DE102008050743B4

DE102008050743B4 - Impedanzanpass-Schaltung zur Anpassung von Planarantennen

Info

Publication number: DE102008050743B4
Application number: DE102008050743.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidhammer Edgar
Original assignee: Qualcomm Technologies Inc
Current assignee: Qualcomm Technologies Inc
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2028-10-09
Also published as: DE102008050743A1; JP2012505580A; JP5642686B2; KR20110070891A; KR101633464B1; US8760239B2; US20110221543A1; WO2010040752A1

Abstract

Impedanzanpass-Schaltung zur Anpassung von Planarantennen (PILA), umfassend – einen Signalpfad (SP) mit einem Knotenpunkt (KP) zwischen einem Signalpfadeingang (SPE) und einem Signalpfadausgang (SPA), – ein erstes, zwischen Signalpfadeingang (SPE) und Knotenpunkt (KP) verschaltetes induktives Element (L1), und ein erstes, zwischen Knotenpunkt (KP) und Signalpfadausgang (SPA) verschaltetes kapazitives Element (C1) mit variabler Kapazität, – ein zweites, zwischen Signalpfadeingang (SPE) und Masse (M) verschaltetes kapazitives Element (C2) mit variabler Kapazität, – ein zweites, zwischen Knotenpunkt (KP) und Masse (M) verschaltetes induktives Element (L2), und – ein drittes zwischen Signalpfadausgang (SPA) und Masse (M) verschaltetes induktives Element (L3), – wobei die Impedanzanpass-Schaltung zur Verwendung in einem mobilen Kommunikationsgerät mit einem Sendepfad, einem Empfangspfad und einer Planarantenne des Typs PILA (PILA) vorgesehen ist, der Signalpfadeingang (SPE) mit dem Sendepfad und dem Empfangspfad verschaltet ist und der Signalpfadausgang (SPA) über eine Antennenzuleitung (AL) mit einer Impedanz zwischen 10 Ohm und 60 Ohm mit der Planarantenne (PILA) verschaltet ist, – wobei, die Impedanzanpass-Schaltung den Sendepfad in einem Sendefrequenzband und den Empfangspfad in einem Empfangsfrequenzband an die Planarantenne (PILA) mit einem Stehwellenverhältnis im Empfangspfad, das kleiner ist als 4, anpasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Impedanzanpass-Schaltung zur Anpassung der Impedanz von Planarantennen des Typs PILA.
Planarantennen sind Antennen, die nicht an eine definierte Impedanz angepasst sind, sondern für eine maximale Leistungsübertragung ein Anpassnetzwerk benötigen.
Aus der DE 695 31 804 T2 sind Antennenanpassnetzwerke zur adaptiven Impedanzanpassung bekannt.
Aus der DE 601 25 100 T2 sind Anpassnetzwerke zum Abstimmen durch Nichtlinearitäten eines Verstärkers verursachter Harmonischer bekannt.
Eine Verschaltung einer Planarantenne mit zugehöriger Impedanzanpass-Schaltung ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2006/1 29 239 A1 bekannt. Deren Impedanzanpass-Schaltung umfasst neben mehreren induktiven Elementen eine Vielzahl von MEMS-Schaltern als kapazitive Elemente. Die Kapazität eines MEMS-Schalters kann zwei diskrete Werte annehmen und die Vielzahl der verschalteten MEMS-Schalter ermöglicht einen ausreichenden Abstimmbereich zur Impedanzanpassung.
Ein Problem bekannter Impedanzanpass-Schaltungen für Planarantennen besteht darin, dass entweder der Abstimmbereich zu gering ist oder die Impedanzanpass-Schaltung eine hohe Komplexität und eine hohe Anzahl an verschalteten Elementen aufweist. Letzteres führt zu einer relativ hohen Defektanfälligkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Impedanzanpass-Schaltung mit verringerter Komplexität und verminderter Anzahl an Schaltungselementen anzugeben, die trotzdem einen ausreichenden Abstimmbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Impedanzanpass-Schaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst einen Signalpfad mit einem Knotenpunkt zwischen einem Signalpfadeingang und einem Signalpfadausgang. Zwischen Signalpfadeingang und Knotenpunkt ist ein erstes induktives Element verschaltet und zwischen Knotenpunkt und Signalpfadausgang ist ein erstes kapazitives Element verschaltet, dessen Kapazität variabel einstellbar ist. Ein zweites kapazitives Element mit einstellbarer Kapazität ist zwischen dem Signalpfadeingang und Masse verschaltet. Ein zweites induktives Element ist zwischen dem Knotenpunkt und Masse verschaltet und ein drittes induktives Element ist zwischen Signalpfadausgang und Masse verschaltet.
Eine solche Verschaltung, deren Signalpfadeingang beispielsweise mit Sende- oder Empfangspfaden einer Frontend-Schaltung für Mobilfunkgeräte verschaltet sein kann und deren Signalpfadausgang zur Verschaltung mit einer Planarantenne vorgesehen ist, stellt eine einfache, d. h. wenig komplexe Schaltung dar, um die Antenne impedanzmäßig an die Frontend-Schaltung anzupassen. Das dritte induktive Element kann als ESD-(electrostatic discharge-)Schutzelement der Impedanzanpass-Schaltung bzw. der verschalteten Frontend-Schaltung wirken. Dann werden Stromimpulse, die über die Antenne einwirken und die Frontendschaltung oder einzelne ihrer Komponenten schädigen könnten, über das induktive Element unschädlich an Masse abgeleitet.
Vorteilhafterweise weisen erstes, zweites und drittes induktives Element Gütefaktoren größer 15 sowie erstes und zweites kapazitives Element Gütefaktoren größer 10 auf. Der Gütefaktor ist dabei ein dimensionsloses Maß für das Verhältnis aus Amplitude und Bandbreite von Resonanzkurven bzw. für Energieverluste in der Schaltung. Außerdem sind die Elemente der Impedanzanpass-Schaltung vorteilhafterweise so dimensioniert, dass die Induktivitäten des ersten, zweiten und dritten induktiven Elements Werte zwischen 0.5 und 22 nH aufweisen und die Kapazitäten des ersten und zweiten kapazitiven Elements in Intervallen einstellbar ist, die zwischen 0.5 und 12 pF liegen. Solche Intervalle können z. B. die Kapazitätsbereiche von 0.5 pF bis 1.5 pF, von 0.9 pF bis 3.2 pF oder von 2.6 pF bis 8.5 pF abdecken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Impedanzanpass-Schaltung ein drittes kapazitives Element mit einem Gütefaktor größer 50 und einer Kapazität zwischen 1 und 35 pF und ein viertes induktives Element mit einem Gütefaktor größer 15 und einer Induktivität zwischen 0.5 und 10 nH, welche zueinander in Serie zwischen dem Signalpfadeingang und Masse verschaltet sind. Eine weitere Variation der Impedanzanpass-Schaltung besteht darin, zwischen dem Signalpfadeingang und Masse ein viertes kapazitives Element mit einem Gütefaktor größer 50 und einer Kapazität zwischen 4 und 18 pF zu verschalten.
Verwendung findet die Impedanzanpass-Schaltung vorteilhafterweise in einem mobilen Kommunikationsgerät, wobei sie zwischen einem Empfangs- bzw. einem Sendepfad und einer Planarantenne, insbesondere des Typs PILA, so verschaltet ist, dass der Signalpfadeingang mit dem Sende- und dem Empfangspfad elektrisch leitend verbunden und der Signalpfadausgang über eine Antennenzuleitung, die eine Impedanz zwischen 10 und 60 Ohm aufweist, mit der Planarantenne elektrisch leitend verbunden ist.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Impedanzanpass-Schaltung ist das Stehwellenverhältnis im Sendepfad besser (d. h. kleiner) als 3 und das Stehwellenverhältnis im Empfangspfad besser (d. h. kleiner) als 4.
Die Erfindung ist geeignet, die Impedanzen von Planarantennen in CDMA, W-CDMA, GSM, DVBH, W-LAN, WIFI oder anderen gängigen Datenübertragungssystemen in Frequenzbändern zwischen 500 und 4500 MHz anzupassen.
Der Abstimmverhältnis des ersten oder des zweiten kapazitiven Elements liegt in einer Variante zwischen 2.5:1 und 3.5:1, also z. B. 3:1, in anderen vorteilhaften Varianten jedoch zwischen 3.5:1 und 4.5:1 oder zwischen 4.5:1 und 5.5:1 und in einer besonders vorteilhaften zwischen 5.5:1 und 6.5:1. Dabei ist das Abstimmverhältnis jeweils definiert als der Quotient aus größter einstellbarer Kapazität und kleinster einstellbarer Kapazität.
Mindestens eines der kapazitiven Elemente ist vorzugsweise eine Varaktordiode, deren dielektrische Schicht Bariumstrontiumtitanat (BST) umfasst oder deren dielektrische Schicht Wismuth-Zink-Niobat (BZN) umfasst, oder alternativ ein in CMOS-Technik gefertigtes kapazitives Element, eine Verschaltung aus MEMS-Kondensatoren oder eine Halbleitervaraktordiode.
Es ist bevorzugt, als viertes kapazitives Element ein Element zu wählen, dessen Gütefaktor größer als der des zweiten kapazitiven Elements ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein fünftes kapazitives Element parallel zum ersten kapazitiven Element zwischen Knotenpunkt und Signalpfadausgang verschaltet. Außerdem ist es bevorzugt, im Signalpfad einen Richtkoppler mit dem Signalpfadeingang zu verschalten. Ein Richtkoppler ermöglicht es, den Bruchteil der Sendeenergie zu bestimmen, der tatsächlich aus dem Sendesignalpfad in die Antenne eingekoppelt wird. Die Impedanzanpassung kann somit darauf zurückgeführt werden, diesen Bruchteil zu maximieren. Analoges gilt für Empfangssignale von der Antenne in den Empfangssignalpfad.
Weiterhin sehr von Vorteil ist es, wenn die Impedanzanpass-Schaltung einen mit dem Signalpfadeingang verschalteten Duplexer als Teil eines Frontendmoduls umfasst.
Die induktiven und kapazitiven Elemente der Anpassschaltung sind vorzugsweise als strukturierte Metallisierungen in einem mehrschichtigen Substrat, das Schichten aus HTCC, LTCC, FR4 oder Laminat umfassen kann, ausgeführt. Dadurch wird erreicht, dass ein entsprechendes Bauelement zusätzlich zu seiner geringen Komplexität noch eine Platz sparende Bauweise aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Antennenzuleitung zwischen dem Signalpfadausgang und einer angeschlossenen Planarantenne verschaltet, die eine Impedanz zwischen 10 und 60 Ohm aufweist.
Im Folgenden wird die Impedanzanpass-Schaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Impedanzanpass-Schaltung aus induktiven und kapazitiven Elementen, die zwischen einem Signalpfadeingang und einem Signalpfadausgang verschaltet ist.
2: Die Impedanzanpass-Schaltung aus 1 mit weiteren Schaltungselementen.
1 zeigt eine Impedanzanpass-Schaltung für Planarantennen mit geringer Komplexität, die einen ausreichenden Abstimmbereich ermöglicht. Im Signalpfad SP ist zwischen dem Signalpfadeingang SPE und dem Knotenpunkt KP eine erste Induktivität L1 verschaltet und ist zwischen Knotenpunkt KP und Signalpfadausgang SPA ein erstes kapazitives Element C1 verschaltet, welches in seiner Kapazität variabel einstellbar ist. Zwischen Signalpfadeingang SPE und Masse M ist ein zweites kapazitives Element C2 verschaltet, dessen Kapazität ebenfalls einstellbar ist. Zusätzlich ist zwischen dem Knotenpunkt KP und Masse M ein zweites induktives Element L2 und zwischen Signalpfadausgang SPA und Masse M ein drittes induktives Element L3 verschaltet.
2 zeigt die Impedanzanpass-Schaltung aus 1, die Merkmale weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen aufzeigt. Ein Richtkoppler RK ist im Signalpfad SP zwischen Signalpfadeingang SPE und Knotenpunkt KP verschaltet. Dabei ist der Richtkoppler RK mit dem Signalpfadeingang SPE verschaltet. Zwischen Richtkoppler RK und Signalpfadeingang SPE sind zumindest Teile eines Frontendmodul FE verschaltet. Das Frontendmodul FE kann einen oder mehrere Duplexer, Verstärker oder andere Filter- oder Schaltungselemente umfassen. Die Verschaltung aus Signalpfadeingang, Frontendmodul, Richtkoppler und Knotenpunkt ist nur symbolisch dargestellt. Ein viertes induktives Element L4 und ein drittes kapazitives Element C3 sind in Serie zwischen dem Signalpfad SP und Masse M verschaltet. Ein viertes kapazitives Element C4 ist ebenfalls zwischen dem Signalpfad SP und Masse verschaltet. Ein fünftes kapazitives Element C5 ist parallel zum ersten kapazitiven Element C1 zwischen dem Knotenpunkt KP und dem Signalpfadausgang SPA verschaltet. Eine Planarantenne PILA, welche insbesondere vom Typ „Planar Inverted L-Antenna” – kurz: PILA – sein kann, ist über eine Antennenzuleitung AL mit dem Signalpfadausgang SPA verschaltet.
Eine erfindungsgemäße Filterschaltung ist nicht auf eine der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombinationen derer und Variationen, welche z. B. noch weitere induktive oder kapazitive Elemente umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugszeichenliste:

AL:: Antennenzuleitung
C1:: erstes kapazitives Element
C2:: zweites kapazitives Element
C3:: drittes kapazitives Element
C4:: viertes kapazitives Element
C5:: fünftes kapazitives Element
FE:: Frontendmodul
KP:: Knotenpunkt
L1:: erstes induktives Element
L2:: zweites induktives Element
L3:: drittes induktives Element
L4:: viertes induktives Element
M:: Masse
PILA:: Planar Inverted L-Antenna
RK:: Richtkoppler
SP:: Signalpfad
SPA:: Signalpfadausgang
SPE:: Signalpfadeingang

Claims

Impedanzanpass-Schaltung zur Anpassung von Planarantennen (PILA), umfassend – einen Signalpfad (SP) mit einem Knotenpunkt (KP) zwischen einem Signalpfadeingang (SPE) und einem Signalpfadausgang (SPA), – ein erstes, zwischen Signalpfadeingang (SPE) und Knotenpunkt (KP) verschaltetes induktives Element (L1), und ein erstes, zwischen Knotenpunkt (KP) und Signalpfadausgang (SPA) verschaltetes kapazitives Element (C1) mit variabler Kapazität, – ein zweites, zwischen Signalpfadeingang (SPE) und Masse (M) verschaltetes kapazitives Element (C2) mit variabler Kapazität, – ein zweites, zwischen Knotenpunkt (KP) und Masse (M) verschaltetes induktives Element (L2), und – ein drittes zwischen Signalpfadausgang (SPA) und Masse (M) verschaltetes induktives Element (L3), – wobei die Impedanzanpass-Schaltung zur Verwendung in einem mobilen Kommunikationsgerät mit einem Sendepfad, einem Empfangspfad und einer Planarantenne des Typs PILA (PILA) vorgesehen ist, der Signalpfadeingang (SPE) mit dem Sendepfad und dem Empfangspfad verschaltet ist und der Signalpfadausgang (SPA) über eine Antennenzuleitung (AL) mit einer Impedanz zwischen 10 Ohm und 60 Ohm mit der Planarantenne (PILA) verschaltet ist, – wobei, die Impedanzanpass-Schaltung den Sendepfad in einem Sendefrequenzband und den Empfangspfad in einem Empfangsfrequenzband an die Planarantenne (PILA) mit einem Stehwellenverhältnis im Empfangspfad, das kleiner ist als 4, anpasst.
Impedanzanpass-Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, – deren erstes (L1), zweites (L2) und drittes (L3) induktives Element Gütefaktoren größer als 15 aufweisen, und – deren erstes (C1) und zweites (C2) kapazitives Element mit variabler Kapazität Gütefaktoren größer 10 aufweisen.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, – deren erstes induktives Element (L1) eine Induktivität zwischen 0.5 und 22 nH, deren zweites induktives Element (L2) eine Induktivität zwischen 0.5 und 22 nH und deren drittes induktives Element (L3) eine Induktivität zwischen 0.5 und 22 nH aufweist und – bei der die Kapazität des ersten kapazitiven Elements (C1) und zweiten kapazitiven Elements (C2) in Intervallen einstellbar ist, die zwischen 0.5 und 12 pF liegen.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ein drittes kapazitives Element (C3) mit einem Gütefaktor > 50 und einer Kapazität zwischen 1 und 35 pF sowie ein viertes induktives Element (L4) mit einem Gütefaktor > 15 und einer Induktivität zwischen 0.5 und 10 nH umfasst, welche beide in Serie zwischen Signalpfadeingang (SPE) und Masse (M) verschaltet sind.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ein viertes kapazitives Element (C4) mit einem Gütefaktor > 50 und einer Kapazität zwischen 4 und 18 pF umfasst, das zwischen Signalpfadeingang (SPE) und Masse (M) verschaltet ist.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die den Sendepfad in einem Sendefrequenzband und den Empfangspfad in einem Empfangsfrequenzband an die Planarantenne (PILA) mit einem Stehwellenverhältnis im Sendepfad, das kleiner ist als 3, anpasst.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Verwendung in CDMA, W-CDMA oder GSM Frequenzbändern zwischen 500 und 4500 MHz.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verwendung in DVB-H, W-LAN oder WIFI Frequenzbändern zwischen 500 und 4500 MHz.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Abstimmverhältnis eines der kapazitiven Elemente variabler Kapazität (C1, C2) zwischen 2.5:1 und 3.5:1 liegt.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Abstimmverhältnis eines der kapazitiven Elemente variabler Kapazität (C1, C2) 3:1 beträgt.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Abstimmverhältnis eines der kapazitiven Elemente variabler Kapazität (C1, C2) zwischen 3.5:1 und 4.51 liegt.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Abstimmverhältnis eines der kapazitiven Elemente variabler Kapazität (C1, C2) zwischen 4.5:1 und 5.5:1 liegt.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Abstimmverhältnis eines der kapazitiven Elemente variabler Kapazität (C1, C2) zwischen 5.5:1 und 6.5:1 liegt.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ein kapazitives Element variabler Kapazität (C1, C2) umfasst, ausgewählt aus: eine Varaktordiode mit einer Barium-Strontium-Titanat umfassenden dielektrischen Schicht, eine Varaktordiode mit einer Wismuth-Zink-Niobat umfassenden dielektrischen Schicht, ein in CMOS-Technik gefertigtes kapazitives Element, eine Verschaltung aus MEMS-Kondensatoren und eine Halbleitervaraktordiode.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Gütefaktor des vierten kapazitiven Elements (C4) größer ist als der des zweiten kapazitiven Elements (C2) mit variabler Kapazität.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die ein fünftes kapazitives Element (C5) umfasst, das seriell zwischen Knoten (KN) und Signalpfadaungang (SPA) aber parallel zum ersten kapazitiven Element (C1) verschaltet ist.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die einen mit dem Signalpfadeingang (SPE) verschalteten Richtkoppler (RK) umfasst.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die einen mit dem Signalpfadeingang (SPE) verschaltetes Frontendmodul (FE) umfasst.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die einen mit dem Signalpfad (SP) verschalteten Duplexer umfasst.
Impedanzanpass-Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, deren induktive Elemente (L1, L2, L3, L4) als Metallisierungen in einem mehrschichtigen Substrat, ausgewählt aus HTCC, LTCC, FR4 und Laminat, ausgeführt sind.