Juni 2014

Koexistenz-Lösungen für Smartphones

Effizientes Nebeneinander

Mobiltelefone der neuesten Generation müssen Anwendern eine steigende Anzahl von Verbindungsoptionen zur Verfügung stellen. Neue EPCOS Koexistenzlösungen ermöglichen die gleichzeitige Nutzung von Mobilfunkdiensten, GPS und WLAN.

Die Koexistenz verschiedener Kommunikationsdienste in kompakten Mobilfunkgeräten stellt die Hersteller von Smartphones und HF-Bauelementen vor komplexe Herausforderungen. Moderne Smartphones müssen ein großes Spektrum von zellularen und anderen drahtlosen Diensten über einen breiten Frequenzbereich zur Verfügung stellen. Es wird als selbstverständlich vorausgesetzt, dass Smartphones neben Mobilfunkdiensten wie GSM, UMTS und LTE auch GPS und Bluetooth/WLAN unterstützen. Um Platz zu sparen und die Gesamtleistung des Telefons zu verbessern, erfordert die Standardarchitektur die Nutzung einer Hauptantenne zum Senden und Empfangen sowie einer Diversity-Antenne zum Empfangen von Mobilfunksignalen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, muss eine typische
Diversity-Antenne sowohl GPS und WLAN als auch Mobilfunkbänder unterstützen.

Abbildung 1: Grundprinzip der GPS- und WLAN-Signalfilterung an der Diversity-Antenne

Die Hauptmobilfunkantenne wird zum Senden und Empfangen von Mobilfunksignalen verwendet. Die Diversity-Antenne unterstützt neben den Rx-Mobilfunksignalen aber GPS (Rx) und WLAN/Bluetooth (Rx und Tx).

Die HF-Anforderungen werden durch die vielfältigen Applikationen, die dem Anwender geboten werden, noch weiter erhöht: Denn diese multifunktionalen Multiband-Geräte sollen alle Funkdienste gleichzeitig unterstützen und dabei auch noch flach und kompakt sein. Mit anderen Worten: Nutzer erwarten, dass sie über LTE ein Telefonat führen, und mit GPS navigieren können, während im Hintergrund eine große Datei über WLAN geladen wird – alles simultan und ohne Verzögerungen. Auch ist niemand gewillt, Kompromisse bei der Funktionalität einzugehen. Diese hohen Erwartungen stellen sehr große Anforderungen an die Filterung und Verarbeitung der HF-Signale im Smartphone. Dies gilt besonders für die Filter und Module, mit denen die GPS- und WLAN-Signale an der Diversity-Antenne entnommen werden.

Bedingt durch die Frequenzbänder, die für Mobilfunk, GPS und WLAN benötigt werden, muss das HF-Design drei wesentliche Koexistenzprobleme, siehe Abbildung 2, lösen:

  • Gegenseitige Störung dicht nebeneinanderliegender Frequenzbänder
  • Störung von GPS-Signalen durch die zweite Oberwelle von Low-Band-Mobilfunksendesignalen
  • Störung von GPS-Signalen durch Intermodulationsprodukte der Tx-Signale vom WLAN
Abbildung 2: Koexistenzprobleme im Smartphone

Die unterschiedlichen Frequenzbänder für Mobilfunk, GPS und WLAN führen zu den drei wesentlichen Koexistenzproblemen. Diese stellen große Anforderungen an die Filterung und Verarbeitung der HF-Signale in Smartphones.

Fall 1: Sehr dicht nebeneinanderliegende Frequenzbänder

Das Frequenzspektrum ist eine begrenzte Ressource und wird angesichts der wachsenden Anzahl von Kommunikationsdiensten und -protokollen immer dichter belegt. Insbesondere der Abstand zwischen dem von WLAN und Bluetooth genutzten Band und den neuen Bändern 7, 40 und 41, die für LTE-Mobilfunkdienste verwendet werden, beträgt nur ≤ 20 MHz.

Daher werden an die HF-Filter der betreffenden Mobilfunk- und WLAN-Bänder extrem hohe Anforderungen gestellt. Sie müssen verhindern, dass sich WLAN-Signale und High-Band-Mobilfunksignale gegenseitig stören. Folglich werden HF-Filter benötigt, die eine sehr hohe Trennschärfe mit einer geringen Einfügedämpfung kombinieren. Das wirkt sich zudem positiv auf den Energieverbrauch von Smartphones aus. Denn treten zwischen benachbarten Frequenzbändern nur geringe Störbeeinflussungen auf, benötigen die HF-Verstärker weniger Leistung.

Fall 2: Zuverlässige Filterung der zweiten Harmonischen

Oberwellen stellen das HF-Design von Smartphones vor erhebliche Herausforderungen. Satellitennavigationssysteme wie GPS, das russische GLONASS oder das chinesische BeiDou – auch als Compass bezeichnet – arbeiten im Frequenzbereich von 1561 MHz bis 1605 MHz. Die am Navigationsempfänger eintreffenden Signale sind in der Regel sehr schwach im Vergleich zu den Signalstärken der Telefonie-, WLAN- und BT-Bänder. Infolgedessen reagieren sie empfindlich auf Störbeeinflussungen durch die zweite Harmonische von Low-Band-Mobilfunksendesignalen, die von der Hauptantenne in die Diversity-Antenne eingekoppelt werden. Deshalb ist der GPS-Empfangspfad auf eine zusätzliche Filterung mit hochlinearen SAW-Filtern in Verbindung mit einem rauscharmen Verstärker (LNA) angewiesen. Filter und Verstärker verhindern, dass diese Low-Band-Mobilfunksignale das GPS-Signal stören.

Fall 3: Zuverlässige Filterung von Intermodulationseffekten

Da die Diversity-Antenne auch WLAN-Signale überträgt, können aufgrund der Frequenzdifferenz zwischen WLAN-Signalen und Low-Band-Mobilfunksignalen Intermodulationsstörungen auftreten. Die daraus resultierenden Intermodulationsfrequenzen beeinträchtigen unter Umständen die GPS-Empfangssignale. Diese nichtlinearen Effekte können die GPS-Leistung erheblich reduzieren, da WLAN-Sendesignale typsicherweise um > 150 dB stärker sind als GPS-Signale. Hochlineare Filter und Verstärker sind auch hier für eine effektive Filterung unerlässlich.

Spezielle Extractors ermöglichen die gemeinsame Nutzung von Antennen

Die Verwendung von lediglich einer Antenne zum Senden und Empfangen von Signalen in mehreren Frequenzbändern setzt die Nutzung eines Bauelements voraus, das als Extractor bezeichnet wird. Diese speziellen Filter trennen die Rx-Signale, wie Mobilfunk und GPS, sodass sie bei den richtigen Empfängern eintreffen. Bereits vor Jahren hat EPCOS eine Vorreiterrolle in der Entwicklung dieser Extractors für GPS-Signale eingenommen. Ein GPS Extractor kombiniert ein GPS-Bandpassfilter mit einem GPS-Sperrfilter. Das Bandpassfilter sorgt dafür, dass nur die GPS-Frequenz zum GPS-Empfänger gelangt, während das Sperrfilter nur die Mobilfunksignale zum Mobilfunkempfänger durchlässt. Abbildung 3 zeigt einen GPS Extractor mit einem Bandpassfilter für das GPS-Empfangssignal bei 1575 MHz und mit einem 1575-MHz-Sperrfilter zum Blockieren des GPS-Signals am Mobilfunkeingang.

Abbildung 3: Schaltbild eines GPS Extractors

Ein GPS Extractor nutzt ein Bandpassfilter, um nur die GPS-Signale zum GPS-Eingang durchzulassen, und ein Sperrfilter der gleichen Frequenz, das alle anderen Signale am Mobilfunkeingang passieren lässt.

Ein WLAN Extractor kann auf ähnliche Weise mit einem WLAN-Bandpassfilter anstelle des GPS-Bandpassfilters realisiert werden. Auch ist es möglich, einen kombinierten GPS/WLAN Extractor im selben Bauelement unterzubringen, das sowohl GPS- als auch WLAN-Signale herausfiltert. Der in Abbildung 4 gezeigte kombinierte GPS/WLAN Extractor besteht aus zwei Bandpassfiltern für die GPS- und WLAN-Frequenzbänder bei 1575 MHz bzw. 2450 MHz und aus einem Sperrfilter für beide Frequenzen.

Abbildung 4: Schaltbild eines GPS/WLAN Extractors

Ein GPS/WLAN Extractor nutzt zwei Bandpassfilter, um die GPS- und WLAN-Signale zum GPS- bzw. WLAN-Eingang durchzulassen. Ein, bei diesen beiden Frequenzen wirkendes, doppeltes Sperrfilter sorgt dafür, dass alle anderen Frequenzen zum Mobilfunkempfänger gelangen.

Leistungsstarke Koexistenzlösungen

Auf Grundlage dieser Signalfilterkonzepte hat TDK eine innovative Palette von Koexistenzlösungen geschaffen, die speziell für den Einsatz in Smartphones entwickelt wurden. Die Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Produkte.

Basis dafür war der erste EPCOS BAW-Filter für WLAN/Bluetooth (B9604), das vor zwei Jahren auf den Markt gebracht wurde und zu den führenden Filterlösungen für Telefone mit LTE-Band 7 gehört. So ist es gelungen, die Filterleistung im neuen Filter EPCOS LS70 noch weiter zu verbessern. Dieses Filter erzielt mit der BAW-Technologie der zweiten Generation (BAW2) in einem kleineren Gehäuse einen weitaus besseren Gütefaktor und eine wesentlich geringere Einfügedämpfung als das B9604. Die miniaturisierte Bauform 1109 des LS70 nimmt nur eine Fläche von 1,1 × 0,9 mm² ein und die Bauhöhe beträgt nur 0,4 mm.

Das neue EPCOS Frontend-Modul R159 für GPS/GLONASS ist eine voll integrierte Frontend-Lösung, die es erlaubt, die Diversity-Antenne sowohl für den Mobilfunk als auch für GPS zu nutzen. Das neue Modul kombiniert einen LNA und einen dämpfungsarmen SAW Extractor für GPS und GLONASS (1575 MHz bis 1605 MHz) in einem kompakten Gehäuse von 2,5 × 2,5 × 0,8 mm³. Dank der verbesserten integrierten Anpassschaltung und der höheren Linearität werden keine zusätzlichen, externen Bauelemente benötigt.

Das Frontend-Modul R157 für GPS/GLONASS, das die uneingeschränkte Koexistenz von GPS und GLONASS mit Mobilfunkdiensten und WLAN unterstützt, ist aktuell die modernste GPS-Frontendlösung auf dem Markt. Das Modul kombiniert das beste SAW-Bandpassfilter für GPS, Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung und Linearität sowie einen äußerst rauscharmen LNA mit sehr geringem Stromverbrauch. Dieses Modul misst nur kompakte 2,5 × 2,5 × 0,8 mm³. Das Modul ist durch eine Metallplatte geschützt, die verhindert, dass die GPS-Empfangskette durch unerwünschte Signale gestört wird. Dank dieser Vollschirmung kann das R157 eine optimale Empfindlichkeit des GPS-Empfangspfads gegenüber Signalen mit einer Stärke des thermischen Rauschens bieten.

EPCOS Koexistenzprodukte

Fall 1 mit spezieller WLAN-Antenne

Lösung

EPCOS BAW-Filter LS70 für BT/WLAN

Leistungsmerkmale

  • Größte Leistung und kleinste Abmessungen seiner Klasse
  • BAW-Technologie der zweiten Generation (BAW2) mit verbessertem Gütefaktor
  • Herausragende Einfügedämpfung und hohe Außerband-Trennschärfe
  • Miniaturisiertes CSSP®-Gehäuse beim 1109 von 1,1 × 0,9 × 0,4 mm³

Fall 2 mit gemeinsamer GPS/Diversity-Antenne

Lösung

EPCOS Frontend-Modul R159 für GPS/GLONASS

Leistungsmerkmale

  • Hochlinearer SAW-Extractor für GPS und GLONASS
  • Rauscharmer LNA mit niedrigem Speisestrom
  • Integrierte Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung und Linearität
  • Kompaktes Gehäuse von 2,5 × 2,5 × 0,8 mm³

Fall 2 und 3 mit spezieller GPS-Antenne

Lösung

EPCOS Frontend-Modul R157 für GPS/GLONASS/BeiDou

Leistungsmerkmale

  • Hochlineares SAW-Bandpassfilter für GPS
  • Integrierte Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung und Linearität
  • Extrem rauscharmer LNA mit niedrigem Stromverbrauch
  • Kompaktes Gehäuse von 2,5 × 2,5 × 0,8 mm³
  • Vollschirmung

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