System-In-Package-Lösungen von Sendeempfängerschaltungen für drahtlose lokale Netze im 5-GHz-Band: Entwurf und Charakterisierung

Drahtlose Datenübertragung hat in den letzten Jahren in beinahe allen Lebensberei chen Einzug gehalten und ist mittlerweile in vielen Alltagssituationen unentbehrlich geworden. Die weitest verbreitete Art der drahtlosen Datenübertragung ist sicherlich die GSM-Mobilfunktechnologie. Alleine in Deutschland werden 2005 nach Schätzun; gen der deutschen Gesellschaft für Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik rund 19 Mio. Mobiltelefone ver kauft. Das entspricht einem Umsatz von fast 3 Mrd. Euro und damit einer Steigerung von 20 Prozent gegenüber 2004 [ ]. Anfang 2005 besitzen, laut dem statistischen Amt der EU (Eurostat), bereits 78,5 Prozent aller Deutschen ein „Handy“ [ ]. Durch die stetig erweiterten Mobilfunkdienste und Handyfunktionen weisen die Geräte heute ein weit größeres Anwendungsgebiet als nur die Telefonie auf. Multimedia Anwendungen, wie z. B. die mobile Internetnutzung, Photographieren und MMS, ver größern jedoch nicht nur den Nutzen der Geräte in verschiedenen Alltagsbereichen, sondern erhöhen auch den Bedarf an schneller Datenübertragung. GPRS und EDGE wurden als Erweiterungen des GSM-St'andards eingeführt, um den wachsenden Da tenbedarf decken zu können. Die Entwicklung von UMTS wurde ebenfalls durch diese Motivation vorangetrieben. Wesentlich höhere Datenraten als GSM, UMTS oder andere drahtlose Übertra g11ngstechniken ermöglicht die WLAN-Technologie. Dieser Vorteil begründet auch hier, trotz der eingeschränkten Mobilität, das starke Wachstum in diesem Marktsegment. Ursprünglich wurde die WLAN-Technologie für die Vernetzung von Rechnern in Bürogebäuden entwickelt. Die Hauptvorteile stellen die wesentlich höhere Flexibilität und die reduzierten Kost7n aufgrund der Einsparung von Kabeln und den dafür notwendigen Verlegesystemen und -arbeiten dar. Nachdem sich die WLAN-Technik in vielen Firmen mittlerweile etabliert hat, wird sie nun auch immer mehr für Privatpersonen interessant. In Bahnhöfen, Flughäfen, Universitäten und anderen zentralen Punkten (z. B. auch in Stadtzentren) werden zahlreiche sogenannte „Hot Spots“ eingerichtet, die einen drahtlosen Internetzugang für jedermann ermöglichen. Zum: Zeitpunkt dieser Arbeit existieren bereits mehrere Tausend öffentliche Zugangspunkte in Deutschland. Auch an einem einheitlichen Abrechnungsverfahren wird gearbeitet. Schon in den letzten Jahren war der Trend offensichtlich: Der Anteil von verkauften Laptops mit bereits installiertem WLAN-Chipsatz stieg stetig an. Heute ist mit beinahe jedem neuen Laptop der Zugang zu einem WLAN möglich. Laut einer Marktanalyse von iSuppli soll der Bedarf an Geräten mit eingebautem WLAN nach IEEE-Standard 802.11 bis zum Jahr 2008 auf 176,8 Mio. Stück pro Jahr ansteigen. 2003 waren es nur 14,2 Mio. Stück. Dennoch wurde bereits 2003 mit dem Verkauf von WLAN-Chipsätzen ein weltweiter Umsatz von 760 Mio. $ erwirtschaftet [:"). Die heute verbreiteten WLAN-Systeme nach dem IEEE802. llb-Standard arbeiten im 2-GHz-Band. Ursprünglich waren diese Systeme für Datenraten von 11 Mbit/saus gelegt worden. Um den steigenden Datenbedarf zu decken, sind jedoch Erweiterungen implementiert worden, die Datenübertragungen mit bis zu 54 Mbit/s ermöglichen. Parallel zu den Bestrebungen, die Übertragungsraten im 2-GHz-Band zu steigern, werden auch zahlreiche Entwicklungen an 5-GHz-Band-Systemen nach dem IEEE-802.1la-Standard bzw. dem HIPERLAN/2-Standard durchgeführt. Auch diese Systeme realisieren Datenraten von 54 Mbit/sund werden bei der Bewältigung des steigen den Datenbedarfs helfen. Weitere Systeme mit noch höheren Datenraten sind bereits angedacht, jedoch noch nicht standardisiert. Vor dem eben beschriebenen Hintergrund des wachsenden WLAN-Bedarfs stellt sich die Aufgabe einer möglichst günstigen Entwicklung und Herstellung von hochwertigen WLAN-Systemen. Ein viel versprechender Ansatz dazu basiert auf der sogenannten SiP-Technologie, bei der mehrere Chips in ein Modul integriert werden können. Ein Hauptvorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, Chips aus unterschiedlichen Herstellungsprozessen verwenden zu können. Diese Flexibilität zusammen mit der möglichen Nutzung von externer passiven Bauelementen hoher Güte und der Vermeidung VQ: f). Kopplungen zwischen einzelnen Blöcken, eröffnet neue Möglichkeiten für hochwertige' WLAN-Systeme. Durch das hohe Potential der SiP-Technologie motiviert, ist es Ziel dieser Arbeit, die durch diese Technik gebotenen Möglichkeiten für die einzelnen Teilschaltungen optimal auszunutzen und die dazu notwendigen Entwurfsmethoden zu entwickeln, sowie Besonderheiten beim SiP-Entwurf aufzuzeigen.
Die vorliegende Arbeit ist wie folgt aufgebaut:

Nach einer kurzen Vorstellung der Standards für drahtlose Datenübertragung und deren Funktionsweisen in den ersten beiden Kapiteln, werden im 3. Abschnitt „Systemintegratio“ mögliche Aufbau- und Gehäusetechniken, sowie die SiP-Technologie beschrieben. Der Aufbau einer WLAN-Sendeempfängerschaltung wird anhand der möglichen Architektur-Varianten, speziell unter Berücksichtigung des SiP-Ansatzes, im 4. Kapitel erläutert. Anschließend wird in den folgenden Kapiteln der besondere Entwurfsablauf mit den Schlüsselfaktoren des SiP-Entwurfs präsentiert. Zunächst wird dabei der VCO auf Schaltungsebene betrachtet, da die SiP-Aspekte bei diesem Entwurf und den Messun gen besonders deutlich zur Geltung kommen. Anschließend wird auf den Synthesizer eingegangen. Zuletzt werden die Entwürfe und Messungen der signalführenden Teilschaltungen RF-Auf- und Abwärtsmischer, IQ-Aufwärtsmischer und LNA vorgestellt.