CN1411632A - 具有改善的发射/接收频带分离的双工器 - Google Patents

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Abstract

在一个用于无线通信系统的双工器中建议，该系统具有发射和接收频带，预先规定分开的表面波滤波器作为输入和/或输出滤波器，其包括至少二个分滤波器，分滤波器覆盖相应频带的相邻频率范围并且补充为整个频带。预先规定至少二对分滤波器，每对分别包含在输入和输出滤波器中的一个滤波器。借助于开关可以在至少二对之间转换。在双工频带保持不变的情况下在发射和接收频带或者相应的分频率范围之间产生较高的频带间隔，以OFW滤波器可以达到该间隔。

Description

具有改善的发射/接收频带分离的双工器
在无线通信系统中、特别是在移动无线系统中、该系统不允许TDD(时域双工)、通常预先规定二个不同的频带，从通信用户方面看来这二个频带用作发射和接收频带。在通信终端设备中、特别是在移动无线设备(手持)中一个公共的天线用于发射和接收信号。为了分离发射和接收信号因此一般需要一个双工器，其连接在天线和发射与接收路径之间。一个如此的双工器主要包括二个互相错接的滤波器，即在天线和Rx路径(LAN＝低噪声放大器)之间用于接收信号的一个RX滤波器和在Tx路径(PA＝功率放大器)和天线之间用于发射信号的Tx滤波器。
由于通信系统必须可以同时发射并接受，所以二个滤波器中的每一个滤波器必需可以很好地抑制在另一个频带中的信号。在如此的无线通信系统中例如对于抑制通过Rx滤波器的Tx频带所要求的典型值处在50dB和更大的范围内。同时各自信号当在各自频带内通过滤波器是紧紧允许最小的损耗。Tx频带在Tx滤波器中最小允许的衰减的典型值是2dB或更好。
例如由微波陶瓷滤波器建立满足这种对频带分离(截止范围抑制)和插入衰减的高要求的已知双工器。在TX和Rx频带的足够频带间隔的情况下也可以应用表面波滤波器。可是如果TX和Rx频带靠的非常尽，则以OFW滤波器非常困难或甚至不能同时满足所有要求。如此系统的一个实例是美国的CDMA/TDMA-1900(根据IS-95或者IS-136)，在该系统中发射和接收频带分为60MHz宽，并且在该系统中预先规定80MHz的双工间隔(＝在发射和接收信号之间的恒定间隔)。在上述带宽的情况下对此在二个频带之间仅仅保持20MHz的间隔，在上述频带情况下这相当于大约10000PPM。在仅仅20MHz内部对此各自滤波器从例如2dB衰减的通带范围转变为截止范围，在该截止范围内例如要求上述的50dB衰减。这要求一个这样的传输特性，其在通带内具有陡峭的边缘。因为还要附加考虑滤波器的依赖温度的频率漂移以及生产公差，目前不可能仅仅在OFW滤波器技术的基础上建立一个如此的双工器。为此需要一个具有带有极端陡峭边缘的OFW滤波器。
因此本发明的任务是，为如此的通信系统给出一个双工器，其能够应用OFW滤波器技术并且因此允许双工器的进一步小型化。
以按照权利要求1的双工器解决该任务。从属权利要求中得出本发明的有益扩展。
本发明基于这种想法，在天线和RX路径之间(接收滤波器)并且在天线和TX路径之间(发射滤波器)的至少一个滤波器包括至少二个分滤波器，其通带处在所有求得发射或者接收频带的彼此相邻的分频率范围内，并且对此覆盖整个频带。这些作为表面波滤波器形成的分滤波器与目前应用的滤波器相比可以是相应窄带的。例如二个分滤波器中的每一个滤波器还仅仅可以覆盖相应的发射或者接收频带的半个带宽。从二个分频率范围的相加得出相应发射或者接收频带的所要求的整个带宽。
对于窄带的OFW滤波器能够更好地最佳化，特别能够形成在通带内较陡峭的边缘。以仅仅一个在该陡度内改善的边缘，只要该边缘把相应的发射或接收频带同相邻的接收或者发射频带隔开，则能够更好地分离边带。因此分开的滤波器可以形成为OFW滤波器，这在目前根据非陡峭的准确可调整的边缘和低的带宽比不可能。本发明以分滤波器的较陡峭的边缘也能够更好地抑制50dB和更高的另外的频带(发射或者接收频带)。此外在应用OFW滤波器的情况下取消了在传统的由微波陶瓷(MWK)形成的双工器中为了调整频率要求的补偿。
主要不仅输入滤波器而且输出滤波器也作为分开的表面波滤波器形成。因此根据本发明的双工器完全包括OFW滤波器，如此可以完整利用OFW滤波器与传统的MWK滤波器或者双工器相比的优点。特别是以一个仅仅包括OFW滤波器的双工器能够进一步小型化，这也能够进一步小型化相应的终端设备，在该设备中应用根据本发明的双工器。由于在发射频带内和在接收频带内为分频率范围预先规定分滤波器，该频带比整个频带窄，所以能够简单抑制各另外的频带或者分频率范围。如果目前例如对于美国CDMA1900系统应用60MHz带宽的输入和输出滤波器，则当在二个频带(频率范围)之间80MHz的双工间隔的情况下20MHz的最大间隔保持不变。根据本发明以分为至少二个分滤波器的输入和输出滤波器50MHz的间隔是可能的。因此在相应通带非最佳边缘的情况下能够实现更好地抑制各另外的频带。通过仅仅建立OFW滤波器也能够单芯片解决双工器的全部滤波器。
在根据本发明的双工器中此外可以预先规定开关用于在分滤波器之间的转换并因此用于在分频率范围之间的转换。通过开关的预先规定分开的OFW滤波器中的分别始终仅仅一个滤波器与天线连接，如此这个或这些另外的分滤波器不妨碍“主”分滤波器的特性。因此这也可能的，即分滤波器相互独立地关于适当的频率和适当的边缘陡度最佳化。如果输入和输出滤波器作为分开的OFW滤波器形成，当然给输入滤波器的每一个滤波器分配输出滤波器的一个滤波器，这些滤波器共同形成一个分滤波器对。借助于公共开关或二个单独开关可以同步地从一个主滤波器转换到目前从属另外的分滤波器对。对此给分频率范围分配分滤波器，即遵循双工间隔。对此通常在输入滤波器中和在输出滤波器中的分滤波器的频率偏移各相同的数值。这种偏移始终成对地出现。
在一个另外的有益扩展中用于发射和接收的双工器在至少二个不同的通信系统内形成，这二个系统使用不同的频带。这以简单的方式实现，即通过相应倍增输入和输出滤波器和附属开关的数目。对于每个通信系统、对于该系统配置根据本发明双工器、因此预先规定一个独特组的输入和输出滤波器和附属开关。例如目前已知这样的终端设备，其预先规定在二个不同通信系统中使用(双频带手持设备)并且对于每个这样的系统使用一个特有的双工器。根据本发明也能够设计一种适合于多于二个通信系统的双工器。
在本发明的另外扩展中开关不仅可以在一个通信系统内部在分滤波器对之间转换而且也可以在分滤波器对之间转换，二个不同的通信系统是从属的。对此也可以改变双工间隔并因此改变在分滤波器对的分频率范围之间的间隔。如果二个通信系统彼此平行存在并且具有不同的覆盖度，则当然对于一个使用根据本发明的双工器的通信终端设备能够更好地网络覆盖。如果在不同的国家使用不同的通信系统，则相应配备的通信终端设备可以过境用在二个系统中。对此共同的优点是，对于不同的通信系统仅仅需要一个双工器。对此在二个通信系统中输入和/或输出滤波器可以分成二个或更多的分滤波器。可是这也是可能的，即一个通信系统具有足够高的双工间隔，借助于输入和输出滤波器的一个OFW滤波器可以实现该间隔。在与具有分开的输入和/或输出滤波器的通信系统的组合中如此对于根据本发明的双工器得出一种在至少三对滤波器之间的转换可能性，其中至少二个滤波器对基于OFW。
主要在一个公共的机壳或至少在在一个公共模块上布置双工器的全部输入和输出滤波器并且也许还布置用于此的开关。终端设备生产商简单操作如此布置并且能够简单地最佳化特性。
接下来对于接收频带和发射频带主要由表明波滤波器形成根据本发明的双工器，所有滤波器集成在一个公共的压电基片上或布置在二个基片上。根据对此可能的高集成密度以最先列举的实施达到双工器的最高小型化程度。在一个公共的基片上也能够共同应用不同滤波器的另外的开关元件和网络元件，这得出集成密度的进一步提高。在公共基片上此外滤波器能够简单相互匹配并且滤波器能够匹配网络。
此外这是可能的，全部滤波器和分滤波器与网络对无源元件和开关的同样要求的匹配一起集成在一个公共模块上。这也简化了可操作性并简化了应用，因为终端设备生产商仅仅需要制造一个模块。
对于表面波滤波器和OFW分滤波器优选具有35至46°切割角的红色钽酸锂y(LT35-46)作为基片材料。这种材料有特别好的温度变化过程，以这种材料能够调整具有窄的带宽和陡峭边缘的传输特性。
由于以根据本发明的双工器根据在分频率范围之间的较高间隔不太陡峭的边缘也导致在发射频带和接收频带之间所希望的去耦，所以原则上也能够应用具有60-70°切割角(LN60-70)和特别是接近64°切割角(LT64)的红色铌酸锂y。因此与钽酸锂相比能够实现较低的插入衰减。这特别是在对于输出滤波器应用铌酸锂的情况下是有好处的，因为特别是在通信终端设备中力求高的发射功率，对于该终端设备还要求低的插入衰减。在发射功率保持不变的情况下低的插入衰减引起较低的电流需求。
这也是可能的，对于输入和输出滤波器预先规定在不同基片材料上建立的OFW滤波器，对此对于输出滤波器优选铌酸锂，对于输入滤波器优选钽酸锂。
为了实现好的滤波器性能电极材料主要是相应功率稳定的。因此更好地适用这样的电极，其具有如下的材料层或者带有如下材料层组合的夹层结构：铝层和铜层，铝层和镁层或铝层/铜层和铜层或镁层。
如果在电极材料和基片之间预先规定一个包含钛的层、特别是预先规定一个钛层，则也实现一个改善的功率协调性。
根据本发明的双工器的表面波滤波器主要形成为电抗滤波器，以该滤波器特别是在输出滤波器中更好地实现所要求的高插入衰减。
下面根据实施例和附图详细阐述本发明。
图1指出了发射和接收频带的位置和布置。
图2指出了一个实际的滤波器特性曲线。
图3指出了根据本发明的分频率范围的布置和位置。
图4至6指出了包含外围设备的双工器的独特的若干集成级。
图7指出了单门谐振器例如错接为一个电抗滤波器。
图1以图解描述指出了美国CDMA-1900系统的发射频带TX和接收频带RX的布置和位置。发射频带TX从1850至1910MHz并因此是60MHz宽。接收频带RX从1930至1990MHz并因此同样宽度为60MHz。从通信终端设备看来一个通信连接例如使用处在发射频带TX中的发射频率fxT，同时为此适使用在接收频带RX中的一个接收频率fxR。在fxt和fxR之间的间隔是所谓的双工间隔DA并且对于上述CDMA系统为80MHz。对于在这个系统内部的通信连接使用所有具有双工间隔80MHz的频率对。在发射频带TX和接收频带RX之间的间隔BA为20MHz。
图2以图解描述指出了具有对此描绘所要求的带宽，在此是发射频带TX，的滤波器的一个可能的通带曲线。相应地对于滤波器特性是插入衰减ED。这在相应的频带内是从零衰减的所画的零线到通带曲线的较大间隔。通常通带范围也宽于各自带宽的所要求的频率范围，因为滤波器的边缘在同带范围(带通)内不可能调整为垂直。在这个在该图中描述的发射滤波器的通带曲线中右边缘Fre是十分重要的，其向右把该通带同相邻的接收频带RX的频率范围隔开。该边缘必须是足够陡峭的，因此在此输入滤波器在接收频带RX的范围内具有足够低的灵敏度或者足够高的介值范围抑制SU。对于相应的输入滤波器通带范围的左边缘Fli是十分重要的，其向左把接收频带RX同接收频带TX隔开。
图3指出，根据本发明发射和接收范围TX、RX分隔为在此相同带宽的二个频率范围。对此给发射频带的一个频率范围TX1、TX2分别如此分配接收频带的一个频率范围RX1、RX2，即可以遵循双工间隔DA。例如给发射频率fxT在所要求的例如80MHz的双工间隔内分配一个接收频率fxR。然而在已知的双工器中在发射和接收频带之间的间隔BA相当于间隔f1R-f3T，在根据本发明的分开的发射或者接收频带或者附属滤波器中该间隔为f1R-f2T＝f2R-F3T＝50MHz(对于上述CDMA系统)。属于相应分频率范围的滤波器在相应的分频率范围内具有一个通带。根据较高的频带间隔BA为此当然可以选择具有不太陡峭边缘的滤波器，其仍然达到典型的50dB的所要求的截止范围抑制SU。
除了在此描述的、发射和接收频带划分为二个分频率范围Tx1、Tx2；Rx1、Rx2之外，当然也能够把相应的频带化分为三个或更多的分频率范围，其中对于每个分频率范围预先规定一个自身的分滤波器。
图4以图解描述指出了一个包括四个分滤波器FR1、FR2、FT1、FT2的双工器连同其与天线A和附属发射路径PA和接收路径LAN的错接。不仅输入滤波器而且输出滤波器作为分开的具有各二个分滤波器的表面波滤波器形成。输入滤波器包含分滤波器FR1和FR2，而输出滤波器包含分滤波器FR1、FR2。在天线A和包括四个分滤波器的双工器之间布置一个开关S，其可以在二个分滤波器对FT1/FR1和FT2/FR2之间转换。对此一个分滤波器对分别包含一个由输入和输出滤波器形成的滤波器、例如对FR1/FT1或FR2/FT2。另外的开关S′、S″-例如使接收路径LAN的元件与输入滤波器连接，其中开关S′在输入滤波器的分滤波器之间转换。相应地开关S″在不同的输出滤波器FT1和FT2之间转接，其有选择地与发射路径PA的元件连接。以描绘的虚线表明一个模块M1，在该模块上集成四个分滤波器。例如包括无缘元件象电阻、电容和电感或带状导线(在图中没有描述)的匹配网络同样象开关S一样在模块的外部实现。
图5指出了一个相应的布置，可是在该布置中在一个放大的模块M2上除了分滤波器之外还附加集成了匹配网络。
在图6中描述了较高集成的模块M3。该模块M3除了分滤波器外还附加包含匹配网络和开关S。
图7以图解描述指出了一个由表面波-单门谐振器建立的电抗滤波器的电路布置。OFW单门谐振器建立在一个压电基片1上，并且包含一个具备二个终端的内部数字转换器IDT，其布置在二个反射器Ref之间。对于一个简单的电抗滤波器至少二个如此的单门谐振器如此错接，至少谐振器中的一个谐振器串联布置在输入端ES和输出端AS之间，并且至少谐振器中的一个谐振器在并联支路中与地连接。一个串联的谐振器、例如R1S与一个相邻的并联谐振器R1P一起形成电抗滤波器的基本单元。可是一个电抗滤波器主要包括多个串联的基本单元，例如象在图中描述的包括三个基本单元。在实施例中谐振器R2S和R1P以及R2S和R2P形成二个另外的基本单元。在基本单元内并联和串联谐振器的谐振频率如此相互偏移，即串联谐振器的反谐振频率正好处于并联谐振器的谐振频率上。对此滤波器表明具有通带的通向特性曲线，其具有例如2dB和更少的特别低的插入衰减。
仅仅示范性地为本发明的可能扩展举了实施例。可是本发明不局限于此并且可以包含另外没有描述的变体。
参考符号表
Tx 发射频带
Rx 接收频带
SU 截止范围抑制
ED 插入衰减
fxT 发射频率
fxR 接收频率
Fli、Fre 通带的左和右边缘
Tx1、Tx2 发射频带的分频率范围
Rx1、Rx2 接收频带的分频率范围
FR1、FR2 分开的输入滤波器的分滤波器
FT1、FT2 分开的输出滤波器的分滤波器
A 天线
S、S′、S″ 开关
LNA Rx路径的低噪声放大器
PA Tx路径的功率放大器
M1、M2、M3 模块
R1S、R2S 在串联支路中的单门谐振器
R1P、R2P 在并联支路中的单门谐振器
ES 串联支路的输入端
AS 串联支路的输出端
Ref 反射器
IDT 内部数字转换器

Claims (17)

1.用于无线的、具有发射和接收频带(Tx、Rx)的通信系统的双工器，
-其中对于发射和接收频带或者对于发射和接收信号预先规定不同的滤波器作为输入和输出滤波器，
-其中至少输入和输出滤波器中的一个形成为具有至少二个、覆盖发射或者接收频带的相邻分频率范围的分滤波器(FR1、FR2；FT1、FT2)的分开的表面波滤波器。
2.按照权利要求1的双工器，其中输入和输出滤波器形成为分开的表面波滤波器(FR1、FR2；FT1、FT2)。
3.按照权利要求1或2的双工器，其中预先规定一个开关(S)用于在分滤波器(FR1、FR2；FT1、FT2)之间的转换并因此在分频率范围(Rx1、Rx2；Tx1、Tx2)之间的转换。
4.按照权利要求1-3之一的双工器，为了在使用至少二个不同的频带的通信系统中的发射和接收形成该双工器，其中对于至少二个频带(Rx、Tx)预先规定用作输入和/或输出滤波器的分开的表面波滤波器(FR1、FR2；FT1、FT2)。
5.按照权利要求1-4之一的双工器，
-其中输入和输出滤波器形成为分开的表面波滤波器，
-具有各至少二个覆盖发射或者接收频带(Rx、Tx)的相邻分频率范围(Rx1、Rx2；Tx1、Tx2)的分滤波器，
-其中给输入滤波器的第一分滤波器(FT1)如此分配输出滤波器的第一分滤波器(FR1)，并且给输入滤波器的第二分滤波器(FT2)如此分配输出滤波器的第二分滤波器(FR2)，即对于每个第二分滤波器的频率范围同向地朝着第一分滤波器的相应频率范围偏移，
-在该双工器中预先规定开关(S)用于在相互分配的分滤波器对(FR1、FT1；FR2、FT2)之间的转换。
6.按照权利要求1-5之一的双工器，其中作为分开的表面波滤波器(FR1、FR2；FT1、FT2)形成的输入和/或输出滤波器包含多于二个的分滤波器。
7.按照权利要求1-6之一的双工器，其中全部的输入和输出滤波器和开关(S)布置在一个公共的机壳内。
8.按照权利要求7的双工器，其中在一个公共的压电基片上形成全部的输入和输出滤波器。
9.按照权利要求7或8的双工器，其中匹配网络和全部存在的滤波器或分滤波器集成在一个公共的模块(M)上。
10.按照权利要求7-9之一的双工器，其中开关(S)布置在具有滤波器的公共基片上。
11.按照权利要求1-10之一的双工器，其中至少输入和输出滤波器中的一个滤波器的基片材料包含具有35至44°切割角-LT35-44-的红钽酸锂y。
12.按照权利要求1-10之一的双工器，其中至少输入和输出滤波器中的一个滤波器的基片材料是具有60至70°切割角-LN60-70-和特别具有接近64°-LN64-切割角的红铌酸锂y。
13.按照权利要求11和12的双工器，其中输入滤波器的基片材料包含LN64和输出滤波器的基片材料包含LT35-44。
14.按照权利要求1-13之一的双工器，其中表面波滤波器具有这样的电极结构，其包括从铝和铜、铝和镁、铝/铜和镁中选择的材料。
15.按照权利要求14的双工器，其中电极结构包含一个钛层。
16.按照权利要求1-15之一的双工器，其中表面波滤波器形成为电抗滤波器。
17.按照上述权利要求之一的双工器在一个收发器中的应用。
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