CN103888095B - 双工器和多工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双工器，包括公共输入端、第一输出端和第二输出端，还包括连接在公共输入端与第一输出端之间的低通滤波器和连接在公共输入端与第二输出端之间的带通滤波器，带通滤波器包括依次连接在公共输入端与第二输出端之间的第一电容、第二电容和第三电容；第一电容和第二电容的公共端连接第一谐振器，第二电容和第三电容的公共端连接第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器均通过第一电感接地；其中，第一谐振器包括并联的第四电容和第一带状线；第二谐振器包括并联的第五电容和第二带状线。还公开一种多工器。上述双工器和多工器可有效减少器件的数量，减小双工器或多工器的整体高度，实现小型化。同时，使得在复杂的电磁环境下更容易保证信号的完整性。

Description

双工器和多工器

技术领域

本发明涉及射频电路，特别是涉及一种双工器和一种多工器。

背景技术

随着手机、平板电脑等便携式消费类电子产品的功能越来越强大，体积也朝着小型化、薄型化、轻量化方向发展，要求各种电子元器件器件不但体积要小，集成度要更高。

一个手机或者平板电脑等便携电子产品，不但要完成最基本的通话功能，而且还应该兼备有GPS、蓝牙、wifi、FM(收音机)等功能。移动通信电子元器件不断向小型化、多模化(能同时兼容GSM900/DCS1800、PCS、3G系统、wifi、蓝牙、GPS等)以及高性能化方向发展。为了在实现众多的无线通信功能，这就对于射频前端模块提出了更高的要求。不仅要求体积很小，而且性能要更加优异。

双工器的主要应用，是在射频电路中分离天线接收的两个频段信号。不仅要求各自频段内的信号能够低损耗通过，而且要防止两个信号间的相互干扰，反过来亦可将不同频率的讯号合在一起；依次类推多工器(三工器)，是分离或者合成多个(三个)频段的信号。

在射频前端模块的设计中一般是由通过射频开关与双工器(或多工器)的组合完成分频、通道切换、收发切换等功能；所以，在射频前端模块中双工器(多工器)就显得比较重要。针对低温共烧陶瓷(LTCC)类前端模块，设计好双工器以及多工器，在满足性能指标的情况下，是使得体积更进一步减小的关键之一。

一些文献中提供的多层结构的双工器以及多工器的设计方法，一般是基于LC低通滤波器和高通滤波器电路设计来实现的，如图1a与图2所示，对应频率相对低的信号通道通过低通滤波器抑制频率相对较高的信号，而对于频率相对较高的信号通道通过高通滤波器抑制频率相对低的信号，这样两个通道之间虽然有一定的隔离度，但是在后续电路中可能还需要一些滤波器，如带通滤波器，来达到更好的滤波性能。

有些文献中虽然是采用低通和带通电路的结构，但是其中的带通滤波器是通过高通滤波器后面在串联一个低通滤波器来实现的，如图1b所示，或者是通过微带带通滤波器来实现。这些设计方法，可以方便的设计成片式元器件。但是，如果应用在小体积射频前端模块中时，要求LTCC基板的高度要尽量减小，而基于低通加高通滤波器的设计方式，或者以低通加微带带通滤波器的方式，一般需要较高的高度。而通过改变结构的方式又容易导致性能变坏。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够保证性能的双工器。

此外，还提供一种能够保证性能的多工器。

一种双工器，包括公共输入端、第一输出端和第二输出端，还包括连接在所述公共输入端与第一输出端之间的低通滤波器和连接在所述公共输入端与第二输出端之间的带通滤波器，所述带通滤波器包括依次连接在所述公共输入端与第二输出端之间的第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电容和第二电容的公共端连接第一谐振器，所述第二电容和第三电容的公共端连接第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均通过第一电感接地；其中，所述第一谐振器包括并联的第四电容和第一带状线；所述第二谐振器包括并联的第五电容和第二带状线。

在其中一个实施例中，所述低通滤波器包括依次连接在所述公共输入端与第一输出端之间的第二电感和第三谐振器；所述第二电感和第三谐振器的公共端通过第六电容接地，所述第三谐振器与第一输出端连接的一端通过第七电容接地；所述第三谐振器包括并联的第八电容和第三电感。

在其中一个实施例中，采用低温共烧陶瓷工艺制作，所述双工器包括第一金属地层、第二金属地层以及层叠设于所述第一金属地层和第二金属地层之间的第一至第九介质层；其中，所述第一介质层上印刷制作第六电容的其中一极，所述第六电容的另一极为所述第一金属地层；所述第二介质层至第六介质层依次印刷制作螺旋形的第二电感和第三电感；所述第八介质层和第九介质层上分别印刷制作第八电容的两极；所述第九介质层上还印刷制作第七电容的一极，所述第七电容的另一极为所述第二金属地层；所述第一至第九介质层上的元件相互之间通过设于所述第一至第九介质层上的通孔内填充的金属互连；所述第一金属地层上设有公共输入端的连接点，所述第二金属地层上设有第一输出端和第二输出端的连接点。

在其中一个实施例中，所述第三介质层上还印刷制作所述第一带状线和第二带状线；所述第六介质层上印刷制作所述第一带状线和第二带状线的地层，所述地层与第一金属地层和第二金属地层均电连接；所述第七介质层和第九介质层上印刷制作第四电容的一极，所述第七介质层和第九介质层上还印刷制作第五电容的一极，所述第四电容和第五电容的另一极是所述地层或第二金属地层；所述第八介质层印刷制作所述第一电容、第二电容以及第三电容的一极；所述第一至第九介质层上的元件相互之间通过设于所述第一至第九介质层上的通孔内填充的金属互连；所述第一电感由连接所述第一带状线、第二带状线和第一金属地层并填充于通孔中的金属连线实现。

在其中一个实施例中，所述通孔的直径为0.08～0.12μm，第一电感、第二电感以及第三电感的导线宽为0.08～0.12μm，第一带状线和第二带状线的宽为0.1～0.2μm，第一电容至第八电容的电极的厚度为10～14μm。

在其中一个实施例中，所述第一至第九介质层的介电常数为7.8。

在其中一个实施例中，所述第一至第九介质层的层间距为42μm。

在其中一个实施例中，金属连线采用银。

一种多工器，包括公共输入端、第一输出端和至少两个第二输出端，还包括连接在所述公共输入端与第一输出端之间的低通滤波器、连接在所述公共输入端与第二输出端之间的带通滤波器以及连接在所述公共输入端与第三输出端之间的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器包括依次连接在所述公共输入端与第二输出端之间的第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电容和第二电容的公共端连接第一谐振器，所述第二电容和第三电容的公共端连接第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均通过第一电感接地；其中，所述第一谐振器包括并联的第四电容和第一带状线；所述第二谐振器包括并联的第五电容和第二带状线。

上述双工器和多工器，第一谐振器和第二谐振器形成了带通滤波器的通带，配合三个串联的第一电容、第二电容和第三电容，达到一定的传输系数指标，并且使带通滤波器与低通滤波器相匹配。第一电感的引入在带通滤波器的上下边带形成了两个传输零点，使得带外抑制提高。

上述双工器和多工器通过寄生效应实现某些无源器件的功能，可有效减少器件的数量，减小双工器或多工器的整体高度，实现小型化。同时也不需要裁剪地层，可以保证信号的完整性。

附图说明

图1a为传统的采用低通滤波器与高通滤波器选择信号的双工器电路图；

图1b为传统的采用低通滤波器与带通滤波器选择信号的双工器电路图；

图2为传统的采用低通滤波器与高通滤波器选择信号的三工器电路图；

图3为本发明一实施例的双工器电路原理图；

图4为采用LTCC工艺的双工器的层状结构图；

图5为本发明一实施例的三工器电路原理图；

图6为双工器应用在多模多频前端模块中的示意图；

图7为三工器应用在多模多频前端模块中的示意图；

图8a为图6中的双工器的性能示意图；

图8b为图7中的三工器的性能示意图；

图9a为图6中的双工器的隔离度示意图；

图9b为图7中的三工器的隔离度示意图。

具体实施方式

如图3所示，为一实施例的双工器电路原理图。该双工器10包括公共输入端11、第一输出端12和第二输出端13，还包括连接在所述公共输入端11与第一输出端12之间的低通滤波器14和连接在公共输入端11与第二输出端13之间的带通滤波器15。

带通滤波器15包括依次连接在公共输入端11与第二输出端13之间的第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。第一电容C1和第二电容C2的公共端连接第一谐振器，第二电容C2和第三电容C3的公共端连接第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均通过第一电感L1接地。

其中，所述第一谐振器包括并联的第四电容C4和第一带状线SL1；所述第二谐振器包括并联的第五电容C5和第二带状线SL2。

低通滤波器14包括依次连接在公共输入端11与第一输出端12之间的第二电感L2和第三谐振器；第二电感L2和第三谐振器的公共端通过第六电容C6接地，所述第三谐振器与第一输出端12连接的一端通过第七电容C7接地；所述第三谐振器包括并联的第八电容C8和第三电感L3。

上述双工器，第一谐振器和第二谐振器形成了带通滤波器15的通带，配合三个串联的第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，达到一定的传输系数指标，并且使带通滤波器15与低通滤波器14相匹配。第一电感L1的引入在带通滤波器15的上下边带形成了两个传输零点，使得带外抑制提高。

进一步地，上述双工器采用低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)工艺制作。LTCC是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件(如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通讯用组件。

参考图4，利用LTCC工艺制作的双工器10包括第一金属地层100、第二金属地层110以及层叠设于所述第一金属地层100和第二金属地层110之间的第一至第九介质层101～109。其中，第一介质层101上印刷制作第六电容C6的其中一极，第六电容C6的另一极为第一金属地层100；第二介质层至第六介质层102～106依次印刷制作螺旋形的第二电感L2和第三电感L3；所述第八介质层108和第九介质层109上分别印刷制作第八电容C8的两极；第九介质层109上还印刷制作第七电容C7的一极，所述第七电容C7的另一极为所述第二金属地层110。

第一金属地层100上设有公共输入端11的连接点，第二金属地层110上设有第一输出端12和第二输出端13的连接点。

第三介质层103上还印刷制作所述第一带状线SL1和第二带状线SL2；

第六介质层106上印刷制作所述第一带状线SL1和第二带状线SL2的地层，所述地层与第一金属地层100和第二金属地层110均电连接。

第七介质层107和第九介质层109上印刷制作第四电容C4的一极，第七介质层107和第九介质层109上还印刷制作第五电容C5的一极，所述第四电容C4和第五电容C5的另一极是所述地层或第二金属地层110。

第八介质层108印刷制作相互串联的第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3的一极。

所述第一至第九介质层101～109上的元件相互之间按照图3所示的电路原理图通过设于第一至第九介质层101～109上的通孔内填充的金属互连。

特别说明的是，第一电感L1的数值较小，可由连接所述第一带状线SL1、第二带状线SL2和第一金属地层100并填充于通孔中的金属连线的寄生电感实现，不需要额外的元件。

另一方面，第二电感L2本身的寄生效应也会产生寄生电容C9(参考图3)，从而得到额外的传输零点。

本实施例中，所有通孔的直径为0.08～0.12μm，优选为0.1μm；电感线圈导线宽为0.08～0.12μm，优选为0.1μm；两个带状线宽0.1～0.2μm，优选为0.15μm；所有的金属电极厚度为10～14μm。

第一至第九介质层101～109的介电常数为7.8，层间距为42μm，金属导体采用银。

上述实施例的双工器10充分利用了小体积LTCC多层电路结构的寄生效应，以较简单的电路结构形式，使得带内插入损耗低、带外抑制高，而且体积(高度)减小。

一种多工器，包括公共输入端、第一输出端和至少两个第二输出端。该多工器在上述双工器的基础上，在多出的至少一个第二输出端与公共输入端之间再连接相同结构的带通滤波器。并且也同样可以按照LTCC工艺制作。如图5所示，是一实施例的三工器的电路原理图。其在双工器的基础上增加一路带通滤波器。公共端口1即公共输入端，端口2即第一输出端，端口3和端口4为两个第二输出端。公共端口1与端口3为一路带通滤波器，公共端口1与端口4为一路带通滤波器。

对于一般的高通滤波器结构，如果引入对地的寄生电容；或者对于微带线带通滤波器，如果微带线与地层距离太近，则均有可能使得电路整体的性能变差。所以，传统的双工器或者多工器为了保证性能，并且有效降低双工器或多工器的高度，会通过裁剪电路的地层，来实现减小对地的寄生效应。但是，这样的处理方式，又会带来另外一些问题：在小体积LTCC前端模块中，顶层的电路可能要求“地层”的完整性，以保证信号完整性、电源完整性等方面的指标要求，而裁剪地层很可能对于这些指标有较大的影响。

上述实施例的双工器或多工器，通过寄生效应实现某些无源器件的功能，可有效减少器件的数量，减小双工器或多工器的整体高度，实现小型化。同时也不需要裁剪地层，使得在复杂的电磁环境下更容易保证信号的完整性。

图6与图7，是双工器与三工器应用在GPS/wifi/BT(蓝牙)多模多频前端模块中的示意图。图6中双工器工作在频段：1.575GHz与2.45GHz附近；而三工器是针对频段1.575GHz、2.45GHz以及5.5GHz来设计的。

图6中显示了模块中的双工器的布局，选择介质层厚为42μm，长和宽分别为4mm与3mm则高度可以降低到0.4mm。双工器的性能如图8a所示，隔离度如图9a所示。

如图7所示，在LTCC基板表面表贴一个对应的带通滤波器与基板里面的电路配合就实现了三工器。如前所述，对于本发明的三工器在结构上有两种实现方式：一种是在LTCC基板里面实现，另外一种是，在基板里面实现双工器，而在基板表面表贴三工器的另外一个带通滤波器支路。本实施例采用了第二种方案，这种方案，充分利用了基板表面的剩余空间，以及配合使用高介电常数的LTCC材料使得在不增加基板的体积的情况下，达到了如期的性能。三工器的性能如图8b所示，隔离度如图9b所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种双工器，包括公共输入端、第一输出端和第二输出端，还包括连接在所述公共输入端与第一输出端之间的低通滤波器和连接在所述公共输入端与第二输出端之间的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器包括依次连接在所述公共输入端与第二输出端之间的第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电容和第二电容的公共端连接第一谐振器，所述第二电容和第三电容的公共端连接第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均通过第一电感接地；

其中，所述第一谐振器包括并联的第四电容和第一带状线；所述第二谐振器包括并联的第五电容和第二带状线；

所述双工器采用低温共烧陶瓷工艺制作，所述双工器包括第一金属地层、第二金属地层以及层叠设于所述第一金属地层和第二金属地层之间的第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层、第六介质层、第七介质层、第八介质层、第九介质层；

所述第三介质层上印刷制作所述第一带状线和第二带状线；

所述第六介质层上印刷制作所述第一带状线和第二带状线的地层，所述地层与第一金属地层和第二金属地层均电连接；

所述第七介质层和第九介质层上印刷制作第四电容的一极，所述第七介质层和第九介质层上还印刷制作第五电容的一极，所述第四电容和第五电容的另一极是所述第一带状线和第二带状线的地层或第二金属地层；

所述第八介质层印刷制作所述第一电容、第二电容以及第三电容的一极；

所述第一至第九介质层上的元件相互之间通过设于所述第一至第九介质层上的通孔内填充的金属互连；

所述第一电感由连接所述第一带状线、第二带状线和第一金属地层并填充于通孔中的金属连线实现。

2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述低通滤波器包括依次连接在所述公共输入端与第一输出端之间的第二电感和第三谐振器；所述第二电感和第三谐振器的公共端通过第六电容接地，所述第三谐振器与第一输出端连接的一端通过第七电容接地；所述第三谐振器包括并联的第八电容和第三电感。

3.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于，其中，所述第一介质层上印刷制作第六电容的其中一极，所述第六电容的另一极为所述第一金属地层；所述第二介质层至第六介质层依次印刷制作螺旋形的第二电感和第三电感；所述第八介质层和第九介质层上分别印刷制作第八电容的两极；所述第九介质层上还印刷制作第七电容的一极，所述第七电容的另一极为所述第二金属地层；

所述第一至第九介质层上的元件相互之间通过设于所述第一至第九介质层上的通孔内填充的金属互连；

所述第一金属地层上设有公共输入端的连接点，所述第二金属地层上设有第一输出端和第二输出端的连接点。

4.根据权利要求3所述的双工器，其特征在于，所述通孔的直径为0.08～0.12μm，第一电感、第二电感以及第三电感的导线宽为0.08～0.12μm，第一带状线和第二带状线的宽为0.1～0.2μm，第一电容至第八电容的电极的厚度为10～14μm。

5.根据权利要求3所述的双工器，其特征在于，所述第一至第九介质层的介电常数为7.8。

6.根据权利要求3所述的双工器，其特征在于，所述第一至第九介质层的层间距为42μm。

7.根据权利要求3所述的双工器，其特征在于，金属连线采用银。

8.一种多工器，包括公共输入端、第一输出端和至少两个第二输出端，还包括连接在所述公共输入端与第一输出端之间的低通滤波器、连接在所述公共输入端与第二输出端之间的带通滤波器以及连接在所述公共输入端与第三输出端之间的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器包括依次连接在所述公共输入端与第二输出端之间的第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电容和第二电容的公共端连接第一谐振器，所述第二电容和第三电容的公共端连接第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均通过第一电感接地；

其中，所述第一谐振器包括并联的第四电容和第一带状线；所述第二谐振器包括并联的第五电容和第二带状线；

所述多工器采用低温共烧陶瓷工艺制作，所述多工器的其中一个带通滤波器包括第一金属地层、第二金属地层以及层叠设于所述第一金属地层和第二金属地层之间的第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层、第六介质层、第七介质层、第八介质层、第九介质层；

所述第三介质层上印刷制作所述第一带状线和第二带状线；

所述第六介质层上印刷制作所述第一带状线和第二带状线的地层，所述地层与第一金属地层和第二金属地层均电连接；

所述第七介质层和第九介质层上印刷制作第四电容的一极，所述第七介质层和第九介质层上还印刷制作第五电容的一极，所述第四电容和第五电容的另一极是所述第一带状线和第二带状线的地层或第二金属地层；

所述第八介质层印刷制作所述第一电容、第二电容以及第三电容的一极；

所述第一至第九介质层上的元件相互之间通过设于所述第一至第九介质层上的通孔内填充的金属互连；

所述第一电感由连接所述第一带状线、第二带状线和第一金属地层并填充于通孔中的金属连线实现。