CN100546182C - 双工器以及用于隔离rx频带和tx频带的方法 - Google Patents

双工器以及用于隔离rx频带和tx频带的方法 Download PDF

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Abstract

其具有下述两个带通滤波器(5，6)的双工器(1)具有额外反谐振电路以便阻断传输信号，所述带通滤波器包括薄膜体声波谐振器(FBAR)(8，9，10，11，12，13)。其具有额外谐振电路以便可使所期望的接收信号通过。反谐振电路包括第一FBAR(11)以及并联电感器(14)。谐振电路包括第一FBAR(11)和串联电感器(7)。

Description

双工器以及用于隔离RX频带和TX频带的方法
技术领域
本发明涉及其可进行移动通信或者其他无线标准的电子设备。在该系统中频带分离单元用于分离多个频带。其示例包括双工器、三工器、以及多工器。该频带分离单元用于分离各种发送频带、或者各种接收频带、或者多个发送与接收频带。为了更清楚，下面的讨论集中于用于分离接收与发送频带的双工器。然而，这并不是对其做出限定。
背景技术
双工器提供了接收与发送频带之间的必要隔离。为了避免在双工器中将Rx滤波器加载在Tx滤波器上，90°移相器用于将Tx频带中的Rx滤波器的低阻抗转换为高阻抗。因此Rx滤波器用作Tx频带中的开路并且不加载或者影响Tx滤波器的特性。90°移相器是以集中电感器和电容器或者λ/4传输线而实现的。众所周知的实际示例是HPMD-7904和HPMD-7905双工器，在该双工器中90°移相器是以λ/4传输线而实现的。
本发明还适用于在多频带电话中进行接收所使用的前端模块，其中通过过滤来分离不同频带。在这些前端模块中，彼此加载不同Rx滤波器。可考虑不同拓扑结构以避免这样的加载。然而实质上，可考虑到所有滤波器网络。
EP0962999A2涉及无线电通信设备的谐振器结构。在相同处理过程中在相同衬底上制造该无线电通信设备的至少一个谐振器结构以及一个开关结构。当利用桥式体声波(BAW)谐振器以及微机械开关时，与用于创建桥结构相同的处理步骤可用于创建微机械开关结构。将开关结构与谐振器集成在相同衬底上可制造多系统移动通信装置所需的非常小型的滤波器以及谐振器结构。根据EP0962999A2，可将BAW谐振器集成在有源电路通常所使用的诸如硅和砷化镓表面这样的衬底上，其中开关是通过其使用例如MESFET晶体管的晶体管结构而实现的。
US专利6,262,637B1公开了一种基于FBAR的双工器，该双工器包括第一端口、第二端口、第三端口、连接在第一端口与第三端口之间的第一带通滤波器、以及连接在第二端口与第三端口之间的串联排列。第一带通滤波器包括其具有并联元件和串联元件的梯形电路。第一梯形电路的每个元件包括薄膜体声波谐振器(FBAR)。串联排列包括与第二带通滤波器相串联的90°移相器。第二带通滤波器包括其具有并联元件和串联元件的梯形电路。第二梯形电路的每个元件包括薄膜体声波谐振器(FBAR)。其包括有并联元件及串列元件的带通滤波器形成了一梯形电路，其中串联元件与并联元件相连，并且每个元件包括薄膜体声波谐振器(FBAR)。90°移相器是由集中电感器和电容器或者λ/4传输线组成的。使用下述集成FBAR区域以作为发送FBAR区域和接收FBAR区域这可制造出非常小的双工器实施例，所述FBAR区域包括有在共用压电层上所制造的多个互连FBARs。
已知设备的主要缺点是元件的尺寸必须适合于对滤波器上的体声波谐振器进行调谐。通常，λ/4传输线用作90°移相器。这些带状线具有非常大的尺寸，其位置尤其是严重的限制了滤波器和双工器的总尺寸，并且使λ/4传输与其余电路电磁耦合，这显著的促使了阻带特性。
发明内容
因此，为了满足继续小型化的要求，本发明的一个目的就是提供了一种其具有小频带分离单元的电子设备，该电子设备可耐得住大功率级别并且具有十分陡峭的滤波器特性曲线以产生狭窄的阻带。本发明的另一个目的就是提供了一种用于分离Rx频带与Tx频带的方法。
本发明提供了一种其包括有频带分离单元的电子设备，该频带分离单元具有第一端口、第二端口、以及天线端口。在这里第一带通滤波器与第一端口和天线端口相连。串联排列与第二端口和天线端口相连。该串联排列包括第二带通滤波器，该第二带通滤波器包括其具有并联及串联元件的梯形电路，其中串联元件的至少第一元件包括薄膜体声波谐振器(FBAR)。在这里本发明设备的特征在于第二带通滤波器的第一元件具有并联电感器，并且特征在于串联排列包括位于天线端口与第二带通滤波器之间的频率调谐元件。
在本发明中使用第二频带中的一元件以阻断第一频带。提供了一频率调谐元件以在所期望的频谱断开第二频带。在这里第一频带为大家所熟知以指通过第一带通滤波器而在天线端口与第一端口之间的连接。在这里第二频带为大家所熟知以指天线端口与第二端口之间的串联排列。该元件是体声波滤波器和并联电感器的组合模块的。这将进一步说明。
普通的体声波谐振器兼备谐振及反谐振频率。谐振器的谐振是其最小阻抗的频率并且其反谐振是其最大阻抗的频率。本发明双工器的并联电感器与其体声谐振器的静态电容一起形成了第一频带中的类额外反谐振电路，也就是形成了位于第一端口与天线之间的频带。因此其形成了并联的LC网络。最好是将额外的反谐振电路调谐到与第一频带的中心频率相对应并且因此用作开路以便阻断该频带。
本发明的发明配置的结果是，不必使用位于第二带通滤波器与天线端口之间的诸如λ/4传输线这样的移相器。频率调谐元件是足够的。
在优选实施例中，频率调谐元件是串联电感器。串联电感器与第二带通滤波器的第一元件的静态电容一起形成了第二频带中的谐振电路。最好是将谐振电路调谐到与第二频带的中心频率相对应。串联电感器将第二频带的谐振频率添加到体声波谐振器上以便可使所期望的第二频带通过。该谐振频率还包含在第一频带之中。通常，最好是串联电感器。然而，由于较高的频率，精选的互连具有相同功能。或者，尤其是对于其具有多于两个频带的频带分离单元而言，可使用诸如高通滤波器或者低通滤波器这样的其他滤波器以代替串联电感器。
在又一实施例中，频带分离单元是双工器，其中第一端口是发送端口并且第二端口是接收端口。其结果是双工器很小并且不具有λ/4传输线与其余电路电磁耦合这样的缺点。除此之外，还可对仅仅相距很小防护频带的频带进行分离。其重要示例是USPCS CDMA 1900MHz系统，该系统的发送频带从1850-1910MHz并且接收频带从1930-1990MHz。
在另一实施例中，频带分离单元是三工器并且该设备进一步具有位于天线端口(4)与第三端口之间的第三带通滤波器，该第三带通滤波器包括其具有并联及串联元件的梯形电路，其中串联元件的至少第一元件包括薄膜体声波谐振器(FBAR)并且具有并联电感器，并且其中进一步频率调谐元件位于天线端口(4)与第三带通滤波器之间。实验示出了本发明的装置也可成功的应用于三工器上。该三工器例如用于对GSM标准系统之内的三个频带进行分离。在这里存在与尺寸及功能有关的相同限制。
第一和第二带通滤波器最好是包括其具有并联及串联元件的梯形滤波器。为了将其集成在一个频带分离单元中，对于所有并联及串联元件而言最好是使用薄膜体声波谐振器。然而未必，并且或者可应用不连续的体声波谐振器或者不连续的声表面波谐振器。使用BAWs作为调制器以用于较小的且日益复杂的手提式部件中的放大和调相系统，并且其显示出了大功率级别的很好容差度。希望支持多个不同标准和远程通信系统需要多组滤波器及其他射频(RF)部件。表面声波(SAW)谐振器尺寸很小，但是不能耐得住与BAW相同得大功率级别。除此之外，其使用BAW谐振器的频率范围使较高频率过高延伸(10-100GHz以代替2-3GHz)。
然而本发明还可适用于格形滤波器。在这种情况下，第二带通滤波器的梯形电路包括第一元件、其并联电感器、以及一个并联元件。此后将格形滤波器提供于位于梯形电路与第二端口之间的串联排列中。
最好是体声波谐振器是根据硅技术而制造的。将这些硅片(对于双工器而言是2片，对于多频带电话而言是3片)装配在衬底垫片上，其中它们是导线连接的或者是倒装法。这通常例如是诸如FR4这样的低廉技术或者诸如LTCC(低温共烧陶瓷)这样的其他任何多层层压技术。将电感器集成在衬底垫片上。
这对于集成在体声波谐振器中的并联电感器也是可行的。
有利的是衬底垫片进一步包括电气元件，并且尤其是它构成了其包括有至少一个放大器的前端模块。可以将前端模块作为完整的组成模块销售给电话厂商，并且还可销售给这样的顾客，该顾客不具有RF知识但是仍然希望将RF功能集成在诸如汽车这样的设备中。通常这种前端模块包括功率放大器和/或低噪声放大器以及一个或多个阻抗匹配网络。通过进一步优选，可提出更多功率放大器和低噪声放大器，例如对于每个频带而言有一放大器。进一步，天线和收发器IC以及电压可控振荡器可以是其一部分。
本发明的双工器例如可用在USPCS CDMA 1900MHz系统中、2G，2.5G，或者3G系统中、或者其包括有例如W局域网或者蓝牙频带的多频带电话中。
本发明还提出了如权利要求7所述的方法。其使用码分多址(CDMA)的个人通信系统(PCS)的设备在大约1,900MHz这样的频带下操作。位于分配给发送信号和接收信号的频谱部分之间的防护频带仅仅共达载波频率的大约1％，也就是说20MHz。分配给发送信号和接收信号的频谱部分的带宽共达载波频率的大约3％，也就是说60MHz。这是指Rx频带和Tx频带的中心频率高于和低于载波频率。
附图说明
参考下文所描述的实施例，可显而易见的得知并且阐明本发明的这些及其他方面，其中
图1给出了本发明双工器的方框图，
图2给出了该双工器串联排列的阻抗的曲线图。
具体实施方式
图1给出了本发明的双工器1，该双工器1包括发送端口2、接收端口3、天线端口4、与发送端口2和天线端口4相连的第一带通滤波器5、以及与接收端口3和天线端口4相连的串联排列，其中串联排列包括第二带通滤波器6以及串联电感器7。发送端口2与发送设备(未给出)的输出相连，接收端口3与接收设备(来给出)的输出相连，并且天线端口4与天线(未给出)相连。发送/接收设备以及天线是诸如便携式电话这样的通信装置或者其使用具有两个滤波器的双工器的其他任何装置的一部分。其包括有第一梯形电路的第一带通滤波器5具有并联元件10以及串联元件8，9，其包括有第二梯形电路的第二带通滤波器6也具有并联元件重3以及串联元件12，其中第一和第二带通滤波器5，6的元件8，9、10，11、12、以及13包括薄膜体声波谐振器(FBAR)。与串联电感器7相连的第二梯形电路谐振器11具有并联电感器14。反谐振电路是由第二带通滤波器6的第一FBAR 11构成的，并且其形成了Tx频带中的Rx滤波器的开路。因此，实际上，开路可使Tx滤波器不检查Tx频带中的Rx滤波器。支路中所需的元件数目是所相关联设计的。优选3-5个支路。
图2给出了其与接收端口3和天线端口4相连的双工器串联排列的带通滤波器6的阻抗百分比曲线图。与第一谐振器11及电感器14有关的曲线图线程是：容抗-高阻抗(Tx频带中的准额外反谐振)-低阻抗(Rx频带中的串联谐振频率)-高阻抗(反谐振频率阻带Rx)-容抗。该曲线图给出了三个特征点：
1.发送频带中心频率fTx处的大约100％的第一峰值A，即阻带；
2.接收频带中心频率FRx处的大约0％的第一最小值B，即其通频带还是谐振器11的串联谐振频率；
3.谐振器11的并联谐振频率处的大约100％的第二峰值C。
当将带通滤波器6的串联排列调谐到与发送频带的中心频率fTx相对应时，即当双工器串联排列用作开路时，可实现最大阻抗A。峰值A主要得自于谐振器11以及并联电感器14的电容。必须仔细选择电感器14的值以便确保开路出现于发送频带的中心频率fTx。
当将谐振电路调谐到与接收频带的中心频率frx相对应时，可实现最小阻抗B。最小阻抗B得自于谐振器11特性曲线并且其是串联谐振的频率。第二最大阻抗C得自于谐振器11特性曲线并且其是并联谐振的频率fp。
串联电感器7影响并且可改善滤波器的滑离(roll-off)。
将本发明概述为一频带分离单元，最好是这样的双工器1，该双工器1包括其是由薄膜体声波谐振器(FBAR)8，9、10，11、12，13与额外反谐振电路所组成的两个通频带滤波器5，6以便阻断传输信号。它具有额外谐振电路以便可使所期望的接收信号通过。反谐振电路包括第一FBAR 11以及并联电感器14。谐振电路最好是包括第一FBAR 11以及串联电感器7。

Claims (8)

1.一种包括有频带分离单元(1)的电子设备，该频带分离单元(1)包括与发送设备的输出连接的第一端口(2)、与接收设备的输入连接的第二端口(3)、以及与天线连接的天线端口(4)，并且第一带通滤波器(5)的输入与第一端口(2)相连且其输出与天线端口(4)相连，该第一带通滤波器包括具有并联和串联薄膜体声波FBAR元件(8，9，10)的梯形电路，第二带通滤波器(6)的输入耦合到天线端口且其输出与第二端口相连，该第二带通滤波器包括其具有并联(13)及串联FBAR元件(11，12)的梯形电路，其特征在于：
在天线端口与第二带通滤波器的输入之间连接有可调谐串联电感器(7)，
第一FBAR元件(11)的一端与第二带通滤波器的输入相连，
并联电感器(14)与第一FBAR元件(11)并连，该并联电感器与第一FBAR元件的静态电容一起形成了第一带通滤波器通过的发送频带中的反谐振电路，以及
可调谐串联电感器与第一FBAR元件的静态电容形成了第二带通滤波器的接收频带中的谐振电路。
2.如权利要求1所述的电子设备(1)，其特征在于将反谐振电路调谐到与发送频带的中心频率(fTx)相对应。
3.如权利要求1所述的电子设备(1)，其特征在于将谐振电路调谐到与接收频带的中心频率(fRx)相对应。
4.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于该设备进一步具有耦合在天线端口(4)与第三端口之间的第三带通滤波器，该第三带通滤波器包括其具有并联及串联FBAR元件的梯形电路，其中
在天线端口(4)与第三带通滤波器的输入之间连接有第二可调谐串联电感器，
另一第一FBAR元件的一端与第三带通滤波器的输入相连，
另一并联电感器(14)与所述另一第一FBAR元件并连，该另一并联电感器与所述另一第一FBAR元件的静态电容一起形成了第一带通滤波器通过的发送频带中的反谐振电路，以及
第二可调谐串联电感器与所述另一第一FBAR元件的静态电容形成了第三带通滤波器的接收频带中的谐振电路。
5.如权利要求1所述的电子设备(1)，其特征在于将可调谐串联电感器和并联电感器(7，14)集成在下述衬底垫片上，在所述衬底垫片上还装配有FBAR元件的硅片。
6.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于将并联电感器(14)集成在FBAR元件中。
7.如上述权利要求1至6中任一项所述的电子设备用在USPCSCDMA 1900MHz系统中、2G，2.5G，或者3G系统中、或者多频带电话中。
8.一种用于对下述双工器中的接收频带与发送频带进行隔离的方法，所述双工器具有频带分离单元，该频带分离单元包括与发送设备的输出连接的第一端口(2)、与接收设备的输入连接的第二端口(3)、以及与天线连接的天线端口(4)，并且第一带通滤波器(5)的输入与第一端口(2)相连且其输出与天线端口(4)相连，其中第一带通滤波器(5)包括其具有并联(10)及串联薄膜体声波FBAR元件(8，9)的第一梯形电路，第二带通滤波器(6)的输入耦合到天线端口且其输出与第二端口相连，该第二带通滤波器(6)包括其具有并联(13)及串联(11，12)FBAR元件的第二梯形电路，该方法的特征在于：
设置与第一FBAR元件(11)并连的并联电感器(14)，其中所述第一FBAR元件(11)的一端与第二带通滤波器的输入相连，该并联电感器与第一FBAR元件的静态电容一起形成了第一带通滤波器通过的发送频带中的反谐振电路，并调谐该反谐振电路以具有与发送频带的中心频率fTx相对应的反谐振频率，
在天线端口与第二带通滤波器的输入之间连接可调谐串联电感器(7)，该可调谐串联电感器与第一FBAR元件的静态电容形成了第二带通滤波器的接收频带中的谐振电路，并调谐该谐振电路以具有与接收频带的中心频率fRx相对应的频率。
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