FI109382B - Sovituspiiri - Google Patents

Description

109382

Sovituspiiri

Keksinnön ala

Keksinnön kohteena ovat sovituspiiri, jolla radiotaajuinen vahvistin voidaan sähköisesti säätää kuormaan sopivaksi, sekä menetelmä vahvistimen 5 sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtötehotasoilla sovituspii-rillä.

Keksinnön tausta

Radiokanava muuttuu jatkuvasti ajan funktiona. Radiokanavan muutoksia aiheuttaa esimerkiksi monitie-etenemisympäristön muuttuminen ti-10 laajapäätelaitteen liikkuessa. On tärkeää sopeuttaa tilaajapäätelaitteen lähetysteho siten, että signaalin taso on riittävä, jotta tukiasema pystyy signaalin vastaanottamaan ja ilmaisemaan ja että se aiheuttaa muille järjestelmän käyttäjille mahdollisimman vähän häiriöitä. Lähettimissä käytetään tehovahvistimia lähetystehon muuttamiseen halutulle tasolle. Vastaanottimissa käytetään esi-15 vahvistimia vastaanotetun radiokanavassa heikentyneen signaalin tehon vahvistamiseksi. Tilaajapäätelaitteessa ja tukiasemassa olevien vahvistimien läh-tötehoja säädetään radiokanavan muuttuessa. Vahvistimet täytyy lisäksi sovittaa antenniin ja antennin toimintaympäristöön impedanssisovituksella. Perinteisesti lähetinvahvistimen sovituspiiri koostuu vakioarvoisista passiivisista pii-*. 20 rielementeistä. Tällainen sovituspiiri voidaan sovittaa optimitilaan vain yhdelle .* ennalta määrätylle lähtötehotasolle, joksi yleensä valitaan maksimitehotaso.

··· ; Lisäksi jos lähettimen kuuluu toimia laajakaistaisen kaistan millä tahansa halu- • * · > · ' ' tulla kanavalla niin optimaalinen sovitusasetus muuttuu kanavan mukaan.

• < ·

Harmoniset signaalit, joista erityisesti toinen harmoninen signaali on 25 radiotaajuisissa sovelluksissa haitallinen ja jotka aiheutuvat vahvistimen epälineaarisuuksista, aiheuttavat vahvistimen hyötysuhteen huonontumista. Hyöty-suhteen parantamiseksi tyypillisesti esitetty ratkaisu on taajuusselektiivinen pii- * · ···*: ri, joka on viritetty halutulle harmonisen signaalin taajuudelle. Se voidaan tote uttaa yksinkertaisella LC-piirillä (inductance-capacitance), joka resonoi viritet-·;;; 30 tävällä taajuudella oikosulkien täten signaalista harmonisen taajuuden sisältä- vän osan. Tekniikan tason mukaisen toteutuksen ongelmana on se, että toimi-’: akseen tehokkaasti piirillä täytyy olla suuri Q-arvo eli hyvyysluku ja Q-arvon ol- :; lessa suuri piiri toimii optimaalisesti vain pienellä taajuuskaistalla.

Julkaisussa US 5,276,912 on esitetty radiotaajuinen tehovahvistin, 35 jonka lähtöteho vaihtelee. Julkaisussa on esitetty useita eri vaihtoehtoja kuor- 2 109382 maimpedanssin sovittamiseksi lähtötehon mukaan. Ratkaisuvaihtoehdoissa on käytetty esimerkiksi pin-diodeista tai transistoreista koostuvia kytkimiä tai bia-sointijännitteellä ohjattuja kondensaattoreita tai varaktoreja. Esitetyillä ratkaisuilla on kuitenkin ongelmia, esimerkiksi ulostulosignaaliin aiheutuu käytetyistä 5 komponenteista johtuvia häiriöitä, kuten säröä. Lisäksi laitteen kytkeytyessä päälle syntyy äkillisen suuren tehonmuutoksen johdosta suuria jännitevaihtelulta, jolloin täytyy erilaisilla ratkaisuilla suojata arkoja komponentteja. Julkaisussa ei ole myöskään esitetty ratkaisua harmonisten signaalien aiheuttaman | vahvistimen hyötysuhteen huononemisongelmaan.

10 Nykyisin on kehitetty mikroelektromekaanisia MEMS-komponentteja ! (MEMS = microelectromechanical system). Mikroelektromekaaniset (MEMS) komponentit valmistetaan yleensä puolijohdesubstraatille, kuten piille (Si) tai gallium-arseenille (GaAs), koska täten on mahdollista integroida ne yhteen perinteisten puolijohdekomponenttien kanssa valmistustekniikan kehittyessä.

15 Mikroelektromekaanisia (MEMS) komponentteja voidaan valmistaa myös die-lektriselle materiaalille, esimerkiksi alumiinioksidille. MEMS-komponenteissa on pohjamateriaalista ainakin osittain irti oleva rakenne, tyypillisesti kalvomai-nen silta (bridge), joka avaa ja sulkee komponentin virtapiirin. Siltaa ohjataan on-ei-tiloihin ohjausjännitteellä. Ohjausjännite viedään puolijohdesubstraatille 20 seostamalla tehdylle johtavalle kerrokselle, joka muodostaa yhden tai useam-Y: man elektrodin. Elektrodi sijaitsee sillan alapuolella ja sillan asentoa voidaan täten kontrolloida: kun silta koskettaa elektrodia, virtapiiri on suljettu ja kun sil- ; ta ei kosketa elektrodia, virtapiiri on auki. Jos elektrodin päällä on eristeaine- • * * · kerros, silta ei pääse galvaanisesti koskemaan elektrodia. Täten ei ainakaan .···, 25 tasavirralla synny suljettua virtapiiriä. Tällöin kapasitanssi sillan ja elektrodin välillä on suuri. MEMS-teknologialla valmistettuja komponentteja on käytetty lähinnä mustesuihkutulostimien kirjoituspäissä ja antureissa, kuten autojen ilmatyynyjen laukaisumekanismeissa. Radiotaajuuskäytössä on hyödynnetty lä-: · ‘: hinnä MEMS-tekniikalla valmistettuja passiivikomponentteja tilansäästön takia.

30 Keksinnön lyhyt selostus ! Keksinnön tavoitteena on siten toteuttaa menetelmä ja menetelmän :·’ toteuttava laitteisto siten, että radiotaajuinen vahvistin voidaan sovittaa optimi- :.: / tilaan useille eri tehotasoille ja käyttötaajuuksille. Tämä saavutetaan sovituspii- : ’: rillä vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtöteho- 35 tasoilla, joka sovituspiiri käsittää liitynnän ohjaussignaalien vastaanottamiseksi, jotka ohjaussignaalit määrittävät yhden tai useamman kondensaattorin ka- 3 109382 pasitanssia. Keksinnön mukaisessa sovituspiirissä ainakin yksi sovituspiirin kondensaattori on mikroelektromekaaninen (MEMS) kondensaattori, jonka kondensaattorin kapasitanssia ohjaussignaalit säätävät vahvistimen toimimiseksi valitulla taajuudella optimaalisesti kulloisellakin tehotasolla ja siten vah-5 vistin toimii optimaalisesti koko halutulla tehoalueella.

Keksinnön kohteena on myös sovituspiiri vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtötehotasoilla, joka sovituspiiri käsittää yhden tai useamman LC-piirin, eli ainakin yhden kelan ja ainakin yhden kondensaattorin muodostaman sähköisen piirikytkennän, vahvistimen epälineaari-10 suuksista johtuvien harmonisten signaalien virittämiseksi. Keksinnön mukaisessa sovituspiirissä ainakin yksi LC-piirin kondensaattori on säädettävä mikroelektromekaaninen (MEMS) kondensaattori, LC-piiri käsittää liitynnän mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin kapasitanssia säätävien ohjaussignaalien vastaanottamiseksi, ohjaussignaali säätää mikroelektromekaanisen 15 (MEMS) kondensaattorin kapasitanssia siten, että LC-piiri resonoi kulloisenkin viritettävän harmonisen signaalin taajuudella.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtötehotasoilla sovituspiirillä, joka sovituspiiri käsittää liitynnän ohjaussignaalien vastaanottamiseksi, jotka ohjaus-20 signaalit määrittävät yhden tai useamman kondensaattorin kapasitanssia. Kek-(: sinnön mukaisessa menetelmässä säädetään sovituspiirin ainakin yhden mik- roelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin kapasitanssia siten, että vah- • · ; vistin toimii optimaalisesti laajalla lähtötehoalueella.

» I » I

Keksinnön kohteena on myös menetelmä vahvistimen sovittamisek-,···. 25 si kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtötehotasoilla sovituspiirillä, joka so- vituspiiri käsittää yhden tai useamman LC-piirin eli ainakin yhden kelan ja aina-kin yhden kondensaattorin muodostaman sähköisen piirikytkennän, vahvistimen epälineaarisuuksista johtuvien harmonisten signaalien virittämiseksi. Kek- • * · '· ’· sinnön mukaisessa menetelmässä viritetään harmonisia signaaleja LC-piirillä, 30 joka LC-piiri käsittää ainakin yhden säädettävän mikroelektromekaanisen i (MEMS) kondensaattorin, vastaanotetaan mikroelektromekaanisen (MEMS) ,·*·. kondensaattorin kapasitanssia säätäviä ohjaussignaaleja LC-piirissä olevan lii- ” tynnän kautta, säädetään mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin V kapasitanssia ainakin yhdellä ohjaussignaalilla siten, että LC-piiri resonoi kul- :: 35 loisenkin viritettävän harmonisen signaalin taajuudella.

109382 ; 4 ΐ

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että radiotaajuisissa vahvistimissa ja/tai niihin yhdistetyissä harmonisten signaalien virittämiseen tarkoitetuissa LC-pii-5 reissä otetaan käyttöön mikroelektromekaanisia (MEMS) säädettäviä kondensaattoreita. Täten voidaan optimoida hyötysuhde energian siirrossa vahvistimelta kuormaimpedanssille vahvistimen lähtötehon ja käyttötaajuuden vaihdellessa.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja järjestelmällä saavutetaan 10 useita etuja. Keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisella menetelmällä ja järjestelmällä radiotaajuisen vahvistimen sovituspiirin säätämiseksi voidaan vahvistimen optimikuormaimpedanssi sovittaa kuormaimpedanssiin lähtötehon ja käyttötaajuuden muutoksien mukaan. Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisella menetelmällä ja järjestelmällä harmonisten signaalien virit-15 tämiseksi saavutetaan säädettävyyden ansiosta tarkempi ja nopeampi sovitus kulloiseenkin harmoniseen taajuuteen.

MEMS-kondensaattorit ovat erittäin lineaarisia sähköisiltä ominaisuuksiltaan, koska niissä ei ole P/N-rajapintaa (positiivisten ja negatiivisten va-rauksenkuljettajien rajapintaa), ja siten niissä ei synny puolijohdekomponen-20 teille, kuten pin-diodeille ja FET-komponenteille (Field-Effect Transistor), tyypil-..: I lisiä epälineaarisuuksia. Komponentin epälineaarisuus on haitallista, koska se :/.! aiheuttaa signaalin vääristymistä. Lisäksi MEMS-kondensaattorit sietävät hyvin ! :*: suuriakin jännitevaihtelulta ja niillä on hyvä AC-jännitekesto, joten erillisten jän- • · · · nitepiikeiltä suojaavien komponenttien tai piirien tarve vähenee. Lisäksi ,··*. 25 MEMS-kondensaattoreiden häviöt ovat hyvin pieniä ja niiden käyttöikä verrat tuna MEMS-kytkimiin on huomattavan pitkä.

» · ·

Kuvioiden lyhyt selostus :: Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- ‘: teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa .:. 30 kuvio 1 havainnollistaa esimerkkiä tietoliikennejärjestelmästä, ’,'···, kuvio 2 havainnollistaa yksinkertaistetusti yhden tilaajapäätelaitteen rakennetta, :,v kuviot 3a-c havainnollistavat esimerkkejä tunnetun tekniikan mu- kaisten mikroelektromekaanisten (MEMS) kondensaattoreiden rakenteesta ja 35 toiminnasta, 5 109382 kuviot 4a-b havainnollistavat esimerkkiä on-ei-tyyppisen MEMS-kondensaattorin käytöstä sovituspiirissä, kuvio 5 havainnollistaa esimerkkiä viritettävän MEMS-kondensaat-torin käytöstä sovituspiirissä, 5 kuvio 6 havainnollistaa esimerkkiä LC-piiristä sovituspiirin yhteydes sä, kuvio 7 esittää menetelmäaskelia keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon, radiotaajuisen vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin, toteuttamiseksi halutulla taajuudella.

10 Kuvio 8 esittää menetelmäaskelia keksinnön toisen suoritusmuo don, säädettävän harmonisten signaalien viritysmenetelmän, toteuttamiseksi.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 havainnollistetaan yksinkertaistetusti yhtä digitaalista tiedonsiirtojärjestelmää, jossa keksinnön mukaista ratkaisua voidaan soveltaa.

15 Kyseessä on osa solukkoradiojärjestelmästä, joka käsittää tukiaseman 104, joka on yhteydessä 108 ja 110 tilaajapäätelaitteisiin 100 ja 102, jotka voivat olla kiinteästi sijoitettuja, ajoneuvoon sijoitettuja tai kannettavia mukana kuljetettavia päätelaitteita. Tukiaseman 104 lähetinvastaanottimista on yhteys antenni-yksikköön, jolla toteutetaan radioyhteys tilaajapäätelaitteeseen 100, 102. Tuki- *,. 20 asema 104 on edelleen yhteydessä tukiasemaohjaimeen 106, joka välittää päätelaitteiden 100, 102 yhteydet muualle verkkoon tai yleiseen puhelinverk- • * * .* koon. Tukiasemaohjain 106 ohjaa keskitetysti useita siihen yhteydessä olevia ; tukiasemia 104. Tukiasemaohjaimessa 106 sijaitseva ohjausyksikkö suorittaa 1 » 1 » · ‘ ‘ puhelunohjausta, liikkuvuuden hallintaa, tilastotietojen keräystä ja signalointia.

: 25 Kuviossa 2 havainnollistetaan radiojärjestelmän yhtä päätelaitetta, jossa yleensä käytetään radiotaajuisia vahvistimia. Lähettimen vahvistimia kutsutaan yleensä tehovahvistimiksi ja vastaanottimen vahvistimia esivahvistimik-si. Tilaajapäätelaitteen lähetin ja radiojärjestelmän verkko-osan lähetin suorit- i » tavat osittain samoja tehtäviä. Vastaavasti tilaajapäätelaitteen vastaanotin ja ', 30 radiojärjestelmän verkko-osan vastaanotin suorittavat osittain samoja tehtäviä.

I I · ;;; Myös radiojärjestelmän verkko-osassa on tehovahvistimia ja esivahvistimia. Ti- « * ' ; «’ laajapäätelaite voi olla esimerkiksi kannettava puhelin tai mikrotietokone rajoit- tumatta niihin. Kuvattu päätelaite käsittää antennin 200, jota käyttäen sekä lä- ; hetetään että vastaanotetaan signaaleja. Järjestelmässä voi myös olla erilliset i I * 35 antennit lähettimelle ja vastaanottimelle, jolloin ei tarvita lähettimen ja vastaanottimen signaalien erottamiseen duplex-suodatinta. Päätelaite voi käsittää 6 109382 myös useampia antenneja tai moniantennijärjestelmän. Päätelaitteen lähetin-puolella vahvistetaan moduloitu signaali tehovahvistimella 202. Tehovahvisti-mia 202 käytetään erilaisissa elektronisissa laitteissa, kuten radiolaitesovelluk-sissa. Tehovahvistimen 202 tehtävä on vahvistaa siihen sisääntulleen signaa-5 Iin teho kulloiseenkin kuormaan sopivaksi. Lähettimissä tehovahvistimia 202 käytetään vahvistamaan yleensä liian heikkotehoinen lähetettävä signaali riittävälle lähetysteholle. Vastaanottimissa esivahvistimia 206 käytetään vahvistamaan vastaanotettu, radiotiellä heikentynyt, signaali riittävälle tehotasolle ilmaisemista varten. Yleensä tehovahvistin 202 ja esivahvistin 206 täytyy sovit-10 taa toimintaympäristöönsä erilaisin piiriratkaisuin, joiden suunnittelu eli komponenttien tyyppien ja määrien valinta sekä kytkentätavat riippuvat kulloisestakin sovelluskohteesta. Lisäksi tehovahvistimeen 202 ja esivahvistimeen 206 voidaan signaalin vahvistamisen lisäksi myös liittää muita signaalinkäsittelytoi-mintoja, kuten kuvion 2 esimerkissä signaalin ylös- ja alassekoittamiset halu-15 tulle taajuudelle.

Ylössekoitus voidaan suorittaa myös modulaattorissa 204. Ylösse-koituksen jälkeen signaali viedään antennille 200. Kuvion 2 esittämässä esi-:·. merkissä tehovahvistin 202 käsittää myös vahvistimen sovituspiirin. Sovituspii- Y : rin ohjaussignaali on 220. Ohjaussignaaleja 220 voi olla yksi tai useampia. Oh- • ‘ / 20 jaussignaalin avulla säädetään vahvistimien sovituspiirien säädettävien kon- ; densaattoreiden kapasitanssia vahvistimen sovittamiseksi kuormaan eli lähetti- ’ / messä antenniin tai antenneihin. Vahvistin täytyy sovittaa, jottei signaali vah- '··* vietettäessä vääristy, koska signaalin vääristyessä on vaara, että signaalin in- formaatiosisältö muuttuu. Päätelaite käsittää myös modulaattorin 204, joka 25 moduloi kantoaaltoa halutun informaation sisältävällä datasignaalilla valitun modulaatiomenetelmän mukaisesti. Myös päätelaitteen vastaanotinpuolella on " ‘: vahvistin 206, joka vahvistaa antennilta tulevan signaalin. Vastaanottimen vah- \ vistinta kutsutaan yleensä esivahvistimeksi. Myös esivahvistin käsittää sovitus- piirin tai siihen on liitetty sovituspiiri. Kuvion esimerkissä esivahvistimessa 206 *·;·’ 30 vastaanotettu signaali myös alassekoitetaan valitulle välitaajuudelle tai suo- :Y: raan kantataajuudelle. Vastaanottimessa signaali voidaan alassekoittaa myös demodulaattorissa 208. Demodulaattori 208 demoduloi vastaanotetun signaalin, jotta kantoaallosta voidaan erottaa datasignaali.

Tilaajapäätelaitteessa on myös kontrollilohko 216, joka ohjaa pääte-35 laitteen eri osien toimintaa sekä suorittaa tarvittavia toimenpiteitä käyttäjän puheen tai käyttäjän generoiman datan käsittelemiseksi, kuten DSP-prosessoin- 7 109382 nin (Digital Signal Processing), D/A-muuntamisen ja suodatuksen. Kontrolliloh-ko 216 voi myös ohjata erillistä D/A-muunninta 309 tai suoraan elektrodeja 302, 303A, 303B. Kontrollilohko suorittaa myös sekä koodauksen että dekoodauksen, kuten kanava-ja puheenkoodauksen. Lisäksi, mikäli käytössä on ha-5 jaspektrijärjestelmä, kuten UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), kontrollilohko 216 myös ohjaa signaalin spektrin levittämistä valesatun-naisen hajotuskoodin avulla lähetystä varten laajalle kaistalle ja vastaanotetun signaalin koostamista pyrkimällä täten lisäämään kanavan kapasiteettia. Varsinainen spektrin levittäminen tapahtuu tyypillisesti moduloinnin jälkeen ja koos-10 taminen ennen demodulointia. Kontrollilohko 216 myös sovittaa lähetettävän signaalin ja signalointi-informaation käytössä olevan radiojärjestelmän ilmara-japintastandardin mukaisiksi. Kontrollilohko 216 ohjaa säädettävien vahvistimien toimintaa, jotta signaalin lähetysteho on sopiva radiotielle ja jotta vastaanotetun signaalin taso on riittävä ilmaisimelle. Signaalin tehon säätämiseksi 15 sopivalle tasolle käytetään hyväksi kontrolliyksikön 216 suorittamia mittauksia radiojärjestelmän verkko-osan lähettämästä signaalista, kuten bittivirhesuhde-mittauksia, viiveen arviointia ja tehon mittauksia. Kontrollilohkossa 216 suorite-;; ·. taan päätelaitteen toimintaa ohjaava ohjelmisto.

Y j Lisäksi päätelaite käsittää muistin 218, joka käsittää esimerkiksi » ♦ · . ‘ ’ 20 päätelaitteen toimintoja ohjaavan ohjelmiston.

·*' ; Edellä kuvatut päätelaitteen toiminnot voidaan toteuttaa monin ta- ‘ ' voin, esimerkiksi prosessorilla suoritetulla ohjelmistolla tai laitteistototeutuksel- '·· la, kuten erilliskomponenteista rakennetulla logiikalla tai ASIC:illa (Application :...: Specific Integrated Circuit).

25 Päätelaitteen käyttäjäliityntä käsittää kaiuttimen tai kuulokkeen 210, mikrofonin 212, näytön 214 sekä mahdollisesti näppäimistön, jotka ovat yhtey-**": dessä kontrollilohkoon 216.

Tekniikan tason mukaisen MEMS-teknologian avulla saadaan val-·;;; mistettua nopeasti ja laajalla arvoalueella säädettäviä kondensaattoreita, joilla ··· 30 on myös hyvä Q-arvo eli hyvyysluku. Kuvioissa 3a-c on esitetty esimerkki mik- : Y: roelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin rakenteesta ja toiminnasta yk- sinkertaistettujen periaatekuvien avulla. On huomattava, että komponenttiin voi kuulua muitakin rakenneosia, kuten useampia ohjauselektrodeja tai kosketuspintoja RF-kytkentöjen muodostamiseksi. Kuvioissa 3a-b on esitetty yksin-35 kertaistetusti kytkintyyppinen on-ei (on/off) MEMS-kondensaattori. MEMS-kon-densaattorissa on puolijohdekiekon 300 päälle valmistettu elektrodi 302, jonka j 8 109382 pinta on eristemateriaalia. Yleisimmät puolijohdekiekon materiaalit ovat pii (Si) tai gallium-arseeni (GaAs). Elektrodin yläpuolella on johtavasta aineesta, tyypillisesti metallista, kuten alumiinista, valmistettu yleensä kalvomainen rakenne 308. Tämä kalvo 308 muodostaa sillanomaisen rakenteen, joka on kiinnitetty 5 joko molemmista päistään tai vain toisesta päästään paksumpaan metalliker-rokseen 304, 306, joka on maapotentiaali. Elektrodin 302 ja kalvosillan 308 väliin jäävä ilmarako määrittää MEMS-kondensaattorin estotila-kapasitanssin, ei-kapasitanssin, (off-capacitance). Mikäli komponenttiin ei ole kytketty jännitepo-tentiaalia, kalvosillan 308 vetojännitys pitää sen ylhäällä irti elektrodista 302.

10 Kytkettäessä DC-jännite sillan 308 alla olevaan elektrodiin 302, muodostuu positiivisia ja negatiivisia varauksia elektrodiin 302 ja kalvosillan 308 pintaan. Sähköisen vetovoiman ollessa riittävän suuri kalvosilta 308 koskettaa elektrodia 302. Täten elektrodin 302 pinnan eristemateriaali määrittää MEMS-kondensaattorin päästötila-kapasitanssin, on-kapasitanssin (on-capacitance).

15 Koska elektrodin pinnalla on eristeainetta, niin silta koskettaa tätä eristeainetta, ei itse elektrodia, joten silta ei tällöin kosketa galvaanisesti elektrodia. Kuviossa 3c on esitetty yksinkertaistetulla rakennekuvalla sellaisen MEMS-konden-·:·. saattorin toimintaa, missä kapasitanssiarvoa voidaan säätää tietyllä arvoalu-

» · I

| eella. Tässä tapauksessa kuvioiden 3a-b ääritilojen välille voidaan muodostaa 20 erilaisia välikapasitanssiarvoja säätämällä elektrodiin 302 johdettavan DC-jän-: : ; niiteen suuruutta ja siten kalvon 308 etäisyyttä elektrodista. Elektrodin 302 ‘ ‘ avuksi voidaan järjestää apuelektrodeja 303A, 303B, jotka toimivat oleellisesti samalla tavalla kuin elektrodi 302. Jokainen apuelektrodi 303A, 303B on edul- • 11 lisesti kytketty suoraan kontrollilohkon 216 ulostulosignaaliin, tai vaihtoehtoi-25 sesti kontrollilohkon 216 ohjaamaan D/A-muuntimeen 309. Julkaisussa Inter-national Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, John Wiley & Sons, Inc., CAE 9: 362-374, 1999, on esitetty lisätietoa MEMS-kon-densaattoreista. Julkaisu otetaan tähän viitteeksi.

·;;; Kuvioissa 4a-b on esitetty yksinkertainen esimerkki säädettävän ’;·* 30 MEMS-kondensaattorin käytöstä radiotaajuisen vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin. Esitetyssä ratkaisussa voidaan vahvistin sovittaa kah-; ‘ ’ ’: teen eri impedanssisuhteeseen Zpa-|/Z|oacj ja Zpa2/Z|oac|, jotka ovat verrannol lisia kahteen erilaiseen lähtötehotasoon. Zpa-|, 412 on vahvistimen optimikuor-maimpedanssi solmussa 401, kun lähtöteho on suuri, esimerkiksi, kun Zpa<| on 35 1 Ω. Vastaavasti Zpa2, 400 on vahvistimen optimikuormaimpedanssi solmussa 401, kun lähtöteho on pieni. Pieni lähtöteho on esimerkiksi 10 dB pienempi 109382 g kuin suuri lähtöteho, jolloin optimikuormaimpedanssi voi olla esimerkiksi kymmenkertainen, tässä esimerkissä 10 Ω, mikäli vahvistimen DC-syöttöjännite on vakio, kuten tyypillisesti solukkoradiojärjestelmän tilaajapäätelaitteissa. Z|oacj on kuormaimpedanssi 410, joka tässä esimerkissä on 50 Ω . Jos kelojen 402 5 ja 406 sekä kondensaattoreiden 404 ja 408 arvot valitaan sopivasti ja kondensaattori 404 on, kuvioiden 4a-b mukaisesti, on-ei-säädettävä (on/off) MEMS-kondensaattori, impedanssisovitukset voidaan toteuttaa valitsemalla kondensaattorin 404 tila vastaavasti. MEMS-kondensaattorin on-tilassa (on-state) kapasitanssi on suuri ja ei-tilassa (off-state) kapasitanssi on pieni. Suuri kapasi-10 tanssi tarvitaan sovituksessa impedanssista Zpa<| 412 impedanssiin Z|0ac| 410, jolloin impedanssisuhde on suuri. Pieni kapasitanssi tarvitaan sovituksessa impedanssista Zpa2400 impedanssiin Z|oad 410. On huomattava, että edellä esitetyssä esimerkissä voi kondensaattori 408 myös olla MEMS-kondensaattori ja 404 tavallinen kondensaattori tai molemmat kondensaattorit 404 ja 408 voivat 15 olla MEMS-kondensaattoreita. Ohjaussignaaleja 220 voi olla yksi tai useampia. Komponenttien, myös MEMS-kondensaattoreiden, määrät samoin kuin sovituspiirin topologia voivat vaihdella sovelluskohteesta riippuen. Vahvistimen i tai siihen liittyvien piirien suunnittelussa voidaan myös käyttää tarpeen mu- :‘ : kaan muitakin komponentteja, kuten vastuksia ja transistoreja.

; ,· j 20 Kuviossa 5 on esitetty monimutkaisempi esimerkki säädettävän :··: MEMS-kondensaattorin käytöstä vahvistimessa. Kuvion esimerkissä molem- : mat kondensaattorit 404 ja 408 ovat MEMS-kondensaattoreita ja säädettävis- ; sä määrätyllä arvoalueella. Zpa, 514 on vahvistimen optimikuormaimpedanssi solmussa 401. Kahden laajalla arvoalueella säädettävän MEMS-kondensaat-. . : 25 torin avulla voidaan sovittaa useita impedanssiarvoja ja myös reaktiivisia impe- .*··. dansseja. Voidaan myös yhdistellä on-ei-tyyppisiä ja laajalla arvoalueella sää- ’·' dettäviä MEMS-kondensaattoreita samaan sovellukseen. Komponenttien mää- rät samoin kuin sovituspiirin topologia voivat myös vaihdella sovelluskohteesta riippuen. Vahvistimen tai siihen liittyvien piirien suunnittelussa voidaan myös 30 käyttää tarpeen mukaan muitakin komponentteja, kuten vastuksia ja transisto-,···. reja. Kaksinaisella, on-ei-kondensaattorilla saadaan suurempi ääriarvoero, eli kapasitanssien) tilojen on -ei välillä, kuin useisiin eri tiloihin säädettävällä kondensaattorilla. Kumpi kondensaattorityyppi valitaan riippuu sovelluskohteesta: tarvitaanko suuri kapasitanssiero vai useita eri kapasitanssiarvoja. Myös eri 35 tyyppien yhdisteleminen samaan vahvistimeen tai siihen liittyvään piiriin on mahdollista.

10 109382

Vaikka radiotaajuisen vahvistimen sovitus saattaa muuttua satunnaisesti, niin käytetyn kanavan taajuus on kuitenkin aina kiinteä. Tämä taajuus on ohjaimen 216 tiedossa ja D/A muunnin 309 ohjaa lisäelektrodin 303A avulla MEMS-kondensaattorin peruskapasitanssia sopivaksi. Kuvassa 3C on myös-5 kin esitetty toinen edullinen yksinkertainen toteutustapa jossa ohjain 216 ohjaa tarvittavan määrän ohjausbittien ja lisäelektrodien 303A, 303B avulla MEMS-kondensaattorin peruskapasitanssia. Elektrodin 302 avulla sovitetaan edelleenkin radiotaajuusvahvistin muiden muuttujien, kuten käytetyn lähetystehon, mukaan. Muuttamalla vähintään yhden MEMS kondensaattorin peruskapasi-10 tanssia voidaan yksinkertaisesti järjestää optimaalinen sovitus riippumatta käytetystä kanavasta. Tällainen lisäohjaus on erityisen edullinen laajakaistaisten radiotaajuisten vahvistimien yhteydessä missä käytetty kanava on valittavissa laajalta taajuuskaistalta.

Kuviossa 6 on esitetty esimerkki vahvistimesta ja siihen yhdistetystä 15 harmonisia signaaleja virittävästä LC-piiristä eli ainakin yhden kelan ja ainakin yhden kondensaattorin muodostamasta sähköisestä piirikytkennästä. LC-piire-jä voi olla yksi tai useampia. Vahvistin tuottaa tyypillisesti harmonisia taajuuk-:·. siä johtuen käytetyistä komponenteista. Harmoniset taajuudet, erityisesti toi- nen harmoninen, ovat yleensä ei-toivottuja, koska ne aiheuttavat esimerkiksi , ' / 20 tehohäviöitä. Vahvistimen hyötysuhteen parantamiseksi harmoniset signaalit • ; tai jokin niistä viritetään. Tyypillinen ratkaisu on taajuusselektiivinen piiri, joka ' on viritetty toisen harmonisen signaalin taajuudelle. Se voidaan toteuttaa tek- nilkan tason mukaisesti yksikertaisella LC-piirillä, joka resonoi toisen harmoni-·.,.· sen signaalin taajuudella oikosulkien täten signaalista sen osan, joka sisältää 25 toisen harmonisen taajuuden. LC-piiri muodostuu yleensä yhdestä kelasta ja yhdestä kondensaattorista, jotka on kytketty joko sarjaan, kuten kuvassa tai rinnan. Tekniikan tason mukaisen toteutuksen ongelmana on, että piiri toimii tehokkaasti vain kapealla taajuusalueella. Käyttämällä LC-piirissä MEMS-kon-densaattoria voidaan säädettävyyden ansiosta saavuttaa myös laaja taajuus-·’ 30 alue harmonisen taajuusalueen ympärillä virittämällä piiriä sähköisesti. Kuvios- : sa 6 ensimmäisen LC-piirin kela on 600 ja säädettävä MEMS-kondensaattori on 602 sekä toisen LC-piirin kela on 604 ja säädettävä MEMS-kondensaattori on 606, joita säätävä ohjaussignaali 220 voi olla sama tai eri. Tässä sovelluksessa laajalla arvoalueella säädettävän kondensaattorin käyttö verrattuna on-35 ei-tyyppisen kondensaattoriin on yleensä edullisempaa, koska siten piiri voidaan säätää resonoimaan tarkemmin eri harmonisille taajuuksille. Mikäli 11 109382 MEMS-kondensaattorin säätöalue on riittävän laaja, LC-piiri voidaan säätää resonoimaan myös esimerkiksi kolmannen harmoonisen signaalin taajuudelle.

Kuviossa 7 on esitetty vuokaaviona menetelmäaskeleet vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin sovituspiirillä lähtötehon vaihdellessa. So-5 vituspiiri käsittää yhden tai useampia MEMS-kondensaattoreita ja liitynnän MEMS-kondensaattoreiden kapasitanssia säätävän ohjaussignaalin vastaanottamiseksi. Menetelmä alkaa lohkosta 700. Lohkossa 701 säädetään MEMS-kondensaattorin peruskapasitanssi sopivaksi käytetylle kanavalle. Seuraavaksi lohkossa 702 säädetään sovituspiirin mikroelektromekaanisten (MEMS) kon-10 densaattoreiden kapasitanssia siten, että vahvistin toimii optimaalisesti kulloisellakin lähtötehotasolla. Säätö on luonteeltaan toistuvaa, eli nuolen 703 mukaisesti toistetaan lohkon 702 toimintaa. Kun MEMS-kondensaattorin kapasitanssia säädetään lähtötehon muuttuessa, saadaan vahvistin toimimaan optimaalisesti laajalla tehoalueella. Säädettävät MEMS-kondensaattorit voivat olla 15 on-ei-tyyppisiä tai tietyllä arvoalueella säädettäviä. Sovituspiirissä voidaan käyttää vain jomman kumman tyyppisiä MEMS-kondensaattoreita tai erilaisia yhdistelmäratkaisuja, joissa käytetään molempia komponenttityyppejä. Nuoli :·. 704 kuvaa menetelmän toistettavuutta aina lähtötehon muuttuessa. Menetel- j män suorittaminen loppuu lohkoon 706.

• · , / 20 Kuviossa 8 on esitetty vuokaaviona menetelmäaskeleet harmonis- : ; ten signaalitaajuuksien virittämiseksi. Menetelmän suorittaminen alkaa lohkos- ' / ta 800. Seuraavaksi lohkossa 802 viritetään harmonisia signaaleja LC-piirillä, jossa on yksi tai useampia MEMS-kondensaattoreita. Lohkossa 804 vastaan-otetaan MEMS-kondensaattoreiden kapasitansseja säätävää ohjaussignaalia 25 LC-piirissä olevan liitynnän kautta. Lopuksi lohkossa 806 säädetään MEMS-; kondensaattorin kapasitanssia siten, että LC-piiri resonoi kulloisenkin harmoni- • sen signaalin taajuudella. Menetelmän suorittaminen loppuu lohkoon 808.

ί I »

Nuoli 810 kuvaa menetelmän toistettavuutta harmonisen signaalin taajuuden muuttuessa.

;·’ 30 Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten V: mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan si- tä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (12)

109382

1. Sovituspiiri vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtötehotasoilla, joka sovituspiiri käsittää liitynnän ohjaussignaalien vastaanottamiseksi, jotka ohjaussignaalit määrittävät yhden tai useamman 5 kondensaattorin kapasitanssia, tunnettu siitä, että ainakin yksi sovituspiirin kondensaattori on mikroelektromekaaninen (MEMS) kondensaattori (404, 408), jonka kondensaattorin kapasitanssia ohjaussignaalit (220) säätävät vahvistimen toimimiseksi valitulla taajuudella optimaalisesti kulloisellakin tehotasolla ja siten vahvistin toimii optimaalisesti koko 10 halutulla tehoalueella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sovituspiiri, tunnettu siitä, että sovituspiiriin on liitetty yksi tai useampi LC-piiri eli ainakin yhden kelan ja ainakin yhden kondensaattorin muodostama sähköinen piirikytkentä (600, 602, 604, 606), vahvistimen epälineaarisuuksista johtuvien harmonisten signaalien 15 virittämiseksi käsittäen ainakin yhden säädettävän mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin (602, 606), jonka kondensaattorin kapasitanssia ohjaussignaalit (220) säätävät siten, että LC-piiri (600, 602, 604, 606) resonoi ; kulloisenkin viritettävän harmonisen signaalin taajuudella.

• 3. Sovituspiiri vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vah- : : 20 vistimen eri lähtötehotasoilla, joka sovituspiiri käsittää yhden tai useamman LC-piirin, eli ainakin yhden kelan ja ainakin yhden kondensaattorin muodosta- :, j man sähköisen piirikytkennän, vahvistimen epälineaarisuuksista johtuvien har- : ’monisten signaalien virittämiseksi, tunnettu siitä, että ainakin yksi LC-piirin (600, 602, 604, 606) kondensaattori on sää- . . : 25 dettävä mikroelektromekaaninen (MEMS) kondensaattori (602, 606), .'··! LC-piiri käsittää liitynnän mikroelektromekaanisen (MEMS) konden- * ·' saattorin (602, 606) kapasitanssia säätävien ohjaussignaalien (220) vastaan- ottamiseksi, ohjaussignaali (220) säätää mikroelektromekaanisen (MEMS) kon-30 densaattorin (602, 606) kapasitanssia siten, että LC-piiri (600, 602, 604, 606) resonoi kulloisenkin viritettävän harmonisen signaalin taajuudella.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen sovituspiiri, tunnettu siitä, että mikroeletromekaanisen (MEMS) kondensaattorin peruskapasitanssi säädetään sopivaksi käytetylle kanavalle. 109382

5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen sovituspiiri, tunnettu siitä, että MEMS-kondensaattorit (404, 408, 602, 606) ovat on-ei-tyyp-pisesti säädettäviä.

6. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen sovituspiiri, t u n -5 n e 11 u siitä, että MEMS-kondensaattorit (404, 408, 602, 606) ovat säädettävissä useaan eri arvoon asetetulla arvoalueella.

7. Menetelmä vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vahvistimen eri lähtötehotasoilla sovituspiirillä, joka sovituspiiri käsittää liitynnän ohjaussignaalien vastaanottamiseksi, jotka ohjaussignaalit määrittävät yhden 10 tai useamman kondensaattorin kapasitanssia, tunnettu siitä, että (702) säädetään sovituspiirin ainakin yhden mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin kapasitanssia siten, että vahvistin toimii optimaalisesti laajalla lähtötehoalueella.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että viritetään vahvistimen epälineaarisuuksista johtuvia harmonisia signaaleja sovituspiiriin liitetyllä yhdellä tai useammalla LC-piirillä eli ainakin yhden kelan ja ainakin yhden kondensaattorin muodostamalla sähköisellä piirikytkennällä, :·. joka LC-piiri käsittää ainakin yhden säädettävän mikroelektromekaanisen Ti (MEMS) kondensaattorin, jonka kondensaattorin kapasitanssia ohjaussignaalit , / 20 säätävät siten, että LC-piiri resonoi kulloisenkin viritettävän harmonisen sig- naalin taajuudella.

' ’ 9. Menetelmä vahvistimen sovittamiseksi kuormaimpedanssiin vah- vistimen eri lähtötehotasoilla sovituspiirillä, joka sovituspiiri käsittää yhden tai useamman LC-piirin eli ainakin yhden kelan ja ainakin yhden kondensaattorin 25 muodostaman sähköisen piirikytkennän, vahvistimen epälineaarisuuksista joh-: ·. i tuvien harmonisten signaalien virittämiseksi, tunnettu siitä, että (802) viritetään harmonisia signaaleja LC-piirillä, joka LC-piiri käsittää ainakin yhden säädettävän mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaat- I I * ;; torin, ··’ 30 (804) vastaanotetaan mikroelektromekaanisen (MEMS) konden- : saattorin kapasitanssia säätäviä ohjaussignaaleja LC-piirissä olevan liitynnän *; kautta, (806) säädetään mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin kapasitanssia ainakin yhdellä ohjaussignaalilla siten, että LC-piiri resonoi kul-35 loisenkin viritettävän harmonisen signaalin taajuudella. 109382

10. Patenttivaatimuksen 7, 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että säädetään mikroelektromekaanisen (MEMS) kondensaattorin (404, 408) peruskapasitanssi sopivaksi käytetylle kanavalle.

11. Patenttivaatimuksen 7, 8, 9 tai 10 mukainen menetelmä, t u n -5 n e 11 u siitä, että MEMS-kondensaattorit ovat on-ei-tyyppisesti säädettäviä.

12. Patenttivaatimuksen 7, 8, 9 tai 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että MEMS-kondensaattorit ovat säädettävissä useaan eri arvoon asetetulla arvoalueella. »* * 109382 I 15