CN110999097B - 四工器和四工器组件 - Google Patents

四工器和四工器组件 Download PDF

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Abstract

提供了一种四工器，该四工器提供改进的插入损耗和通带陡度。该四工器包括具有第一滤波器元件的第一滤波器结构、具有第二滤波器元件的第二滤波器结构、以及电感性元件，该电感性元件串联电连接在滤波器结构的共用端口与滤波器元件的输入端口之间。

Description

四工器和四工器组件
技术领域
本发明涉及四工器(quadplexer)，特别是四工器拓扑，并且涉及提供四工器功能的电组件。
背景技术
四工器是可以针对不同RF信号进行组合和/或分离的电气电路，每个信号具有它自己的中心频率。为了这个目的，四工器具有共用端口以及用于每个个体信号的一个输入端口或一个输出端口。通常，四工器具有共用端口、两个输入端口和两个输出端口。经由输入端口，输入信号(例如，发射信号)可以从外部电路环境被接收，并且可以被引导到共用端口。经由输出端口(例如，接收端口)，输出信号可以从共用端口被引导到对应的输出端口，并且提供给外部电路环境。
四工器的质量取决于分离水平，也即四工器中的不同路径之间的分离，以及相应信号路径的插入损耗。
已知的四工器利用电连接在共用端口与地之间的分流线圈来解耦四工器的RF滤波器元件。
然而，已知的四工器关于分离水平和插入损耗显露出非最佳表现。特别地，利用在频带之间具有至少一个窄间隙的频带来工作的、用于载波聚合(CA)的四工器具有恶化的右裙边陡度和不想要的高插入损耗。
因此，期望一种与载波聚合兼容的四工器，其具有改进的右裙边陡度和减小的插入损耗。
此外，朝向小型化的趋势要求具有良好电性质和小空间尺寸的组件。
因此，进一步期望的是一种满足这些要求的四工器组件。
发明内容
为了这个目的，提供了根据权利要求的四工器和四工器组件。从属权利要求提供了优选的实施例。
该四工器或四工器拓扑包括共用端口、第一滤波器结构和第二滤波器结构。第一滤波器结构具有输入端口、输出端口、共用端口、和具有输入端口的第一滤波器元件。第二滤波器结构具有输入端口、输出端口、共用端口、和具有输入端口的第一滤波器元件。四工器的共用端口耦合到第一滤波器结构的共用端口，并且耦合到第二滤波器结构的共用端口。第一滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口耦合到第二滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口。此外，四工器包括电感性元件。第一滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口和第二滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口经由电感性元件耦合到四工器的共用端口。
这样的拓扑以新的方式利用电感性元件，该新的方式出人意料地改进了插入损耗和滤波器陡度，尤其是对于在相邻频带之间具有窄带间隙的载波聚合兼容的四工器。如果四工器包括一个滤波器元件作为发射滤波器，则特别地发射滤波器的滚降被改进。
有可能的是，四工器的共用端口直接连接到第一滤波器结构的共用端口，并且直接连接到第二滤波器结构的共用端口。此外，有可能的是，第一滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口直接连接到第二滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口。
端口之间的直接连接可以通过经由导电路径将端口电连接来建立，导电路径例如是由导电材料(诸如金属或合金)组成的信号导体。
有可能的是，第一滤波器结构的第一滤波器元件的输入端口和第二滤波器结构的第二滤波器元件的输入端口经由电感性元件电连接到四工器的共用端口。
有可能的是，四工器还包括在第一滤波器结构中的第二滤波器元件和在第二滤波器结构中的第二滤波器元件。
还有可能的是，第一滤波器结构的第一滤波器元件和第二滤波器结构的第一滤波器元件是带通滤波器。如果第一滤波器结构和/或第二滤波器结构包括第二滤波器元件，则相应的第二滤波器元件也可以是带通滤波器。
第一滤波器结构的第一滤波器元件、第一滤波器结构的第二滤波器元件、第二滤波器结构的第一滤波器元件和第二滤波器结构的第二滤波器元件中的每个滤波器元件可以是发射滤波器或接收滤波器。
然而，优选的是，第一滤波器结构的第一滤波器元件是接收滤波器，并且第二滤波器结构的第一滤波器元件是接收滤波器，第一滤波器结构的第二滤波器元件和第二滤波器结构的第二滤波器元件可以是发射滤波器。
对应地，第一滤波器结构可以建立与双工器的滤波器功能类似的滤波器功能。同样，第二滤波器结构可以建立与第二双工器的滤波器功能相当的滤波器功能。
第一滤波器结构的输入端口可以是用于发射信号的信号端口，这些发射信号可以从外部电路环境获得。第一滤波器结构的输出端口可以是接收端口，其被提供以接收去往外部电路环境的接收信号。对应地，第二滤波器结构的输入端口可以是发射端口，其被提供用于获得外部电路环境的RF信号，并且第二滤波器结构的输出端口可以是接收端口，经由该接收端口，接收信号可以被提供给外部电路环境。
外部电路环境可以是放大器，诸如，用于接收信号的低噪声放大器和用于发射信号的功率放大器。
对应地，四工器可以提供两个不同的接收信号并且接收两个不同的发射信号。发射信号在四工器的共用端口处被组合。两者均经由共用端口接收的接收信号被分发给相应的接收端口。
尤其是当四工器适合于载波聚合模式时，那么从接收信号中选择的三个或更多信号和接收信号可以在四工器中同时传播，同时高分离水平和低插入损耗被提供。
有可能的是，四工器还包括在第一滤波器结构的第一滤波器元件与第一滤波器结构的第二滤波器元件之间的阻抗匹配电路。此外，有可能的是，四工器包括在第二滤波器结构的第一滤波器元件与第二滤波器结构的第二滤波器元件之间的阻抗匹配电路。
对应的滤波器结构内的阻抗匹配电路建立阻抗变换，以便解耦对应的滤波器结构的用于发射信号和接收信号的相应的第一滤波器元件和第二滤波器元件。
阻抗匹配电路可以包括阻抗元件，诸如电容性元件、电感性元件、由电容性元件和电感性元件组成的网络、以及类似电路元件，诸如带状线。
有可能的是，第一滤波器结构的第二滤波器元件耦合或直接连接到第一滤波器结构的共用端口。此外，有可能的是，第二滤波器结构的第二滤波器元件耦合或直接连接到第二滤波器结构的共用端口。
因此，有可能的是，阻抗元件将第一滤波器结构的第一滤波器元件电耦合到第一滤波器结构的第二滤波器元件，并且将第二滤波器结构的第一滤波器元件电耦合到第二滤波器结构的第二滤波器元件。
有可能的是，第一滤波器结构是第一双工器，并且第二滤波器结构是第二双工器。
有可能的是，四工器的滤波器元件是电声有源滤波器元件。
电声有源滤波器元件可以建立具有高分离水平和通带中的低插入损耗的带通滤波器或带阻滤波器。此外，这样的滤波器可以向双工器和四工器提供高隔离水平。
电声有源滤波器元件包括利用压电效应在RF信号与声波之间进行转换的电声谐振器。为了这个目的，电极结构和压电材料在电声谐振器中被组合，并且两个或更多电声谐振器被组合以建立电声有源RF滤波器。
谐振器可以是SAW谐振器(SAW＝表面声波)、BAW谐振器(BAW＝体声波)、或GBAW谐振器(GBAW＝导向体声波)。在SAW谐振器并且在GBAW谐振器中，叉指型电极指被布置在压电材料上，例如，钽酸锂或铌酸锂。在BAW谐振器中，压电层被夹在底部电极和底部电极层与顶部电极层中的顶部电极之间。BAW谐振器可以是FBAR谐振器(FBAR＝薄膜声体谐振器)或SMR型谐振器。FBAR谐振器具有布置在腔体上方的夹层结构，以将夹层结构从其环境声学地解耦。SMR型的谐振器具有布置在声镜上的夹层结构，声镜包括不同声阻抗的层。
有可能的是，四工器的滤波器元件包括类似梯型的拓扑。在梯型拓扑中，串联谐振器在信号路径中串联电连接。布置在分流路径中的分流谐振器将信号路径电连接到地。
然而，DMS滤波器或类似的SAW拓扑也是可能的(DMS＝双模式SAW)。
有可能的是，第一滤波器结构的第一滤波器元件耦合到第一滤波器结构的输出端口，并且第二滤波器结构的第一滤波器元件耦合到第二滤波器结构的输出端口。
因此，第一滤波器元件是接收滤波器，并且对应的滤波器结构的输出端口是接收端口。
有可能的是，四工器包括进一步的阻抗元件。在每个滤波器结构中，阻抗元件可以耦合到输入端口，并且阻抗元件可以耦合到输出端口。
因此，有可能的是，一个阻抗元件将输出端口电连接到第一滤波器元件，并且第二阻抗元件将输入端口连接到滤波器结构中的一者或两者的第二滤波器元件。
每滤波器结构的这两个另外的阻抗元件可以提供阻抗匹配，以在相应的端口处提供所定义的阻抗，例如50欧姆。
上文描述的四工器拓扑可以在四工器组件中实现。对应地，四工器组件包括如上文描述的四工器。四工器的所有电路组元被单片地集成在多层组件中。
电路组元是建立四工器的四工器功能所需要的电路元件。单片集成向组件提供了小空间尺寸，并且尽管电路组件之间有窄距离，但是如上文描述的拓扑也允许良好的电性质。因此，尽管电路组件和信号线路以封闭配置被布置，但是高隔离水平可以被提供。
有可能的是，电感性元件被建立为在介电层之间的结构化的金属化部和金属化层。
有可能的是，四工器和对应的四工器组件可以与频带12信号和频带26信号一起使用。频带12的发射信号和频带26的发射信号具有靠近在一起的频带的频率分量。当四工器应当在载波聚合模式中被使用时，则尽管两个发射频带紧密接近，但是良好的电性质被提供。
四工器组件可以由仅具有六个层压层的层压模块组成。
有可能将其他频带组合在一起。发射频率和/或接收频率、信道间隔和频带间隙将在很大程度上取决于设计要求的总体规格。
所提及的频带是指在本申请的提交日有效的普遍已知的标准。
附图说明
四工器的主要方面和优选实施例的细节在示意性附图中示出：
图1示出了四工器的等效电路图的电路元件。
图2示出了包括四个滤波器元件的四工器的等效电路图。
图3示出了包括阻抗匹配电路的等效电路图的电路元件。
图4示出了包括带通滤波器的四工器的等效电路图的电路元件。
图5示出了四工器的等效电路图的电路元件，其中滤波器结构的共用端口连接到阻抗匹配电路。
图6示出了将四工器的共用端口电连接到天线的可能性。
图7示出了另外的可能的电路元件。
图8示出了具有小空间尺寸的四工器组件中布置的电路组元的透视图。
图9和图10示出了在水平面中的四工器组件的金属化层的不同细节。
图11示出了常规四工器的插入损耗与根据上文描述的用于频带12发射的实施例的四工器的插入损耗之间的比较。
图12示出了针对频带26的对应插入损耗。
图13示出了针对频带12的隔离水平的比较。
图14示出了针对频带26的隔离水平。
图15示出了针对频带12的发射信号和频带26的接收信号的隔离水平。
图16示出了针对频带26发射信号和频带26接收信号的隔离水平。
图17示出了针对常规四工器和针对当前四工器的在天线端口处的电压驻波比值。
图18至图21示出了依赖于频率的阻抗匹配值。
图22至图25示出了在四工器的输入端口和输出端口处的依赖于频率的阻抗值。
具体实施方式
图1示出了具有四工器QPX的电路元件的等效电路图。四工器QPX具有第一滤波器结构FS1和第二滤波器结构FS2。第一滤波器结构FS1具有输入端口TX1、输出端口RX1和共用端口CP1。第二滤波器结构FS2具有输入端口TX2、输出端口RX2和共用端口CP2。第一滤波器结构FS1的共用端口和第二滤波器结构FS2的共用端口耦合或连接到四工器QPX的共用端口CP。
此外，第一滤波器结构FS1具有第一滤波器元件FE1。第二滤波器结构FS2具有第一滤波器元件FE1。两个滤波器元件FE1均具有输入端口IP1。第一滤波器结构FS1的第一滤波器元件FE1的输入端口IP1和第二滤波器结构FS2的第一滤波器元件FE1的输入端口IP1被电耦合或连接。电感性元件IE将第一滤波器元件FE1的输入端口IP1电耦合到四工器QPX的共用端口CP。
该拓扑提供了良好的电性质，特别是在四工器利用如下的频带以载波聚合模式工作时：这些频带具有至少两个通带，该至少两个通带具有接近的通带距离。
图2示出了在第一滤波器结构FS1中具有第二滤波器元件FE2并且在第二滤波器结构FS2中具有第二滤波器元件FE2的可能性。
两个滤波器结构中的第一滤波器元件FE1可以是接收滤波器。两个滤波器结构中的两个第二滤波器元件FE2可以是发射滤波器。
图3示出了在对应的滤波器结构的第一滤波器元件FE1和第二滤波器元件FE2之间提供阻抗匹配电路IMC的可能性。
图4示出了利用带通滤波器作为滤波器结构中的第一FE1和第二FE2滤波器元件的可能性。
图5示出了将共用端口CP1、CP2直接连接到滤波器结构的对应阻抗匹配电路IMC的可能性。
图6示出了共用端口CP被连接到RF天线ANT，发射信号可以经由天线ANT被发出并且接收信号可以经由天线ANT被接收。
图7示出了在阻抗匹配电路IMC中布置匹配元件ME的可能性。匹配元件ME可以布置在第一滤波器元件FE1的输入端口与滤波器结构的共用端口CP1、CP2之间。滤波器结构的第二滤波器元件FE2的端口(如果第二滤波器元件是发射滤波器，则它们是输出端口)可以直接连接到滤波器结构的共用端口，并且可以直接连接到四工器QPX的共用端口。
此外，在滤波器结构的输入端口和输出端口与滤波器结构的对应的发射或接收滤波器之间，一个附加电感性元件IE可以被提供以建立所定义的端口阻抗，例如，50欧姆。
图8图示了紧密地包装在一起以提供小空间尺寸同时维持良好的电性质(特别是高隔离水平)的多个电路组元的透视图。
图9示出了金属化层的细节，其中信号导体被结构化以电连接四工器的不同端口。
图10图示了以螺旋线圈方式创建电感性元件的可能性，其通过金属化层中的对应成形的信号导体来创建。
图11示出了针对利用分流线圈SH的常规四工器和针对利用串联线圈SE的如上文描述的四工器的、针对用于频带12的发射信号(较低频率)和接收信号(较高频率)的仿真的插入损耗。对于上文描述的四工器拓扑，如在曲线SE(发射信号)和SE’(接收信号)中清楚地可辨认的，插入损耗被减小。此外，针对发射信号(曲线SE)的在右侧的通带陡度被改进。
图12示出了针对频带26发射信号和接收信号的对应曲线：曲线SH标示利用分流线圈方法的常规双工器的发射信号。曲线SE标示针对改进的四工器的插入损耗。曲线SH’和曲线SE’示出了针对对应的接收频率的插入损耗。
在图13中，针对频带12的发射和接收频率附近的频率范围，示出了针对常规双工器拓扑(曲线SH)和针对改进的四工器拓扑(曲线SE)的隔离水平。对于改进的拓扑，隔离水平被改进。
图14示出了在频带26发射信号和频带12接收信号的频率范围中针对隔离的对应曲线。
此外，如在图15中可以看出的，对于所表示的四工器，频带12发射信号和频带26的接收信号附近的频率范围中的隔离被极大地改进。
如图16示出的，如上文描述的拓扑明显地满足对频带26发射频率和频带26接收频率的隔离要求。
如图17示出的，在所提出的四工器配置的共用端口处的电压驻波比(VSWR)也满足必要的要求。
从图18至图21可以清楚地看到，所描述的拓扑在天线端口(曲线SE)处针对频带12发射频率、频带12接收频率、频带26发射频率和频带26接收频率提供了良好的阻抗匹配。
图22至图25示出了针对常规拓扑(曲线SH)和当前拓扑(曲线SE)在对应的输入端口或输出端口处的依赖于频率的阻抗。所提出的拓扑允许在四个端口中的每个端口处的良好阻抗匹配。
所提出的四工器和当前的四工器组件不限于上文描述的或附图中示出的特征。四工器可以包括进一步的电路组件，并且四工器组件可以包括进一步的金属化层或介电层。
参考符号的列表
ANT：RF天线
CP：四工器的共用端口
CP1：第一滤波器结构的共用端口
CP2：第二滤波器结构的共用端口
FE1：第一滤波器元件
FE2：滤波器结构的第二滤波器元件
FS1：第一滤波器结构
FS2：第二滤波器结构
IE：电感性元件
IMC：阻抗匹配电路
IP1：第一滤波器元件的输入端口
ME：匹配元件
QPX：四工器
QPXC：四工器组件
RX1、RX2：接收端口
SE、SE’：所提出的四工器设计的依赖于频率的参数
SH、SH’：常规四工器设计的依赖于频率的参数
TX1、TX2：发射端口

Claims (14)

1.一种四工器(QPX)，包括：
-共用端口(CP)和电感性元件(IE)，
-第一滤波器结构(FS1)，具有输入端口(TX1)、输出端口(RX1)、共用端口(CP1)、以及具有输入端口的第一滤波器元件，
-第二滤波器结构(FS2)，具有输入端口(TX2)、输出端口(RX2)、共用端口(CP2)、以及具有输入端口的第一滤波器元件，
其中：
-所述四工器(QPX)的所述共用端口(CP)耦合到所述第一滤波器结构(FS1)的所述共用端口(CP1)，并且耦合到所述第二滤波器结构(FS2)的所述共用端口(CP2)，
-所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件的所述输入端口耦合到第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件的所述输入端口，
-所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件的所述输入端口和所述第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件的所述输入端口经由所述电感性元件(IE)耦合到所述四工器(QPX)的所述共用端口(CP)。
2.根据权利要求1所述的四工器，其中：
-所述四工器(QPX)的所述共用端口(CP)直接连接到所述第一滤波器结构(FS1)的所述共用端口(CP1)，并且直接连接到第二滤波器结构(FS2)的所述共用端口(CP2)，
-所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件的所述输入端口直接连接到所述第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件的所述输入端口。
3.根据权利要求1或2所述的四工器，其中所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件的所述输入端口和所述第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件的所述输入端口经由所述电感性元件连接到所述四工器的所述共用端口。
4.根据权利要求1或2所述的四工器，还包括所述第一滤波器结构(FS1)中的第二滤波器元件和所述第二滤波器结构(FS2)中的第二滤波器元件。
5.根据权利要求4所述的四工器，其中：
所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件、所述第一滤波器结构(FS1)的所述第二滤波器元件、所述第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件、和所述第二滤波器结构(FS2)的所述第二滤波器元件是带通滤波器。
6.根据权利要求4所述的四工器，还包括：
-在所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件与所述第一滤波器结构(FS1)的所述第二滤波器元件之间的阻抗匹配电路，和/或
-在所述第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件与所述第二滤波器结构(FS2)的所述第二滤波器元件之间的阻抗匹配电路。
7.根据权利要求4所述的四工器，其中：
-所述第一滤波器结构(FS1)的所述第二滤波器元件耦合或直接连接到所述第一滤波器结构(FS1)的所述共用端口(CP1)，并且
-所述第二滤波器结构(FS2)的所述第二滤波器元件耦合或直接连接到所述第二滤波器结构(FS2)的所述共用端口(CP2)。
8.根据权利要求1、2和5-7之一所述的四工器，其中所述第一滤波器结构(FS1)是第一双工器，并且所述第二滤波器结构(FS2)是第二双工器。
9.根据权利要求1、2和5-7之一所述的四工器，其中所述四工器(QPX)的滤波器元件是电声有源滤波器元件。
10.根据权利要求1、2和5-7之一所述的四工器，其中所述四工器(QPX)的滤波器元件包括类似梯型的拓扑。
11.根据权利要求1、2和5-7之一所述的四工器，其中：
-所述第一滤波器结构(FS1)的所述第一滤波器元件耦合到所述第一滤波器结构(FS1)的所述输出端口(RX1)，并且
-所述第二滤波器结构(FS2)的所述第一滤波器元件耦合到所述第二滤波器结构(FS2)的所述输出端口(RX2)。
12.根据权利要求1、2和5-7之一所述的四工器，其中所述第一滤波器结构(FS1)包括与所述第一滤波器结构(FS1)的所述输入端口耦合的第一阻抗元件、以及与所述第一滤波器结构(FS1)的所述输出端口耦合的第二阻抗元件，其中所述第二滤波器结构(FS2)包括与所述第二滤波器结构(FS2)的所述输入端口耦合的第三阻抗元件、以及与所述第二滤波器结构(FS2)的所述输出端口耦合的第四阻抗元件。
13.一种四工器组件(QPXC)，包括根据权利要求1-12之一所述的四工器(QPX)，其中所述四工器的所有电路组元被单片地集成在多层组件中。
14.根据权利要求13所述的四工器(QPXC)组件，其中所述电感性元件(IE)被建立为结构化的金属化部，所述结构化的金属化部在介电层之间的金属化层中。
CN201880052528.XA 2017-08-18 2018-06-20 四工器和四工器组件 Active CN110999097B (zh)

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