DE102009024747A1

DE102009024747A1 - Adaptive Impedanzanpassschaltung und Verfahren zur Anpassung für Duplexbetrieb-Standards

Info

Publication number: DE102009024747A1
Application number: DE102009024747A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Schmidhammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: Qualcomm Technologies Inc
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-07-29
Also published as: US9054772B2; US20100182216A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Impedanzanpassung von Frontendschaltungen an Antennen in voneinander verschiedenen Sende- und Empfangsfrequenzbereichen angegeben. Ferner wird eine geeignete Anpassschaltung angegeben. Es wird die Impedanzanpassung in einem Sendefrequenzbereich so ermittelt, dass dabei eine zu schlechte Impedanzanpassung in einem Empfangsfrequenzbereich verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine adaptive Impedanzanpassschaltung und ein Verfahren zur Anpassung für Duplexbetrieb-Standards.
Die Antennen von mobilen Kommunikationsgeräten, insbesondere Planarantennen, reagieren auf eine Veränderung ihrer Umgebung durch eine Veränderung ihrer Impedanz. Von der Impedanzanpassung zwischen einer Frontendschaltung eines mobilen Kommunikationsgerätes und der Antenne hängt der Transmissionskoeffizient ab, der bei Sendesignalen den Bruchteil der Leistung aus der Frontendschaltung beschreibt, der über die Antenne abgestrahlt wird. Gleichzeitig hängt vom Grad der Impedanzanpassung auch der Transmissionskoeffizient von Empfangssignalen, die über die Antenne empfangen und an die Frontendschaltung weitergeleitet werden, ab. Um bei gegebener abgestrahlter Leistung die dafür in der Frontendschaltung aufzuwendende Leistung zu minimieren bzw. um ein gutes Empfangssignal erhalten zu können, ist es entsprechend wichtig, dass Frontendschaltung und Antenne impedanzmäßig aneinander angepasst sind.
In bisherigen TDD (Time Division Duplexing) Verfahren dient eine adaptive Anpassschaltung zur dynamischen Anpassung der Impedanz der Frontendschaltung an die veränderliche Impedanz der Antenne. In einem solchen System werden für Sendesignale und Empfangssignale im Allgemeinen verschiedene Frequenzbereiche benutzt. Da die Vorgänge Senden und Empfangen zeitlich abwechselnd in so genannten Zeitschlitzen stattfinden (zum Beispiel beim GSM Standard), ist eine Impedanzanpassung je doch lediglich für den sich gerade in Benutzung befindlichen Frequenzbereich nötig.
Anders ist die Situation bei Funkstandards, welche das zeitgleiche Senden und Empfangen ermöglichen (FDD-Verfahren, Frequency Division Duplexing), wie zum Beispiel der europäische W-CDMA Standard. Sendesignale werden in Sendefrequenzbereichen (sog. „uplink”-Frequenzen) übermittelt, Empfangssignale dagegen in sog. „downlink”-Frequenzen). Solche Frequenzbereiche sind zusätzlich durch den dazwischen angeordneten sog. Bandabstand voneinander getrennt. Typischerweise muss eine FDD Impedanzanpassschaltung also eine ausreichende Anpassung in einem Frequenzbereich ermöglichen, der Sende- und Empfangsfrequenzbereiche gleichzeitig bedient.
Ein weiteres Problem gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Impedanzanpassschaltungen besteht darin, dass die vorliegende Anpassschaltung zwischen einem Duplexer und der Antenne verschaltet ist, während üblicherweise in TDD-Systemen kein Duplexer vorgesehen ist. Ein Duplexer ist ein notwendiger Teil einer FDD-Frontendschaltung, der als Frequenzweiche dient und aufgrund seiner eigenen frequenzabhängigen Impedanz eine ausreichende Impedanzanpassung erschwert.
Es besteht also die Aufgabe, eine Impedanzanpassschaltung anzugeben, welche die Impedanzanpassung zwischen einem Duplexer oder einem Frontendmodul und der Antenne eines mobilen Kommunikationsgerätes im FDD-Modus gleichzeitig sowohl in einem Sendefrequenzbereich als auch in einem Empfangsfrequenzbereich leistet. Ferner besteht die Aufgabe, ein einfaches, aber leistungsfähiges, stabiles und schnelles Verfahren anzugeben, mit dem die Impedanzanpassung zwischen Duplexer (o der Frontendmodul) und Antenne durchgeführt werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass eine dynamische Anpassung der Impedanz zwischen Frontendschaltung und Antenne nötig ist, hängt der Erfolg der Anpassung von der Kombination eines geeigneten Anpassnetzwerkes und eines effektiven Verfahrens ab. Es ist somit insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Anpassnetzwerk zusammen mit einem dafür ausgelegten Algorithmus anzugeben, um eine gute Antennenanpassung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Anpassschaltung nach Anspruch 38 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Frontendschaltung und einer Planarantenne in einem ausgewählten Sende- und einem ausgewählten Empfangsfrequenzbereich mit den Schritten:

A) Auswählen eines Bandes,
B) Einstellen von Anfangsimpedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente für das ausgewählte Band,
C) Ermitteln der Anfangsimpedanzanpassung der Anpassschaltung für den Sendefrequenzbereich des ausgewählten Bandes,
D) Bestimmen und Einstellen von neuen Impedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente,
E) Ermitteln der Impedanzanpassung der Anpassschaltung mit den neuen Impedanzen für Sendefrequenzbereiche,
F) Fortfahren mit Schritt D).

Dabei umfasst die Anpassschaltung einen Signalpfad, der zwischen der Frontendschaltung und der Planarantenne verschaltet ist, sowie ein erstes und ein zweites abstimmbares Impedanzelement. Im Schritt A) wird dabei dasjenige Frequenzband ausgesucht, in dem die Anpassschaltung die Impedanzanpassung zwischen Frontendschaltung und Planarantenne bewirken soll. Schritt B) stellt eine Initialisierung dar, bei der die Anfangsimpedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente auf vorgegebene Werte eingestellt werden, welche vom ausgewählten Band abhängen. Im Schritt C) wird die tatsächliche Impedanzanpassung im Sendefrequenzbereich des ausgewählten Bandes ermittelt. Basierend auf diesen Werten wird im Schritt D) ein neuer Satz von Impedanzen bestimmt werden, auf die die abstimmbaren Impedanzelemente eingestellt werden. Im Schritt E) wird dann die Impedanzanpassung mit den neu eingestellten Impedanzwerten der abstimmbaren Impedanzelemente ermittelt. Die Schritte D) und E) werden anschließend in einer Schleife (vgl. Schritt F)) nacheinander erneut abgearbeitet, wodurch die Impedanzanpassung iterativ und sukzessive verbessert wird. Das Verfahren wird so geführt, dass eine gleichzeitige Impedanzanpassung von Sende- und Frequenzband stattfindet. Das Verfahren ist einfach und stabil, weil in jeder Iterationsschleife lediglich die aktuelle Impedanzanpassung des Sendefrequenzbereichs als Grundlage dafür dient, neue Impedanzwerte zu ermitteln und einzustellen.
In einer Ausgestaltung wird die Impedanzanpassung der Frontendschaltung und der Planarantenne in Sende- und Empfangs-Frequenzbereichen gleichzeitig durchgeführt. So beispielsweise im FDD-Betrieb.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anpassschaltung wird ein sog. Ultrabreitbandanpassnetzwerk verwendet, dessen Bandbreite sowohl den Sende- als auch den Empfangsfrequenzbereich des gewählten Bandes umfasst.
In einer noch vorteilhafteren Ausgestaltung wird als Anpassschaltung ein Ultrabreitbandanpassnetzwerk verwendet, dessen Bandbreite die Sende- und Empfangsfrequenzbereiche mehrerer Bänder umfasst.
Als Alternative zur Anpassschaltung mit einem Ultrabreitbandanpassnetzwerk kann auch ein Anpassnetzwerk verwendet werden, das zwei Anpasspunkte aufweist, an denen die Anpassung an Sende- und Empfangsfrequenzbereiche optimal ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der verwendeten Anpassschaltung ist das erste abstimmbare Impedanzelement im Signalpfad verschaltet. Das zweite abstimmbare Impedanzelement ist zwischen Signalpfad und Masse in einem Querpfad verschaltet. Ebenfalls in einem parallelen Querzweig ist ein erstes induktives Element parallel zum zweiten abstimmbaren Impedanzelement verschaltet. Es ist bevorzugt, dieses erste induktive Element zwischen Antenne und Masse zu verschalten. Dann nämlich kann es wirksam ESD-Pulse, die über die Antenne eingeleitet werden, nach Masse ableiten, ohne dass die ESD-Pulse übrige Elemente der Anpassschaltung oder Teile des Frontend-Moduls beschädigen. Ein zweites induktives Element kann zwischen Signalpfadeingang und Masse verschaltet sein. Ein drittes induktives Element ist in einer Ausführungsform dieser Ausgestaltung seriell zum ersten abstimmbares Impedanzelement im Signalpfad verschaltet.
Das erste, das zweite oder beide abstimmbare Impedanzelemente sind vorzugsweise Impedanzelemente mit variabler, das heißt einstellbarer, Kapazität und umfassen jeweils zumindest eine verschaltete Komponente, die ausgewählt ist aus: einem MEMS-Komponenten umfassenden Element, einem CMOS-Element, einem Barium-Strontium-Titanat umfassenden Element, einem Gallium arsenid umfassenden Element, einer über Feldeffekttransistoren verschaltete Kapazitätsmatrix, einem NMOS-Element, einem PMOS-Element, einem SiGe umfassenden Element, einem Graphen umfassenden Element, einem Kohlenstoff umfassenden Element. Insbesondere kommen als Impedanzelemente mit variabler Kapazität in einem sog. Array verschaltete Kondensatoren in Frage, deren Kapazitäten per Schalter einzeln oder zusammen zu einer Gesamtkapazität verschaltet werden können. Als Alternative zu abstimmbaren kapazitiven Elementen können jedoch auch abstimmbare induktive Elemente verwendet werden, deren Induktivität variabel einstellbar ist.
Als Planarantenne wird eine PILA (Planar Inverted L Antenna) oder eine PIFA (Planar Inverted F Antenna) bevorzugt. Solche Antennen sind nicht an eine feste Impedanz angepasst; ihre Anpassung geschieht dynamisch über die Anpassschaltung. So kann auf veränderliche äußere Einflüsse reagiert werden. Andere Antennen, z. B. ILAs (Inverted L Antenna), IFAs (Inverted F Antenna) oder Stabantennen können prinzipiell auch Anwendung finden. Ferner kann die Antenne ein sog. Metamaterial umfassen. Metamaterialien sind Materialien, welche in der Natur nicht vorkommende Eigenschaften – z. B. negative Brechungsindizes – aufweisen und künstlich synthetisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anpassschaltung mit einem Mikrocontroller verschaltet. Der Mikrocontroller kann die Logikschaltkreise, mittels derer im Schritt D) die neuen Impedanzwerte der einstellbaren Impedanzelemente ermittelt werden, enthalten. In ihm können auch die Ausgangswerte der Anfangsimpedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente hinterlegt sein. Der Mikrocontroller ist dazu vorzugsweise mit einem Detektor und den einstellbaren Impedanzelementen verschaltet. Der Detektor ist im Signalpfad verschaltet und dient zum Registrieren der Impedanzanpassung zwischen Frontendschaltung und Planarantenne.
In einer Ausführungsform ist die Anpassschaltung und/oder der Mikrocontroller mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung verschaltet. Durch einen solchen sog. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) können spezifische Kundenwünsche bzw. Anforderungen von Kunden an eine Impedanzanpassschaltung implementiert werden, ohne dass die Verschaltung der Impedanzanpassschaltung grundlegend geändert werden müsste.
Es ist bevorzugt, wenn der Detektor im Signalpfad verschaltet ist und ein lineares oder logarithmisches Signal der Anpassung liefert. Linear bedeutet, dass das Signal proportional zum Betrag der Phase oder der Leistung eines zwischen Frontendschaltung und Planarantenne propagierenden Hochfrequenzsignals ist. Logarithmisch bedeutet, dass das Signal proportional zu einem Logarithmus des Betrags der Phase oder der Leistung ist.
In den Schritten C) und E), in denen die Impedanzanpassung ermittelt wird, wird vorzugsweise die Admittanz, das Stehwellenverhältnis (VSWR = Voltage Standing Wave Ratio), die Phasenänderung oder der Reflektionskoeffizient von propagierenden Signalen, oder alternativ direkt die Impedanz ermittelt und eventuell an den Mikrocontroller übermittelt. Eine Impedanzverbesserung wird erreicht, wenn das Stehwellenverhältnis oder der Reflektionskoeffizient verringert wird. Entsprechend beinhaltet der Optimierungsvorgang das Auffinden von lokalen – oder besser: globalen – Maxima bzw. Minima. Alternativ kann auch die Phase der Impedanz auf Null geregelt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn während der Schritte D) abwechselnd sukzessive erst der Wert des einen abstimmbaren Impedanzelements variiert wird, bis ein – lokales-Optimum der Impedanzanpassung erreicht ist, bevor der Wert eines anderen abstimmbaren Impedanzelements variiert wird, bis ein – nun zugängliches, „besseres”-Optimum der Impedanzanpassung erreicht ist. Ein solches Verfahren ist im Allgemeinen stabiler oder schneller als Verfahren, in denen in einem Schritt mehrere einstellbaren Impedanzelemente eine neue Impedanz zugewiesen bekommen.
Eine weitere Verbesserung erfährt das Verfahren in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, wenn die Impedanzen Z1 und Z2 beider abstimmbarer Impedanzelemente durch eine festgelegte Relation zueinander in Beziehung stehen. Dieses Merkmal führt zu einer verbesserten Stabilität und zu einer verbesserten Konvergenz des Verfahrens und wird beispielsweise dadurch realisiert, dass eine komplexwertige Funktion F der beiden komplexwertigen Impedanzwerte Z1 und Z2 der einstellbaren Impedanzelemente definiert ist, deren Funktionswert stets 0 ist. Eine Solche Funktion kann die Zahl der Freiheitsgrade verringern, weil jeweils Real- und Imaginärteil von Z1 und Z2 nicht mehr unabhängig voneinander einstellbar sondern voneinander abhängig sind.
Eine solche bevorzugte Funktion ist beispielsweise dadurch ausgezeichnet, dass ihr Imaginärteil der Summe aus: Imaginärteil von Z2, dem A-fachen des Imaginärteils von Z1 und B entspricht, wobei A und B negative reelle Zahlen sind und wobei der Realteil der Funktion F der Summe der Absolutwerte der Realteile der Impedanzen Z1 und Z2 entspricht. Dies ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass der Realteil der Impe danzen Z1 und Z2 gleich 0 ist und dass zwischen den Imaginärteilen von Z1 und Z2 eine lineare Abhängigkeit besteht.
In einer weiteren Ausgestaltung kann jedoch auch der Imaginärteil der Funktion F ein reellwertiges Polynom sein, das von der Summe aus: Potenzen des Imaginärteils von Z1 und Potenzen des Imaginärteils von Z2 abhängt. So kann F z. B. quadratisch von einem oder beiden Imaginärteilen abhängen.
Vorzugsweise ist der Imaginärteil der einen Impedanz von Z1 und Z2 stets größer als der Imaginärteil der anderen.
Die Konvergenz und die Stabilität, wie auch die Anpassung im Sende- und im Frequenzbereich, werden weiterhin verbessert, wenn das Verhältnis der Beträge der Impedanzen im Intervall 1,01 bis 100 liegt. Als gleichwertige Alternative dazu kommen auch die Intervalle 0,01 bis 0,99 sowie 0,5 bis 1,5 in Frage. Weiterhin kann die Konvergenz verbessert werden, wenn im Schritt D) der Gradient der Impedanzanpassung der Anpassschaltung berechnet wird, um daraus die neu einzustellenden Impedanzen zu bestimmen.
Zum Auffinden optimaler Anpassung – d. h. entsprechender Maxima oder Minima – kommen Varianten der Hooke-Jeeves-Methode in Frage. Auch komplexere Methoden wie z. B. die Conjugent-Gradient Methode können vorteilhaft sein, wenn eine Konvergenz mit möglichst wenigen Schritten angestrebt ist. Weitere in Frage kommende Methoden betreffen das Newton-Verfahren, die Methode der Intervallhalbierung oder die Methode des goldenen Schnitts. Insbesondere kann für jedes Band oder für jede Antennengeometrie eine unterschiedliche Methode zur Optimierung der Impedanzanpassung verwendet werden.
Die bandabhängigen Anfangsimpedanzen für verschiedene Frequenzbereiche sind bevorzugt in einer sog. Look-up Table (Tabelle für Standardwerte) hinterlegt.
Speziell für eine Anpassschaltung in einem Multibandkommunikationsgerät ist es bevorzugt, wenn die Kommunikation nicht auf ein eingangs gewähltes Band beschränkt ist, sondern wenn das Frequenzband während des Betriebs gewechselt werden kann. Dazu ist es bevorzugt, wenn zwischen den Schritten E) und F) der Schritt E2) – Auswählen eines neuen Bandes und Fortfahren mit Schritt B) – eingefügt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Schritten E) und F) der Schritt E3) – Verharren in einem Wartezustand bis eine definierte Aktion eintritt – eingefügt ist. Die Anpassschaltung ist vorzugsweise in einem mobilen Kommunikationsgerät integriert.
Zur zuvor genannten definierten Aktion sollen insbesondere die Aktionen:

– das Registrieren eines Signals einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung,
– eine von einer Lageregelung gemeldete Lageänderung des Gehäuses, in das die Anpassschaltung integriert ist,
– eine Änderung des Leistungsverbrauchs,
– eine Synchronisation,
– eine Änderung des Sende-Empfangsfrequenzbands oder
– eine von einem Mechaniksensor gemeldete Änderung gehören.

Wie bereits eingangs genannt, verändert eine Planarantenne ihre Impedanz als Reaktion auf äußere Veränderungen. Insbesondere die Lageänderung des Gehäuses ist eine Veränderung, die eine neue Antennenimpedanzanpassung erfordert. Wird z. B. eine Veränderung des Leistungsverbrauchs festgestellt, so ist dies in der Regel auch ein Indiz dafür, dass die Frontendschaltung nicht mehr gut an die Antenne angepasst ist. Auch eine z. B. für Kalibrierungszwecke durchgeführte Synchronisation kann eine Neuanpassung der Impedanz erforderlich machen. In der Regel erfordert auch die Änderung des Sende- bzw. Empfangsfrequenzbands oder alternativ dazu die Änderung des Sende- bzw. Empfangsfrequenzkanals eine Neuanpassung der Impedanz zwischen Frontendschaltung und Antenne, da eine optimale Impedanzanpassung im Allgemeinen frequenzabhängig ist. Eine von einem Mechaniksensor gemeldete Änderung kann insbesondere die Meldung über das Aufklappen oder Aufschieben eines Deckels (zum Beispiel Display oder Kameraabdeckung) sein, da auch eine solche Änderung eine neue Impedanzanpassung erforderlich machen kann.
Liegt die HF-Leistung im Sendefrequenzbereich unter einer kritischen Leistung, so ist es möglich, dass die Impedanzanpassung nicht in genügendem Umfang erfolgreich gemessen werden kann. Dann ist es von Vorteil, wenn die dynamische, elektrische Energie verbrauchende, Impedanzanpassung ausgesetzt wird, um Energie zu sparen. Auch kann die Impedanzmessung ausgesetzt werden, wenn ein spezielles Signal – z. B. von einem ASIC – zum Übergang in den Wartezustand erhalten wird.
Die Frequenzen des GSM (Global System for Mobile Communication) Systems, des WCDMA (Wide Code Division Multiple Access) Systems und allgemeiner die Frequenzen von FDD Systemen sind die bevorzugten Frequenzen, in denen die Anpassschaltung Verwendung finden kann.
Besonders bevorzugt werden die folgenden Frequenzpaare:

Sendefrequenzbereich: 1920–1980 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2110–2170 MHz,
Sendefrequenzbereich: 1850–1910 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1930–1990 MHz,
Sendefrequenzbereich: 1710–1785 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1805–1880 MHz,
Sendefrequenzbereich: 1710–1755 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2110–2155 MHz,
Sendefrequenzbereich: 824–849 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 869–894 MHz,
Sendefrequenzbereich: 830–840 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 875–885 MHz,
Sendefrequenzbereich: 2500–2570 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2620–2690 MHz,
Sendefrequenzbereich: 880–915 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 925–960 MHz,
Sendefrequenzbereich: 1750–1785 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1845–1880 MHz,
Sendefrequenzbereich: 1710–1770 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2110–2170 MHz,
Sendefrequenzbereich: 1428–1453 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1476–1501 MHz,
Sendefrequenzbereich: 698–716 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 728–746 MHz.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass zwischen den Schritten A) und B) in einem Schritt A2) für jedes abstimmbare Impedanzelement in Abhängigkeit vom gewählten Band eine Menge an zulässigen Impedanzwerten für jedes abstimmbare Impedanzelement definiert wird. Diese Initialisierungswerte können in Look-up Tabellen gespeichert sein.
Die kombinierte Impedanzanpassung für Sende- und Empfangsfrequenzbereich kann dadurch erheblich verbessert werden, dass zwischen dem Schritt A) und dem Schritt B) in einem Schritt A3) für jedes abstimmbare Impedanzelement in Abhängigkeit vom gewählten Band ein unterer Grenzwert des Realteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht unterschritten wird, ein oberer Grenzwert des Realteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht überschritten wird, ein unterer Grenzwert des Imaginärteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht unterschritten wird und ein oberer Grenzwert des Imaginärteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht überschritten wird, definiert wird. Der Impedanzanpassung liegt lediglich das Wissen über die Impedanzanpassung des Sendefrequenzbereichs zugrunde, z. B. weil die Impedanzanpassung des Empfangsfrequenzbereichs nicht ohne weiteres ermittelbar ist. Dies ist gewünscht, da, wenn lediglich die Anpassung im Sendefrequenzbereich zu berücksichtigen ist, eine Konvergenz schneller und stabiler zu erreichen ist, als wenn zusätzlich die Anpassung im Empfangsfrequenzbereich berücksichtigt werden müsste. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Optimierung im Sendefrequenzbereich unabhängig von und gegebenenfalls auf Kosten der Anpassung im Empfangsfrequenzbereich durchgeführt würde. Ein solches Optimieren könnte den sofortigen Gesprächsabbruch zur Folge haben, falls die Verbindung im Empfangsfrequenzbereich abreißt. Die Beschränkung des für den Optimierungsprozess verfügbaren Impedanzbereichs des ersten und zweiten Impedanzelements auf ausgewählte Bereiche, die vom Frequenzband und von der Antennengeometrie abhängen können, verhindert, dass die Verbindungsqualität im Empfangsfrequenzbereich unter ein unteres Maß absinkt. Die Impedanzanpassung im Sendefrequenzbereich wird also optimiert, während eine deutliche Verschlechterung im Empfangsfrequenzbereich nicht statt findet.
Die Mengen der zulässigen Impedanzwerte können z. B. im Labor unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden. Die im Labor einstellbaren Bedingungen können verschiedene reale Situationen simulieren, welche eine Impedanzanpassung erforderlich machen. Auch ist es möglich, dass entsprechende zulässige Impedanzwerte ermittelt werden, um unterschiedliche Schaltungskombinationen oder Antennenschaltungen abzudecken. Die ermittelten Werte können in Mikrokontrollern, in ASICs oder im HF-Chipsatz hinterlegt sein.
Eine wichtige Anforderung an Systeme zur adaptiven Impedanzanpassung, welche zum Betrieb in (Frequenz-)Duplexbetrieb-Standards (FDD) vorgesehen sind, besteht natürlich darin, kompatibel zu zeitgeduplexten Systemem (TDD) zu sein. Während eines Telefonats sendet und empfängt ein TDD-System die Daten quasi gleichzeitig. Der Benutzer merkt von der Aufteilung in Zeitschlitze nichts.
Die Erfindung umfasst daher weiterhin Verfahren zur Steuerung der Anpassung in TDD-Systemen und ist damit kompatibel zu TDD-Übertragungssystemen: Zur Impedanzanpassung der Frontendschaltung und der Planarantenne im TDD-Betrieb werden während der Schritte D für den Sendefrequenzbereich die neuen Impedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente auf den jeweiligen Sendefrequenzbereich hin optimiert. Während der Schritte E wird die Impedanzanpassung der Anpassschaltung während der Sendebetriebszeitschlitze ermittelt.
Im TDD-Betrieb ist es nicht unbedingt nötig, dass die Impedanzanpassung in demjenigen Zeitschlitz optimal ist, welcher gerade inaktiv ist. Deshalb ermöglicht die Erfindung beim TDD-Betrieb eine optimale Impedanzanpassung – beispielsweise während des Sendebetriebszeitschlitzes. Denn für den Empfangsbetriebszeitschlitz kann separat eine auf den jeweiligen Empfangsfrequenzbereich hin optimierte Impedanzanpassung erfolgen.
In einer Ausführungsform werden während der Schritte D die neuen Impedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente für den Empfangsfrequenzbereich in Abhängigkeit von den für den Sendefrequenzbereich bestimmten Impedanzen bestimmt. Das ist vorteilhaft, weil die Anpassung während des Empfangens dann nicht ermittelt werden muss und trotzdem eine Einstellung mit guter Anpassung existiert und gefunden wird.
Die entsprechende konkrete Abhängigkeit kann ferner die Verschaltung der Impedanzanpassschaltung, die konkrete Ausgestaltung der (Planar-)Antenne und die verschiedenen Sende- und Empfangsfrequenzbereiche berücksichtigen. Die entsprechenden Abhängigkeiten können in einer Logikeinheit – z. B. in Form einer Look-up Tabelle – hinterlegt sein.
In einer Ausgestaltung ist das erste abstimmbare Impedanzelement im Signalpfad und das zweite abstimmbare Impedanzelement zwischen Signalpfad und Masse verschaltet. Die neuen Impedanzen des ersten abstimmbaren Impedanzelements für den Empfangsfrequenzbereich sind identisch zu denen des Sendefrequenzbereich. Die neuen Impedanzen des zweiten abstimmbaren Impedanzelements für den Empfangsfrequenzbereich ergeben sich aus denen des Sendefrequenzbereichs durch Subtraktion fest definierter Impedanzen.
Das erste und das zweite Impedanzelement können beispielsweise 32 äquidistante Werte der Impedanz einnehmen. Bezeichnet i, beginnend mit 0, die Nummer des Werts der nach der Größe geordneten Impedanz des ersten abstimmbaren Impedanzelements und j, beginnend mit 0, die Nummer (bezüglich einer nach der Größe geordneten Anzahl von Werten) des Werts der Impedanz des zweiten abstimmbaren Impedanzelements für den Fall, dass die Impedanzanpassung auf den Sendefrequenzbereich hin optimiert ist, so ergeben sich die Werte der Impedanz des zweiten Impedanzelements für den Empfangsfrequenzbereich wie folgt:

– Wenn i <= 1, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (1 – 10)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes; aber mindestens: 0-ter Wert.
– Wenn i = 2, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (j – 10)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes; aber mindestens: 0-ter Wert.
– Wenn i = 3, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (j – 8)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes; aber mindestens: 0-ter Wert.
– Wenn i = 4, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (j – 5)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes; aber mindestens: 0-ter Wert.
– Wenn i = 5, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (j – 2)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes; aber mindestens: 0-ter Wert.
– Wenn i = 6, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (j – 1)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes; aber mindestens: 0-ter Wert.
– Wenn i > 6, dann: Impedanz des zweiten Impedanzelements während des Empfangsbetriebszeitschlitzes = (j)-ter Wert des zweiten Impedanzelements während des Sendebetriebszeitschlitzes.

Der Wert des ersten Impedanzelements im Empfangsfrequenzband entspricht dem Wert des ersten Impedanzelements im Sendefrequenzband.
Diese Werte gelten auch für adaptive Impedanzelemente, deren Impedanz kontinuierlich geändert werden kann, dann allerdings für einen Satz von äquidistanten Werten innerhalb des einstellbaren Intervalls.
Diese Werte gelten für das GSM 850 System (Sendefrequenzbereich: 824–849 MHz; Empfangsfrequenzbereich: 869–894 MHz). Für andere Frequenzbereiche sind entsprechend andere Differenzen zu wählen.
Die Verfahrensschritte D und E zur Impedanzanpassung laufen im TDD-Betrieb parallel mit den Sende- und Empfangsbetriebszeitschlitzen bzw. deren Umschaltung. Beide Prozesse können unabhängig voneinander ablaufen. Beide Prozesse können aber auch synchronisiert sein, um beispielsweise das Einstellen neuer Impedanzen direkt während der Tx/Rx-Umschaltung sicherzustellen.
Die oben genannten Ausführungsformen beschreiben Verfahren zum Betrieb einer Anpassschaltung, welche sowohl in FDD- als auch in TDD-Systemen arbeiten kann. Diese Verfahren arbeiten schnell, sind einfach und deshalb sehr robust und sie führen zu einer guten Impedanzanpassung in beiden Systemen und bei Sende- und Empfangsfrequenzbereiche.
Die Erfindung umfasst weiterhin die Anpassschaltung samt Steuerung, mit der die gleichzeitige Impedanzanpassung der Frontendschaltung an die Planarantenne sowohl in Sende- als auch in Empfangs-Frequenzbereichen ausgewählter Bänder erreicht wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Impedanzanpassung sowie eine Anpassschaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 symbolisch die Interaktion eines Benutzers mit einem tragbaren Kommunikationsgerät,
2 die zeitliche Abfolge der Schritte A), B), C), D) und B),
3a eine Ausgestaltung der Anpassschaltung,
3b eine Ausgestaltung der Anpassschaltung in ihrer Schaltungsumgebung,
4a den Verlauf des Stehwellenverhältnisses bei angepasstem Sendefrequenzbereich,
4b den Verlauf des Stehwellenverhältnisses bei angepassten Sende- und Empfangsfrequenzbereichen,
5a den Verlauf des Stehwellenverhältnisses bei angepasstem Empfangsfrequenzbereich,
5b den Verlauf des Stehwellenverhältnisses bei gleichzeitig angepassten Sende- und Empfangsfrequenzbereichen,
6 den Verlauf des Stehwellenverhältnisses bei gleichzeitig angepassten Sende- und Empfangsfrequenzbereichen,
7 unterschiedliche Verläufe von Stehwellenverhältnissen bei unterschiedlich gut angepassten Sende- und Empfangsfrequenzbereichen,
8 Beispiele für eingeschränkte Wertebereiche der Impedanz der einstellbaren Impedanzelemente,
9 den schrittweiten Verlauf eines Optimierungsprozesses,
10 Bereiche mit linearer Abhängigkeit der Impedanzen.
1 illustriert mögliche Ursachen, die eine dynamische Impedanzanpassung erforderlich machen. Ein mobiles Kommunikationsgerät MK umfasst eine Antenne AN. Links in 1 symbolisiert eine in die Nähe des Kommunikationsgeräts gehaltene Hand eine Userinteraktion, die den Impedanzwert einer Antenne verändert. Solche Veränderungen treten beispielsweise ein, wenn ein Benutzer das Kommunikationsgerät näher oder weiter entfernt vom Ohr hält oder den Abstand seiner Hand zum Kommunikationsgerät ändert. Ferner ist eine Neuanpassung der Impedanz dann nötig, wenn das Gerät aus einer stehenden Position (links in 1) in eine liegende Position (rechts in 1) oder umgekehrt überführt wird, wenn also sich die räumliche Orientierung des Kommunikationsgerätes in seiner Umgebung ändert, oder auch dann, wenn beispielsweise das Kommunikationsgerät auf eine Tischoberfläche gelegt wird. Die Darstellung der Antenne in 1 ist nur schematisch. Insbesondere Planarantennen sind häufig auf der Rückseite des Kommunikati onsgerätes innerhalb des Gehäuses verbaut und damit von außen nicht sichtbar.
2 zeigt die Grundform des Verfahrens zur Anpassung der Impedanz mit den Schritten A) bis E), wobei zuerst die Schritte A) bis E) in der gezeigten Reihenfolge abgearbeitet werden und anschließend die Schritte D) und E) in einer Schleife fortlaufend wiederholt werden. Die eigentliche Schleife besteht also aus den Schritten

– Bestimmen und Einstellen von neuen Impedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente, sowie
– Ermitteln der Impedanzanpassung der Anpassschaltung mit den neuen Impedanzen für Sendefrequenzbereiche.

3a illustriert eine Anpassschaltung AS, die eine breitbindige Impedanzanpassung gleichzeitig sowohl des Sende- als auch des Empfangsfrequenzbereichs ermöglicht. Zwischen einem Signalpfadeingang SPE und einem Signalpfadausgang SPA ist in einem Signalpfad SP ein erstes Impedanzelement mit einstellbarer Impedanz ImpE1 verschaltet. Zwischen Signalpfad SP und Masse M – hier zwischen dem Signalpfadeingang SPE und Masse M – ist ein zweites Impedanzelement mit einstellbarer Impedanz ImpE2 verschaltet. Zwischen Signalpfadausgang SPA und Masse M ist ein erstes induktives Element L1 verschaltet. Weiterhin ist zwischen Signalpfadeingang SPE und Masse M ein zweites induktives Element L2 verschaltet. Ferner ist zwischen Signalpfadausgang SPA und Masse M ein Element mit spannungsabhängigem Widerstand Va verschaltet. Schädliche Störsignale, wie zum Beispiel ESD-Pulse, die über eine Antennenzuleitung Al, an die die Antenne angeschlossen ist, in die Anpassschaltung eindringen könnten, können über das zweite induktive Element L2 oder über das Element variablen spannungsabhängigen Widerstands Va nach Masse M abgeleitet werden. 3a zeigt außerdem eine Ausführungsform, in der im Signalpfad SP ein drittes induktives Element L3 zwischen dem Signalpfadeingang SPE und dem ersten Impedanzelement ImpE1 verschaltet ist. Die Verschaltung der induktiven Elemente kann je nach Frequenzbereich und Antennengeometrie mehr oder weniger vorteilhaft sein. Entsprechend ist es möglich, nur eines, nur zwei oder drei Impedanzelemente zu verschalten.
In den Schritten D) und E) wird sukzessive die Impedanzanpassung im Signalpfad ermittelt und entsprechend die Impedanzwerte einstellbarer Impedanz ImpE1 und ImpE2 variiert. In 3a sind die Impedanzelemente exemplarisch als einstellbare kapazitive Elemente gezeigt. Alternativ können auch einstellbare induktive Elemente verschaltet sein. Auch ist es möglich, dass eine Kombination aus einstellbaren kapazitiven Elemente und einstellbaren induktiven Elementen verschaltet ist.
3b illustriert die schematische Verschaltung der Anpassschaltung AS mit weiteren Komponenten eines mobilen Kommunikationsgeräts MK. Ein Detektor Det ist in Serie zwischen der Frontendschaltung FES und dem Signalpfadeingang SPE der Anpassschaltung verschaltet und zur Detektion der Impedanzanpassung vorgesehen. Dazu wird ein Signal ermittelt, das linear oder logarithmisch vom Betrag der Phase oder der Leistung, die durch den Signalpfad transmittiert wird, abhängig ist. Ein Mikrokontroller MC ist mit dem Detektor Det und dem ersten und zweiten Impedanzelement variabler Impedanz ImpE2 und ImpE1 verschaltet. In ihm ist die Logik integriert, die auf der Basis der momentanen Impedanzanpassung einen neuen Satz an Impedanzwerten ermittelt und die einstellbaren Impedanzelemente entsprechend einstellt.
4a illustriert ein generelles Problem, das auftreten kann, wenn als Basis zur Impedanzanpassung lediglich die Impedanzanpassung im Sendefrequenzbereich zugrunde liegt. Hier ist exemplarisch der Verlauf des frequenzabhängigen Stehwellenverhältnisses VSWR gezeigt, der als Informationsquelle für die aktuelle Impedanzanpassung dienen soll. Die Frequenz f nimmt in der gezeigten Darstellung nach rechts hin zu. Als Anpassschaltung liegt ein Anpassnetzwerk vor, das zwei Anpasspunkte aufweist, an denen die Anpassung an mögliche Sende- und Empfangsfrequenzbereiche optimal ist. Die Impedanzanpassung ist hier so ausgeführt, dass die Anpassung für das Sendefrequenzband – dargestellt durch denn mit Tx markierten Bereich – ein lokales Optimum aufweist. Die Anpassschaltung ist hier jedoch nicht optimal für den Empfangsfrequenzbereich – dargestellt durch denn mit Rx markierten Bereich – eingestellt. Ein Mikrocontroller kann allein auf der Informationsbasis der Anpassung des Sendefrequenzbereichs nicht auf die Anpassung des Empfangsbereichs schließen.
4b zeigt einen analogen Fall, wobei das zwei Anpasspunkte umfassende Anpassnetzwerk aber so eingestellt ist, dass die zwei Anpasspunkte jeweils mit den Frequenzbereichen des Sendebandes Tx und des Empfangsbandes Rx übereinstimmen. Im Gegensatz zur Situation in 4a kann ein Gespräch – also gleichzeitiger Sende- und Empfangsbetrieb – stattfinden, weil die Impedanzanpassung im Sende- und im Empfangs-Frequenzbereich ausreichend gut ist.
In 5a ist die Situation mit einer Ultrabreitbandanpassschaltung demonstriert, wobei das Frontend lediglich bezüglich der Empfangsfrequenzbereich Rx an die Antenne angepasst ist. Die Impedanz im Sendefrequenzbereich Tx ist nicht ange passt, so dass auch hier keine gleichzeitige Kommunikation stattfinden kann.
Der Unterschied zur 4a besteht jedoch darin, dass hier der Sendefrequenzbereich nicht angepasst ist. Eine optimale Anpassung kann in einer Optimierung allein bezüglich des Sendefrequenzbereichs stattfinden. Während des Optimierungsprozesses werden den variablen Impedanzelementen sukzessive verbesserte Impedanzwerte zugewiesen, wobei als Maß für die Qualität neuer Impedanzwerte die neue Impedanzanpassung, das heißt, das neue Stehwellenverhältnis verwendet wird. Nach einigen Optimierungsschritten befindet sich das System anschließend im in 5b illustrierten Zustand, in dem Sendefrequenzbereich Tx und Empfangsfrequenzbereich Rx beide optimal angepasst sind. Hier besteht jedoch die Gefahr, dass der Empfangsfrequenzbereich seine gute Anpassung verliert, falls das Anpassverfahren die Anpassung so vornimmt, dass das an der rechten Flanke gelegene lokale Minimum Min des Stehwellenverhältnisses zum Sendefrequenzbereich hin verschoben wird.
In 6 ist die Situation illustriert, in der entweder die zwei Anpasspunkte eines Anpassnetzwerks zusammenfallen oder in der einer der beiden Anpasspunkte vom in Frage kommenden Frequenzbereich soweit entfernt ist, dass er durch eine zumutbare Anzahl von Optimierungsschritten nicht erreicht werden kann. Diese Situation ist dadurch ausgezeichnet, dass die optimierten Einstellungen der variablen Impedanzelemente die Impedanzanpassung in beiden Frequenzbereichen zur Folge haben müssen. Wird dagegen lediglich die Impedanzanpassung bezüglich des Sendefrequenzbereichs Tx optimiert, führt dies unweigerlich dazu, dass Empfangssignale in einem Empfangsfrequenzbereich Rx aufgrund einer zu hohen Reflektion R der Im pedanzanpassschaltung nicht mehr von der Antenne an die Frontendschaltung weitergeleitet werden, sondern zurück in die Antenne reflektiert werden. Als Folge dessen würde ein Gespräch abreißen.
Eine ähnliche Situation ist beispielsweise in 7 illustriert. Befindet sich das System beispielsweise in einem Zustand der durch das Stehwellenverhältnis VSWR, das heißt durch die durchgezogene Linie charakterisiert ist, so sind Sende- Tx und Empfangsfrequenzbereiche Rx beide zusammen ausreichend angepasst. Da der Sendefrequenzbereich jedoch für sich allein gesehen noch nicht optimal angepasst ist, würde eine weitere Optimierung bezüglich des Sendefrequenzbereiches Tx (welche durch den Zustand R' – die gestrichelte Linie – charakterisiert ist) dazu führen, dass der Empfangsfrequenzbereich Rx nicht mehr ausreichend angepasst ist. Dann könnte das Empfangen von Empfangssignalen gestört sein.
Als eine sehr einfache, robuste und schnelle Lösung dieses Problems wird eine Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem der Wertebereich der erlaubten Impedanzelemente innerhalb des möglicherweise größeren Bereichs prinzipiell einstellbarer Impedanzelemente so eingeschränkt ist, dass im Optimierungsprozess des Sendefrequenzbereiches eine Verschlechterung im Empfangsfrequenzbereich unter ein kritisches Limit vermieden werden kann. Die Beschränkungen, denen die einzelnen Impedanzelemente bei der Optimierung unterliegen sollen, können dabei von Antennengeometrie zu Antennengeometrie und von Frequenzband zu Frequenzband unterschiedlich gewählt werden.
In 8 ist beispielsweise die Situation illustriert, in der die beiden Impedanzelemente einstellbare kapazitive Ele mente sind, deren Kapazität variiert werden kann. C1 bezeichnet hier beispielsweise die Kapazität des ersten Impedanzelements, während C2 die Kapazität des zweiten Impedanzelements bezeichnet. Es sind hier exemplarisch drei beschränkte Bereiche b1, b2, b3 von konkreten erlaubten Wertepaaren C1/C2 angegeben, mit denen der Optimierungsprozess durchgeführt werden kann. Der Bereich b1 ist dadurch ausgezeichnet, dass in ihm die Kapazität des zweiten Impedanzelements stets größer ist als die des ersten, während im Bereich b3 die Kapazität des ersten Impedanzelements stets größer ist, als die des zweiten Impedanzelements. Der Bereich b2 ist dadurch ausgezeichnet, dass die Kapazitäten des ersten und des zweiten Impedanzelements im Wesentlichen gleich groß sind und dass während der Optimierungsschritte jeweils diese Größe variiert wird.
Vorteilhaft sind beispielsweise folgende Kombinationen von Kapazitätsbereichen für C1 und C2:
0,6 pF <= C1 <= 11 pF und 0,6 pF <= C2 <= 11 pF oder
0,5 pF <= C1 <= 5 pF und 0,5 pF <= C2 <= 5 pF oder
4 pF <= C1 <= 6 pF und 0,8 pF <= C2 <= 2 pF oder
8 pF <= C1 <= 10 pF und 1,5 pF <= C2 <= 2,5 oder
7 pF <= C1 <= 12 pF und 2 pF <= C2 <= 4 pF oder
4 pF <= C1 <= 12 pF und 0,8 pF <= C2 <= 4 pF oder
8 pF <= C1 <= 12 pF und 2 pF <= C2 <= 4 pF oder
0,5 pF <= C1 <= 3,4 pF und 1 pF <= C2 <= 6,4 pF oder
0,5 pF <= C1 <= 3,4 pF und 0,5 pF <= C2 <= 3,4 pF oder
1 pF <= C1 <= 6,2 pF und 1 pF <= C2 <= 6,2 pF oder.
In 9 ist ein schematisch ein möglicher Verlauf eines Optimierungsprozesses illustriert. Jeder der dabei durchlaufenen Zustände s1 bis s8 ist dabei durch die zwei konkreten Kapazitätswerte beider Impedanzelemente charakterisiert. Startpunkt s1 ist ein Zustand hoher Kapazität des zweiten Elements und niedriger Kapazität des ersten Elements. In einem ersten Optimierungsschritt wird der Zustand s2 erreicht, der sich vom Zustand s1 dadurch unterscheidet, dass die Kapazität des ersten Elements erhöht wird. Um das Optimierungsverfahren einfach und stabil zu halten, wird bevorzugt zunächst nur ein Parameter solange geändert, bis ein Optimum der Anpassung bezüglich dieses Wertes erreicht ist. Erst daraufhin wird der andere Parameter geändert, bis ein weiteres Optimum der Anpassung bezüglich dieses Wertes erreicht ist.
Im Beispiel von 9 ist ein erstes Optimum der Anpassung im Zustand s2 erreicht, da eine weitere Veränderung der Kapazität des ersten Elements keine weitere Verbesserung der Anpassung erbringt. Deshalb wird in den weiteren zwei Optimierungsschritten die im Zustand s4 münden, die Kapazität des zweiten Elements verringert, bis auch hier wiederum keine Verbesserung mehr eintritt.
Im nächsten Optimierungsschritt – vom Zustand s4 zum Zustand s5 – wird die Impedanzanpassung verbessert, indem die Kapazität des ersten Impedanzelements wieder reduziert wird. Im darauf Folgenden wird die Kapazität des zweiten Impedanzelements reduziert und in den letzten beiden Verfahrensschritten, die im Zustand s8 münden, wird wiederum die Kapazität des ersten Elements erhöht. Im sechsten, siebten und achten Zustand ist schon die Grenze des erlaubten Bereichs b1 erreicht. Eine weitere Verringerung der Kapazität des zweiten Elements ist nicht erlaubt, da sonst die Impedanzanpassung des Empfangsfrequenzbereichs verschlechtert werden könnte. Im Zustand s8 wird auch die obere Grenze des ersten Kapazitätselements erreicht. Eine weitere Optimierung, die eine Erhöhung der Kapazität des ersten Elements oder eine Erniedrigung der Kapazität des zweiten Elements nach sich ziehen würde, ist nicht erlaubt. Eine weitere Verbesserung der Impedanzanpassung findet so lange nicht mehr statt, bis eine veränderte Antennenimpedanz eine erneute Anpassung erfordert.
Dieses Beispiel ist dadurch charakterisiert, dass die Impedanz jeweils nur eines Impedanzelements geändert wird. Um eine verbesserte Konvergenz zu erreichen, kann es aber auch vorteilhaft sein, in einem Schritt beide Impedanzelemente gleichzeitig neu einzustellen. Wären beide Impedanzelemente einstellbare kapazitive Elemente, so wären beispielsweise in 9 Schritte in beliebige Richtungen möglich, solange sie innerhalb des erlaubten Bereiches blieben.
In 10 ist eine Situation illustriert, in der die Konvergenz dadurch beschleunigt ist, dass bestimmte zwischen den Kapazitätswerten der einstellbaren Kapazitäten existierende Relationen – vorzugsweise lineare Abhängigkeiten zur gleichzeitigen Optimierung beider Impedanzelemente genutzt werden. Im Bereich b1 beispielsweise, der dadurch ausgezeichnet ist, dass der Kapazitätswert des zweiten kapazitiven Elements stets größer ist als der des ersten kapazitiven Elements, besteht ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen optimalen konkreten Kapazitätswerten. Die gleiche Funktion F, die den existierenden bzw. aufgefundenen Zusammenhang zwischen den Impedanzen der Impedanzelemente angibt, kann für verschiedene Frequenzbereiche bzw. für verschiedene Antennengeometrien Gültigkeit besitzen. Es kann jedoch auch für jeden Frequenzbereich oder jede Antennengeometrie eine eigene Funktion gültig sein, mit der zwei optimale Impedanzwerte miteinander verknüpft sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Impedanzanpassschaltung ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombination dieser und anderer Variationen, welche zum Beispiel noch weitere Verfahrensschritte bzw. Schaltungselemente umfassen können, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiels dar.

AN: Antenne
AIS: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung
AS: Anpassschaltung
DET: Detektor
FES: Frontendschaltung
G: Gehäuse
ImpE1, ImpE2: erstes, zweites abstimmbares Impedanzelement
In1, In2: erstes, zweites induktives Element
MC: Mikrokontroller
Min: lokales Minimum des Stehwellenverhältnisses
MK: Mobiles Kommunikationsgerät
PLA: Planarantenne
VSWR, VSWR': frequenzabhängiges Stehwellenverhältnis
SP: Signalpfad

Claims

Verfahren zur Impedanzanpassung einer Frontendschaltung (FES) und einer Planarantenne in Sende- und Empfangs-Frequenzbereichen auswählbarer Bänder mittels einer in einem Signalpfad (SP) zwischen der Frontendschaltung (FES) und der Planarantenne verschalteten, ein erstes (ImpE1) und ein zweites (ImpE2) abstimmbares Impedanzelement umfassenden Anpassschaltung (AS) mit den Schritten: A) Auswählen eines Bandes, B) Einstellen von Anfangsimpedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2) für das ausgewählte Band, C) Ermitteln der Anfangs-Impedanzanpassung der Anpassschaltung für den Sende-Frequenzbereich des ausgewählten Bandes, D) Bestimmen und Einstellen von neuen Impedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2), E) Ermitteln der Impedanzanpassung der Anpassschaltung (AS) mit den neuen Impedanzen für Sende-Frequenzbereiche, F) Fortfahren mit Schritt D.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Impedanzanpassung einer Frontendschaltung und einer Planarantenne in Sende- und Empfangs-Frequenzbereichen gleichzeitig durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Anpassschaltung (AS) ein Ultra-Breitband-Anpassnetzwerk verwendet wird, dessen Bandbreite die Sende- und die Empfangs-Frequenzbereiche des gewählten Bandes umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Anpassschaltung (AS) ein Ultra-Breitband-Anpassnetzwerk verwendet wird, dessen Bandbreite die Sende- und die Empfangs-Frequenzbereiche mehrerer Bänder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein als Anpassschaltung (AS) ein Anpassnetzwerk verwendet wird, das 2 Anpasspunkte aufweist, an denen die Anpassung an die Sende- und die Empfangs-Frequenzbereiche optimal ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei – das erste abstimmbare Impedanzelement (ImpE1) im Signalpfad (SP) verschaltet ist, – das zweite abstimmbare Impedanzelement (ImpE2) zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) verschaltet ist, – zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) ein erstes induktives Element (L1) parallel zum zweiten abstimmbaren Impedanzelement verschaltet ist, – zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) ein zweites induktives Element (L2) parallel zum zweiten abstimmbaren Impedanzelement verschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste oder das zweite abstimmbare Impedanzelement (ImpE1, ImpE2) ein Impedanzelement mit variabler Kapazität ist und ein oder mehrere verschaltete Komponenten, ausgewählt aus: einem MEMS-Komponenten umfassenden Element, einem CMOS-Element, einem Barium-Strontium-Titanat umfassenden Element, einem Galliumarsenid umfassenden Element, einer über Feldeffekttransistoren verschaltete Kapazitätsmatrix, einem NMOS-Element, einem PMOS-Element, einem SiGe umfassenden Element, einem Graphen umfassenden Element, einem Kohlenstoff umfassenden Element und einem hyperabrupt dotierten Element, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste (ImpE1) oder das zweite (ImpE2) abstimmbare Impedanzelement ein abstimmbares induktives Element ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Planarantenne eine PILA oder eine PIFA ist oder wobei die Planarantenne ein Metamaterial umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anpassschaltung (AS) mit einem Mikrokontroller (MC) verschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anpassschaltung (AS) mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung verschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Signalpfad (SP) mit einem Detektor (Det) zur Detektion eines linearen oder logarithmischen Signals proportional zum Betrag, der Phase oder der Leistung eines zwischen Frontendschaltung (FES) und Planarantenne propagierenden Hochfrequenzsignals gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in den Schritten C und E die Impedanzanpassung durch Auswertung der Impedanz, der Admittanz, des Stehwellenverhältnisses (VSWR), der Phasenänderung oder des Reflektionskoeffizienten der Anpassschaltung (AS) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei während der Schritte D abwechselnd sukzessive zuerst der Wert des einen abstimmbaren Impedanzelements (ImpE1, ImpE2) variiert wird, bis ein Optimum der Impedanzanpassung erreicht ist, bevor der Wert des anderen abstimmbaren Impedanzelements (ImpE1, ImpE2) variiert wird, bis ein weiteres Optimum der Impedanzanpassung erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit verbesserter Konvergenz, wobei die Impedanzen z1, z2 beider abstimmbarer Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2) implizit durch die Gleichung f(z1, z2) = 0 festgelegt sind, wobei f eine komplexwertige Funktion der beiden komplexwertigen Größen z1 und Z2 ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Im(f(z1, z2)) = Im(z1) – a·Im(z2) – bund Re(f(z1, z2)) = abs(Re(z1)) + abs(Re(z2)), wobei – a und b reelle Zahlen sind, Re den Realteil der komplexwertigen Impedanz, Im den Imaginärteil der komplexwertigen Impedanz und abs die Betragsfunktion ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Im(f(z1, z2)) = ein reellwertiges Polynom in Im (z1) und Im(z2) vom Grad >=2 und Re(f(z1, z2)) = abs(Re(z1)) + abs(Re(z2)) ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Im(z1) > Im(z2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis abs(z2)/abs(z1) der Beträge der Impedanzen Element des Intervalls [1,01..100] ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Verhältnis abs(z2)/abs(z1) der Beträge der Impedanzen Element des Intervalls [0,01..0,99] ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Verhältnis abs(z2)/abs(z1) der Beträge der Impedanzen Element des Intervall [0,5..1,5] ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt D der Gradient der Impedanz der Anpassschaltung (AS) berechnet wird und daraus die neuen Impedanzen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Anfangsimpedanzen für verschiedene Frequenzbereiche in einer Look-Up Tabelle hinterlegt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen den Schritten E und F der Schritt E2) Auswählen eines neuen Bandes und Fortfahren mit Schritt B) eingefügt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen den Schritten E und F der Schritt E3) Verharren in einem Wartezustand bis eine definierte Aktion eintritt eingefügt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassschaltung (AS) in ein mobiles Kommunikationsgerät (MK) integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Aktion – das Registrieren eines Signals einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, – eine von einer Lageregelung gemeldete Lageänderung des Gehäuses, in das die Anpassschaltung (AS) integriert ist, – eine Änderung des Leistungsverbrauchs, – eine Synchronisation, – eine Änderung des Sende-Empfangsfrequenzbands, oder – eine von einem Mechanik-Sensor gemeldete Änderung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei der Schritt E3 eingeleitet wird, falls die HF-Leistung im Sendefrequenzbereich unter einer kritischen Leistung liegt oder das Signal zum Übergang in den Wartemodus erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassschaltung (AS) zur Verwendung bei Frequenzen des GSM-Systems vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Anpassschaltung (AS) zur Verwendung bei Frequenzen des W-CDMA-Systems vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Anpassschaltung (AS) zur Verwendung bei Frequenzen von FDD-Systemen vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Anpassschaltung (AS) zur Verwendung in einem der folgenden Paare von Frequenzbereichen: Sendefrequenzbereich: 1920–1980 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2110–2170 MHz, Sendefrequenzbereich: 1850–1910 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1930–1990 MHz, Sendefrequenzbereich: 1710–1785 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1805–1880 MHz, Sendefrequenzbereich: 1710–1755 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2110–2155 MHz, Sendefrequenzbereich: 824–849 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 869–894 MHz, Sendefrequenzbereich: 830–840 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 875 – 885 MHz, Sendefrequenzbereich: 2500–2570 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2620–2690 MHz, Sendefrequenzbereich: 880–915 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 925–960 MHz, Sendefrequenzbereich: 1750–1785 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1845–1880 MHz, Sendefrequenzbereich: 1710–1770 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 2110–2170 MHz, Sendefrequenzbereich: 1428–1453 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 1476–1501 MHz, Sendefrequenzbereich: 698–716 MHz und Empfangsfrequenzbereich: 728–746 MHz, vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Schritt A) und Schritt B) in einem Schritt A2) für jedes abstimmbare Impedanzelement (ImpE1, ImpE2) in Abhängigkeit vom gewählten Band eine Menge an zulässigen Impedanzwerten definiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Schritt A) und Schritt B) in einem Schritt A3) für jedes abstimmbare Impedanzelement (ImpE1, ImpE2) in Abhängigkeit vom gewählten Band – ein unterer Grenzwert des Realteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht unterschritten wird, und ein oberer Grenzwert des Realteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht überschritten wird, und – ein unterer Grenzwert des Imaginärteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht unterschritten wird, und ein oberer Grenzwert des Imaginärteils der Impedanz, der in den Schritten B) und D) nicht überschritten wird, definiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Impedanzanpassung der Frontendschaltung (FES) und der Planarantenne im Time-Division-Duplexing-Betrieb, wobei – während der Schritte D die neuen Impedanzen für den Sendefrequenzbereich der abstimmbaren Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2) auf den jeweiligen Sendefrequenzbereich hin optimiert bestimmt werden, – während der Schritte E die Impedanzanpassung der Anpassschaltung während der Sendebetriebszeitschlitze ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei – während der Schritte D die neuen Impedanzen für den Empfangsfrequenzbereich der abstimmbaren Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2) in Abhängigkeit von den für den Sendefrequenzbereich bestimmten Impedanzen bestimmt werden.
Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei – das erste abstimmbare Impedanzelement (ImpE1) im Signalpfad (SP) verschaltet ist, – das zweite abstimmbare Impedanzelement (ImpE2) zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) verschaltet ist, – die neuen Impedanzen des ersten abstimmbaren Impedanzelements für den Empfangsfrequenzbereich identisch zu denen des Sendefrequenzbereichs sind, – die neuen Impedanzen des zweiten abstimmbaren Impedanzelements für den Empfangsfrequenzbereich sich aus denen des Sendefrequenzbereichs durch Subtraktion fest definierter Impedanzen ermittelt werden.
Anpassschaltung (AS) zur gleichzeitigen Impedanzanpassung einer Frontendschaltung (FES) und einer Planarantenne in Sende- und Empfangs-Frequenzbereichen auswählbarer Bänder, – umfassend ein erstes und ein zweites abstimmbares Impedanzelement (ImpE1, ImpE2), – die in einem Signalpfad (SP) zwischen einer Frontendschaltung (FES) und einer Planarantenne verschaltet ist, – wobei die Schritte zur Impedanzanpassung die Schritte: A) Auswählen eines Bandes, B) Einstellen von Anfangsimpedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2) für das ausgewählte Band, C) Ermitteln der Anfangs-Impedanzanpassung der Anpass-Schaltung (AS) für den Sende-Frequenzbereich des ausgewählten Bandes, D) Bestimmen und Einstellen von neuen Impedanzen der abstimmbaren Impedanzelemente (ImpE1, ImpE2), E) Ermitteln der Impedanzanpassung der Anpassschaltung (AS) mit den neuen Impedanzen für Sende-Frequenzbereiche, F) Fortfahren mit Schritt D umfassen.
Anpassschaltung (AS) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei – das erste abstimmbare Impedanzelement (ImpE1) im Signalpfad (SP) verschaltet ist, – das zweite abstimmbare Impedanzelement (ImpE2) zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) verschaltet ist, – zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) ein erstes induktives Element (L1) parallel zum zweiten abstimmbaren Impedanzelement (ImpE2) verschaltet ist, – zwischen Signalpfad (SP) und Masse (M) ein zweites induktives Element (L2) parallel zum zweiten abstimmbaren Impedanzelement (ImpE2) verschaltet ist.