CN102340289A - 一种可用于rfid 2.4g的新型ltcc双工器 - Google Patents
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Abstract
一种应用于RFID 2.4G上下行频段并用LTCC技术实现的双工器。本发明包括：采用集总元件设计的与公共端口相连接的上行带通滤波器；采用集总元件设计的与公共端口相连接的下行带通滤波器。上行带通滤波器过滤掉高于其上截止频率的高频部分，并在上行带通滤波器内引入串联谐振器，产生RFID 2.4G下行通带的传输零点，从而改善下行频段的抑制性能；下行带通滤波器过滤掉低于其下截止频率的低频部分，并在下行带通滤波器内引入串联谐振器，产生RFID 2.4G上行通带的传输零点，改善上行频段的抑制性能，从而可以保证上下行频带内信号互不影响，改善了性能，简化了设计。
Description
技术领域
本产品涉及一种用于通信领域集总元件的双工器，特别是涉及一种采用多层LTCC技术进行加工的集总元件双工器。
背景技术
随着移动通信系统的不断发展和日益完善，对移动通信设备的要求也越来越高，不断的推动着移动电话系统向小型化、多模化(能同时兼容GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/RFID 2.4G)以及高性能化方向发展，从而推动着双工器向低成本、小型化、高频段的方向发展。
在RFID 2.4G通信系统中，无线信号的接收和发送都需要通过天线。如果给收信机和发信机各配给一个天线，不但增加了成本、体积，而且天线传递信号之间还会相互干扰。所以希望收发公用一副天线，这就需要用到双工技术。简单地说，双工器是一种集成滤波器的代表性部件，双工器用作许可在通信系统中有效地共享相同天线，这通过正确地分离经由天线接收和发送的信号使用频分双工(FDD)来实现。双工器具有三个端口，其作用是将工作于不同频段的信号分离开来，并将信号送入相应的连接端口中。而LTCC技术可将电阻、电感、电容埋在LTCC中，形成三维结构的双工器。这样可以大幅度缩小模块的体积，同时这种材料具有高可靠性，也就带来了设计上的灵活性。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利2292330Y提出了一种能够抑制分别沿高频带通滤波器侧及低频带通滤波器侧传送的多个频带信号损失的双工器原型，从其电路原型可以看出，专利中引入了的电路元件为微带线和分立元件，这样造成了元件尺寸过大，从而不利于双工器的小型化；中国专利101018070A提出了一种利用带通滤波器实现的双工器原型，从随后给出的仿真结果可以看出，虽然双工器可以达到高隔离的要求，但是插入损耗相对比较大，而且工艺复杂，制造成本较高，这就造成这种电路原型在实际中无法真正得到广泛的应用，只能提供一种理论上的参考；此外，美国专利案0058063使用许多接地板以分隔电路元件，虽然这样做有效的阻隔了电路元件之间的互耦以及寄生效应，但是另 一方面也加大了电路板面积，这对于小型化要求来说是无疑是无法达到要求的。
检索中还发现，A.Bruno Frazier等1995年在IEEE transactions on industrial electronics第42卷中发表的小型化技术：过去，现在，和未来(The Miniaturization Technologies：Past，Present，and Future)，论文很好的讲述了LTCC技术在小型化设备方面所具有的得天独厚的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于RFID 2.4G的小型化集总元件设计的双工器，并解决现有技术中存在的不足。本发明提出了一种独一无二结构的三维双工器装置，采用的谐振器结构可以在相对应的滤波器通带内产生传输零点，从而可以保证上下行频带内信号互不影响，而其传输零点的引入减少了元件，改善了性能，简化了设计；双工器采用LTCC技术实现，从而使双工器的三维设计更加灵活，结构更加紧凑，也易于与其射频前端模块相集成。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括上行带通滤波器和下行带通滤波器，所述的下行带通滤波器与上行带通滤波器相连接形成公共的天线端接口，下行带通滤波器与上行带通滤波器均采用集总元件，以实现双工器小型化低损耗的性能。
所述上行带通滤波器元件的水平配置平面与接地平面相平行，且三个谐振器并列排列，谐振器本身元件成一垂直方向搭建于接地平面上方，并将各层之间以及元件本身用金属过孔互连起来。其中串联谐振器(8)(9)的电感元件配置在6-7层，电容元件配置在1-3层；串联谐振器(10)的电感元件配置在7层，电容元件配置在6层，通过金属过孔与电感互连。
所述下行带通滤波器元件与上行带通滤波器关于天线端口镜像对称，谐振器本身元件成一垂直方向搭建于接地平面上方，并将各层之间以及元件本身用金属过孔互连起。其中串联谐振器(11)(12)的电感元件配置在6-7层，电容元件配置在1-3层；串联谐振器(13)的电感元件配置在7层，电容元件配置在6层，通过金属过孔与电感互连。。
所述双工器的三个端口用以将该装置连接与天线及射频处理电路，天线所接受的混合信号输入至该双工器的中，上行带通滤波器将过滤掉高于其上截止频率的高频部分，并在下行带通滤波器通带内形成传输零点，以抑制高频信号；同样， 下行带通滤波器中也会过滤掉低于其下截止频率的低频成分，并在上行带通滤波器通带内形成传输零点以抑制低频信号改善性能。
本发明好现有发明相比较：现有的采用集总元件实现的双工器，有些为了达到性能要求而采用了较多的元件，但是这样的实现也只是给了理论的实现结果，而未给出具体加工结果，事实上，这种多元件的双工器在具体实现起来是比较困难，所以这样的模型无法得到具体应用；或者是给出了集总模型，同时给出了实现过程，而且元件数量比较少，但是，这种双工器在具体实现时的性能表现一般，也就限制了其应用；又或者是为了达到降低元件之间的干扰而增加许多接地饭，这样做虽然改善了性能，但同时也增加了面积，从而制约了其小型化方面的发展。本发明的优势在于首先在应用于RFID 2.4G上下行的频段内引入了传输零点，用较少的元件实现了较好的双工器性能；同时采用多层LTCC技术，使双工器可以在三维空间内灵活配置，从而使结构更加紧凑，达到实现小型化的目的；本发明的配置可在电路运作中大幅降低寄生电容效应，并且使寄生电容部分加诸于所配置电容器中，加入寄生电容部分的电容器的量值仍等于原始所设计的量值。
附图说明
图1是本发明的双工器集总原型电路
图2是本发明的按双工器集总原型设计的Layout图
图3是本发明上行带通滤波器Layout图
图4-8是本发明上行带通滤波器各元件的Layout图
图9是本发明下行带通滤波器Layout图
图10-14是本发明下行带通滤波器各元件的Layout图
图15是本发明上行带通滤波器与下行带通滤波器的典型频率响应
图16是本发明的传输特性曲线示意图并与实测结果进行比较
图17是本发明的隔离特性曲线示意图并与实测结果进行比较
图18是本发明的回波损耗特性曲线示意图并与实测结果进行比较
其中：1-公共端口，2-下行带通滤波器输入端口，3-上行带通滤波器输入端口，14-上行带通滤波器电路原型，8-上行带通滤波器中的串联谐振器，8a-电感元件，8b-电容元件，9-上行带通滤波器中的串联谐振器，9a-电感元件，9b-电容元件，10-上行带通滤波器中的串联谐振器，10a-电感元件，10b-电容元件，4、 5-电容元件，15-下行带通滤波器电路原型，11-下行带通滤波器中的串联谐振器，11a-电感元件，11b-电容元件，12-下行带通滤波器中的串联谐振器，12a-电感元件，12b-电容元件，13-下行带通滤波器中的串联谐振器，13a-电感元件，13b-电容元件，6、7-电容元件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，图1为本实例的集总元件双工器原型示意图。双工器包含上行带通滤波器14以及下行带通滤波器15，两滤波器均连接于公共端口1，以使输入的混合信号的高频成份与低频成份分开。上行带通滤波器14连接于公共端口1与上行频段输出端口3之间，其包含两个串联的等值电容元件(4)和(5)、两个串联谐振器(8)、(9)和一个串联谐振器(10)。串联谐振器(8)、(9)结构和内部元件完全相同，关于谐振器(10)镜像对称，(8)、(9)谐振在上行带通滤波器中心频率处，串联谐振器(10)谐振在RFID 2.4G下行通带的中心频率点，产生RFID 2.4G下行通带的传输零点，从而改善下行频段的抑制性能。。下行带通滤波器(15)，与上行带通滤波器结构完全相同，包括两个串联的等值电容元件(6)和(7)、两个串联的等值电容元件(11b)和(12b)，两个串联的等值电感元件(11a)和(12a)以及一个串联谐振器(13)。串联谐振器(11)、(12)谐振在下行带通滤波器的中心频率处，串联谐振器(13)谐振在RFID 2.4G上行通带的中心频率点，产生RFID 2.4G上行通带的传输零点，从而改善上行频段的抑制性能。
实例1：
图2所示是本实例根据图1所做的双工器Layout的结构示意图。其实例化的具体参数为：所用LTCC材料的相对介电常数为5.9，共七层介质，每层介质厚度为0.096mm，电介质损耗正切角为0.0015，金属材料为银，每层金属厚度为0.01mm，实现电感的所有线宽为0.15mm，所用方形焊盘宽度为0.235mm，金属化过孔直径为0.185mm，通孔均放置在焊盘的中央。由上行带通滤波器14引出的输出端口3的引线长度为0.570mm，宽度为0.285mm，上行带通滤波器14的电感元件8a、9a采用两层顺时针螺旋方式实现，电容元件8b、9b采用1.29mm*0.90mm 的三层交指面板方式实现，为实现内部交指，第一层除去的矩形块面积为0.36mm*0.23mm，第二层除去的矩形块面积为0.36mm*0.36mm，电容4、5采用0.61mm*0.75mm的双层面板方式实现，电感元件10a采用1层电感方式实现，电容元件10b采用3.10mm*2.41mm的单层面板实现，通过金属过孔与10a互连；由下行带通滤波器15引出的输出端口2的引线长度为0.570mm，宽度为0.285mm，下行带通滤波器15的电感元件11a、12a采用两层顺时针螺旋方式实现，电容元件11b、12b采用1.16mm*0.77mm的三层交指面板方式实现，为实现内部交指，第一层除去的矩形块面积为0.36mm*0.36mm，第二层除去的矩形块面积为0.36mm*0.36mm，电容6、7采用0.70mm*0.56mm双层面板方式实现，电感元件13a采用1层电感方式实现，电容元件13b采用3.63mm*2.55mm的单层面板实现，通过金属过孔与10a互连；上行带通滤波器14与下行带通滤波器15之间端接的公共天线端口1距低频输出端3的水平距离为4.85mm，距高频输出端2的水平距离为4.98mm。
图15是图1中集总原型的上行带通滤波器与下行带通滤波器的典型频率响应图，由图中可以看到传输零点与传输极点对传输性能的改善。
图16是图1与图2中的插入损耗进行比较的结果，从中可以看出，两个结果吻合的相当好。
图17是图1与图2中的隔离特性进行比较的结果，从中可以看出，两个结果亦吻合的相当好。
图18是图1与图2中的回波损耗特性进行比较的结果，从中可以看出，两个结果亦吻合的相当好。
根据测试结果可以看出，本实例的双工器不仅做到了小型化，具有较好的传输特性和隔离特性，而其容易集成到其它射频前端电路中。此外该双工器结构比较简单，所以加工比较容易，成本较低。
Claims (15)
1.一种使用集总元件方式并采用低温共烧陶瓷工艺(LTCC)实现的双工器，该双工器包括：上行带通滤波器(14)，下行带通滤波器(15)，并均连接到公共端口(1)。
2.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述上行带通滤波器(14)采用对称结构：包括两个串联的等值电容元件(4)和(5)、两个结构与内部元件完全相同的串联谐振器(8)、(9)和一个串联谐振器(10)。其中，所述等值电容元件(4)串联在端口(1)和串联谐振器(8)之间；元件(5)串联在端口(3)和串联谐振器(9)之间；所述串联谐振器(10)串联在串联谐振器(8)和串联谐振器(9)之间。
3.根据权利要求2所述双工器，其特征在于，所述串联谐振器(8)、(9)谐振在上行带通滤波器中心频率，串联谐振器(10)谐振在RFID 2.4G下行通带的中心频率点，产生RFID 2.4G下行通带的传输零点，从而改善高端的抑制性能。
4.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述下行带通滤波器(15)，采用对称结构：包括两个串联的等值电容元件(6)和(7)、两个结构与内部元件完全相同的串联谐振器(11)、(12)和一个串联谐振器(13)。其中，所述等值电容元件(6)串联在端口(1)和串联谐振器(11)之间；元件(13)串联在端口(2)和串联谐振器(12)之间；所述串联谐振器(13)串联在串联谐振器(11)和串联谐振器(12)之间。
5.根据权利要求4所述双工器，其特征在于，所述串联谐振器(11)、(12)谐振在下行带通滤波器的中心频率处，串联谐振器(13)谐振在RFID 2.4G上行通带的中心频率点，产生RFID 2.4G上行通带的传输零点，从而改善低端的抑制性能。
6.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述双工器使用多层LTCC技术实现，元件均采用集总方式实现，并配置在不同LTCC层。
7.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述上行带通滤波器(14)与下行带通滤波器(15)在LTCC中并列排列。所有元器件以及各层之间均采用金属过孔互连，连接处设置焊盘。
8.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述上行带通滤波器(14)的串联谐振器(8)的电感(8a)配置在6-7层，电容(8b)配置在1-3层并与地面相接；串联谐振器(9)的电感(9a)配置在6-7层，电容(9b)配置在1-3层并与地面相接；串联谐振器(10)的电感元件(10a)配置在7层，电容元件(10b)配置在1层并通过金属过孔与电感(10a)互连。
9.根据权利要求8所述双工器，其特征在于，所述电感(8a)与电感(9a)相连的端口与电容(5)相连，电容(5)与端口(3)相连。端口(3)配置在第4层，电容(4)与公共端口(1)相连接，公共端口配置在第4层。
10.根据权利要求1所述双工器，根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述下行带通滤波器(15)的串联谐振器(11)的电感(11a)配置在6-7层，电容(11b)配置在1-3层并与地面相接；串联谐振器(12)的电感(12a)配置在6-7层，电容(12b)配置在1-3层并与地面相接；串联谐振器(13)的电感元件配置在7层，电容元件(13b)配置在1层并通过金属过孔与电感(13a)互连。
11.根据权利要求10所述双工器，其特征在于，所述电感(11a)与电感(12a)相连的端口与电容(7)相连，电容(7)与端口(2)相连。端口(2)配置在第4层，电容(6)与公共端口(1)相连接，公共端口配置在第4层。
12.根据权利要求1所述集总元件双工器，其特征在于，所述电感有的为单层电感如(10a)、(13a)；有的为双层螺旋电感方式实现如(8a)、(9a)、(11a)、(12a)。
13.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述电容有的采用单层电容方式如(10b)、(13b)；有的采用双层电容方式如(4)、(5)、(6)、(7)；有的采用三层交指电容方式实现如(8b)(9b)(11b)(12b)。
14.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述双工器接地平面成为集总元件双工器的第0层。
15.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述双工器是适用于RFID2.4G通信系统的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Shanghai Jiaotai Information Technology Co., Ltd. Document name: Notification of before Expiration of Request of Examination as to Substance |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Shanghai Jiaotai Information Technology Co., Ltd. Document name: Notification that Application Deemed to be Withdrawn |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120201 |