3G/4G-Design
Was rekonfigurierbare Antennen können
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Frequenzvielfalt erfordert neue Antennenkonzepte
Neben dem ohnehin vorhandenen Zeitdruck sollte sich der Handy-Designer der MIMO-Konfiguration (Multiple Input/Multiple Output) zuwenden, was Diversity mit der Verdoppelung der Eingangsschaltkreise und Antennenelemente in dem schon begrenzten Raum einschließt. Die neu entstehenden Designs für 4G/LTE-A sehen ein 4-Wege-MIMO im Handy vor; die vielfältigen Konsequenzen liegen auf der Hand. LTE-A wird zudem die Trägeraggregation (Zusammenfassung der Bandbreite von zwei Kanälen) erfordern, um die dem Nutzer angepriesene Download-Geschwindigkeit überhaupt bieten zu können.
Für den Entwicklungsprozess eines solchen Systems ist es hilfreich, wenn eine Einzelantenne auf möglichst vielen der künftig 41 eigenständigen Bänder arbeiten kann, die in der nächsten Systemgeneration genutzt werden. Damit sollte die Gesamtzahl der Handy-Antennen nicht mehr als gerade nötig betragen. „Rekonfigurieren der Antenne(n)“ heißt hier das Stichwort, und das bedeutet „Antennenabstimmung“.
Wichtig ist dabei insbesondere die möglichst gute Anpassung der Antenne an die Senderausgangs- bzw. Empfängereingangsimpedanz bei jeder gegebenen Betriebsfrequenz. Dies kann durch einen LC-Kreis mit variabler Komponente geschehen (Bild 1). Für diese Funktion ist insbesondere der digital abstimmbare Kondensator (DTC, Bild 2) in UltraCMOS-Technologie geeignet. UltraCMOS ist eine Silizium-auf-Saphir-Technologie, die für die unterschiedlichsten HF-Funktionsblöcke entwickelt wurde.
Die Charakteristika dieser Technologie: breiter Frequenzbereich, Silizium-Schalttransistoren mit sehr niedriger Impedanz im Ein-Zustand und hoher Isolation im Aus-Zustand und mit einer hervorragenden Linearität bei gleichzeitig geringsten Intermodulationsprodukten. Die Technologie, die auch in [1] beschrieben wurde, eignet sich letztlich für Mehrwege-Antennenschalter, schaltbare Kondensatorbänke und andere HF-Anwendungen.
Solche HF-Schalter entsprechen im Großen und Ganzen dem Funktionsprinzip der DTCs. Einen praktisch auswertbaren elektrischen Parameter stellt das Produkt des Kanalwiderstands des Schalters im Ein-Zustand und der Kapazität im Aus-Zustand dar. Letztere setzt sich aus der Kapazität des FET-Kanals und den parasitären Kapazitäten zusammen. Der Wert ist als Ron Coff bezeichnet und wird in Zeiteinheiten ausgedrückt: je kleiner, desto besser. Er verhält sich an einem vorgegebenen Prozesspunkt der verwendeten Technologie konstant. Als Widerstands-Kapazitätsprodukt im jüngsten Ultra-CMOS-Prozess werden Werte von 176 fs erreicht. Dies bedeutet geringe Verluste über alle in heutigen Mobilfunknetzen genutzten Frequenzbänder.
Ein DTC umfasst ein Feld von parallel einschaltbaren Kondensatoren, die für jeden Pfad im Schaltkreis durch einen seriellen FET hinzugeschaltet oder getrennt werden. Der Widerstand des Transistors im Ein-Zustand bestimmt die Güte Q: Die Reduzierung von Coff vergrößert den Ron (da das Produkt ein Festwert ist) und wenn das geschieht, wird das Max/Min-Abstimmungsverhältnis vermindert. Dafür ist das Abstimmungsverhältnis im DTC umgekehrt proportional zur Güte Q.
Wie immer hat die Güte Q (gegenwärtige Generation von SoS-DTCs erreichen einen Q-Faktor von 50 bei 1900 MHz) bei der HF-Anpassung einen direkten Einfluss darauf, wie gut die Lastimpedanz (hier die Antenne) an die Quellimpedanz des Frontend angepasst und welche Einfügedämpfung erreicht werden kann.
Die Abwägung dieser Faktoren gegen das maximale Abstimmungsverhältnis, welches das abgedeckte Spektrum jeder beliebigen physikalischen Antenne bestimmt, ist gerade eines der Zugeständnisse, die der HF-Designer berücksichtigen muss. Ein niedriger Wert des Schlüsselparameters Ron Coff hilft ihm dabei. Wie die Smith-Diagramme in Bild 3 zeigen, erweitert ein geringerer Wert den Frequenzbereich beträchtlich, über den eine verlustärmere Anpassung erreicht werden kann.
- Was rekonfigurierbare Antennen können
- Frequenzvielfalt erfordert neue Antennenkonzepte
- Die Antennencharakteristik verändern
- DTCs und SoS-FETs im Fortschrittstrend
