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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf das Gebiet der Einrichtungen für die Telekommunikation, wo
eine Frequenzumsetzung gesendeter oder empfangener Signale erforderlich
ist, und dort speziell auf einen spiegelfrequenzbeseitigenden subharmonischen
Frequenzumsetzer mit Mikrostreifenleitern, insbesondere zur Verwendung
in Mobilfunkgeräten.
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Stand der Technik
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Die Umsetzung um eine gewünschte Frequenz
wird bekanntlich erreicht durch "Multiplikation" eines Signals,
das ein umzusetzendes Netzband belegt, und eines Sinussignals eines
Lokaloszillators OL mit einer geeignet bestimmten Frequenz. Die Multiplikation
erfolgt, indem es den beiden Signalen gestattet wird, die Enden
von ein oder mehr nicht linearen Geräten, so genannten Mischern,
beispielsweise Schottky-Dioden, zu erreichen, und die gewünschten
Umsetzungsprodukte von denselben abgeleitet werden. Vom analytischen
Standpunkt aus kann die nicht lineare Leitfähigkeit der Dioden in Reihen
von Kräften
von Werten des Eingangsstroms entwickelt werden. Betrachtet man
zu Beginn den besagten Strom als eine Überlagerung eines Paares sinusförmiger Komponenten
der Frequenzen fOL und fRF,
im Fall einer Abwärts-Umsetzung,
oder der Frequenzen fOL und fIF,
im Fall einer Aufwärts-Umsetzung, erhält man auf
der Ladung zusätzlich
zu den Eingangskomponenten auch neue, von den Dioden selbst erzeugte
Komponenten mit Frequenzen, die durch alle möglichen Kombinationen der beiden Ganzzahlen
m, n unabhängig
zwischen ihnen ausgedrückt
werden, mfOL ± nfR
F im ersten Fall bzw. mfOL ± nfIF im zweiten Fall. Die Einbeziehung der
Fälle,
in denen der Strom der Dioden alle Komponenten umfasst, die dem
gesamten Band der RFund IF-Signale angehören, erfolgt unmittelbar.
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Man erkennt in beiden Fällen, dass
das umgesetzte Signal zusätzlich
zu dem erwünschten Nutzsignal
(dies wird im Allgemeinen erreicht durch m = n = 1) eine unbegrenzte
Menge von mfOL-Termen und von relevanten
Umsetzungsprodukten in aufsteigender Reihenfolge enthält, die
aufgrund des Zeichens ± symmetrisch
um die fOL-Frenquenzen angeordnet sind.
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Beim Senden ist es wesentlich, die
außerhalb
des Nutzbandes platzierten Umsetzungsprodukte herauszufiltern, da
diese Außerband-Nebenemissionen
darstellen, die die einschlägigen
internationalen Bestimmungen streng untersagen. Bei Mikrowellenapplikationen
wird im Allgemeinen nur eines der beiden Seitenbänder gesendet mit dem doppelten Zweck,
Sendeleistung einzusparen und die Bandbelegung zu reduzieren. Das
zweite Band, Spiegelfrequenzband genannt, das symmetrisch zur Frequenz mfOL ist, wird in der Regel unterdrückt wie
das Signal des Lokaloszillators bei der Frequenz mfOL,
das aus denselben Gründen
unterdrückt
wird. Es ist von besonderer Bedeutung, dass zumindest ein Teil der
besagten Unterdrückung
erfolgt, bevor das umgesetzte Signal Leistungsverstärkungsphasen
erreicht, die der Umsetzungsphase nachgeschaltet sind (im Allgemeinen
fähig zur
gleichberechtigten Verarbeitung beider Seitenbänder), um Linearitätsverluste
beim Betrieb der Mischer und Verzerrungen zu vermeiden, die durch
die Sättigung
der Spannungsversorgungsanschlüsse
verursacht werden.
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Beim Empfangen wird das IF-Signal
bei Zwischenfrequenz erzeugt durch die Überlagerung der Umsetzungsprodukte
des Nutz- und des Spiegelfrequenzbandes des RF-Signals. In dem sehr
häufigen Fall,
in dem das RF-Signal aus einer Vielzahl benachbarter Kanäle besteht,
die an ein eindeutiges Seitenband gesendet werden, ist die Umsetzung
bei Zwischenfrequenz des Spiegelfrequenzbandes ein unerwünschter
Effekt, so dass es notwendig ist, das Spiegelfrequenzband vor der
Umsetzung durch eine geeignete Funkfrequenzbandpassfilterung zu
eliminieren. Damit wird erreicht, dass das Signal oder das im Spiegelfrequenzband
vorhandene Rauschen ebenfalls im Zwischenfrequenzband umgesetzt
wird, wodurch Überlagerung
entsteht oder sich die Empfängermerkmale
eher verschlechtern.
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Die oben genannten Umsetzer gehören einem
ersten Typ an, dem so genannten "Zweiseitenband". Gemäß den obigen
Ausführungen
benötigen die
Umsetzer einen Spiegelfrequenzfilter, dessen Realisierung stets
komplex ist, wenn man das Nutzsignal unverändert erhalten will, aufgrund
der Nähe, die
in allen Ausführungsformen
eines Transceivers zwischen den beiden mfOL-
und fRF-Frequenzen existiert, die beide wesentlich höher sind
als fIF.
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Hinsichtlich des Problems der Unterdrückung der
Komponenten bei der durch den Mischer erzeugten Frequenz mfOL besteht ein erstes mögliches Verfahren in der Ausdehnung
des beseitigenden Bandes des Spiegelfrequenzbandfilters, bis dieses
wieder die relevanten Komponenten der mfOL-Frequenzen
enthält.
Sollte der Mischer jedoch zu einem Modulator/Demodulator des orthogonalen Typs
(I, Q) gehören,
der die direkte Umsetzung von Basisband zu Funkfrequenz und umgekehrt vornimmt,
kann diese Vorgehensweise nicht mehr aktualisiert werden, da das
Spiegelfrequenzband nicht existiert und sich die mfOL-Komponente
in der Bandmittelfrequenz des RF-Signals befindet.
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Eine zweite bekannte Methode besteht
in der Unterdrückung
der durch den Mischer erzeugten mfOL-Frequenzkomponenten.
Diese auch für
Modulatoren/Demodulatoren anwendbare Methode besteht darin, zwei
statt einem Mischer und eine Symmetrieschaltung zu verwenden, um
die zuvor genannten Komponenten in Counterphase zu kombinieren.
Der wesentliche Nachteil dieser Lösung besteht in der schwierigen
Realisierung einer funktionsfähigen Breitband-Symmetrieschaltung,
insbesondere bei den höchsten
Frequenzen; die maximal erreichbare Unterdrückung beträgt etwa 30 dB auf 10% relativen Bändern.
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Eine dritte, ebenfalls bekannte Methode
zur Unterdrückung
der vom Mischer erzeugten mfOL-Frequenzkomponenten
besteht in der Verwendung einer einfach oder doppelt symmetrischen
Struktur. Die beiden Konfigurationen werden jeweils erreicht durch ein
Diodenpaar in Antiparallelschaltung oder durch einen Vier-Dioden-Link,
der eine bessere Symmetrie gestattet. Je gleicher die physischen
Merkmale der Dioden sind, desto höher ist die Unterdrückung. Durch
eine adäquate,
Ansteuerung der Dioden in diesen Konfigurationen ist es beispielsweise
möglich, die
globale Transkonduktanz zu erhalten, die nur die Harmonischen geradzahliger
Ordnung der Frequenz fOL enthält. In diesem
Fall entstehen lediglich Umsetzungsprodukte des Typ 2mfO
L ± nfRF, für
den Abwärts-Umsetzer,
bzw. 2mfOL ± nfIF für den Aufwärts-Umsetzer, wobei aufgrund
des zuvor Erwähnten
die Terme 2mfOL im umgesetzten Signal fehlen. Das
bedeutet beim Empfang, dass bei Anwendung eines Lokaloszillatorsignals
OL mit der Frequenz fOL auf den symmetrischen
Mischer ein Signal mit der Frequenz 2mfOL +
nfRF bei der Zwischenfrequenz (fIF) mit denselben Konversionsverlusten umgesetzt
wird, die bei Einsatz eines nicht symmetrischen Mischers, der mit
der Frequenz 2mfOL betrieben wird, auftreten würden. Da
wir aus praktischen Erwägungen,
zumindest für
die Zwecke der nachfolgend beschriebenen Erfindung, nur den niedrigsten
Umsetzungsgrad berücksichtigen,
der erreicht wird in Koinzidenz mit m = n = 1, können wir die zuvor erwähnten Umsetzer
als Geräte
betrachten, die in der Lage sind, mit einem Lokaloszillator bei
einer Frequenz fOL = ½(fRF +
fIF) oder bei halbierter Frequenz im Vergleich
zu der von Lokaloszillatoren, die -mit herkömmlichen Umsetzern arbeiten,
eine Umsetzung zu realisieren. Aus diesem Grund werden sie auch
als subharmonische Frequenzumsetzer bezeichnet. Ihr Einsatz bringt
eine Reihe von Vorteilen mit sich. Hierzu gehören unter anderem:
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- – die
Möglichkeit,
bei den höchsten
Frequenzen kostengünstigere
Lokaloszillatoren einzusetzen, da es mit steigender Frequenz schwieriger
ist, kostengünstig
stabile Lokaloszillatoren zu implementieren, die in der Lage sind,
die für
den zuverlässigen
Betrieb der Mischer benötigte
Leistung zu liefern;
- – ein
hoher Umsetzungsgrad der Restkomponenten bei der Frequenz
2fOLim umgesetzten Signal, wobei besagte
Umsetzung nur auf den Symmetriegrad der Struktur, d. h. die Ähnlichkeit
der physischen Parameter der im Mischer verwendeten Dioden, und
nicht auf die Frequenzantwort externer Netze zurückzuführen ist;
- – eine
weniger schwierige Filterung der Komponenten bei der Frequenz fOL unter Berücksichtigung der größeren Entfernung
zwischen fOL und dem Band des Nutzsignals
bei Funkfrequenz.
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Es gibt einen zweiten Typ von Frequenzumsetzern,
der sich von den bisher beschriebenen Typen dahingehend unterscheidet,
dass es bei den Umsetzern dieses Typs nicht erforderlich ist, den
Spiegelfrequenzfilter an den Port des RF-Signals zu platzieren.
Verantwortlich für
das Ergebnis ist die Wahl einer bestimmten Schaltungskonfiguration
von Hybriden, die es ermöglicht,
nur eine der beiden Seitenbänder
des RF-Signals zu erhalten oder zu nutzen. Aus diesen Gründen werden
die Umsetzer des zweiten Typs als "Einseitenband-" oder spiegelfrequenzbeseitigende
oder unterdrückende
Umsetzer bezeichnet. Die Umsetzer dieses zweiten Typs können auch
unter Verwendung subharmonischer Mischer implementiert werden. Dabei
werden die Vorteile der Umsetzer des ersten und des zweiten Typs
miteinander kombiniert. Besagte Vorteile beruhen im Wesentlichen
auf dem Einsatz einer Lokaloszillatorfrequenz, die im Vergleich
zu der Frequenz herkömmlicher
Umsetzer halbiert ist, und gleichzeitig auf dem Fehlen des Spiegelfrequenzfilters.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen spiegelfrequenzbeseitigenden
subharmonischen Umsetzer mit Mikrostreifenleitern, der dementsprechend
alle zuvor genannten Vorzüge
besitzt.
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Ein Beispiel hierfür ist bereits
bekannt und wird in dem europäischen
Patent Nr. 322612 unter dem Namen desselben Antragstellers, Titel
"Mikrowellenspiegelfrequenzunterdrückender harmonischer Frequenzumsetzer",
beschrieben.
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Der vorgenannte Umsetzer verfügt über Mikrostreifenleiter
und umfasst zwei identische, harmonische, symmetrische Mischer,
die jeweils aus einem Paar Schottky-Dioden bestehen, die in Antiparallelschaltung
verbunden sind, einen RF-Quadratur-Richtkoppler, einen IF-Quadratur-Richtkoppler, zwei
geeignete Duplexfilter, zwei Tiefpassfilter, zwei passende Schaltungen
sowie zwei Entkopplungsschaltungen. Der erste RF-Quadratur-Richtkoppler gehört dem Tandemtyp
an, besitzt eine halboffene Struktur und ist Teil einer neuen Schaltungskonstruktion,
deren Zweck darin besteht, die Implementierungskomplexität eines
traditionellen Kopplers des in einer früheren Erfindung verwendeten
Typs Lange in den Bereichen 15, 18 und 23 GHz
zu überwinden. Die
beschriebene Konstruktion erfordert keinen dritten Koppler, der
im Allgemeinen dazu benutzt wird, dass OL-Signal des Lokaloszillators mit den Mischern
zu koppeln. Das Layout der genannten Umsetzer ist speziell für die zuvor
spezifizierten Bereiche optimiert, in denen die durch den Einsatz
dieses Umsetzers erzielten Vorteile enorm sind. In den niedrigeren
Nutzungsbereichen jedoch – beispielsweise
die in GSM (Global System Mobile)- und DCS (Digital Cellular System)-Mobilfunksystemen
verwendeten Bereiche, 900 bzw. 1800 MHz – treten bei Hybridkopplern
es Typs Lange keine Realisierungsprobleme auf, die die zuvor beschriebene
Erfindung rechtfertigen. In diesem Fall könnte das relevante Layout auch
aus der Komplexität
der Filter und der Größe der halboffenen
Struktur von Tandemkopplern resultieren.
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Ziel der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden und einen spiegelfrequenzbeseitigenden
subharmonischen Frequenzumsetzer zu präsentieren, dessen Mikrostreifenleiter-Layout
das Ergebnis einer kompakten Ausführung ist und in den in GSM-
und DCS- Mobilfunksystemen
problemlos realisiert werden kann. Dabei werden Vorteile erzielt
durch eine neue Kombination von Einrichtungen, die wie unter "Stand
der Technik" beschrieben nicht inventive, sondern traditionelle Hybride
verwenden, und Filterstrukturen, die reduziert sind auf einfache
Stubs oder auf Filter, die als ein System mit konzentrierten Parametern
ausgeführt
sind. Zu Beschreibungszwecken, jedoch ohne über den Gültigkeitsbereich der vorliegenden
Erfindung hinauszugehen, wird im Folgenden nur auf die Schaltung
eingegangen, die Stubs in λ/4
verwendet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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a Das zuvor genannte Ziel wird erreicht durch
die Kombination von Leistungsmerkmalen des Schutzanspruchs 1 für einen
spiegelfrequenzbeseitigenden subharmonischen Frequenzumsetzer, insbesondere
zur Verwendung in Mobilfunkgeräten.
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In einigen bekannten Anwendungen
wurde festgestellt, dass die Struktur der auch Hybride genannten
Richtkoppler von der der vorliegenden Erfindung abweicht. Verantwortlich
hierfür
ist die Tatsache, dass das Hybrid bei Lokaloszillatorfrequenz 3 dB,
45° und
das RF-Hybrid 3 dB, 0° aufweist;
dementsprechend beträgt
die gesamte Phasenverschiebung bei der Frequenz 2fol 90°, wie sie
sein muss, um die korrekte Phasenbeziehung zu definieren, die es ermöglicht,
das Spiegelfrequenzband in Counterphase zu summieren. Im Vergleich
zur HybridStruktur der Erfindung weist diese Lösung dementsprechend ein schmaleres
Umsetzungsband auf, da sich ein Hybrid mit 3 dB, 45° nicht so
einfach realisieren lässt
wie ein Breitband mit 3 dB, 0° und
3 dB, 90°.
Zu diesen Anwendungen gehört
die in dem Dokument DE-A-2 608 939 beschriebene Applikation, die
auf dem bisherigen Stand der Technik zu beruhen scheint. Die genauere
Anwendung beschreibt einen Stripline-Mischer für subharmonische und spiegelfrequenzbeseitigende
Umsetzung. Dieser Mischer benutzt zwei 3-dB-Koppler, oder Hybridringe,
zur Kopplung von IF- und OL-Signalen an zwei zugehörigen Ports
von zwei symmetrischen Diodenpaaren in Antiparallelschaltung, die
als symmetrischer Mischer fungieren, während das RF-Signal direkt den
Dioden zugeführt
wird. Eine Verzögerungsleitung
(Delay Line) L, die so bemessen ist, dass bei der OL-Frequenz eine
Phasenverschiebung von 45° erreicht
wird, ist zwischen einem Ausgang des OL-Hybrids und dem OL-Port
eines Diodenpaares eingefügt.
Jedes der antiparallel geschalteten Diodenpaare ist an einem Ende
mit einer kurzgeschlossenen Viertelwellenleitung mit subharmonischer
OL-Frequenz, am anderen Ende mit einer offenen Leitung derselben
elektrischen Länge
verbunden. Die skizzierten Nachteile treffen nicht vollständig auf
den Mischer von D1 zu, doch die Einführung der Verzögerungsleitung
L ist aufgrund der besonderen Kombination von Hybridschaltungen
eine zusätzliche
Komplikation, die auf unseren Mischer keinerlei Auswirkungen hat.
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Im Bereich des Mobilfunks ermöglicht die
in Schutzanspruch 1 beschriebene Umsetzerstruktur die Realisierung
folgender Systemvorteile im Vergleich zur aktuellen Verwendung herkömmlicher
Umsetzer:
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- – Minimale
Nutzung des Substrates bei Nutzfrequenzen. Wenn die Frequenz hoch
ist, empfiehlt sich die Realisierung der Struktur mit Stubs, andernfalls – aus Platzgründen – die Realisierung
der Filterstrukturen durch konzentrierte Parameter L und C;
- – Fehlen
der störenden
Restkomponenten bei der Frequenz 2fOL im
Funkfrequertzsignal RF und problemlose Filterung der Lokaloszillatorkomponente bei
fOL;
- – Beste
Unterdrückung
des Spiegelfrequenzbandes und problemlose Herausfilterung eines
möglichen Rests;
- – Wenn
vier Dioden in antiparalleler Konfiguration von Paaren genutzt werden,
verbessert sich die Linearität
des implementierten Geräts;
- – Größere Genauigkeit
bei der Durchführung
von Frequenzsprüngen
(Frequency Hopping): In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, darauf
hinzuweisen, dass es sich bei dem Frequency Hopping um einen geplanten
Frequenzsprung des einem allgemeinen Funkkanal zugewiesenen Trägers handelt,
der in jedem Zeitschlitz erfolgt, um auf statistischer Grundlage
die gefährlichen
Auswirkungen schneller Schwundeffekte des Funksignals zu vermeiden,
die durch Mehrwegeempfang (Rayleigh-Fading) oder durch andere Interferenzen
verursacht werden. Verantwortlich für die höhere Genauigkeit ist die Tatsache,
dass es im Vergleich zu einem traditionellen Umsetzer notwendig
ist, dass eine Hälfte
der gesamten Phasenabweichung, Δt,
denselben Frequenzsprung Δf
erreicht. Dies eröffnet
die Möglichkeit,
einen Bereich der Spannungs/Frequenzübertragungsfunktion des VCO (Voltage
Controlled Oscillator, spannungsgesteuerter Oszillator) mit einem
höheren
Linearitätsbereich
zu nutzen, wobei das Frequency Hopping physisch implementiert ist,
oder, alternativ, die Möglichkeit
des Einsatzes von VCOs mit weniger strengen Merkmalen hinsichtlich
Linearität,
Einstellungsintervall und Bandbreite.
- – Vereinfachung
bei der Einführung
eines als "Dual Mode" bezeichneten Betriebsverfahrens, bei dem ein und
dieselbe Endeinrichtung von einem 900-MHz-GSM-Netz zu einem 1800-MHz-DCS-Netz umschalten
kann. Tatsächlich
ist es möglich,
mit Hilfe eines einzigen Lokaloszillators mit der Frequenz (900 +
fF
I) MHz zwei Umsetzer
zu versorgen, wobei der erste ein traditioneller Typ (der für das GSM-Netz) und
der zweite ein subharmonischer Umsetzer ist (der für das 1800
MHz-DCS-Netz).
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Zu diesem letzten Vorteil ist zu,
bemerken, dass es möglich
ist, einen weiteren Gegenstand der Erfindung zu konfigurieren, der
aus einer mobilen Endeinrichtung besteht, wobei die Möglichkeit
vorhanden ist, den Betrieb von einem ersten Mobilfunksystem auf
ein zweites Mobilfunksystem zu schalten, das in einem höheren Bereich
des Funkfrequenzspektrums arbeitet und umgekehrt. Das besondere Merkmal
dieser Einrichtung besteht darin, dass es einen einzelnen Lokaloszillator
und eine Einrichtung enthält
zur Umschaltung des Lokaloszillatorsignals zu einem herkömmlichen
Frequenzumsetzer, der in einer zu besagtem ersten Mobilfunksystem
gehörigen
Funkkette enthalten ist, oder zu einem spiegelfrequenzbeseitigenden
subharmonischen Frequenzumsetzer gemäß Schutzanspruch 1, der Bestandteil einer
Funkkette ist, die wie in Schutzanspruch 6 beschrieben
zu besagtem zweitem, Mobilfunksystem gehört.
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Eine mobile Endeinrichtung mit Bandumschaltungsfunktion
wird beschrieben im europäischen
Patentantrag EP-A-O 581 573. Die Erfindung betrifft ein
universelles Funktelefon, dessen Schaltungsanordnung drei unabhängige PLL-Schaltungen umfasst:
zwei Schaltungen zur Erzeugung von UHF-Signalen zur Steuerung der
Empfangsund Sendevorgänge
von Frequenzumsetzern durch einen Lokaloszillator und eine dritte
VHF-Schaltung zur Steuerung eines digitalen (I, Q) Modulators/Demodulators.
Die in den beiden UHF-PLL-Schaltungen integrierten VCOs steuern
elektronisch gesteuerte Vervielfacher (11, 12)
an, um entweder die Fundamentale oder die zweite Harmonische der
Steuerungssignale auszuwählen.
Die durch die Vervielfacher (11, 12) ausgewählten UHF-Signale
werden auf den Lokaloszillatoreingang der Mischer für Aufwärts- bzw. Abwärts-Umsetzung
gelegt. Im Empfangszweig wird nur eine Zwischenfrequenz IF benutzt.
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Das Verfahren zur Realisierung des
"Dual Mode" in der angegebenen Erfindung besteht darin, die Betriebsart
des Mischers unverändert
zu lassen und die Frequenz des OL-Steüerungssignals zu verändern – in diesem
Fall durch Auswahl der vom Ausgang des Oszillators OL erzeugten
zweiten Harmonischen. In Ermangelung einer Beschreibung des Vervielfachers
(11, 12) wird angenommen, dass die Auswahl der
zweiten Harmonischen durch Herausfiltern einer zweiten Harmonischen
erfolgt, die von einem nicht linearen Gerät erzeugt wird, das das UHF-Signal passiert.
Dieser Ansatz- zur Vereinfachung werden die relevanten Schwächen weggelassen – unterscheidet
sich erheblich von unserem Verfahren der Implementierung des "Dual
Mode", wobei die Lokaloszillatorfrequenz konstant gehalten wird
und in der Funkkette statt eines herkömmlichen ein subharmonischer
Mischer eingesetzt wird.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung
erkennbar ist, reicht es aus, den 3-dB-, 90°-Richtkoppler bei Zwischenfrequenz
zu unterdrücken
und in jedem Mischer den Tiefpassfilter, der das Signal bei Zwischenfrequenz
IF passieren lässt,
durch einen Tiefpassfilter zu ersetzen, der an den Sendeimpuls gekoppelt
ist, da der Umsetzer ansonsten auch als subharmonischer Modulator/Demodulator
des orthogonalen Typs (I, Q) verwendet werden kann und in der Lage
ist, das Signal im Basisband direkt in Funkfrequenz umzusetzen und
umgekehrt.
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Daher ist ein weiteres Ziel der Erfindung
die Nutzung eines spiegelfrequenzbeseitigenden subharmonischen Frequenzumsetzers
des in Schutzanspruch 1 beschriebenen Typs in einem orthogonalen, subharmonischen
Modulator/Demodulator, wie in Schutzanspruch 7 beschrieben,
der in zukünftig
realisierten Mobilfunksystemen zur Anwendung kommen könnte. Kurzbeschreibung
der Abbildungen
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Die Erfindung, ihre Zielsetzungen
und Vorteile können
anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
nachvollzogen werden:
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- – 1 zeigt ein Blockschaltbild
des spiegelfrequenzbeseitigenden subharmonischen Frequenzumsetzers,
dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung;
- – 2 ist ein Blockschaltbild,
das die funktionellen Details der beiden identischen, in
- – 1 dargestellten Frequenzmischer
zeigt; 3 zeigt einen
Schaltplan der Mischer MIX1 und MIX2 von 2;
- – Die 4 und 5 zeigen zwei äquivalente Schaltungen aus
der Perspektive der Ports P1 bzw. P2 der Mischer von 3.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie aus 1 hervorgeht, besteht ein Frequenzumsetzer
aus folgenden Funktionsblöcken:
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- a ein erster 3-dB-, 0°-Breitband-Richtkoppler HYB-OL
mit der Frequenz fOL eines Lokaloszillatorsignals
OL, das über
einen zugehörigen
Port PO
L eingeht;
- b ein zweiter 3-dB-, 90°-Breitband-Richtkoppler HYB-RF
mit der Bandmittenfrequenz fRF eines Funkfrequenzsignals
RF, das über
einen zugehörigen
Port PRF ein- oder abgeht;
- c ein dritter 3-dB-, 90°-Breitband-Richtkoppler HYB-IF
mit einer geeignet ermittelten Zwischenfrequenz fIF,
eines Signals mit der Zwischenfrequenz RF-BLS oder RF-BLI, das über einen
zugehörigen Port
PIFS oder PIFI ein-
bzw. abgeht; und
- d zwei identische subharmonische Frequenzmischer MIX1 und MIX2.
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Bei den beiden Richtkopplern handelt
es sich um Koppler des bekannten Typs und sind mit Mikrostreifenleitern
oder konzentrierten Parametern ausgeführt. Der zweite Koppler ist
ein Gerät
des Typs Lange, dessen Funktionsweise der des dritten Kopplers ähnlich ist.
Das heißt:
Wenn ein Signal, das an einem generischen Port anliegt, an den beiden
gegenüberliegenden
Ports als ein Paar von Signalen mit halber Leistung, reziprok 90° phasenverschoben, vorhanden.
sind, liegt an dem Anschluss neben dem Port, an dem das Signal zur
Anwendung kommt, kein Signal an. Die Funktionsweise des ersten Richtkopplers
unterscheidet sich vom letztgenannten dahingehend, dass es sich
bei den Signalen, die an den beiden gegenüberliegenden Ports anliegen,
um Inphase-Signale handelt.
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Zur globalen Funktionsweise ist zu
sagen, dass das OL-Signal in den HYB-OL-Block gelangt und dort in
zwei identische Ausgangssignale geteilt wird, die an einen entsprechenden
P1 der Mischer MIX1 und MIX2 gesendet werden. Die Leistung des Zweiseitenband-RF-Signals, von dem
angenommen wird, dass es den HYB-RF- Block erreicht, wird gleichmäßig auf
die beiden Ausgänge
des Kopplers verteilt, von denen die beiden Funkfrequenzsignale stammen.
Nach einer Phasenverschiebung um 90° können diese ebnen entsprechenden
Port P2 der Mischer MIX1 und MIX2 erreichen. Der auf derselben Seite
wie Port PRF platzierte Port von HYB-RF
wird geschlossen, wenn ein Abschluss TERM mit Masse verbunden wird.
Von einem letzten Port P3 der Mischer MIX1 und MIX2 geht, gemäß den vorherigen Annahmen,
ein entsprechendes Überlagerungssignal
ab zwischen RF und der zweiten Harmonischen des Sinussignals OL.
Die Überlagerungssignale
mit Zwischenfrequenz – diese
werden als IF und IF' bezeichnet – erreichen entsprechende Ports
neben dem Richtkoppler HYB-IF. An den beiden anderen Ports von HYB-IF
liegen aufgrund des Phasenabstands bei der Frequenz der beiden Seitenbänder die Signale
IF-BLS und IF-BLS separat an. Diese Signale entstehen durch Umsetzung
des oberen bzw. unteren Bandes des IF-Signals bei Zwischenfrequenz. Zieht
man jedoch den Einsatz des Umsetzers bei der Übertragung in Erwägung, liegen
die Werte doppelt so hoch wie bei der zuvor beschriebenen Funktionsweise.
Speziell das bei Zwischenfrequenz zu übertragende Signal (ein Einseitenband-Signal)
kann einen beliebigen einzelnen Port erreichen, beispielsweise PIFS des Richtkopplers HYB-IF, während der
andere Port an einem Abschluss geschlossen wird. Als Folge des zuvor
erwähnten
Phasenabstands geht vom Funkfrequenz-Port PRF des
Kopplers HYB-RF das obere Seitenband des Einseitenband-RF-Sendesignals
ab. Im Gegensatz dazu wird bei Wahl von PIFI das
untere Seitenband übertragen.
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Unter Verweis auf 2, in der die Elemente von 1 durch dieselben Symbole
dargestellt sind, ist zu erkennen, dass die Mischer MIX1 und MIX2
folgende Komponenten enthalten:
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- – einen
Bandpassfilter OL-PBAND mit der Frequenz fOL des
Signals des Lokaloszillators OL mit einem virtuellen Kurzschluss
für das
diodenseitige RF-Signal;
- – einen
Bandpassfilter RF-PBAND mit der Frequenz fRF des
RF-Signals mit einem virtuellen Kurzschluss für das diodenseitige Lokaloszillatorsignal;
- – einen
Tiefpassfilter IF-PBAS mit der Frequenz fIF des
Signals bei Zwischenfrequenz IF;
- – ein
antiparallel geschaltetes Diodenpaar D1, D2, das als eine integrierte
Komponente bereitgestellt wird.
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Der Filter OL-PBAND wird zwischen
Port P1 und einem Ende des Diodenpaares D1, D2 platziert und lässt das
OL-Signal passieren, blockiert jedoch die RF- und IF-Signale. Der Filter
RF-PBAND wird zwischen Port P2 und dem anderen Ende des Diodenpaares
D1, D2 platziert und lässt
das RF-Signal passieren, blockiert jedoch die OLund IF-Signale. Der
Filter. IF-PBAS wird zwischen Port P3 und dem Ende des Diodenpaares
D1, D2 platziert, mit dem auch der Filter RF-PBAND verbunden ist.
Der Filter IF-PBAS kann jedoch auch mit dem anderen Ende verbunden
werden und das IF-Signal passieren lassen und die OL- und RF-Signale
blockieren. Diese Filter sollen gewährleisten, dass die entsprechenden Mischer
ordnungsgemäß funktionieren,
und die Signale an den drei Ports P1, P2 und P3 getrennt halten. Die
Bandpassfunktionen der Filter OL-PBAND und RF-PBAND müssen die
Signale im tiefen Band spürbar
dämpfen
können.
Hinsichtlich der durch das Diodenpaar D1 und D2 durchgeführten subharmonischen
Umsetzung wird auf das in der Einführung Gesagte verwiesen und
darauf hingewiesen, dass es zur Erreichung einer besseren "Linearität" im Umsetzersignal
sinnvoll ist, das Diodenpaar durch ein integriertes System mit vier
Dioden in Quadratur-Konfiguration zu ersetzen, wobei in der Praxis
jede Diode durch zwei in Reihe geschaltete Dioden ersetzt wird.
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Die schaltungsbezogene Implementierung des
Funktionsdiagramms von 2 wird
in 3 in einer gemischten
Darstellung aus Mikrostreifenleitern und Blöcken gezeigt. Die Abmessungen
der in der Abbildung dargestellten Schaltungselemente sowie die
zugehörigen – Abstände entsprechen
nicht genau den tatsächlichen
Abmessungen bzw. Abständen,
da die Abbildung lediglich Anschauungszwecken dient.
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In 3,
in der die bereits in den ersten beiden Abbildungen enthaltenen
Elemente durch dieselben Symbole dargestellt sind, sind zwei Stub-Paare mit
Mikrostreifenleitern zu erkennen. Diese sind bezeichnet mit STUB1
und STUB1' (hierbei handelt es sich um die Stubs des ersten Paares,
das sich in der Nähe
von Port P1) bzw. STUB2 und STUB2' (die Stubs des zweiten Paares,
das sich in der Nähe
von Port P2 befindet). Genauer gesagt verzweigen sich die Stubs
des ersten Paares senkrecht und in entgegengesetzte Richtungen von
einem Mikrostreifenleiter L1, der den Port P1 mit einem Ende des
Diodertpaares verbindet. Entsprechend verzweigen sich die Stubs
des zweiten Paares senkrecht und in entgegengesetzter Richtung von
einem Mikrostreifenleiter L2, der den Port P2 mit dem anderen Ende
des Diodenpaares verbindet. Ein dritter Mikrostreifenleiter L3 verzweigt
von Leitung L2, zwischen dem zweiten Stub-Paar und dem Diodenpaar
und erreicht einen Port des Filters IF-PBAS: Dieser Mikrostreifenleiter ist
im Falle eines hohen IF- Signals
realisiert durch gekoppelte Leitungen, während es sich bei niedrigeren
IF-Signalen empfiehlt, auch diesen Filter mit konzentrierten Parametern
zu realisieren. Der zweite Port des Filters IF-PBAS ist durch einen
Mikrostreifenleiter L4 mit Port P3 verbunden. Wie zuvor bereits erwähnt, könnte der
Mikrostreifenleiter L3 alternativ von der Leitung L1 abzweigen.
Bei den Stubs STUB1, STUB1', STUB2 und STUB2' handelt es sich um λ/4 lange
Leitungsabschnitte, wobei λ die
Wellenlänge
eines Sinussignals des Lokaloszillators mit der Frequenz fOL ist. Das freie Ende von STUB1 und STUB1'
wird mit Masse verbunden, während
das freie Ende von STUB2 und STUB2' offen ist.
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Was den Betrieb betrifft, so lässt sich
durch die Entscheidung für
Stub-Paare statt einzelner Stubs bei der Umsetzung eine höhere Bandbreite
erzielen.
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Bekanntlich fungieren die Stubs in λ/4 als Impedanzwandler
in einem ganzen umgebenden Band, bei der Frequenz, für die sie
diese Länge
annehmen, d. h. bei etwa fOL. Insbesondere
wird ein Kurzschluss im Stub-Einfügepunkt
als offener Kurzschluss angezeigt, umgekehrt wird ein offener Stromkreis
als Kurzschluss angezeigt. Dementsprechend gilt für das OL-Signal,
dass sich das erste Paar STUB1, STUB1' wie eine hohe Impedanz, das
zweite Paar STUB2, STUB2' wie ein Kurzschluss verhält. 4 zeigt die entsprechende
Schaltung der Mischer MIX1, MIX2 an Port P1 des Lokaloszillators.
Kommen wir nun zum Verhalten der Stubs für das RF-Signal. Aus dem in
der Einleitung zu den Beziehungen zwischen den unterschiedlichen
Frequenzen in einem subharmonischen Umsetzer Gesagten geht hervor,
dass die Länge
der Stubs dieser Paare bei der Bandmittenfrequenz fRF des
RF-Signals etwa λ/2
beträgt.
Bekanntlich wandeln Stubs dieser Länge die Impedanz nicht um,
sondern ändern
lediglich das relevante Zeichen. Daher erkennt das RF-Signal eine hohe
Impedanz im Einfügepunkt
des zweiten Stub-Paars und einen Kurzschluss im Einfügepunkt des
ersten Paares. Die entsprechende Schaltung der Mischer MIX1, MIX2
an Port P2 des RF-Signals ist die in 5 dargestellte,
wobei die Dioden durch zwei entsprechende parallel geschaltete variable
Widerstände
dargestellt sind, die zwischen Port P2 und Masse geschaltet sind.
Dank der Präsenz
der beiden Stub-Paare ist die Länge
der Mikrostreifenleiter L1 und L2 vernachlässigbar.
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Ohne über den Geltungsbereich der
vorliegenden Erfindung hinauszugehen, ist es möglich, die Stubs in λ/4 STUB1,
STUB1' und STUB2, STUB2' mit alternativen Strukturen zu implementieren,
die denjenigen, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, bekannt
sind – beispielsweise
die so genannten "Butterfly Stubs".
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Zur Klärung nachstehend die Werte
der Frequenzen des Umsetzers, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist, im Fall des Mobilfunkstandards GSM 900 MHz: fLO =
417, 5 MHz, fIF = 45 MHz, fRF = 880
MHz und Bandbreite 35 MHz; für
den Mobilfunkstandard DCS 1800 MHz gelten folgende Frequenzwerte:
fLO = 832, 5 MHz, fIF =
45 MHz, fRF = 1710 MHz und Bandbreite 75
MHz.
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Kommen wir nun zurück zu dem,
was bereits zur Möglichkeit
einer Anwendung des Umsetzers, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist, in Mobilfunkgeräten
(Endgeräten)
im "Dual Mode" gesagt wurde. Es ist offensichtlich, dass dies nur
dann kostengünstig
realisiert werden kann, wenn den beiden Mobilfunksystemen Frequenzbänder in
Bereichen des Spektrums zugewiesen sind, wo die Abstände etwa
doppelt so hoch sind wie im Ursprung der Frequenzen. Diese Anforderung
ergibt sich direkt aus dem charakteristischen Betrieb des harmonischen
Umsetzers. Später
ist es mit einem einzelnen Lokaloszillator möglich, entweder den Mischer
des herkömmlichen
Umsetzers, der der Funkkette des 900-MHz-GSM-Netzes angehört, oder den Mischer des subharmonischen
Umsetzers, der Bestandteil der Funkkette des kombinierten Systems
ist, mit Spannung zu versorgen und dadurch im Vergleich zu Systemen
mit zwei unterschiedlichen Lokaloszillatoren Batterieleistung einzusparen
und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Damit besagte Anwendung
eines einzigen Lokaloszillators realisiert werden kann, sind Vorkehrungen
zu treffen für
die Umschaltung des Lokaloszillatorsignals von einem Umsetzer zum
anderen. Dazu könnte
die normale Einstellung über
die Tastatur verwendet werden, wobei gleichzeitig die Betriebsbedingung
auf dem Display des Mobilteils überwacht
wird. Darüber
hinaus könnte
diese Lösung
auch einen softwaremäßig gesteuerten
Schalter beinhalten, der die eigentliche Umschaltung des OL-Signals
durchführt.
Hierbei ist zu beachten, dass der Abstand zwischen den Frequenzbändern der
beiden Systeme nicht exakt doppelt so groß zu sein braucht. Es reicht
aus, dass eine Hälfte
des Abstands zwischen der zweiten Harmonischen 2fOL und
der Frequenz fRF ± fIF des
Mobilsystems, das die höheren
Frequenzen annimmt, in das Einstellungsintervall des VCO fällt, der
als Lokaloszillator fungiert, sofern diese Variante gewählt wird.
Aus systembedingten Gründen
wird jedoch der Einsatz eines Festfrequenz-Lokaloszillators vorgezogen
und eine Zwischenfrequenz des zweiten Mobilfunksystems in Erwägung gezogen,
die sich von der des ersten unterscheidet. Ausgehend von dieser
letzten Möglichkeit würde das
neue System unmittelbar nach der Umschaltung betriebsbereit sein,
während
es bei der ersten Hypothese erforderlich wäre, die neue Frequenz des VCO
einzustellen. Es ist offensichtlich, dass aufgrund der Tatsache,
dass viele mobile Endgeräte
des Typs GSM 900 MHz im "Dual Mode" betrieben werden, der Dual Mode,
aber auch die Kombinationen, die mit anderen vorhandenen Systemen möglich sind,
existieren kann/können.
Mit dem GSM 900 MHz können
beispielsweise folgende Systeme kombiniert werden: DCS 1800 MHz,
1700 MHz DECT (Digital Enhanced Cordless System), 1900 MHz PCN (Personal
Communication Network) etc.
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Wieder Bezug nehmend auf 1 wird jetzt die Möglichkeit
der Implementierung eines subharmonischen Modulators/Demodulators
des orthogonalen Typs (I, Q) untersucht, der in der Lage ist, das direkt
modulierte/demodulierte Signal von Basisband in Funkfrequenz umzusetzen
und umgekehrt. Dazu reicht es aus, den Richtkoppler HYB-IF zu eliminieren und
die Ports PIFS und PIFI mit
den Ports P3 der Mischer MIX1 und MIX2 zusammenfallen. In der modifizierten
Struktur sollen die Ports P3 zuständig, sein für Komponenten
in Phase I bzw.
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n Quadratur Q, die im Basisband Symbolen entsprechen,
die gemäß einem
generischen Quadratur-Modulationsschema in Quadratur kodiert und durch
Pakete von Informationsbits entstartden sind. Selbstverständlich muss
der Filter IF-PBAS in beiden Mischern MIX1 und MIX2 durch einen
Tiefpassfilter ersetzt werden, der mit dem Sendeimpuls gekoppelt ist.
Wenn die modifizierte Struktur als direkter Modulator verwendet
wird, kommen die Symbole Fund Q bei den Ports P3 an, im entgegengesetzten
Fall – wenn
die modifizierte Struktur als direkter Demodulator verwendet wird – gehen
besagte Komponenten ab.
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Nachdem hier nun spezielle Realisierungsvarianten
der vorliegenden Erfindung aufgezeigt und beschrieben wurden, ist
allerdings anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf
beschränkt bleibt.
Entsprechend qualifizierte Fachleute können andere Ausführurnen
realisieren, ohne über
den Geltungsbereich dieser Erfindung hinauszugehen. Es wird daher
vorausgesetzt, dass die vorliegende Erfindung alle durch die folgenden
Schutzansprüche
abgedeckten Ausführungen
umfasst.