DE102011088617A1 - Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk eines HF-Leistungstransistors - Google Patents

Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk eines HF-Leistungstransistors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk innerhalb des Gehäuses eines HF-Leistungstransistors. Die Anwendung der Erfindung erfolgt vorrangig für HF-Leistungstransistoren in Basisstationen von Mobilfunknetzen; sie kann auch in Verstärkern für mobile Teilnehmer (z. B. in Mobiltelefonen) und in HF-Verstärkern für andere Anwendungen angewendet werden. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine dynamische Abstimmbarkeit der Last- und Quellimpedanz zu ermöglichen und den Transistor leichter anpassbar zu machen. Weiterhin soll eine Multiband/Breitband-Arbeitsweise und eine dynamische Lastmodulation für eine erhöhte BackOff-Effizienz ermöglicht werden. Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1. Die weiteren Ansprüche stellen zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung dar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk innerhalb des Gehäuses eines HF-Leistungstransistors.
  • Die Anwendung der Erfindung erfolgt vorrangig für HF-Leistungstransistoren in Basisstationen von Mobilfunknetzen; sie kann auch in Verstärkern für mobile Teilnehmer (z. B. in Mobiltelefonen) und in HF-Verstärkern für andere Anwendungen angewendet werden.
  • Den Anmeldern sind derzeit keine Lösungen für ein elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk innerhalb des Gehäuses eines HF-Leistungstransistors oder eines monolithischen Mikrowellenschaltkreises (MMIC) bekannt.
  • Die bekannten Einrichtungen, die bereits einen Vorabgleich innerhalb ihres Gehäuses besitzen, z. B. LDMOS-Transistoren, nutzen nicht-abstimmbare Chip-Kapazitäten [1], [2]. Auch wurde eine Abstimmung der Anpassung durch Bond-Draht-Optimierung und durch dielektrische Einlagen [4] vorgeschlagen, jedoch liefern diese nur eine Festabstimmung [3]. Bekannt ist es, einen zusätzlichen Gehäuseanschluss für den Zugang zum Chip zwecks Abstimmung vorzusehen, jedoch enthält diese Lösung keine steuerbaren Komponenten innerhalb des Gehäuses, sondern nur den Zugriff auf den Transistor [5]. Für integrierte Mikrowellenschaltungen wurden bereits integrierte Impedanzanpassnetzwerke vorgeschlagen [6]; diese sind jedoch nur einmalig und nicht elektrisch abstimmbar. Elektrisch abstimmbare Netzwerke sind bislang hauptsächlich für Hybrid-Anordnungen mit Abstimmung außerhalb des Gehäuses bekannt [7]. Die Schrift [8] schlägt die Verwendung einer Vielzahl von MEMS-Schaltern vor, welche auch innerhalb des Transistorgehäuses platziert sein können. Dieses System ist, u. a. durch die Verwendung eines Übertragers, sehr komplex und daher für den der Erfindung zugrunde liegenden Zweck ungeeignet. In der Schrift [9] wurde die spezielle Verwendung von ferroelektrischen Komponenten für abstimmbare Ausgangs-Anpassungsnetzwerke vorgeschlagen. In der Schrift [10] wird ein MMIC-Leistungsverstärker mit einem integrierten Anpassungsnetzwerk beschrieben, jedoch ohne Angaben dazu, wie das Gehäuse konzipiert ist.
  • Hochleistungstransistoren weisen grundsätzlich eine Vielzahl von parallelen Fingern auf. Mit der steigenden Anzahl der Finger wird die Impedanz, die angepasst werden muss, kleiner und die Anpassung erfordert eine hohe Güte des Anpassnetzwerkes. Um dies zu vermeiden, werden statische Voranpassungs-Netzwerke (pre-matching) innerhalb des Gehäuses verwendet. Da diese Anpassnetzwerke unveränderlich sind, bieten sie nur für eine bestimmte Frequenz eine Anpassung unabhängig von der Signalleistung. Der Betrieb in unterschiedlichen Frequenzbändern benötigt jedoch eine unterschiedliche Anpassung, d. h. eine andere Voranpassung. Auch der große Unterschied zwischen der Transistor-Impedanz und der äußeren Lastimpedanz (in der Regel 50 Ω) macht eine energieeffiziente Abstimmung schwierig.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine dynamische Abstimmbarkeit der Last- und Quellimpedanz zu ermöglichen und den Transistor leichter anpassbar zu machen. Weiterhin soll eine Multiband/Breitband-Arbeitsweise und eine dynamische Lastmodulation für eine erhöhte BackOff-Effizienz ermöglicht werden.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1. Die weiteren Ansprüche stellen zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung dar. Erfindungsgemäß ist ein elektrisch abstimmbares Anpassungsnetzwerk mit einer Voranpassung innerhalb der Transistor-Baugruppe, beide für den Eingang und für den Ausgang wirksam, im Gehäuse des HF-Leistungstransistors kombiniert.
  • In zweckmäßiger Weise gelangen als steuerbare Komponenten, welche in das Transistorgehäuse integriert sind, folgende nach beliebigen bekannten Technologien hergestellte Elemente zum Einsatz: Kontinuierlich abstimmbare ferroelektrische Komponenten, kontinuierlich abstimmbare bzw. schaltbare RF-MEMS oder Halbleiter-Komponenten, welche elektronisch abstimmbar sind. Die abstimmbaren Komponenten können Einzelelemente sein oder sie können auf einem Trägersubstrat angeordnet sein, welches im Transistorgehäuse eingebaut ist. Die abstimmbaren Komponenten können durch feste Elemente vervollständigt sein, welche entweder außerhalb des Transistor-Chips oder direkt auf dem Substrat angeordnet sind, das auch die abstimmbaren Schaltkreise trägt. Durch die Anordnung von abstimmbaren Komponenten für das integrierte Impedanzanpassnetzwerk innerhalb des Gehäuses des HF-Leistungstransistors können folgende Verbesserungen erreicht werden:
    • 1. Die Anpassung kann adaptiv über mehrere Frequenzen erfolgen und ermöglicht damit den Betrieb in verschiedenen Frequenzbändern. Das bedeutet, dass nur eine Komponente unabhängig von der beabsichtigten Anwendung erzeugt werden muss.
    • 2. Die Anpassung kann im Betrieb hinsichtlich der anzupassenden Frequenz geändert werden, was einen Multi-Band-Betrieb oder eine adaptive Rekonfigurierbarkeit ermöglicht.
    • 3. Die Anpassung kann zur Effizienzerhöhung mit der Signalleistung adaptiv angepasst werden, was eine energieeffiziente Lastmodulation ermöglicht.
    • 4. Die Abstimmung kann adaptiv an die äußeren Parameter angepasst werden, wie zum Beispiel, wenn bei einer Basisstation von Mobilfunknetzen ein Hindernis vor der mit dem Leistungsverstärker verbundenen Antenne vorhanden ist.
    • 5. Die abstimmbaren Komponenten können in das Gehäuse unter Nutzung heutiger Herstellungstechnologien integriert werden.
    • 6. Unter Voraussetzung der Verwendung geeigneter Technologien, z. B. der BST Dickfilmtechnologie, sind auch Hochleistungsanwendungen möglich ohne Verschlechterung der Linearität oder Einflüsse der Selbstaktuierung der abstimmbaren Komponenten. Zusätzlich zu diesen Aspekten kann die Adaption der Lastimpedanz, zum Beispiel einer durch die Umgebung variablen Antennenfußimpedanz, in den Transistor integriert werden.
  • Die Anwendbarkeit des anmeldungsgemäßen Impedanzanpassnetzwerkes kann als ziemlich vielseitig angesehen werden. Sie ist nicht auf HF-Leistungstransistoren für Basisstationen-Anwendung begrenzt, sondern kann auch in Verstärkern für mobile Teilnehmer (z. B. in Mobiltelefonen) angewendet werden. Auch ist der Frequenzbereich nicht durch die erfindungsgemäße Lösung begrenzt. Eine Begrenzung ergibt sich nur durch die angewendete Technologie (Transistor und Abstimmelemente). Durch Integration eines Regelkreises (Steuerung, Messwertaufnehmer) in das Gehäuse kann der Transistor als intelligent gelten, weil er sich an verschiedene Betriebsbedingungen (Frequenzen, Leistungsstufen usw.) selbst anpassen kann. In dieser Hinsicht ist die Erfindung auch ein Beitrag für kognitive Funkanwendungen.
  • Im Folgenden soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen und anhand der angefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1: die Realisierung eines elektrisch abstimmbaren Impedanzanpassnetzwerks mit zwei abstimmbaren Serien-Kondensatoren, schematisch als 4-Anschluss-Transistor-Baugruppe (a) und als entsprechendes Schaltbild (b),
  • 2: eine zweite Ausführung eines elektrisch abstimmbaren Impedanzanpassnetzwerkes mit einer festen und einer abstimmbaren Chip-Kapazität, schematisch als 4-Anschluss-Transistor-Baugruppe (a) und als entsprechendes Schaltbild (b),
  • 3: eine weiter generalisierte schematische Abbildung eines Transistors mit einem abstimmbaren Abgleichnetzwerk in einer Standard-4pin-Baugruppe,
  • 4: eine generalisierte schematische Abbildung eines Transistors mit einem abstimmbaren Abgleichnetzwerk, wobei der Regelkreis für die Anpassung ebenfalls in das Gehäuse integriert ist.
  • 1 zeigt ein elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk 1 mit zwei abstimmbaren Serien-Kondensatoren 2, 3, als Voranpassung eines Transistors 12. Der in 1(b) dargestellte Schaltkreis 4 stellt die externe Gleichstromversorgung dar. Die zwei Varaktoren werden durch die gleiche Steuerspannung Vbias 5 gesteuert. In Abhängigkeit von den Erfordernissen kann die Spannung auf Masse 6 (gestrichelt gezeichnet) oder auf Vdd 7 oder ein anderes Potential bezogen sein. Diese Ausführung benötigt keine Chip-Komponenten innerhalb der Baugruppe, jedoch kann wegen der Serien-Anordnung von zwei abstimmbaren Kapazitäten 2, 3 ein gewisser Betrag der Abstimmbarkeit der Varaktoren verloren gehen. Dieser Effekt kann durch die Verwendung von großen Abstimmspannungen (Vbias >> Vdd) gemildert werden. Für die HF-Entkopplung können Widerstandselektroden, die auf dem BST-Chip integriert sind, oder zusätzlich Chip-Komponenten eingesetzt werden.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführung eines in das Transistorgehäuse eingebauten elektrisch abstimmbaren Impedanzanpassnetzwerkes 8 mit einer festen Chip-Kapazität 9 und nur einem abstimmbaren BST-Chip 10 (BST: Barium-Strontium-Titanat). Eine mögliche Verbesserung bei dieser Ausführung ist, dass der volle Abstimmungsumfang des Varaktors genutzt werden kann, wenn die Kapazität des Festkondensators 9 wesentlich größer ist als die des Abstimmungskondensators 10. Der Bezug von Vbias auf Vdd ist vielversprechender, weil dann alle Spannungswerte von Null bis zur maximal möglichen/benötigten Steuerspannung Vbias verwendet werden können. Die Ausführung als innerhalb der Baugruppe vorgesehene Abstimmung gemäß 2 kann auch für die Eingangsseite der Baugruppe angewendet werden, d. h. für die adaptive Quellimpedanzanpassung, unter Berücksichtigung der gleichen Überlegungen wie sie für die Ausgangsseite gelten. Die Induktivität für die HF-Entkopplung von Vbias sollte so dicht wie möglich am Gehäuse angeordnet sein. Es ist vorstellbar, eine derartige Spule auch in das Gehäuse zu integrieren, wenn genügend Platz zur Verfügung steht. Die Verbindung der einzelnen Komponenten wird durch Bond-Drähte 13 hergestellt.
  • 3 zeigt eine weiter generalisierte schematische Abbildung eines Transistors mit einem abstimmbaren Abgleichnetzwerk in einer Baugruppe. Durch Anwendung einer Standard-4pin-Baugruppe kann das abstimmbare Abgleichnetzwerk zwei Freiheitsgrade bereitstellen. Die Erzeugung der Abstimmspannungen, wie sie von Varaktoren basierend auf Barium-Strontium-Titanat oder MEMS benötigt werden, als auch der Regelkreis für die adaptive Anpassung werden in der Regel außerhalb des Transistorgehäuses vorgesehen.
  • Wenn mehr Freiheitsstufen in Betracht gezogen werden sollen (z. B. ein zusätzliches Eingangs-Impedanzanpassnetzwerk), kann der Regelkreis (Control Circuit: DC/DC-Wandler, Lookup-Tabellen und Steueralgorithmen als auch Sensoren) für die Anpassung, wie 4 zeigt, ebenfalls in das Gehäuse integriert sein. Der Steuerkreis wird mit einer Spannung gespeist und alle erforderlichen Steuerspannungen werden direkt im Transistor-Gehäuse erzeugt. Dies ermöglicht auch höhere Abstimmspannungen wegen des Berührungsschutzes. Für den Datenaustausch mit dem Sende-/Empfangsgerät kann zusätzlich auch eine Steuerleitung (z. B. eine Eindraht-Leitung) hinzugefügt werden.
  • Eine weitere Alternative ist, die Speisung der Abstimmspannung vollständig von den HF-Signalen zu entkoppeln und somit zusätzliche Komponenten zur Steuerspannungszuführung (DC-Feed-Block) zu vermeiden. Die abstimmbaren Impedanzanpassnetzwerke können in beliebiger Technologie, d. h. auf dem Substrat integriert oder mit zusätzlichen Chip-Komponenten (z. B. als LTCC-Module) ausgeführt sein.
  • Referenzen

Claims (11)

  1. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk eines HF-Leistungstransistors, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch abstimmbares Anpassungsnetzwerk (2, 3, 10) mit einer Voranpassung (12) innerhalb der Baugruppe im Gehäuse des HF-Leistungstransistors kombiniert ist.
  2. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Transistorgehäuse integrierten steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) nach einer beliebigen bekannten Technologie hergestellt sind.
  3. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) kontinuierlich abstimmbare ferroelektrische Komponenten sind.
  4. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) kontinuierlich abstimmbare bzw. schaltbare RF-MEMS sind.
  5. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) elektronisch abstimmbare Halbleiter-Komponenten sind.
  6. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) Einzelelemente sind.
  7. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) auf einem Trägersubstrat angeordnet sind, welches im Transistorgehäuse eingebaut ist.
  8. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) durch feste Elemente vervollständigt sind, die außerhalb des Transistor-Chips angeordnet sind.
  9. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Komponenten (2, 3, 10) durch feste Elemente vervollständigt sind, die direkt auf dem Substrat angeordnet sind, das auch die steuerbaren Komponenten trägt.
  10. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Voranpassung durch einen GaN Chip realisiert ist.
  11. Elektrisch abstimmbares Impedanzanpassnetzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im gleichen Transistorgehäuse eine mikroelektronische Schaltung (Mikrokontroller mit Schnittstellen) eingebaut ist, welcher zur Steuerung/Regelung des Impedanzanpassnetzwerk (mit) genutzt wird.
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