DE10233775B4 - Verfahren zum Dimensionieren eines Anpassglieds im Sendezweig eines Mobilfunkgeräts - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Dimensionieren eines Anpassglieds (Z) zur Verbesserung der Filterwirkung, das zwischen einem Leistungsverstärkermodul (V) und einem nachfolgenden Tiefpassfilter (F) angeordnet ist, mit den Schritten
a) Bestimmen (100) von Wertepaaren (i, k) aus den Sendefrequenzen (k) eines Sendefrequenzbandes und aus den harmonischen Oberschwingungen (i) für die in diesem Sendefrequenzband Grenzwerte (G_{i , k}) einzuhalten sind;
b) Ermitteln (200) für jedes der Wertepaare (i, k) eine Leistung (P_V,i,k) der harmonischen Oberschwingung (i) am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls (V);
c) Ermitteln (300) für jedes der Wertepaare (i, k) einen Reflexionsfaktor (Γ_aus,V,i,k) am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls (V);
d) Ermitteln (400) für jedes der Wertepaare (i, k) die Streuparameter (S_11,F,i,k; S_21,F,i,k) des Tiefpassfilters (F);
e) Berechnen (500) für jedes der Wertepaare (i, k) die Leistungen (P_{i , k}) der Nebenaussendungen mit

wobei die Einfügedämpfung (D_F,i,k) des Filters (F) bestimmt ist durch

mit dem zusätzliche Fehlanpassungsfaktor Mzusatz_i,k = |1 – Γaus,V,i,k·S11,F,i,k|2;f) Vergleichen (600) der Leistungen...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dimensionieren eines Anpassglieds im Sendezweig eines Mobilfunkgerätes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dimensionieren eines Anpassglieds zur Verbesserung der Filterwirkung, das sich zwischen einem Leistungsverstärkermodul und einem nachfolgenden Tiefpassfilter befindet.
• Der Sendezweig eines Mobilfunkgerätes besteht unter anderem aus Leistungsverstärkermodul, Tiefpassfilter und Antenne. Das Leistungsverstärkermodul ist ein nichtlineares Bauelement, dessen Ausgangssignal neben der gewünschten Grundschwingung auch harmonische Oberschwingungen aufweist. Die Grundschwingung entspricht dann der gewünschten, über die Antenne ausgestrahlten, Sendefrequenz. Dagegen können die unerwünschten Oberschwingungen, die über die Antenne als Nebenaussendungen im Ausgangsspektrum ausgestrahlt werden, andere Funksysteme stören. Deshalb sind in den Standards für Mobilfunkgeräte Grenzwerte für die maximale Leistung solcher Nebenaussendungen festgelegt.
• Die einzelnen Bauelemente wie Leistungsverstärkermodul und Tiefpassfilter werden so hergestellt, dass sie jeweils bei einer Quellen- und Lastimpedanz von 50 Ohm die in ihrem Datenblatt genannten Spezifikationen erfüllen. Da die Bauelemente selbst aber keine Ein- bzw. Ausgangsimpedanzen von 50 Ohm bei den harmonischen Oberschwingungen aufweisen, kommt es bei der Zusammenschaltung der Bauelemente zu unerwünschten Effekten. So ist beispielsweise für den, am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls angeschlossene, Tiefpassfilter die Quellenimpedanz für die harmonischen Oberschwingungen nicht 50 Ohm. Dadurch wird der Tiefpassfilter nicht alle harmonischen Oberschwingungen in dem gewünschten Maße dämpfen, wodurch es zu einem ungewollten Anstieg der Oberwellenleistung am Ausgang kommt. An der Antenne kann dann die Leistung einer oder mehrerer Nebenaussendungen den vorgeschriebenen Grenzwert übersteigen.
• Eine mögliche Maßnahme zur Unterdrückung von Nebenaussendungen besteht darin, ein zusätzliches Tiefpassfilter oder Sperrfilter zwischen Leistungsverstärkermodul und dem schon vorhandenen Tiefpassfilter einzufügen. Durch geeignete Dimensionierung werden die harmonischen Oberschwingungen, deren Leistung über dem Grenzwert liegt, zusätzlich gedämpft. Gleichzeitig werden mit dieser Maßnahme aber auch die anderen Frequenzen beeinflusst. So kommt es zu einer zusätzlichen Einfügedämpfung bei der Sendefrequenz. Daher muss durch Ausprobieren und Vermessen das zusätzliche Tiefpassfilter bzw. Sperrfilter so dimensioniert werden, dass dieses zusammen mit dem bereits vorhandenen Tiefpassfilter eine optimale Wirkung erzielt. Das heißt dass sowohl die Oberwellenleistung aller harmonischen Oberschwingungen unter deren vorgeschriebenen Grenzwert liegt, als auch die Sendeleistung der Sendefrequenz noch genügend hoch ist. Diese Auswahl des optimalen zusätzlichen Filters ist aber ein sehr zeitaufwendiges Verfahren und damit kostenintensiv.
• Eine andere mögliche Maßnahme besteht darin, sowohl das Leistungsverstärkermodul als auch das Tiefpassfilter jeweils aus einer Reihe von Bauelementen mit geringfügig unterschiedlichen Parametern auszuwählen. Auch hier wird durch Ausprobieren und anschließendes Vermessen die geeignete Kombination von Leistungsverstärkermodul und Tiefpassfilter gefunden, mit der die Grenzwerte für die Nebenaussendungen eingehalten werden können. Dadurch dass keine zusätzlichen Bauelemente eingefügt werden, kommt es hier zu keiner zusätzlichen Einfügedämpfung bei der Sendefrequenz. Aber auch hier ist Auswahl der optimalen Kombination von Leistungsverstärkermodul und Tiefpassfilter sehr zeitaufwendig und damit kostenintensiv.
• Aus dem Dokument ”Reichel, Thomas: repititorium HF-Leistung richtig gemessen (II); in Firmenschrift 'Neues von Rhode & Schwarz', 143, Herbst 1993, Seiten 23 bis 25” sind einige theoretische Grundlagen zur Leistungsübertragung und Leistungsanpassung bekannt. Aus den Dokumenten US 6,023,611 A und US 6,078,794 A sind je für sich genommen Anpassschaltungen zur Impedanzanpassung bzw. zur Unterdrückung von Harmonischen bekannt. Nicht erläutert ist jedoch die Art und Weise, wie solche Anpassschaltungen auf einfache und effektive Weise erhalten werden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Dimensionieren eines Anpassglieds anzugeben, dass weniger zeitaufwendig und damit weniger kostenintensiv ist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
• Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Dimensionierung des Anpassglieds im Sendezweig abhängt von den zuvor systematisch ermittelten Leistungen aller für ein Frequenzband in Frage kommender Nebenaussendungen und den zuvor systematisch vermessenen Parametern des Leistungsverstärkermoduls und Tiefpassfilters. Das Einfügen des so dimensionierten Anpassglieds zwischen Leistungsverstärkermodul und Tiefpassfilter bewirkt, dass für alle Nebenaussendungen die Leistungen unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegen. Damit diese Dimensionierung nicht bei der Herstellung jedes einzelnen Mobilfunkgerätes durchzuführen ist, ist eine zulässige Grenzwerttoleranz vorgesehen.
• Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Dimensionierung des Anpassglieds nur einmal, beispielsweise beim Schaltungsentwurf des Sendezweigs des Mobilfunkgerätes, durchgeführt werden muss. Dadurch werden zeitaufwendige und damit kostenintensive Arbeitsschritte insbesondere während der Herstellung der Mobilfunkgeräte vermieden.
• Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren erläutert.
• Es zeigt:
• 1: Flussdiagramm gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
• 2: Ausführungsform des Sendezweigs mit Anpassglied
• Der, in 2 gezeigte, Sendezweig eines Mobilfunkgerätes weist ein Leistungsverstärkermodul V, ein Tiefpassfilter F, und eine Antenne A auf. Zur Vereinfachung ist hier ein üblicherweise vorhandener Sende/Empfangsumschalter nicht dargestellt. Zwischen dem Leistungsverstärkermodul V und dem Tiefpassfilter F ist ein, entsprechend der vorliegenden Erfindung dimensioniertes, Anpassglied Z angeordnet. Über das Leistungsverstärkermodul V, das Anpassglied Z und den Tiefpassfilter F wird ein Sendesignal an die Antenne A geführt. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens des Leistungsverstärkermoduls V kommt es an der Antenne A neben der gewünschten Aussendung bei der Sendfrequenz auch zur Aussendung von störenden Nebenaussendungen. Abhängig von dem bereits vorhandenen Tiefpassfilter F und der Dimensionierung des Anpassglieds Z wird erreicht, dass die Nebenaussendungen einen bestimmten zulässigen Grenzwert nicht überschreiten. Gleichzeitig muss bei der Dimensionierung des Anpassglieds Z darauf geachtet werden, dass die Einfügedämpfung bei der Sendefrequenz nicht signifikant erhöht wird. So sollte die zusätzliche Einfügedämpfung, je nach Leistungsreserven im Leistungsverstärkermodul, nicht größer als 0,2...0,5 dB sein.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Dimensionierung des Anpassglieds Z soll nun anhand des in 1 gezeigten Flussdiagramms näher beschrieben werden. Dazu werden ein Leistungsverstärkermodul V und ein Tiefpassfilter F auf einer Testplatine, benötigt. Am Anfang wird in einem ersten Schritt 100 die Menge der möglichen Wertepaare aus den beabsichtigten Sendefrequenzen k und den dafür zu beachtenden harmonischen Oberschwingungen i ermittelt. Die Menge der beabsichtigten Sendefrequenzen k ist bestimmt durch das Sendefrequenzband in dem das Mobilfunkgerät senden soll. Die Menge der zu beachtenden harmonischen Oberschwingungen i, das heißt die harmonischen Oberschwingungen deren Leistung einen Grenzwert nicht überschreiten darf, ist vorgeschrieben durch den Mobilfunkstandard für den das Mobilfunkgerät benutzt werden soll. So bestimmt beispielsweise der GSM Standard, dass harmonische Oberschwingungen i bis zu einer Frequenz von 12,75 GHz zu berücksichtigen sind. In einem nächsten Schritt 200 wird für jedes Wertepaar aus i und k die Leistung P_V,i,k der harmonischen Oberschwingung i am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls V ermittelt. Dies kann beispielsweise mit einem 50 Ohm Messgerät, wie beispielsweise einem Spektrumanalysator erfolgen. Alternativ können diese Leistungswerte aber auch dem entsprechenden Datenblatt des benutzten Leistungsverstärkermoduls V entnommen werden. In einem weiteren Schritt 300 wird dann für alle Wertepaare der Reflexionsfaktor Γ_aus,V,i,k am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls V ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise durch entsprechende Messungen am Leistungsverstärkermodul V auf der Leiterplatine mittels eines vektoriellem Netzwerkanalysators und anschließendem Herausrechnen der Einflüsse der Leiterzüge und Anschlüsse. Im Schritt 400 werden dann, die Streuparameter S_11,F,i,k und S_21,F,i,k für das vorhandene Tiefpassfilter F ermittelt. Auch dies kann durch entsprechende Messungen mittels vektoriellem Netzwerkanalysator und anschließendem Herausrechnen erfolgen. Aus den, so ermittelten Parametern wird im Schritt 500 für jedes Wertepaar (i, k) die Leistung P_i,k berechnet. Diese Leistungen P_i,k werden dann im nächsten Schritt 600 mit den, durch den entsprechenden Standard vorgeschrieben Grenzwerten G_i,k verglichen. Da die verwendeten Bauelemente Toleranzen aufweisen, ist eine Grenzwerttoleranz ΔG eingeführt. Dies erlaubt, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur einmal in der Designphase, das heißt während des Schaltungsentwurfs, durchgeführt werden muss. Später, beispielsweise bei der Herstellung der einzelnen Mobilfunkgeräte, auftretende Schwankungen aufgrund von Bauelementschwankungen sind somit schon berücksichtigt. Sind für alle Nebenaussendungen i die Bedingung aus Schritt 600 erfüllt, wird das Verfahren beendet, ohne das ein Anpassglied Z im Sendezweig eingefügt wird. In der Praxis wird es aber oft notwendig sein, in einem weiteren Schritt 700 ein Anpassglied Z zu dimensionieren, um die vorgeschriebenen Grenzwerte für alle Nebenaussendungen i einzuhalten. Dieser Schritt 700 wird in aller Regel ein iteratives Verfahren sein. Das heißt, dass ein im Schritt 700 dimensioniertes Anpassglied Z, mit dem Tiefpassfilter F zu einem neuen Filter F_neu = Z + F zusammengefasst wird. Anschließend werden die Schritte 400 bis 600 wiederholt. Das heißt, es werden zuerst die Streuparameter S_11,F,i,k und S_21,F,i,k für dieses neue Filter F_neu ermittelt. Dann werden für jedes der Wertepaare (i, k) die Leistung der harmonischen Oberschwingungen i für das neue Filter F' ermittelt, und diese Leistungen P_i,k mit dem Grenzwert (G_i,k – ΔG) verglichen. Sind die Grenzwerte immer noch nicht alle eingehalten, wird das Anpassglied Z erneut dimensioniert. Diese iterativen Verfahrensschritte 400–700 werden solange wiederholt, bis für alle harmonischen Oberschwingungen i die Bedingung P_i,k ≤ (G_i,k – ΔG) erfüllt ist.
• Die Dimensionierung des Anpassglieds Z im Schritt 700 erfolgt so, dass dieses zusammen mit dem nachfolgenden Tiefpassfilter F die Einfügedämpfung bei den harmonischen Oberschwingungen i erhöht. Die Einfügedämpfung ist dabei allgemein definiert als das Verhältnis der Leistung an der Last, die sich beim direkten Anschließen der Last an die Quelle ergibt, zu der Leistung an der Last mit einem Vierpol zwischen Last und Quelle. Im vorliegenden Fall ist der Vierpol die Kombination aus Filter F und zu dimensionierendem Anpassglied Z. Das Leistungsverstärkermodul V entspricht der Quelle für den Vierpol. Bei einer Last von 50 Ohm ergibt sich damit für die Einfügedämpfung

  

  wobei Γ_aus,V,i,k der Reflexionsfaktor am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls V ist, und S_21,F,i,k und S_11,F,i,k die Streuparameter des Filters F sind. Mit dem zusätzlichen Fehlanpassungsfaktor M_{zusatz_i,k} = |1 – Γ_aus,V,i,k·S_11,F,i,k|² ergibt sich für die Einfügedämpfung:

  

  Der Faktor

  

  kann in einer 50 Ohm Systemumgebung gemessen werden. Der Term M_{zusatz_i,k}, der sowohl größer als auch kleiner 1 sein kann, ist abhängig von Γ_aus,V,i,k und S_11,F,i,k. Damit ist die Dämpfung des Tiefpassfilters F bei den harmonischen Oberschwingungen i nach dem Leistungsverstärkermodul V mit Ausgangsimpedanz ungleich 50 Ohm, abhängig vom Reflexionsfaktor Γ_aus,V,i,k am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls V und dem Streuparameter S_11,F,i,k des Tiefpassfilters F.
• Im vorliegenden Fall wird für jede harmonische Oberschwingung i, das heißt genau für jedes der Wertepaare (i, k), für die der Grenzwert überschritten ist, der zusätzliche Fehlanpassungsfaktors M_{zusatz_i,k} erhöht. Dies erfolgt so, dass sich in einem Smith Diagramm (nicht gezeigt) für die harmonischen Oberschwingungen der Streuparameter S_11,F,i,k von dem Anpassungspunkt bei Γ*_aus,V,i,k entfernt, um eine möglichst große Leistungsfehlanpassung bei den harmonischen Oberschwingungen i zu erreichen. Der Wert Γ*_aus,V,i,k ist dabei die konjugiert komplexe Größe des Reflexionsfaktors Γ_aus,V,i,k des Leistungsverstärkermoduls V. Die Dimensionierung des Anpassglieds Z konzentriert sich dabei auf eine Veränderung von S_11,F,i,k, während der Betrag |S_21,F,i,k|, insbesondere bei der Sendefrequenz k, weitgehend unverändert bleibt. Das bedeutet, dass oft eine Phasenänderung von S_11,F,i,k bei den entsprechenden Wertepaaren ausreicht, um eine entsprechende Wirkung zu erzielen. So ergibt sich bei typischen Werten von IS_11,F,i,k| ≈ |Γ*_aus,V,i,k| ≈ 0,85 bei einer unerwünschten Leistungsanpassung ein Wert von M_{zusatz_i,k} = –11,1 dB, während bei maximaler gewünschter Leistungsfehlanpassung M_{zusatz_i,k} maximal +4.7 dB ist. Man gewinnt also ca. 16 dB mehr Einfügedämpfung, wenn man die Phase des Eingangsreflexionsfaktors des Tiefpassfilters von Γ*_aus,V,i,k zu –Γ*_aus,V,i,k dreht.
• Das Anpassglied Z wird vorteilhafterweise, so wie in 2 gezeigt, als Leitung L_Z zwischen Ausgang des Leistungsverstärkermoduls V und dem nachfolgenden Tiefpassfilters F auf der Leiterplatine ausgeführt. Damit lässt sich die kleinste zusätzliche Einfügedämpfung bei der Sendefrequenz erreichen. Die Leitung dreht die Phase von S_11,F,i,k weg von Γ*_aus,V,i,k ohne die Beträge |S_11,F,i,k| und |S_21,F,i,k| zu verändern.
• In einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform kann das Anpassglied Z auch als Teil des Tiefpassfilters F ausgebildet sein. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn ein spezifisches Leistungsverstärkermodul V zusammen mit einem spezifischen Tiefpassfilter F eine zusammengehörige Baugruppe bilden. Dann lässt sich das Anpassglied Z bereits in der Designphase des Filters F berücksichtigt und kann direkt als Teil des Filters F ausgebildet werden. Das bedeutet daß dieses neue Filter F' zusammen mit dem Leistungsverstärkermodul V eine optimierte Kombination der Bauelemente bildet, welche die Grenzwerte einhält und gleichzeitig eine geringe Einfügedämpfung bei der Sendefrequenz hat.

Claims (4)

1. Verfahren zum Dimensionieren eines Anpassglieds (Z) zur Verbesserung der Filterwirkung, das zwischen einem Leistungsverstärkermodul (V) und einem nachfolgenden Tiefpassfilter (F) angeordnet ist, mit den Schritten a) Bestimmen (100) von Wertepaaren (i, k) aus den Sendefrequenzen (k) eines Sendefrequenzbandes und aus den harmonischen Oberschwingungen (i) für die in diesem Sendefrequenzband Grenzwerte (G_{i , k}) einzuhalten sind; b) Ermitteln (200) für jedes der Wertepaare (i, k) eine Leistung (P_V,i,k) der harmonischen Oberschwingung (i) am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls (V); c) Ermitteln (300) für jedes der Wertepaare (i, k) einen Reflexionsfaktor (Γ_aus,V,i,k) am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls (V); d) Ermitteln (400) für jedes der Wertepaare (i, k) die Streuparameter (S_11,F,i,k; S_21,F,i,k) des Tiefpassfilters (F); e) Berechnen (500) für jedes der Wertepaare (i, k) die Leistungen (P_{i , k}) der Nebenaussendungen mit

   

   wobei die Einfügedämpfung (D_F,i,k) des Filters (F) bestimmt ist durch

   

   mit dem zusätzliche Fehlanpassungsfaktor Mzusatz_i,k = |1 – Γaus,V,i,k·S11,F,i,k|2;f) Vergleichen (600) der Leistungen (P_i,k) jeder der Nebenaussendungen (i, k) mit einem für jedes Wertepaar festgelegten Grenzwert (G_i,k) und g) Dimensionieren (700) des Anpassglieds (Z) so dass für jede der Nebenaussendungen (i, k) die Bedingung Pi,k ≤ (Gi,k – ΔG) erfüllt ist, wobei ΔG eine zulässige Grenzwerttoleranz ist mit folgenden Schritten: g1) Zusammenfassen des dimensionierten Anpassglieds (Z) und des Tiefpassfilters (F) zu einem neuen Filter (F') und ermitteln dessen Streuparameter (S_F'11, S_F'21); g2) Berechnen für jedes der Wertepaare (i, k) die Leistungen (P_i,k) der Nebenaussendungen das neue Filter (F'); g3) Vergleichen (600) der Leistungen (_Pi,k) jeder der Nebenaussendungen (i, k) mit dem Grenzwert (G_i,k); g4) Wiederholen der Schritte g1) – g3) solange bis alle Nebenaussendungen (i, k) die Bedingung erfüllen, wobei in Schritt g) das Anpassglied (Z) so dimensioniert wird, – dass sich der Streuparameter (S_11;F,i,k) von einem Anpassungspunkt (Γ*_aus,V,i,k) entfernt, wobei der Anpassungspunkt (Γ*_aus,V,i,k) die konjugiert komplexe Größe des Reflexionsfaktors am Ausgang des Leistungsverstärkermoduls (V) ist, und – dass für die Sendefrequenz k die zusätzliche Einfügedämpfung kleiner 0.5 dB ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zulässige Grenzwerttoleranz ΔG bestimmt ist durch eine zulässige Bauteilstreuung von Leistungsverstärkermodul (V) und Tiefpassfilter (F).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zulässige Grenzwerttoleranz ΔG 6 dB beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Anpassglied (Z) als Leitung (L_Z) zwischen Ausgang des Leistungsverstärkermoduls (V) und Eingang des Tiefpassfilters (F) ausgebildet ist.