CN107508019A - 双工器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双工器，该双工器包括：天线端口，用于接收或发射信号；接收滤波模块，用于处理所述天线端口接收的信号并产生一输入信号，其一端连接至接收端口，该输入信号通过所述接收端口进行下行传输；发射滤波模块，其一端连接至发射端口，用于处理通过所述发射端口传输的信号并产生一输出信号，所述输出信号通过天线端口进行上行传输；相位变换模块，其一端连接至天线端口，另一端连接至所述接收滤波模块，用于提高所述接收滤波模块与发射滤波模块通带间的隔离度以及降低插损等。本发明利用相位变换模块实现了对传输线的有效替换，减小了器件的封装尺寸，简化了器件的制备工艺，降低了制备难度，同时提升了产品的电性能指标。

Description

双工器
【技术领域】
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种双工器。
【背景技术】
双工器是一个三端口器件，主要是由两个带通滤波器构成，两个滤波器的公共端称作天线端口(ANT)，另外两端口分别为发射端口(Tx)和接收端口(Rx)。两个带通滤波器分别对应发射频段和接收频段，此种形式的双工器对单个滤波器电性能指标要求非常高。天线端与发射和接收滤波器之间须连接合适的匹配电路才能达到回波和隔离等要求。若器件中不加匹配电路，双工器Tx和Rx通道间难以实现高隔离度，Tx信号会对Rx产生干扰，而且两个通道的回波也很差，加大了通道的插损。
通常，双工器中的匹配电路为一段传输线，通过该传输线来优化回波和隔离指标，在传统大尺寸双工器上它实现较为容易。以薄膜体声波(FBAR)双工器为例，目前基于FBAR技术的射频器件封装尺寸已经缩小到1～2个毫米，在2GHz左右频率下，其传输线长达37mm，该尺寸的传输线在射频前端集成是很难实现的，这给双工器的小型化封装带来极大困难。
【发明内容】
为克服上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，特提出以下技术方案：
本发明提供一种双工器，包括：
天线端口，用于接收或发射信号；
接收滤波模块，用于处理所述天线端口接收的信号并产生一输入信号，其一端连接至接收端口，该输入信号通过所述接收端口进行下行传输；
发射滤波模块，其一端连接至发射端口，用于处理通过所述发射端口传输的信号并产生一输出信号，所述输出信号通过天线端口进行上行传输；
相位变换模块，其一端连接至天线端口，另一端连接至所述接收滤波模块，用于提高所述接收滤波模块与发射滤波模块通带间的隔离度；
其中，所述相位变换模块包括至少两个串联的第一电感、以及并联于相邻两个第一电感间的第一并联单元。
具体的，所述第一并联单元包括串联连接的第一谐振子和第二电感；所述第一谐振子一端连接于每相邻两个第一电感间，所述第二电感的一端接地。
具体的，所述接收滤波模块和发射滤波模块分别包括若干串联的第一串联单元和分别并联于每相邻两个第一串联单元间的第二并联单元。
具体的，所述接收滤波模块和/或发射滤波模块还包括直接串联于接收端口和/或发射端口的第三电感。
具体的，所述第一串联单元包括至少一个第二谐振子。
具体的，所述第二并联单元包括串联连接的第三谐振子和第四电感；所述第四电感的一端连接所述第三谐振子，另一端接地。
优选的，所述第一并联单元包括第一谐振子，所述第一谐振子一端连接于相邻两个所述第一电感间，另一端接地。
优选的，所述第一并联单元包括第五电感；所述第五电感一端连接于相邻两个所述第一电感间，另一端接地。
优选的，所述相位变换模块还包括串联于所述天线端口和接收滤波模块间的1/4波长传输线。
优选的，所述双工器为体声波双工器。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
本发明采用包括有至少两个串联的第一电感以及并联于相邻两个第一电感间的第一并联单元的相位变换模块有效替换了传输线，减小了传输线对应匹配电路的面积，有效的减小了器件的封装尺寸，使器件的封装难度大大降低，实现了双工器的器件的小型化。同时，由于第一并联单元也需要匹配第二电感，因此该第二电感与第一电感可以同时制备，省去了制备传输线的工艺，降低了工艺复杂度，这种优化的拓扑结构有效提升器件的电性能指标。
【附图说明】
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中一种双工器的实施例结构框图；
图2为本发明中一种双工器的相位变换模块的第一实施例结构框图；
图3为本发明中一种双工器的相位变换模块的第二实施例结构框图；
图4为本发明中一种双工器的相位变换模块的第三实施例结构框图；
图5为本发明中一种双工器的单个接收滤波模块的第一实施例结构框图；
图6为本发明中一种双工器的单个接收滤波模块的第二实施例结构框图；
图7为本发明中一种双工器的相位变换模块的第四实施例结构框图；
图8为本发明的双工器等效替换优化前后的频率响应曲线比较示意图。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。以下实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅附图1所示的双工器的实施例的结构框图，本发明提供一种双工器，包括：天线端口1、接收滤波模块2、发射滤波模块3以及相位变换模块4。其中，所述天线端口1用于接收或发射信号；所述接收滤波模块2，用于处理所述天线端口1接收的信号并产生一输入信号，其一端连接至接收端口5，该输入信号通过所述接收端口5进行下行传输；所述发射滤波模块3，其一端连接至发射端口6，用于处理通过所述发射端口6传输的信号并产生一输出信号，所述输出信号通过天线端口1进行上行传输；
本发明实施例中，所述输入信号通过所述接收端口5下行传输至与所述接收端口5连接的其他信号处理模块，所述其他信号处理模块用于对输入信号进行变换、估值、增强、压缩、识别、放大、滤波、调制以及解调中的任意一种或多种。
本发明实施例中，所述输出信号通过天线端口1上行传输至与所述双工器对应设备实现远程通信的终端。
本发明实施例中，如附图2所示的所述相位变换模块4的第一实施例结构框图，所述相位变换模块4，其一端连接至天线端口1，另一端连接至所述接收滤波模块2，用于提高所述接收滤波模块2与发射滤波模块3通带间的隔离度以及降低插损。
其中，所述相位变换模块4包括至少两个串联的第一电感41、以及并联于相邻两个第一电感41间的第一并联单元42。
具体的，所述第一并联单元42包括串联连接的第一谐振子421和第二电感422；所述第一谐振子421一端连接于每相邻两个第一电感41间，所述第二电感422的一端接地。
可选的，如附图3所示的所述相位变换模块4的第二实施例结构框图，所述相位变换模块4的第一并联单元42包括第一谐振子421，所述第一谐振子421一端连接于相邻两个所述第一电感41间，另一端接地。
可选的，如附图4所示的所述相位变换模块4的第三实施例结构框图，所述相位变换模块4的第一并联单元42包括第五电感43；所述第五电感43一端连接于相邻两个所述第一电感41间，另一端接地。
可选的，如附图7所示的所述相位变换模块4的第四实施例结构框图，所述相位变换模块4还包括串联于所述天线端口1和接收滤波模块2间的传输线7，所述传输线包括1/4波长传输线。
请参阅附图5所示的单个接收滤波模块2的第一实施例结构框图，本发明所述接收滤波模块2和发射滤波模块3分别包括若干串联的第一串联单元100和分别并联于每相邻两个第一串联单元100间的第二并联单元110。
本发明实施例中，所述接收滤波模块2和/或发射滤波模块3还包括直接串联于接收端口5和/或发射端口6的第三电感120。
本发明实施例中，所述第一串联单元100包括至少一个第二谐振子1001。
本发明实施例中，所述第二并联单元110包括串联连接的第三谐振子1101和第四电感1102；所述第四电感1102的一端连接所述第三谐振子1101，另一端接地。
需要说明的是，本发明实施例中所述第一电感41、第二电感422、第三电感120、第四电感1102以及第五电感43分别设置相同或不同的电容值，上述电感之间的电容值相同或不同主要体现在线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之的电容，电感的电容值越小，其稳定性越好。由于电感的连接位置不同而分为所述第一电感41、第二电感422、第三电感120、第四电感1102以及第五电感43，其并不影响电感间的灵活替换以起到的调试作用。
请参阅附图6所示的单个接收滤波模块2的第二实施例结构框图，本发明所述接收滤波模块2和发射滤波模块3分别包括若干串联的第一串联单元100和分别并联于每相邻两个第一串联单元100间的第二并联单元110；所述第一串联单元100包括至少一个第二谐振子1001；所述第二并联单元110至少部分包括两个并联的第三谐振子1101以及与两个并联后的第三谐振子1101串联的第四电感1102；所述第二并联单元110至少部分还包括串联连接的第三谐振子1101和第四电感1102。
本发明实施例中，双工器具有以下几点指标：工作频率及带宽、隔离度、插入损耗、频率稳定性、特性阻抗、最大输入功率、驻波比等。
本发明实施例中，所述双工器为体声波双工器，所述体声波双工器具有体积小、频率高、插损小、功率大等优点。
其中所述双工器的工作频率范围应当不窄于应用对象本身的工作频率范围；所述带宽包括接收滤波模块2的输入带宽和发射滤波模块3的输出带宽。对于双工器而言，隔离度指的是接收通道和发射通道的通带衰减量，双工器的接收端和发射端至天线端的隔离度是相当的，保证通道间信号互不影响；所述插入损耗表示对应通道中通带频点对有用信号的损耗，其插入损耗与输入波长有关，也与开关状态有关，定义为：IL＝-10log(Po/Pi)或IL＝20lg(Uo/Ui)，其中，IL为插损，Pi表示输入到输入端口的功率,Po表示从输出端口接收到的功率，Uo为输出信号，Ui为输入信号。
本发明实施例中，所述传输线的特点是其横向尺寸远小于工作波长，不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗性的谐振元件。例如，长度小于1/4波长的传输线，其输入阻抗是感抗或容抗；长度可变的短路线可用作调配元件。又如长度为1/4波长的短路线或开路线分别等效于并联或串联谐振电路，称为谐振线；其中1/4波长短路线的输入阻抗为无穷大，可用作金属绝缘支撑等。此外，还可利用分布参数传输线的延时特性制成仿真线等电路元件。
本发明实施例中，若无所述相位变换模块4，两路滤波器在公共端直接相连，此时天线端传输的Tx信号会同时向Rx和Tx两路传输，其中Tx信号在接收滤波模块2处会发生反射，此时相位会发生180°转变，即该反射Tx信号与原Tx信号相位相反，在公共端口处会形成波节，信号相互抵消，此时从Rx端反射回的信号对ANT与Tx之间的Tx信号产生影响，发射滤波器很难做到较好的匹配，这种情况将直接导致器件的回波很差。
本发明实施例中，为使Tx信号不受反射信号的干扰，天线端口与接收通带之间连接所述相位变换模块4，此时在接收通路上的反射信号两次经过所述相位变换模块4，会使信号产生180°的相位变化，加上在接收滤波模块2处180°相位变化，在公共端口反射信号会产生360度的相位变化，此时反射信号与原信号相位相同，不会产生信号相消；Rx信号也是同样的原理。经过阻抗匹配后，Tx与Rx通路隔离得到提高，两者之间干扰降低，回波就能满足要求。
本发明实施例中，利用串联的第一电感41以及分别并联于每相邻两个第一电感41间的第一并联单元42等效替换所述传输线，进行优化调试后回波和隔离等指标得到有效的提升，如图8所示的双工器等效替换优化前后的频率响应曲线比较示意图，即利用如图1与图7所示的双工器等效电路模型进行仿真后得出的参数图，其中A为使用传输线进行仿真试验后得到的频率响应曲线图，B为等效替换所述传输线为本发明提供的串联的第一电感41以及分别并联于每相邻两个第一电感41间的第一并联单元42进行仿真试验后得到的频率响应曲线图。由图8中可看出等效替代后回波指标变好，通带内的波动降低，且通带外抑制能力有所提高。图1与图7所示的相位变换模块4和传输线7对应匹配电路的串联电感分别为0.2nH、2.8nH，可见等效替换后其电感值小，降低了工艺的复杂度，有利于器件的小型化。
需要说明的是，本发明实施例中所述相位变换模块4不仅可连接于所述天线端口1与接收滤波模块2之间，还可以连接于所述天线端口1与发射滤波模块3之间，另外还可以连接于其他位置，凡是应用了本发明所提供的所述相位变换模块4可认为均在本发明所保护的范围内，在此便不多加赘述。
本发明实施例中，所述双工器的优化替换过程中涉及相位变换模块4和传输线7对应匹配电路的电感值计算，其中涉及到的公式运算包括任意一种或多种：
其中在双工器的等效电路模型下，其电学参数包括：静态电容C0、机械振动相关联的等效电容Cm、电感Lm、与损耗相关的电阻Rm、串联谐振子的串联谐振频率fs、并联谐振子的并联谐振频率fp、机电耦合系数及谐振子的品质因数Q。
在单个滤波器结构中，串联谐振频率fs由器件压电层厚度等决定，机电耦合系数是由生长的压电材料自身和生长工艺共同决定，可近似看做常量。
其中在优化调试过程中，体声波滤波器“静态”电容C0、串联谐振频率fs、谐振子品质因数Q、滤波器相对带宽B。这些基本参数可以通过实际测量或对双工器等效电路模型的仿真中获得。通过阻抗测量，可提取出并联谐振频率fp和C0。
需要说明的是，本发明所述参数的计算公式并不局限于上述所示的公式，还可以包括其他公式，例如:Q＝1/ωsCmRm、等，在此便不多加赘述。
综上所述，本发明采用包括有至少两个串联的第一电感以及分别并联于每相邻两个第一电感间的第一并联单元的相位变换模块有效替换了传统的传输线，减小匹配电路的面积，有效的减小了器件的封装尺寸，使器件的封装难度大大降低，实现了双工器的器件的小型化。同时，由于滤波器的第一并联单元也需要匹配第二电感，因此该第二电感与第一电感可以同时制备，省去了制备传输线的工艺，降低了工艺复杂度，这种优化的拓扑结构有效提升器件的电性能指标。
在此处所提供的说明书中，虽然说明了大量的具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的双工器及结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均包含在本发明的保护范围之内，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种双工器，其特征在于，包括：
天线端口，用于接收或发射信号；
接收滤波模块，用于处理所述天线端口接收的信号并产生一输入信号，其一端连接至接收端口，该输入信号通过所述接收端口进行下行传输；
发射滤波模块，其一端连接至发射端口，用于处理通过所述发射端口传输的信号并产生一输出信号，所述输出信号通过天线端口进行上行传输；
相位变换模块，其一端连接至天线端口，另一端连接至所述接收滤波模块，用于提高所述接收滤波模块与发射滤波模块通带间的隔离度；
其中，所述相位变换模块包括至少两个串联的第一电感、以及并联于相邻两个第一电感间的第一并联单元。
2.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述第一并联单元包括串联连接的第一谐振子和第二电感；所述第一谐振子一端连接于每相邻两个第一电感间，所述第二电感的一端接地。
3.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述接收滤波模块和发射滤波模块分别包括若干串联的第一串联单元和分别并联于每相邻两个第一串联单元间的第二并联单元。
4.根据权利要求3所述双工器，其特征在于，所述接收滤波模块和/或发射滤波模块还包括直接串联于接收端口和/或发射端口的第三电感。
5.根据权利要求3所述双工器，其特征在于，所述第一串联单元包括至少一个第二谐振子。
6.根据权利要求3所述双工器，其特征在于，所述第二并联单元包括串联连接的第三谐振子和第四电感；所述第四电感的一端连接所述第三谐振子，另一端接地。
7.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述第一并联单元包括第一谐振子，所述第一谐振子一端连接于相邻两个所述第一电感间，另一端接地。
8.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述第一并联单元包括第五电感；所述第五电感一端连接于相邻两个所述第一电感间，另一端接地。
9.根据权利要求1所述双工器，其特征在于，所述相位变换模块还包括串联于所述天线端口和接收滤波模块间的1/4波长传输线。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的双工器，其特征在于：所述双工器为体声波双工器。
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