Design Strategy and Architectures for Tunable Impedance Networks for Antenna Impedance Tracking in Electrical Balance Duplexers

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-07-10
Issue Year
2023
Authors
Koller, Josef
Editor
Abstract

In currently available smartphones, Surface Acoustic Wave (SAW) duplexers are used to separate the transmit and receive signals. Due to the electromechanical design of the SAW duplexers, they can only be used in one frequency band at a time. This means that a SAW duplexer is required for each frequency band. In order to reduce the space requirements of the duplexers and thus costs, research has been done in recent years with the aim of developing tunable duplexers which are tunable in frequency. In particular, the Electrical Balance Duplexer (EBD) has emerged as a possible alternative. A more advanced variant of this is the Phase Gradient Supported Electrical Balance Duplexer (PBD). What both duplexers have in common is that they require a tunable impedance network to track the antenna impedance, which changes within a few milliseconds. The operating principle of such duplexers is to achieve a sufficiently high isolation between the transmitter and the receiver by tracking the antenna impedance.

The tunable impedance networks contain tunable components, such as tunable capacitors. At this time, no design strategy has been published for determining the optimal range of values. Therefore, in this thesis, a design strategy is presented to determine an optimal range of values of the tunable components.

Furthermore, previously published architectures are limited in their impedance range in which the antenna impedance may be located, and at the same time a sufficiently high isolation can still be achieved by tracking the antenna impedance. Therefore, the range VSWR ≤ 3:1, for which cellular antennas are normally specified, is often not achieved or only by a complex design of the impedance network. Therefore, this work presents alternative impedance network architectures that allow a larger Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) range in which the antenna impedance may be located. In doing so, it is simulatively shown that in the LTE low-band in the range of 0.6 GHz to 1 GHz, the range VSWR ≤ 3:1 can be covered with an isolation between Transmitter (TX) and Receiver (RX) of at least 50 dB.

Finally, an architecture of a tunable impedance network known from the literature and one of the alternative architectures are built in hardware and measured in the LTE band 8. For this purpose, the architectures are tuned to given antenna impedance cases. This allows the design strategy to be verified by measurement. Furthermore, it can be shown that one of the alternative architectures can cover the range VSWR ≤ 3:1 with an isolation of at least 50 dB in each of the considered antenna impedance cases in the LTE band 8.

Abstract

In aktuell verfügbaren Smartphones werden Surface Acoustic Wave (SAW)-Duplexer für die Trennung des Sende- und Empfangssignals verwendet. Aufgrund des elektromechanischen Designs der SAW-Duplexer können diese jeweils nur in einem Frequenzband eingesetzt werden. Somit ist für jedes Frequenzband ein SAW-Duplexer notwendig. Um den Platzbedarf der Duplexer und damit Kosten zu senken, wurde in den letzten Jahren Forschung betrieben mit dem Ziel, in der Frequenz abstimmbare Duplexer zu entwickeln. Dabei hat sich besonders der Electrical Balance Duplexer (EBD) als eine mögliche Alternative herauskristallisiert. Eine weiterentwickelte Variante davon ist der Phase Gradient Supported Electrical Balance Duplexer (PBD). Beide Duplexer eint, dass sie ein frequenzabstimmbares Impedanznetzwerk zur Nachführung der Antennenimpedanz benötigen, welche sich innerhalb weniger Millisekunden ändert. Durch das Funktionsprinzip solcher Duplexer wird durch die Nachführung der Antennenimpedanz eine ausreichend hohe Isolation zwischen dem Sender und dem Empfänger erreicht.

Die abstimmbaren Impedanz-Netzwerke enthalten abstimmbare Komponenten, wie beispielsweise abstimmbare Kapazitäten. Für die Ermittlung des optimalen Wertebereichs ist zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Entwurfsstrategie veröffentlicht. In dieser Arbeit wird daher eine Entwurfsstrategie vorgestellt, mit der ein optimaler Wertebereich der abstimmbaren Komponenten ermittelt werden kann.

Des Weiteren sind bisher veröffentlichte Architekturen in ihrem Impedanzbereich, in dem sich die Antennenimpedanz befinden darf und gleichzeitig durch die Nachführung noch eine ausreichend hohe Isolation erreicht werden kann, begrenzt. Daher wird der Bereich VSWR ≤ 3:1, in welchem Mobilfunkantennen normalerweise spezifiziert sind, oftmals nicht oder nur durch einen komplexen Aufbau des Impedanz-Netzwerkes erreicht. In dieser Arbeit werden deshalb alternative Architekturen von Impedanz-Netzwerken vorgestellt, die einen größeren Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)-Bereich, in dem sich die Antennenimpedanz befinden darf, erlauben. Dabei wird simulativ gezeigt, dass im LTE-Low-Band im Bereich von 0.6 GHz to 1 GHz der Bereich VSWR ≤ 3:1 mit einer Isolation zwischen Sender (TX) und Empfänger (RX) von mindestens 50 dB abgedeckt werden kann.

Abschließend werden eine aus der Literatur bekannte Architektur eines frequenzabstimmbaren Impedanz-Netzwerkes und eine der alternativen Architekturen in Hardware aufgebaut und im LTE-Band 8 vermessen. Hierzu werden die Architekturen auf vorgegebene Antennenimpedanzfälle abgestimmt. Damit kann die Entwurfsstrategie messtechnisch verifiziert werden. Des Weiteren kann damit gezeigt werden, dass mit einer der alternativen Architekturen der Bereich VSWR ≤ 3:1 mit einer Isolation von mindestens 50 dB in jedem der betrachteten Antennenimpedanzfälle im LTE-Band 8 abgedeckt werden kann.

DOI
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