CN111181523A - 四工器的拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种四工器的拓扑结构，包括：第一拓扑结构和第二拓扑结构；第一拓扑结构包括第一电桥、第二移相元件、第三移相元件和第一双工器、第三双工器；第二拓扑结构包括第四电桥、第五移相元件、第六移相元件和第二双工器、第四双工器。采用本发明技术方案，发射端和接收端的隔离度和双工器的隔离度无关，只取决于电桥和移相元件的相位不平衡度，因此能同时提高隔离度和功率容量，隔离度可以提高20dB左右，而功率容量可以提升1倍左右。有望在未来5G的小基站系统中得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及体声波滤波器技术领域，尤其是涉及一种四工器的拓扑结构。
背景技术
随着无线通信技术的发展，人们对于数据传输速率的要求越来越高，与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频系统各模块的性能提出了严格的要求，在射频前端模块，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除掉以满足射频系统和通信协议对于信噪比的要求，改善通信质量，提高用户体验。同时系统除了对滤波器性能上有较高的要求外，还对体积尺寸提出较高的要求，而体声波滤波器刚好可以满足其要求。体声波谐振器利用压电晶体的压电效应产生谐振。由于谐振由机械波产生，而非电磁波作为谐振来源，机械波的波长比电磁波波长短很多。因此，体声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。由于体声波滤波器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性，以此为核心的体声波滤波器在通讯系统中得到了广泛的应用。
未来的5G通信中，小基站系统成为重要的组成部分，小基站系统将采用较高的发射频率，由于空间衰减的原因，必然会加大发射信号的功率，为了提高接收机的灵敏度，必然对收发隔离度提出更高的要求，所以未来小基站系统必然要求滤波器、多工器尺寸要小，功率容量要高，隔离度要高，成本较低，目前基站系统中主要使用的是腔体滤波器、腔体多工器，腔体结构的滤波器、多工器插损小、带外抑制好、隔离度高，但其一个显著缺点是尺寸较大，加工成本高，很难在未来的5G通信中得到广泛应用，而体声波滤波器、多工器的特点是插损好、带外抑制高、成本较低，但其一个显著缺点是功率容量较差，目前功率容量只有1.5W左右，很难适应未来5G通信的要求。
因此，如何用体声波滤波器技术，除了提高多工器的隔离度以外，还要较大幅度提升其功率容量，仍是待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种四工器的拓扑结构，目的在于针对当前常规四工器的拓扑结构的四工器隔离度只有60dB，功率容量只有1.5W左右，很难适用于未来5G小基站系统的现状，提出了能同时提高隔离度和功率容量的结构，隔离度可以提高20dB左右，而功率容量可以提升1倍左右。有望在未来5G的小基站系统中得到广泛应用。
基于上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种四工器的拓扑结构，包括：第一拓扑结构和第二拓扑结构；第一拓扑结构包括第一电桥、第二移相元件、第三移相元件和第一双工器、第三双工器；第二拓扑结构包括第四电桥、第五移相元件、第六移相元件和第二双工器、第四双工器；第一电桥和第四电桥均为九十度电桥；第一电桥的输入端连接天线，隔离端连接第四电桥的输入端；第四电桥的隔离端连接电阻后接地；第一电桥的零度输出端和负九十度输出端分别连接第一双工器和第三双工器的天线端端口；第四电桥的零度输出端和负九十度输出端分别连接第二双工器和第四双工器的天线端端口；第一双工器和第三双工器的射频发射端口分别通过第二移相元件形成第一发射端口；第二双工器和第四双工器的射频发射端口分别通过第五移相元件形成第二发射端口；第一双工器和第三双工器的射频接收端口分别通过第三移相元件形成第一接收端口；第二双工器和第四双工器的射频接收端口分别通过第六移相元件形成第二接收端口。
以图2所示电路为例，第一拓扑结构包括第一电桥(电桥1)、第二移相元件(电桥2)和第一双工器(第一双工器1)、第三双工器(第一双工器2)、第三移相元件(电桥3)；第二拓扑结构包括第四电桥(电桥4)、第五移相元件(电桥5)和第二双工器(第二双工器1)、第四双工器(第二双工器2)、第六移相元件(电桥6)；第一电桥和第四电桥均为九十度电桥；第一电桥的输入端连接天线，隔离端连接第四电桥的输入端；第四电桥的隔离端连接电阻后接地；第一电桥的零度输出端和负九十度输出端分别连接两个第一双工器的天线端端口；第四电桥的零度输出端和负九十度输出端分别连接两个第二双工器的天线端端口；第一双工器和第三双工器的射频发射端口分别通过第二移相元件形成第一发射端口；第二双工器和第四双工器的射频发射端口分别通过第五移相元件形成第二发射端口；第一双工器和第三双工器的射频接收端口分别通过第三移相元件形成第一接收端口；第二双工器和第四双工器的射频接收端口分别通过第六移相元件形成第二接收端口。
可选地，第二移相元件和第五移相元件分别为九十度的第二电桥和第五电桥，即，可以根据图1的形式，具体分别为电桥2和电桥5。
可选地，第一双工器的射频发射端口连接第二电桥的输入端；第三双工器的射频发射端口连接第二电桥的隔离端；第二双工器的射频发射端口连接第五电桥的输入端；第四双工器的射频发射端口连接第五电桥的隔离端；第二电桥和第五电桥的零度输出端口分别连接电阻后接地；第二电桥的负九十度输出端口连接第一发射端口；第五电桥的负九十度输出端口连接第二发射端口。
可选地，第三移相元件和第六移相元件分别为第三电桥和第六电桥，即，可以根据图1的形式，具体分别为电桥3和电桥6。
可选地，第一双工器的射频接收端口连接第三电桥的输入端；第三双工器的射频接收端口连接第三电桥的隔离端；第二双工器的射频接收端口连接第六电桥的输入端；第四双工器的射频接收端口连接第六电桥的隔离端；第三电桥和第六电桥的零度输出端口分别连接电阻后接地；第三电桥的负九十度输出端口连接第一接收端口；第六电桥的负九十度输出端口连接第二接收端口。
可选地，第三移相元件和第六移相元件分别为第三九十度移相器和第六九十度移相器，即，可以根据图12的形式，分别选用图中b端和d端的90度移相器。
可选地，第三双工器的射频接收端口连接第三九十度移相器后与第一双工器的射频接收端口形成第一差分接收端口；第四双工器的射频接收端口连接第六九十度移相器后与第二双工器的射频接收端口形成第二差分接收端口。
可选地，第一双工器和第三双工器结构相同，电性能相同；第二双工器和第四双工器结构相同，电性能相同。
可选地，所述电阻为五十欧姆电阻。
可选地，第一电桥和第四电桥的相位不平衡度小于三度。
根据本发明的技术方案，能同时提高隔离度和功率容量，隔离度可以提高20dB左右，而功率容量可以提升1倍左右。有望在未来5G的小基站系统中得到广泛应用。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是现有技术示意图；
图2是本实施例1的四工器的拓扑结构；
图3是九十度电桥示意图；
图4为Band1的TX频段插损对比图；
图5为Band1的RX频段插损对比图；
图6为Band1的TX与RX频段隔离度对比图；
图7为Band3的TX频段插损对比图；
图8为Band3的RX频段插损对比图；
图9为Band3的TX与RX频段隔离度对比图；
图10为Band3的TX与Band1的RX频段交叉隔离度对比图；
图11为Band1的TX与Band3的RX频段交叉隔离度对比图；
图12为本实施例2的四工器的拓扑结构；
图13为九十度电桥各端口之间的相位关系。
具体实施方式
目前，实现四工器常规的技术手段是把两个双工器并联，如图1所示，第一双工器覆盖一个发射频段和一个接收频段，第二双工器覆盖一个另外的发射频段和一个另外的接收频段，这样的四工器的拓扑结构虽然简单，但四工器的性能完全决定于双工器的性能，如果双工器隔离度较差的话，四工器的隔离度就一定差，同时这样的拓扑结构功率容量完全决定于构成双工器的滤波器的功率容量，所以功率容量也较差，难以满足未来5G的应用。
实施例1：
图2为本实施例1的四工器的拓扑结构，主要由6个90度电桥和4个双工器组成，以构成高功率、高隔离度的四工器，其中6个90度电桥完全相同，分别为电桥1、电桥2、电桥3、电桥4、电桥5、电桥6(即第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥、第五电桥、第六电桥)，而4个双工器中其中2个双工器相同，记为第一双工器1和第一双工器2，另外2个双工器完全一样，记为第二双工器1和第二双工器2。90度电桥如图3所示，有4个端口，分别为J1、J2、J3、J4，如果J1作为输入端，则J4端口为隔离度，J2和J3为输出端，这两个端口的输出信号幅度相等，相位相差90度，具体是J3端口输出为0度，J2输出为-90度。其实90度电桥是互易的，任何一个端口都可以作为输入端的，相应的隔离端和输出端也会随着输入端口的改变而改变，如图13的表1即为90度电桥各端口之间的相位关系。
实施例1的电气连接关系为：
电桥1的输入端IN接天线，隔离端ISO接电桥4的输入端IN，电桥1的0度输出端接第一双工器1的1端口，电桥1的-90度输出端接第一双工器2的1端口。第一双工器1的2端口和第一双工器2的2端口分别接电桥2的输入端IN和隔离端ISO，电桥2的0度输出端口接50欧姆的电阻后接地，电桥2的-90度输出端口接第一发射端口TX1。
同样地，第一双工器1的3端口和第一双工器2的3端口分别接电桥3的输入端IN和隔离端ISO，电桥3的0度输出端口接50欧姆的电阻后接地，电桥3的-90度输出端口接第一接收端口RX1，由此形成了第一双工器的发射端和接收端。
此四工器的拓扑结构提高第一双工器收发隔离度的原理是这样的：从TX1发射的信号，则经过电桥2后一分两路，幅度相等，相位相差90度，相位落后90度的那路信号会从第一双工器1的2端口进入，从第一双工器1的3端口出，再经过电桥3又移相90度后到达RX1端，而另一路经过电桥2后，没有相位变化，此路信号从第一双工器2的2端口进入，从第一双工器2的3端口出，再经过电桥3无移相后到达RX1端，这两路信号，幅度相等，相位相差180度，理论上可以完全抵消，也就是说，TX1和RX1端的隔离度和双工器的隔离度无关，只取决于90度电桥的相位不平衡度，90度电桥的相位不平衡度会对相位抵消产生较大的影响，目前市面上的90度电桥的相位不平衡度都小于3度，收发隔离度可以改善20dB左右。由于发射信号经过电桥2后，信号一分两路进入双工器，如果每路双工器达到其功率极限的情况下，则该拓扑结构功率容量可以提升1倍。功率容量提升1倍，隔离度提高20dB，这样的拓扑结构特别适合未来5G小基站类应用。
同样地，电桥4的输入端IN接电桥1的隔离端ISO，电桥4的隔离端ISO接50欧姆电阻后接地，电桥4的0度输出端接第二双工器1的1端口，电桥4的-90度输出端接第二双工器2的1端口。第二双工器1的2端口和第二双工器2的2端口分别接电桥5的输入端IN和隔离端ISO，电桥5的0度输出端口接50欧姆的电阻后接地，电桥5的-90度输出端口接第二发射端口TX2。
同样地，第二双工器1的3端口和第二双工器2的3端口分别接电桥6的输入端IN和隔离端ISO，电桥6的0度输出端口接50欧姆的电阻后接地，电桥6的-90度输出端口接第二接收端口RX2。
此四工器的拓扑结构提高第二双工器收发隔离度的原理是这样的：从TX2发射的信号，则经过电桥5后会一分两路，幅度相等，相位相差90度，相位落后90度的那路信号会从第二双工器1的2端口进入，从第二双工器1的3端口出，再经过电桥6又移相90度后到达RX2端，而另一路经过电桥5后，没有相位变化，此路信号从第二双工器2的2端口进入，从第二双工器2的3端口出，再经过电桥6无移相后到达RX2端，这两路信号，幅度相等，相位相差180度，理论上可以完全抵消，也就是说，TX2和RX2端的隔离度和双工器的隔离度无关，只取决于90度电桥的相位不平衡度，要说明的是，90度电桥的相位不平衡度会对相位抵消产生较大的影响，目前市面上的90度电桥的相位不平衡度基本上都小于3度，即移相范围大致在87度至93度，收发隔离度可以改善20dB左右。由于发射信号经过电桥2后，信号一分两路进入双工器，如果每路双工器达到其功率极限的情况下，则该拓扑结构功率容量可以提升1倍。功率容量提升1倍，隔离度提高20dB，这样的拓扑结构特别适合基站类应用。
另外需要说明的是，第一双工器和第二双工器之间的隔离原理如下：从TX2发射信号，经过电桥5和第二双工器1、第二双工器2后再通过电桥4在电桥4的IN端形成发射信号，再经过电桥1的ISO端，分为两路信号，这两路信号会被第一双工器1、第一双工器2全反射，后进入天线端，同样如果接收的是RX2信号，同样会被第一双工器1、第一双工器2全反射然后进入电桥1的ISO端，然后在经过电桥4、第二双工器1、第二双工器2和电桥6进入RX2端。
为了验证本实施方式的技术效果，发明人做了一个仿真，第一双工器为Band1，其TX频段包括：1920MHz-1980MHz,RX频段包括：2110MHz-2170MHz，第二双工器为Band3，其TX频段包括：1710MHz-1785MHz，RX频段包括：1805MHz-1880MHz。90度电桥的插损为0.3dB，相位不平衡度为3度。
图4为Band1的TX频段插损对比图，图中实线为常规四工器的插损，图中虚线为本实施例1的仿真结果，由于引入了90度电桥，插损掉落了0.5dB。
图5为Band1的RX频段插损对比图，图中实线为常规四工器的插损，图中虚线为本实施例1的仿真结果，由于引入了90度电桥，插损掉落了0.5dB。
图6为Band1的TX与RX频段隔离度对比图，图中实线为常规四工器的隔离度，图中虚线为本实施例1的仿真结果，从对比发现，隔离度改善22dB以上。
图7为Band3的TX频段插损对比图，图中实线为常规四工器的插损，图中虚线为本实施例1的仿真结果，由于引入了90度电桥，插损掉落了0.5dB。
图8为Band3的RX频段插损对比图，图中实线为常规四工器的插损，图中虚线为本实施例1的仿真结果，由于引入了90度电桥，插损掉落了0.5dB。
图9为Band3的TX与RX频段隔离度对比图，图中实线为常规四工器的隔离度，图中虚线为本实施例1的仿真结果，从对比发现，隔离度改善22dB以上。
图10为Band3的TX与Band1的RX频段交叉隔离度对比图，图中实线为常规四工器的隔离度，图中虚线为本实施例1的仿真结果，从对比发现，隔离度改善22dB以上。
图11为Band1的TX与Band3的RX频段交叉隔离度对比图，图中实线为常规四工器的隔离度，图中虚线为本实施例1的仿真结果，从对比发现，隔离度改善22dB以上。
对于电桥2、3、5和6，其中的1个或几个还可以替换为90度移相器。以下再举例加以说明。
实施例2：
图12为本实施例2的四工器的拓扑结构，主要由4个90度电桥、2个90度移相器和4个双工器组成，以构成高功率、高隔离度的四工器，其中4个90度电桥完全相同，分别为电桥1、电桥2、电桥3、电桥4，而4个双工器中其中2个双工器相同，记为第一双工器1和第一双工器2，另外2个双工器完全一样，记为第二双工器1和第二双工器2。
实施例2的电气连接关系为：
电桥1的输入端IN接天线，隔离端ISO接电桥4的输入端IN，电桥1的0度输出端接第一双工器1的1端口，电桥1的-90度输出端接第一双工器2的1端口。第一双工器1的2端口和第一双工器2的2端口分别接电桥2的输入端IN和隔离端ISO，电桥2的0度输出端口接50欧姆的电阻后接地，电桥2的-90度输出端口接第一发射端口TX1，第一双工器1的3端口连接端口a，第一双工器2的3端口连接一段90度移相器后接端口b,端口a和端口b一起形成第一差分接收端口RX1，由此形成了第一双工器的发射端和差分接收端。
此四工器的拓扑结构提高第一双工器收发隔离度的原理是这样的：从TX1发射的信号，则经过电桥2后会一分两路，幅度相等，相位相差90度，相位落后90度的那路信号会从第一双工器1的2端口进入，从第一双工器1的3端口出，接入差分端口的端口a，而另一路经过电桥2后，没有相位变化，此路信号从第一双工器2的2端口进入，从第一双工器2的3端口出，再经过90度移相器后到达差分端口的端口b，这两路信号，幅度相等，相位相同，由于端口a和端口b形成的是差分端口，所以这两路信号可以完全抵消，目前市面上的90度移相器的相位不平衡度基本上都小于3度，收发隔离度可以改善20dB左右。由于发射信号经过电桥2后，信号一分两路进入双工器，如果每路双工器达到其功率极限的情况下，则该拓扑结构功率容量可以提升1倍。功率容量提升1倍，隔离度提高20dB，这样的拓扑结构特别适合基站类应用。
同样地，电桥4的输入端IN接电桥1的隔离端ISO，电桥4的隔离端ISO接50欧姆电阻后接地，电桥4的0度输出端接第二双工器1的1端口，电桥4的-90度输出端接第二双工器2的1端口。第二双工器1的2端口和第二双工器2的2端口分别接电桥3的输入端IN和隔离端ISO，电桥3的0度输出端口接50欧姆的电阻后接地，电桥3的-90度输出端口接第二发射端口TX2。
同样地，第二双工器1的3端口连接端口c，
第二双工器2的3端口连接一段90度移相器后接端口d，
端口c和端口d一起形成第二差分接收端口RX2，由此形成了第二双工器的发射端和接收端。
此四工器的拓扑结构提高第二双工器收发隔离度的原理是这样的：从TX2发射的信号，则经过电桥3后会一分两路，幅度相等，相位相差90度，相位落后90度的那路信号会从第二双工器1的2端口进入，从第二双工器1的3端口出，接入差分端口的端口c，而另一路经过电桥3后，没有相位变化，此路信号从第二双工器2的2端口进入，从第二双工器2的3端口出，再经过90度移相器后到达差分端口的端口d，这两路信号，幅度相等，相位相同，由于端口c和端口d形成的是差分端口，所以这两路信号可以完全抵消，目前市面上的90度电桥的相位不平衡度都小于3度，收发隔离度可以改善20dB左右。由于发射信号经过电桥3后，信号一分两路进入双工器，如果每路双工器达到其功率极限的情况下，则该四工器的拓扑结构功率容量可以提升1倍。功率容量提升1倍，隔离度提高20dB，这样的四工器的拓扑结构特别适合基站类应用。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种四工器的拓扑结构，其特征在于，包括：第一拓扑结构和第二拓扑结构；
第一拓扑结构包括第一电桥、第二移相元件、第三移相元件和第一双工器、第三双工器；
第二拓扑结构包括第四电桥、第五移相元件、第六移相元件和第二双工器、第四双工器；
第一电桥和第四电桥均为九十度电桥；
第一电桥的输入端连接天线，隔离端连接第四电桥的输入端；第四电桥的隔离端连接电阻后接地；
第一电桥的零度输出端和负九十度输出端分别连接第一双工器、第三双工器的天线端端口；
第四电桥的零度输出端和负九十度输出端分别连接第二双工器、第四双工器的天线端端口；
第一双工器和第三双工器的射频发射端口分别通过第二移相元件形成第一发射端口；
第二双工器和第四双工器的射频发射端口分别通过第五移相元件形成第二发射端口；
第一双工器和第三双工器的射频接收端口分别通过第三移相元件形成第一接收端口；
第二双工器和第四双工器的射频接收端口分别通过第六移相元件形成第二接收端口。
2.根据权利要求1所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，第二移相元件和第五移相元件分别为九十度的第二电桥和第五电桥。
3.根据权利要求2所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，
第一双工器的射频发射端口连接第二电桥的输入端；第三双工器的射频发射端口连接第二电桥的隔离端；
第二双工器的射频发射端口连接第五电桥的输入端；第四双工器的射频发射端口连接第五电桥的隔离端；
第二电桥和第五电桥的零度输出端口分别连接电阻后接地；
第二电桥的负九十度输出端口连接第一发射端口；第五电桥的负九十度输出端口连接第二发射端口。
4.根据权利要求2所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，第三移相元件和第六移相元件分别为第三电桥和第六电桥。
5.根据权利要求4所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，
第一双工器的射频接收端口连接第三电桥的输入端；第三双工器的射频接收端口连接第三电桥的隔离端；
第二双工器的射频接收端口连接第六电桥的输入端；第四双工器的射频接收端口连接第六电桥的隔离端；
第三电桥和第六电桥的零度输出端口分别连接电阻后接地；
第三电桥的负九十度输出端口连接第一接收端口；第六电桥的负九十度输出端口连接第二接收端口。
6.根据权利要求2所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，第三移相元件和第六移相元件分别为第三九十度移相器和第六九十度移相器。
7.根据权利要求6所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，
第三双工器的射频接收端口连接第三九十度移相器后与第一双工器的射频接收端口形成第一接收差分端口；
第四双工器的射频接收端口连接第六九十度移相器后与第二双工器的射频接收端口形成第二接收差分端口。
8.根据权利要求1所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，
第一双工器和第三双工器结构相同，电性能相同；
第二双工器和第四双工器结构相同，电性能相同。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，所述电阻为五十欧姆电阻。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的四工器的拓扑结构，其特征在于，第一电桥和第四电桥的相位不平衡度小于三度。
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