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WO2015128006A1 - Kombinierte impedanzanpass- und hf-filterschaltung - Google Patents

Kombinierte impedanzanpass- und hf-filterschaltung Download PDF

Info

Publication number
WO2015128006A1
WO2015128006A1 PCT/EP2014/061715 EP2014061715W WO2015128006A1 WO 2015128006 A1 WO2015128006 A1 WO 2015128006A1 EP 2014061715 W EP2014061715 W EP 2014061715W WO 2015128006 A1 WO2015128006 A1 WO 2015128006A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
tunable
filter
reactance
filter circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/061715
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juha Ellä
Edgar Schmidhammer
Original Assignee
Epcos Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos Ag filed Critical Epcos Ag
Priority to US15/116,073 priority Critical patent/US20170040966A1/en
Priority to JP2016554484A priority patent/JP6445580B2/ja
Publication of WO2015128006A1 publication Critical patent/WO2015128006A1/de

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    • H03F2200/451—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a radio frequency amplifier

Definitions

  • the invention relates to circuits that can be used in non-wired communication devices and both can perform impedance matching and can perform a filtering function.
  • the filter function also includes the adjustability of characteristic filter frequencies.
  • Portable communication devices require RF filters to separate desired signals from unwanted signals. It is necessary to meet requirements for selection, insertion loss, edge steepness, ripple in a passband and the size of the building. Because the speed of sound in a solid is generally much smaller than the propagation velocity of electromagnetic waves, electroacoustic filters allow small dimensions with good filter properties.
  • RF circuits can be summarized that essentially ⁇ known filter topologies by adding variable elements, eg. As switches or adjustable impedance elements, tunable filter circuits can be obtained.
  • Such a filter circuit is a combined impedance matching and RF filter circuit having a signal input and a signal output.
  • the circuit further includes a reactance cancellation circuit between the signal input and the signal output.
  • the circuit comprises a frequency-tunable RF filter circuit connected in series with the
  • Reaktanzeliminations circuit is connected between the signal input and the signal output.
  • the signal input and the signal output are each intended to be interconnected with circuit ⁇ components of different terminal impedance.
  • the reactance cancellation circuit provides an output impedance without reactance.
  • the tunable RF filter circuit is adapted to perform an adjustment of the resistance with unchanged reactance.
  • the impedance matching functionality is effected by both the reactance elimination circuit and the RF filter circuit.
  • the Reaktanzeliminationssc might limited to adapt the reactance, so the imaginary part of the impedance, while the tunable RF filter circuit performs the adaptation of the resistance, ie the real part of the impedance.
  • the impedance matching performed by the combined impedance matching and RF filtering circuit is thus distributed to the two major components of the circuit.
  • a circuit is in this case below danzanpass- the combined impedance-and designated RF filter circuit.
  • the Sig ⁇ naleingang the circuit they may be connected with a signal port to an external circuit environment, wherein the signal port has a first characteristic load impedance on ⁇ . With its signal output, the circuit may be connected to a further signal port of the external circuit environment, said further signal port has a second charac- teristic impedance.
  • care is taken in the design of RF circuits that various scarf ⁇ processing components have equal input and output impedances, Such a typical line impedance is for example 25 ⁇ , 50 ⁇ or 100 ⁇ .
  • circuit components such as power amplifiers or low-noise amplifiers whose connection ports have impedances that deviate significantly from such typical impedances.
  • power amplifiers generally have signal outputs with significantly lower impedance
  • low-noise amplifiers have signal inputs with significantly higher input impedance.
  • Typical RF filters eg. However, for example, working with electro-acoustic components bandpass filter, but generally have characteristic input and output frequencies of 50 ⁇ .
  • impedance matching networks are necessary in conventional RF circuits, which interconnect the ports of the amplifiers with the ports of the filters or the ports of the filters with antenna ports, and by means of their impedance matching reduce reflection of HF signals.
  • the advantage of the present circuit consists in the fact that despite the frequency tunability of the filter effect a very good impedance matching can be obtained, because it was recognized that a tunable RF filter circuit not only allows a tunable filter effect, but also adjusting the resistance.
  • an impedance matching network can be particularly simple in design and thus very energy efficient with very low insertion loss, if it only has to adapt the reactance.
  • a reactance elimination circuit was chosen which returns an input impedance to a real output impedance with a vanishing imaginary part.
  • Reaktanzeliminations circuit and tunable RF filter circuit that can sistanz perform an adaptation of the reform, therefore, allows a very good impedance matching over a wide impedance range and very good adjustability characteristic Filterfre ⁇ frequencies over a wide frequency range.
  • such a circuit operates due to the relatively small number of required circuit components with relatively low losses.
  • the tunable RF filter circuit prefferably comprises a resistance matching circuit on the input and / or output side.
  • the tunable RF filter circuit is divided into circuit areas that cause independent of each other and un ⁇ disturbed by the corresponding other area in each case the Resistanzanpassung or the filter functionality.
  • the circuit area of the tunable RF filter circuit which is responsible for the actual filter functionality, always sees an optimally matched impedance and therefore can work undisturbed. It is possible that the tunable RF filter circuit comprises from ⁇ tunable capacitive and / or inductive elements to Fre acid sequence vote.
  • tunable capacitive elements are preferred because they are easier to implement.
  • Such tunable capacitive elements can be formed, for example, by varactors or capacity banks with individually switchable capacitance elements.
  • the tunable RF filter circuit is constructed of passive circuit elements. As passive
  • Circuit elements are understood circuit elements such as capacitive elements, inductive elements, for guiding electro-magnetic signals ⁇ suitable waveguides, transmission lines, etc..
  • the passive circuit elements of active circuit elements such as semiconductor devices with transistors are different.
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • GBAW GBAW
  • the reactance elimination circuit may comprise capacitive and / or inductive elements.
  • the Reaktanzeliminations circuit comprises tunable capacitive and / or inductive elements for locking ⁇ wrestlers of the amount of reactance. Decreasing the Amount of the reactance includes explicitly - as the name "reactance elimination circuit" also suggests - a
  • the tunable RF filter circuit comprises a filter core having a first signal path and a second signal path.
  • the second signal path is arranged parallel to the first signal path.
  • an ers ⁇ tes impedance element for.
  • an inductive element or a capacitive element interconnected.
  • interconnected and electromagnetically coupled impedance elements are arranged in series.
  • the tunable RF filter circuit includes an input, an output, and a signal path.
  • the signal path is arranged between the input and the output and connects the input to the output so that HF signals to the filter circuit ⁇ happen be routed from the input to the output.
  • N 3 - ie three or more - resonant circuits arranged one behind the other and interconnect the second signal path in each case with ground.
  • Each resonant circuit thus represents a quasi shunt element, so that the resonant circuits represent parallel connections of the second signal path to ground.
  • the resonant circuits are electrically or magnetically coupled together and each comprise at least one tunable impedance element.
  • This RF filter circuit has a filter topology with intrinsic poles in the transmission characteristic. These poles could then be used to power peak unwanted signals, eg. B. harmonic or Intermodulation products to suppress targeted.
  • ⁇ adjusts the relative position of the pole with respect to the center frequency with ⁇ the slope, so that by the positio ⁇ ne of the poles affects the slope, z. B. can be increased.
  • this topology allows a good adjustability of the bandwidth and the center frequencies, if the corresponding filter should be used as a bandpass filter.
  • the circuit complexity is low compared to the possible selection.
  • the level of complexity is relatively low and the effort that is needed to drive the filter is just ⁇ if low.
  • This topology is particularly well suited to be interconnected with a port with a connection impedance with vanishing reactance.
  • a high slew rate is also th Sustainer ⁇ .
  • resonant circuits are all types of electrical scarf ⁇ tions in question, which can be excited to a vibration. These include z. B. LC circuits, circuits with electroacoustic resonators, ceramic resonators or so-called cavity resonators, as described for. B. from the article "Analytical Modeling of Highly Loaded Evanescent-mode Cavity Resonators for Widely Tunable High-Q Filter Applications" by H. Joshi, HH Sigmarsson, and WJ Chappell are known. It is possible that the impedance element in the first signal path has a quality Q -S 200.
  • the arranged in the signal Re ⁇ sonanz Vietnamese Republice may have a Q> 100, respectively.
  • the resonant circuits can via coupling elements, for. B. coupled inductive elements or capacitive elements, each of which an electrode is associated with a resonant circuit, a quality Q -S 200 have.
  • the quality Q (also called quality factor or Q factor) is a measure of the damping of a vibratory system. The value of quality Q is higher, the lower the Dämp ⁇ tion.
  • a Q is associated with both a resonance circuit or for individual circuit elements such as capaci tive ⁇ elements or inductive elements.
  • the RF filter circuit may each comprise a tunable capacitive element in each of the resonant circuits. Directly connected to the RF filter circuit can more
  • the value of the capacitance of the capacitive element can be adjusted ⁇ to tune the resonant frequency of the resonant circuit. Tuning of all resonant circuits of the RF filter circuit then allows the bandwidth of a
  • Bandpass filter as the filter circuit can be realized, and adjust the frequency position of the center frequency.
  • the resonant circuits may each include a tunable inductive element to adjust the Resonanzfre ⁇ frequencies of the resonant circuits.
  • a tunable capacitive element in general is simpler, the use of a tunable capacitive element is preferred.
  • the tunable capacitive elements can be implemented as an adjustable MEMS capacities than Va ⁇ raktoren or capacity benches can be switched on or displacement switchable capacitors.
  • the tunable capacitive elements may have Q> 100.
  • the RF filter circuit may be implemented such that the ratio of the capacitance values of the tunable capacitive elements is constant if capacitive elements are used as tunable impedance elements. Otherwise, may be constant relative to each other, the ratio of the inductance Ver ⁇ tunable inductive ele- ments.
  • the tunable RF filter circuit can in each of their resonant circuits each swingable circuit sections to ⁇ summarize. These circuit sections may include an LC resonant circuit, a ceramic resonator, a MEMS
  • Resonator an acoustic resonator or a resonator with a waveguide integrated in a substrate.
  • the use of LC resonant circuits in the resonant circuits allows for a simple and inexpensive construction at - by the selected topology - together with good electrical ⁇ rule properties of the filter.
  • An example of a MEMS resonator is an acoustic resonator in which a - generally piezoelectric - material is excitable to acoustic vibrations.
  • the wave propagation can be selectively adjusted with de ⁇ nen is obtained an integrated wave guide and a resonator having an integrated in a substrate wave guide.
  • the resonant circuits in which MEMS resonators operate offer good electrical properties at the same time relatively small sizes, since the speed is Schallgeschwindig ⁇ order of magnitude smaller than the propagation speed of an electrical signal in a conductor.
  • an inductive element can have an inductance of approximately 1 nH in the resonant circuit connected to the input or output.
  • the capacity ei ⁇ nes tunable capacitive element may be adjustable in a range of values to the capacitance value of 1 pF.
  • the inductances of the inductive elements of the "inner” resonant circuits may be 2 nH.
  • the capacity of the abstimmba ⁇ ren capacitive elements of the "inner” resonant circuits may be adjustable in a capacity range of 2 pF.
  • Capacitive elements that cause a coupling of resonant circuits can have a capacitance between 10 fF and 100 pF exhibit.
  • Inductive elements, causing a coupling of Reso ⁇ nanz Vietnameseen may have a inductance of between 300 nH and 1 nF.
  • Inductive elements in the resonant circuits may have Induktivitä ⁇ th between 0.1 nH and 50 nH.
  • Capacitive elements in the resonant circuits may have capacitances between 0.1 pF and 100 pF.
  • the impedance element in the first signal path can be an induct ⁇ tive element.
  • the signal path can comprise on the input side and on the output side in each case a capacitive element. Zvi ⁇ rule to the input of the signal path and the point at which the signal path in the first signal and the second Sig ⁇ nalweg splits, thus a capacitive element may be ver ⁇ on. Likewise, between the exit and the
  • the tunable RF filter circuit may be configured such that the "outer" resonant circuits, that is, the resonant circuits that include or include the one or more resonant circuits, have a higher Q than the enclosed "inner” resonant circuits.
  • the "outer" resonant circuits are those resonant circuits that are most closely connected to the input or output of the RF filter circuit, but generally more important is that the resonant circuits have a higher Q than the coupling elements.
  • the tunable RF filter circuit can be designed from ⁇ particular such that the resonant circuits having higher Q than the coupling elements through which the resonance circuits are verkop ⁇ pelt.
  • circuit elements of the tunable RF filter circuit are particularly sensitive to a variation in the quality factor.
  • circuit elements whose quality has virtually no effect on the electrical properties of the filter are circuit elements whose quality has virtually no effect on the electrical properties of the filter.
  • the electrical properties of the filter circuit depend very much on the quality factors of the circuit elements in the resonant circuits. The quality factors of the
  • Coupling elements which cause the electromagnetic coupling, thereby show significantly less influence on the electrical properties of the filter circuit.
  • the tunable RF filter circuit may have transmission poles. Ie. there are frequencies at which the transmission ⁇ function of the filter circuit comprises a pole point and so ⁇ particularly effective with attenuates signals with those same frequency components.
  • the specified tunable circuit topology thus differs from known tunable ones
  • the tunable RF filter circuit may be included in a transmit filter and / or a receive filter, e.g. B. not one
  • wired communication device find use.
  • a single tunable filter can replace two or more filters with non-changeable passbands.
  • the individual circuit components of the RF filter circuit can be integrated together in a package.
  • a package may comprise a substrate which serves as a carrier for discrete components and also has at least one wiring plane.
  • a semiconductor component can be mounted in a first component layer and electrically connected to the first wiring plane.
  • the semiconductor device has high kind from ⁇ tunable passive components that enable a Frequenzabstim ⁇ tion of the filter.
  • a second component layer discrete passive components are arranged in the ver ⁇ switched with the semiconductor device. From the tunable passive components, the discrete passive components and optionally other components a tunable with respect to its cutoff frequency or its frequency band filter is realized.
  • a filter can be designed as a bandpass filter. However, it is also possible to execute the filter as a high pass or as a low pass.
  • a band stop filter can also be implemented as a tunable filter.
  • the tunable passive components in the semiconductor device can be manufactured integrated and integrated with each other ver ⁇ on. In the semiconductor device these components to ⁇ th may be distributed over the surface of the semiconductor device.
  • filters can be obtained which have a tuning factor of up to 4: 1. This corresponds to the frequency converted by a factor of 2 between the lowest and highest limit frequency or frequency range to be set. For higher frequencies, higher grades can be realized in a simpler manner. Use in a frequency range between 400 MHz and 8 GHz is possible.
  • the circuit is connected in a receiving or transmitting path of a mobile communication device.
  • the circuit allows a good frequency properly tuned and simultaneously a good impedance matching over a white ⁇ th impedance range, it is especially well suited ge ⁇ , a power amplifier with a low education gangsimpedanz in a transmission path or a low-noise amplifier with a high output impedance in a receive path to an antenna terminal in a front-end circuit of the communication device to interconnect.
  • the circuit is not contained only in a signal path of a communication device, but ent ⁇ speaking impedance matching and filter functions in various ⁇ signal paths of a communication device perceives.
  • two or more corresponding circuits may be interconnected in a mobile communication device and at least two of the tunable RF filter circuits together form a duplexer.
  • the circuit comprises two reactance elimination circuit sections and a tunable RF filter circuit therebetween, such that the two reactance elimination circuit sections together enable reactance elimination, and each of the sections is part of it
  • the reactance elimination can be better adapted to the needs of the filter circuit
  • a Verstär ⁇ kerscrien comprises a as described above combined Impe ⁇ danzanpass- and RF filter circuit connected an antenna port to either a power amplifier or a low noise amplifier.
  • the power amplifier in the case of interconnection with a power amplifier, the power amplifier is connected to the signal input of the circuit.
  • the low noise amplifier is the low noise Ver ⁇ more pass- to the signal output of the combined Impedanzan- and interconnected filter circuit.
  • the Reaktanzeliminations circuit is always disposed between an amplifier and the tunable RF filter circuit.
  • circuit or an amplifier circuit will be explained in more detail below with reference to schematic exemplary embodiments and equivalent circuits.
  • Fig. 3 a possible circuit topology of the tunable
  • FIG. 4 shows further details of a possible embodiment of the tunable RF filter circuit
  • FIG. 5 shows details of an alternative embodiment of the tunable RF filter circuit
  • Fig. 6 Details of a tunable RF filter circuit with acoustic, ceramic or MEMS-based
  • Fig. 7a a possible use of the circuit in a mobile communication device
  • Fig. 7b a possible use of the circuit in
  • Fig. 7c a possible use of the circuit with two
  • FIG. 9 shows a mobile communication device with at least two of the described circuits.
  • Figure 1 shows the two important circuit components of the combined impedance matching and RF filter circuit KIAF.
  • a Reaktanzeliminations- circuit XES and a frequency tunable RF filter circuit AHF are connected.
  • R is the resistance (effective resistance)
  • X is the reactance (reactance).
  • the reactance limiting circuit provides an output impedance at its output facing the signal output OUT whose reactance X is essentially 0 ⁇ .
  • the impedance Z is thus essentially attributed to a real value with an amount around the value R.
  • the tunable RF filter circuit AHF is configured so that it can make an adjustment of the resistance R without changing the value of the reactance X.
  • the tunable RF filter circuit AHF thus comprises the functionality of a resistance matching circuit RAS.
  • the circuit KIAF thus provides an RF signal, which is adjusted by the filter action of the tunable RF filter circuit with respect to unwanted signals.
  • the signal is provided to a port having a port impedance is available, which is relative to its reactance and their Resistance adjusted so that signals can be transmitted to a device connected to the signal output OUT scarf ⁇ processing environment without reflection.
  • the reactance elimination circuit XES can be simplified and optimized with respect to a low insertion loss such that the entire circuit operates with improved energy efficiency.
  • the terminal IN can be connected to a
  • connection IN to be connected to a low-noise amplifier.
  • the terms IN and OUT are insofar
  • FIG. 2 shows a possible form of the tunable RF filter circuit AHF, in which both the input side and On the output side, in each case a resistance matching circuit RAS is arranged on ⁇ .
  • the input-side Resis ⁇ tanzanpass circuit RAS arranged between the input E of the tunable RF filter circuit AHF and a filter core FK, which is essentially responsible for the filter effect of the tunable RF filter circuit.
  • the output-side resistance matching circuit RAS is ⁇ assigns.
  • the adaptation of the resistance can take place in two stages. A one-step adjustment is also possible, then the input-side or the output-side resistance matching circuit can be omitted.
  • the filter core FK itself not only realizes the filter effect but also additionally a resistance adaptation.
  • the input E of the tunable RF filter circuit can be connected to the reactance elimination circuit XES.
  • the output A of the tunable RF filter circuit may correspond to the signal output OUT of the circuit. It is also possible that between the output A of the tunable RF filter circuit of Figure 3 and the signal output OUT of Figure 1 nor a Resistanzanpass circuit RAS is arranged.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a possible tunable HF filter circuit AHF, in which a signal path SP is arranged between an input E and an output A.
  • the signal path SP comprises two parallel Operaab ⁇ sections, namely the first signal path SW1 and the second Signal path SW2.
  • an impedance element IMP is connected in the first signal path SW1.
  • the impedance element may be implemented as IMP kapa ⁇ zitives element or as an inductive element.
  • the three resonant circuits RK1, RK2, RK3 are arranged one behind the other.
  • the resonant circuits are electrically or magnetically coupled and each comprise at least one tunable impedance element.
  • Each of the three resonant circuits interconnects the second signal path with ground.
  • the first resonant circuit RK1 is coupled to the input E ge ⁇ .
  • the third resonant circuit RK3 is linked to the off ⁇ gang A.
  • These two outer resonant circuits thus include the one or more resonant circuits, which thus Represent "internal" resonant circuits.
  • the first resonant circuit RK1 and the third resonant circuit RK3 represent the outer resonant circuits, while the second resonant circuit RK2 represents the (only) inner resonant circuit.
  • the electric and / or magnetic coupling of the resonance nanz Vietnamesee is designated by the coupling symboli K ⁇ Siert.
  • the first resonant circuit RK1 is electrically and / or magnetically coupled to the second resonant circuit RK2.
  • the second resonant circuit is RK2 pelt verkop- adjacent the first Reso ⁇ nanz Vietnamese RK1 also with the third resonant circuit RK3.
  • An electrical signal from the resonant circuit can be passed to the resonant circuit who so can pagieren an RF signal per ⁇ ⁇ in the second signal path SW2 via the coupling of the resonant circuits.
  • FIG. 4 shows a possible equivalent circuit of the tunable RF filter circuit, in which the resonant circuits are implemented as LC circuits.
  • Each resonant circuit shown here by the example of the first resonant circuit RK1 - comprises a parallel connection of an inductive element IE and a tunable capacitive element AKE.
  • the tunable kapa ⁇ zitive element AKE is thereby tunable Impedanzele ⁇ ment of the corresponding resonant circuit is.
  • each resonant circuit could also include a tunable inductive element. Then the corresponding would be connected in parallel
  • Impedance element of the resonant circuit a capacitive element.
  • the tunable capacitive element AKE is connected to a control ⁇ logic STL.
  • the control logic STL comprises circuit elements via which a control signal of an external
  • Circuit environment can be received.
  • the control signal of the external circuit environment is interpreted and control signals are output via respective signal lines SL to the individual tunable capacitive elements AKE.
  • the electromagnetic coupling between the resonant circuits is realized by a capacitive coupling of capacitive elements KE as coupling elements.
  • capacitive elements KE as coupling elements.
  • capacitive elements KE as coupling elements.
  • any resonant circuit ⁇ essentially an electrode of a capacitive ele- ments KE, via which it is coupled to the neighboring or adjacent resonant circuits.
  • a coupling via capacitive elements KE essentially represents a capacitive element. zitive electrical coupling.
  • the Q of this kapaziti ⁇ ven elements may in this case be less than the Q of the elements used in the resonance circuits.
  • the input-side resonant circuit may comprise a tunable capacitive element whose capacity in a
  • Range is adjustable by 34.34 pF.
  • tunable RF filter circuit may be in the signal pad in series in another tunable capacitive element (not shown), the capacity of which is adjustable at least in a range between 1 and 5 pF. That's a good one
  • FIG. 5 shows the equivalent circuit of the tunable RF filter circuit, in which the coupling between the resonant circuits RK is made inductively.
  • Each resonant circuit has at least one inductive element IE, via which a coupling to another inductive element of the corresponding resonant circuit takes place. Since the first resonant circuit RK1 is only inductively coupled to the second resonant circuit RK2, the first resonant circuit RK1 needs only an inductive element IE1 for coupling.
  • the second resonant circuit RK2 is inductively coupled both to the first resonant circuit RK1 and to the third resonant circuit and therefore requires two inductive elements. Whether the resonant circuits are inductively or capacitively coupled does not matter for the fact that RF signals can be transmitted so that the series arrangement of resonant circuits represents the second signal path SW2.
  • the capacitive elements for coupling between the resonant circuits in FIG. 5 and the inductive elements for coupling the resonant circuits in FIG. 6 are arranged and configured such that the correct degree of coupling is obtained.
  • the degree of coupling can be adjusted by the distance of the electrodes or the electrode surface or the coil shape, coil size and coil removal.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of the tunable HF filter circuit, in which the resonant circuits comprise an acoustic resonator AR in addition to a tunable capacitive element AKE.
  • Acoustic resonators are characterized by high quality factors and at the same time by small dimensions. However, since they cause comparatively high manufacturing costs and because of their mechanical operation require measures for decoupling and for protection against disturbing environmental conditions, the use of LC components may be preferred. Other types of resonators like
  • Ceramic resonators, disk resonators, cavity resonators, MEMS based resonators and the like are also possible.
  • Figure 7a shows a possible application of the circuit between an amplifier, e.g. B. a power amplifier, and a Antenna connection of a mobile communication device, which is connected to an antenna ANT.
  • the impedance jump from the amplifier to the antenna is particularly large in general, depending ⁇ but the division of the adaptation in an adjustment of the reactance and an adjustment of the reactance results in a particularly good fit with relatively simple construction even when using a tunable filter.
  • Figure 7b shows a possible application of the circuit between an amplifier, e.g. As a low-noise amplifier, and an antenna terminal of a mobile communication device, which is connected to an antenna ANT.
  • an amplifier e.g. As a low-noise amplifier
  • an antenna terminal of a mobile communication device which is connected to an antenna ANT.
  • Figure 7c shows a possible application of the circuit between an amplifier and an antenna port of a mobile communication device.
  • the amplifier may be a power amplifier in a transmit path or a low noise amplifier in a receive path, or both in a gedplextem signal path, depending on the direction of the RF signal.
  • the task of eliminating the reactance is split into two
  • Reactance elimination circuit XES is between the antenna ANT and the tunable RF filter AHF and a second one
  • Section of the reactance cancellation circuit XES is between the tunable RF filter AHF and the antenna ANT
  • FIG. 8 shows a possible application in which the tunable RF filter AHF is part of a duplexer DU.
  • the tuning ⁇ bare RF filter provides thereby a band-pass filter is, the tunable together with a further optionally Bandpass filter of a parallel signal path ensures the filter effect with good isolation of the duplexer.
  • FIG. 9 shows a dual application of the circuit KIAF, which is used both in a transmission path between a power amplifier PA and an antenna connection and in a reception signal between a low-noise amplifier LNA and the antenna connection.
  • the circuit is not limited exclusively to the ge Service ⁇ th embodiments, circuits, the additional filters, resonant circuits or impedance matching sections aufwei ⁇ Sen, are also included. Other uses than the uses shown above in transmit or receive paths or in a duplexer are also possible.
  • circuit Combined impedance matching and RF filter circuit, also called “circuit” for the sake of simplicity

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Abstract

Es wird eine kombinierte Impedanzanpass- und HF- Filterschaltung mit verbesserter Impedanzanpassung bei guter frequenzmäßiger Abstimmbarkeit der Filterschaltung angegeben. Die Schaltung umfasst eine Reaktanzeliminations-Schaltung zur Verringerung der Reaktanz und eine abstimmbare HF- Filterschaltung, die frequenzmäßig abstimmbar ist, und eine Resistanzanpassung durchführen kann.

Description

Beschreibung
Kombinierte Impedanzanpass- und HF-Filterschaltung Die Erfindung betrifft Schaltungen, die in nicht drahtgebundenen Kommunikationsgeräten Verwendung finden können und sowohl eine Impedanzanpassung vornehmen als auch eine Filterfunktion erfüllen können. Zur Filterfunktion gehört auch die Einstellbarkeit charakteristischer Filterfrequenzen.
Tragbare Kommunikationsgeräte benötigen HF-Filter zum Trennen gewünschter Signale von ungewünschten Signalen. Dabei gilt es, Anforderungen bezüglich der Selektion, der Einfügedämpfung, der Flankensteilheit, der Welligkeit in einem Passband und der Baugrößte zu erfüllen. Weil die Schallgeschwindigkeit in einem Festkörper im Allgemeinen deutlich kleiner als die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist, erlauben elektroakustische Filter kleine Abmessungen bei gleichzeitig guten Filtereigenschaften.
Die immer größer werdende Zahl an Frequenzbändern, die ein Kommunikationsgerät bedienen können soll, würde prinzipiell eine immer größere Anzahl an Filtern erfordern, was bezüglich Baugröße, Kosten, Fehleranfälligkeit usw. wenig wünschenswert ist. Abstimmbare Filter, also Filter, die durch einstellbare charakteristische Frequenzen wie Mittenfrequenzen und Band¬ breiten in mehreren Frequenzbändern arbeiten können, existieren zwar, bringen jedoch neue Probleme mit sich. Bisherige Ausgestaltungen abstimmbarer Filter basieren im Wesentlichen darauf, bekannte Filterschaltungen um abstimmbare Impedanzelemente zu erweitern, oder auf der Verwendung von Schaltern, mittels derer Filterelemente zu einer Filtertopo- logie hinzuschaltbar sind.
So sind aus dem Beitrag „Reconfigurable Multi-band SAW Fil- ters For LTE Applications", Xiao Ming et al . , Power Amplifi- ers For Wireless And Radio Applications (PAWR) , 2013 IEEE Topical Conference, 20. Januar 2013, Seiten 82 - 84, im We¬ sentlichen konventionelle HF-Filter bekannt, die mittels Schalter rekonfigurierbar sind. Mittels Schalter rekonfigu- rierbare Filter ermöglichen dabei jedoch keine kontinuierlich abstimmbaren Duplexer.
Aus dem Beitrag „Tunable Filters Using Wideband Elastic
Resonators", Kadota et al . , IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 60, Nr. 10, Okto¬ ber 2013, Seiten 2129 - 2136, sind Filterschaltungen bekannt, bei denen abstimmbare Kondensatoren zu HF-Filtern mit akustischen Resonatoren hinzugefügt werden. Aus dem Beitrag „A Novel Tunable Filter Enabling Both Center Frequency and Bandwidth Tunability", Inoue et al . , Proceed- ings Of The 42nd European Microwave Conference, 29. Oktober - 1. November 2012, Amsterdam, The Netherlands, Seiten 269 - 272, sind HF-Filter mit abstimmbaren Kondensatoren und ab- stimmbaren Induktivitäten bekannt.
Auch aus dem Beitrag „RFMEMS-Based Tunable Filters", Brank et al . , 2001, John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE11: Seiten 276 - 284, 2001, sind Verschaltungen aus L und C Elementen bekannt, wobei die Kapazitäten der kapazitiven Elemente einstellbar sind. Aus dem Beitrag „Design of a Tunable Bandpass Filter With the Assistance of Modified Parallel Coupled Lines", Tseng et al . , 978-l-4673-2141-9/13/$31.00, 2013 IEEE, sind abstimmbare Fil¬ ter mit gekoppelten Übertragungsleitungen bekannt.
Aus dem Beitrag „Tunable Isolator Using Variable Capacitor for Multi-band System", Wada et al . , 978-1-4673-2141- 9/13/$31.00, 2013 IEEE MTT-S Symposium bzw. aus der Veröf¬ fentlichungsschrift WO2012/020613 ist die Verwendung von Iso- latoren in HF-Filtern bekannt.
Aus dem Beitrag „Filters with Single Transmission Zeros at Real or Imaginary Frequencies" , Levy, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-24, No . 4, April 1976 sind Ausführungsformen verschiedener Tschebyscheff-Filter mit gekoppelten Schaltungselementen bekannt.
Aus dem Beitrag „Co-Design of Multi-Band High-Efficiency Power Amplifier and Three-Pole High-Q Tunable Filter", K. Chen, T.-C. Lee, D. Peroulis, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 23, No . 12, Dezember 2013 ist die Möglichkeit bekannt, ein abstimmbares Filter mit einer
Impedanztransformation zu kombinieren. Für die aus den oben genannten Beiträgen bekannten HF- Schaltungen lässt sich zusammenfassend sagen, dass im Wesent¬ lichen bekannte Filtertopologien durch das Hinzufügen variabler Elemente, z. B. Schalter oder einstellbarer Impedanzelemente, abstimmbare Filterschaltungen erhalten werden.
Problematisch daran ist, dass die herangezogenen bekannten Filtertopologien im Wesentlichen für die Verwendung von Impedanzelementen mit konstanter Impedanz optimiert sind. Zwar werden abstimmbare Filter ermöglicht. Die Performance leidet dabei allerdings unter der Abstimmbarkeit . Ferner bedingen die Änderungen, die die Abstimmbarkeit ermöglichen, eine er¬ schwerte Integration in externe Schaltungsumgebung, da die Impedanzanpassung verschlechtert wird.
Weiterhin bleibt der ständige Wunsch zu verbesserter Energieeffizienz bestehen. Es ist deshalb eine Aufgabe, eine Filterschaltung anzugeben, die durch eine frequenzmäßige Abstimmbarkeit vielseitig ein¬ setzbar ist, gute Filtereigenschaften aufweist und energieef¬ fizient arbeitet. Eine solche Filterschaltung ist dabei eine kombinierte Impe- danzanpass- und HF-Filterschaltung mit einem Signaleingang und einem Signalausgang. Die Schaltung umfasst ferner eine Reaktanzeliminations-Schaltung zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang. Ferner umfasst die Schaltung eine fre- quenzmäßig abstimmbare HF-Filterschaltung, die in Serie zur
Reaktanzeliminations-Schaltung zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang verschaltet ist. Der Signaleingang und der Signalausgang sind jeweils dazu vorgesehen, mit Schaltungs¬ komponenten unterschiedlicher Anschlussimpedanz verschaltet zu sein. Die Reaktanzeliminations-Schaltung stellt eine Ausgangsimpedanz ohne Reaktanz zur Verfügung. Die abstimmbare HF-Filterschaltung ist dazu geeignet, eine Anpassung der Resistanz bei unveränderter Reaktanz durchzuführen. Es wird also eine Filterschaltung angegeben, die sowohl eine Impedanzanpass-Funktionalität als auch eine Filterfunktiona¬ lität erfüllt. Die Filterfunktionalität geht dabei so weit, dass charakteristische Filterfrequenzen wie eine Mittenfre¬ quenz eines Passbands und/oder die Passbandbreite einstellbar sind . Die Filterwirkung der Schaltung wird dabei in erster Linie von der HF-Filterschaltung bewirkt. Die Impedanzanpass-Funk- tionalität wird sowohl durch die Reaktanzeliminations-Schal- tung als auch durch die HF-Filterschaltung bewirkt. Dabei beschränkt sich die Reaktanzeliminations-Schaltung darauf, die Reaktanz, also den Imaginärteil der Impedanz, anzupassen, während die abstimmbare HF-Filterschaltung die Anpassung der Resistanz, also des Realteils der Impedanz, durchführt. Die Impedanzanpassung, die durch die kombinierte Impedanzanpass- und HF-Filterschaltung durchgeführt wird, wird somit auf die beiden Hauptbestandteile der Schaltung verteilt.
Als „Schaltung" wird dabei im Folgenden die kombinierte Impe- danzanpass- und HF-Filterschaltung bezeichnet. Mit dem Sig¬ naleingang der Schaltung kann sie mit einem Signalport einer externen Schaltungsumgebung verschaltet sein, wobei der Signalport eine erste charakteristische Anschlussimpedanz auf¬ weist. Mit ihrem Signalausgang kann die Schaltung mit einem weiteren Signalport der externen Schaltungsumgebung verschaltet sein, wobei der weitere Signalport eine zweite charakte- ristische Impedanz aufweist. Typischerweise wird beim Entwurf von HF-Schaltungen darauf geachtet, dass verschiedene Schal¬ tungskomponenten gleiche Eingangs- und Ausgangsimpedanzen aufweisen, sodass eine direkte Verschaltung möglich ist. Solche typischen Leitungsimpedanzen sind beispielsweise 25 Ω, 50 Ω oder 100 Ω. Allerdings gibt es Schaltungskomponenten wie Leistungsverstärker oder rauscharme Verstärker, deren Anschlussports Impedanzen aufweisen, die von solchen typischen Impedanzen deutlich abweichen. So haben Leistungsverstärker im Allgemei- nen Signalausgänge mit deutlich geringerer Impedanz, während rauscharme Verstärker Signaleingänge mit deutlich höherer Eingangsimpedanz aufweisen. Typische HF-Filter, z. B. mit elektroakustischen Komponenten arbeitende Bandpassfilter, weisen jedoch im Allgemeinen charakteristische Eingangs- und Ausgangsfrequenzen von 50 Ω auf. Infolgedessen sind in konventionellen HF-Schaltungen Impedanzanpass-Netzwerke notwendig, die die Ports der Verstärker mit den Ports der Filter o- der Ports der Filter mit Antennenports verschalten und durch ihre Impedanzanpassung eine Reflexion von HF-Signalen verrin- gern.
Bei unkonventionellen Filterschaltungen, deren charakteristische Filterfrequenzen beispielsweise einstellbar sind, stoßen konventionelle Konzepte, die auf Impedanzanpass-Schaltungen beruhen, an ihre Grenzen, denn die Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanzen abstimmbarer Filter variieren bei einer Variation der Arbeitsfrequenzen der Filter.
Trotz Impedanzanpass-Netzwerk wird deshalb nicht immer eine vollständige Abwesenheit reflektierter Signale erhalten.
Der Vorteil der vorliegenden Schaltung besteht nun darin, dass trotz frequenzmäßiger Abstimmbarkeit der Filterwirkung eine sehr gute Impedanzanpassung erhalten werden kann, denn es wurde erkannt, dass eine abstimmbare HF-Filterschaltung nicht nur eine abstimmbare Filterwirkung ermöglicht, sondern auch ein Einstellen der Resistanz. Gleichzeitig wurde erkannt, dass ein Impedanzanpass-Netzwerk besonders einfach aufgebaut sein kann und dadurch mit einer sehr geringen Einfügedämpfung sehr energieeffizient arbeitet, wenn es lediglich die Reaktanz anzupassen hat. Als Impe- danzanpass-Netzwerk wurde deshalb eine Reaktanzeliminations- Schaltung gewählt, die eine Eingangsimpedanz auf eine reale Ausgangsimpedanz mit verschwindendem Imaginärteil zurückführt. Die Kombination aus Reaktanzeliminations-Schaltung und abstimmbarer HF-Filterschaltung, die eine Anpassung der Re- sistanz durchführen kann, erlaubt deshalb eine sehr gute Impedanzanpassung über einen weiten Impedanzbereich bei gleichzeitig guter Einstellbarkeit charakteristischer Filterfre¬ quenzen über einen weiten Frequenzbereich. Zusätzlich arbeitet eine solche Schaltung aufgrund der relativ geringen An- zahl benötigter Schaltungskomponenten mit vergleichsweise geringen Verlusten.
Es ist möglich, dass die abstimmbare HF-Filterschaltung eingangs- und/oder ausgangsseitig eine Resistanzanpass-Schaltung umfasst.
Dann ist auch die abstimmbare HF-Filterschaltung in Schaltungsbereiche aufgeteilt, die unabhängig voneinander und un¬ gestört durch den entsprechenden anderen Bereich jeweils die Resistanzanpassung bzw. die Filterfunktionalität bewirken.
Insbesondere, wenn die Resistanzanpass-Schaltung oder mehrere Resistanzanpass-Schaltungen innerhalb der abstimmbaren HF- Filterschaltung an deren Ein- bzw. Ausgängen angeordnet sind, sieht der Schaltungsbereich der abstimmbaren HF- Filterschaltung, der für die eigentliche Filterfunktionalität zuständig ist, stets eine optimal angepasste Impedanz und kann deshalb ungestört arbeiten. Es ist möglich, dass die abstimmbare HF-Filterschaltung ab¬ stimmbare kapazitive und/oder induktive Elemente zur Fre¬ quenz-Abstimmung umfasst.
Dabei sind abstimmbare kapazitive Elemente bevorzugt, da diese einfacher zu realisieren sind. Solche abstimmbaren kapazitiven Elemente können beispielsweise durch Varaktoren o- der Kapazitätsbänke mit einzeln schaltbaren Kapazitätselemen- ten gebildet sein.
Es ist möglich, dass die abstimmbare HF-Filterschaltung aus passiven Schaltungselementen aufgebaut ist. Als passive
Schaltungselemente werden dabei Schaltungselemente wie kapa- zitive Elemente, induktive Elemente, zur Führung von elektro¬ magnetischen Signalen geeignete Wellenleiter, Übertragungsleitungen usw. verstanden. Dadurch grenzen sich die passiven Schaltungselemente von aktiven Schaltungselementen wie Halbleiterbauelemente mit Transistoren ab.
Die Verwendung von elektroakustischen Bauelementen wie SAW- Bauelemente (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Ober¬ flächenwelle) , BAW-Bauelementen (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) oder GBAW-Bauelementen (GBAW =
Guided Bulk Acoustic Wave) in der abstimmbaren HF- Filterschaltung ist möglich, aber nicht unbedingt notwendig.
Ebenso ist es möglich, dass die Reaktanzeliminations-Schal- tung kapazitive und/oder induktive Elemente umfasst.
Dann ist es möglich, dass die Reaktanzeliminations-Schaltung abstimmbare kapazitive und/oder induktive Elemente zum Ver¬ ringern des Betrags der Reaktanz umfasst. Das Verringern des Betrags der Reaktanz beinhaltet dabei explizit - wie der Name „Reaktanzeliminations-Schaltung" auch andeutet - ein
idealerweise vollständiges oder zumindest teilweises
Ausschalten der Reaktanz, d. h. des Imaginärteils der
Impedanz.
Es ist dabei bevorzugt, den Betrag der Reaktanz auf einen möglichst geringen Wert zu verringern. Es ist möglich, dass die abstimmbare HF-Filterschaltung einen Filterkern mit einem ersten Signalweg und einem zweiten Signalweg umfasst. Der zweite Signalweg ist dabei parallel zum ersten Signalweg angeordnet. Im ersten Signalweg ist ein ers¬ tes Impedanzelement, z. B. ein induktives Element oder ein kapazitives Element, verschaltet. Im zweiten Signalweg sind in Serie verschaltete und elektromagnetisch miteinander gekoppelte Impedanzelemente angeordnet.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung umfasst einen Eingang, ei- nen Ausgang und einen Signalpfad. Der Signalpfad ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet und verbindet den Eingang mit dem Ausgang, so dass HF-Signale, die die Filter¬ schaltung passieren sollen, von dem Eingang an den Ausgang geleitet werden. Im zweiten Signalweg sind z. B. N > 3 - also drei oder mehr - Resonanzkreise hintereinander angeordnet und verschalten den zweiten Signalweg jeweils mit Masse. Jeder Resonanzkreis stellt damit quasi ein Shunt-Element dar, so dass die Resonanzkreise parallel geschaltete Verbindungen des zweiten Signalwegs mit Masse darstellen. Die Resonanzkreise sind elektrisch oder magnetisch miteinander verkoppelt und umfassen jeweils zumindest ein abstimmbares Impedanzelement. Diese HF-Filterschaltung weist eine Filtertopologie mit intrinsischen Polstellen in der Übertragungscharakteristik auf. Diese Polstellen könnten dann dazu genutzt werden, Leistungsspitze unerwünschter Signale, z. B. harmonische oder In- termodulationsprodukte, gezielt zu unterdrücken. Weiter be¬ stimmt die relative Lage der Polstellen bezogen auf die Mit¬ tenfrequenz die Flankensteilheit, so dass durch die Positio¬ nieren der Polstellen die Flankensteilheit beeinflusst, z. B. erhöht, werden kann.
Ferner ermöglicht diese Topologie eine gute Einstellbarkeit der Bandbreite sowie der Mittenfrequenzen, wenn das entsprechende Filter als Bandpassfilter genutzt werden sollte. Der Schaltungsaufwand ist verglichen mit der möglichen Selektion gering. Der Grad an Komplexität ist relativ niedrig und der Aufwand, der zum Ansteuern des Filters nötig ist, ist eben¬ falls gering. Diese Topologie eignet sich besonders gut, mit einem Port mit einer Anschlussimpedanz mit verschwindender Reaktanz verschaltet zu werden.
Neben der guten Einstellbarkeit der Frequenzlagen der Passbandflanken wird zusätzlich eine hohe Flankensteilheit erhal¬ ten . Als Resonanzkreise kommen alle Arten von elektrischen Schal¬ tungen in Frage, die zu einer Schwingung angeregt werden können. Dazu zählen z. B. LC-Kreise, Schaltungen mit elektroa- kustischen Resonatoren, keramische Resonatoren oder sogenannte Cavity-Resonatoren, wie sie z. B. aus dem Beitrag „Analytical Modeling of Highly Loaded Evanescent-mode Cavity Resonators for Widely Tunable High-Q Filter Applications" von H. Joshi, H. H. Sigmarsson, und W. J. Chappell bekannt sind. Es ist möglich, dass das Impedanzelement im ersten Signalweg eine Güte Q -S 200 aufweist. Die im Signalweg angeordneten Re¬ sonanzkreise können jeweils eine Güte Q > 100 aufweisen. Die Resonanzkreise können über Koppelelemente, z. B. gekoppelte induktive Elemente oder über kapazitive Elemente, von denen jeweils eine Elektrode einem Resonanzkreis zugeordnet ist, eine Güte Q -S 200 aufweisen.
Die Güte Q (auch Gütefaktor oder Q-Faktor genannt) ist dabei ein Maß für die Dämpfung eines schwingfähigen Systems. Der Wert der Güte Q ist dabei umso höher, je geringer die Dämp¬ fung ist. Eine Güte Q ist dabei sowohl für einen Resonanzkreis oder auch für einzelne Schaltungselemente wie kapazi¬ tive Elemente oder induktive Elemente zugeordnet.
Die HF-Filterschaltung kann jeweils ein abstimmbares kapazitives Element in jedem der Resonanzkreise umfassen. Direkt mit der HF-Filterschaltung verschaltet können weitere
abstimmbare kapazitive Elemente zur Impedanzanpassung
verwendet werden.
Der Wert der Kapazität des kapazitiven Elements kann einge¬ stellt werden, um die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises abzustimmen. Das Abstimmen aller Resonanzkreise der HF- Filterschaltung ermöglicht es dann, die Bandbreite eines
Bandpassfilters, als das die Filterschaltung realisiert sein kann, und die Frequenzlage der Mittenfrequenz einzustellen.
Alternativ dazu können die Resonanzkreise auch jeweils ein abstimmbares induktives Element umfassen, um die Resonanzfre¬ quenzen der Resonanzkreise einzustellen. Da die Realisierung eines abstimmbaren kapazitiven Elements jedoch im Allgemeinen einfacher ist, ist die Verwendung eines abstimmbaren kapazitiven Elements bevorzugt. Die abstimmbaren kapazitiven Elemente können dabei als einstellbare MEMS-Kapazitäten, als Va¬ raktoren oder als Kapazitätsbänke mit einzeln zu- oder weg- schaltbaren Kondensatoren realisiert sein.
Die abstimmbaren kapazitiven Elemente können eine Güte Q > 100 aufweisen. Die HF-Filterschaltung kann so realisiert sein, dass das Verhältnis der Kapazitätswerte der abstimmbaren kapazitiven Elemente konstant ist, falls kapazitive Elemente als abstimmbare Impedanzelemente verwendet werden. Ansonsten kann das Ver¬ hältnis der Induktivitätswerte abstimmbarer induktiver Ele- mente relativ zueinander konstant sein.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung kann in jedem ihrer Resonanzkreise jeweils schwingungsfähige Schaltungsabschnitte um¬ fassen. Diese Schaltungsabschnitte können einen LC- Schwingkreis, einen keramischen Resonator, einen MEMS-
Resonator, einen akustischen Resonator oder einen Resonator mit einer in einem Substrat integrierten Wellenführung umfassen . Die Verwendung von LC-Schwingkreise in den Resonanzkreisen ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Aufbau bei - durch die gewählte Topologie - gleichzeitig guten elektri¬ schen Eigenschaften des Filters. Die Verwendung eines keramischen Resonators, also eines Keramikkörpers, in dem Ausneh- mungen mit metallisierten Oberflächen strukturiert sind, ermöglicht ebenfalls gute elektrische Eigenschaften, bedarf al¬ lerdings im Gegenzug relativ großer Abmessungen. Die Verwen- dung eines MEMS- (MEMS = Micro Electro Mechanical System) Re¬ sonators bedeutet die Verwendung eines Resonators, in dem Ma¬ terial zu einer mechanischen Schwingung anregbar ist. Ein Beispiel eines MEMS-Resonators ist ein akustischer Resonator, in dem ein - im Allgemeinen piezoelektrisches - Material zu akustischen Schwingungen anregbar ist.
Umfasst der Resonator ferner strukturierte Elemente, mit de¬ nen die Wellenausbreitung gezielt eingestellt werden kann, wird eine integrierte Wellenführung und damit ein Resonator mit einer in einem Substrat integrierten Wellenführung erhalten .
Insbesondere die Resonanzkreise, in denen MEMS-Resonatoren arbeiten, bieten gute elektrische Eigenschaften bei gleichzeitig relativ geringen Baugrößen, da die Schallgeschwindig¬ keit um Größenordnungen kleiner als die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals in einem Leiter ist. Werden die Resonanzkreise mit schwingungsfähigen LC-
Schwingkreisen ausgestattet, so kann ein induktives Element in den mit dem Ein- oder Ausgang verschalteten Resonanzkreis eine Induktivität von etwa 1 nH aufweisen. Die Kapazität ei¬ nes abstimmbaren kapazitiven Elements kann in einem Wertebe- reich um den Kapazitätswert 1 pF einstellbar sein.
Die Induktivitäten der induktiven Elemente der „inneren" Resonanzkreise kann 2 nH betragen. Die Kapazität der abstimmba¬ ren kapazitiven Elemente der „inneren" Resonanzkreise kann in einem Kapazitätsbereich um 2 pF einstellbar sein.
Kapazitive Elemente, die eine Verkopplung von Resonanzkreisen bewirken, können einen Kapazität zwischen 10 fF und 100 pF aufweisen. Induktive Elemente, die eine Verkopplung von Reso¬ nanzkreisen bewirken, können einen Induktivität zwischen 1 nH und 300 nF aufweisen.
Induktive Elemente in den Resonanzkreisen können Induktivitä¬ ten zwischen 0,1 nH und 50 nH aufweisen. Kapazitive Elemente in den Resonanzkreisen können Kapazitäten zwischen 0,1 pF und 100 pF aufweisen.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung kann N = 4 Resonanzkreise im zweiten Signalpfad umfassen, die hintereinander angeordnet sind. Das Impedanzelement im ersten Signalweg kann ein induk¬ tives Element sein. Der Signalpfad kann eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils ein kapazitives Element umfassen. Zwi¬ schen dem Eingang des Signalpfads und der Stelle, an der sich der Signalpfad in den ersten Signalweg und den zweiten Sig¬ nalweg aufspaltet, kann somit ein kapazitives Element ver¬ schaltet sein. Ebenso kann zwischen dem Ausgang und der
Stelle, an der sich die beiden Signalwege wieder vereinigen, ein kapazitives Element angeordnet sein.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung kann so ausgestaltet sein, dass die „äußeren" Resonanzkreise, also die Resonanzkreise die den oder die übrigen Resonanzkreise einschließen oder umfassen, eine höhere Güte Q als die eingeschlossenen „inneren" Resonanzkreise aufweisen. Die „äußeren" Resonanzkreise sind dabei diejenigen Resonanzkreise die am nächsten mit dem Eingang oder dem Ausgang der HF-Filterschaltung verschaltet sind. Im Allgemeinen wichtiger ist jedoch, dass die Resonanzkreise eine Höhere Güte Q als die Koppelelemente aufweisen. Die abstimmbare HF-Filterschaltung kann insbesondere so aus¬ gestaltet sein, dass die Resonanzkreise eine höhere Güte Q als die Koppelelemente, über die die Resonanzkreise verkop¬ pelt sind, aufweisen.
Es wurde herausgefunden, dass bestimmte Schaltungselemente der abstimmbaren HF-Filterschaltung besonders empfindlich gegenüber einer Variation des Gütefaktors reagieren. Im Gegensatz dazu gibt es Schaltungselemente, deren Güte quasi keine Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften des Filters hat. Die elektrischen Eigenschaften der Filterschaltung hängen dabei sehr stark von den Gütefaktoren der Schaltungselemente in den Resonanzkreisen ab. Die Gütefaktoren der
Koppelelemente, die die elektromagnetische Kopplung bewirken, zeigen dabei deutlich weniger Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Filterschaltung.
Diese Einsicht kann dazu genutzt werden, unempfindliche
Schaltungsteile durch relativ günstige Bauelemente zu reali- sieren, während die teuren und aufwändigen Schaltungselemente mit einem hohen Gütefaktor lediglich für die sensiblen Bereiche der abstimmbaren Filterschaltung vorzusehen sind.
Da die weniger kritischen Schaltungsbereiche damit auch durch relativ kompakt bauende Impedanzelemente realisiert sein kön¬ nen, kann dem Trend zur Miniaturisierung quasi ohne Qualitätseinbußen gefolgt werden.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung kann Übertragungspole auf- weisen. D. h. es gibt Frequenzen, bei denen die Übertragungs¬ funktion der Filterschaltung eine Polstelle aufweist und so¬ mit Signale mit eben diesen Frequenzkomponenten besonders effektiv dämpft. Die angegebene abstimmbare Schaltungstopologie unterscheidet sich somit dadurch von bekannten abstimmbaren
Schaltungstopologien, dass intrinsische Polstellen
existieren, die in den bekannten Schaltungstopologien ohne diese intrinsischen Polstellen durch Hinzufügen weiterer - in der Regel hochgütiger - Impedanzelemente hinzuzufügen sind.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung kann in einem Sendefilter und/oder einem Empfangsfilter, z. B. eines nicht
drahtgebundenen Kommunikationsgeräts, Verwendung finden.
Insbesondere die Verwendung in einem Kommunikationsgerät, das dazu vorgesehen ist, eine Vielzahl an Frequenzbändern
bedienen zu können, ist vorteilhaft. Denn ein einzelnes abstimmbares Filter kann zwei oder mehrere Filter mit nicht veränderbaren Passbändern ersetzen.
Die einzelnen Schaltungskomponenten der HF-Filterschaltung können gemeinsam in einem Package integriert sein. Ein sol- ches Package kann ein Substrat aufweisen, welches als Träger für diskrete Komponenten dient und außerdem zumindest eine Verdrahtungsebene aufweist. Auf der Oberseite des Substrats kann in einer ersten Komponentenlage ein Halbleiterbauelement montiert und elektrisch mit der ersten Verdrahtungsebene ver- bunden sein. Das Halbleiterbauelement weist hochgütige ab¬ stimmbare passive Komponenten auf, die eine Frequenzabstim¬ mung des Filters ermöglichen.
Über der dielektrischen Schicht befindet sich eine zweite Komponentenlage, in der mit dem Halbleiterbauelement ver¬ schaltete, diskrete passive Bauelemente angeordnet sind. Aus den abstimmbaren passiven Komponenten, den diskreten passiven Bauelementen und gegebenenfalls weiteren Komponenten ist ein bezüglich seiner Grenzfrequenz oder seines Frequenzbands abstimmbares Filter realisiert. Ein solches Filter kann als Bandpassfilter ausgebildet sein. Möglich ist es jedoch auch, das Filter als Hochpass oder als Tiefpass auszuführen. Auch ein Bandstoppfilter ist als abstimmbares Filter realisierbar . Die abstimmbaren passiven Komponenten im Halbleiterbauelement können integriert gefertigt und integriert miteinander ver¬ schaltet sein. Im Halbleiterbauelement können diese Komponen¬ ten über die Fläche des Halbleiterbauelements verteilt sein. Werden für die hochgütigen Komponenten, also für die diskreten Bauelemente und die hochgütigen abstimmbaren Komponenten solche mit einer Güte von zumindest 100 ausgewählt, so können Filter erhalten werden, die einen Abstimmfaktor bis 4:1 aufweisen. Dies entspricht auf die Frequenz umgerechnet einem Faktor 2 zwischen niedrigster und höchster einzustellender Grenzfrequenz oder Frequenzbereich. Für höhere Frequenzen lassen sich höhere Güten in einfacherer Weise realisieren. Ein Einsatz in einem Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 8 GHz ist möglich.
Es ist möglich, dass die Schaltung in einem Empfangs- oder Sendepfad eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet ist.
Gerade weil die Schaltung eine gute frequenzmäßige Abstimmung und gleichzeitig eine gute Impedanzanpassung über einen wei¬ ten Impedanzbereich ermöglicht, ist sie besonders dafür ge¬ eignet, einen Leistungsverstärker mit einer niedrigen Aus- gangsimpedanz in einem Sendepfad oder einen rauscharmen Verstärker mit einer hohen Ausgangsimpedanz in einem Empfangspfad mit einem Antennenanschluss in einer Front-End-Schaltung des Kommunikationsgeräts zu verschalten.
Es ist möglich, dass die Schaltung nicht nur in einem Signalpfad eines Kommunikationsgeräts enthalten ist, sondern ent¬ sprechende Impedanzanpass- und Filterfunktionen in verschie¬ denen Signalpfaden eines Kommunikationsgeräts wahrnimmt. So können zwei oder mehrere entsprechende Schaltungen in einem mobilen Kommunikationsgerät verschaltet sein und zumindest zwei der abstimmbaren HF-Filterschaltungen zusammen einen Duplexer bilden. Es ist möglich, dass die Schaltung zwei Reaktanzeliminations- Schaltungs-Abschnitte und eine abstimmbare HF-Filterschaltung dazwischen umfasst, so dass die beiden Reaktanzeliminations- Schaltung-Abschnitte zusammen eine Reaktanzelimination ermöglichen und jeder der Abschnitte seinen Teil dazu
beiträgt. Damit kann die Reaktanzeliminierung besser auf Bedürfnisse der Filterschaltung in Bezug auf
Impedanzanpassung abgestimmt werden.
Insbesondere ist es deshalb auch möglich, dass eine Verstär¬ kerschaltung eine wie oben beschriebene kombinierte Impe¬ danzanpass- und HF-Filterschaltung umfasst, die einen Antennenanschluss entweder mit einem Leistungsverstärker oder mit einem rauscharmen Verstärker verschaltet. Dabei ist im Falle der Verschaltung mit einem Leistungsverstärker der Leistungsverstärker mit dem Signaleingang der Schaltung verschaltet. Im Falle des rauscharmen Verstärkers ist der rauscharme Ver¬ stärker mit dem Signalausgang der kombinierten Impedanzan- pass- und Filterschaltung verschaltet. Somit ist es möglich, dass die Reaktanzeliminations-Schaltung stets zwischen einem Verstärker und der abstimmbaren HF- Filterschaltung angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Schaltung oder eine Verstärkerschaltung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen und Ersatzschaltkreisen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: die Reaktanzeliminations-Schaltung XES und die abstimmbare HF-Filterschaltung AHF, die zusammen die wesentlichen Komponenten der kombinierten Impe- danzanpass- und HF-Filterschaltungen KIAF bilden,
Fig. 2: eine mögliche Anordnung zweier Reaktanzelimina- tions-Schaltungen in der abstimmbaren HF- FilterSchaltung,
Fig. 3: eine mögliche Schaltungstopologie der abstimmbaren
HF-FilterSchaltung,
Fig. 4: weitergehende Details einer möglichen Ausgestaltung der abstimmbaren HF-Filterschaltung, Fig. 5: Details einer alternativen Ausgestaltungsform der abstimmbaren HF-Filterschaltung, Fig. 6: Details einer abstimmbaren HF-Filterschaltung mit akustischen, keramischen oder MEMS-basierten
Resonatoren, Fig. 7a: ein möglicher Einsatz der Schaltung in einem mobilen Kommunikationsgerät,
Fig. 7b: ein möglicher Einsatz der Schaltung in
Empfangszweig eines mobilen Kommunikationsgerät,
Fig. 7c: ein möglicher Einsatz der Schaltung mit zwei
Reaktanzeliminations-Schaltungen,
Fig. 8: ein möglicher Einsatz der Schaltung in einem Kommunikationsgerät mit weiteren Schaltungskomponenten,
Fig. 9: ein mobiles Kommunikationsgerät mit zumindest zwei der beschriebenen Schaltungen.
Figur 1 zeigt die zwei wichtigen Schaltungskomponenten der kombinierten Impedanzanpass- und HF-Filterschaltung KIAF. Zwischen dem Signaleingang IN der Schaltung und dem Signalausgang OUT der Schaltung sind eine Reaktanzeliminations- Schaltung XES und eine frequenzmäßig abstimmbare HF- Filterschaltung AHF verschaltet. Am Signaleingang IN kann ein Port einer externen Schaltungsumgebung, z. B. eines Verstärkers, angeschlossen sein, der eine Anschlussimpedanz Z = R + jX aufweist. Dabei ist R die Resistanz (Wirkwiderstand), wäh- rend X die Reaktanz (Blindwiderstand) ist. Die Reaktanzelimi- nations-Schaltung stellt an ihrem dem Signalausgang OUT zugewandten Ausgang eine Ausgangsimpedanz zur Verfügung, deren Reaktanz X im Wesentlichen 0 Ω beträgt. Die Impedanz Z ist damit im Wesentlichen auf einen reellen Wert mit einem Betrag um den Wert R zurückgeführt.
Die abstimmbare HF-Filterschaltung AHF ist so ausgestaltet, dass sie eine Anpassung der Resistanz R durchführen kann, ohne den Wert der Reaktanz X zu ändern. Die abstimmbare HF- Filterschaltung AHF umfasst somit die Funktionalität einer Resistanzanpass-Schaltung RAS. An ihrem Signalausgang OUT stellt die Schaltung KIAF damit ein HF-Signal zur Verfügung, das durch die Filterwirkung der abstimmbaren HF-Filterschaltung bezüglich unerwünschter Signale bereinigt ist. Das Signal wird an einem Port mit einer Anschluss-Impedanz zur Verfügung gestellt, die bezüglich ih- rer Reaktanz und ihrer Resistanz so eingestellt ist, dass Signale an eine am Signalausgang OUT angeschlossene Schal¬ tungsumgebung ohne Reflexion weitergeleitet werden können.
Da die Anpassung der Reaktanz und der Resistanz in verschie- denen Baugruppen der Schaltung erfolgt, kann insbesondere die Reaktanzeliminations-Schaltung XES so vereinfacht und bezüglich einer geringen Einfügedämpfung optimiert sein, dass die gesamte Schaltung mit verbesserter Energieeffizienz arbeitet. In einem Sendezweig kann der Anschluss IN mit einem
Leistungsverstärker und in einem Empfangszweig kann der
Anschluss IN mit einem rauscharmen Verstärker verbunden sein. Die Bezeichnungen IN und OUT sind dabei insofern
vertauschbar, falls sie den Signal-Eingang bzw. den -Ausgang bezeichnen.
Figur 2 zeigt eine mögliche Form der abstimmbaren HF- Filterschaltung AHF, bei der sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig jeweils eine Resistanzanpass-Schaltung RAS an¬ geordnet ist. So ist zwischen dem Eingang E der abstimmbaren HF-Filterschaltung AHF und einem Filterkern FK, der im Wesentlichen für die Filterwirkung der abstimmbaren HF- Filterschaltung zuständig ist, die eingangsseitige Resis¬ tanzanpass-Schaltung RAS angeordnet. Zwischen dem Filterkern FK und dem Ausgang A der abstimmbaren HF-Filterschaltung AHF ist die ausgangsseitige Resistanzanpass-Schaltung RAS ange¬ ordnet .
Existieren zwei Resistanzanpass-Schaltungen RAS in der abstimmbaren HF-Filterschaltung AHF, so kann die Anpassung der Resistanz in zwei Stufen erfolgen. Eine einstufige Anpassung ist ebenfalls möglich, dann kann die eingangsseitige oder die ausgangsseitige Resistanzanpass-Schaltung entfallen.
Es ist allerdings auch möglich, dass der Filterkern FK selbst nicht nur die Filterwirkung, sondern auch zusätzlich eine Resistanzanpassung realisiert.
Über den Eingang E der abstimmbaren HF-Filterschaltung kann diese mit der Reaktanzeliminations-Schaltung XES verschaltet sein. Der Ausgang A der abstimmbaren HF-Filterschaltung kann dem Signalausgang OUT der Schaltung entsprechen. Es ist auch möglich, dass zwischen dem Ausgang A der abstimmbaren HF- Filterschaltung der Figur 3 und dem Signalausgang OUT der Figur 1 noch eine Resistanzanpass-Schaltung RAS angeordnet ist.
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen abstimmba- ren HF-Filterschaltung AHF, bei der ein Signalpfad SP zwischen einem Eingang E und einem Ausgang A angeordnet ist. Der Signalpfad SP umfasst dabei zwei parallel geschaltete Teilab¬ schnitte, nämlich den ersten Signalweg SW1 und den zweiten Signalweg SW2. Im ersten Signalweg SW1 ist ein Impedanzele¬ ment IMP verschaltet. Das Impedanzelement IMP kann als kapa¬ zitives Element oder als induktives Element realisiert sein. Im zweiten Signalweg SW2 sind die drei Resonanzkreise RK1, RK2, RK3 hintereinander angeordnet. Die Resonanzkreise sind elektrisch oder magnetisch verkoppelt und umfassen jeweils zumindest ein abstimmbares Impedanzelement. Jeder der drei Resonanzkreise verschaltet den zweiten Signalweg mit Masse. Der erste Resonanzkreise RK1 ist dabei an den Eingang E ge¬ koppelt. Der dritte Resonanzkreis RK3 ist dabei an den Aus¬ gang A gekoppelt. Diejenigen Resonanzkreise, die nicht über einen anderen Resonanzkreis sondern direkt an den Eingang E oder an den Ausgang A gekoppelt sind, stellen die so genann- ten „äußeren" Resonanzkreise dar. Diese beiden äußeren Resonanzkreise schließen somit den oder die übrigen Resonanzkreise ein, die somit „innere" Resonanzkreise darstellen.
Im Ersatzschaltbild der Figur 3 stellen deshalb der erste Re- sonanzkreis RK1 und der dritte Resonanzkreis RK3 die äußeren Resonanzkreise dar, während der zweite Resonanzkreis RK2 den (einzigen) inneren Resonanzkreis darstellt.
Die elektrische und/oder magnetische Verkopplung der Reso- nanzkreise ist durch die mit K bezeichnete Kopplung symboli¬ siert. Dabei ist der erste Resonanzkreis RK1 elektrisch und/oder magnetisch mit dem zweiten Resonanzkreis RK2 verkoppelt. Der zweite Resonanzkreis RK2 ist neben dem ersten Reso¬ nanzkreis RK1 auch mit dem dritten Resonanzkreis RK3 verkop- pelt. Über die Verkopplung der Resonanzkreise kann ein elektrisches Signal von Resonanzkreis zu Resonanzkreis weitergegeben wer¬ den, so dass auch im zweiten Signalweg SW2 ein HF-Signal pro¬ pagieren kann.
Figur 4 zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild der abstimmbaren HF-Filterschaltung, bei der die Resonanzkreise als LC- Schaltungen realisiert sind. Jeder Resonanzkreis, hier am Beispiel des ersten Resonanzkreises RK1 gezeigt - umfasst eine Parallelschaltung eines induktiven Elements IE und eines abstimmbaren kapazitiven Elements AKE . Das abstimmbare kapa¬ zitive Element AKE stellt dabei das abstimmbare Impedanzele¬ ment des entsprechenden Resonanzkreises dar. Umgekehrt könnte jeder Resonanzkreis auch ein abstimmbares induktives Element umfassen. Dann wäre das entsprechende parallel geschaltete
Impedanzelement des Resonanzkreises ein kapazitives Element.
Das abstimmbare kapazitive Element AKE ist mit einer Steuer¬ logik STL verschaltet. Die Steuerlogik STL umfasst Schal- tungselemente, über die ein Steuersignal einer externen
Schaltungsumgebung empfangen werden kann. Das Steuersignal der externen Schaltungsumgebung wird interpretiert und Steuersignale werden über entsprechende Signalleitungen SL an die einzelnen abstimmbaren kapazitiven Elemente AKE ausgegeben.
Die elektromagnetische Kopplung zwischen den Resonanzkreisen ist durch eine kapazitive Kopplung kapazitiver Elementen KE als Koppelelemente realisiert. Dazu umfasst jeder Resonanz¬ kreis im Wesentlichen eine Elektrode eines kapazitiven Ele- ments KE, über die er mit dem benachbarten oder den benachbarten Resonanzkreisen gekoppelt ist. Eine Kopplung über kapazitive Elemente KE stellt dabei im Wesentlichen eine kapa- zitive elektrische Kopplung dar. Die Güte Q dieser kapaziti¬ ven Elemente darf dabei geringer sein als die Güte Q der in den Resonanzkreisen verwendeten Elemente. Der eingangsseitige Resonanzkreis kann ein abstimmbares kapazitives Element umfassen, dessen Kapazität in einem
Bereich um 34,34 pF einstellbar ist. Am Eingang der
abstimmbaren HF-Filterschaltung kann im Signalpad in Serie in weiteres abstimmbares kapazitives Element vorhanden sein (nicht gezeigt) , dessen Kapazität zumindest in einem Bereich zwischen 1 und 5 pF einstellbar ist. So ist eine gute
Anpassung an Impedanzen zwischen 5 und 50 Ohm möglich. Der Bereich der Kapazität kann auch so gewählt sein, dass gute Anpassungen an übliche Impedanzen in Höhe von 5, 10, 25, 50, 100, 200 und 500 Ohm möglich ist. Bei 5 pF im Signalpfad und 34,34 pF gegen Masse wird eine 5 Ohm Anpassung erreicht. Bei 18 pF im Signalpfad und 38,81 pF gegen Masse wird eine 50 Ohm Anpassung erreicht. Figur 5 zeigt das Ersatzschaltbild der abstimmbaren HF- Filterschaltung, bei der die Kopplung zwischen den Resonanzkreisen RK induktiv erfolgt. Dabei hat jeder Resonanzkreis zumindest ein induktives Element IE, über das eine Kopplung zu einem anderen induktiven Element des entsprechenden Reso- nanzkreises erfolgt. Da der erste Resonanzkreis RK1 lediglich induktiv an den zweiten Resonanzkreis RK2 gekoppelt ist, braucht der erste Resonanzkreis RK1 lediglich ein induktives Element IE1 zur Kopplung. Der zweite Resonanzkreis RK2 ist induktiv sowohl an den ersten Resonanzkreis RK1 als auch an den dritten Resonanzkreis gekoppelt und benötigt deshalb zwei induktive Elemente. Ob die Resonanzkreise induktiv oder kapazitiv gekoppelt sind, spielt für die Tatsache, dass HF-Signale übertragen werden können, keine Rolle, so dass die Serienanordnung an Resonanzkreisen den zweiten Signalweg SW2 darstellt.
Die kapazitiven Elemente zur Kopplung zwischen den Resonanzkreisen in Figur 5 bzw. die induktiven Elemente zur Kopplung der Resonanzkreise in Figur 6 sind dabei so angeordnet und ausgestaltet, dass der richtige Grad an Kopplung erhalten wird. Der Kopplungsgrad kann dabei durch den Abstand der Elektroden bzw. die Elektrodenfläche oder die Spulenform, Spulengröße und Spulenentfernung eingestellt sein.
Jeweils zwei induktiv verkoppelte induktive Elemente benach- barter Resonanzkreise bilden dabei im Wesentlichen eine
TransformatorSchaltung .
Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild der abstimmbaren HF- Filterschaltung, bei der die Resonanzkreise neben einem ab- stimmbaren kapazitiven Element AKE einen akustischen Resonator AR umfassen. Akustische Resonatoren zeichnen sich durch hohe Gütefaktoren und gleichzeitig durch geringe Abmessungen auf. Da sie jedoch vergleichsweise hohe Herstellungskosten verursachen und aufgrund ihrer mechanischen Arbeitsweise Maß- nahmen zur Entkopplung und zum Schutz vor störenden Umgebungsbedingungen erfordern, kann die Verwendung von LC- Komponenten bevorzugt sein. Andere Resonatortypen wie
keramische Resonatoren, Disk-Resonatoren, Cavity-Resonatoren, MEMS-basierte Resonatoren und dergleichen sind ebenfalls möglich.
Figur 7a zeigt eine mögliche Anwendung der Schaltung zwischen einem Verstärker, z. B. einem Leistungsverstärker, und einem Antennenanschluss eines mobilen Kommunikationsgeräts, der mit einer Antenne ANT verschaltet ist. Der Impedanzsprung vom Verstärker zur Antenne ist im Allgemeinen besonders groß, je¬ doch bewirkt die Aufspaltung der Anpassung in eine Anpassung der Reaktanz und eine Anpassung der Reaktanz eine besonders gute Anpassung bei relativ einfachem Aufbau auch bei Verwendung eines abstimmbaren Filters.
Figur 7b zeigt eine mögliche Anwendung der Schaltung zwischen einem Verstärker, z. B. einem rauscharmen Verstärker, und einem Antennenanschluss eines mobilen Kommunikationsgeräts, der mit einer Antenne ANT verschaltet ist.
Figur 7c zeigt eine mögliche Anwendung der Schaltung zwischen einem Verstärker und einem Antennenanschluss eines mobilen KommunikationsgerätsDer Verstärker kann - je nach Richtung des HF-Signals - ein Leistungsverstärker in einem Sendepfad oder ein rauscharmer Verstärker in einem Empfangspfad oder beides in einem geduplextem Signalpfad sein. Die Aufgabe der Elimination der Reaktanz ist auf zwei getrennte
Schaltungssegmente aufgeteilt. Ein erster Abschnitt der
Reaktanzeliminations-Schaltung XES ist zwischen der Antenne ANT und dem abstimmbaren HF-Filter AHF und ein zweiter
Abschnitt der Reaktanzeliminations-Schaltung XES ist zwischen dem abstimmbaren HF-Filter AHF und der Antenne ANT
verschaltet. So ist die Variabilität in der Verringerung der Reaktanz erhöht.
Figur 8 zeigt eine mögliche Anwendung, bei der das abstimm- bare HF-Filter AHF Teil eines Duplexers DU ist. Das abstimm¬ bare HF-Filter stellt dabei ein Bandpassfilter dar, das zusammen mit einem weiteren gegebenenfalls abstimmbaren Bandpassfilter eines parallelen Signalpfads die Filterwirkung bei guter Isolation des Duplexers sicherstellt.
Figur 9 zeigt eine zweifache Anwendung der Schaltung KIAF, die sowohl in einem Sendepfad zwischen einem Leistungsverstärker PA und einem Antennenanschluss als auch in einem Empfangssignal zwischen einem rauscharmen Verstärker LNA und dem Antennenanschluss Verwendung findet. Die Schaltung ist dabei nicht ausschließlich auf die gezeig¬ ten Ausführungsbeispiele beschränkt, Schaltungen, die weitere Filter, Resonanzkreise oder Impedanzanpass-Abschnitte aufwei¬ sen, werden ebenfalls umfasst. Auch andere Verwendungen als die oben gezeigten Verwendungen in Sende- oder Empfangspfaden oder in einem Duplexer sind möglich.
Bezugs zeichenliste
Ausgang der abstimmbaren HF-Filterschaltung abstimmbare HF-Filterschaltung
Antenne
Duplexer
Signaleingang der abstimmbaren HF-Filterschaltung Filterkern
Impedanzelement
Signaleingang der Schaltung
Kombinierte Impedanzanpass- und HF- Filterschaltung, der Einfachheit halber auch nur „Schaltung" genannt
rauscharmer Verstärker
Signalausgang der Schaltung
Leistungs erstärker
Resistanzanpass-Schaltung
Signalpfad
erster, zweiter Signalweg
Reaktanzeliminations-Schaltung

Claims

Patentansprüche
1. Kombinierte Impedanzanpass- und HF-Filterschaltung (KIAF) , umfassend
- einen Signaleingang (IN), einen Signalausgang (OUT),
- eine Reaktanzeliminations-Schaltung (XES) zwischen dem Signaleingang (IN) und dem Signalausgang (OUT),
- eine frequenzmäßig abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) , die in Serie zur Reaktanzeliminations-Schaltung (XES)
zwischen dem Signaleingang (IN) und dem Signalausgang (OUT) verschaltet ist,
wobei
- der Signaleingang (IN) und der Signalausgang (OUT) dazu vorgesehen sind, mit Schaltungskomponenten unterschiedlicher Anschlussimpedanz verschaltet zu sein,
- die Reaktanzeliminations-Schaltung (XES) eine
Ausgangsimpedanz ohne Reaktanz zur Verfügung stellt,
- die abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) dazu geeignet ist, eine Anpassung der Resistanz bei unveränderter Reaktanz durchzuführen.
2. Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die
abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) eingangs- und/oder ausgangsseitig eine Resistanzanpass-Schaltung (RAS) umfasst.
3. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) abstimmbare kapazitive und/oder induktive Elemente zur Frequenz-Abstimmung umfasst.
4. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) aus passiven
Schaltungselementen aufgebaut ist.
5. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Reaktanzeliminations-Schaltung (XES) kapazitive und/oder induktive Elemente umfasst.
6. Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die
Reaktanzeliminations-Schaltung (XES) abstimmbare kapazitive und/oder induktive Elemente zum Verringern des Betrags der Reaktanz umfasst.
7. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) einen Filterkern (FK)
- mit einem ersten Impedanzelement (IMP) in einem ersten Signalweg (SW1) und
- mit in einem zweiten, parallel zum ersten Signalweg
verschalteten Signalweg (SW2) in Serie verschalteten
elektromagnetisch gekoppelten Impedanzelementen
umfasst .
8. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die in einem Empfangs- oder Sendepfad eines mobilen
Kommunikationsgeräts verschaltet ist.
9. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, die
zusammen mit einer weiteren Schaltung (KIAF) nach einem der vorherigen Ansprüche in einem mobilen Kommunikationsgerät verschaltet ist, wobei die beiden abstimmbaren HF- Filterschaltungen zusammen einen Duplexer (DU) bilden.
10. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zwei Reaktanzeliminations-Schaltungen (XES) und eine
abstimmbare HF-Filterschaltung (AHF) , die zwischen den beiden Reaktanzeliminations-Schaltungen (XES) verschaltet ist.
11. Verstärkerschaltung, umfassend
- eine kombinierte Impedanzanpass- und HF-Filterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche,
- einen Antennenanschluss und
- entweder einen Leistungsverstärker (PA) , der mit dem Signaleingang (E) der kombinierten Impedanzanpass- und Filterschaltung verschaltet ist oder einen rauscharmen Verschärker (LNA) , der mit dem Signalausgang (A) der kombinierten Impedanzanpass- und Filterschaltung (KIAF) verschaltet ist,
wobei
- die kombinierte Impedanzanpass- und HF-Filterschaltung (KIAF) zwischen dem Verstärker (PA, LNA) und dem
Antennenanschluss verschaltet ist.
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