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Die
Erfindung betrifft ein Sendemodul, insbesondere ein Sendemodul für Endgeräte der mobilen Telekommunikation.
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Mobilfunkgeräte bedienen
ein oder mehrere Mobilfunksysteme, die ein oder mehrere Frequenzbänder (oder
Mobilfunkstandards) benutzen. Die Signalübertragung erfolgt in einem
Frequenzband, das einem Mobilfunkstandard zugeordnet ist und einen Sendebereich
und einen Empfangsbereich umfaßt.
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Die
Sendekette eines Mobilfunkgeräts
umfaßt
in der Regel einen Chipsatz, einen Leistungsverstärker, einen
zur Regelung der Leistung dienenden Koppler, einen Antennenschalter
und/oder eine Frequenzweiche und eine Antenne.
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Unter
einem Chipsatz versteht man eine oder mehrere zusammengeschaltete
integrierte Schaltungen (HF-IC, High Frequency Integrated Circuits),
die ein Trägersignal
generieren und dieses mit einem Nutzsignal mischen.
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Ein
Leistungsverstärker
weist in der Regel zumindest zwei Stufen auf, die einen Spannungsverstärker und
einen Stromverstärker
umfassen.
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Eine
Frequenzweiche kann ein Diplexer zur Trennung der Signale verschiedener
Frequenzbänder
oder ein Duplexer zur Trennung der Sende- und Empfangssignale eines
Frequenzbandes sein.
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Ein
Koppler ist im Regelkreis des Leistungsverstärkers geschaltet und dient
zur Regelung der Leistungsstärke
des Leistungsverstärkers.
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Es
ist bekannt, die genannten Funktionsblöcke als Einzelelemente mit
dazwischen angeordneten Anpassungsnetzwerken zur Impedanzanpassung
auszubilden. Eine solche Schaltung hat den Nachteil, daß wegen
vieler Schnittstellen entsprechend viele Signalverluste zustande
kommen.
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Es
ist auch bekannt, daß man
einen Leistungsverstärker,
einen Koppler und ein Anpassungsnetzwerk in einem Bauelement integrieren
kann. Diese Lösung
hat den Nachteil, daß zum
Ausgleich der Phasendrehung des Signals durch die Verbindungsleitung
auf der Platine des Telefons an der Schnittstelle zum Tiefpaßfilter
Anpassungselemente nötig sind,
die zur Erhöhung
der Einfügedämpfung der Schaltung
beitragen.
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Aus
der Druckschrift
DE
101 02 891 A1 ist ein Hochleistungsverstärker mit
einer mehrstufigen Impedanzanpassungsschaltung bekannt, die z. B. durch
Chipkondensatoren und Abschnitte von Signalleitungen realisiert
sind. Diese Komponenten und ein Verstärkerelement sind auf einem
Trägersubstrat angeordnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sendemodul anzugeben, das
geringe Signalverluste aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Sendemodul nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung gibt ein Sendemodul für
die Hochfrequenzstufe eines drahtlosen Kommunikationssystems an.
Das Sendemodul hat eine Eingangsimpedanz Z01 und
eine Ausgangsimpedanz Z02. Das Sendemodul
weist einen als Sendepfad ausgebildeten Signalpfad auf, der zwischen
einem Signaleingang und einem mit einer Antenne verschaltbaren Signalausgang
angeordnet ist. Das Sendemodul umfaßt einen im Signalpfad eingangsseitig
angeordneten Leistungsverstärker,
dessen Ausgangsimpedanz ZPA kleiner als
Z01 ist, ein im Signalpfad ausgangsseitig
angeordnetes Tiefpaßfilter,
dessen Eingangsimpedanz Z'01 und Ausgangsimpedanz Z'02 ist, wobei die
Eingangsimpedanz Z'01 größer als
ZPA und kleiner als Z02 ist.
Für die
Ausgangsimpedanz Z'02 gilt das Verhältnis Z'01 < Z'02 < Z02.
Im Signalpfad zwischen dem Leistungsverstärker und dem Tiefpaßfilter
ist ein Impedanzwandler angeordnet, der eine Impedanztransformation
von ZPA auf Z'01 durchführt. Der
Leistungsverstärker
ist auf der Oberseite eines Trägersubstrats
angeordnet. Das Trägersubstrat
weist auf seiner Oberseite, Unterseite und zwischen dielektrischen
Schichten Metallisierungsebenen auf, wobei die Metallisierungsebenen
mittels Durchkontaktierungen verbunden sind. Der Impedanzwandler und/oder
das Tiefpaßfilter
weisen jeweils passive Komponenten (Induktivitäten, Kapazitäten und/oder Leitungsabschnitte)
auf, die zumindest teilweise als Leiterbahnabschnitte in zumindest
einer der im Inneren des Trägersubstrats
angeordneten Metallisierungsebenen ausgebildet sind. Die verborgenen
passiven Komponenten können
z. B. durch Leiterbahnabschnitte und dazwischen liegende Schichtbereiche der
dielektrischen Schicht gebildet sein.
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Unter
einer Impedanztransformation (im Gegensatz etwa zu einer Impedanzanpassung)
wird in dieser Schrift eine Änderung
von einer Impedanz Z1 auf eine Impedanz
Z2 verstanden, wobei sich Z1 und Z2 um mindestens Faktor zwei unterscheiden.
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Ein
Impedanzwandler führt
eine Impedanztransformation von einer Impedanz Z1 (Eingangsimpedanz
des Impedanzwandlers, hier Z1 = ZPA) auf Z2 (Ausgangsimpedanz
des Impedanzwandlers, hier Z2 = Z'01),
also bei erfindungsgemäßer Anordnung
die Anpassung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers an die Eingangsimpedanz
des Tiefpaßfilters
durch.
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Ein
Impedanzwandler kann z. B. aus einem Leitungsabschnitt bestehen,
dessen Länge
der erforderlichen Phasendrehung des Signals im Smith-Diagramm (z.
B. um 180 Grad) entspricht. Die Phasendrehung des Signals um 180
Grad entspricht einer λ/4-Leitung, wobei λ eine der
Signalfrequenz (hier Sendefrequenz) korrespondierende Wellenlänge ist. Durch
eine λ/4-Leitung wird
ein an einem Ende auftretender Kurzschluß in ein offenes Ende am gegenüberliegenden
Ende der λ/4-Leitung
umgewandelt. Daher ist es möglich,
den Ausgang des Leistungsverstärkers
durch einen als λ/4-Leitung
ausgebildeten, zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers und
Antenne angeordneten Impedanzwandler gegen einen antennenseitigen
Kurzschluß zu
schützen.
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Möglich ist
es auch, daß der
Impedanzwandler aus mehreren Stufen besteht und z. B. durch im Signalpfad
angeordnete Leitungsabschnitte und/oder Induktivitäten und
parallel dazu geschaltete Kapazitäten gebildet ist, was hintereinander
geschalteten Gliedern eines Tiefpaßfilters n-er Ordnung (n ≥ 1) entspricht.
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Die
Impedanztransformation von Z1 auf Z2 kann im Hochfrequenzbereich nur bei einer
Frequenz f0 genau durchgeführt werden,
da Z1 und Z2 in
diesem Frequenzbereich in der Regel frequenzabhängig sind. Bei von f0 abweichenden Frequenzen ist der Ausgang
des Impedanzwandlers daher fehlangepaßt. Daher rührt das Bandpaßverhalten
des Impedanzwandlers, wobei man unter Bandbreite des Impedanzwandlers
die Frequenzdifferenz zweier Frequenzen versteht, bei denen das
Signal z. B. um 3 dB von dem bei f0 erreichbaren
Maximalwert abfällt.
Eine im Vergleich zur Bandbreite des modulierten Signals (die typischerweise
einige bis hunderte kHz beträgt) geringe
Bandbreite des Impedanzwandlers kann das Signal also beeinflussen
bzw. verzerren, wodurch Signalverluste entstehen.
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Die
absolute Fehlanpassung der Ausgangsimpedanz Z
2 wird
bei einem geringeren Transformationsverhältnis Z
2/Z
1 entsprechend kleiner bzw. die Signalübertragung
durch den Impedanzwandler wird breitbandiger. Gleichzeitig sinkt
die Impedanz Z
L der Leitung,
was
bei Signalübertragung
durch die Leitung eine geringere Einfügedämpfung gewährleistet.
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Auf
dieser Überlegung
beruht die dieser Erfindung zugrunde liegende Idee, die Impedanztransformation
von der Ausgangsimpedanz ZPA des Leistungsverstärkers auf
die Eingangsimpedanz der Antenne in mehreren Stufen durchzuführen. Eine
solche Impedanztransformation ist durch die erfindungsgemäße Integration
eines Leistungsverstärkers
und eines Tiefpaßfilters
in einem Sendemodul möglich
und hat den Vorteil, daß die
Impedanztransformation von der Ausgangsimpedanz ZPA des
Leistungsverstärkers
auf die Eingangsimpedanz der Antenne einer seits zum Teil (z. B.
von 2 auf 20 Ohm) durch den Impedanzwandler und andererseits teilweise
(z. B. von 20 auf 50 Ohm) durch das Tiefpaßfilter oder durch Tiefpaßfilter
und die nachgeschalteten Stufen, z. B. Antennenschalter übernommen wird.
Dabei ist die Fehlanpassung an jeweiligen Schnittstellen vom Betrag
her geringer und das Übertragungsverhalten
des entsprechenden Schaltungsabschnittes breitbandiger.
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Dadurch,
daß der
Leistungsverstärker
und das Tiefpaßfilter
erfindungsgemäß in einem
Modul realisiert sind, entfallen außerdem die später anzupassenden
Schnittstellen dazwischen, wodurch die Signalverluste in Zwischenstufen
reduziert werden.
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In
einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist im Signalpfad zwischen
dem Tiefpaßfilter
und dem Signalausgang ein Antennenschalter und/oder eine Frequenzweiche
angeordnet. Der Antennenschalter ist vorzugsweise zwischen dem Tiefpaßfilter
und der Frequenzweiche geschaltet. Alternativ dazu kann die Frequenzweiche
zwischen dem Tiefpaßfilter
und dem Antennenschalter geschaltet sein. Die Frequenzweiche kann
als ein Diplexer oder ein Duplexer ausgebildet sein.
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Im
Signalpfad zwischen dem Signaleingang und dem Leistungsverstärker kann
ein Anpassungsnetzwerk geschaltet sein. Das Anpassungsnetzwerk kann
in zumindest einer Metallisierungsebene angeordnet sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung kann ein teilweise
im Modul angeordneter Koppler vorgesehen sein, der in einem galvanisch vom
Signalpfad des Moduls getrennten Stromkreis ist. Der Koppler, insbesondere
ein Richtkoppler, dient beispielsweise zum Monitoring der Sendeleistung des
Verstärkers.
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Ein
Koppler kann beispielsweise zwei kapazitiv gekoppelte Leitungsabschnitte
(Koppelleitungen) umfassen. Alternativ kann ein Koppler auch als eine
Transformatorschaltung zweier Induktivitäten ausgebildet sein. Eine
der Koppelinduktivitäten
oder Koppelleitungen (erstes Koppelelement) ist dabei im Signalpfad
nach dem Leistungsverstärker
angeordnet. Die andere, mit ihr gekoppelte Koppelinduktivität oder Koppelleitung
(zweites Koppelelement) ist vorzugsweise in Serie mit einem Leistungsdetektor
(z. B. einer Diode) in den Regelkreis des Leistungsverstärkers geschaltet.
Dieser Leistungsdetektor kann im Chipsatz oder im Sendemodul angeordnet
sein.
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Die
erste und die zweite Koppelinduktivität oder Koppelleitung können nebeneinander
in der selben Metallisierungsebene oder übereinander in zumindest zwei
benachbarten Metallisierungsebenen ausgebildet sein. Das erste Koppelelement
kann im Tiefpaßfilter
oder Impedanzwandler angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, daß das
erste Koppelelement zwischen dem Impedanzwandler und dem Tiefpaßfilter
angeordnet ist. Das erste Koppelelement kann auch dem Tiefpaßfilter
nachgeschaltet sein. Bei der Ausführung des Koppelelements als Koppelleitung
kann die zweite Koppelleitung gleich lang oder kürzer als die erste Koppelleitung
ausgeführt
sein. Die erste Koppelleitung ist vorzugsweise als eine λ/4-Leitung
ausgebildet.
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Der
Impedanzwandler und/oder das Tiefpaßfilter kann eine oder mehrere
Stufen aufweisen. Zumindest eine der Stufen kann durch einen Leitungsabschnitt
oder ein Tiefpaßfilterglied
realisiert sein. Die entsprechende Stufe kann alternativ durch einen Leitungsabschnitt
und eine parallel dazu gegen Masse geschaltete Kapazität oder durch
eine beliebige Kombination von LC-Elementen realisiert sein.
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In
einem weiteren erfindungsgemäßen Sendemodul
kann zumindest ein mit einem zweiten Signaleingang verbundener weiterer
als Sendepfad ausgebildeter Signalpfad angeordnet sein, der über den bereits
genannten oder einen weiteren Antennenschalter oder über eine
Frequenzweiche mit dem Signalausgang verbunden ist und im wesentlichen
die gleichem Komponenten wie der erste Signalpfad aufweist. Der
erste und der zweite Sendepfad können
jeweils unterschiedlichen Frequenzbändern drahtloser Kommunikationssysteme
zugeordnet sein.
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Die
dielektrischen Schichten des Trägersubstrat
sind vorzugsweise aus Keramik ausgebildet. Alternativ kann das Trägersubstrat
einen gemischten Aufbau aus Keramik und Laminatschichten (z. B. FR4,
BT, ALIVH) aufweisen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sendemoduls mit einem Sendepfad.
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2a zeigt
das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls mit zwei Sendepfaden.
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2b zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sendemoduls im schematischen
Querschnitt.
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3 zeigt
ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Sendemodul mit einem zwischen
dem Signaleingang und dem Leistungsverstärker geschalteten Anpassungsnetzwerk.
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4a zeigt
die Anordnung eines Kopplers mit kapazitiver Kopplung zwischen dem
Impedanzwandler und dem Tiefpaßfilter.
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4b zeigt
die Anordnung eines Kopplers im Tiefpaßfilter.
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4c zeigt
die Anordnung eines Kopplers im Impedanzwandler.
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5 zeigt
die Anordnung eines Kopplers mit Transformatorkopplung im Tiefpaßfilter.
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6 zeigt
das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls mit drei Empfangspfaden
und einem Frontend-Teilmodul.
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7 zeigt
das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls mit zwei Antennenschaltern.
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1 zeigt
die erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sendemoduls
SM. Das Sendemodul weist einen zwischen einem Signaleingang IN und
einem Signalausgang OUT angeordneten Signalpfad TX (Sendepfad) auf.
Die Eingangsimpedanz des Sendemoduls ist Z01.
Die Ausgangsimpedanz des Sendemoduls ist Z02.
Eingangsseitig ist ein Leistungsverstärker PA angeordnet. Die Ausgangsimpedanz
ZPA des Leistungsverstärkers PA ist in der Regel wesentlich
kleiner als seine Eingangsimpedanz, die in diesem Ausführungsbeispiel
der Eingangsimpedanz des Sendemoduls Z01 gleich
ist. Ausgangsseitig ist im Sendepfad ein Tiefpaßfilter LP angeordnet. Seine
Ausgangsimpedanz Z'02 ist in diesem Ausführungsbeispiel gleich der Ausgangsimpedanz
Z02 des Sendemoduls. Zwischen dem Ausgang
des Leistungsverstärkers
PA und dem Eingang des Tiefpaßfilters
LP ist ein Impedanzwandler IT angeordnet, der eine Impedanztransformation
von ZPA auf Z'01 durchführt. Der
Impedanzwandler IT ist vorzugsweise als ein Leitungsabschnitt passender
Länge ausgebildet. Möglich ist
es auch, den Impedanzwandler IT durch ein oder mehrere LC-Glieder
auszubilden. Der Impedanzwandler führt bei einer ausgewählten Sendefrequenz
eine Phasendrehung des Signals vorzugsweise um 180° durch.
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Die
Anpassung der Impedanz zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers PA
und dem Ausgang des Sendemoduls erfolgt stufenweise zuerst vom Wert
ZPA auf den Zwischenwert Z'01 durch
den Impedanzwandler und anschießend
vom Zwischenwert Z'01 auf den Wert Z'02 beziehungsweise
Z02 durch das Tiefpaßfilter LP.
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2b zeigt
den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls im schematischen
Querschnitt. Die Komponenten des Sendemoduls sind teilweise als
Chipbauelemente CB, PA-CB ausgebildet und teilweise in einem Trägersubstrat
TS in Metallisierungsebenen ME, ME1, ME2 integriert. Die Metallisierungsebenen
ME, ME1, ME2 sind untereinander, mit auf der Oberseite des Trägersubstrats
TS angeordneten Chipbauelementen CB, PA-CB sowie mit der Platine des Mobilfunkgeräts mittels
Durchkontaktierungen DK bzw. elektrischer Anschlüsse AE, AE1 verbunden. Das
Trägersubstrat
TS umfaßt zwischen
den Metallisierungsebenen ME, ME1 und ME2 angeordnete dielektrische
Schichten DS. Die dielektrischen Schichten DS sind vorzugsweise
aus Keramik ausgebildet. Die Chipbauelemente CB, PA-CB sind mit
dem Trägersubstrat
TS mittels der elektrischen Anschlüsse AE beispielsweise mittels einer
SMD-Technik (Surface Mounted Device) oder einer anderen Verbindungstechnik,
z. B. Drahtbonden oder Flip Chip Technik, verbunden. Der Leistungsverstärker PA
ist im Chipbauelement PA-CB angeordnet. Das Element PA-CB ist vorzugsweise
ein Halbleiterchip. Der Impedanzwandler IT ist in diesem Ausführungsbeispiel
in einer mittleren Metallisierungsebene ME1, die zwischen zwei dielektrischen Schichten
DS angeordnet ist, realisiert. Möglich
ist es auch, den Impedanzwandler IT teilweise oder komplett auf
der Oberseite oder Unterseite des Trägersubstrats zu realisieren.
Die Elemente des Impedanzwandlers IT können auch in mehreren Metallisierungsebenen
ME, ME1, ME2 ausgebildet sein. Die Elemente des Tiefpaßfilters
LP können
auch in einer oder mehreren Metallisierungsebenen des Trägersubstrats
TS realisiert sein. Alternativ kann der Impedanzwandler IT und/oder
das Tiefpaßfilter
LP zumindest teilweise im Chipbauelement CB ausgebildet sein. In
einer weiteren Variante der Erfindung können im Chipbauelement CB auch
nichtlineare und/oder aktive Elemente eines Antennenschalters angeordnet
sein.
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2a zeigt
ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls SM mit zwei Sendepfaden
TX und TX2. Die beiden Sendepfade sind im wesentlichen gleich (gemäß 1)
ausgebildet. Der Leistungsverstärker
PA des ersten Sendepfades TX und der Leistungsverstärker PA2
des zweiten Sendepfades TX2 sind in diesem Ausführungsbeispiel zusammen in
einem diskreten Bauelement beziehungsweise Chipbauelement realisiert. Die
beiden Sendepfade TX, TX2 sind ausgangsseitig durch einen hier nicht
dargestellten Diplexer DI zusammengeführt, wie z. B. in 3 gezeigt
ist. Der Diplexer DI ist in 2a mit
einem in 3 beschriebenen Antennenschalter
AS in einem vorzugsweise als diskretes Bauelement ausgebildeten
Funktionsblock realisiert und ausgangsseitig mit einer Antenne verbunden.
Der Antennenschalter AS schaltet je nach Betriebsmode zwischen dem
ersten und dem zweiten Mobilfunkstandard, wobei der erste Mobilfunkstandard
den Sendepfad TX und den Empfangspfad RX und der zweite Mobilfunkstandard
den Sendepfad TX2 und den Empfangspfad RX2 für die Signalübertragung
benutzt. Die Frequenzbänder
der beiden Mobilfunkstandards sind vorzugsweise um ca. eine Oktave
voneinander getrennt. Die im zweiten Sendepfad TX2 angeordneten
Elemente IT2, LP2 entsprechen in ihrer Funktionsweise den Elementen IT,
LP des ersten Sendepfads TX.
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Der
Diplexer DI, der Antennenschalter AS und die Tiefpaßfilter
LP und LP2 sind in diesem Ausführungsbeispiel
in einem modular aufgebauten Chipbauelement CB realisiert.
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3 zeigt
ausschnittsweise eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Sendemoduls,
das zur Signalübertragung
im Multibandbetrieb geeignet ist. Ein Diplexer DI trennt die Signale
der sich z. B. um eine Oktave unterscheidenden Frequenzbänder voneinander.
In der Figur ist ein Sendepfad für
ein Frequenzband (z. B. GSM 1800) dargestellt.
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Der
Diplexer DI besteht aus einem Tiefpaßfilter und einem Hochpaßfilter.
Durch das Tiefpaßfilter des
Diplexers werden z. B. Signale der Mobilfunkstandards GSM 850 und/oder
GSM 900, übertragen. Durch
das Hochpaßfilter
des Diplexers werden Signale von zumindest zwei vorzugsweise nebeneinander
liegenden Frequenzbändern,
z. B. GSM 1800 und GSM 1900, übertragen.
Die Empfangssignale des ersten Mobilfunksystems (GSM 1800) werden
im Empfangspfad RX weiterverarbeitet. Die Empfangssignale des zweiten
Mobilfunksystems (GSM 1900) werden im Empfangspfad RX1 weiterverarbeitet.
Die Sendesignale der beiden genannten Mobilfunksysteme werden über den
Sendepfad TX übertragen.
Der Schalter AS schaltet je nach Schalterstellung zwischen dem Sendepfad
TX und dem jeweiligen Empfangspfad RX beziehungsweise RX1.
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Zwischen
dem Signaleingang IN des Sendemoduls und dem Eingang des Leistungsverstärkers PA
ist in dieser Variante der Erfindung ein Anpassungsnetzwerk MA angeordnet.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt die Impedanztransformation (bzw. Impedanzanpassung) von
ZPA auf Z02 in vier
Stufen – teilweise über den
Impedanzwandler IT von ZPA auf Z'01, über das
Tiefpaßfilter
LP von Z'01 auf Z'02, über
den Antennenschalter AS vom Wert Z'02 auf den Wert
Z''02 und
den Diplexer DI vom Wert Z''02 auf
den Wert Z02. Der an das Tiefpaßfilter
des Diplexers DI angeschlossene zweite Antennenschalter ist hier
nicht dargestellt.
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4a zeigt
die Anordnung eines Koppler CO zwischen dem Impedanzwandler IT und
dem Tiefpaßfilter
LP. Der Koppler CO ist durch eine erste im Signalpfad angeordnete
Koppelleitung KL1 und eine mit dieser kapazitiv gekoppelten zweite
Koppelleitung KL2 realisiert. Die zweite Koppelleitung KL2 ist zwischen
elektrischen Anschlüssen
A1 und A2 angeordnet. Die Anschlüsse
A1 und A2 können
beispielsweise mit einem Signalprozessor eines Chipsatzes weiter
verbunden werden. Der Koppler CO dient zur Leistungssteuerung des
hier nicht dargestellten Leistungsverstärkers PA. Der Impedanzwandler
IT weist im Signalpfad angeordnete Leitungsabschnitte LA1 und LA2
sowie in Parallelzweigen angeordnete Kapazitäten C1, C2 und C3 auf. Die Leitungsabschnitte
LA1, LA2 und die Kapazitäten C1,
C2 und C3 bilden zwei π-Glieder.
Das Tiefpaßfilter
LP besteht aus im Signalpfad angeordneten Induktivitäten L und
L1 und in Parallelzweigen angeordneten Kapazitäten C4, C5 und C6. Die Induktivitäten L, L1
und die Kapazitäten
C4, C5 und C6 bilden zwei π-Glieder
bzw. ein Tiefpaßfilter
zweiter Ordnung. Die Anzahl der π-Glieder
im Impedanzwandler IT oder Tiefpaßfilter LP kann auch 1 (bevorzugte
Variante) oder > 2
sein.
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4b zeigt,
daß der
Koppler CO teilweise im Tiefpaßfilter
LP angeordnet sein kann. Das Tiefpaßfilter LP weist in diesem
Ausführungsbeispiel
folgende Elemente auf: den Leitungsabschnitt LA1 und eine erste
Koppelleitung KL1, die im Signalpfad angeordnet sind, sowie die
in Parallelzweigen angeordneten Kapazitäten C4, C5 und C6. Die zweite,
mit der ersten verkoppelte Koppelleitung KL2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
kürzer
als die erste Koppelleitung KL1 ausgebildet. Möglich ist es auch, daß zwei gleich
oder unterschiedlich lange Leitungen nur teilweise miteinander überlappen.
Durch den Überlappungsbereich
der beiden Koppelleitungen KL1 und KL2 läßt sich der Kopplungsfaktor
einstellen.
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In 4c ist
eine weitere mögliche
Anordnung des Kopplers CO gezeigt. Der Koppler CO ist teilweise
im Impedanzwandler IT angeordnet. Der Impedanzwandler IT weist unterschiedlich
ausgebildete Stufen auf. In den Parallelzweigen sind die Kapazitäten C1,
C2 und C3 angeordnet. Im Signalpfad sind in Serie geschalteter Leitungsabschnitt
LA1 und eine erste Koppelinduktivität KI1 geschaltet. Der Koppler
CO ist durch die erste Koppelinduktivität KI1 und eine Koppelinduktivität KI2 gebildet.
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5 zeigt
einen im Tiefpaßfilter
LP angeordneten Koppler CO mit einer Transformatorkopplung der Koppelinduktivität KI1 und
KI2, wobei in Serie mit der zweiten Koppelinduktivität KI2 eine
Diode D1 geschaltet ist. Die Diode D1 ist in diesem Ausführungsbeispiel
als diskretes Bauelement ausgebildet und auf der Oberseite des in
dieser Figur nicht dargestellten Trägersubstrats TS angeordnet.
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Der
Impedanzwandler IT ist in diesem Ausführungsbeispiel durch im Signalpfad
angeordnete Induktivitäten
L2 und L3 sowie Kapazitäten
C1, C2 und C3 gebildet.
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Die
Breite der Streifenleitungen, die den Impedanzwandler IT oder die
Koppelleitungen KL1, KL2 realisieren, hängt von der relativen Dielektrizitätskonstante εrel der
entsprechenden dielektrischen Schicht (die zwischen der Streifenleitung
und der Massefläche
liegt) ab. Bei niedrigen Werten von εrel, z.
B. wenn εrel < 12
ist, muß die
Leitungsbreite vergleichsweise groß gewählt werden, um die vorgegebene
Leitungsimpedanz zu realisieren, wobei aufgrund der großen Leitungsbreite
die Wellenmode (quasi-TEM-Welle) in der Streifenleitung beeinflußt werden
kann. Daher haben in der bevorzugten Variante der Erfindung die
dielektrischen Schichten, welche mit den Streifenleitungen direkt
in Verbindung stehen, eine relative Dielektrizitätskonstante εrel > 12 (hochpermeable
dielektrische Schichten). In der Umgebung der hochpermeablen dielektrischen
Schichten lassen sich im Prinzip beliebige in zwei übereinander
angeordneten Metallisierungsebenen angeordnete, durch die entsprechende
Schicht DS kapazitiv gekoppelte Bauelementstrukturen (z. B. die
Kapazitäten
C1 – C6)
mit kleinen Abmessungen realisieren.
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Dagegen
lassen sich die Induktivitäten
(L, L1 – L3)
oder die Elemente mit Transformatorkopplungen (KI1, KI2) am besten
in der Umgebung von dielektrischen Schichten mit einer niedrigen
relativen Dielektrizitätskonstante εrel < 12 realisieren.
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Daher
können
im Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls
dielektrische Schichten DS mit unterschiedlichen dielektrischen
Eigenschaften vorgesehen sein. Die hochpermeablen dielektrischen
Schichten bilden vorzugsweise die oberen Schichten des erfindungsgemäßen Moduls.
Möglich
ist aber auch, daß die
hochpermeablen dielektrischen Schichten im unteren Bereich des Moduls
angeordnet sind. Möglich
ist es auch, die dielektrischen Schichten mit unterschiedlichem εrel in
beliebiger Folge übereinander anzuordnen.
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In 6 ist
eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Sendemoduls SM vorgestellt,
welches mit einem Chipsatz CS des Endgeräts verschaltet ist. Das Sendemodul
SM ist für
Multiband-Betrieb (z. B. für
Mobilfunk-Standards GSM900, GSM1800, GSM1900) ausgelegt und enthält neben
oben schon genannten, im Sendepfaden TX (GSM900) bzw. TX2 (GSM1800/1900)
geschalteten Komponenten (PA-CB, IT, LP, DI, AS) auch drei Empfangspfade
RX (GSM900), RX1 (GSM1800) und RX2 (GSM1900). In dem jeweiligen
Empfangspfad ist ein Bandpaßfilter angeordnet,
wobei alle Bandpaßfilter
vorzugsweise in einem Chip-Bauelement realisiert sind, welches ein
Frontend-Teilmodul FEM bildet. Das Frontend-Teilmodul FEM ist vorzugsweise
auf der Oberseite des Trägersubstrats
TS des Sendemoduls SM angeordnet und mit dem Trägersubstrat TS sowohl elektrisch
als auch mechanisch fest verbunden. Das Frontend-Teilmodul FEM ist über den
Eingang IN1 des Sendemoduls mit den entsprechenden rauscharmen Verstärkern (LNA,
Low Noise Amplifier), die im Chipsatz CS angeordnet sind, elektrisch
verbunden.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
eines Frontend-Teilmoduls in einem Sendemodul hat den Vorteil, daß die Länge der
Zuleitungen zwischen den Schaltungskomponenten auf der Empfangsseite (verglichen
mit einem Frontendmodul, das separat ausgebildet ist) verkürzt und
besser kontrollierbar ist. Die thermische Entkopplung des Frontend-Teilmoduls
insbesondere vom Leistungsverstärker-Teilmodul
gelingt durch Wärmesenken
oder durch eine geeignete Formgebung bei Ausbildung des Trägersubstrats
TS. Die elektrische Entkopplung der beiden Teilmodule ist durch
herkömmliche
Abschirmelemente möglich.
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Die
Impedanzwandler IT, IT2 und die Tiefpaßfilter LP, LP2 sind wie in
der Figur durch ein Rechteck angedeutet in einem Chip-Bauelement oder
alternativ im Trägersubstrat
TS realisiert. Die Frequenzweiche DI und der Antennenschalter AS können wie
angedeutet in einem Chip-Bauelement realisiert sein. Es besteht
auch die Möglichkeit,
die Frequenzweiche DI zumindest teilweise im Trägersubstrat TS zu integrieren.
Der Antennenschalter AS ist mit dem Halbleiterchip PA-CB (Leistungsverstärker-Teilmodul) über den
Pfad RK rückgekoppelt (Leistungssteuerung).
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Es
ist möglich,
die hier vorgestellten, im Sendepfad angeordneten Komponenten in
einem Chip-Bauelement zu realisieren bzw. beliebig miteinander zu
kombinieren. Beispielsweise ist es möglich, die Leistungsverstärker PA,
PA2 und den Antennenschalter AS in einem gemeinsamen Chip-Bauelement
zu realisieren.
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7 zeigt
das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Sendemoduls, das antennenseitig
einen im Trägersubstrat
integrierten Diplexer DI (Frequenzweiche) aufweist. Der Diplexer trennt
Signale der Mobilfunk-Standrads, die sich um ca. eine Oktave unterscheiden
(Z. B. GSM850/GSM900 und GSM1800/GSM1900). Der Sende- oder Empfangspfad
TX bzw. RX (oder TX2 bzw. RX2) wird in unterschiedlichen Zeitschlitzen elektrisch über Antennenschalter
AS1 (bzw. AS2) mit dem Eingang des Diplexers DI verbunden.
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Die
Antennenschalter AS, AS1 und AS2 können jeweils CMOS-Schalter, ein GaAs-Schalter
oder ein Schalter auf der Basis der PIN-Dioden sein, die als Bare-Die
oder SMD-Chipbauelemente (SMD = Surface Mounted Device) ausgebildet
sind.
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Der
erste und/oder der zweite Sendepfad kann jeweils zumindest zwei
unterschiedlichen Mobilfunk-Standards (z. B. GSM850/GSM900, oder GSM1800/GSM1900/UMTS)
zugeordnet sein.
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Neben
den in den Ausführungsbeispielen und
den dazugehörigen
Figuren vorgestellten Verwirklichungen umfaßt die Erfindung noch eine
Reihe weiterer Kombinationen, die durch Weglassen einzelner Komponenten
oder durch Kombination einzelner Komponenten der beschriebenen Ausführungsbeispiele
erhalten werden können.
Die Erfindung ist auch nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt.
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- IN
- Signaleingang
(Sendeseite)
- IN1
- Signaleingang
(Empfangsseite)
- OUT
- Signalausgang
(Antennenanschluß)
- PA
- Leistungsverstärker
- MA
- Anpassungsnetzwerk
- LP
- Tiefpaßfilter
- Z01
- Eingangsimpedanz
des Moduls
- Z02
- Ausgangsimpedanz
des Moduls
- ZPA
- Ausgangsimpedanz
des Leistungsverstärkers
- Z'01
- Eingangsimpedanz
des Tiefpaßfilters
- Z'02
- Ausgangsimpedanz
des Tiefpaßfilters
- Z''02
- Ausgangsimpedanz
des Antennenschalters
- IT
- Impedanzwandler
- AS
- Antennenschalter
- DI
- Frequenzweiche
- CO
- Koppler
- DS
- dielektrische
Schicht
- ME,
ME1, ME2
- Metallisierungsebene
- TS
- Trägersubstrat
- L,
L1–L6
- Induktivitäten
- C1–C6
- Kapazitäten
- KI1,
KI2
- Koppelinduktivitäten
- KL1,
KL2
- Koppelleitung
- LA1,
LA2
- Leitungsabschnitt
- DK
- Durchkontaktierung
- AE,
AE1
- Kontakte
- A1,
A2
- Anschluß
- D1
- Diode
- CB
- Chip-Bauelement
- PA–CB
- Halbleiterchip
mit PA
- RX,
RX1,RX2
- Empfangspfade
- TX,
TX2
- Sendepfade
- PAM
- Leistungsverstärker-Teilmodul
- SM
- Sendemodul
- CS
- Chipsatz