CN1945987A - 无移相器的baw双工器 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接天线的双工器，包括天线端口；发射滤波器，包括有与天线端口耦合的第一天线端阻抗的体声波(BAW)谐振器；接收滤波器，包括有与天线端口耦合的第二天线端阻抗的BAW谐振器；及在天线端口和地面之间进行耦合的并联电感。并联电感与发射滤波器和接收滤波器的第一和第二天线端阻抗用以下方式进行选择，并联电感在史密斯图中相反方向上改变第一和第二输入阻抗。

Description

无移相器的BAW双工器
技术领域
本申请涉及在发射机(例如移动电话)中使用的双工器。
背景技术
在许多不同的通信应用中，例如移动电话或任何其他收发信机，公共信号路径既耦合到接收机的输入上，又耦合到发射机的输出上。在这样的收发信机中，天线可以耦合到接收机的输入上和发射机的输出上。因而，双工器通常把公共信号路径耦合到接收机的输入上和发射机的输出上。双工器提供必要的耦合，但是阻止由发射机生成的已调制发射信号从天线耦合反馈到接收机的输入上，使接收机过载。从而，双工器通常包括三个端口。在天线处代表输入和输出信号的两个信号共存。为了避免这些信号的冲突，通常将不同的频带分配给Tx和Rx路径。双工器的主要用途在于指引输入Rx信号至接收机端口和保护TX信号从TX端口至天线。最终，双工器通常包括两个高选择性射频(RF)滤波器，用于各自的Tx和Rx频带。RF-滤波器对于对应的带宽需要有足够的抑制作用。在天线端口，两个滤波器并行连接。为了防止两个滤波器使彼此的阻抗衰退，需要一个匹配网络。
图1和2示出了根据现有技术这些双工器的示例性的实施方式。在图1中，天线端口直接耦合到发射滤波器110(Tx)，而传输线130用于耦合天线端口和接收滤波器120(Rx)。传输线通常是90°相位偏移设备，用来变换Rx滤波器120的阻抗。Tx滤波器通常包括带有声谐振器设备(例如薄膜谐振器或适用于本发明的体声波谐振器(BAW))的滤波器111。可选择的并联匹配网络113和可选择的输出匹配网络112依赖于如图1的滤波器110中所示各自的应用而被提供。Rx滤波器120包括与BAW滤波器121和网络122、123类似的元件。
图2示出了根据现有技术双工器200的另一个示例性的实施方式。同样的元件带有同样的数字。在这个实施方式中所谓的pi-网络210用来代替传输线130。pi-网络210包括两个电容器，每个电容器一端接地而另一端经由电感器耦合。两个实施方式，传输线130以及pi-网络210提供+90°的相位偏移和阻抗变换。诸如延迟线的两个功能，传输线130包括四分之一波长而pi-网络包括并联电容器和串联电感。+90°的相位偏移需要用来变换输入阻抗，Rx滤波器在Tx频率范围以高数值朝向于天线，来有效地阻碍TX信号。Rx频率范围内Tx滤波器的输入阻抗缺省为典型地高，不需要额外的阻抗变换或相位偏移。
发明内容
如上所述的常规双工器有若干缺点。例如，延迟线强制多层基底的使用并需要相对大的面积。延迟线或pi-网络的损耗影响了Rx和Tx信号路径的插入损耗。而且，+90°的相位偏移本身已经有不受欢迎的低通特性及不提供到地面的DC电流路径。因而，需要附加电路来保证静电放电(ESD)保护和鲁棒性。
根据一个实施方式，用来连接天线的双工器包括天线端口；发射滤波器，包括有与天线端口耦合的第一天线端阻抗的体声波(BAW)谐振器；接收滤波器，包括有与天线端口耦合的第二天线端阻抗的BAW谐振器；及耦合天线端口和地面的并联电感，其中并联电感与发射滤波器和接收滤波器的第一和第二天线端阻抗用以下方式进行选择，并联电感在史密斯图中相反方向上改变第一和第二输入阻抗。
根据另一个实施方式，用来连接天线的双工器相应的包括天线端口；有天线端和信号输入端的发射滤波器，发射滤波器包括有至少第一串联BAW谐振器与天线端相耦合的体声波(BAW)谐振器；有天线端和信号输出端的接收滤波器，接收滤波器包括有至少第二串联BAW谐振器与天线端相耦合的体声波(BAW)谐振器；及耦合天线端口和地面的并联电感。
根据另一个实施方式，用于连接天线的双工器包括用来通过体声波(BAW)谐振器过滤发射信号的装置，其中该装置包括第一天线端阻抗；用来通过体声波(BAW)谐振器过滤接收信号的装置，其中该装置包括第二天线端阻抗；用来将用于过滤发射信号和用于过滤接收信号的装置与天线相耦合的装置；及在天线端口和地面间进行耦合的并联电感装置，用来在史密斯图中相反方向上改变第一和第二天线端阻抗。
输入阻抗的旋转以大约-90°被确定。发射滤波器可以包括多个串联连接的BAW谐振器和多个并联BAW谐振器。双工器可以包括四个串联BAW谐振器和三个并联BAW谐振器，其中每个并联BAW谐振器耦合两个串联BAW谐振器之间的节点和地面。双工器可以进一步包括联结线电感，用于BAW谐振器串联电路的信号耦合及用来耦合并联BAW谐振器与地面。发射滤波器和接收滤波器能通过联结线电感被耦合至天线端口。接收滤波器可以包括多个串联连接的BAW谐振器和多个并联BAW谐振器。双工器可以特别地包括四个串联BAW谐振器和四个并联BAW谐振器，其中每个并联BAW谐振器耦合一个串联BAW谐振器的端点与地面。双工器可以进一步包括联结线电感，用于BAW谐振器串联电路的信号耦合及用来耦合并联BAW谐振器与地面。每个发射滤波器和接收滤波器能在芯片上实现。发射滤波器芯片和接收滤波器芯片能被安排在基底上。发射滤波器芯片还能由倒装片技术装配在基底上。
根据另一个实施方式，通过用于天线的双工器处理信号的方法包括以下步骤，用体声波(BAW)谐振器装置过滤发射信号，其中该装置包括第一天线端阻抗；用体声波(BAW)谐振器装置过滤接收信号，其中该装置包括第二天线端阻抗；用于过滤发射信号和过滤接收信号的所述装置与天线相耦合；及通过在天线端口和地面之间进行耦合的并联电感在相反的方向上改变第一和第二天线端阻抗。
附图说明
图1和2显示了根据现有技术的双工器实施方式；
图3显示了根据本发明一个实施方式的主要电路图；
图4显示了根据本发明Tx和Rx滤波器的更详细的实施方式；
图5描述了根据所述发明Tx路径无并联的特性的史密斯图；
图6描述了根据所述发明Tx路径有并联的特性的史密斯图；
图7描述了根据所述发明Rx路径无并联的特性的史密斯图；
图8描述了根据所述发明Rx路径有并联的特性的史密斯图；
图9描述了根据所述发明排列的天线端口全部输入阻抗特性的史密斯图；
图10显示了Tx和Rx支路的带通特性及Tx和Rx路径之间的隔离度；
图11显示了带有滤波器芯片的基底的图解实施方式；及
图12显示了带有倒装片的基底的图解实施方式。
具体实施方式
图3显示了改进的双工器的一个实施方式。此外，提供了Tx滤波器300和Rx滤波器320。Tx滤波器在天线端具有特定阻抗350。类似的，Rx滤波器在天线端具有特定阻抗360。Tx滤波器300和Rx滤波器320的这些天线端的耦合，例如，通过联结线电感301和321与天线端口耦合。可选的，无电感的直接耦合如断开的连线所示是可能的。因而，联结线连接301、321是可选的，并且仅当制造技术需要联结线连接基底和BAW芯片的时候存在。如果制造技术允许倒装片的安装，则不需要电感。根据图3，给天线端口提供了将天线端口和地面相耦合的并联电感340。
替代了传输线或pi-网络，该实施方式包括在天线端的并联谐振器340。从而，TX滤波器300的天线端和RX滤波器320的天线端都直接耦合或经由各自的联结线电感301、321与天线端口耦合，天线端口通过并联谐振器340与地面耦合。因而，这个特定排列导致造成高通特性的输入阻抗的变换。在史密斯图中，显示了在相反方向上的旋转，如-90°的相位旋转。然而，反向旋转角可在相对宽的范围内确定。为了实现Tx和Rx路径各自频率带宽的适当匹配，在一个实施方式中可各自选择滤波器拓扑。例如，图1和2所示的常规双工器中，Rx滤波器最初在天线端以并联谐振器开始，因为这导致较短的延迟时间需求。然而，并联谐振器340在图3实施方式所示Rx滤波器的外部，在这里，例如，串联谐振器322可被实现作为天线端Rx滤波器的第一元件，因为这导致较短的变换路径。在一个实施方式中，可在某种程度上改变Tx滤波器来适应并联电感340的变换和Rx滤波器的输入容量。
如图3所示的并联电感匹配方案有益于使并联电感器340更易于集成到基底中及使其需要较小的位置(real estate)。此外，电感相对延迟线或pi-网络对制造偏差较不敏感。同样，在确定反向旋转角时，并联电感与根据现有技术的延迟线或pi-网络相比通常较小。最后，位于天线端口的并联电感340可以提供到地面的理想DC路径及使天线端口固有ESD鲁棒性。
如图1和2所示的常规双工器匹配方案与建议的双工器之间的区别，例如，如图3所示，是Tx和Rx滤波器的输入阻抗被设计成匹配电路的整数部分。在Tx频带，Rx滤波器320的输入阻抗360与并联电感340形成并联谐振。另一方面，在Rx频带，Tx滤波器与并联电感340谐振。
图4，显示了如图3所示的这种排列的实施方式。Tx滤波器路径包括电感器301，四个BAW谐振器302、303、304和305，及串联耦合的电感器306。在BAW谐振器302、303；303，304；及304，305的每个节点与地面之间，并联BAW谐振器307、308、309串联耦合到各个的并联电感器310、311、312上。电感器301和306表示联结线电感，再次依赖于制造技术，可以如断开的连线所示不存在。
Rx滤波器路径包括电感器321，四个BAW谐振器322、323、324和325，及串联耦合的电感器326。在BAW谐振器322、323；323，324；324，325的每个节点间和在BAW谐振器325和电感器326间，并联BAW谐振器327、328、329及330的一个端点被耦合。BAW谐振器327和328的另一个端点经由电感器331与地面耦合。BAW谐振器329和330的另一个端点经由电感器332与地面耦合。再次，电感器321和326表示联结线电感。
Tx滤波器300和Rx滤波器320每个能在单独的滤波器芯片上实现。然后双工器包括滤波器芯片300、320和滤波器所在的基底。如图4所示，滤波器芯片300、320在地面连接中都包括附加电感310-312和331、332。这些电感器考虑到阻带中额外的缺口。其次，它们有助于扩宽滤波器300、320的带宽。并联电感310-312和331、332一般被认为是到地平面的联结线，基底上印制的电感器或两者的结合。类似的，有串联到BAW滤波器300、320每个信号连接的电感器301、306和321、326，它们代表结合连接到如上所述的滤波器的线路。
滤波器300和320两者在天线端各自以串联谐振器302和322开始。Rx滤波器320包括四个并联和4个串联谐振器，即四级，而在这个实施方式中Tx滤波器300包括三个并联和四个串联谐振器，即3.5级。级的数目是滤波器的插入损耗/带宽相对于阻带性能之间的权衡。从而，只要满足上述的天线端口并联电感匹配方案的原理，更多或更少级数的其他设计是可能的。
作为示例，通用移动电信系统(UMTS)双工器的谐振器的谐振频率可选择为：Tx滤波器300具有从1920MHz到1980MHz的通带，而Rx滤波器320显示从2110MHz到2170MHz的通带。在一个实施方式中，用适当选择的谐振器容量，根据本发明的拓扑可允许用例如是3.3nH的印制电感器340来匹配天线端口。因此，假定电感器340的地面电感具有0.5pF的寄生容量和20的Q因数。
图5-8示出了滤波器300、320的输入阻抗(天线端)上并联电感器的作用。图5-8的上部显示了与天线端口耦合的相关滤波器。同样，适当的输入负载401或输出负载402被连接到Tx或Rx滤波器300、320各自的输入或输出端。图5和7显示了无匹配并联电感的Tx滤波器和Rx滤波器，而图6和8显示了实施了匹配并联电感340的同样电路。图5-8每个的下部是史密斯图，以复反射系数的极座标图显示了并联电感的作用，复反射系数代表后向和前向波复振幅的比值。在两种情况下，并联电感以逆时针方向(“-90°相位偏移”)从电容性到电感性区域改变输入阻抗。“寄生”支路的电感性阻抗能更容易地匹配BAW滤波器的通带，因为BAW滤波器在它们的通带内倾向于有更大电容性的输入阻抗。在一个实施方式中，由于滤波器天线信号端口的串联谐振器，起始输入阻抗已经在史密斯图的高欧姆电容区。因而，期望的相位旋转小，导致并联电感340的合理值。
图9显示了所示的双工器天线端口的全部输入阻抗，例如，图4中所示。其与回路损耗相匹配，优于滤波器通带中-12dB。达到这个效果意味着两个滤波器与目标的联合优化，来在两个通带中匹配天线端口。最后，图10显示了Tx和Rx支路的带通特性及Tx和Rx滤波器之间的隔离度。
图11显示了表面排列有滤波器芯片400的基底410的图解实施方式。在这个实施方式中，显示的联结线连接401和402，如图3和4中所提到的用来建立输出和输入耦合。
图12显示了有基底410和倒装片420的另一个实施方式。倒装片和例如基底410上印刷电路板轨迹之间的电耦合由例如是图3和4中所提到的焊接球403，404来建立。

Claims (25)

1.一种用于连接天线的双工器，包括：
-天线端口；
-发射滤波器，包括有与所述天线端口耦合的第一天线端阻抗的体声波(BAW)谐振器；
-接收滤波器，包括有与所述天线端口耦合的第二天线端阻抗的BAW谐振器；及
-并联电感，在所述天线端口和地面之间进行耦合，其中并联电感与所述发射滤波器和所述接收滤波器的第一和第二天线端阻抗用以下方式进行选择，并联电感在史密斯图中相反方向上改变第一和第二输入阻抗。
2.根据权利要求1的双工器，其中输入阻抗的旋转以大约-90°被确定。
3.根据权利要求1的双工器，其中发射滤波器包括多个串联连接的BAW谐振器和多个并联BAW谐振器。
4.根据权利要求3的双工器，包括四个串联BAW谐振器和三个并联BAW谐振器，其中每个并联BAW谐振器在两个串联BAW谐振器间的节点和地面之间进行耦合。
5.根据权利要求4的双工器，进一步包括联结线电感，用于BAW谐振器串联电路的信号耦合及用来耦合并联BAW谐振器与地面。
6.根据权利要求1的双工器，其中发射滤波器和接收滤波器通过联结线电感被耦合至天线端口。
7.根据权利要求1的双工器，其中接收滤波器包括多个串联连接的BAW谐振器和多个并联BAW谐振器。
8.根据权利要求7的双工器，包括四个串联BAW谐振器和四个并联BAW谐振器，其中每个并联BAW谐振器在一个串联BAW谐振器的端点和地面之间进行耦合。
9.根据权利要求8的双工器，进一步包括联结线电感，用于BAW谐振器串联电路的信号耦合及用来耦合并联BAW谐振器与地面。
10.根据权利要求1的双工器，其中每个发射滤波器和接收滤波器在芯片上实现。
11.根据权利要求10的双工器，其中发射滤波器芯片和接收滤波器芯片被安排在基底上。
12.根据权利要求11的双工器，其中发射滤波器芯片由倒装片技术装配在基底上。
13.一种用于连接天线的双工器，包括：
-天线端口；
-发射滤波器，有天线端和信号输入端，所述发射滤波器包括有至少第一串联BAW谐振器与天线端相耦合的体声波(BAW)谐振器；
-接收滤波器，有天线端和信号输出端，所述接收滤波器包括有至少第二串联BAW谐振器与天线端相耦合的体声波(BAW)谐振器；及
-并联电感，在所述天线端口和地面之间进行耦合。
14.根据权利要求13的双工器，其中发射滤波器包括多个串联连接的BAW谐振器和多个并联BAW谐振器。
15.根据权利要求14的双工器，包括四个串联BAW谐振器和三个并联BAW谐振器，其中每个并联BAW谐振器在两个串联BAW谐振器间的节点和地面之间进行耦合。
16.根据权利要求15的双工器，进一步包括联结线电感，用于BAW谐振器串联电路的信号耦合及用来耦合并联BAW谐振器与地面。
17.根据权利要求13的双工器，其中所述接收滤波器包括多个串联连接的BAW谐振器和多个并联BAW谐振器。
18.根据权利要求17的双工器，包括四个串联BAW谐振器和四个并联BAW谐振器，其中每个并联BAW谐振器在一个串联BAW谐振器的端点和地面之间进行耦合。
19.根据权利要求18的双工器，进一步包括联结线电感，用于BAW谐振器串联电路的信号耦合及用来耦合并联BAW谐振器与地面。
20.根据权利要求13的双工器，其中每个发射滤波器和接收滤波器在芯片上实现。
21.根据权利要求20的双工器，其中发射滤波器芯片和接收滤波器芯片被安排在基底上。
22.根据权利要求21的双工器，其中发射滤波器芯片由倒装片技术装配在基底上。
23.根据权利要求13的双工器，其中发射滤波器和接收滤波器通过联结线电感被耦合至天线端口。
24.一种用于连接天线的双工器，包括：
-用于过滤体声波(BAW)谐振器发射信号的装置，其中所述装置包括第一天线端阻抗；
-用于过滤体声波(BAW)谐振器接收信号的装置，其中所述装置包括第二天线端阻抗；
-用于将所述用于过滤发射信号和用于过滤接收信号的装置与天线相耦合的装置；及
-在所述天线端口和地面间进行耦合的并联电感装置，用来在史密斯图中相反方向上改变第一和第二天线端阻抗。
25.一种通过用于天线的双工器处理信号的方法，包括以下步骤：
-通过体声波(BAW)谐振器装置过滤发射信号，其中所述装置包括第一天线端阻抗；
-通过体声波(BAW)谐振器装置过滤接收信号，其中所述装置包括第二天线端阻抗；
-将用于过滤发射信号和过滤接收信号的所述装置与天线相耦合；及
-通过在天线端口和地面之间进行耦合的并联电感在相反的方向上改变所述第一和第二天线端阻抗。
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