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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Anpassungsschaltung, mit der ein Funkfrequenzverstärker elektrisch an
eine Last angepasst werden kann, und ein Verfahren zum Anpassen
des Verstärkers
an eine Lastimpedanz bei verschiedenen Verstärkerausgangsleistungspegeln
mittels der Anpassungsschaltung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
Funkkanal ändert
sich ständig
als eine Funktion der Zeit. Zum Beispiel weil sich ein Teilnehmerendgerät bewegt,
verursachen Veränderungen
in der Mehrwegeausbreitungsumgebung Änderungen im Funkkanal. Es
ist wichtig, den Übertragungsleistungspegel
des Teilnehmerendgeräts
derart anzupassen, dass der Signalpegel für eine Basisstation ausreichend
ist, um das Signal zu empfangen und zu erfassen bzw. detektieren,
und, dass es so wenig Störung
wie möglich
für andere
Anwender des Systems verursacht. Sender verwenden Leistungsverstärker zum
Anpassen der Übertragungsleistung
an einen gewünschten
Pegel. Empfänger
verwenden Vorverstärker
zum Verstärken
der Leistung des empfangenen Signals, dass auf einem Funkkanal abgeschwächt worden
ist. Ausgabeleistungen der Verstärker
in den Teilnehmerendgeräten
und der Basisstation werden angepasst, da der Funkkanal sich ändert. Zusätzlich müssen die
Verstärker
an eine Antenne und die Betriebsumgebung der Antenne durch Inpedanzanpassung
angepasst werden. Bisher besteht die Anpassungsschaltung eines Sendeverstärkers aus
passiven Schaltelementen mit konstanten Werten. Ein Anpassungsschaltkreis
dieser Art kann in einen optimalen Zustand nur an einen vorherbestimmten
Ausgangsleistungspegel, der allgemein für den maximal Leistungspegel
ausgewählt
ist, angepasst werden. Zusätzlich,
wenn vorgesehen, dass der Sender auf jedem beliebig gewünschten
Kanal eines breiten Bandes zu arbeitet, verändert sich die optimale Anpassungseinstellung
dem Kanal entsprechend.
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Harmonische
Signale, davon insbesondere das zweite harmonische Signal, sind
in Funkfrequenzanwendungen schädlich
und die, die von Nichtlinearität
des Verstärkers
hier rühren,
senken die Effizienz des Verstärkers.
Um die Effizienz zu verbessern, besteht eine typische Lösung in
einer frequenzselektiven Schaltung, die auf die Frequenz eines gewünschten
harmonischen Signals abgestimmt ist. Sie kann durch eine einfache
LC-Schaltung (Induktivität-Kapazität) implementiert
werden, die bei der abgestimmten Frequenz eine Resonanz besitzt
und so den Signalteil kurzschließt, der die harmonische Frequenz
aufweist. Die Implementierung des Standes der Technik weist ein
Problem auf, dass darin besteht, dass um die Schaltung effizienter
zu betreiben, sie einen hohen Q-Wert, das heißt Qualitätsfaktor besitzen muss, und,
da der Q-Wert groß ist,
arbeitet die Schaltung nur auf einem engen Frequenzband optimal.
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US-Patent
5,276,912 offenbart einen Funkfrequenzleistungsverstärker mit
variabler Ausgangsleistung. Die Veröffentlichung stellt eine Vielzahl
von unterschiedlichen Alternativen vor, um eine Lastimpedanz der
Ausgangsleistung anzupassen. Die Alternativen der Lösung verwenden
zum Beispiel Schalter, die aus PIN-Dioden oder Transistoren bestehen, oder
Kapazitäten,
die durch eine Arbeitspunktspannung gesteuert werden, oder Varaktoren.
Jedoch besitzen die offenbarten Lösungen Nachteile: zum Beispiel
verursachen die verwendeten Komponenten Störungen wie zum Beispiel eine
Verzerrung, für
das Ausgangssignal. Zusätzlich,
wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird, erzeugen plötzliche,
große
Veränderungen
in der Leistung große
Spannungsveränderungen
und folglich müssen
empfindliche Komponenten mit verschiedensten Lösungen geschützt werden.
Keinesfalls stellt die Veröffentlichung
eine Lösung
für das
Problem der verringerten Verstärkereffizienz
zur Verfügung,
die von harmonischen Signalen herrührt.
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Mikroelektromechanische
MEMS (Mikroelektromechanische System)-Komponenten sind kürzlich entwickelt worden. Im
Allgemeinen werden mikroelektromechanische (MEMS)-Komponenten auf einem
Halbleitersubstrat bzw. Halbleiterträger wie zum Beispiel Silikon
(Si) oder Galiumarsenit (GaAs) hergestellt, da es auf diese Weise
möglich
ist, sie mit herkömmlichen
Halbleiterkomponenten zu integrieren, wie die Herstellungstechnologie
fortschreitet. Es ist außerdem
möglich,
mikroelektromechanische (MEMS)-Komponenten auf einem die lektrischen
Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, herzustellen. Die MEMS-Komponenten besitzen
einen Aufbau, der wenigstens teilweise vom Grundmaterial entfernt liegt,
typischerweise eine Brücke ähnliche
einer Membran, die den Stromkreis bzw. Schaltkreis der Komponente öffnet oder
schließt.
Die Brücke
wird mittels einer Steuerspannung in Ein/Aus-Zustände gesteuert.
Die Steuerspannung wird an das Halbleitersubstrat an eine leitfähige Schicht
angelegt, die durch Abscheidung erhalten wurde, wobei die Schicht
eine oder mehrere Elektroden bildet. Die Elektrode ist unter der
Brücke
angeordnet und daher kann die Position der Brücke gesteuert werden: Wenn
die Brücke
die Elektrode berührt,
ist der Strom- bzw. Schaltkreis geschlossen und wenn die Brücke die
Elektrode nicht berührt,
ist der Strom- bzw. Schaltkreis offen. Wenn es eine isolierende
Schicht oben auf der Elektrode gibt, hat die Brücke keinen galvanischen Kontakt
zur Elektrode. Damit wird wenigstens für Gleichstrom kein geschlossener
Strom- bzw. Schaltkreis
bereitgestellt. Die Kapazität
zwischen der Brücke
und der Elektrode ist dann groß. Mittels
MEMS-Technologie hergestellte Komponenten wurden überwiegend
in Schreibköpfen
von Tintenstrahldruckern und Sensoren, wie zum Beispiel in Auslösemechanismen
von Airbags in Fahrzeugen, verwendet. Funkfrequenz- bzw. RF-Anwendungen nutzen überwiegend
auf Grund der Platzersparnis passive durch MEMS-Technologie hergestellt
Komponenten.
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US-Patent
5,880,921 offenbart eine MEMS-geschaltete Kondensator-Bank zur Impedanzanpassung
einer Last an einen RF-Verstärker.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Ausstattung,
die das Verfahren implementiert zur Verfügung zu stellen, sodass ein Funkfrequenzverstärker an
einen optimalen Zustand bei einer Vielzahl von unterschiedlichen
Leistungspegeln und Betriebsfrequenzen angepasst werden kann.
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Die
Erfindung betrifft eine Anpassungsschaltung zum Anpassen des Verstärkers an
eine Lastimpedanz bei verschiedenen Ausgangsleistungspegeln des
Verstärkers,
wobei der Anpassungsschaltkreis einen oder mehreren LC-(Schalt)-Kreise,
das heißt einen
elektrischen Schaltkreis bestehend aus wenigstens einer Spule und
wenigstens einem Kondensator zum Abstimmen harmonischer Signale,
die von Nichtlinearitäten
des Verstärkers
herrühren,
bestehen. Bei der Anpassungsschaltung der Erfindung ist wenigstens
eine LC-Schaltkreiskondensator ein anpassbarer mikroelektromechanischer
(MEMS)-Kondensator, wobei der LC-Schaltkreis
eine Schnittstelle zum Empfangen des Steuersignals, dass die Kapazität des mikroelektromechanischen
(MEMS)-Kondensators anpasst, umfasst, wobei das Steuersignal die Kapazität des mikroelektromechanischen (MEMS)-Kondensators derart
anpasst, dass der LC-Schaltkreis bei der Frequenz jedes abzustimmenden
harmonischen Signals eine Resonanz aufweist.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Anpassen des Verstärkers an eine Lastimpedanz
mit einer Anpassungsschaltung bei verschiedenen Ausgangsleistungspegeln
des Verstärkers, wobei
die Anpassungsschaltung einen oder mehrere LC-Schaltkreise umfasst,
das heißt
einen elektrischen Schaltkreis umfassend bestehend aus wenigstens
einer Spule und wenigstens einem Kondensator zum Abstimmen harmonischer
Signale, die von Nichtlinearitäten
des Verstärkers
herrühren.
Im erfindungsgemäßen Verfahren
werden harmonische Signale mit einem LC-Schaltkreis abgestimmt,
wobei der LC-Schaltkreis wenigstens einen anpassbaren mikroelektromechanischen
(MEMS)-Kondensator besitzt, wobei Steuersignale empfangen werden,
die die Kapazität
des mikroelektromechanischen (MEMS)-Kondensators über eine
Schnittstelle im LC-Schaltkreis anpassen, wobei die Kapazität des mikroelektromechanischen
(MEMS)-Kondensators wenigstens
mit wenigstens einem Steuersignal derart angepasst wird, dass der
LC-Schaltkreis bei der Frequenz des abzustimmenden harmonischen
Signals eine Resonanz aufweist.
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Die
Erfindung basiert auf der Idee, dass anpassbare, mikroelektromechanische
(MEMS)-Kondensatoren in Funkfrequenzverstärkern und/oder damit verschalten
LC-Schaltkreisen eingesetzt werden, wobei sie zum Abstimmen harmonischer
Signale vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, die
Effizienz bei der Energieübertragung
vom Verstärker auf
die Lastimpedanz entsprechend dem Schwanken der Ausgangsleistung
und der Betriebsfrequenz des Verstärkers zu optimieren.
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Mehrere
Vorteile werden mit dem Verfahren und dem System der Erfindung erreicht.
Durch das Verfahren und System gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zum Anpassen einer Anpassungsschaltung eines Funkfrequenzverstärkers ist
es möglich,
die optimale Lastimpedanz des Verstärkers an die Lastimpedanz entsprechend
den Veränderungen
in der Ausgangsleistung und Betriebsfrequenz anzupassen. Dank der
Anpassbarkeit ermöglicht
das Verfahren und System eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung
zum Abstimmen harmonischer Signale eine genauere und schnellere Anpassung
an die betroffene harmonische Frequenz zu erreichen.
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Die
MEMS-Kondensatoren sind besonders linear soweit es ihre elektrischen
Eigenschaften anbelangt, da sie keine P/N-Schnittstelle (Schnittstelle positiver
und negativer Ladungsträger)
besitzen und daher keine für
Halbleiterkomponenten typische Nichtlinearitäten erzeugen, wie zum Beispiel
P/N-Dioden und FET (Feldeffekttransistor)-Komponenten. Eine Nichtlinearität der Komponente
ist schädlich,
da sie Signalverzerrungen hervorruft. Zusätzlich tolerieren die MEMS-Kondensatoren gut
große
Spannungsänderungen
und besitzen eine gute AC-Spannungstoleranz,
sodass es weniger getrennter Komponenten oder dem Schutz von Schaltungen
gegen Spannungsspitzen bedarf. Darüber hinaus sind Verluste der
MEMS-Kondensatoren sehr niedrig und ihr Wartungszyklus ist verglichen
mit MEMS-Schaltern bemerkenswert lang.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung in größerem Detail im Zusammenhang
mit bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in
denen
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1 ein
Beispiel eines Telekommunikationssystems veranschaulicht;
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2 einen
Aufbau eines Teilnehmerendgeräts
in einer vereinfachten Darstellung zeigt;
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3a bis
c Beispiele des Aufbaus und des Aufbaus mikroelektromechanischer
(MEMS)-Kondensatoren des Standes der Technik veranschaulichen;
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4a bis
b ein Beispiel eines MEMS-Kondensators des Ein/Aus-Typs, der in einer
Anpassungsschaltung verwendet wird, veranschaulichen;
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5 ein
Beispiel eines abstimmbaren MEMS-Kondensators veranschaulicht, der
in einer Anpassungsschaltung verwendet wird;
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6 ein
Beispiel eines LC-Schaltkreises im Zusammenhang mit einer Anpassungsschaltung
veranschaulicht;
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7 Verfahrensschritte
der Implementierung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigt,
wobei ein Funkfrequenzverstärker
an eine Lastimpedanz bei einer gewünschten Frequenz angepasst
wird; und
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8 Verfahrensschritte
der Implementierung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines anpassbaren
Abstimmungsverfahrens für
harmonische Signale zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 veranschaulicht
in vereinfachter Weise ein digitales Datenübertragungssystem, auf das die
erfindungsgemäße Lösung angewendet
werden kann. Es betrifft einen Teil eines zellularen Funksystems,
der eine Basisstation 104, die mit Teilnehmerendgeräten 100 und 102,
die feste Endgeräte,
Endgeräte
in einem Fahrzeug oder tragbare Endgeräte sein können, kommuniziert 108 und 110.
Sende-/Empfänger
der Basisstation 104 besitzen eine Verbindung zu einer
Antenneneinheit, die die Funkverbindung zu den Teilnehmerendgeräten 100, 102 umsetzt.
Die Basisstation 104 kommuniziert weiter mit eine Basisstationssteuerung 106,
die die Verbindungen der Endgeräte 100, 102 zu
anderen Stellen im Netzwerk oder zu einem öffentlichen leitungsvermittelten
Telefonnetzwerk schaltet bzw. vermittelt. Die Basisstationssteuerung 106 steuert
eine Vielzahl von Basisstationen 104, die mit ihr in einer
zentralisierten Weise kommunizieren. Eine Steuereinheit, die sich
in der Basisstationssteuerung 106 befindet, führt Anrufsteuerung,
Mobilitätsverwaltung
bzw. Mobilitätsmanagement,
Sammeln von statistischen Daten und Signalisierung durch.
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2 veranschaulicht
ein Funksystemendgerät,
das grundsätzlich
Funkfrequenzverstärker
verwendet. Sendeverstärker
werden im Allgemeinen Leistungs verstärker genannt und Empfängerverstärker werden
Vorverstärker
genannt. Der Sender des Teilnehmerendgeräts und der Sender des Funksystemnetzwerkteils
führen
teilweise dieselben Aufgaben aus. Entsprechend führen der Empfänger des Teilnehmerendgeräts und der
Empfänger
des Funksystemnetzwerkteils teilweise dieselben Aufgaben aus. Der
Funksystemnetzwerkteil umfasst außerdem Leistungsverstärker und
Vorverstärker.
Das Teilnehmerendgerät
kann beispielsweise ein tragbares Telefon oder ein Mikrocomputer
sein, ohne jedoch darauf beschränkt
zu sein. Das beschriebene Endgerät
umfasst eine Antenne 200, mittels der Signale gesendet und
empfangen werden. Das System kann außerdem getrennte Antennen für Sender
und Empfänger besitzen
und entsprechend wird kein Duplex-Filter für die Trennung der Sende-Signale
und Empfangs-Signale benötigt.
Das Endgerät
kann außerdem
eine Vielzahl von Antennen oder ein Mehrantennensystem umfassen.
Das modulierte Signal wird auf der Senderseite des Endgeräts durch
einen Leistungsverstärker 202 verstärkt. Leistungsverstärker 202 werden
in verschiedensten elektronischen Geräten verwendet, wie zum Beispiel
Funkgeräteanwendungen.
Die Funktion des Leistungsverstärkers 202 besteht
darin, die Leistung des Eingangssignals zu verstärken, um für die Last ausreichend zu sein.
In Sendern werden die Leistungsverstärker 202 im Allgemeinen
verwendet, um ein besonders schwaches, zu übertragendes Signal auf einen
ausreichenden Übertragungsleistungspegel
zu verstärken.
In den Empfängern
werden die Vorverstärker 206 verwendet,
um das empfangene Signal, das auf dem Funkweg abgeschwächt wurde,
auf einen ausreichenden Leistungspegel zu verstärken. Im allgemeinen müssen der Leistungsverstärker 202 und
der Vorverstärker 206 auf
ihre Betriebsumgebung mittels verschiedener Schaltungslösungen angepasst
werden, deren Entwurf, das heißt
Auswahl von Komponententypen und Anzahl sowie Kopplungsarten, von
der jeweiligen bestimmten Anwendung abhängt. Zusätzlich können außerdem andere Signalverarbeitungsfunktionen, wie
zum Beispiel Aufwärtsmischen
(upmixing) und Abwärtsmischen
(downmixing) des Signals auf die gewünschte Frequenz, wie im Beispiel
der 2, zu dem Leistungsverstärker 202 und dem Vorverstärker 206 zur
Verstärkung
des Signals hinzugefügt
werden.
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Aufwärtsmischen
kann außerdem
in einem Modulator 204 durchgeführt werden. Nach dem Aufwärtsmischen,
wird das Signal an eine Antenne 200 angelegt. Im Beispiel
der 2 umfasst der Leistungsverstärker 202 außerdem eine
Verstär keranpassungsschaltung.
Das Steuersignal der Anpassungsschaltung ist 220. Es kann
ein oder mehrere Steuersignale 220 geben. Die Kapazität der anpassbaren
Kondensatoren der Verstärkeranpassungsschaltungen
wird mittels des Steuersignals zur Anpassung des Verstärkers an
die Last, das heißt
im Sender an die Antenne(n), angepasst. Der Verstärker muss
so angepasst werden, dass das Signal, wenn es verstärkt wird,
nicht verzerrt wird, da, wenn das Signal verzerrt wird, das Risiko
besteht, dass Informationsinhalte des Signals verändert werden.
Das Endgerät
umfasst außerdem
einen Modulator 204, der den Träger mit einem Datensignal mit
gewünschter Information
entsprechend der im ausgewählten
Modulationsverfahren moduliert. Die Empfängerseite des Endgeräts umfasst
außerdem
einen Verstärker 206,
der das Signal, das von der Antenne kommt, verstärkt. Der Verstärker des
Empfängers
wird im Allgemeinen Vorverstärker
genannt. Der Vorverstärker kann
außerdem
eine Anpassungsschaltung umfassen oder eine Anpassungsschaltung
kann damit verbunden sein. Im Beispiel der Figur wird das empfangene
Signal außerdem
im Vorverstärker 206 auf
eine ausgewählte
Zwischenfrequenz oder direkt in das Basisband abwärtsgemischt
bzw. heruntergemischt. Im Empfänger
kann das Signal außerdem
in einem Demodulator 208 heruntergemischt werden. Der Demodulator 208 demoduliert
das empfangene Signal, sodass das Datensignal von dem Endgerätträger unterschieden
werden kann.
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Das
Teilnehmerendgerät
umfasst außerdem einen
Steuerblock 216, der den Betrieb der unterschiedlichen
Endgeräteteile
steuert und notwendige Maßnahmen
ausführt,
um die Daten, die durch die Sprache des Verwenders oder den Verwender
erzeugt wurden, zu verarbeiten, zum Beispiel einen DSP (Digitale
Signalverarbeitung bzw. Digital Signal Processing), einen D/A-Umwandlung
und eine Filterung. Der Steuerblock 216 kann außerdem einen
separaten D/A-Wandler 309 oder
Elektroden 303, 303A, 303B direkt steuern.
Der Steuerblock führt
außerdem
sowohl Codierung als auch Decodierung durch, wie zum Beispiel Kanal-
und Sprachcodierung. Zusätzlich,
wenn ein System mit gespreiztem Spektrum wie zum Beispiel UMTS (Universal
Mobil Telecommunication System) verwendet wird, steuert der Steuerblock 216 außerdem die
Spreizung des Signalspektrums auf ein Breitband zur Übertragung mittels
eines pseudozufälligen
Spreizcodes und Entspreizung des empfangenen Signals mit der Absicht
der Erhöhung
der Kanalkapazität.
Die tatsächliche
Spreizung des Spektrums findet üblicherweise nach
der Modulation und die Entspreizung vor der Demodulation statt.
Der Steuerblock 216 passt außerdem das übertragene Signal und die Signalisierungsinformationen
entsprechend dem Luftschnittstellenstandard des verwendeten Systems
an. Der Steuerblock 216 steuert den Betrieb der anpassbaren
Verstärker,
sodass die Signalübertragungsleistung
für den
Funkweg passend und der Pegel des empfangenen Signals für eine Erfassung
bzw. Deduktion ausreichend ist. Messungen der Steuereinheit 216 der
durch den Funksystemnetzwerkteil übertragenen Signalen, wie zum
Beispiel Bitfehlerratenmessungen, Verzögerungsschätzung und Leistungsmessungen,
werden zur Anpassung der Signalleistung auf einen ausreichenden
Pegel genutzt. Software, die den Betrieb des Endgeräts steuert,
wird im Steuerblock 216 ausgeführt.
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Zusätzlich umfasst
das Endgerät
einen Speicher 218, der Software umfasst, die zum Beispiel
den Betrieb des Endgeräts
steuert.
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Die
oben beschriebenen Endgerätefunktionen
können
auf verschiedenste Weisen beispielsweise mittels Software die durch
einen Prozessor ausgeführt
wird, oder mit Ausstattungsimplementierung, wie zum Beispiel einer
Logik, die aus getrennten Komponenten aufgebaut ist, oder einem
ASIC (Application Specific Integrated Circiut), umgesetzt werden.
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Die
Endgeräteanwenderschnittstelle
umfasst einen Lautsprecher oder ein Ohrstück 210, ein Mikrophon 212,
eine Anzeige 214 und möglicherweise
ein Tastenfeld (Keypad), die mit dem Steuerblock 216 kommunizieren.
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Die
MEMS-Technologie des Standes der Technik ermöglicht eine schnelle Herstellung
von Kondensatoren, die in einem großen Wertebereich anpassbar
sind und die außerdem
einen guten G-Wert, das heißt
Qualitätsfaktor
besitzen. 3a bis c zeigen Beispiele für den Aufbau
und Betrieb eines mikroelektromechanischen (MEMS)-Kondensators mittels
vereinfachter schematischer Ansichten. Es sei angemerkt, dass die
Komponenten außerdem andere
strukturelle Teile bzw. Bauteile, wie zum Beispiel eine Vielzahl
von Steuerelektroden oder Kontaktflächen zur Bereitstellung von
RF-Verbindungen, enthalten können. 3a bis
b zeigen einen vereinfachten MEMS-Kondensator des Ein/Aus-Schalttyps. Der
MEMS-Kondensator besitzt eine Elektrode 302, die auf einer
Halbleiter scheibe 300 vorbereitet wurde und die Oberfläche der
Elektrode besteht aus isolierendem Material. Die überwiegend
verwendeten Halbleitermaterialien sind Silizium (Si) oder Galiumarsenit
(GaAs). Oben auf der Elektrode gibt es im Allgemeinen eine membranähnliche
Struktur 308, die aus einem leitfähigem Material, typischerweise
Metall, wie zum Beispiel Aluminium hergestellt ist. Diese Membran 308 bildet
eine brückenähnliche
Struktur bzw. hat einen brückenähnlichen
Aufbau, der entweder an beiden Enden oder nur an einem Ende mit
einer dickeren Metallschicht 304, 306 verbunden
ist, die sich auf Massepotenzial (Ground) befindet. Ein Luftspalt
zwischen der Elektrode 302 und der Membranbrücke 308 bestimmt
die Kapazität
im Blockierzustand des MEMS-Kondensators, das heißt eine Aus-Kapazität. Wenn
kein Spannungspotenzial an die Komponente geschaltet ist, hält die Zugspannung der
Membranbrücke 308 diese
oben von der Elektrode 303 weg. Wenn eine DC-Spannung an
die Elektrode 302 unter der Brücke 308 geschaltet
wird, werden positive und negative Ladungen in der Elektrode 302 auf
der Oberfläche
der Membranbrücke 308 gebildet.
Wenn die elektrische Spannung ausreichend ist, berührt die
Membranbrücke 308 die
Elektrode 302. So bestimmt das Isolationsmaterial der Oberfläche der
Elektrode 302 die Kapazität im Durchgangszustand des
MEMS-Kondensators, das heißt
die Ein-Kapazität. Da es
Isolationsmaterial auf der Oberfläche der Elektrode gibt, berührt die
Brücke
dieses Isolationsmaterial, nicht die Elektrode selber, sodass die
Brücke
keinen galvanischen Kontakt mit der Elektrode besitzt. 3c zeigt
eine vereinfachte strukturelle Ansicht des Betriebs eines MEMS-Kondensator, bei
dem der Kapazitätswert
einen bestimmten Wertebereich angepasst werden kann. In diesem Fall
ist es möglich,
verschiedene Zwischenkapazitätswerte
zwischen den Extremzuständen
der 3a bis b durch Steuern der Größe der DC-Spannung, die an
die Elektrode 302 angelegt wird, und so des Abstands zwischen
der Membran 308 und der Elektrode, zur Verfügung zu
stellen. Hilfselektroden 303A, 303B, die im Wesentlichen
auf dieselbe Weise wie die Elektrode arbeiten, können angeordnet werden, um
die Elektrode 302 zu unterstützen. Jede Hilfselektrode 303A, 303B ist
in vorteilhafterweise direkt mit dem Ausgangssignal des Steuerblocks 216 oder
alternativ mit einem D/A-Wandler 309, der durch den Steuerblock 216 gesteuert
wird, verbunden. Die Veröffentlichung „International
Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering" John Wiley & Sons, Inc., CAE
9: 362–374,
1999 stellt weitere Informationen über MEMS- Kondensatoren zur Verfügung. Diese
Veröffentlichung
wird hier als Bezug aufgenommen.
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4a bis
b zeigt ein einfaches Beispiel des anpassbaren MEMS-Kondensators,
der zur Anpassung eines Funkfrequenzverstärkers an eine Lastimpedanz
verwendet wird. In der dargestellten Lösung kann der Verstärker an
zwei unterschiedliche Impedanzbeziehungen Zpa1/ZLast Zpa2/ZLast angepasst werden, die relativ zu zwei
unterschiedlichen Ausgangsleistungspegeln sind. Zpa1 412 ist
die optimale Lastimpedanz des Verstärkers an einem Knoten 401,
wenn die Ausgangsleistung hoch ist, zum Beispiel, wenn Zpa1 ein Ώ ist. Entsprechend ist Zpa2 400 die optimale Lastimpedanz
des Verstärkers
an dem Knoten 401, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist.
Eine niedrige Ausgangsleistung ist zum Beispiel um 10 dB niedriger
ist als eine hohe Ausgangsleistung, wobei die optimale Lastimpedanz
zum Beispiel 10-fach, in diesem Beispiel 10 Ώ sein kann, wenn die DC-Versorgungsspannung
des Verstärkers
konstant ist, wie es typischerweise in Teilnehmerendgeräten eines
zellenförmigen
Funksystems ist. ZLast ist eine Lastimpedanz 410,
die in diesem Beispiel 50 Ώ beträgt. Falls
die Werte der Spulen 402 und 406 und der Kondensatoren 404 und 408 geeignet
ausgewählt
sind, und wenn der Kondensator 404 ein Ein/Aus-MEMS-Kondensator,
wie in den 4a bis b, ist, können die
Impedanzanpassungen durch Auswahl des Zustands des Kondensators 404 entsprechend
umgesetzt werden. Der Ein-Zustand des MEMS-Kondensators besitzt eine
hohe Kapazität
und der Aus-Zustand besitzt eine niedrige Kapazität. Eine
hohe Kapazität
wird für die
Anpassung von einer Impedanz Zpa1 412 auf
eine Impedanz ZLast 410 benötigt, wodurch
das Impedanzverhältnis
hoch ist. Eine niedrige Kapazität
wird benötigt
für die
Anpassung von einer Impedanz Zpa2 400 auf
eine Impedanz ZLast 410. Es sei
angemerkt, dass in den obigen Beispiel der Kondensator 408 außerdem ein
MEMS-Kondensator sein kann und 404 ein gewöhnlicher
Kondensator oder beide Kondensatoren 404 und 408 MEMS-Kondensatoren
sein können. Es
kann ein oder mehrere Steuersignale 220 geben. Die Anzahl
der Kondensatoren, also MEMS-Kondensatoren, so wie die Anpassungsschaltungstopologie kann
abhängig
von der Anwendung variieren. Im Entwurf des Verstärkers oder
der betreffenden Schaltungen können,
wenn notwendig, andere Komponente, wie zum Beispiel Widerstände und
Transistoren außerdem
verwendet werden.
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5 zeigt
ein komplexeres Beispiel eines anpassbaren MEMS-Kondensators, der
in einem Verstärker
verwendet wird. Im Beispiel der Figur sind beide Kapazitäten 404 und 408 MEMS-Kapazitäten und
innerhalb eines bestimmten Bereiches anpassbar. Zpa, 514 ist
eine optimale Lastimpedanz des Verstärkers an einem Knoten 401.
Zpa, 514 ist eine optimale Last
des Verstärkers
an einem Knoten 401. Mittels zweier MEMS-Kondensatoren
mit weitem Anpassungsbereich ist es möglich, mehrere Impedanzwerte
und außerdem
Blindimpedanzen anzupassen. Es ist außerdem möglich MEMS-Kondensatoren des Ein/Aus-Typs
zu kombinieren und einen weiten Anpassungsbereich in der gleichen
Anwendung zu haben. Die Anzahl der Komponenten sowie die Topologie
der Anpassungsschaltung kann außerdem
abhängig
von der Anwendung variieren. Im Entwurf des Verstärkers oder
der betreffenden Schaltungen können,
wenn notwendig, andere Komponenten, wie zum Beispiel Widerstände und
Transistoren außerdem
verwendet werden. Ein Zwei-Zustands-Ein/Aus-Kondensator stellt eine
größere Differenz
zwischen Extremwerten, das heißt
eine Differenz in der Kapazität
zwischen dem Ein/Aus-Zuständen,
zur Verfügung
als ein Kondensator, der an mehrere unterschiedliche Zustände anpassbar
ist. Welcher Kondensatortyp ausgewählt wird, hängt von der Anwendung ab: Wird
eine große
Differenz in der Kapazität
oder eine Vielzahl an unterschiedlichen Kapazitätswerten benötigt. Es
ist außerdem
möglich,
verschiedene Arten im selben Verstärker oder der betroffenen Schaltung
zu kombinieren.
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Obgleich
die Anpassung des Funkfrequenzverstärkers sich zufällig ändern kann,
bleibt jedoch die Frequenz des verwendeten Kanals fest. Die Steuerung 216 mittels
der Hilfselektrode 303A steuert der D/A-Wandler 309 die
Grundkapazität
des MEMS-Kondensators so, das sie geeignet ist. 3c zeigt
außerdem
eine zweite vorteilhafte Implementierung, bei der die Steuerung 216 die
Grundkapazität
des MEMS-Kondensators für
eine benötigte
Größe mittels
Steuerbits und Hilfselektroden 303A, 303B steuert.
Mittels der Elektrode 302 wird der Funkfrequenzverstärker weiter
an andere Variablen angepasst, wie zum Beispiel der verwendeten Sendeleistung.
Durch Ändern
der Grundkapazität wenigstens
eines MEMS-Kondensators
ist es möglich,
eine optimale Anpassung in einfacher Weise unabhängig vom verwendeten Kanal
einzurichten. Diese zusätzliche
Steuerung ist insbesondere vorteilhaft in Verbindung mit Breitbandfunkfrequenzverstärkern, bei denen
der verwendete Kanal von einem breiten Frequenzband ausgewählt werden
kann.
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6 zeigt
ein Beispiel eines Verstärkers und
eines daran angeschlossenen LC-Schaltkreises, der
harmonische Signale abstimmt, das heißt ein elektrischer Stromkreisschalter
bestehend aus wenigstens einer Spule und wenigstens einem Kondensator.
Es kann einen oder mehrere LC-Schaltkreise geben. Der Verstärker erzeugt
typischerweise harmonische Frequenzen abhängig von den verwendeten Komponenten.
Die harmonischen Frequenzen, insbesondere die zweite harmonische
Frequenz, sind im Allgemeinen unerwünscht, da sie zum Beispiel
Leistungsverluste verursachen. Um die Effizienz des Verstärkers zu
verbessern, werden die harmonischen Signale oder irgendeines davon
abgestimmt. Eine typische Lösung
besteht in einem frequenzselektiven Schaltkreis, der auf die Frequenz des
zweiten harmonischen Signals abgestimmt ist. Gemäß dem Stand der Technik kann
dies durch einen einfachen LC-Schaltkreis implementiert werden, der
bei der Frequenz des zweiten harmonischen Signals eine Resonanz
besitzt und so den Teil des Signals, der die zweite harmonische
Frequenz enthält, kurzschließt. Im Allgemeinen
besteht der LC-Schaltkreis aus einer Spule und einem Kondensator,
die entweder in Serie, wie in der Fig., oder parallel geschaltet
sind. Ein Problem mit der Lösung
des Standes der Technik besteht darin, dass der Schaltkreis nur
in einem engen Frequenzbereich effizient arbeitet. Wenn ein MEMS-Kondensator
im LC-Schaltkreis verwendet wird, macht es die Anpassbarkeit möglich, einen
breiten Frequenzbereich um den harmonischen Frequenzbereich durch
elektrisches Abstimmen des Schaltkreises zu erreichen. In 6 ist
die Spule des ersten LC-Schaltkreises 600 und der anpassbare
MEMS-Kondensator
ist 602 und die Spule des zweiten LC-Schaltkreises ist 604 und
der anpassbare MEMS-Kondensator ist 606 und das Steuersignal 220,
das sie steuert, kann dasselbe oder verschieden sein. In dieser
Anwendung ist die Verwendung eines Kondensators mit einem großen Wertebereich
im vergleich mit einem Kondensator des Ein/Aus-Typs vorteilhaft,
da der Schaltkreis bei unterschiedlichen Frequenzen genauer angepasst
werden kann, eine Resonanz zu besitzen. Wenn der MEMS-Kondensator
einen genügend
großen
Anpassungsbereich besitzt, kann der LC-Schaltkreis außerdem angepasst
werden, bei der Frequenz des dritten harmonischen Signals eine Resonanz
zu besitzen.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte zum Anpassen des Verstärkers an
eine Lastimpedanz mit einem Anpassungsschaltkreis, wenn die Ausgangsleistung
variiert. Der Anpassungsschaltkreis umfasst eine oder mehrere MEMS-Kondensatoren
und eine Schnittstelle zum Empfangen eines Steuersignals, das die
Kapazität der
MEMS-Kondensatoren steuert. Das Verfahren beginnt ab Block 700.
In Block 701 wird die Grundkapazität des MEMS-Kondensators für einen verwendeten Kanal geeignet
angepasst. Als nächstes
wird in Block 702 die Kapazität des mikroelektromechanischen
(MEMS)-Kondensators
der Anpassungsschaltung so angepasst, dass der Verstärker optimal
für jeden
einzelnen Ausgangsleistungspegel arbeitet. Die Anpassung ist in
ihrer Natur wiederholbar, das heißt gemäß Pfeil 703 wird der
Betrieb des Blocks 702 wiederholt. Sobald die Kapazität des MEMS-Kondensators
angepasst wird, da die Ausgangsleistung sich ändert, wird erreicht, dass
der Verstärker
in einem großen
Leistungsbereich optimal arbeitet. Die anpassbaren MEMS-Kondensatoren können Kapazitäten des
Ein/Aus-Typs sein, oder innerhalb eines gegebenen Wertebereichs
anpassbar sein. Die Anpassungsschaltung kann nur MEMS-Kondensatoren
eines Typs oder verschiedenen beide Komponententypen verwendende
Kombinationslösungen
verwenden. Der Pfeil 704 deutet die Wiederholung des Verfahrens
zu jedem Zeitpunkt, in dem die Ausgangsleistung sich ändern, an.
Die Durchführung
des Verfahrens endet im Block 706.
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8 zeigt
ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte des Abstimmens der harmonischen
Signalfrequenzen. Die Durchführung
des Verfahrens beginnt am Block 800. Als nächstes in
Block 802 werden die harmonischen Signale mit einem LC-Schaltkreis
abgestimmt, der ein oder mehrere MEMS-Kondensatoren umfasst. In
Block 804 wird ein Steuersignal, dass die Kapazitäten der
MEMS-Kondensatoren steuert, über eine
Schnittstelle im LC-Schaltkreis empfangen. Schließlich in
Block 806 wird die Kapazität des MEMS-Kondensators so
angepasst, dass der LC-Schaltkreis bei der Frequenz des betroffenen
harmonischen Signals eine Resonanz besitzt. Die Durchführung des
Verfahrens endet im Block 808. Pfeil 810 deutet
die Wiederholung des Verfahrens an, sobald sich die Frequenz des
harmonischen Signals verändert.
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Obgleich
die Erfindung oben mit Bezug auf das Beispiel der beigefügten Zeichnungen
beschrieben worden ist, ist es klar, dass die Erfindung nicht hierauf
beschränkt
ist, wobei der Bereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.