A Filter structure consists essentially of the first branch line Z1, a serially inserted into the high-frequency line coupling capacitor KO and a second, away from the high-frequency line away Branch line Z2. The first branch line Z1 leads from the high-frequency line HL away and is at a distance from the high frequency line HL by a length L1 Point shorted to earth potential of the device. The first Branch line Z1 is preferably a stub line in stripline technology on an electrically non-conductive carrier substrate, the rear side provided with a metallization at ground potential, executed. The short to ground potential is through a via M1 through the carrier substrate formed between the branch line Z1 and the backside metallization. In the high frequency line HL is between the first branch line Z1 and the high frequency assembly HB of the coupling capacitor KO in inserted serial arrangement. The first branch line is thus facing away from the high-frequency module HB and a potential overvoltage source arranged facing side of the capacitor. On the facing the high-frequency module Side of the capacitor is a second branch line Z2 from the high-frequency line HL led away and at a distance L2 from the high frequency line by means of a Through-hole M2 with the backside metallization of the carrier substrate shorted. The second branch line Z2 is the same as the high frequency line HL and the first branch line Z1 executed in stripline technology.
Der
spezielle Aufbau einer Filterstruktur mit der ersten Zweigleitung
Z1, dem Koppelkondensator KO und der zweiten Zweigleitung Z2 als
Filterkomponenten stellt lediglich eine von mehreren möglichen Ausführungsbeispielen
von Filterstrukturen dar. Die Filterstruktur bewirkt für die Hochfrequenzleitung
HL zwischen Antenne und Hochfrequenz-Baugruppe HB ein Hochpass-Frequenzübertragungsverhalten.
Die in
Die
Filterstruktur nach
Der Entwurf einer Filterstruktur im Detail erfolgt typischerweise über ein numerisches Simulationsprogramm, bei welchem die verfügbaren variablen Parameter verändert werden können und welches ein daraus resultierendes Frequenzübertragungsverhalten berechnet und anzeigt, so dass der Filterdesigner mit einem solchen Programm die als Variablen zur Verfügung stehenden Größen verändern und sich aus einer für den Einsatzzweck günstigen, berechneten Filtercharakteristik die Kenngrößen für die Komponenten eines geeigneten Filteraufbaus entnehmen kann.The design of a filter structure in detail is typically done via a numerical simulation program in which the available variable parameters can be varied and which calculates and displays a resulting frequency response, so that the filter designer uses such a program to change the variables available as variables from a convenient for the purpose gen, calculated filter characteristic can take the characteristics of the components of a suitable filter assembly.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.The above and those specified in the claims as well as the figures removable features are both individually as well as in various combinations advantageously feasible. The invention is not limited to the described embodiments limited, but in the context of expert Can s changeable in many ways.
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