CN1317793C - 双工器及通信设备 - Google Patents

Abstract

一种双工器，包括：与天线端子并联的发射(Tx)滤波器和接收(Tx)滤波器；以及位于所述天线端子与所述Tx滤波器和所述Rx滤波器中至少一个之间的匹配电路。所述匹配电路的一部分限定了针对谐波抑制的陷波电路。

Description

双工器及通信设备

技术领域

本发明涉及一种使用表面声波(SAW)滤波器的分路滤波器(双工器)，更具体地，涉及一种提供了谐波抑制和高浪涌电阻而无需增加部件数量和器件尺寸的分路滤波器，还涉及一种包括该双工器的通信设备。

背景技术

随着近来如便携式电话等移动通信设备的普及，增强了对诸如随着时间的增加而具有较少误操作等具有稳定操作的更薄、更小的便携式电话的需求。

这种便携式电话在发射器和接收器之间共享天线，以缩减尺寸。所述便携式电话包括用于分开发射高频信号与其中心频率不同于发射高频信号的接收高频信号的分路滤波器(此后，称为双工器或DPX)。双工器包括与天线相连的发射滤波器和接收滤波器。

图11示出了双工器50。例如，如日本未审专利申请公开No.6-350307中所述，双工器50包括位于天线(ANT)与接收(Rx)滤波器52之间的低通滤波器，该低通滤波器限定了用于抑制发射器(Tx)侧与接收器(Rx)侧之间的相互干扰的匹配电路。所述的低通滤波器具有包括并联电容器57和59以及串联电感器58在内的三部分结构。

双工器50的匹配电路使Rx滤波器52的阻抗在天线的另一滤波器的频率上，即发射(Tx)滤波器51的通带频率上为无限大。当对这些滤波器进行连接时，匹配电路还使滤波器的其中之一的阻抗在另一滤波器的通带频率处的变化最小，从而抑制相互干扰。

还要求双工器抑制谐波，尤其是二次和三次谐波。图12是典型便携式电话的电路方框图。在便携式电话中，功率放大器(PA)61与双工器50的Tx滤波器51的输入端相连，由于PA 61的特性引起了通信信号谐波。这种谐波也从天线发出，从而引起了噪声。为了克服此问题，在相关领域中，将隔离器连接在Tx滤波器51的输入端与PA 61之间、以虚线圈63所表示的位置上。

为了支持用在便携式电话中的高带通滤波器，考虑过使用小型表面声波滤波器(此后，称为SAW滤波器)。在SAW滤波器中，在压电基片上、沿SAW传播方向设置了具有多个交叉指型电极指的多个叉指式换能器(此后，称为IDT)。优选地，SAW滤波器还包括沿SAW传播方向、位于每个IDT两侧(右侧和左侧)的反射器。

但是，使用SAW滤波器的双工器存在的问题是，因为SAW滤波器的结构，在通带频率上的谐波(二次、三次、…、n次谐波)通过SAW滤波器。从PA 61输入的谐波也通过SAW滤波器，而引起噪声。

另一问题是，SAW滤波器的电极间距非常窄，如亚微米到2μm，导致了较低的浪涌电阻。在便携式电话使用期间，从天线输入的静电可能会破坏SAW滤波器，因而，需要ESD(静电放电)保护。

当日本未审专利申请公开No.6-350307中所示的上述双工器将SAW滤波器用作Tx滤波器51和Rx滤波器52，以便缩减双工器尺寸时，在Tx滤波器51与PA 61之间需要额外的隔离器，以抑制从PA 61输入到Tx滤波器51中的谐波，或者在天线与Tx滤波器51之间，需要额外的隔离器，以抑制该SAW滤波器中的谐波。如果双工器包括用于提高SAW滤波器的浪涌电阻的额外的保护电路，如隔离器和保护电路等部件数量增加，而双工器尺寸不可避免地增加。

日本未审专利申请公开No.7-226607公开了一种使用SAW滤波器的双工器，在所述SAW滤波器中，设置在多层绝缘基片的内层中的带状线(匹配电路)通过通孔与设置在基片主表面上的SAW滤波器相连。在此公开中所公开的双工器并未提供ESD保护。

日本未审专利申请公开No.2001-352271公开了一种与移动通信设备的天线相连的静电保护电路。在此公开中，并联传输线允许从天线输入的静电接地，防止了由于静电放电所引起的故障。但是，此静电保护电路并未提供谐波抑制，因此，需要针对谐波抑制的额外的陷波电路。

日本未审专利申请公开No.2001-127663公开了由并联电感器和串联电容器限定的、并且连接在天线和滤波器之间的电路被添加到用于静电保护的高频开关模块上。在此公开中，使用多层基片，以防止由于额外电路所需的空间而导致电路尺寸的增加。在此结构中，分别需要针对谐波抑制的陷波电路和针对静电保护的电路，因此，增加了部件数量。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的优选实施例提出了一种提供了谐波抑制和高浪涌电阻而无需增加部件数量或尺寸的双工器。

在本发明一个优选实施例中，提出了一种双工器，包括：与天线端子并联的发射滤波器和接收滤波器；以及位于所述天线端子与所述发射滤波器和所述接收滤波器中至少一个之间的匹配电路，所述匹配电路包括与所述天线端子相连的第一并联电容器；所述第一并联电容器包括：作为陷波电路的、与要抑制的高阶谐波相对应的至少一个开路短截线；以及连接在所述天线端子与地之间的并联电感器；在所述发射滤波器和所述接收滤波器的通带中，所述开路短截线是容性的，而且所述开路短截线与所述并联电感器的组合电抗是容性的，其中所述发射滤波器和所述接收滤波器中的每一个包括表面声波滤波器。

当在发射器和接收器之间共享天线时，匹配电路防止了Tx滤波器与Rx滤波器之间的相互干扰。因此，由于共享天线，包括所述双工器的通信设备较为紧凑，并获得了稳定的发射和接收特性。

由于匹配电路的一部分用作针对谐波抑制的陷波电路，对谐波进行了抑制，而无需如现有技术中的隔离器等任何额外的部件。

在所述双工器中，所述陷波电路最好包括至少一个与要抑制的谐波相对应的开路短截线(open stub)。例如，最好将所述开路短截线内建在多层基片中，以缩减所述双工器的尺寸。

所述匹配电路最好包括连接在天线端子与地之间的并联电感器。所述并联电感器用于控制所述匹配电路的电容量，从而获得所需的匹配电路特性。此外，如果诸如静电放电等高压浪涌电流施加在天线上，该并联电感器允许该浪涌电流接地，而保护Rx滤波器不受浪涌电流的影响。因而，极大地增加了浪涌电阻。

优选地，在所述Tx滤波器和所述Rx滤波器的通带中，所述开路短截线是容性的，而且所述开路短截线与所述并联电感器的组合电抗是容性的。这样有助于对匹配电路的特性进行控制。

优选地，所述并联电感器具有大约20或更高的品质因数(Q因数)。这种高Q并联电感器改进了如插入损耗等双工器的特性。

优选地，所述匹配电路包括与所述天线端子相连的第一并联电容器、串联电感和第二并联电容器，而且所述第一并联电容器包括所述陷波电路。

所述双工器包括：用于容纳所述Tx滤波器和所述Rx滤波器的外壳或者用于容纳所述Tx滤波器和所述Rx滤波器中的每一个的外壳；以及包括所述外壳和安装在其上的所述匹配电路的一部分的多层基片。由于将所述匹配电路的一部分安装在所述多层基片上，方便地，容易对所述匹配电路进行控制，并将高Q电感器用于所述匹配电路。

所述陷波电路最好内建在所述多层基片中。内建在多层基片中的陷波电路进一步缩减了所述双工器的尺寸。

所述匹配电路的所述并联电感器最好是片状线圈或高Q电感器，对其特性是有利的。

所述匹配电路的所述并联电感器最好是内建在所述多层基片中的短路短截线(short stub)。这样进一步缩减了所述双工器的尺寸。

所述双工器最好包括用于容纳所述Tx滤波器和所述Rx滤波器的外壳，而且此外壳最好也容纳所述匹配电路。这样也缩减了所述双工器的尺寸。

所述匹配电路的所述并联电感器最好是螺旋形微带线。在所述双工器中，所述Tx滤波器和所述Rx滤波器中的每一个最好是表面声波(SAW)滤波器。在所述双工器中，所述Tx滤波器最好是具有与所述天线相连的第一串联SAW谐振器的梯形SAW滤波器。所述Tx滤波器和所述Rx滤波器中的每一个均是提高所述浪涌电阻的SAW滤波器。

按照本发明的另一优选实施例，一种通信设备包括具有上述结构的双工器。

通过以下结合附图对优选实施例的描述，本发明的上述和其他元素、特性、特征、步骤和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1A是按照本发明第一优选实施例的双工器的电路方框图；

图1B是双工器的开路短截线的平面图；

图2A到图2C是双工器的外部透视图，示出了组装程序；

图3A是按照本发明第二优选实施例的双工器的电路方框图；

图3B是双工器的开路短截线和并联电感器的平面图；

图4A到图4C是双工器的外部透视图，示出了组装程序；

图5是与现有技术的双工器相比，示出了在本发明优选实施例的双工器中降低了二次和三次谐波的曲线图；

图6是示出了第一和第二优选实施例的双工器以及现有技术的双工器的浪涌抗扰性测试的曲线图；

图7是示出了在并联电感器的Q因数变化时，第一优选实施例的双工器的插入损耗变化的曲线图；

图8是示出了在并联电感器的Q因数变化时，第一优选实施例的双工器的插入损耗变化的曲线图；

图9是示出了在螺旋形图案与曲折形图案方面，双工器的微带线长度与电感之间的关系的曲线图；

图10A是曲折形微带线的平面图；

图10B是螺旋形微带线的平面图；

图11是现有技术双工器的电路方框图；以及

图12是现有技术便携式电话的电路方框图。

具体实施方式

现在，将参照图1A到图10B，对本发明的优选实施例进行描述。

第一优选实施例

图1A是按照本发明第一优选实施例的双工器的电路图，并且图1B是双工器的开路短截线的平面图。图2A到图2C是按照本发明第一优选实施例的双工器的外部透视图，示出了组装程序。

如图1A所示，双工器包括：向其输入发射(Tx)信号的输入端4；从其输出接收信号(Rx)的输出端；以及限定了向其输入发射信号以及从其中输出接收信号的共享输入/输出端的天线(ANT)端子3。

双工器还包括由各自分别在输入和输出侧具有串联谐振器的T形梯式SAW滤波器，即Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2限定的Tx信号和Rx信号带通滤波器(BPF)。

Tx SAW滤波器1连接在天线端子3与输入端4之间。Rx SAW滤波器2连接在天线端子3与输出端5之间。如图2A和2B所示，最好将Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2安装在单一的外壳18中。

如图1A所示，双工器还包括具有连接在天线端子3与Tx SAW滤波器1之间的电容器6以及连接在天线端子3与Rx SAW滤波器2之间的第一并联电容器14、串联电感器8和第二并联电容器7的匹配电路15。

第一电容器14连接在天线端子3与地之间。电感器8连接在天线端子3与Rx SAW滤波器2之间。第二电容器7连接在Rx SAW滤波器2与地之间。

电容器6、第一电容器14、电感器8和第二电容器7确定了用于阻抗匹配的匹配电路15。匹配电路15是用于将阻抗与天线端子条件进行匹配的电路。具体地，阻抗匹配电路15进行以下阻抗匹配，例如，在Rx SAW滤波器2的带通频率处，Tx SAW滤波器1的阻抗尽可能地开路，而Rx SAW滤波器2的阻抗尽可能多地与天线端子条件相匹配等。

匹配电路15也进行以下阻抗匹配，例如，在Tx SAW滤波器1的带通频率处，Rx SAW滤波器2的阻抗尽可能地开路，而Tx SAW滤波器1的阻抗尽可能多地与天线端子条件相匹配等。

双工器的Tx SAW滤波器1必须具有衰减极点位于Rx滤波器2的通带中的特性。另一方面，Rx SAW滤波器2必须具有衰减极点位于Tx滤波器1的通带中的特性。高频范围内的衰减极点用于Rx SAW滤波器2通带中的衰减。

因此，针对谐波抑制的衰减极点不能用在双工器的Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2中。一种典型的谐波抑制方案是增加陷波电路，但考虑到尺寸缩减，并不希望如此。

在第一优选实施例中，第一电容器14包括由微带线限定的开路短截线(陷波电路)9和10，以便将衰减极点分别设置在Tx频带的二次和三次谐波发生的频率上。开路短截线9和10分别提供了对Tx频带的二次和三次谐波的抑制。

由于开路短截线9抑制了二次谐波，而开路短截线10抑制了三次谐波，开路短截线9和10具有不同的长度，分别大约是二次和三次谐波波长(λ)的四分之一。

通常，开路短截线在低于谐振点的频率范围内是容性的，而在高于谐振点的频率范围内是感性的。因此，用于谐波抑制的开路短截线9和10在带通频率处是容性的。

也称为短截线谐振器的短截线是在传输线的长度等于λ/4的偶数倍处短路(短路短截线)或在传输线的长度等于λ/4的奇数倍处开路(开路短截线)的、具有零阻抗的串联谐振器；或者该短截线是在传输线的长度等于λ/4的奇数倍处短路或在传输线的长度等于λ/4的偶数倍处开路的、具有∞阻抗的并联谐振器，其中λ表示所需衰减极点频率的波长。

如图1B所示，将开路短截线9和10设置在多层基片12中。由于将开路短截线9和10的微带线设置在多层基片12的层中，具有开路短截线9和10的多层基片12只比不具有开路短截线9和10的多层基片12厚50μm，而且具有与不具有开路短截线9和10的多层基片12几乎相同的沿其平面方向的横截面积(即，占用面积)。因此，基本上未增加多层基片12的尺寸。

开路短截线9和10用作通带中的并联电容器，并调整开路短截线9和10的长度，从而分别抑制Tx频带的二次和三次谐波。从而，固定了开路短截线9和10的电容量。

在双工器中，针对电容量控制的并联电感器11连接在天线端子3和地之间，以获得第一电容器14所需的电容量。

将由第一电容器6和第二电容器7所限定的两个多层电容器、由电感器8和11所限定的两个绕线型片状线圈、以及外壳18表面安装在多层基片12上。具体地，并联电感器11最好是Q因数至少为大约20的绕线型片状线圈。芯片部件(chip component)通过事先设置在多层基片12的安装表面上的信号线相互连接。在将部件安装在多层基片12的表面上以后，将金属盖20安装在多层基片12上，从而覆盖所安装的部件，由此提供了第一优选实施例的双工器。

双工器包括SAW滤波器，即Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2，因而实现了尺寸缩减。匹配电路15由第一并联电容器14、串联电感器8和第二并联电容器7所限定，而且第一并联电容器14由开路短截线(陷波电路)9和10以及并联电感器11所限定，从而同时实现了谐波抑制和静电放电(ESD)保护。

第二实施例

现在，将参照图3A到图4C，对本发明第二优选实施例的双工器进行描述。在第二优选实施例中，以相同的参考符号表示具有与第一优选实施例中的那些部件相似功能的部件，并省略了对其的描述。

如图3A所示，按照第二优选实施例的双工器包括微带线并联电感器16，代替了由第一优选实施例中的绕线型片状线圈所限定的并联电感器11。

与地短路的微带线并联电感器16也被称为短路短截线、半波长线或短接短截线，并且对特定的特征频率进行固有的衰减。但是，在第二优选实施例中，并联电感器16只是用作电感器。

通常，短路短截线在低于反谐振点的频率处是感性的，在从反谐振点到谐振点的频率上是容性的，而在高于谐振点的频率处是感性的。在第二优选实施例中，最好设置作为短路短截线的并联电感器16的长度，从而使其在Rx SAW滤波器2的通带中是感性的。

如图3B所示，例如，将并联电感器16的微带线设置在多层基片12中、与其中设置有开路短截线9和10的层相同的层中。

并联电感器16的微带线可以具有曲折形图案或螺旋形图案，但最好具有螺旋形图案以缩减其尺寸。这种形成了图案的微带线的一端通过沿着厚度方向设置在多层基片12中的通孔(未示出)与设置在多层基片12反面的接地图案相连。并联电感器16的微带线具有位于高于通带的频率范围内的谐振点。因此，并联电感器16在通带中具有感性成分。

在第二优选实施例中，在缩减安装部件数量的同时，实现了谐波抑制和高浪涌电阻。由于微带线限定了对电容量进行控制的并联电感器16，可以将微带线内建在多层基片12的分层结构中，而且并联电容器16获得了与安装在多层基片12的表面上的第一优选实施例的并联电感器11相似的优点。此外，并联电感器16的微带线需要更小的空间，从而缩减了双工器的尺寸。

如图4A和图4B所示，在第二优选实施例的双工器中，将电容器6、第二电容器7、电感器8、Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2表面安装在多层基片12上。这些芯片部件通过事先设置在多层基片12的安装表面上的信号线相互连接。在将这些部件安装在多层基片12的表面上以后，将金属盖22安装在多层基片12上，从而覆盖所安装的部件，由此产生了第二优选实施例的双工器。

在第二优选实施例中，将Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2安装在分离的外壳中。但是，也可以将SAW滤波器1和2安装在单一的外壳中。在第一和第二优选实施例中，作为BPF的Tx SAW滤波器1和Rx SAW滤波器2中的每一个最好是在输入和输出侧具有串联谐振器的T形梯式SAW滤波器。但是，滤波器1和2中的每一个也可以是以并联谐振器开始的π形梯式滤波器。

如便携式电话等包括上述双工器的通信设备通过开路短截线9和10对来自Tx SAW滤波器1的谐波进行抑制，从而极大地改进了设备的噪声性能。

为了测试利用开路短截线9和10的谐波抑制能力，针对频率，测试了第一优选实施例的双工器、以及作为比较示例且包括标准多层电容器以代替第一电容器14的现有技术的双工器的插入损耗。在图5中示出了结果，其中，以实线表示第一优选实施例的双工器，而以虚线表示比较示例的双工器，表1如下：

表1

	二次谐波(dB)	三次谐波(dB)
			具有开路短截线的双工器	13.16	4.59
不具有开路短截线的双工器	38.71	37.12

如图5和表1所示，分别针对二次和三次谐波的波长，大体上调整开路短截线9和10的谐振点，从而抑制来自功率放大器和SAW滤波器的谐波或寄生成分。

针对按照本发明第一和第二优选实施例的双工器，执行浪涌抗扰性测试。在图6中示出了测试结果。在图6中绘出、表示相对于所施加的电压由静电所引起的故障率的工作曲线如下：

比较示例：×-×，故障/数据::30/30，γ＝0.0

m(1)＝4.56，μ(1)＝2.33e+002

第二实施例：+-+，故障/数据::30/30，γ＝0.0

m(1)＝3.36，μ(1)＝3.79e+003

第一实施例：*-*，故障/数据::30/30，γ＝0.0

m(1)＝3.28，μ(1)＝3.95e+003

其中m表示斜率，而μ表示63％的可能性时施加的电压。m和μ越大，浪涌电阻就越高。

如图6所示，按照本发明第一和第二优选实施例的双工器具有高于比较示例的双工器的浪涌电阻，并提供了所便携式电话等设备更高的电持久性。在本发明的优选实施例中，最好将并联电感器11或16连接在天线和Tx(或Rx)侧之间，从而允许来自天线的输入静电浪涌电流通过并联电感器11或16接地。因而，防止浪涌电流到达SAW滤波器，并极大地增加了浪涌电阻。

由于最好将T形梯式SAW滤波器用在第一和第二优选实施例中，分散了施加在一个谐振器上的电压，从而提高了浪涌电阻。

因为由设置在多层基片12的分层结构中的微带线限定了开路短截线9和10，而且将这些微带线所需的空间内建在多层基片12中，消除了增加双工器表面积的需要，所以获得了上述优点，即谐波抑制和高浪涌电阻，而无需增加双工器尺寸。

因为开路短截线9和10在通带中用作并联电容器，从而消除了对诸如多层电容器等由芯片限定的传统并联电容器的需要，本发明优选实施例的双工器比其中由芯片(chip)限定了匹配电路15的所有电容器和电感器的双工器更少的部件。由所安装的并联电感器，对开路短截线9和10所产生的电容进行控制。因此，并未增加所需部件的数量。

当并联电感器的Q因数在大约1到大约100的范围内变化时，测量了本发明优选实施例的双工器的插入损耗。在图7和图8中示出了结果。可以发现，并联电感器的Q因数最好至少为大约20。通常，绕线型片状线圈部件具有比微带线电感器更高的Q因数。因此，考虑到双工器插入损耗的最小恶化，更为有利的是，由绕线型片状线圈来限定并联电感器。

图9示出了在双工器的微带线是图10A所示的曲折形微带线32时，以及在微带线是图10B所示的螺旋形微带线34时，电感与微带线长度之间的关系。螺旋形微带线34具有比曲折形微带线32更短的图案长度，因此，需要更小的空间。

在螺旋形微带线34中，信号在相邻的线路部分中沿相同的方向流动，因此，使其难以消除由电流所产生的磁场。另一方面，在曲折形微带线32中，信号在相邻的线路部分中沿相反方向流动，因此，易于消除由电流所产生的磁场。螺旋形微带线34产生较低的磁耦合，并具有较低的由于磁耦合所引起的感应损耗。因此，螺旋形微带线34具有较短的图案长度。

在日本未审专利申请公开No.7-226607中所公开的双工器的优选实施例中，由开路短截线限定了衰减极点。但是，在此公开中所公开的双工器包括具有与本发明的匹配电路不同结构的匹配电路。

本发明并不局限于上述优选实施例的每一个，在权利要求所描述的范围内，多种修改都是可能的。通过适当地组合在不同优选实施例的每一个中所公开的技术特征所获得的实施例包括在本发明的技术范围内。

Claims (13)

1、一种双工器，包括：

与天线端子并联的发射滤波器和接收滤波器；以及

位于所述天线端子与所述发射滤波器和所述接收滤波器中至少一个之间的匹配电路，

所述匹配电路包括与所述天线端子相连的第一并联电容器；

所述第一并联电容器包括：作为陷波电路的、与要抑制的高阶谐波相对应的至少一个开路短截线；以及连接在所述天线端子与地之间的并联电感器；

在所述发射滤波器和所述接收滤波器的通带中，所述开路短截线是容性的，而且所述开路短截线与所述并联电感器的组合电抗是容性的，

其中所述发射滤波器和所述接收滤波器中的每一个包括表面声波滤波器。

2、按照权利要求1所述的双工器，其特征在于所述匹配电路还包括串联电感器和第二并联电容器，所述串联电感器的一端与所述天线端子相连，而所述串联电感器的另一端与所述第二并联电容器相连。

3、按照权利要求1所述的双工器，其特征在于所述并联电感器具有至少20的品质因数。

4、按照权利要求1所述的双工器，其特征在于还包括：

至少一个外壳，用于容纳所述发射滤波器和所述接收滤波器中的至少一个；以及

使所述外壳和所述匹配电路的一部分安装在其上的多层基片。

5、按照权利要求4所述的双工器，其特征在于将所述陷波电路设置在所述多层基片中。

6、按照权利要求4所述的双工器，其特征在于所述匹配电路的所述并联电感器包括片状线圈。

7、按照权利要求4所述的双工器，其特征在于所述匹配电路的所述并联电感器包括设置在所述多层基片中的短路短截线。

8、按照权利要求1所述的双工器，其特征在于还包括用于容纳所述发射滤波器和所述接收滤波器的外壳，其中所述外壳也容纳所述匹配电路。

9、按照权利要求7所述的双工器，其特征在于所述匹配电路的所述并联电感器包括螺旋形微带线。

10、按照权利要求1所述的双工器，其特征在于所述发射滤波器包括具有与所述天线侧相连的第一串联SAW谐振器的梯形SAW滤波器。

11、按照权利要求1所述的双工器，其特征在于所述并联电感器是绕线型片状线圈。

12、按照权利要求10所述的双工器，其特征在于所述梯形SAW滤波器是T形梯式SAW滤波器。

13、一种包括按照权利要求1所述的双工器的通信设备。

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