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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einer Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und einem Richtungs-Isolatorelement, welche beispielsweise im Senderteil
eines Mobiltelefons oder eines mobilen Kommunikationsterminals verwendet
werden.
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Stand der Technik
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In
letzter Zeit wurde die Konkurrenz beim Verkleinern und bei der Gewichtsverringerung
von Kommunikationsvorrichtungen wie beispielsweise Mobiltelefonen
und mobilen Kommunikationsterminals intensiver und daher wurde das
Bedürfnis,
Bauteile, aus denen solche Kommunikationsvorrichtungen ausgebildet
sind, hinsichtlich ihrer Größe, ihres Gewichts
und ihrer Dicke, ihrer Anzahl und ihres Energieverbrauchs zu verkleinern,
in zunehmendem Maße
größer.
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In
einer Kommunikationsvorrichtung wie beispielsweise einem Mobiltelefon
und einem mobilen Kommunikationsterminal ist ein Richtungs-Isolatorelement,
welches als nicht-reziprokes Schaltkreiselement dient, üblicherweise
mit der Ausgangsseite einer sich in einem Sendeteil befindlichen Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
verbunden, um mittels eines Richtungs-Isolatorelements zu verhindern,
dass Hochfrequenzleistung, welche aufgrund von umgebungsbedingten
Veränderungen
einer Antenne reflektiert wird, die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
erreicht, und um zu verhindern, dass sich die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
verschlechtert oder dass unnötige
Ausgangssignale zunehmen.
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Eine übliche Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
ist in Form eines Moduls auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet
und ist in ein metallisches Gehäuse
eingebaut, um sie abzuschirmen. Andererseits ist es im Falle eines
Richtungs-Isolatorelements aufgrund des Aufbaus des Elements erforderlich,
ein magnetisches Material mit einem Metall mit hoher magnetischer
Permeabilität
abzudecken. Da es in Bezug auf das Material und seinen Aufbau gegenüber normalen
elektronischen Schaltungen, welche auf einem isolierenden Substrat
ausgebildet sind, unterschiedlich ist, wird das Richtungs-Isolatorelement
als unabhängige
Komponente hergestellt. Das heißt,
dass ein konventionelles Richtungs-Isolatorelement separat von einer
Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
in einem metallischen Gehäuse eingebaut
wird.
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Obwohl
eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und ein Richtungs-Isolatorelement hinsichtlich ihrer Funkti on in
hohem Maße
zueinander verwandt sind, werden sie daher als voneinander separate
Komponenten gehandhabt, bis sie in einem Mobiltelefon oder einem
mobilen Kommunikationsterminal eingesetzt werden. Das heißt, dass
diese Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltungen
und Richtungs-Isolatorelemente als von einander unabhängige Komponenten
vorbereitet werden und anschließend
durch Löten
auf einer Hauptplatine (motherboard) angebracht werden, welche aus
einem mehrlagigen, dielektrischen Substrat aufgebaut ist.
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Da
der Hochfrequenzleistungsverstärker
und das Richtungs-Isolatorelement als unabhängige Komponenten gehandhabt
werden, ist es schwierig, deren Größe zu verkleinern. Wenn sie
auf der Hauptplatine angeordnet werden, addieren sich daher die Dicke
der Hauptplatine und die Dicke des Richtungs-Isolatorelements, so
dass sich die Gesamthöhe
vergrößert, so
dass es unmöglich
ist, die Größe und die
Dicke der gesamten Hochfrequenzausgangsstufe zu verringern.
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Jeder
Anschluss eines Richtungs-Isolatorelements wird so hergestellt,
dass seine Eingangs-/Ausgangsimpedanz 50 Ω beträgt, was der Impedanz von üblichen Übertragungsleitungen
entspricht, jedoch ist die Ausgangsimpedanz einer Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
30 Ω oder
weniger. Um einen Hochfrequenzleistungsverstärker mit einem Richtungs-Isolatorelement
zu verbinden, ist es somit erforderlich, eine Impedanzanpassschaltung
zu verwenden. Eine derartige Impedanzanpassschaltung wird durch
die Anbringung von eine Induktivität bzw. eine Kapazität aufweisender Chipkomponenten
(chip components of L and C) auf einer Hauptplatine oder durch Ausbildung
einer Induktivität
mit Hilfe einer Kupferfilmstruktur (forming L of a copper film pattern)
auf der Oberfläche
der Hauptplatine zur Verfügung
gestellt. Eine Impedanzanpassschaltung mit dem obigen Aufbau verhindert es
ebenfalls, die Größe und Dicke
der Hochfrequenzausgangsstufe verkleinern zu können.
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Es
ist erforderlich, Komponenten wie eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
oder ein Richtungs-Isolatorelement
getrennt voneinander zu erlangen und es ist weiterhin erforderlich,
zu deren Kopplung zusätzlich
eine Impedanzanpassschaltung getrennt davon zu konstruieren. Daher
ist es schwierig, eine Kommunikationsvorrichtung wie beispielsweise
ein Mobiltelefon oder ein mobiles Kommunikationsterminal zu konstruieren,
und Schwankungen bei einzelnen Komponenten müssen berücksichtigt werden. Es ist daher
gegebenenfalls nicht möglich, die
Leistungsfähigkeit über die
gesamte Kommunikationsvorrichtung hinweg aufrecht zu erhalten.
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JP-A-10 327003 offenbart
einen Richtungs-Isolator, eine Verstärkervorrichtung und eine Ausgangsanpassschaltung,
welche auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
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JP-A-6 268532 offenbart
eine MMIC-Anordnung, eine Eingangsanpassschaltung und eine Ausgangsanpassschaltung
eines Durchgangsleistungsverstärkers
mit Kapazitäten,
die in ein mehrlagiges, keramisches Substrat eingebettet sind.
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JP-A-10 150305 offenbart
einen Zirkulator, von dem ein Teil in ein in einer Leiterplatte
befindliches Loch eingesetzt ist, sowie einen Bandpassfilter, der
auf der gleichen Leiterplatte angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker zur Verfügung zu
stellen, die es ermöglicht,
die Größe und Dicke
einer Hochfrequenzausgangsstufe deutlich zu verkleinern.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker zur Verfügung zu stellen,
die eine einfache Konstruktion einer Kommunikationsvorrichtung wie
einem Mobiltelefon oder einem mobilen Kommunikationsterminal ermöglicht, und
die es ermöglicht,
die Schwankungen der Leistungsfähigkeit über die
gesamte Kommunikationsvorrichtung hinweg zu minimieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Richtungs-Isolatorvorrichtung,
wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, zur Verfügung gestellt.
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Wie
im Detail beschrieben, werden gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und ein Richtungs-Isolatorelement mittels Leitungselementen, welche
auf einem einzelnen dielektrischen, mehrlagigen Substrat vorgesehen
sind und die zusätzlich
mit dem einzelnen dielektrischen, mehrlagigen Substrat ver einigt sind,
miteinander verbunden. Da eine Hochfrequenzausgangsstufe mit dem
einzelnen dielektrischen, mehrlagigen Substrat vereinigt ist, ist
es möglich,
die Größe und Dicke
der Hochfrequenzausgangsstufe deutlich zu verkleinern. Auch ist
es möglich,
durch die Vereinigung die Anzahl der Komponenten zu verringern.
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Die
Richtungs-Isolatorvorrichtung mit eingebautem Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung
weist als Vorteile auf:
- (1.) Verringerung der
Montagefläche
der gesamten Hochfrequenzausgangsstufe.
- (2.) Verringerung des Konstruktionsaufwandes von Kommunikationsvorrichtungen,
da der Konstrukteur der Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise
eines Mobiltelefons und eines mobilen Kommunikationsterminals, die
Komponenten wie beispielsweise die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und das Richtungs-Isolatorelement nicht mehr separat voneinander
erlangen muss oder nicht mehr eine zusätzliche Impedanzanpassschaltung
zur Verbindung dieser Komponenten konstruieren muss.
- (3.) Minimierung der Schwankungen der Leistungsfähigkeit über die
gesamte Kommunikationsvorrichtung hinweg.
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Vorzugsweise
ist zumindest ein Teil der Schaltungsselemente in das dielektrische,
mehrlagige Substrat eingebettet. Auch ist es bevorzugt, dass die
Schaltungselemente einen Kapazitätsbereich (capacity
section) des Richtungs-Isolatorelements umfassen, und dass der Kapa zitätsbereich
des Richtungs-Isolatorelements in das dielektrische mehrlagige Substrat
eingebettet ist.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, dass zumindest ein Teil der Schaltungselemente
auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist eine Impedanzanpassungsschaltung zur Anpassung der Ausgangsimpedanz
der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung an
die Eingangsimpedanz des Richtungs-Isolatorelements in das dielektrische
mehrlagige Substrat eingebettet, oder auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat
angebracht.
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Es
ist bevorzugt, einen wesentlichen Teil des Richtungs-Isolatorelements,
insbesondere ein Zirkulatorelement und Innen-Leiter (center conductors)
integral in einen Aufnahmebereich, der durch Entfernung eines Teils
des dielektrischen, mehrlagigen Substrats ausgebildet wurde, einzusetzen.
Bei diesem Aufnahmebereich (fitting section) kann es sich um eine
Ausnehmung oder ein Durchgangsloch im dielektrischen, mehrlagigen
Substrat handeln. Da ein wesentlicher Teil des Richtungs-Isolatorelements
integral in den Aufnahmebereich wie beispielsweise die Ausnehmung
oder das Durchgangsloch, eingefügt
wird, ist es möglich,
die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und das Richtungs-Isolatorelement in einem einzigen Körper zu
vereinigen, ohne die Gesamthöhe
zu erhöhen,
so dass die Dicke des Körpers
verringert werden kann.
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Es
ist bevorzugt, wenn das Richtungs-Isolatorelement einen ersten Anschluss
aufweist, der über eine
Impedanzan passschaltung elektrisch mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
verbunden ist, und der erste Anschluss die Impedanz einer üblichen Übertragungsleitung
aufweist.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, wenn das Richtungs-Isolatorelement einen ersten Anschluss
aufweist, der elektrisch mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
verbunden ist, wobei der erste Anschluss eine Eingangsimpedanz aufweist,
die annähernd
an die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
angepasst ist. Vorzugsweise wird in diesem Fall der erste Anschluss
des Richtungs-Isolatorelements mittels einer Impedanzanpassschaltung
elektrisch mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung verbunden. Da
die Impedanz des Eingangsanschlusses des Richtungs-Isolatorelements,
der mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung verbunden ist,
ungefähr
an die Impedanz angepasst ist, die der Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
entspricht, wird die Impedanzanpassschaltung einfacher und ihre
Größe kann
weiter verkleinert werden.
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Es
ist bevorzugt, dass das Richtungs-Isolatorelement einen zweiten
Anschluss aufweist, der eine von der Impedanz des ersten Anschlusses
abweichende Impedanz aufweist. Weiter bevorzugt kann in diesem Fall
die Impedanz des ersten Anschlusses geringer als die Impedanz des
zweiten Anschlusses sein.
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Die
Impedanz des zweiten Anschlusses kann der Impedanz einer üblichen Übertragungsleitung
entsprechen.
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Es
ist bevorzugt, wenn ein Zirkulatorelement einen Block aus magnetischem
Material umfasst und im Block aus magnetischem Material trigonomisch symmetrische
Innenleiter (trigonally symmetric center conductors) ausgebildet
sind, und die Breite des Innenleiters, der mit dem ersten Anschluss
verbunden ist, von der Breite der Innenleiter, die mit den anderen
Anschlüssen
verbunden sind, abweicht.
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Es
ist ebenfalls bevorzugt, wenn das Richtungs-Isolatorelement ein Zirkulatorelement
aufweist, wobei eine obere Oberfläche des Zirkulatorelements ungefähr in der
gleichen Ebene liegt, wie die obere Oberfläche des dielektrischen, mehrlagigen
Substrats, und wenn die Anschlusselektroden des ersten und des zweiten
Anschlusses des Zirkulatorelements auf der oberen Oberfläche des
Zirkulatorelements angeordnet sind.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, wenn das Richtungs-Isolatorelement ein Zirkulatorelement
aufweist, wobei eine obere Oberfläche des Zirkulatorelements ungefähr in der
gleichen Ebene wie die Oberfläche des
dielektrischen, mehrlagigen Substrats liegt und wenn die Anschlusselektroden
des ersten und zweiten Anschlusses des Zirkulatorelements auf der
oberen Oberfläche
bzw. auf der unteren Oberfläche
des Zirkulatorelements angeordnet sind.
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Es
ist bevorzugt, wenn die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und das Richtungs-Isolatorelement von einem gemeinsamen abschirmenden
Gehäuse
bedeckt sind, welches aus einem weichmagnetischen Material wie beispielsweise
Eisen oder ähnlichem
hergestellt ist, so dass alle funktionalen Bauteile der Richtungs-Isolatorvorrichtung abgeschirmt
sind und ein geschlossener magnetischer Feldlinienkreis um die gesamte
Isolatorvorrichtung gebildet wird, um sämtliche Funktionen der Richtungs-Isolatorvorrichtung
darzustellen.
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Es
ist ebenfalls bevorzugt, wenn die Vorrichtung weiterhin eine SAW-Vorrichtung
(surface acoustic wave – akustische
Oberflächenwelle)
umfasst, die auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat angeordnet
ist und an einen Eingang der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
angekoppelt ist, sowie eine Anpassschaltung umfasst, die in das
dielektrische, mehrlagige Substrat eingebettet ist oder auf diesem
angeordnet ist, und die die Ausgangsimpedanz der SAW-Vorrichtung
an die Eingangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
anpasst.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit der
folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung,
die mit den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht werden, deutlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungsanordnung einer
Kommunikationsvorrichtung zeigt, bei der eine Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung
eingebaut ist;
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2 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungsanordnung einer
integrierten Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker zeigt, wie sie in 1 dargestellt ist
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3 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch einen Aufbau
einer Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4a ist
eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen der Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
zeigt;
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4b ist
eine Querschnittsansicht längs der
Linie B-B in 4a;
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5a ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch einen Aufbau
einer Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5b ist
ein Ersatzschaltbild einer Induktivität und einer Kapazität (Kapazitätsbereich)
des Eingangsanschlusses des Richtungs-Isolatorelements gemäß dem in 5a gezeigten
Ausführungsbeispiel;
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5c ist
eine Querschnittsansicht, die den Aufbau des Kapazitätsbereichs
des Eingangsanschlusses des Richtungs-Isolatorelements gemäß dem in 5a gezeigten
Ausführungsbeispiel
zeigt, der auf einem dielektrischen, mehrlagigen Substrat ausgebildet
ist;
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5d ist
ein Ersatzschaltbild des gesamten Richtungs-Isolatorelements des in 5a gezeigten Ausführungsbeispiels;
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6a ist
eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit
einem eingebauten Leistungsverstärker
gemäß dem in 5a dargestellten
Ausführungsbeispiel zeigt;
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6b ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 6a;
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7 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch den Aufbau
einer Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8a ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch die Struktur
einer Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8b ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 8a;
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9 ist
eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Verbindungsbereichs
der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse
des Zirkulatorelements mit den Verbindungsleitern gemäß dem in 8a und 8b gezeigten
Ausführungsbeispiel;
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10 ist
eine perspektivische Explosionsansicht zur Erläuterung des inneren Aufbaus
eines Zirkulators gemäß einer
Modifikation der vorliegenden Erfindung;
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11 ist
ein Schaltbild, das die Anordnung eines Endstufenausgangstransistors
einer Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und seiner nachgeschalteten Schaltung (downward circuit) gemäß der in 10 dargestellten
Modifikation zeigt;
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12 ist
ein Schaltbild, das die Anordnung eines Endstufenausgangstransistors
eines im Stand der Technik bekannten Hochfrequenzleistungsverstärkers und
seiner nachgeschalteten Schaltung zeigt;
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13a ist eine perspektivische Explosionsansicht,
die den Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten
Leistungsverstärker gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13b ist eine Querschnittsansicht längs der
Linie B-B in 13a;
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14 ist
eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung der Verbindungsbereiche
der Eingangs- /Ausgangsanschlüsse des
Zirkulatorelements mit den Verbindungsleitern gemäß dem in 13a und 13b dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung eines Mobiltelefons, bei dem eine Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung
eingebaut ist.
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In
der Fig. bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Antenne,
das Bezugszeichen 11 einen Duplexer zur Aufspaltung von
Sende- und eines Empfangssignalen, das Bezugszeichen 12 eine
Hochfrequenzeingangsstufe auf der Empfängerseite, die eine mehrstufige
rauscharme Verstärkerschaltung
und ein BPF (Bandpassfilter) aufweist, das Bezugszeichen 13 einen
Mischer auf der Empfängerseite,
das Bezugszeichen 14 eine Hochfrequenzausgangsstufe auf
der Senderseite, die aus einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit
einem eingebauten Leistungsverstärker
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, das Bezugszeichen 15 einen Mischer
auf der Senderseite, das Bezugszeichen 16 einen Verteiler,
das Bezugszeichen 17 einen VCO (voltage control oscillator – spannungsgesteuerter
Oszillator) und das Bezugszeichen 18 eine PLL-Schaltung
(phase lacked loop – Phasenrückkopplungsschleife).
Die Hochfrequenzausgangsstufe 14 ist aus der Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit dem eingebauten Leistungsverstärker aufgebaut, und gemäß der vorliegenden
Erfindung ist diese Richtungs-Isolatorvorrichtung durch eine einzelne
integrierte Komponente gebildet.
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2 zeigt
die Schaltungsanordnung der in 1 gezeigten
integrierten Richtungs-Isolatorvorrichtung. Diese Schaltungsanordnung
entspricht einer Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß dem in 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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In 2 bezeichnet
das Bezugszeichen 20 ein Richtungs-Isolatorelement, dessen Endausgang mit
dem Duplexer 11 (1) verbunden
ist, das Bezugszeichen 21 eine Ausgangsimpedanzanpassschaltung,
die mit dem Eingangsanschluss des Richtungs-Isolatorelements 20 verbunden
ist, das Bezugszeichen 22 eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung,
die mittels der Impedanzanpassschaltung 21 der mit dem
Eingangsanschluss des Richtungs-Isolatorelements 20 verbunden
ist, das Bezugszeichen 23 eine Eingangsimpedanzanpassschaltung,
die mit dem Eingangsanschluss der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 verbunden
ist, das Bezugszeichen 24 ein BPF, das aus einem SAW-Element
(akustische Oberflächenwelle), das
mittels der Impedanzanpassschaltung 23 mit dem Eingangsanschluss
der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 verbunden
ist und das Bezugszeichen 25 eine APC-Schaltung (automatic transmission power
control – automatische
Sendeleistungssteuerung), die als Feedbackmittel dient und ausgehend
von der Impedanzanpassschaltung 21 mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 verbunden
ist und so die Ausgabe der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 steuert.
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Das
Richtungs-Isolatorelement 20 ist ein nicht-reziprokes Schaltungselement,
dessen Übertragungseigenschaften
durch Anlegen eines hochfrequenten Signals an seinen Ferritblock,
an den ein gleichgerichtetes statisches Magnetfeld (DC static magnetic
field) angelegt wird, verändert
wird, und zwar in Abhängigkeit
der Übertragungsrichtung
des Signals. Um den Einfluss durch belastungsabhängige Schwankungen der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 zu
verringern, wird das Richtungs-Isolatorelement 20 zwischen
der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 und dem
antennenseitigen Duplexer 11 eingeschleift. Um die Impedanz
der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung 22 auf
die Impedanz des Richtungs-Isolatorelements 20 anzupassen,
wird weiterhin eine Ausgangsimpedanzanpassschaltung 21 zwischen
den Schaltkreis 22 und das Element 20 eingeschleift.
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3 zeigt
schematisch den Aufbau der Richtungs-Isolatorvorrichtung mit eingebautem
Leistungsverstärker
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, 4a zeigt
das Aussehen der Richtungs-Isolatorvorrichtung gemäß dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel,
und 4b zeigt eine Querschnittsansicht längs der
Linie B-B in 4a.
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In
diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 30 ein einzelnes
dielektrisches, mehrlagiges Substrat, das Bezugszeichen 31 einen
leistungsverstärkenden
MMIC-Chip (monolithic microwave integrated circuit – integrierter
monolithischer Mikrowellenschaltkreis), der auf dem Substrat 30 angebracht ist
und den wesentlichen Teil der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
ausmacht, das Bezugszeichen 32 einen wärmeabführenden Abstandshalter für den leistungsverstärkenden
MMIC-Chip 31, das Bezugszeichen 33 eine Mehrzahl
von Chipkomponenten, die ebenfalls auf dem Substrat 30 angeordnet sind,
das Bezugszeichen 34 einen internen Verbindungsleiter für die im
Substrat 30 ausgebildete Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung,
das Bezugszeichen 35 eine Eingangsanschlusselektrode der
Richtungs-Isolatorvorrichtung, das Bezugszeichen 36 eine
Ausgangsanschlusselektrode der Richtungs-Isolatorvorrichtung, das
Bezugszeichen 37 ein kreisförmiges Durchgangsloch durch
das Substrat 30, das Bezugszeichen 38 ein kreisförmiges Zirkulatorelement
für das
Richtungs-Isolatorelement, das in das Durchgangsloch 37 eingeführt ist,
das Bezugszeichen 39 Innenleiter, die um das Zirkulatorelement 38 herum
gewickelt sind, das Bezugszeichen 40 einen Zirkulator-Permanentmagneten,
das Bezugszeichen 41 ein metallisches Gehäusebauteil,
das aus weichmagnetischem Material gefertigt ist und mit einer Mehrzahl
von Fenstern 41a versehen ist, so dass es die Anschlusselektroden
nicht berührt,
das Bezugszeichen 42 ein Verschlussteil, das aus einem weichmagnetischen
Material gefertigt ist und die gesamte Richtungs-Isolatorvorrichtung gemeinsam mit dem
metallischen Gehäusebauteil 41 bedeckt,
das Bezugszeichen 43 eine Ausgangsimpedanzanpassschaltung,
die aus Elektroden, Dielektrika und Leiterbahnordnungen, die im
dielektrischen, mehrlagigen Substrat 30 ausgebildet sind,
aufgebaut ist, und die die Impedanzen des leistungsverstärkenden MMIC-Chips 31 und
des Richtungs-Isolatorelements aufeinander anpasst, das Bezugszeichen 44 eine Ausgangselektrode
der Ausgangsimpedanzanpassschaltung 43, die mit einem Ein gangsanschluss 39a des
Richtungs-Isolatorelements verbunden ist, das Bezugszeichen 45 eine
mittels eines Abschlusswiderstands 46 geerdete Elektrode
und das Bezugszeichen 47 bis 49 jeweils geerdete
Anschlusselektroden.
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Der
Eingangsanschluss 39a, der Ausgangsanschluss 39b und
ein Dummyanschluss 39c (dummy port) des Richtungs-Isolatorelements
sind auf der oberen Oberfläche
des Zirkulatorelements 38 ausgebildet, und diese Anschlüsse sowie
die Ausgangsanschlusselektrode 36, die Ausgangselektrode 44 und die
Elektrode 45, die auf der oberen Oberfläche des Substrats 30 ausgebildet
sind, sind jeweils in annähernd
der gleichen Ebene miteinander verbunden.
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Das
durch den Ferritblock mit den Innenleitern 39 gebildete
Zirkulatorelement 38 ist in das Durchgangsloch 36 des
Substrats 30 eingesetzt. Der Kapazitätsbereich des Richtungs-Isolatorelements, nämlich die
zu einer Induktivität
L des Zirkulatorelements 38 parallel angeordnete Kapazität, die zusammen
einen Schwingkreis ausbilden, ist im Substrat 30 angeordnet.
Da das Zirkulatorelement 38 nicht auf dem Substrat 30 befestigt
ist, sondern ein Teil des Zirkulatorelements 38 in das
Durchgangsloch 36 eingesetzt ist und der Kapazitätsbereich
des Richtungs-Isolatorelements
im Substrat 30 angeordnet ist, kann es verhindert werden,
dass sich die Gesamthöhe
der Richtungs-Isolatorvorrichtung erhöht. Das heißt, dass es möglich ist,
die Dicke der Richtungs-Isolatorvorrichtung zu verringern. Da der
leistungsverstärkende
MMIC-Chip 31 mittels der Ausgangsimpedanzanpassschaltung 43,
die aus Elektroden, Dielektrika und Leiterbahnanordnungen, die in dem
Substrat 30 ausgebildet sind, aufgebaut ist, mit dem Eingangsanschluss 39 des
Richtungs-Isolatorelements verbunden ist, ist die Hochfrequenzausgangsstufe,
die im Wesentlichen aus der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
besteht, sowie das Richtungs-Isolatorelement auf dem einzelnen dielektrischen,
mehrlagigen Substrat 30 integriert, so dass es möglich ist,
die Richtungs-Isolatorvorrichtung
stark zu verkleinern. Daraus folgt aber auch, das die Anzahl der
Komponenten der Kommunikationsvorrichtung bei Verwendung der obigen
integrierten Hochfrequenzausgangsstufe verringert werden kann.
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In
diesem Zusammenhang weist die Richtungs-Isolatorvorrichtung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
eine Befestigungsfläche
von etwa 40 mm2 und eine Befestigungshöhe von bis
zu 2 mm auf.
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Durch
Verwendung der Richtungs-Isolatorvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ist es somit möglich,
die Befestigungsfläche
der gesamten Hochfrequenzausgangsstufe zu verringern, die Dicke
der Stufe zu verringern, den Konstruktionsaufwand für Kommunikationsvorrichtungen
wie beispielsweise Mobiltelefone und mobile Kommunikationsterminals
zu verringern und darüber
hinaus die Schwankungen der Leistungsfähigkeit über die gesamte Kommunikationsvorrichtung
hinweg zu minimieren.
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5a zeigt
schematisch den Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 5b zeigt
ein Ersatzschaltbild einer Induktivität und einer Kapazität (Kapazitätsbereich)
des Eingangsanschlusses des Richtungs-Isolatorelements gemäß diesem
Ausführungsbeispiel; 5c zeigt
einen Aufbau des Kapazitätsbereichs
des Eingangsanschlusses des Richtungs-Isolatorelements gemäß diesem Ausführungsbeispiel,
der im dielektrischen, mehrlagigen Substrat ausgebildet ist; 5d zeigt
ein Ersatzschaltbild des gesamten Richtungs-Isolatorelements gemäß diesem
Ausführungsbeispiel; 6a zeigt das
Aussehen der Richtungs-Isolatorvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel; 6b zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 6a.
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In
diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 50 ein einzelnes
dielektrisches, mehrlagiges Substrat, das Bezugszeichen 51 einen
leistungsverstärkenden
MMIC-Chip, der auf dem Substrat 50 angeordnet ist und einen
Hauptbereich der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung ausmacht, das
Bezugszeichen 52 einen wärmeabführenden Abstandshalter für den leistungsverstärkenden
MMIC-Chip 51, das Bezugszeichen 53 eine Mehrzahl
von Chipbauteilen, die ebenfalls auf dem Substrat 50 angeordnet
sind, das Bezugszeichen 54 einen, im Substrat 50 ausgebildeten
internen Verbindungsleiter für
die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung,
das Bezugszeichen 55 eine Eingangsanschlusselektrode der
Richtungs-Isolatorvorrichtung, das
Bezugszeichen 56 eine Ausgangsanschlusselektrode der Richtungs-Isolatorvorrichtung,
das Bezugszeichen 57 ein rechteckförmiges Durchgangsloch des Substrats 50,
das Bezugszeichen 58 ein rechteckförmiges Zirkulatorelement für das Richtungs-Isolatorelement,
das in das Durchgangsloch 57 eingesetzt wurde, das Bezugszeichen 60 einen rechteckförmigen Per manentmagneten,
das Bezugszeichen 61 ein metallisches Gehäusebauteil,
das aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist und mit einer
Mehrzahl von Fenstern 61a versehen ist, so dass es nicht
in Kontakt mit den Anschlusselektroden kommt, das Bezugszeichen 62 ein
Verschlussbauteil, das aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist
und gemeinsam mit dem metallischen Gehäusebauteil 61 die
gesamte Richtungs-Isolatorvorrichtung bedeckt, das Bezugszeichen 63 eine
Ausgangsimpedanzanpassschaltung, die aus Elektroden, Dielektrika
und Leiterbahnanordnungen, die im dielektrischen mehrlagigen Substrat 50 ausgebildet
sind, aufgebaut ist, und die die Impedanzen des leistungsverstärkenden
MMIC-Chips 51 und des Richtungs-Isolatorelements aufeinander
anpasst, das Bezugszeichen 64 eine Ausgangselektrode der
Ausgangsimpedanzanpassschaltung 63, die mit dem Eingangsanschluss 58a des
Richtungs-Isolatorelements verbunden ist, das Bezugszeichen 65 eine
Elektrode, die über
einen Abschlusswiderstand 66 geerdet ist und die Bezugszeichen 67 bis 69 jeweils
geerdete Anschlusselektroden.
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Wie
in den 5b bis 5d dargestellt, sind
drei Resonanzkapazitäten
C (Kapazitätsbereiche)
jeweils mit drei entsprechenden im Zirkulatorelement 58 angeordneten
Induktivitäten
parallel geschaltet und im dielektrischen, mehrlagigen Substrat 50 ausgebildet.
D. h., die Kapazitäten
sind aus den Elektroden 64, 56' und 65 auf der Oberfläche des Substrats 50,
durch Dielektrika und durch interne Elektroden im Substrat 50 aufgebaut.
Wie in den 5b und 5c gezeigt,
ist beispielsweise ein Anpasskondensator C64 am
Eingangsanschluss 58a des Richtungs-Isolatorelements aus einer 5-lagigen Kapazität im Sub strat 50 ausgebildet.
Der in 5b gezeigte Eingangsanschluss 58a auf
der Seite des Zirkulatorelements und die Elektrode 64 auf
der Oberfläche
des Substrats 50 sowie die Erdungselektrode 58d auf
der Seite des Zirkulatorelements und die Erdungselektrode 68' auf dem Substrat
sind beispielsweise durch Löten
elektrisch miteinander verbunden.
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Der
Eingangsanschluss 58a, der Ausgangsanschluss 58b und
der Dummyanschluss 58c (dummy port) des Richtungs-Isolatorelements
sind auf der oberen Oberfläche
und der seitlichen Oberfläche
des Zirkulatorelements 58 vorgesehen. Diese Anschlüsse sind
jeweils mit der Ausgangselektrode 64, der Ausgangsanschlusselektrode 56' und der Elektrode 65,
die jeweils auf der oberen Oberfläche des Substrats 50 bzw.
auf der inneren Oberfläche
des Durchgangslochs 57 ausgebildet sind, verbunden. Die
Erdungselektrode 58d ist annähernd auf der gesamten unteren
Oberfläche
des Zirkulatorelements 58 vorgesehen.
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Das
Zirkulatorelement 58, das durch den Ferritblock mit den
Innenleitern gebildet ist, wird in das Durchgangsloch 56 des
Substrats 50 eingesetzt. Da das Zirkulatorelement 58 nicht
auf dem Substrat 50 befestigt ist, sondern ein Teil des
Zirkulatorelements 58 in das Durchgangsloch 56 eingesetzt
ist, ist es möglich
zu verhindern, dass sich die Gesamthöhe der Richtungs-Isolatorvorrichtung
erhöht.
D.h., es ist möglich,
die Dicke der Richtungs-Isolatorvorrichtung weiter zu verkleinern.
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Bei
einer bekannten Richtungs-Isolatorvorrichtung ist das Richtungs-Isolatorelement
selbst von einem abschirmenden Gehäuse eingeschlossen, um unabhängig verwendet
werden zu können,
und sowohl das abgeschirmte Richtungs-Isolatorelement und der leistungsverstärkende MMIC-Chip,
der von dem Richtungs-Isolatorelement aufgenommen wird, sind von
einem anderen abschirmenden Gehäuse aufgenommen.
Dem gegenüber
sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel
das Richtungs-Isolatorelement ohne abschirmendes Gehäuse und
der leistungsverstärkende
MMIC-Chip in einem einzigen Gehäuse vereint
und anschließend
durch ein abschirmendes Gehäuse
umschlossen. Daher kann mit diesem Ausführungsbeispiel eine weitere
Reduzierung der Dicke erzielt werden. Das abschirmende Gehäuse gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ist aus einem weichmagnetischen Material wie beispielsweise Eisen,
gefertigt und dient ebenfalls als Teil eines geschlossenen Magnetfeldlinienkreises,
der durch das Zirkulatorelement in dem Richtungs-Isolatorelement hindurch geht.
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Da
der leistungsverstärkende
MMIC-Chip 51 über
die Ausgangsimpedanzanpassschaltung 63, die aus Elektroden,
Dielektrika und Leiterbahnanordnungen, die im Substrat 50 ausgebildet
sind, aufgebaut ist, mit dem Eingangsanschluss des Richtungs-Isolatorelements
verbunden ist, sind die Hochfrequenzausgangsstufe, die im Wesentlichen
aus der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung besteht, und
das Richtungs-Isolatorelement zum einzelnen dielektrischen, mehrlagigen
Substrat 50 zusammengefasst, so dass es möglich ist,
die Richtungs-Isolatorvorrichtung
stark zu verkleinern.
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In
diesem Zusammenhang weist die Richtungs-Isolatorvorrichtung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
eine Befestigungsfläche
von etwa 40 mm2 und eine Befestigungshöhe von bis
zu 2 mm auf.
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Durch
Verwendung der Richtungs-Isolatorvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ist es somit möglich,
die Befestigungsfläche
der gesamten Hochfrequenzausgangsstufe zu reduzieren, die Dicke
der Stufe zu reduzieren, den Konstruktionsaufwand für Kommunikationsvorrichtungen
wie beispielsweise von Mobiltelefonen und mobilen Kommunikationsterminals,
zu verringern und darüber
hinaus die Schwankungen der Leistungsfähigkeit über die gesamte Kommunikationsvorrichtung
hinweg zu minimieren.
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7 zeigt
schematisch einen Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist ein durch ein SAW-Element 70 gebildetes
BPF, welches über eine
in 7 nicht gezeigte Eingangsimpedanzanpassschaltung
mit der Eingangsseite des leistungsverstärkenden MMIC-Chips 51 gemäß dem in 5a gezeigten
Ausführungsbeispiel
verbunden ist, integriert mit der Richtungs-Isolatorvorrichtung angeordnet. Die
Eingangsimpedanzanpassschaltung ist beispielsweise durch eine C-L-C
oder eine L-C-L Schaltung vom π-Typ
oder vom T-Typ gebildet, und mit Leitern und Dielektrika im Substrat 50 ausgebildet.
Wie oben beschrieben hat die Richtungs- Isolatorvorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel
den gleichen Schaltungsaufbau, wie er in 2 gezeigt ist.
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Weitere
Konfigurationen gemäß diesem Ausführungsbeispiel
entsprechen vollständig
dem in 5a gezeigten Ausführungsbeispiel.
Daher werden in 7 für gleichartige Komponenten
die gleichen Bezugszeichen wie in 5a verwendet.
Darüber
hinaus ist der Betrieb und sind die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels
die gleichen wie die des in 5a gezeigten
Ausführungsbeispiels.
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8a zeigt
schematisch den Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker in
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung. 8b zeigt eine Querschnittsansicht
längs der
Linie B-B in 8a.
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In
diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 80 ein einzelnes
dielektrisches, mehrlagiges Substrat, das Bezugszeichen 81 einen
leistungsverstärkenden
MMIC-Chip, der auf dem Substrat 80 befestigt ist und einen
wesentlichen Bereich der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
ausbildet, das Bezugszeichen 83 eine Mehrzahl von Chipkomponenten,
die ebenfalls auf dem Substrat 80 angeordnet sind, die
Bezugszeichen 85 und 86 externe Verbindungsanschlusselektroden,
einschließlich
Eingangsanschlusselektroden und Ausgangsanschlusselektroden der
Richtungs-Isolatorvorrichtung, das Bezugszeichen 87 eine
Ausnehmung des Substrats 80, das Bezugszeichen 88 ein
kreisförmiges
Zirkulatorelement für
das Richtungs-Isolatorelement,
das in die Ausnehmung 87 eingesetzt ist, das Bezugszeichen 89 einen
Abstandshalter des Zir kulatorelements 88, das Bezugszeichen 90 einen
kreisförmigen
Permanentmagneten, das Bezugszeichen 91 ein metallisches
Gehäusebauteil,
das aus weichmagnetischem Material gefertigt ist und der Abdeckung
der gesamten Richtungs-Isolatorvorrichtung dient, das Bezugszeichen 92 eine
metallische Jochplatte (yoke metallic plate), die aus einem weichmagnetischen Material
gefertigt ist und die Bezugszeichen 93, 94 und 95 Verbindungsleiter,
die jeweils mit entsprechenden Anschlüssen des Richtungs-Isolatorelements
verbunden sind.
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Die
Ausnehmung 87, die es ermöglicht, das Zirkulatorelement 88,
das im Wesentlichen aus dem Ferritblock mit Innenleitern ausgebildet
ist, aufzunehmen, ist an einem Ende des Substrats 80 ausgebildet.
Das Zirkulatorelement 88 ist zusammen mit dem lagesichernden
Abstandshalter 89 in die Ausnehmung 87 eingesetzt.
Da das Zirkulatorelement 88 nicht auf dem Substrat 80 befestigt
ist, sondern von der Ausnehmung 87 aufgenommen wird, ist
es möglich,
zu verhindern, dass die Gesamthöhe
der Richtungs-Isolatorvorrichtung
zunimmt. D.h. dass es möglich
ist, die Dicke der Richtungs-Isolatorvorrichtung zu verringern.
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Die
Ausgangselektrode des leistungsverstärkenden MMIC-Chips 81 ist
mittels einer Ausgangsimpedanzanpassschaltung (nicht dargestellt)
sowie mittels des bandförmig
ausgebildeten Verbindungsleiters 93 mit einem Eingangsanschluss
verbunden, der auf der oberen Oberfläche des Zirkulatorelements 88 ausgebildet
ist. Ein Ausgangsanschluss 88b des Zirkulatorelements 88 ist
an der unteren Oberfläche
des Elements 88 mit dem Verbindungsleiter 95 verbunden.
Der Verbindungsleiter 95 wird mit einer gedruckten Leiterplatte
verbunden, die an einen Antennenkreis angekoppelt ist.
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Die
Ausgangsimpedanzanpassschaltung kann durch Leiter und Dielektrika
im Substrat 80 ausgebildet werden, so wie dies bei den
in den 3, 5a und 7 gezeigten
Ausführungsbeispielen der
Fall ist, oder kann durch auf der oberen Oberfläche des Substrats 80 befestigte
Chipkomponenten 83 ausgebildet werden.
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9 stellt
die Verbindungspositionen der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse des Zirkulatorelements
mit den Verbindungsleitern gemäß diesem Ausführungsbeispiel
dar.
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Wie
in der Figur dargestellt, sind der Eingangsanschluss 88a zum
Empfang der Hochfrequenzleistung sowie der Dummy-Anschluss der Mehrzahl
von Anschlüssen
des Zirkulatorelements 88 an der oberen Oberfläche (die
Oberfläche,
die den anregenden Permanentmagneten 90 berührt) des Zirkulatorelements 88 mit
den Anschlussleitungen 93 und 94 verbunden, während der
Ausgangsanschluss 88b zur Aussendung von Hochfrequenzenergie
an der unteren Oberfläche
des Zirkulatorelements 88 mit dem Verbindungsleiter 95 verbunden
ist.
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Wie
oben erwähnt,
ist in diesem Ausführungsbeispiel
das Zirkulatorelement 88 unmittelbar benachbart zum dielektrischen,
mehrlagigen Substrat 80 angeordnet und ein Leiter, der über die
Ausgangsimpedanzanpassschaltung mit dem leistungsverstärkenden
MMIC-Chip 81 verbunden ist, ist auf der oberen Oberfläche des
Substrats 80 ausgebil det. Weiterhin ist der auf der oberen
Oberfläche
des Zirkulatorelements 88 ausgebildete Eingangsanschluss 88a mittels
des Verbindungsleiters 93 mit dem oben genannten Leiter
verbunden, wobei die obere Oberfläche des Zirkulatorelements 88 im
Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche des Substrats 80 liegt,
und der Ausgangsanschluss 88b des Zirkulatorelements 88 ist
mittels des Verbindungsleiters 95 von der unteren Oberfläche des
Zirkulatorelements 88 aus mit einem Leiter der gedruckten
Leiterplatte verbunden.
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Auch
wenn in diesem Ausführungsbeispiel der
bandförmig
ausgebildete Verbindungsleiter zur Verbindung mit sämtlichen
Anschlüssen
des Zirkulatorelements 88 verwendet wird, können andere
Verbindungsmittel wie beispielsweise eine flexible gedruckte Leiterplatte
verwendet werden.
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Der
anregende Permanentmagnet 90 ist auf dem Zirkulatorelement 88 angeordnet.
Die gesamte Isolatorvorrichtung ist mit Hilfe des metallischen Gehäusebauteils 81 mit
einer hohen magnetischen Permeabilität abgedeckt, und die metallische
Jochplatte 92 mit hoher magnetischer Permeabilität ist an
der unteren Oberfläche
der Richtungs-Isolatorvorrichtung befestigt, so dass durch das Gehäusebauteil 91 und
die Platte 92 ein geschlossener Magnetfeldlinienkreis gebildet
wird.
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Somit
ist es gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
möglich,
durch Vereinigung der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und des Richtungs-Isolatorelements
in einem einzigen Körper
die Größe der Richtungs-Isolatorvorrichtung
zu verringern, ohne die Dicke der Richtungs-Isolatorvorrichtung
in größerem Ausmaß zu ändern.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
dient das metallische Gehäusebauteil 91,
das den geschlossenen Magnetfeldlinienkreis bildet, ebenfalls als
Abschirmgehäuse
für den
leistungsverstärkenden
MMIC-Chip 81. Es ist jedoch auch möglich, lediglich das Richtungs-Isolatorelement
mit einem Metallgehäuse
mit hoher magnetischer Permeabilität einzuschließen und
getrennt davon ein zusätzliches
Abschirmgehäuse
für den
leistungsverstärkenden
MMIC-Chip 81 bereit zu stellen.
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Weitere
Ausbildungen dieses Ausführungsbeispiels
entsprechen annähernd
denen der in den 3, 5a und 7 gezeigten
Ausführungsbeispiele.
Betrieb und Vorteile dieses Ausführungsbeispiels
entsprechen ebenfalls denen der in den 3, 5a und 7 gezeigten
Ausführungsbeispiele.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind die Impedanzen sämtlicher
Anschlüsse jedes
Zirkulatorelements gleichartig auf 50 Ω gesetzt. Um den Aufbau der
Ausgangsimpedanzanpassschaltung zu vereinfachen, oder diese wegfallen
zu lassen, ist es jedoch möglich,
die Impedanz eines Eingangsanschlusses des Zirkulatorelements der dem
Empfang der Hochfrequenzleistung dient, auf 30 Ω oder weniger, insbesondere
auf 25 Ω,
zu setzen, und die Impedanz des Ausgangsanschlusses 88b auf
der Seite der Antenne auf 50 Ω zu
setzen, was der Impedanz normaler Übertragungsleitungen entspricht.
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10 zeigt
als Modifikation der vorliegenden Erfindung den inneren Aufbau eines
Zirkulatorelements zur Erzielung der obigen Impedanzanordnung.
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Wie
in der Figur gezeigt ist, weist das Zirkulatorelement Innenleiter 101, 102 und 103 auf,
die im Ferritblock 100 ausgebildet sind, und die über Durchgangslochleiter
in einer trigonomisch symmetrischen Leiterbahnanordnung (trigonally
symmetric pattern) miteinander verbunden sind.
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Die
Breite des Innenleiters 101, der mit einem Eingangsanschluss 104 an
der Seite der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung verbunden ist,
ist auf einen Wert gesetzt, der größer ist als die Breite der
Innenleiter 102 und 103, die mit anderen Anschlüssen 105 und 106 verbunden
sind, so dass die Impedanz des Anschlusses 104 25 Ω wird. Die
Impedanz der anderen Anschlüsse 105 und 106 wird
auf 50 Ω gesetzt.
Durch eine derartige asymmetrische Wahl der Impedanzen des Richtungs-Isolatorelements
ist es möglich,
zusätzlich
zur Funktion der nicht-reziproken Richtung der Leistungsübertragung eine
Impedanzwandlerfunktion zur Verfügung
zu stellen.
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11 zeigt
eine Schaltungsanordnung des Endstufenausgangstransistors einer
Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und die dazu nachgeschaltete Schaltung, die mit einem Anschluss
mit einer Impedanz von 25 Ω verbunden
ist. 12 zeigt als Vergleichsbeispiel die Schaltungsanordnung
eines Endstufenausgangstransistors einer üblichen Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und die dazu nachgeschaltete Schaltung, die mit einem Anschluss
mit einer Impedanz von 50 Ω verbunden
ist.
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In
diesen Figuren bezeichnen jeweils die Bezugszeichen Tr einen Endstufenausgangstransistor der
Hochfrequenzverstärkerschaltung, 110 und 120 Richtungs-Isolatorelemente, 111 und 121 Impedanzanpassschaltungen,
C1 bis C4 Kondensatoren und L1 bis L4 durch Mikroleiterbahnen (microstrip
conductors) gebildete Induktivitäten.
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Wie
aus den Figuren ersichtlich ist, ist die Größe der Ausgangsimpedanzanpassschaltung
in dem Fall, in dem die Schaltung mit einem 25 Ω-Anschluss verbunden ist, im
Verhältnis
zu dem Fall, in dem diese mit einem 50 Ω-Anschluss verbunden ist, deutlich verringert,
da die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
im Allgemeinen 30 Ω oder
weniger beträgt.
Da lediglich eine geringe Anzahl von Induktivitäten, die als solche jeweils
eine große
Fläche
einnehmen, benötigt
wird, ist es möglich,
die Ausgangsimpedanzanpassschaltung deutlich zu verkleinern. Die
in 11 gezeigte Ausgangimpedanzanpassschaltung ist
hinsichtlich ihrer Größe deutlich
verkleinert, da ein Leiterbahnbereich auf dem Substrat bei der in 11 gezeigten
Schaltung etwa 40% von dem Bereich der in 12 gezeigten
Schaltung beträgt.
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Die
Ausgangsimpedanz des Ausgangstransistors, der bei der in 11 gezeigten Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
verwendet wird, beträgt
etwa 18 Ω.
Diese Verstärkerschaltung
ist mit der Anpassschaltung verbunden, welche bei einer Nutzfrequenz
(purposed frequency) als Impedanzwandler arbeitet und bei einer
Frequenz, die höher
als die Nutzfrequenz ist, als Tiefpassfilter arbeitet. Falls die
Impedanz des Richtungs-Isolatorelements
vollständig
gleich zur Impedanz des Ausgangstransistors gewählt wird, ist es möglich, auf
eine derartige Ausgangsimpedanzanpassschaltung zu verzichten. Tatsächlich ist
es jedoch von Vorteil, wenn zur Durchführung des obigen Betriebs eine
Anpassschaltung verwendet wird, um die charakteristischen Schwankungen
eines Ausgangstransistors zu absorbieren und anormale Oszillationen
zu verhindern.
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13a zeigt schematisch den Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung
mit eingebautem Leistungsverstärker
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 13b zeigt
eine Querschnittsansicht längs
der Linie B-B in 13a.
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In
diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 130 ein einzelnes
dielektrisches, mehrlagiges Substrat, das Bezugszeichen 131 einen
auf dem Substrat 130 befestigten leistungsverstärkenden MMIC-Chip,
um so den wesentlichen Bereich einer Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
auszubilden, das Bezugszeichen 133 eine Mehrzahl von ebenfalls
auf dem Substrat 130 befestigter Chipbauteile, die Bezugszeichen 135 und 136 externe
Verbindungsanschlusselektroden, einschließlich Eingangsanschlusselektroden
und Ausgangsanschlusselektroden der Richtungs-Isolatorvorrichtung,
das Bezugszeichen 137 ein rechteckiges Durchgangsloch des
Substrats 130, das Bezugszeichen 138 ein kreisförmiges Zirkulatorelement
für das
Richtungs-Isolatorelement, das in das Durchgangsloch 137 eingesetzt
ist, das Bezugszeichen 140 einen kreis förmigen Permanentmagneten, das
Bezugszeichen 141 ein metallisches Gehäusebauteil, das aus weichmagnetischem
Material gefertigt ist, um die gesamte Richtungs-Isolatorvorrichtung zu bedecken, das
Bezugszeichen 142 eine metallische Jochplatte, die aus
einem weichmagnetischen Material hergestellt ist, und die Bezugszeichen 143, 144 bzw. 145 Verbindungsleiter,
die jeweils mit Anschlüssen
des Richtungs-Isolatorelements verbunden sind.
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Das
Durchgangsloch 137, das das im Wesentlichen aus dem Ferritblock
mit Innenleitern ausgebildete Zirkulatorelement 138 aufnehmen
kann, ist im Substrat 130 ausgebildet, und das Zirkulatorelement 138 ist
in dieses Durchgangsloch 137 eingesetzt. Da das Zirkulatorelement
nicht auf dem Substrat 130 befestigt ist, sondern vielmehr
in das Durchgangsloch 137 eingesetzt ist, kann verhindert
werden, dass die Gesamthöhe
der Richtungs-Isolatorvorrichtung
zunimmt. D.h., dass es möglich
ist, die Dicke der Richtungs-Isolatorvorrichtung zu verringern.
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Die
Ausgangselektrode des leistungsverstärkenden MMIC-Chips 131 ist
mittels einer Ausgangsimpedanzanpassschaltung (nicht dargestellt)
sowie mittels des bandartig ausgebildeten Verbindungsleiters 143 mit
einem auf der oberen Oberfläche
des Zirkulatorelements 138 ausgebildeten Eingangsanschluss
verbunden. Ein Ausgangsanschluss des Zirkulatorelements ist ebenfalls
auf der oberen Oberfläche
des Elements 138 mit dem Verbindungsleiter 145 verbunden.
Der Verbindungsleiter 145 wird mit einer gedruckten Leiterplatte
verbunden, die an eine Antennenschaltung angekoppelt ist.
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Die
Ausgangsimpedanzanpassschaltung kann, wie dies bei den in den 3, 5a und 7 gezeigten
Ausführungsbeispielen
der Fall ist, durch Leiter und Dielektrika im Substrat 130 ausgebildet
sein, oder durch an der oberen Oberfläche des Substrats 130 befestigte
Chipbauteile 133 ausgebildet sein.
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14 zeigt
die Verbindungspositionen der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse des Zirkulatorelements
mit den Verbindungsleitern gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
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Wie
in der Figur gezeigt, sind alle Anschlüsse des Zirkulatorelements 138 an
der oberen Oberfläche
(die Oberfläche,
die den anregenden Permanentmagneten 140 berührt) des
Zirkulatorelements 138 mit den Verbindungsleitern 143 bis 145 verbunden.
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Wie
bereits beschrieben, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Zirkulatorelement 138 unmittelbar
benachbart zum dielektrischen, mehrlagigen Substrat 130 angeordnet,
und ein mittels der Ausgangsimpedanzanpassschaltung mit dem leistungsverstärkenden
MMIC-Chip 131 verbundener Leiter ist auf der oberen Oberfläche des
Substrats 130 ausgebildet. Weiterhin ist der auf der oberen
Oberfläche des
Zirkulatorelements 138 ausgebildete Eingangsanschluss 138a mittels
des Verbindungsleiters 143 mit dem oben beschriebenen Leiter
verbunden, wobei die obere Oberfläche annähernd in der gleichen Ebene
wie die obere Oberfläche
des Substrats 130 liegt. Der Ausgangsanschluss 138b des
Zirkulatorelements 138 ist mittels des Verbindungsleiters 145 mit
einem ebenfalls von der obe ren Oberfläche des Zirkulatorelements 138 kommenden
Leiter der gedruckten Leiterplatte verbunden.
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Obwohl
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel der
bandförmig
ausgebildete Verbindungsleiter zur Verbindung mit sämtlichen
Anschlüssen
des Zirkulatorelements 138 verwendet wird, kann ein anderes Verbindungsmittel,
wie beispielsweise eine flexible gedruckte Leiterplatte, verwendet
werden.
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Der
anregende Permanentmagnet 140 ist auf dem Zirkulatorelement 138 befestigt.
Die gesamte Richtungs-Isolatorvorrichtung
ist von einem metallischen Gehäusebauteil 141 mit
hoher magnetischer Permeabilität
abgedeckt, und die metallische Jochplatte 142 mit hoher
magnetischer Permeabilität
ist mit der unteren Oberfläche
der Richtungs-Isolatorvorrichtung verbunden, so dass das Gehäusebauteil 141 und
die Platte 142 einen geschlossenen Magnetfeldlinienkreis
ausbilden.
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Daher
ist es gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
möglich,
durch Vereinigung der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und des Richtungs-Isolatorelements
in einen einzigen Körper
die Größe der Richtungs-Isolatorvorrichtung
zu verringern, ohne die Dicke der Richtungs-Isolatorvorrichtung
in größerem Umfang
zu ändern.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
dient das metallische Gehäusebauteil 141,
das zum geschlossenen Magnetfeldlinienkreis beiträgt, zusätzlich als Abschirmgehäuse des
leistungsverstärkenden MMIC-Chips 131.
Es ist jedoch ebenfalls möglich,
lediglich das Richtungs- Isolatorelement
mit dem Metallgehäuse
mit hoher magnetischer Permeabilität zu umschließen und
getrennt davon ein zusätzliches Abschirmgehäuse für den leistungsverstärkenden MMIC-Chip 131 zur
Verfügung
zu stellen.
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Weitere
Aufbaumöglichkeiten
dieses Ausführungsbeispiels
entsprechen annähernd
denen der in den 3, 5a, 7, 8a und 8b gezeigten
Ausführungsbeispiele.
Auch die Betriebsweise und die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels
sind die Gleichen wie die der in den 3, 5a, 7, 8a und 8b gezeigten
Ausführungsbeispiele.
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In
diesem Ausführungsbeispiel,
sowie bei der in 10 gezeigten Modifikation, ist
es möglich, die
Impedanz des Eingangsanschlusses des Zirkulatorelements 138 zum
Empfang der Hochfrequenzleistung auf 30 Ω oder weniger, insbesondere
auf 25 Ω zu
setzen, und die Impedanz des Ausgangsanschlusses auf der Seite der
Antenne auf 50 Ω zu
setzen, was der Impedanz normaler Übertragungsleitungen entspricht.
Der innere Aufbau, die Funktionen und Vorteile des Zirkulatorelements 138 zur
Erzielung der obigen Impedanzanordnung entsprechen vollständig denen
der in 10 gezeigten Abwandlung.
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Wie
im Detail beschrieben, werden gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung
und ein Richtungs-Isolatorelement mit Hilfe von Schaltungselementen
die bei einem einzelnen dielektrischen, mehrlagigen Substrats vorgesehen
sind, und die außerdem
mit dem einzelnen dielektrischen, mehrlagigen Substrat vereinigt sind,
miteinander verbunden. Da eine Hochfrequenzausgangsstufe mit dem
einzelnen dielektrischen, mehrlagigen Substrat vereinigt wird, ist
es möglich, die
Größe und Dicke
der Hochfrequenzausgangsstufe erheblich zu verringern. Aufgrund
der Vereinigung ist es ebenfalls möglich, die Anzahl der Bauteile
zu verringern.
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Die
Richtungs-Isolatorvorrichtung mit eingebautem Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung
weist als Vorteile auf:
- (1.) Verringerung der
Befestigungsfläche
der gesamten Hochfrequenzausgangsstufe;
- (2.) Verringerung des Konstruktionsaufwandes von Kommunikationsvorrichtungen,
da der Konstrukteur einer Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise
eines Mobiltelefons oder eines mobilen Kommunikationsterminals,
nicht unabhängig
voneinander Bauteile wie beispielsweise eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und
ein Richtungs-Isolatorelement erlangen muss bzw. separat eine Impedanzanpassschaltung
zur Verbindung dieser Komponenten konstruieren muss.
- (3.) Minimierung der Schwankungen der Leistungsfähigkeit über die
gesamte Kommunikationsvorrichtung.
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Viele
sich deutlich voneinander unterscheidende Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung können
konstruiert werden, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht
von den speziellen Ausführungsbeispielen,
die in der Beschreibung dargestellt sind, beschränkt wird, sondern nur dann,
wenn dies durch die beigefügten
Ansprüche
bestimmt ist.