FI114259B

FI114259B - Radiotaajuisen etupään rakenne

Info

Publication number: FI114259B
Application number: FI991604A
Authority: FI
Inventors: Panu Hagstroem
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2004-09-15
Also published as: EP1192726A1; CN1360760A; AU6283600A; DE60036283D1; EP1192726B1; WO2001005048A1; CN1192500C; DE60036283T2; FI991604A; US6961544B1

Description

114259

Radiotaajuisen etupään rakenne

Keksintö koskee viestimen radiotaajuisen etupään integroitua rakennetta. Etupäähän 5 kuuluu ainakin antenni, sekä radiotaajuinen vahvistin ja suodatin lähetys- ja/tai vas-taanottopuolella.

Kaksisuuntaisen radiolaitteen, kuten matkaviestimen, radiotaajuisessa osassa tarvitaan useita suodattimia. Lähetyspuolella on poistettava sekoittimen tuottamia yli-10 määräisiä taajuuskomponentteja, samoin tehovahvistimen tuottamia ylimääräisiä taajuuskomponentteja. Vastaanottopuolella suodattimia tarvitaan perusselektiivisyy-den aikaansaamiseksi, pienikohinaisen esivahvistimen suojaamiseksi ja lähettimen vastaanottokaistalle aiheuttaman kohinan vaimentamiseksi. Lähetys- ja vastaanotto-taajuuksien poiketessa toisistaan, käytetään yleisesti dupleksisuodatinta siirtosuunti-15 en erottamiseksi toisistaan. Antennikytkintä käytetään järjestelmissä, joissa lähetys-ja vastaanottotaajuus on sama, sekä myös järjestelmissä, joissa lähetys ja vastaanotto tapahtuvat sekä eri taajuuksilla että eri ajanhetkinä. Muita toimintayksiköitä radiotaajuisessa etupäässä ovat edellä mainitut vahvistimet, suuntakytkin lähetystehon mittaamiseksi tehonsäätöä varten ja sekoittimet.

20

Peräkkäisten radiotaajuisten yksikköjen integrointi on vaikeaa johtuen lähinnä suodattimien suhteellisen suuresta koosta. Jos esimerkiksi antennikytkin, pienikohinai- * · · *;;; nen esivahvistin LNA (low noise amplifier) ja niiden välinen suodatin integroidaan ··;* samalle sirulle, suodattimen suuri koko edellyttää suhteellisen suuria kytkentälius- 25 koja, joiden aiheuttamat sähköiset hajasuureet ja induktiiviset kytkennät huononta-vat suodattimen selektiivisyyttä. Aktiivisten RF (radio frequency)-yksikköjen välis-,: : sä olevan suodattimen täydellinen integrointi muihin yksikköihin onkin käytännössä Ύ: kannattamatonta.

*;·. 30 Toinen integrointia vaikeuttava seikka johtuu siitä, että kaupallisten komponenttien tulo- ja lähtöimpedanssi on tavallisesti 50Ω modulaarisen suunnittelun helpottamiseksi. RF-piirien tulo- ja lähtöimpedanssien edulliset arvot ovat kuitenkin usein tästä : poikkeavia, esimerkiksi vahvistimen LNA tuloimpedanssin optimaalinen taso on • · * noin 100-200 Ω. Jos vahvistin toteutetaan tällä tuloimpedanssilla, sovitus edeltävän 35 piirin standardi-impedanssiin vaatii erillisen sovituskytkennän. Tämä merkitsee li-.. ”: säystä radiolaitteen kokoon ja hintaan. Lisäksi sovituskytkentä aiheuttaa lisähäviöitä signaalin siirtotiellä, mikä puolestaan merkitsee mm. lyhyempää puheaikaa.

2 114259

Ennestään tunnetaan lukuisia rakenteita, joilla pyritään mahdollisimman suureen RF-piirien integrointiasteeseen. Tekniikan tason mukaiset radiot käsittävät tavallisesti ainakin yhden integroidun komponentin ja siihen/niihin kytkeytyviä erillisiä suodattimia.

5

Patenttijulkaisussa WO 93/14573 on esitetty aikajakomonikäyttöön soveltuva ratkaisu, jossa kaikki lähetin/vastaanottimen aktiiviset komponentit on integroitu yhdeksi piiriksi. Ratkaisun haittana on integroidun piirin ja sen ulkopuolisten suodattimien väliset sovitusongelmat. Lisäksi integroitu piiri ei sisällä suuntakytkintä. Ulko-10 puolinen, suoraan piirilevylle rakennettu suuntakytkin on arka sähköisille häiriöille, vie merkittävästi tilaa piirilevyltä ja aiheuttaa lisäksi vähintään 0,5 dB:n ylimääräisen vaimennuksen lähetinketjussa, mikä vaikuttaa suoraan viestimen virrankulutuk-seen.

15 Julkaisusta US 4 792 939 tunnetaan ratkaisu, jossa duplekseri, lähetin ja vastaanotin on integroitu samalle sirulle. Siinä duplekseri, sekä kaistanpäästösuodatin ja sekoitin on toteutettu SAW (Surface Acoustic Wave) -tekniikalla. Ratkaisun haittana on, että siinä käytettyjen SAW-piirien vaatimat sovituspiirit ovat niin suurikokoisia ja itse SAW-piirit niin häviöllisiä ja tehonkestoltaan lähetystehoon verrattuna niin huonoja, 20 että ratkaisun soveltaminen nykyaikaiseen matkapuhelimeen on mahdotonta.

. Julkaisussa US 5 432 489 on kuvattu ratkaisu, jossa käytetään lähetinhaaran kaistan- • I* *;;; päästösuodattimen kytkennöissä tai sovituspiireissä olevia siirtolinjoja suuntakytki- ‘ ···* men osana. Tällä tavoin suuntakytkin voidaan siirtää piirilevyltä suurtaajuussuodat- 25 timen kotelon suojaan ja pienihäviöiselle substraatille. Ratkaisun etuna on tilan säästö, häiriöalttiuden ja suuntakytkimen aiheuttaman lähetysvaimennuksen piene- t · •, · ’ neminen, mutta haittana, että muilta osin integrointiongelmat jäävät jäljelle.

» *« > * ·

Julkaisusta US 5 903 820 tunnetaan ratkaisu, jossa integroidaan antennisuodatin 30 AFI, antennikytkin ASW, suuntakytkin DCO, pienikohinainen vahvistin LNA, se- , ·;·. koittimet MIX, sekä tehovahvistin PA (power amplifier) yhdeksi kokonaisuudeksi.

• · · Tämä kokonaisuus muodostaa yhden komponentin matkaviestimen piirilevyllä. Ku-: ’·· va la esittää lohkokaaviona mainittua integroitavaa kokonaisuutta 10. Kuvassa Ib on esimerkki piirin 100 käytännön toteutuksesta. Siinä kaikki osat on koottu samalle • _ 35 pienihäviöiselle substraatille S. Tilaa vievimpiä ovat koaksiaaliresonaattorit 11 ja ,’": 12, jotka muodostavat antennisuodattimen AFI olennaisimman osan. Osat sijaitsevat yhteisen, häiriöiltä suojaavan kannen SH sisäpuolella.

3 114259

Kuvan 1 mukaisen rakenteen etuna on, että vahvistimen LNA tulossa ja vahvistimen PA lähdössä sovitusta varten tarvittavien rakenneosien määrä pienenee, koska sovitusta ei tarvitse tehdä 50Ω:η impedanssitasoon. Lisäksi etuina ovat parasiittisten ilmiöiden väheneminen, viestimen piirilevylle ladottavien komponenttien määrän ja 5 piirilevyltä tarvittavan pinta-alan pieneneminen. Haittana rakenteella on, että kuvassa la näkyvät lähetyspuolen kaistanpäästösuodatin 20 ja vastaanottopuolen kaistan-päästösuodatin 30 muodostavat edelleen erilliset yksiköt piirilevyllä. Myös antenni muodostaa erillisen komponentin.

10 Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. Keksinnön mukaiselle rakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

15 Keksinnön perusajatus on seuraava: Viestimen antenni konstruoidaan piirilevylle. Tähän antennipiirilevyyn, sen maatason puolelle, kiinnitetään jäykän suojakehikon avulla toinen piirilevy, jossa ovat radiotaajuisen etupään muut osat. Osien välillä käytetään sähköisen toiminnan kannalta tarkoituksenmukaisia impedanssitasoja. Kaikki mainitut osat yhdessä muodostavat yhtenäisen komponentin, joka sijoitetaan 20 viestimen kuorien sisään.

Keksinnön etuna on, että radiotaajuisten osien välillä sovitusta varten tarvittavien « · · ·.: rakenneosien määrä on pienempi kuin tunnetuissa rakenteissa. Lisäksi keksinnön «· · etuna on, että se mahdollistaa vastaanottimen suuremman herkkyyden verrattuna •. · 25 tunnettuihin rakenteisiin. Esimerkiksi sovituspiirien sisäisen optimoinnin kautta vas- : ·': taanotinhaaran kohinalukua saadaan pienennetyksi ja herkkyyttä parannetuksi. Edel- : *: leen keksinnön etuna on, että se mahdollistaa pienemmät häviöt lähettimessä verrat- *)·; tuna tunnettuihin rakenteisiin. Esimerkiksi tehovahvistimen PA tuloimpedanssin muuttaminen arvosta 50 Ω arvoon 2 Ω helpottaa merkittävästi tehovahvistimen •: ·. 30 suunnittelua ja samalla parantaa tehovahvistimen hyötysuhdetta. Edelleen keksinnön ♦ · I.. etuna on, että sen mukaisesti muodostuu yksittäinen komponentti, joka käsittää koko *. radiotaajuisen etupään antenni mukaanluettuna. Tämä merkitsee viestimien koon *·· pienenemistä ja suunnittelun yksinkertaistumista.

• · · I · » · I · · 35 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan ohei- ” ", siin piirustuksiin, joissa * · kuva la esittää lohkokaaviona esimerkkiä viestimen etupäästä, 4 114259 kuva lb esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta kuvan la etupään käytännön toteutuksesta, kuva 2 esittää lohkokaaviona toista esimerkkiä viestimen etupäästä, 5 kuva 3 a esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennilevystä, kuva 3b esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta toimintamoduulien sijoituksesta ja 10 kuva 4 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta etupäästä komponenttikuvana.

Kuvat la ja Ib selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

15 Kuvassa 2 on lohkokaavio eräästä mahdollisesta viestimen radiotaajuisesta etupäästä. Etupäähän 200 kuuluu antenni 210, dupleksisuodatin 220, pienikohinainen vahvistin 230, kaistanpäästösuodattimet 241 ja 242 sekä tehovahvistin 250. Antenni on kytketty dupleksisuodattimen 220 kaksisuuntaiseen antenniporttiin. Dupleksisuodat-timen vastaanottoportti on kytketty vahvistimen 230 tuloon, ja vahvistimen 230 läh-20 tö on kytketty kaistanpäästösuodattimen 241 tuloon. Suodattimen 241 lähtö on kytketty vastaanottopuolen sekoittimelle, ja suodattimen 242 tulo lähetyspuolen sekoit-timelle. Suodattimen 242 lähtö on kytketty vahvistimen 250 tuloon, ja vahvistimen 250 lähtö dupleksisuodattimen 220 lähetysporttiin.

Λ 25 Seuraavassa selostetaan, miten kuvan 2 mukainen etupää 200 integroidaan keksin-: · ·: nön mukaisesti yhdeksi komponentiksi.

• ·

Kuvassa 3a on esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Olennaista tässä on, että antenni on komponenttina levymäinen. Kuvassa 3 a on antennipiirilevy 310, 30 jonka kuvassa näkymättömällä alapinnalla eli toisella pinnalla on olennaisesti koko levyn laajuinen maataso 311. Piirilevyn 310 yläpinnalla eli ensimmäisellä pinnalla • · \ ’ on tässä esimerkissä kolme säteilevää elementtiä: johdealueet 312, 313 ja 314. Joh-dealueet 312 ja 313 ovat tasomaisia, ja jos niille järjestetään yhteisen syötön lisäksi oikosulut maatasoon, muodostuu kaksitaajuinen PIFA (planar inverted F-antenna) 35 -tyyppinen antenni. Johdealue 314 muodostuu meander-kuvioisesta johtimesta. Se ’ ‘ *:, voidaan järjestää säteilemään jommallakummalla PIFA:n taajuusalueista, tai jollain kolmannella taajuusalueella. Levy 310 on piirretty kuvaan 3a huomattavasti luonnollista kokoaan suurempana.

5 114259

Kuva 3b esittää tapaa koota radiotaajuisen etupään muut toimintayksiköt. Kuvassa näkyy levymäinen kappale 321, joka voi olla piirilevy. Levylle 321 on asennettu neljä moduulia 220, 230, 240 ja 250. Viitenumerot vastaavat kuvan 2 viitenumerolta. Moduuli 220 käsittää dupleksisuodattimen, moduuli 230 pienikohinaisen vahvis-5 timen LNA, moduuli 240 kaistanpäästösuodattimet 241 ja 242, sekä moduuli 250 tehovahvistimen PA. Suodattimet on tässä esimerkissä toteutettu koaksiaaliresonaat-torien avulla. Kuvaan on merkitty yksi resonaattori 325. Kuvassa 3b on esitetty tappimainen johde 323, jolla on tarkoitus järjestää yksi kytkentä levyn 321 ja an-tennipiirilevyn 310 välille. Johde 323 on alapäästään kytketty suodattimelle 220 10 johdeliuskalla 322. Levyn 321 muita kytkentöjä ei kuvassa ole esitetty. Levyn 321 kuvassa näkymätön alapinta on johtava. Myös levy 321 ja sillä olevat moduulit on piirretty huomattavasti luonnollista kokoaan suurempina.

Kuvassa 4 on esimerkki yhdeksi komponentiksi kootusta etupäästä. Komponentti 15 400 käsittää antennipiirilevyn 310, moduulikokoonpanon 320 ja jäykän mekaanisen kehikon 410. Kehikko 410 tukee sekä antennipiirilevyä että levyä 321. Näin muodostuu suojakotelo suodattimille ja vahvistimille. Kuvassa näkyy alaspäin suuntautuva johdin 420, joka on yksi johdin komponentin 400 viestimen muun osan välillä. Kuvassa 4 näkyvät osat ovat mekaanisesti lujia ja lujasti toisiinsa kiinnitettyjä, niin 20 että muodostuva komponentti 400 on kompakti. Luonnolliselta kooltaan se on kuvassa esitettyä pienempi.

«

Esillä oleva keksintö ei rajoitu mihinkään tiettyyn sovellukseen, vaan sitä voidaan • · * · ·; 1 käyttää lähetin/vastaanottimissa erilaisissa sovelluksissa ja eri taajuuksilla ja eri mo- * · · ___ - 1 25 nikäyttömenetelmillä, edullisesti radiotaajuuksilla, kuten UHF ja VHF. Keksinnön ; mukaista ratkaisua voidaan käyttää digitaaliseen aikajakomonikäyttöön : (TDMA/FDMA, TDMA/FDD tai TDMA/TDD) perustuvan järjestelmän tilaajalait- : : teissä, joissa on erillinen tai kotelon yhteyteen liittyvä antenni, autopuhelimissa ja käsipuhelimissa.

30 • ♦ ·

Edellä on kuvattu erästä keksinnön mukaista ratkaisua. Keksintö ei rajoita antenni- / levyn elementtien määrää eikä muotoa. Keksintö ei myöskään rajoita etupäähän : ** kuuluvien radiotaajuisten yksikköjen määrää eikä niiden luonnetta ja sisäistä toteu- • · · *...· tustapaa. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla tavoilla itsenäisten pa- 35 tenttivaatimusten asettamissa rajoissa.

• · ·« ·

Claims

114259

1. Viestimen radiotaajuisen etupään rakenne, joka käsittää toimintayksikköinä antennin, ainakin yhden kaistanpäästösuodattimen ja ainakin yhden vahvistimen, jossa rakenteessa on antennipiirilevy (310), jonka ensimmäisellä pinnalla on anten- 5 nin ainakin yksi säteilevä elementti (312, 313, 314) ja toisella pinnalla johdetaso (311) sekä toinen piirilevy (321), johon mainitut ainakin yksi suodatin ja ainakin yksi vahvistin tukeutuvat, tunnettu siitä, että - se käsittää lisäksi suojakehikon (410) siten, että tämä suojakehikko, antennipiirilevy (310) ja toinen piirilevy (321) muodostavat olennaisesti suljetun tilan, 10. mainitut ainakin yksi suodatin (220, 240) ja ainakin yksi vahvistin (230, 250) si jaitsevat mainitussa suljetussa tilassa, - antennipiirilevy, toinen piirilevy siihen tukeutuvine mainittuine osineen ja suoja-kehikko muodostavat yhtenäisen kiinteän komponentin (400), - toinen piirilevy on ulkopinnaltaan johtava, ja 15. toisen piirilevyn ja antennipiirilevyn välimatka mainitussa komponentissa on olennaisesti pienempi kuin radiotaajuisen etupään mitä tahansa käyttötaajuutta vastaavan aallonpituuden neljännes.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, johon kuuluu sekä lähetys- että vas-taanottopuoli, tunnettu siitä, että mainittuja toimintayksikköjä ovat dupleksisuoda- 20 tin, pienikohinainen vahvistin ja tämän jäljessä vastaanottosuodatin, lähetyssuodatin , t;:' ja tämän jäljessä tehovahvistin, sekä suuntakytkin.

* · * « '" 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, johon kuuluu sekä lähetys- että vas- taanottopuoli, tunnettu siitä, että mainittuja toimintayksikköjä ovat antennisuodatin ja antennikytkin, pienikohinainen vahvistin ja tämän jäljessä vastaanottosuodatin, *·1 1 25 lähetyssuodatin ja tämän jäljessä tehovahvistin, sekä suuntakytkin. i I »

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittuja : ·. 1. toimintayksikköjä ovat lisäksi ainakin lähetys- ja vastaanottopuolen sekoittimet, , · ·, modulaattori, demodulaattori, sekä näihin liittyvät suodattimet. • · * I

· · 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu piirile- • ti· .' 1 ·. 30 vyantenni on monitaajuusantenni, joka käsittää ainakin kaksi säteilevää elementtiä. • · · ; t:

’: 6. Viestin, jossa on radiotaajuinen etupää, joka käsittää toimintayksikköinä an- tennin, ainakin yhden kaistanpäästösuodattimen ja ainakin yhden vahvistimen, jossa rakenteessa on antennipiirilevy, jonka ensimmäisellä pinnalla on antennin ainakin yksi säteilevä elementti ja toisella pinnalla johdetaso sekä toinen piirilevy, johon 114259 mainitut ainakin yksi suodatin ja ainakin yksi vahvistin tukeutuvat, tunnettu siitä, että - radiotaajuinen etupää käsittää lisäksi suojakehikon siten, että tämä suojakehikko, antennipiirilevy ja toinen piirilevy muodostavat olennaisesti suljetun tilan, 5. mainitut ainakin yksi suodatin ja ainakin yksi vahvistin sijaitsevat mainitussa sul jetussa tilassa, - antennipiirilevy, toinen piirilevy siihen tukeutuvine mainittuine osineen ja suoja-kehikko muodostavat yhtenäisen kiinteän komponentin, - toinen piirilevy on ulkopinnaltaan johtava, ja 10. toisen piirilevyn ja antennipiirilevyn välimatka mainitussa komponentissa on olennaisesti pienempi kuin radiotaajuisen etupään mitä tahansa käyttötaajuutta vastaavan aallonpituuden neljännes. 15