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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren
für einen
verlustarmen, rauscharmen Empfänger
für Satelliten-Sender/Empfänger und
-Empfänger.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
Radiosignalempfänger
kann in der Regel eine Verstärkerkette
mit einer Filterstufe und mit Verstärkerstufen, die das empfangene
Radiofrequenzsignal nacheinander durchläuft, einschließen. Die
Filter filtern unerwünschte
(außerhalb
des Bandes liegende) Signale und Rauschen heraus, und die Verstärker verstärken das
verbliebene Signal. Das resultierende Signal kann dann zu einem
Mischer geleitet werden, wo es abwärtskonvertiert und anschließend demoduliert
wird.
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Die
in den Empfängern
verwendeten Verstärker
tragen zur Rauschvermittlung an das gewonnene Signal bei. Das Rauschen,
das vom Verstärker dem
Signal hinzugefügt
wird, führt
zu einer Verschlechterung des Signal/Rauschen (S/N)-Verhältnisses
am Ausgang des Verstärkers.
Eine Leistungszahl für
das Maß des
Rauschens, das vom Verstärker hinzugefügt wird,
ist das Verhältnis
des Signal/Rauschen-Verhältnisses
am Eingang (S/N)IN zum Signal/Rauschen-Verhältnis am
Verstärkerausgang (S/N)OUT. Dieses Verhältnis wird allgemein als Rauschfaktor
(F) des Verstärkers
bezeichnet und wird verwendet, um die Rauschzahl (NF) entsprechend
der Formel NF = log10(F) zu berechnen, wobei F
= (S/N)IN/(S/N)OUT.
Um mit der extremen Empfindlichkeit des Hochfrequenzsignals zurecht
zu kommen, muss der Empfänger
eine sehr geringe Rauschzahl aufweisen. Sonst besteht die Tendenz zur
Verstärkung
des Rauschens, so dass es das gewünschte Signal überlagert.
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Für einen
Hochfrequenzbetrieb sind häufig rauscharme
Verstärker
gewünscht.
LNAs sind spezielle Verstärker,
die gefertigt werden, um weniger Rauschen während des Betriebs zu erzeugen.
Obwohl der LNA weniger Rauschen beisteuert, trägt er aber dennoch zum Rauschen
bei. Um die Leistung eines LNA zu optimieren, wird der LNA-Eingang in der Regel
rauschangepasst, bevor das Signal zur Verstärkung an den LNA-Eingang weitergegeben wird.
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In
den meisten Empfängern
ist die erste Stufe des Empfängers
rauschangepasst. Die Rauschanpassung wird in der Regel in der ersten
Stufe durchgeführt,
weil die erste Stufe die Rauschleistung des gesamten Empfängers dominiert.
Durch Rauschanpassung der ersten Stufe trägt somit jede folgende Stufe
weniger Rauschen bei als die vorherige Stufe. Die Rauschanpassung
der ersten Stufe ist besonders wichtig in den Hochfrequenz-Empfänger- und -Sender/Empfänger-Systemen
(z.B. in Satellitenempfängern
und -Sender/Empfängern).
In diesen Empfänger-
und Sender-/Empfängersystemen
ist die Rauschleistung von wesentlicher Bedeutung, da das empfangene
Signal in der Regel weite Strecken zurücklegt und viele Umgebungsmedien
durchquert.
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Zur
Rauschanpassung in herkömmlichen
Mikrowellenempfängern
werden häufig
Mikrostreifen oder koplanare Wellenleiter verwendet. Die Verwendung
von Mikrostreifen und koplanaren Wellenleitern hat jedoch Nachteile,
da die dielektrischen Medien in ihrer Struktur zu erheblicher Einfügedämpfung führen. Das
heißt,
es kommt zu einem beträchtlichen Stärke- (d.h.
Leistungs-) Verlust des Signals aufgrund der Verlusttangente/des
Verlustfaktors des Substrats, das für die Konstruktion des Mikrostreifens
oder der koplanaren Übertragungsleitung
verwendet wird. Insbesondere schließen Substratbeispiele, die
für die
Konstruktion des Mikrostreifens oder der koplanaren Übertragung
verwendet werden, beispielsweise Arlon 45N mit einem Verlustfaktor
von 0,025 und Rogers 4003 mit einem Verlustfaktor von 0,003 ein.
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Ein
typischer Empfänger
kann auch ein Schaltungselement einschließen, das dafür ausgelegt
ist, ein Trägersignal
zu koppeln, um bei der Aufspürung
des gewünschten
Signals zu helfen. Ein solches Schaltungselement, das allgemein
verwendet wird, ist ein Kondensator. Kondensatoren können in der
Regel zwischen Verstärkern
in einer Kette verwendet werden, um eine Wechselstromkopplung des empfangenen
Signals durch zuführen
und einen Gleichstromblock zu liefern. Die verwendeten Kondensatoren
sind in der Regel Einzelschicht-Kondensatoren, die einen hohen Q-Faktor
liefern und die in Bezug auf die Kosten des Gesamtsystems teuer
sein können.
Darüber
hinaus sind die Kondensatoren aufgrund von unterschiedlichen Herstellungsverfahrenstoleranzen
oft inkonsistent gefertigt. In Systemen, die eine erhöhte Empfindlichkeit
verlangen, wie in Hochfrequenzempfängern, führt diese Inkonsistenz im Betrieb
zu einem erhöhten
Maß an
unannehmbaren Leistungsunwägbarkeiten.
Statt Kondensatoren zum Koppeln zu verwenden, können einige Empfänger Koppler
verwenden, die weniger teuer in der Herstellung sind und die eine
höhere
Leistung bei RF- und Millimeterwellenfrequenzen liefern.
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Typische
Koppler, die verwendet werden können,
können
zwischen den aufeinander folgenden Verstärkern in der Verstärkerkette
angeordnet werden. Ein solcher Koppler, der sich im Stand der Technik
findet, ist der Mikrostreifen-Viertelwellenkoppler. Der Mikrostreifenkoppler
weist in der Regel nur eine oder zwei Erdungsebenen mit einem Leiter, der
von einer dielektrischen Schicht getragen wird, auf.
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Die
Verwendung von Mikrostreifenkopplern ist jedoch problematisch, weil
die Breite und der Abstand zwischen den Kopplungslinien weniger
als 5 mil betragen kann. Die Breite und der Abstand werden durch
die Bandbreite, die Kopplung, das Richtverhältnis und die Impedanz der
Anwendung bestimmt. Zusätzlich
ist die Entstehung von Kosten im Zusammenhang mit der Herstellung
von Platinen mit gesteuerten Impedanzlinien mit den feinen Abständen und
Breiten, die in Mikrostreifenkopplern erforderlich sind, ein Thema.
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Ein
weiterer häufig
verwendeter Koppler ist der Breitseiten-Streifenleitungskoppler.
Der Breitseiten-Streifenleitungskoppler nutzt die Breitseite von flachen
Leitern, um die Signalkopplung zu bewirken. Solche Breitseitenkoppler
sind in der Regel eine viertel Wellenlänge lang Die Breitseitenkoppler
sind in der Regel bevorzugt, da der Breitseitenkoppler zwei Erdungsebenen
und homogene Dielektrik aufweist, die die Ausbreitung im transversal-elektromagnetischen
Modus (TEM) unterstützt.
Darüber
hinaus sind die Geschwindigkeiten der ungeraden und geraden Phasen
der Ausbreitungswellen identisch, was eine gute Bandbreite, einen
guten Richtfaktor und ein gutes Stehwellenverhältnis (VSWR) ergibt.
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Die
Verwendung von Streifenleitungskopplern hat jedoch ihre Nachteile.
Erstens weist der Streifenleitungskoppler in der Regel eine höhere Einfügungsdämpfung auf
als der Mikrostreifenkoppler. Zweitens benötigt der Streifenleitungskoppler
eine mindestens vierlagige Platine (z.B. 4 Metallschichten und 3
dielektrische Schichten) und seine Herstellung ist daher kostspieliger
als die eines herkömmlichen Zweischichtkopplers
(z.B. 2 Metallschichten und eine dielektrische Schicht). Darüber hinaus
ist die Steuerung der Impedanzen der Streifenleitungskoppler bei RF-
und Mikrowellenfrequenzen extrem schwierig und zu teuer.
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Infolgedessen
wird ein verlustarmer Empfänger
benötigt,
der die Rauschleistung eines Empfängersystems erheblich verbessert.
Ein solcher Empfänger
kann ein Substrat mit einer geringeren Einfügungsdämpfung als im Stand der Technik
verwenden und kann außerdem
die Nutzung teurer Kondensatoren mit hohem Q-Faktor vermeiden, was
Zeit und Geld im Herstellungsverfahren spart.
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US-A-S
111 165 offenbart einen Koppler mit aufgehängtem Substrat bzw. Suspended
Substrate-Koppler für
den Betrieb bei Frequenzen von 26 GHz oder höher, der im Vorwärtskopplungsmodus
arbeitet. Das Koppeln wird mit steigender Frequenz besser, und eine
Kopplung, die so eng wie 2 dB ist, liefert Frequenzen von 40 bis
60 GHz. Die ersten und zweiten gekoppelten Leitungen sind Suspended
Striplines, die auf beiden Oberflächen eines Dielektrikums, das
zwischen zwei parallelen Erdungsebenen getragen wird, vorgesehen
ist. Der Abstand zwischen den gekoppelten Streifenleitungen ist
um etwa eine Größenordnung
größer als
der Abstand zwischen den gekoppelten Leitungen eines herkömmlichen Gegenrichtungskopplers,
und die Länge
der gekoppelten Abschnitte der Streifenleiter muss keine Viertel
Wellenlänge
betragen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Im
Allgemeinen schließt
ein verlustarmes Hochfrequenz-Übertragungssystem
entsprechend verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung eine
verbesserte Eingangs-Rauschanpassungsschaltung und eine verbesserte
Zwischen-Rauschanpassungsschaltung ein. Eine Eingangs-Rauschanpassungsschaltung
und eine Zwischen-Rauschanpassungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
nutzt ein Suspended Substrate, das eine erheblich geringere Einfügungsdämpfung hat
als jede andere plane Übertragungsleitung,
die sich im Stand der Technik findet. Unter Verwendung eines Suspended
Substrate entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine maximale
Leistung ab der ersten LNA-Stufe erreicht. Insbesondere verwendet die
vorliegende Erfindung eine Eingangs-Anpassungsstufe und eine Zwischen-Anpassungsschaltung
mit einem Freiraumsubstrat. Somit verwendet die vorliegende Erfindung
eine kleinere, billigere Antenne, weist eine geringere Bitfehlerrate
oder Konstellationen höherer
Ordnung für
die digitale Kommunikation auf und funktioniert bei rauem Wetter
(z.B. Regen, Schnee, Nebel, Graupelschauer usw.) zuverlässig.
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Wie
nachstehend ausführlicher
beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung eine Suspended
Substrate-Schaltungselement-Eingangsanpassung und einen Suspended
Substrate Stripline-Breitseitenkoppler, der die Funktion eines Gleichstromblocks
bei der Zwischenstufenanpassung zwischen dem ersten und dem zweiten
LNA erfüllt.
Durch die Verwendung eines Suspended Substrate bei der Eingangsanpassung
sorgt die vorliegende Erfindung für das geringste Maß an Signalverlust,
da das System dem Signalstrom nur minimalen Widerstand bietet. Durch
Verwendung eines Suspended Stripline Substrate bei der Zwischenstufenanpassung
eliminiert die Zwischenstufenanpassung praktisch jeden nachgelagerten
Rauschbeitrag durch den 1. LNA zur Gesamtrauschzahl (NF).
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In
einem Ausführungsbeispiel
verwendet das System eine Suspended Substrate-Schaltung als Eingangsrauschanpassungsschaltung.
Da, wie angegeben, in herkömmlichen
Rauschanpassungsschaltungen wegen des Verlustfaktors des verwendeten
Sub strats ein erheblicher Signalleistungsverlust stattfindet, sorgt
die vorliegende Erfindung wegen des wirksamen Verlustfaktors im
Zusammenhang mit einer Suspended Substrate-Schaltung für Leistungsvorteile gegenüber dem
Stand der Technik. Genauer liegt der Verlustfaktor einer Suspended Substrate-Schaltung
bekanntlich zwischen der Verlusttangente des freien Raums und des
Laminats, das in der Schaltung verwendet wird. Da die elektrischen
Eigenschaften der Suspended Substrate-Schaltung vom freien Raum
dominiert werden, ist ferner der Verlustfaktor des Suspended Substrate dann
näher an
dem des freien Raums. Freier Raum weist eine Verlusttangente von
null auf. Somit liegt der Verlustfaktor der Suspended Substrate-Schaltung
etwa in der Nähe
von null.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist ein Viertelwellen-Breitseitenkoppler offenbart, der wiederum
ein Suspended Substrate verwendet. Dieser Suspended Substrat-Koppler
kann in einer Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung verwendet
werden. Die Verwendung des Suspended Stripline-Breitseitenkopplers
bei der Zwischenstufen-Rauschanpassung senkt die Kosten gegenüber herkömmlichen
Kopplersystemen durch Eliminieren des Einzelschichtkondensators,
wie er herkömmlich
in Empfängersystemen
zu finden ist. Da kein Einzelschichtkondensator benötigt ist,
eliminiert die vorliegende Erfindung darüber hinaus den Herstellungsschritt,
der erforderlich ist, um den Kondensator einzubauen, wodurch die
Kosten des gesamten Empfängersystems
gesenkt werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist ein Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock offenbart, der den
vorgenannten Suspended Substrate-Koppler einschließt und außerdem eine
Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung einschließt. Die Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung
kann ähnlich
aufgebaut sein wie die oben beschriebene Eingangsstufenschaltung.
Wenn in Kombination mit dem Suspended Substrate-Koppler verwendet, wird daher die Gesamtleistung
des Zwischenstufen-Rauschanpassungsblocks gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
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Diese
Merkmale und andere Vorteile des Systems und des Verfahrens, ebenso
wie der Aufbau und der Betrieb verschiedener Ausführungsbeispiele des
Systems und des Verfahrens sind nachstehend beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
begleitende Zeichnung, worin gleiche Nummern gleiche Elemente bezeichnen,
stellen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar, und dienen zusammen mit der Beschreibung
der Erklärung
der Grundlagen der Erfindung. In der Zeichnung:
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stellt 1 ein
Blockschema eines Ausführungsbeispiels
eines Front End-Hochfrequenzempfängers
dar, der eine Suspended Substrate-Eingangs-Rauschanpassungsschaltung
entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet;
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ist 2 eine
perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine Rauschanpassungsshaltung des
Standes der Technik, die für
Hochfrequenzübertragungen
verwendet werden kann;
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ist 3 eine
perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine Eingangsrauschanpassungsschaltung
entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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stellt 4 ein
Blockschema eines anderen Ausführungsbeispiels
für einen
Front End-Hochfrequenzempfänger
dar, der einen Suspended Substrate-Eingangsrauschanpassungs-Breitseitenkoppler entsprechend
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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stellt 5 ein
Blockschema eines anderen Ausführungsbeispiels
eines Front End-Hochfrequenzempfängers
dar, der einen Suspended Substrate-Breitseitenkoppler entsprechend
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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ist 6A eine
Seitenansicht, im Querschnitt, eines Suspended Substrate-Breitseitenkopplers
entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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ist 6B eine
Front- (oder Rück-)
Ansicht, im Querschnitt, eines Suspended Substrate-Breitseitenkopplers
entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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ist 7 eine
graphische Darstellung einer Frequenzantwort eines Front End-Empfängers, der Suspended
Substrate-Anpassungsschaltungen und einen Einzelschichtkondensator
entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet; und
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ist 8 eine
graphische Darstellung einer Frequenzantwort eines Front End-Empfängers, der Suspended
Substrate-Anpassungsschaltungen und einen Suspended Substrate-Breitseitenkoppler
entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Der
Gegenstand der Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung im
Zusammenhang mit komplexen mechanischen und elektrischen Systemen,
die Hochfrequenz-Radiokommunikation
verwenden. Infolgedessen wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in diesem Kontext beschrieben. Es sei
jedoch klargestellt, dass diese Beschreibung keine Beschränkung der
Verwendung oder der Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung darstellt, sondern statt dessen nur angegeben
wird, um eine erschöpfende
und vollständige
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform zu ermöglichen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf einen Empfänger beschrieben
wird, sei ferner klargestellt, dass die Erfindung Empfänger, Sender/Empfänger, Sender
und jedes solche System, in dem es notwendig sein kann, ein Hochfrequenzsignal
zu empfangen oder zu senden, einschließt.
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1 stellt
ein Front End-Empfängersystem 100 entsprechend
verschiedenen Aspekten der Erfindung dar. Das System 100 schließt eine
Antenne 102 zum Empfangen eines Hochfrequenz-Radiosignals
und einen Eingangs-Rauschanpassungsblock 104 für die Impedanzanpassung
des Signals, bevor das Signal von einem ersten rauscharmen Verstärker (LNA) 108 verstärkt wird,
ein. Der LNA 108 ist mit einem Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 110 verbunden,
der weiter mit einem zweiten LNA 116 verbunden ist.
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Bei
der Antenne 102 kann es sich um jede Antenne handeln, wie
sie in Hochfrequenz-Empfängereinheiten
zu finden sind. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen
Antenneneingang beschrieben wird, sei klargestellt, dass die Erfindung ebenso
auf jedes System anwendbar ist, das Hochfrequenzsignale empfängt oder
sendet. Ein typischer Verstärker
entsprechend der vorliegenden Erfindung kann so konstruiert sein,
dass er ein Hochfrequenz-Radiosignal empfängt und das Signal in ein elektrisches
Signal zur Verstärkung
durch einen rauscharmen Verstärker
umwandelt. Ferner kann es sich bei dem ersten LNA 108 und
dem zweiten LNA 116 um jeden geeigneten rauscharmen Verstärker handeln,
wie sie im Stand der Technik zu finden sind. Geeignete rauscharme
Verstärker
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung können beliebige Verstärker sein,
die für
die Verstärkung
schwacher elektrischer Signale, wie sie von der Antenne 102 geschickt
werden, geeignet sind. Beispielsweise kann ein typischer Verstärker zur
Verwendung mit der Erfindung als monolithische anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (z.B. MMICS LNAs) oder diskrete rauscharme
FETs integriert sein.
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Außerdem kann
es sich bei dem Einzelschichtkondensator 114 um jeden herkömmlichen Kondensator
handeln, der für
den Betrieb mit einer Mikrostreifen-Zwischenstufe für einen
Gleichstromblock konstruiert ist. Solche Kondensatoren können in
der Regel Breitbandkondensatoren sein, die eine Drahtkontaktierung
brauchen. Typische Einzelschichtkondensatoren zur Verwendung mit
einer Mikrostreifen-Zwischenstufe für Gleichstromblöcke sind bekannt
und werden als solche der Kürze
wegen nicht erörtert.
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Wie
angegeben, erhöhen
Front End-Empfänger
in der Regel den Rauschpegel in einem Signal während der Verstärkung. Ferner
können
Antennen während
der Rezeption des Hochfrequenzsignals verschiedene Umweltgeräusche aufnehmen.
Eingangs-Rauschanpassungsschaltungen
sind traditionell so entworfen, dass sie die Impedanz des Verstärkersignals
anpassen, so dass das Systemrauschen minimiert wird.
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Bekanntlich
handelt es sich bei der Eingangs-Rauschanpassungsschaltung um einen
Impedanztransformator. Das heißt,
die Eingangs-Rauschanpassungsschaltung wandelt die Systemimpedanz
in der Regel von etwa 50 Ohm in die optimale Quellimpedanz (Γopt) um. Γopt ist die
Eingangsimpedanz, wo das Verstärkerrauschen
minimiert ist.
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2 stellt
ein Beispiel des Standes der Technik für eine Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 200 dar.
Die Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 200 schließt Erdungsplatten 202,
einen Leiter 204 und ein Substrat 206 zwischen
den Erdungsplatten- 202 und Leiter- 204 Komponenten
ein. In der dargestellten Rauschanpassungsschaltung 200 des
Standes der Technik kann es sich bei dem Substrat 206 um
Silicium oder Kunststoff, Keramik/Glas, Epoxid oder dergleichen
handeln, wie sie üblicherweise
in Rauschanpassungsschaltungen des Standes der Technik (z.B. Mikrostreifen,
herkömmliche
Streifenleitung usw.) zu finden sind. Wie angegeben, geht die Übertragungsimpedanz
und die Einfügungsdämpfung der
Rauschanpassungsschaltung des Standes der Technik jedoch hauptsächlich auf den
Dämpfungsfaktor
eines Substrats zurück.
Somit erfährt
ein Empfänger,
der die Rauschanpassungsschaltung des Standes der Technik verwendet,
einen gewissen Verlust, der auf das gewählte Substrat zurückgeht.
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3 stellt
ein Ausführungsbeispiel
für eine Suspended
Substrate-Rauschanpassungsschaltung 106 entsprechend der
vorliegenden Erfindung dar. Wie gezeigt, handelt es sich bei der
Eingangs-Rauschanpassungsschaltung in dem Sinn um ein aufgehängtes Substrat,
dass das Substrat 306 zwischen dem Leiter 304 und
der unteren Erdungsplatte 302 aufgehängt ist. Das Substrat 306 kann
von ähnlicher Zusammensetzung
sein wie Substrate, die oben mit Bezug auf den Stand der Technik
beschrieben wurden. Zwischen der unteren Erdungsplatte 302 und dem
Dielektrikum 306 befindet sich freier Raum 308, der
den Übertragungsweg
der Rauschanpassungsschaltung 106 dominiert.
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Unter
aufgehängtem
Substrat ist zu verstehen, dass die elektrischen und magnetischen
Felder sich überwiegend
in Luft (z.B. freiem Raum) fortbewegen. Somit wird die elektrische
Leistung der Schaltung 106 vom freien Raum dominiert, der
ein optimales Übertragungsmedium
für RF/Mikrowellen
ist. Da freier Raum 308 eine Verlustleistung nahe null
aufweist, kann sich das empfangene Signal nahezu ohne Widerstand
durch die Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 106 fortbewegen.
Somit dient die Schaltung 106 dazu, die Einfügungsdämpfung zu
minimieren, wenn sie in der Empfängerschaltung 100 verwendet
wird, wodurch die Leistung des ersten LNA 108 maximiert
wird.
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Wie
bereits gesagt, dominiert das Rauschen der ersten Stufe der Verstärkerkette
die Rauschzahl der gesamten Empfängerschaltung,
da das Rauschen der ersten Stufe von den anschießenden Verstärkerstufen
verstärkt
werden kann. Da das Rauschen der ersten Stufe unter Verwendung der
Eingangs-Anpassungsschaltung 106 entsprechend der vorliegenden
Erfindung das Rauschen minimiert, sind infolgedessen die Rauschzahl
des Systems 100 und die Gesamtleistung des Systems 100 verbessert.
Somit sind die Übertragungsleistung
und die Einfügungsdämpfung der
vorliegenden Erfindung gegenüber
Mikrostreifen-, Streifenleitungs- und koplanaren Wellenleiter-Anpassungsschaltungen
des Standes der Technik verbessert, da die Übertragung des Signals in Schaltungen
des Standes der Technik von einem Dielektrikum dominiert wird, das
deren Leistung durch die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums
begrenzt.
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Wie
in 1 dargestellt, kann das vom 1. LNA 108 geschickte
Signal vom Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 110 empfangen
werden. Der Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 110 kann
eine Impedanzanpassung des Signals durchführen und dieses an einen Gleichstromblock schicken.
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Der
Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 110 kann ferner eine
Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 112 für die weitere
Rauschanpassung enthalten, was die Gesamtleistung des Systems 100 verbessert.
Das heißt,
obwohl die Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 106 mit
einem aufgehängten
Substrat ausgeführt
ist, kann die Leistung des Front End-Empfängers mit zusätzlicher Rauschanpassung
verbessert werden, obwohl dies nicht notwendig ist. Eine zusätzliche
Rauschanpassung kann in den folgenden Stufen des Front End-Empfängers durchgeführt werden,
um die Einfügungsdämpfung und
das Rauschen, denen jede folgende Verstärkerstufe unterliegt, zu minimieren.
Genauer trägt
jeder Verlust, der am ersten LNA auftritt, direkt zur Rauschzahl
des Gesamtsystems bei. Infolgedessen kann ein Front End-Empfänger, der
zusätzliche
Rauschanpassung verwendet, die Einfügungsdämpfung verbessern, wodurch
die Gesamtleistung des Empfängers
verbessert wird.
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Wie
mit Bezug auf einen Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 110 dargestellt,
kann die zusätzliche
Rauschanpassung nach dem (oder anschließend an den) Empfang des Signals
durch den Kondensator 114 erfolgen. In diesem Fall schließt der Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 110 eine
Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 112 ein. Die Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 112 kann ähnlich aufgebaut
sein wie eine Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 104. Das
heißt,
die Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 112 kann eine
Suspended Substrate-Rauschanpassungsschaltung sein. Somit können die
Leistung und die Einfügungsdämpfung des
Empfängers 100 weiter
verbessert werden, da das Signal, das vom Kondensator 114 geliefert
wird, relativ ungehindert durch die Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 112 laufen
kann, bevor es dem zweiten LNA 116 zur Verstärkung zur
Verfügung
steht.
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4 stellt
ein Beispiel für
einen Front End-Empfänger 400 entsprechend
der vorliegenden Erfindung dar, der eine zusätzliche Zwischenstufen-Rauschanpassung
einschließt.
Genauer schließt der
Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 410 eine optionale
Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 412 von ähnlicher
Beschreibung und Funktionsweise wie die Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 112 und
eine Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 106 ein. Die Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltung 412 kann
das verstärkte
Signal vom ersten LNA 108 empfangen und die Impedanz des
Signals anpassen, bevor das Signal vom Einzelschichtkondensator 114 empfangen wird.
Auf diese Weise durchläuft
das Signal eine zusätzliche
Impedanzanpassung während
des Zwischenstufen-Rauschanpassungsprozesses. Das Ergebnis ist,
dass der Verlust zwischen den ersten und zweiten LANs verbessert
ist und das Rauschen, das dem Empfänger 400 nachgelagert
auftritt, weniger zur Rauschzahl des gesamten Empfängers 400 beiträgt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass 4 zwar eine
Zwischenstufen-Rauschanpassung darstellt, wie sie von einem einzigen
Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock durchgeführt wird, die Erfindung jedoch
nicht darauf beschränkt
ist. Tatsächlich können bestimmte
Hochfrequenz-Übertragungsanordnungen
verlangen, dass die Zwischenstufen-Rauschanpassung in zwei oder
mehr einzelnen Zwischenstufen-Rauschanpassungsblöcken durchgeführt wird,
je nach den Größenbeschränkungen
und der Einrichtung, in der der Empfänger verwendet wird. In diesem
Fall kann jeder einzelne Rauschanpassungsblock eine oder mehrere
Zwischenstufen-Rauschanpassungsschaltungen verwenden, je nach Wunsch,
wo jede Zwichenstufen-Rauschanpassungsschaltung ähnlich aufgebaut ist wie die oben
beschriebenen Schaltungen 112 und 412.
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Wie
angegeben, schließt
der Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 410 einen Einzelschichtkondensator 114 ein,
der inkonsistenten Herstellungsergebnissen aufgrund von Herstellungstoleranzen
unterliegen kann. Das heißt,
die tatsächliche Leistung
von einem Einzelschichtkondensator zum anderen kann von Kondensator
zu Kondensator und von Hersteller zu Hersteller schwanken. Außerdem verlangt
die Einbeziehung des Einzelschichtkondensators 114 in den
Zwischenstufen-Rauschanpassungsblock 410, dass eine Platte
des Kondensators exakt auf eine RF-Spur gelegt (z.B. gelötet oder
epoxiert) wird, und dass die andere Platte des Kondensators mit
Drähten
mit einer separaten RF-Spur verbunden wird. Die Befestigung des
Kondensators an der RF-Spur auf diese Weise führt zu zusätzlichen Variationsmöglichkeiten
im Front End-Empfänger, die
die Vorhersagbarkeit und den Produktionsertrag des Systems verringern.
Somit eliminiert ein Front End-Empfänger, der die Notwendigkeit
für den
Einzelschichtkondensator den Schritt der Befestigung des Kondensators
abschafft, die Kosten, die dafür anfallen.
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5 stellt
ein Front End-Empfängersystem 500 entsprechend
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, wobei der Front End-Empfänger 500 auf die Verwen dung
des Kondensators zugunsten eines Suspended Substrate-Breitseitenkopplers 514 verzichtet.
In einem Ausführungsbeispiel
kann es sich bei dem Suspended-Breitseitenkoppler 514 um einen
Suspended Stripline-Breitseitenkoppler handeln. 6A–B zeigen
ein Beispiel für
einen Suspended Stripline-Breitseitenkoppler 514 entsprechend der
vorliegenden Erfindung.
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In 6A ist
eine Seitendarstellung des Suspended-Breitseitenkopplers 514 im
Querschnitt angegeben. Der Suspended Substrate-Breitseitenkoppler 514 schließt eine
Erdungsplatten 502 und Metallisierungsschichten 508 ein,
die über
eine Durchkontaktierung 518 verbunden sind. Zwischen den
Metallisierungsschichten ist ein aufgehängtes Substrat 506 angeordnet,
wobei das aufgehängte Substrat ähnlich aufgebaut
sein wie das Substrat 306. Zwischen einer unteren Metallisierungsschicht 508 und
einer unteren Erdung 502 und zwischen einer oberen Metallisierungsschicht 508 und
einer oberen Erdung 502 ist freier Raum 520. Bei
diesem Aufbau kann man den aufgehängten Koppler einen Suspended-Breitseitenkoppler
nennen, und der freie Raum dominiert den Signalübertragungsweg auf ähnliche
Weise wie mit Bezug auf die Eingangs-Rauschanpassungsschaltung 106 beschrieben.
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6B zeigt
im Querschnitt eine Front- (oder Rück-) Ansicht des Kopplers.
Wie dargestellt, können
die Metallisierungsschichten (z.B. die Leiter) 508 einen
oberen Leiter 508 mit der Breite W1 und einen unteren Leiter 508 mit
der Breite W2 einschließen.
Durch die unterschiedlichen Breiten des oberen Leiters 508 und
des unteren Leiters 508 ist der Koppler 514 weniger
empfindlich gegenüber
Fluchtungsfehlern und Ätztoleranzen
während
der Herstellung. Außerdem
können
die Breiten von Leitern 512, 516 optimiert werden,
um jegliche parasitären
Elemente im Zusammenhang mit der Durchkontaktierung S18 auszuschließen.
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Der
so aufgebaute Suspended Substrate Stripline-Breitseitenkoppler 514 bildet
einen Gleichstromblock zwischen dem ersten LNA 108 und
dem zweiten LNA 116 und trägt dazu bei, das Front End-Empfängersystem 500 gegen
Schwingung zu stabilisieren, indem er Außerbandverstärkungen
im Wesentlichen eliminiert. Der Koppler 514 elimi niert die
Außerbandverstärkung, da
seine Frequenzantwort der eines Bandpassfilters ähnelt. Darüber hinaus kann der Koppler 514 für eine gewisse
Filterung sorgen, da der Koppler 514 nur bei der gewünschten Frequenz
ein Viertelwellenkoppler ist. Ein Viertelwellenkoppler sorgt für eine Zurückweisung
jeglicher Frequenz außerhalb
der gewünschten
Frequenz. Es sei darauf hingewiesen, dass das aufgehängte Substrat
für den
Breitseitenkoppler 514 dann einen Gleichstromblock bildet,
was verhindert, dass irgendwelche Gleichstromsignale zu den anschließenden Empfängerstufen
gelangen.
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7 und 8 stellen
gemessene Leistungen von Beispielen für Front End-Empfänger 300 bzw. 400 dar,
die entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. 7 und 8 sind
nur Erläuterungen
und sollen daher anhand von Beispielen die verbesserte Leistung
der vorliegenden Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik demonstrieren.
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In 7 ist
die gemessene Leistung des Front End-Empfängerbeispielsystems 400 von 4 dargestellt,
wo die angestrebte Rauschzahl 1,4 dB ist. Genauer zeigt 7,
dass bei Umgebungstemperatur (z.B. 25 °C) die Rauschzahl (NF) für das System 300 bei
25 °C etwa
1,45–1,5
dB bei einer Verstärkung
von 60 dB ist. 7 zeigt, dass das System 300 eine
NF-Verbesserung von etwa 0,5 bis 0,8 dB gegenüber dem Stand der Technik aufweist.
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Obwohl
das System 400 eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte
Antwort zeigt, zeigt 8, dass die Leistung des Front
End-Empfängers
durch Verwendung eines Suspended Stripline-Breitseitenkopplers,
wie desjenigen, der in dem oben dargestellten Beispiel für einen
Front End-Empfänger 500 verwendet
wird, weiter verbessert werden kann. Wie in 8 dargestellt,
kann das System 400 bei einer Temperatur von 25 °C eine NF-Leistung
von etwa 1,19–1,25
dB aufweisen, wodurch eine höhere elektrische
RF-Ausbeute gegenüber
Systemen des Standes der Technik und dem System 300 erhalten wird.
Die NF von maximal 1,25 dB liegt gut in Zielbereich von 1,4 dB.
Darüber
hinaus kann das System 400, das den Suspended Substrate-Koppler 414 verwendet,
die angestrebte NF erreichen, während
es die Herstellungskosten wegen des Wegfalls des Herstellungsschritts,
der für
das Anbringen eines Einzelschichtkondensators erforderlich ist,
senkt.
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In
der vorstehenden ausführlichen
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird auf die begleitende Zeichnung Bezug genommen, die
Ausführungsbeispiele
erläutert.
Obwohl diese Ausführungsbeispiele
in ausreichender Ausführlichkeit
beschrieben wurden, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die
Praxis umzusetzen, sei klargestellt, dass auch andere Ausführungsformen
realisiert werden können
und dass logische und mechanische Änderungen vorgenommen werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen. Somit ist die vorstehende
ausführliche
Beschreibung nur zu Zwecken der Erläuterung angegeben und soll
nicht als Beschränkung
aufgefasst werden, und der Bereich der Erfindung wird nur von den
beigefügten
Ansprüchen
und ihren rechtsgültigen
Entsprechungen definiert, wenn sie im Lichte der vorstehenden Beschreibung
gelesen werden. Beispielsweise können
die Schritte, die den einzelnen Verfahrensansprüchen aufgeführt sind, in jeder Reihenfolge ausgeführt werden
und sind nicht auf die angegebene Reihenfolge beschränkt.