WO2009141358A1

WO2009141358A1 - Schaltung zur impedanzanpassung

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Publication number: WO2009141358A1
Application number: PCT/EP2009/056092
Authority: WO
Inventors: Patrick Scheele; Matthias Schmidt
Original assignee: Epcos Ag
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2009-11-26
Also published as: JP5908539B2; JP2014239486A; US8400233B2; US20130005288A1; DE102008024482A1; DE102008024482B4; JP2011521577A; US20110090021A1

Abstract

Es wird eine Schaltung zur Impedanzanpassung (A) angegeben, bei der zwischen einem Eingang (IN) und einem Ausgang (OUT) vier Impedanzelemente (Z1, Z2, Z3, Z4) angeordnet sind. Dabei sind zwei der Impedanzelemente (Z1, Z2) in einem Hauptzweig seriell verschaltet und bilden mit einer dritten Komponente (Z3) eine T-Konfiguration. Zudem ist eine weitere Komponente (Z4) zum Hauptzweig der Schaltung parallel verschaltet. Beispielsweise sind die im Hauptzweig angeordneten Komponenten (Z1, Z2) variable Kapazitäten (C1, C2) und die weiteren Komponenten (Z3, Z4) Induktivitäten (L1, L2). Mittels dieser Schaltung kann für mehrere Frequenzbänder die Impedanz einer Last (L) an die Impedanz eines Generators (G) angepasst werden. Weiterhin wird eine Schaltungsanordnung angegeben, die mehrere derartige Schaltungen (A) in paralleler oder serieller Verschaltung aufweist. Insbesondere eignen sich derartige Schaltungen zur Anpassung der Impedanz eines Leistungsverstärkers an die Impedanz einer Antenne in einem Mobilfunkgerät.

Description

Schaltung zur Impedanzanpassung

Die Impedanz einer Antenne ist von ihrer räumlichen Umgebung abhängig. Daher unterliegt diese Impedanz insbesondere bei Mobilfunkgeräten starken Schwankungen. Die abgestrahlte

Wirkleistung eines Mobilfunkgerätes hängt jedoch stark davon ab, inwieweit die Impedanz der Antenne an die Impedanzen damit verbundener weiterer elektrischer Komponenten, wie beispielsweise eines Leistungsverstärkers, angepasst ist. Weiterhin ist die Impedanz elektrischer Komponenten auch von der Frequenz eines übertragenen Signals abhängig.

Im Mobilfunkbereich werden mehrere Frequenzbänder zur Signalübertragung genutzt. Zur Erzielung einer maximalen abgestrahlten Wirkleistung ist es erforderlich, die

Impedanzen in mehreren genutzten Frequenzbändern anzupassen.

In der Druckschrift US 7,202,747 B2 wird eine Schaltung zur Impedanzanpassung beschrieben.

Eine zu lösende Aufgabe ist es, eine Schaltung anzugeben, mit der die Impedanz eines Generators möglichst flexibel an die Impedanz einer Last angepasst werden kann.

Es wird eine Schaltung zur Impedanzanpassung angegeben. Die Schaltung weist einen Eingang auf, der beispielsweise mit einem Generator verbunden werden kann, und einen Ausgang, der beispielsweise mit einer Last verbunden werden kann. In einem Mobilfunkgerät kann dies einem Leistungsverstärker als Generator und einer Antenne als Last entsprechen. Die Antenne kann jedoch auch als Generator dienen und die Last dem Eingang eines Empfängers entsprechen. Die Schaltung weist mehrere Komponenten auf, die jeweils durch eine effektive Impedanz beschrieben werden können. Dabei kann sich jede der Komponenten aus einem oder aus mehreren elektrischen Bauteilen zusammensetzen. Durch das Zusammenwirken der Impedanzen der elektrischen Bauteile ergibt sich eine effektive Impedanz der Komponente. Im Folgenden wird eine derartige Komponente auch Impedanzelement genannt .

In einem Hauptzweig zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Schaltung sind zwei Impedanzelemente seriell miteinander verschaltet. Ein drittes Impedanzelement ist dazu derart verschaltet, dass sich eine T-Konfiguration ergibt. Zudem umfasst die Schaltung ein weiteres Impedanzelement, das zum Hauptzweig der Schaltung parallel verschaltet ist.

Diese Konfiguration ermöglicht eine flexible Auslegung einer Schaltung zur Impedanzanpassung und eine Optimierung und insbesondere Vergrößerung des nutzbaren Frequenzbereichs.

Vorzugsweise ist jedes der Impedanzelemente unabhängig von den anderen Impedanzelementen aus der Menge der Induktivitäten, Kapazitäten und Leitungen gewählt oder ist aus mehreren derartigen elektrischen Bauteilen zusammengesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die im Hauptzweig angeordneten Impedanzelemente als Kapazitäten und das dritte und das weitere Impedanzelement als Induktivitäten ausgebildet .

Vorzugsweise ist wenigstens ein Impedanzelement einstellbar. Beispielsweise kann bei wenigstens einer der Kapazitäten der Kapazitätswert eingestellt werden. Unter Einstellbarkeit sind hier zumindest zwei verschiedene Kapazitätswerte zu verstehen, zwischen denen während des Betriebs der Schaltung ausgewählt bzw. hin und her geschaltet werden kann. Vorteilhaft umfasst die Einstellbarkeit eine Vielzahl möglicher Kapazitätswerte. In einer Ausführungsform sind die Kapazitätswerte beider Kapazitäten stufenlos in einem bestimmten Einstellbereich variabel.

Mittels derartiger variabler Kapazitäten lässt sich die Impedanz einer Last flexibel an die Impedanz eines Generators anpassen. Beispielsweise kann so die Wirkleistung innerhalb eines möglichst großen Abstimmbereichs der Lastimpedanzen optimiert werden. Insbesondere ist es möglich, bei einer Veränderung der Impedanz der Last oder des Generators eine Abstimmung der Impedanzen zu erzielen, ohne dass einzelne Schaltungselemente zu- oder abgeschaltet werden müssen. In diesem Fall kann sich eine besonders kostengünstige und platzsparende Schaltung zur Impedanzanpassung ergeben.

Der Abstimmbereich der Schaltung kann durch eine geeignete

Wahl der Kapazitäten und der Induktivitäten optimiert werden. Insbesondere wird er von der Größe der Einstellbereiche für die Kapazitäten und von der Feinheit der Stufung zwischen den einstellbaren Kapazitätswerten bestimmt. Eine variable Kapazität kann als geschalteter Kondensator ausgeführt sein, bei dem die Kapazitätswerte zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert beispielsweise in binärer Stufung verstellt werden können. Ein Beispiel für eine geschaltete Kapazität ist eine MEMS-Kapazität . In einer weiteren Ausführungsform wird eine Kapazität eingesetzt, deren Kapazitätswert innerhalb eines Einstellbereichs stufenlos variiert werden kann. Beispielsweise ist dies bei einem Varaktor auf der Basis von Halbleitern oder Ferroelektrika möglich, der in der Schaltung als stufenlos variierbare Kapazität eingesetzt werden kann.

In einer Ausführungsform weisen die beiden Kapazitäten des Hauptzweigs identische Einstellbereiche auf. Die Verwendung gleicher Bauteile reduziert die Komplexität der Schaltung und die Herstellungskosten.

Alternativ dazu können die Kapazitäten unterschiedliche Einstellbereiche aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kapazitäten und die Induktivitäten so gewählt, dass die Impedanzen innerhalb mehrerer Frequenzbänder gleichzeitig angepasst werden können. Dies ist insbesondere bei Mobilfunkgeräten vorteilhaft, bei denen mehrere Frequenzbänder genutzt werden.

Weiterhin wird eine Schaltungsanordnung angegeben, die mehrere Schaltungen zur Impedanzanpassung umfasst.

In einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung mindestens zwei miteinander seriell verschaltete Schaltungen zur Impedanzanpassung auf.

Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Impedanz innerhalb mehrerer, z. B. zweier, Frequenzbänder angepasst werden soll. In Fall zweier Frequenzbänder umfasst die Schaltungsanordnung beispielsweise zwei Schaltungen zur Impedanzanpassung, die seriell miteinander verschaltet sind. Eine erste Schaltung ist dabei so dimensioniert, dass sie zur Anpassung der Impedanz im ersten Frequenzband verwendet werden kann. Bei einer geeigneten Schaltungsdimensionierung bewirkt die Schaltung für ein zweites Frequenzband keine signifikante Änderung der Impedanzen. Diese Schaltung stellt somit ein Durchgangselement für das zweite Frequenzband dar. Mittels einer geeignet dimensionierten zweiten Schaltung kann eine Anpassung der Impedanz im zweiten Frequenzband erzielt werden. Diese weitere Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass sie sich nicht signifikant auf die Impedanzanpassung im ersten Frequenzband auswirkt und daher für das erste Frequenzband ein Durchgangselement darstellt.

In einer weiteren Ausführungsform weist die

Schaltungsanordnung mindestens zwei miteinander parallel verschaltete Schaltungen zur Impedanzanpassung auf.

Eine derartige Schaltungsanordnung kann ebenfalls zur gleichzeitigen Anpassung der Impedanz in zwei

Frequenzbereichen verwendet werden. Beispielsweise sind die Impedanzelemente der ersten Schaltung so gewählt, dass sie zur Anpassung der Impedanz in einem ersten Frequenzband genutzt werden kann, jedoch für das zweite Frequenzband eine Bandsperre darstellt. Dazu sind die Ein- und

Ausgangsimpedanzen der Schaltung so gewählt, dass ihre Realteile sehr viel größer als die Realteile der Generator- und Lastimpedanzen sind. Eine hierzu parallel geschaltete zweite Schaltung ist so dimensioniert, dass sie für das erste Frequenzband eine Bandsperre darstellt und für das zweite Frequenzband zur Impedanzanpassung eingesetzt werden kann.

Mittels einer derartigen Schaltungsanordnung lässt sich somit eine gleichzeitige Impedanzanpassung innerhalb mehrerer Frequenzbänder erzielen.

Im Folgenden werden die angegebenen Schaltungen zur Impedanzanpassung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen, nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematisch die Anordnung einer Schaltung zur Impedanzanpassung zwischen einem Generator und einer

Last,

Figur 2 eine Schaltung zur Impedanzanpassung mit vier

Impedanzelementen,

Figur 3 eine Schaltung zur Impedanzanpassung mit zwei Kapazitäten und zwei Induktivitäten,

Figur 4A im Smith-Diagramm und im kartesischen Koordinatensystem die optimalen Lastimpedanzen bei einer Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 für eine erste Frequenz,

Figur 4B im Smith-Diagramm und im kartesischen Koordinatensystem die optimalen Lastimpedanzen bei einer Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 für eine zweite Frequenz,

Figuren 5A und 5B im Smith-Diagramm und im kartesischen Koordinatensystem die optimalen Lastimpedanzen bei einer Schaltung bestehend aus einer T-Konfiguration für die Frequenzen gemäß der Figuren 4A und 4B,

Figuren 6A und 6B im Smith-Diagramm und im kartesischen Koordinatensystem die optimalen Lastimpedanzen bei einer weiteren Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 für zwei Frequenzen, Figuren 7A und 7B im Smith-Diagramm und im kartesischen

Koordinatensystem die optimalen Lastimpedanzen bei einer weiteren Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 für zwei Frequenzen,

Figuren 8A bis 8G die optimalen Lastimpedanzen bei einer Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 für verschiedene Frequenzen.

Figur 1 zeigt schematisch einen Generator G, der mit einer

Last L über eine Schaltung zur Impedanzanpassung A verbunden ist. Die Schaltung zur Impedanzanpassung A wird auch als Anpassnetzwerk bezeichnet. Bei einem Mobilfunkgerät entspricht der Generator G beispielsweise dem Ausgang eines Leistungsverstärkers und die Last L einer Antenne. Der

Generator G liefert eine Wechselspannung ug und kann durch die komplexe Generatorimpedanz Z_Q beschrieben werden. Die Last L wird durch ihre komplexe Lastimpedanz Z^ beschrieben. Der Generator gibt über den Eingang IN eine erste Wirkleistung P_]_ an das Anpassnetzwerk ab. Dieses gibt über den Ausgang OUT eine zweite Wirkleistung P2 an die Last L ab. Mittels der Schaltung zur Impedanzanpassung soll die an die Last abgegebene Wirkleistung P2 maximiert und damit die reflektierte Leistung minimiert werden.

Die reflektierte Leistung kann durch einen Eingangsreflexionsfaktor RJN und einen Ausgangsreflexionsfaktor RouT beschrieben werden. An der Generatorseite liegt eine Gesamtschaltung mit der Eingangsimpedanz Z_j^ und einem normierten Eingangsreflexionsfaktor RJN an. Der Eingangsreflexionsfaktor R_j^ ist dabei auf die Generatorimpedanz Z_Q normiert. An der Lastseite liegt dem entsprechend eine Ausgangsimpedanz Z_QUT beziehungsweise eine Gesamtschaltung mit einem Ausgangsreflexionsfaktor R_QUT ^an • Der Ausgangsreflexionsfaktor RouT ist dabei üblicherweise auf die Ausgangsimpedanz Z_QUJ¹ bezogen. Der Reflexionsfaktor RJ_N ist definiert als R_1N = (Z_1N - Z_G*) / (Z_1N + Z_Q) . Der Ausgangsreflexionsfaktor ist analog dazu definiert als RouT ⁼ ⁽²OUT ^{" 2}L*⁾ / ⁽²OUT + ²L⁾ •

Bei einem idealen, verlustfreien Anpassnetzwerk A lauten die gleichzeitig zu erfüllenden Bedingungen für reflexionsfreie Anpassung am Ein- und Ausgang ZJ_N (A, ZJJ = Z_Q* und Z_QU_Ϊ ¹ (A, Z_Q) = Z^*. In diesem Fall gibt der Generator G seine maximal mögliche Wirkleistung P_j an das Anpassnetzwerk ab, das wiederum die maximal mögliche Wirkleistung P2 an die Last abgibt. Solch ein ideales, verlustfreies Anpassnetzwerk ist technisch jedoch nicht realisierbar.

Im Fall eines nicht vollkommen verlustfreien Anpassnetzwerks kann nur eine der beiden Bedingungen erfüllt werden. Dies bedeutet, es kann entweder eine reflexionsfreie Anpassung der Impedanz zwischen dem Generator und dem Eingang des

Anpassnetzwerks oder eine reflexionsfreie Anpassung zwischen dem Ausgang des Anpassnetzwerks und der Last realisiert werden .

Zur Ermittlung des Abstimmbereichs eines Anpassnetzwerks A kann beispielsweise eine reflexionsfreie Anpassung am Eingang des Anpassnetzwerkes gefordert werden. Zur Berechnung wird vorausgesetzt, dass die Generatorimpedanz Z_Q und damit auch die Eingangsimpedanz ZJ_N konstant sind. Daraus lassen sich diejenigen Lastimpedanzen ermitteln, für die eine reflexionsfreie Anpassung zwischen Generator und Anpassnetzwerk erfüllt ist, d.h. für die RJ_N = 0 gilt. Diese Lastimpedanzen werden im Folgenden auch optimale Lastimpedanzen ZJ_{J Q}PT genannt. Alternativ dazu kann eine reflexionsfreie Anpassung am Ausgang des Anpassnetzwerkes gefordert werden. Hier wird bei der Berechnung des Abstimmbereiches vorausgesetzt, dass die Lastimpedanz ZL und damit die Ausgangsimpedanz Z_QUT konstant sind. Daraus lassen sich optimale Generatorimpedanzen ermitteln, die zu einer reflexionsfreien Anpassung zwischen dem Ausgang des Anpassnetzwerks und der Last, d.h. zu RoUT ⁼ 0 führen .

Figur 2 zeigt eine Schaltung zur Impedanzanpassung A, bei der zwischen einem Eingang IN und einem Ausgang OUT in einem Hauptzweig zwei Impedanzelemente Zl und Z2 seriell verschaltet sind. Diese Impedanzelemente bilden zusammen mit einem dritten Impedanzelement Z3 eine T-Konfiguration . Parallel zum Hauptzweig ist zwischen Eingang IN und Ausgang OUT ein viertes Impedanzelement Z4 geschaltet.

Die Impedanzelemente Zl, Z2, Z3, Z4 sind beispielsweise Kapazitäten, Induktivitäten oder Leitungen. Jedes Impedanzelement kann auch aus mehreren derartigen Elementen zusammengesetzt sein, die sich durch eine effektive Gesamtimpedanz beschreiben lassen.

Figur 3 zeigt eine Schaltung zur Impedanzanpassung A, bei der die im Hauptzweig seriell verschalteten Impedanzelemente Zl, Z2 als Kapazitäten Cl, C2 ausgebildet sind. Das dritte und das weitere Impedanzelement stellen Induktivitäten Ll und L2 dar .

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Kapazitäten Cl und C2 Elemente mit verstellbaren Kapazitätswerten. Durch den Einsatz von variablen Impedanzelementen können die Eigenschaften des Anpassnetzwerkes A und insbesondere dessen Abstimmbereich verändert werden.

Am Eingang des Anpassnetzwerkes A liegt beispielsweise ein Generator mit einer Generatorimpedanz Z_Q = 50 Ω an. Es sind auch komplexe Generatorimpedanzen möglich. Am Ausgang liegt beispielsweise eine Last mit einer Lastimpedanz Z^ an. Der Abstimmbereich eines derartigen Anpassnetzwerkes A ergibt sich beispielsweise aus der Forderung einer reflexionsfreien Anpassung am Eingang, d.h. es soll gelten: Z_j^* = Z_Q = 50 Ω und RJN = 0.

In den Figuren 4A, 4B, 6A, 6B, 7A, 7B und 8A-8G sind für verschieden dimensionierte Anpassnetzwerke gemäß Figur 3 optimale Lastimpedanzen Z^ _QPT aufgetragen, bei denen eine reflexionsfreie Anpassung am Eingang auftritt. Zum Vergleich dazu sind in den Figuren 5A und 5B optimale Lastimpedanzen ²L OPT aufgetragen, die sich bei einer Schaltung ergeben, die nur aus einer T-Konfiguration ohne weiteres paralleles Impedanzelement besteht.

In den Figuren 4A bis 8G sind die optimalen Lastimpedanzen Z^ OPT jeweils in einem Smith-Diagramm und in einem kartesischen Koordinatensystem aufgetragen. Aus der Darstellung einer optimalen Lastimpedanz Z^ _QPT i-^m Smith- Diagramm lässt sich der zugehörige Reflexionsfaktor und das Stehwellenverhältnis VSWR (engl. Voltage Standing Wave Ratio) ermitteln. Hier sind die optimalen Lastimpedanzen Z^ _QPT jeweils auf eine Bezugsimpedanz von 50 Ω normiert, die beispielsweise der Generatorimpedanz Z_Q entsprechen kann. Im kartesischen Koordinatensystem ist der Imaginärteil I (Z^ OPT) einer optimalen Lastimpedanz Z^ QPT gegen seinen Realteil R(Z^ QPT) ^au^getragen . Den Figuren 4A und 4B ist eine Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 zugrunde gelegt, wobei die Kapazitäten Cl und C2 einen Einstellbereich von 0,125 pF bis 2 pF aufweisen. Die Kapazitätswerte wurden in diesem Bereich jeweils in 16 Schritten eingestellt. Die Induktivität Ll weist einen Induktivitätswert von 4,9 nH und die Induktivität L2 einen Induktivitätswert von 12,3 nH auf.

Es wurden optimale Lastimpedanzen Z^ _QPT ^^{ur zw}ei Frequenzbänder des Mobilfunkbereiches ermittelt. Den

Berechnungen wurde jeweils die Mittenfrequenz des Uplink-

Bereiches zugrunde gelegt.

In Figur 4A wurden optimale Lastimpedanzen Z^ _QPT f^ur das UMTS-Band I ermittelt, bei dem die Mittenfrequenz bei 1950 MHz liegt. Hier ergibt sich eine breite Verteilung der optimalen Lastimpedanzen und somit ein großer anpassbarer Impedanzbereich .

In Figur 4B wurden optimale Lastimpedanzen Z^ _QPT f^ur das GSM 900-Frequenzband ermittelt, bei dem die Mittenfrequenz bei 897,5 MHz liegt. Das Verhältnis der Mittenfrequenzen des UMTS-Bandes und des GSM 900-Bandes liegt bei 2,17. Wie aus Figur 4B hervorgeht, können im GSM 900-Band Impedanzen um 50 Ω gut angepasst werden. Das Anpassnetzwerk kann für dieses

Frequenzband auch als Durchgangsglied ohne Impedanzanpassung verwendet werden.

In den Figuren 5A und 5B sind die optimalen Lastimpedanzen ZL OPT aufgetragen, die sich bei einer Schaltung mit einer T-Konfiguration, d. h. ohne die Induktivität L2, ergeben. Hierbei sind die Kapazitäten Cl und C2 wie die Kapazitäten gemäß den Figuren 4A und 4B ausgeführt und werden im selben Bereich variiert. Die Induktivität Ll besitzt einen Induktivitätswert von 7,35 nH.

In der Figur 5A sind die optimalen Lastimpedanzen Z^ _QPT wieder für die Mittenfrequenz des UMTS-Bandes I aufgetragen. Wie aus der Darstellung im kartesischen Koordinatensystem hervorgeht, kann bei der vorliegenden Wahl der Induktivität Ll auch hier ein großer Abstimmbereich erzielt werden.

In der Figuren 5B sind die optimalen Lastimpedanzen für die Mittenfrequenz des GMS 900-Bandes aufgetragen. Hier können Generatorimpedanzen um 50 Ω nicht mehr reflexionsfrei angepasst werden. Deshalb kann dieses Anpassnetzwerk in diesem Frequenzbereich nicht als Durchgangsglied eingesetzt werden.

In den Figuren 6A und 6B sind optimale Lastimpedanzen für die Frequenzbänder GSM 900 und GSM 1800 aufgetragen. Die Kapazitäten Cl und C2 und die Induktivitäten Ll und L2 sind so gewählt, dass sich ein möglichst großer Abstimmbereich in beiden Frequenzbändern ergibt. Die Kapazitäten Cl und C2 wurden in 16 Schritten zwischen 0,125 pF und 2 pF verstellt. Die Induktivität Ll hat einen Induktivitätswert von 5,5 nH und die Induktivität L2 einen Induktivitätswert von 10,9 nH.

Die Mittenfrequenz im Uplink-Bereich liegt für das GSM 1800- Band bei 1747,5 MHz, für das GSM 900-Band bei 897,5 MHz. Daraus ergibt sich ein Verhältnis der Mittenfrequenzen von 1, 95.

In Figur 6A sind die optimalen Lastimpedanzen Z^ _QPT f^ur das GSM 1800-Band aufgetragen. Wie aus der Darstellung im kartesischen Koordinatensystem hervorgeht, ergibt sich ein großer anpassbarer Impedanzbereich.

In Figur 6B sind die optimalen Lastimpedanzen Z^ _QPT f^ur die Mittenfrequenz des GSM 900-Bandes aufgetragen. Bei dieser

Schaltungsdimensionierung können Generatorimpedanzen um 50 Ω gut angepasst werden. Alternativ dazu kann dieses Anpassnetzwerk im Bereich von 897,5 MHZ als Durchgangsglied ohne Impedanztransformation verwendet werden.

In den folgenden Smith-Diagrammen sind Kreise mit konstantem VSWR eingezeichnet. Es sind jeweils die VSWR=2, VSWR=4 und VSWR=8-Kreise eingetragen. Diese Kreise wurden zudem in das kartesische Koordinatensystem übertragen.

In den Figuren 7A und 7B sind optimale Lastimpedanzen Z^ _QPT für die Frequenzbänder GSM 900 und GSM 1800 aufgetragen. Hier ist eine Schaltung zur Impedanzanpassung gemäß Figur 3 zugrunde gelegt, wobei die Kapazitäten Cl und C2 unterschied- liehe Einstellbereiche aufweisen. Die Kapazität Cl lässt sich im Bereich von 0,176 pF bis 2,82 pF und die Kapazität C2 im Bereich von 0,125 pF bis 2 pF einstellen. Beide Kapazitäten lassen sich in 16 Schritten variieren. Die Induktivität Ll besitzt einen Wert von 6, 8 nH und die Induktivität L2 einen Wert von 13,7 nH.

In Figur 7A sind die Lastimpedanzen für die Mittenfrequenz des GSM 1800-Bandes aufgetragen, die bei 1747,5 MHz liegt. Es ist ersichtlich, dass hier keine reflexionsfreie Anpassung an 50 Ω möglich ist. Dies liegt daran, dass die Kapazitäten nur schrittweise geschaltet werden können. Jedoch liegen zwei optimale Lastimpedanzen innerhalb des VSWR=2-Kreises, woraus sich eine Anpassung mit einem Reflexionsfaktor < -10 dB ergibt. Innerhalb des VSWR=8-Kreises ergibt sich jedoch ein großer Abstimmbereich. Durch die Verwendung von Kapazitäten mit einer feineren Abstufung der einstellbaren Kapazitätswerte, lässt sich der Abstimmbereich weiter verbessern.

In Figur 7B sind die optimalen Lastimpedanzen für die Mittenfrequenz des GSM 900-Bandes aufgetragen. Aus der Darstellung im kartesischen Koordinatensystem geht deutlich hervor, dass der anpassbare Impedanzbereich dieser Schaltung gegenüber der in Figur 6B zugrunde gelegten Schaltung deutlich vergrößert ist. Insbesondere sind die Impedanzen im VSWR=4-Kreis weitgehend abgedeckt.

In den Figuren 8A bis 8G sind die Breitbandeigenschaften dieses Anpassnetzwerks dargestellt.

In Figur 8A sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 824 MHz aufgetragen. Dies entspricht der unteren Frequenzgrenze des GSM 850-Uplink-Bandes, sowie der tiefsten Betriebsfrequenz der UMTS-Bänder I bis X.

In Figur 8B sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 880 MHz aufgetragen. Diese Frequenz ist die untere Frequenzgrenze des GSM 900 Uplink-Bandes .

In Figur 8C sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 960 MHz aufgetragen. Dies entspricht der oberen Frequenzgrenze des GSM 900 Downlink-Bandes .

Wie aus den Figuren 8A bis 8C hervorgeht kann das Anpassnetzwerk im gesamten Frequenzbereich von 824 bis 960 MHz zur Impedanztransformation auf eine Generatorimpedanz von 50 Ω eingesetzt werden. Ebenso kann dieses Anpassnetzwerk hier auch als Durchgangsglied eingesetzt werden. Weichen die Generatorimpedanzen von 50 Ω ab, so kann durch eine andere Wahl der Kapazitäten Cl und C2 und der Induktivitäten Ll und L2 ein optimaler Abstimmbereich erzielt werden.

In Figur 8D sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 1710 MHz aufgetragen. Dies entspricht der unteren Frequenzgrenze des GSM 1800-Uplinkbandes .

In Figur 8E sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 1880 MHz aufgetragen. Dies entspricht der oberen Frequenzgrenze des GSM 1800 Downlink-Bandes und ist gleichzeitig die Mittenfrequenz des GSM 1900 Uplink-Bandes .

In Figur 8F sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 1980 MHz aufgetragen. Dies entspricht der oberen Frequenzgrenze des UMTS I Uplink-Bandes und liegt um 10 MHz unterhalb der oberen Frequenzgrenze des GSM 1900 Downlink- Bandes.

In Figur 8G sind optimale Lastimpedanzen für eine Frequenz von 2170 MHz aufgetragen. Dies entspricht der oberen Frequenzgrenze des UMTS I Downlink-Bandes und ist gleichzeitig die höchste Betriebsfrequenz der UMTS-Bänder I bis VI und VIII bis X.

Wie aus den Figuren 8D bis 8G hervorgeht, ist stets gewährleistet, dass eine Lastimpedanz von 50 Ω mit einem Reflexionsfaktor < -10 dB an eine Generatorimpedanz von 50 Ω angepasst werden kann. Zudem ergibt sich innerhalb des VSWR=8-Kreises ein großer Abstimmbereich. Im Bereich der VSWR=2 und VSWR=4-Kreise liegen wenige optimale Lastimpedanzen. In Richtung größerer Frequenzwerte verringert sich die Zahl der optimalen Lastimpedanzen in diesem Bereich. Dies kann jedoch durch die Wahl von Kapazitäten mit einer feineren Stufung der Kapazitätswerte kompensiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden variable Kapazitäten eingesetzt, die in einem Einstellbereich kontinuierlich verändert werden können. Beispielsweise sind dies ferroelektrische Varaktoren oder Halbleitervaraktoren.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese

Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugs zeichenliste

A Schaltung zur Impedanzanpassung

IN Eingang OUT Ausgang

Zl, Z2, Z3, Z4 Impedanzelemente

Ll, L2 Induktivitäten

Cl, C2 Kapazitäten

G Generator L Last

Z_Q Generatorimpedanz

ZL Lastimpedanz Eingangsimpedanz

²OUT Ausgangsimpedanz RIN Eingangsreflexionsfaktor

R_QUT Ausgangsreflexionsfaktor

VSWR Stehwellenverhältnis

Claims

Patentansprüche

1. Schaltung zur Impedanzanpassung

- mit einem Eingang (IN) und einem Ausgang (OUT), - mit drei Komponenten (Zl, Z2, Z3) , die jeweils eine effektive Impedanz aufweisen, wobei zwei der Komponenten (Zl, Z2) im Hauptzweig zwischen Eingang (IN) und Ausgang (OUT) seriell verschaltet sind und mit der dritten Komponente (Z3) eine T-Konfiguration bilden und - mit einer weiteren Komponente (Z4), die eine effektive Impedanz aufweist, und die zum Hauptzweig der Schaltung parallel verschaltet ist.

2. Schaltung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 1, - bei der jede der Komponenten (Zl, Z2, Z3, Z4) unabhängig von den anderen Komponenten aus der Menge der Induktivitäten, Kapazitäten und Leitungen gewählt ist.

3. Schaltung zur Impedanzanpassung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

- bei der die im Hauptzweig angeordneten Komponenten (Zl, Z2) als Kapazitäten (Cl, C2), die dritte und die weitere Komponente (Z3, Z4) dagegen als Induktivitäten (Ll, L2) ausgebildet sind.

4. Schaltung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 3,

- bei der wenigstens eine der Kapazitäten (Cl, C2) ein Element mit einstellbarem Kapazitätswert ist.

5. Schaltung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 4,

- bei der beide Kapazitäten (Cl, C2) Elemente mit einstellbaren Kapazitätswerten sind.

6. Schaltung zur Impedanzanpassung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,

- bei dem die Kapazitäten (Cl, C2) identische Einstellbereiche ihres Kapazitätswerts aufweisen.

7. Schaltung zur Impedanzanpassung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,

- bei dem die Kapazitäten (Cl, C2) unterschiedliche Einstellbereiche ihres Kapazitätswerts aufweisen.

8. Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung,

- mit mindestens zwei Schaltungen zur Impedanzanpassung (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 8,

- bei der zwei der Schaltungen zur Impedanzanpassung (A) seriell verschaltet sind.

10. Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 9,

- bei der die erste Schaltung (A) zur Impedanzanpassung in einem ersten Frequenzband geeignet ist und für ein zweites Frequenzband ein Durchgangselement darstellt und - bei der die zweite Schaltung (A) zur Impedanzanpassung im zweiten Frequenzband geeignet ist und für das erste Frequenzband ein Durchgangselement darstellt.

11. Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 8,

- bei der zwei der Schaltungen zur Impedanzanpassung (A) parallel verschaltet sind.

12. Schaltungsanordnung zur Impedanzanpassung nach Anspruch 11,

- bei der die erste Schaltung (A) zur Impedanzanpassung in einem ersten Frequenzband geeignet ist und für ein zweites Frequenzband eine Bandsperre darstellt und

- bei der die zweite Schaltung (A) zur Impedanzanpassung im zweiten Frequenzband geeignet ist und für das erste Frequenzband eine Bandsperre darstellt.

13. Elektrisches Bauelement

- mit einer Schaltung zur Impedanzanpassung (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

- mit einem Generator (G), der mit dem Eingang (IN) der Schaltung zur Impedanzanpassung (A) verbunden ist, und - mit einer Last (L) , die mit dem Ausgang (OUT) der Schaltung zur Impedanzanpassung (A) verbunden ist.

14. Elektrisches Bauelement

- mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,

- mit einem Generator (G), der mit dem Eingang (IN) der Schaltung zur Impedanzanpassung (A) verbunden ist, und

- mit einer Last (L) , die mit dem Ausgang (OUT) der Schaltungsanordnung verbunden ist.

15. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14,

- bei dem mindestens ein Impedanzelement (Zl, Z2) eine Kapazität (Cl, C2) mit einem einstellbarem Kapazitätswert darstellt und

- die Kapazitätswerte so gewählt sind, dass in mindestens einem Frequenzbereich die Eingangsimpedanz (Z_j^) der Anordnung aus der Schaltung zur Impedanzanpassung (A) und der Last (L) an die Impedanz (Z_Q) des Generators (G) angepasst ist.

16. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 15, - bei dem in mindestens einem Frequenzbereich der

Ausgangsreflexionsfaktor (R_QUT) kleiner als -10 dB ist.

17. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 oder 16, - bei dem die Kapazitätswerte der Kapazitäten (Cl, C2) so gewählt sind, dass in zwei Frequenzbereichen die Eingangsimpedanz (Z_j^) an die Generatorimpedanz (Z_Q) angepasst ist.

18. Mobilfunkgerät

- mit einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17,

- wobei der Generator (G) der Ausgang eines Leistungsverstärkers und die Last (L) eine Antenne ist.

19. Mobilfunkgerät

- mit einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17,

- wobei der Generator (G) eine Antenne und die Last (L) der Eingang eines Empfängers ist.