DE60034421T2

DE60034421T2 - Isolator mit eingebauter leistungsverstärker

Info

Publication number: DE60034421T2
Application number: DE60034421T
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Kondo; Takahide Kurahashi; Shinya Nakai; Hajime Kato
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: JP3680794B2; DE60034421D1; US20010017576A1; EP1119111A4; WO2001010047A1; EP1119111A1; CN1319277A; EP1119111B1; US6462628B2

Description

Technisches Gebiet
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.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
JP-A-10 327003 offenbart einen Richtungs-Isolator, eine Verstärkervorrichtung und eine Ausgangsanpassschaltung, welche auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
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.
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
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.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Richtungs-Isolatorvorrichtung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, zur Verfügung gestellt.
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.
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.

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.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass zumindest ein Teil der Schaltungselemente auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat angeordnet ist.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Impedanz des zweiten Anschlusses kann der Impedanz einer üblichen Übertragungsleitung entsprechen.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die mit den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden, deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungsanordnung einer integrierten Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker zeigt, wie sie in 1 dargestellt ist
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch einen Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
4a ist eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen der Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt;
4b ist eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B in 4a;
5a ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch einen Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5b ist ein Ersatzschaltbild einer Induktivität und einer Kapazität (Kapazitätsbereich) des Eingangsanschlusses des Richtungs-Isolatorelements gemäß dem in 5a gezeigten Ausführungsbeispiel;
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;
5d ist ein Ersatzschaltbild des gesamten Richtungs-Isolatorelements des in 5a gezeigten Ausführungsbeispiels;
6a ist eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß dem in 5a dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt;
6b ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 6a;
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch den Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8a ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch die Struktur einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8b ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 8a;
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;
10 ist eine perspektivische Explosionsansicht zur Erläuterung des inneren Aufbaus eines Zirkulators gemäß einer Modifikation der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein Schaltbild, das die Anordnung eines Endstufenausgangstransistors einer Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und seiner nachgeschalteten Schaltung (downward circuit) gemäß der in 10 dargestellten Modifikation zeigt;
12 ist ein Schaltbild, das die Anordnung eines Endstufenausgangstransistors eines im Stand der Technik bekannten Hochfrequenzleistungsverstärkers und seiner nachgeschalteten Schaltung zeigt;
13a ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
13b ist eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B in 13a;
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.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Mobiltelefons, bei dem eine Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
7 zeigt schematisch einen Aufbau einer Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
9 stellt die Verbindungspositionen der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse des Zirkulatorelements mit den Verbindungsleitern gemäß diesem Ausführungsbeispiel dar.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
10 zeigt als Modifikation der vorliegenden Erfindung den inneren Aufbau eines Zirkulatorelements zur Erzielung der obigen Impedanzanordnung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
14 zeigt die Verbindungspositionen der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse des Zirkulatorelements mit den Verbindungsleitern gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.

Claims

Richtungs-Isolatorvorrichtung mit einem eingebauten Leistungsverstärker, umfassend ein einzelnes, dielektrisches, mehrlagiges Substrat (30, 50, 80, 130), eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung (31, 51, 81, 131) und eine Impedanzanpassschaltung (43, 63), die jeweils mit dem dielektrischen mehrlagigen Substrat verbunden sind, sowie ein Richtungs-Isolatorelement (38-40, 58, 60, 88, 90, 138, 140), wobei die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und das Richtungs-Isolatorelement mittels der Impedanzanpassschaltung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Richtungs-Isolatorelement ein Zirkulatorelement (38, 58, 88, 138), das in einen Aufnahmebereich eingesetzt wird, der aus einem im dielektrischen, mehrlagigen Substrat ausgebildeten Durchgangsloch (37, 57, 137) oder einer im dielektrischen, mehrlagigen Substrat ausgebildete Ausnehmung (87) besteht, eingesetzt ist, und das zu dessen Verbindung mit Anschlüssen (39a, 39b, 58a, 58b) versehen ist, einen auf dem Zirkulatorelement angeordneten Permanentmagneten (40, 60, 90, 140) sowie einen in das dielektrische, mehrlagige Substrat eingebetteten und zur Kontaktierung mit den Anschlüssen verbundenen Kapazitätsbereich aufweist, wobei die Richtungs- Isolatorvorrichtung ein gemeinsames, einzelnes Abschirmgehäuse (41, 42, 61, 62, 91, 92, 141, 142), das aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist, aufweist, wobei das Abschirmgehäuse die Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und das Richtungs-Isolatorelement umhüllt und in Bezug auf das Richtungs-Isolatorelement einen geschlossenen Magnetfeldlinienkreis bildet.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei zumindest ein Teil der Impedanzanpassschaltung in das dielektrische, mehrlagige Substrat eingebettet ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei zumindest ein Teil der Impedanzanpassschaltung auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat befestigt ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Vorrichtung zusätzlich ein wärmegebendes Abstandselement (32, 52) umfasst, welches zwischen der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung und dem Abschirmgehäuse angeordnet ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Verbindungsanschlüsse einen Eingangsanschluss (39a, 58a) und einen Ausgangsanschluss (39b, 58b) umfassen, wobei der Eingangsanschluss mittels der Impedanzanpassschaltung mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung verbunden ist, und wobei die Impedanz des Eingangsanschlusses gleich der Impedanz des Ausgangsanschlusses ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Verbindungsanschlüsse einen Eingangsanschluss (39a, 58a) und einen Ausgangsanschluss (39b, 58b) umfassen, wobei der Eingangsanschluss mittels der Impedanzanpassschaltung mit der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung verbunden ist, und wobei die Impedanz des Eingangsanschlusses unterschiedlich zur Impedanz des Ausgangsanschlusses ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 6 beansprucht, wobei die Impedanz des Eingangsanschlusses niedriger als die Impedanz des Ausgangsanschlusses ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 6 beansprucht, wobei das Zirkulatorelement einen Block aus magnetischem Material (38, 58, 88, 138) und im Block aus magnetischem Material trigonomisch symmetrisch ausgebildete Innenleiter (39) aufweist, wobei die Breite des mit dem Eingangsanschluss verbundenen Innenleiters und die Breite der mit den anderen Anschlüssen verbundenen Innenleiter unterschiedlich sind.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei eine obere Oberfläche des Zirkulatorelements in der im Wesentlichen gleichen Ebene wie die obere Oberfläche des dielektrischen, mehrlagigen Substrats liegt, und wobei Anschlusselektroden der Verbindungsanschlüsse von der oberen Oberfläche des Zirkulatorelements herrühren.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Verbindungsanschlüsse einen Eingangsanschluss (39a, 58a) und einen Ausgangsanschluss (39b, 58b) umfassen, wobei eine obere Oberfläche des Zirkulatorelements in der im Wesentlichen gleichen Ebene wie die obere Oberfläche des dielektrischen, mehrlagigen Substrats liegt, und wobei Anschlusselektroden der Eingangsanschlüsse und der Ausgangsanschlüsse von der oberen Oberfläche bzw. der unteren Oberfläche des Zirkulatorelements herrühren.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Vorrichtung weiterhin eine SAW-Vorrichtung (70), die auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat befestigt ist und an einen Eingang der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung angekoppelt ist, sowie eine in das dielektrische, mehrlagige Substrat eingebettete Anpassschaltung zur Anpassung der Ausgangsimpedanz der SAW-Vorrichtung an die Eingangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung aufweist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Vorrichtung weiterhin eine SAW-Vorrichtung (70), die auf dem dielektrischen mehrlagigen Substrat befestigt ist und an einen Eingang der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung angekoppelt ist sowie eine auf dem dielektrischen, mehrlagigen Substrat befestigte Anpassschaltung zur Anpassung der Ausgangsimpedanz der SAW-Vorrichtung an die Eingangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung aufweist.