DE10054968A1 - Frontend-Schaltung mit Duplexer für ein Kommunikationssystem - Google Patents

Abstract

Es wird eine Frontend-Schaltung für ein Kommunikationsendgerät mit Multiband/Multimode-Anwendungen vorgeschlagen, welches einen auf einen geringen Duplexerabstand optimierten Duplexer umfaßt. Die Schaltung ist zur Kombination mit zumindest einem weiteren Kommunikationssystem geeignet und erlaubt unterschiedliche Betriebsverfahren.

Description

Die meisten drahtlosen Kommunikationssysteme, insbesondere Mobilfunksysteme, erlauben sowohl Sende- wie auch Empfangsbe­ trieb. Dieses auch als Duplexing bezeichnete Umschalten zwi­ schen Sende- und Empfangsbetrieb kann in unterschiedlichen Modi erfolgen, beispielsweise im TDD-Modus (time domain du­ plexing), bei dem die Kommunikationsverbindung in kleine Zeitschlitze eingeteilt ist, die für Senden bzw. Empfangen reserviert sind. Möglich ist es auch, im FDD-Betrieb (= fre­ quency domain duplexing) für Senden und Empfangen unter­ schiedliche Frequenzbänder vorzusehen, die aus der Sicht des Kommunikationsteilnehmers als Sende- und Empfangsband dienen. Gemischte FDD/TDD Systeme senden und empfangen sowohl in un­ terschiedlichen Frequenzbändern als auch in unterschiedlichen Zeitschlitzen.

Im Kommunikationsendgerät, insbesondere im Mobilfunkgerät (Handy) wird zum Senden und Empfangen üblicherweise eine ge­ meinsame Antenne benutzt. Zum Trennen der Sende- und Emp­ fangssignale ist daher im Allgemeinen ein Duplexer notwendig, der zwischen Antenne und Sende- und Empfangspfade geschaltet ist. Ein solcher besteht im Wesentlichen aus zwei passiv mit­ einander verschalteten Filtern. Ein erstes Filter ist im Rx- Pfad (Empfangspfad) zwischen Antenne und dem nachfolgenden Empfangsverstärker LNA (= low noise amplifier), ein zweites Filter im Tx-Pfad (Sendepfad) zwischen dem Sendeverstärker PA (= power amplifier) und der Antenne vorgesehen.

Um gleichzeitig senden und empfangen zu können, muß im Kommu­ nikationsendgerät jedes der beiden Filter das im jeweils an­ deren Frequenzband gelegene Signal ausreichend unterdrücken können. Typische Werte dafür, die in solchen drahtlosen Kom­ munikationssystemen gefordert werden, liegen beispielsweise für das Rx-Filter zur Unterdrückung des Tx-Bandes im Bereich von 50 dB und mehr. Gleichzeitig dürfen die Signale beim Durchgang durch das Filter im jeweiligen Frequenzband nur mi­ nimale Verluste erfahren, das Filter muß also eine niedrige Einfügedämpfung aufweisen. Ein typischer Wert für eine maxi­ mal tolerierbare Dämpfung des Tx-Bandes im Tx-Filter ist bei­ spielsweise 2 dB oder besser.

Bekannte Duplexer, die diese hohen Anforderungen an die Bandtrennung bzw. Sperrbereichsunterdrückung erfüllen und da­ bei gleichzeitig eine niedrige Einfügedämpfung besitzen, sind beispielsweise aus Mikrowellenkeramikfiltern (MWK) aufgebaut. Bei ausreichendem Bandabstand von Tx- und Rx-Band können auch andere Filtertechnologien, beispielsweise Oberflächenwellen­ filter (OFW) oder FBAR-Filter verwendet werden. Liegen jedoch Tx- und Rx-Bänder sehr nahe beieinander, so ist es schwierig, alle Anforderungen gleichzeitig mit einer einzigen Filter­ technologie zu erfüllen. Beispielsweise in den amerikanischen CDMA/TDMA-1900-Systemen (gemäß IS-95 bzw. IS-136), bei denen das Sende- und Empfangsband jeweils 60 MHz breit sind, und bei dem ein Duplexabstand (= konstanter Abstand zwischen Sen­ de- und Empfangssignal) von 80 MHz vorgesehen ist. Bei der genannten Bandbreite bleibt zwischen den beiden Bändern nur ein Abstand von 20 MHz, was beim genannten Frequenzband (1900 MHz) ca. 10.000 ppm entspricht. Dies bedeutet, daß das jewei­ lige Filter, das im Durchlaßbereich beispielsweise 2 dB Dämp­ fung aufweist, innerhalb von nur 20 MHz in den Sperrbereich übergehen muß, in dem beispielsweise die genannten 50 dB Dämpfung gefordert sind. Dies erfordert ein Übertragungsver­ halten, das im Übergang vom Durchlaßbereich (Passband) ins Stopband steile Flanken aufweist. Da für mobile Kommunikati­ onsendgeräte außerdem noch unterschiedliche Außentemperaturen und damit die temperaturabhängige Frequenzdrift des Filters sowie Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen sind, war es bislang unmöglich, einen solchen Duplexer nur auf der Basis von OFW-Filtertechnik aufzubauen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für ein Kom­ munikationssystem eine Frontend-Schaltung mit einem Duplexer anzugeben, die mit einfacheren Filtern zu verwirklichen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Frontend- Schaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung schlägt vor, zumindest ein Band des Duplexers, das Rx- oder das Tx-Band, mit Hilfe einer Anzahl n schmalban­ diger, nur Frequenzteilbereiche des jeweiligen Bandes abdec­ kender Filter auszuführen und diesen Duplexer mit zumindest einem weiteren Filter zu erweitern, so daß es möglich ist, die Frontend-Schaltung zum Senden und Empfangen in zumindest einem weiteren Kommunikationssystem zu nutzen. Die Anzahl n ist dabei größer gleich 2, vorzugsweise kleiner gleich 5.

Durch das Aufsplitten zumindest eines Filters des Duplexer in n Teilfilter ist es möglich, schmalbandige Filter mit gerin­ gerer Flankensteilheit zu verwenden, als dies für einen nur jeweils ein Filter pro Band aufweisenden Duplexer möglich ist. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß ein schmalbandi­ geres Filter einfacher zu verwirklichen ist. Dies ermöglicht es, für die Teilfilter und damit für den gesamten Duplexer auch bisher nicht anwendbare Filtertechniken einzusetzen, die Teilfilter mit geringerem Fertigungsaufwand und damit kosten­ günstiger, oder mit verbesserten Eigenschaften des Durchlaß­ bereichs, beispielsweise einer niedrigeren Einfügedämpfung oder einem geringeren Passband-Ripple herzustellen. Gegenüber einem herkömmlichen Duplexer gewinnt man bei der Aufsplittung eines Bandes in n Frequenzteilbereiche bzw. n Teilfilter an Bandabstand. Der Gewinn enspricht dem n-ten Teil der Band­ breite des Sende- bzw. Empfangsbandes. Wird bei einem Duple­ xer für das genannte CDMA-1900 System beispielsweise das Sen­ deband mit zwei Teilfiltern abgedeckt, so erhält man statt des bisherigen Bandabstandes von 20 MHz nun einen Abstand von 50 MHz, innerhalb dem das Filter vom Passband in den Sperrbe­ reich übergehen muß.

Gleichzeitig sind in der erfindungsgemäßen Frontend-Schaltung Komponenten für zumindest ein weiteres Kommunikationssystem enthalten, welches ein reines TDD-, ein reines FDD- oder ein gemischtes TDD/FDD-System ist. Die erfindungsgemäße Frontend- Schaltung ist daher für einen Multimode-Betrieb geeignet. Sie kann zwischen unterschiedlichen Kommunikationssystemen mit unterschiedlichem Zugriffsverfahren umschalten, und ist bei­ spielsweise auch für 3G-Endgeräte (Mobilfunk der 3. Generati­ on, z. B. UMTS) geeignet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, die Komponenten für das zweite Kommunikationssystem über einen zwischen den Komponenten und der Antenne angeordneten Schal­ ter abzutrennen. Dies ist immer dann von Vorteil, wenn der Frequenzbereich, in dem das zweite Kommunikationssystem sen­ det und empfängt, nahe einem Rx- oder Tx-Band des ersten Kom­ munikationssystems liegt, oder wenn die Frequenzbänder sogar identisch sind. Sofern das zweite Kommunikationssystem fre­ quenzmäßig deutlich vom ersten Kommunikationssystem entfernt ist, typischerweise eine Oktave (1- und 2-GHz-Bereich), kann zwischen den Komponenten der beiden Systeme und der Antenne ein Diplexer angeordnet sein, der die Signale passiv trennt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Fron­ tend-Schaltung um die Komponenten für ein drittes Kommunika­ tionssystem erweitert. Dabei ist es möglich, für ein Paar von in benachbarten oder identischen Frequenzbereichen arbeiten­ den Kommunikationssystemen einzelne oder mehrere Filter ge­ meinsam zu nutzen. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein Tief­ passfilter LPF (low pass filter) als gemeinsames Filter für zwei benachbarte Sendebänder zu verwenden.

Die Komponenten für eine erfindungsgemäße Frontend-Schaltung können einzeln auf jeweils einer Platine angeordnet sein.

Möglich ist es auch, einige der Komponenten zu Teilmodulen auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen. Möglich ist es auch, ein gemeinsames Substrat zu verwenden, auf dem die ein­ zelnen Komponenten und gegebenenfalls die Teilmodule inte­ griert sind. Das gemeinsame Substrat kann dabei aus FR4-Material oder einer LTCC-Keramik bestehen, oder ein Substrat auf Polymer/Polyamidbasis sein. Die Filter können in ver­ schiedenen Filtertechniken ausgeführt sein, insbesondere in OFW-Technik, FBAR-Technik, MWK-Technik oder einer beliebigen anderen HF-Filtertechnik. Für Bandpassfilter, die z. B. als Sende-(Teil)filter) eingesetzt werden können, ist die OFW- Technik bevorzugt.

Die Filter und die aktiven Bauelemente können auf dem jewei­ ligen ggf. gemeinsamen Substrat gehäust als SMD-Elemente auf­ gelötet sein. Bei einem Keramiksubstrat können sie in Vertie­ fungen der Keramik als Bare Die in Flipchip-Technik bzw. mit Bonddrahtverbindungen eingelassen sein. Auch eine Flipchip- Montage an der Oberfläche des Substrats ist für die Filter und die aktiven Bauelemente möglich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen 10 schematischen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung von Sende- und Empfangsbändern für ein bekanntes Kommunikationssy­ stem.

Fig. 2 zeigt eine geforderte Filtercharakteristik für ein bekanntes Kommunikationssystem.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Frequenzteilbereiche bei einem gesplitteten Duplexer.

Fig. 4 bis 6 zeigen komplette Frontend-Schaltungen zum Betrieb des erfindungsgemäßen Duplexers.

Fig. 7 zeigt eine Frontend-Schaltung mit einem gesplitte­ ten Duplexer und Komponenten für das zweite Kommu­ nikationssystem.

Fig. 8 zeigt eine Frontend-Schaltung für maximal 4 Kommu­ nikationssysteme.

Fig. 9 zeigt eine konkrete Ausgestaltung für ein erfin­ dungsgemäßes Duplexer-Teilsystem.

Fig. 10 zeigt ein erfindungsgemäßes Sub-System mit einem Transformationselement zur Tx-/Rx-Entkopplung.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung Anordnung und Lage von Sendeband Tx und Empfangsband Rx des amerikanischen CDMA- 1900 Systems. Das Sendeband Tx reicht von 1850 bis 1910 MHz und ist somit 60 MHz breit. Das Empfangsband Rx reicht von 1930 bis 1990 MHz und hat dieselbe Bandbreite. Vom Kommunika­ tionsendgerät aus gesehen nutzt eine Kommunikationsverbindung beispielsweise die Frequenz fxT zum Senden und die Frequenz fxR zum Empfangen. Der Duplexerabstand DA ist der Abstand zwischen fxT und fxR und beträgt für das genannte CDMA-1900 System 80 MHz. Für eine einzelne Kommunikationsverbindung in­ nerhalb dieses Systems sind alle Frequenzpaare mit dem Duple­ xerabstand 80 MHz geeignet. Der Abstand BA zwischen Sendeband Tx und Empfangsband Rx beträgt 20 MHz.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die dafür erfor­ derliche Bandbreite sowie eine beispielhafte Durchlaßkurve eines dafür geeigneten Tx-Filters. Entscheidend für die Fil­ terqualität ist insbesondere die Einfügedämpfung ED, also die maximale Dämpfung im Durchlaßbereich, bzw. der Abstand der gestrichelten Nullinie für null Dämpfung bis zur Durchlaßkur­ ve. Üblicherweise ist der Durchlaßbereich breiter als der ge­ forderte Frequenzbereich des jeweiligen Bandes, da die Flan­ ken eines Filters im Durchlaßbereich nicht vertikal einge­ stellt werden können. Für das dargestellte Sendefilter ist die rechte Flanke Fre entscheidend, die das Passband zum be­ nachbarten Frequenzbereich des Empfangsbandes Rx abgrenzt. Diese muß steil genug sein, damit das Sendefilter im Bereich des Empfangsbandes Rx eine ausreichend niedrige Empfindlich­ keit bzw. eine ausreichend hohe Sperrbereichsunterdrückung SU aufweist. Für ein entsprechendes Eingangsfilter wäre die lin­ ke Flanke des Durchlaßbereichs entscheidend, die das Emp­ fangsband Rx hin zum Sendeband Tx abgrenzt. Neben der darge­ stellten Anordnung ist es auch möglich, die Frequenzlage von Sendeband Tx und von Empfangsband Rx zu vertauschen, wobei auch die entsprechenden steil einzustellenden Flanken der je­ weiligen Filter zu vertauschen sind.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Aufteilung von Sen­ de- und Empfangsbereich Tx, Rx in jeweils zwei Frequenzteil­ bereiche von hier identischer Bandbreite. Jeweils einem Fre­ quenzteilbereich Tx1, Tx2 des Sendebandes ist dabei ein Fre­ quenzteilbereich Rx1 bzw. Rx2 des Empfangsbandes so zugeord­ net, daß der Duplexerabstand DA eingehalten werden kann. In der Figur sind außerdem für eine konkrete beispielhafte Kom­ munikationsverbindung die Sendefrequenz FxT und die Empfangs­ frequenz FxR eingezeichnet, die zueinander den Duplexerab­ stand DA von beispielsweise 80 MHz aufweisen. Während der Ab­ stand BA zwischen Sende- und Empfangsband bei bekannten Du­ plexern dem Abstand F1R minus F1T entspricht, beträgt er bei wie im Ausführungsbeispiel gesplitteten Sende- bzw. Empfangs­ bändern F1R minus F2T = F2R minus F3T = 50 MHz für das ge­ nannte CDMA-System als Ausführungsbeispiel. Möglich ist es auch, die Frequenzteilbereiche zur Aufsplittung der Teilbän­ der Tx und Rx mit unterschiedlicher Bandbreite auszuführen. Bevorzugt ist es aber, Filter mit gleicher Bandbreite zu ver­ wenden bzw. eine Aufsplittung in gleich breite Frequenzteil­ bereiche vorzusehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Bänder in drei oder mehr Frequenzteilbereiche aufzutei­ len, wobei für jeden Frequenzteilbereich ein eigenes Teilfil­ ter vorgesehen ist. Möglich ist es auch, die Bandbreiten für die Frequenzteilbereiche im Sendeband und im Empfangsband un­ terschiedlich zu gestalten.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen aus vier Teilfiltern FR1, FR2, FT1 und FT2 bestehenden Duplexer samt seiner Verschaltung mit einer Antenne A, dem zugehörigen Sen­ depfad-PA und dem Empfangspfad-LNA. Beide Teilbänder sind hier in jeweils zwei Frequenzteilbereiche mit den dazugehöri­ gen Filtern aufgesplittet (n = 2). Jeweils ein Sendeteilfilter und ein Empfangsteilfilter bilden zusammen ein Teilfilter­ paar, das den geforderten Duplexerabstand einhalten kann. Zwischen der Antenne A und dem aus vier Teilfiltern bestehen­ den Duplexer ist ein Schalter S angeordnet, der zwischen den hier zwei Teilfilterpaaren FT1/FR1 und FT2/FR2 umschalten kann. Ein weiterer Schalter S' verbindet die Bauelemente des Empfangspfads mit den Eingangsfiltern und kann zwischen den Teilfiltern des Empfangsfilters umschalten. Entsprechend schaltet der Schalter S" zwischen den verschiedenen Sende- oder Ausgangsfiltern FT1 und FT2, die dann wahlweise mit den Bauelementen des Sendepfad-PA verbunden werden.

Mit gestrichelter Linie ist in der Figur ein Modul M1 darge­ stellt, auf dem die vier Teilfilter integriert sind. Das An­ spassungsnetzwerk zwischen FR1 und FT1 bzw. FR2 und FT2, wel­ ches beispielsweise aus passiven Komponenten wie Widerstän­ den, Kapazitäten und Induktivitäten oder Streifenleitungen besteht (in der Figur nicht dargestellt), wird ebenso wie die Schalter S, S' und S" sowie deren Ansteuernetzwerk außerhalb des Moduls realisiert.

Fig. 5 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der im Unter­ schied zu Fig. 4 auf einem vergrößerten Modul M2 neben den Teilfiltern zusätzlich noch das Anpassungsnetzwerk integriert ist.

Fig. 6 zeigt ein in der Integration weiter gesteigertes Mo­ dul M3, welches neben den Teilfiltern zusätzlich noch das An­ passungsnetzwerk und die Schalter S umfaßt. Möglich ist es auch, in dieses Modul M3 das Ansteuernetzwerk für die Schal­ ter zu integrieren.

Fig. 7 zeigt eine komplette erfindungsgemäße Frontend- Schaltung, bei der das mit gestrichelter Linie eingerahmte System a dem (Teil-)Modul M3 aus Fig. 6 entspricht. Der an­ tennenseitige Eingang des Schalters S des Teilsystems a ist über einen Diplexer DI mit der Antenne A verbunden. Der Di­ plexer DI ist eine passive Frequenzweiche, bestehend aus ei­ nem Hochpassfilter (in der Figur unten dargestellt) und einem Tiefpassfilter, welcher von der Antenne A kommende Signale entsprechend ihrer Zugehörigkeit zum ersten oder zweiten Kom­ munikationssystem a, b mit geringerer Selektionswirkung vor­ selektiert. Der zweite Ausgang des Diplexers DI ist mit dem System b verbunden, welches Filterkomponenten für ein zweites Kommunikationssystem umfaßt. In der Figur entspricht das Sy­ stem b einem Duplexer DU für ein Kommunikationssystem mit FDD-Betrieb. Der Duplexer DU besteht aus parallel verschalte­ ten Bandpassfiltern für den Sendepfad Tx und für den Emp­ fangspfad Rx, die so ausgelegt sind, daß sie im jeweils ande­ ren Band eine minimale Sperrwirkung von beispielsweise 50 dB, mindestens aber 45 dB aufweisen.

Generell ist dieses Ausführungsbeispiel für alle Kombinatio­ nen von Kommunikationssystemen geeignet, bei deren Frequenz­ bänder ausreichend weit voneinander entfernt sind. Mit diesem Ausführungsbeispiel können Kombinationen von Kommunikations­ systemen erhalten werden, die typischerweise ca. 1 Oktav aus­ einanderliegen, also bei 1 bzw. 2 GHz. Die Angabe 1 GHz bzw. 2 GHz ist dabei als Bereich zu sehen und umfaßt auch die be­ nachbarten Frequenzen von z. B. 800-1100 MHz bzw. von 1800 bis 2200 MHz.

In dem in der Fig. 7 dargestellten Fall ist das System a für die höheren Frequenzen ausgelegt und daher mit dem Hochpass­ filter des Diplexers DI verbunden. Möglich ist jedoch auch der umgekehrte Fall. Möglich ist es auch, das System b durch ein weiteres System a zu ersetzen, wobei dann Sende und Emp­ fangsfilter als gesplittete und aus mehreren Teilfiltern zu­ sammengesetzte Filter ausgebildet sind. Möglich ist es auch, zwischen Diplexer DI und Duplexer DU einen Schalter vorzuse­ hen, der einen gemischten TDD/FDD-Betrieb ermöglicht und ent­ sprechend dem anliegenden Zeitschlitz zwischen Senden und Empfangen bzw. den dazugehörigen Filtern umschalten kann.

Die in der Fig. 7 dargestellten Teilsysteme a und b, der Du­ plexer DU und die Antenne A inklusive der nicht dargestellten Anpaß- und Ansteuerelemente können als diskrete Komponenten auf einer Platine miteinander verschaltet sein. Möglich ist es auch, Kombinationen höherer Integrationsstufen auf einem gemeinsamen Substrat oder mehrere Teilmodule zu einem Gesamt­ modul zu vereinigen.

Fig. 8 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine nochmals erweiterte Frontend-Schaltung, bei der die Schaltung aus Fig. 7 um die Komponenten für zwei weitere Kommunikationssy­ steme, ein drittes und ein viertes Kommunikationssystem mit gemischtem FDD/TDD-Betrieb erweitert sind. Die Teilsysteme a und b bleiben dabei weitgehend erhalten, werden jedoch um neue Komponenten ergänzt bzw. mit anderen Komponenten ver­ schaltet. Zwischen dem System b und dem Diplexer DI ist ein Mehrfachschalter angeordnet, der zwischen dem Duplexer DU für das zweite Kommunikationssystem und je einem Sende- und Emp­ fangsfilter für das dritte Kommunikationssystem mit gemisch­ tem FDD/TDD-Betrieb umschalten kann. Dessen Empfangsfilter FR3 ist als Bandpassfilter ausgebildet, das Sendefilter FT3 als Tiefpassfilter. Ein solches ist für den Sendebetrieb ge­ genüber einem Bandpassfilter bevorzugt, da es sich mit nied­ rigerer Einfügedämpfung arbeiten kann und daher entweder bei gleichbleibendem Energieverbrauch eine höhere Sendeleistung oder bei gleichbleibender Sendeleistung einen geringeren Energieverbrauch und damit eine längere Betriebsdauer im Ak­ kumulatorbetrieb ermöglicht. Die Schalterpositionen 2 und 1 des Schalters S2 sind zum Umschalten zwischen Senden und Emp­ fangen für das dritte Kommunikationssystem vorgesehen, wel­ ches beim gemischten FDD/TDD-System in unterschiedlichen Zeitschlitzen erfolgt.

Zum Betrieb der Frontend-Schaltung im zweiten Kommunikations­ system b ist der Schalter S2 auf der Stellung 3. Die Trennung der Sende- und Empfangssignale erfolgt rein passiv im Duple­ xer DU. Das System b kann beispielsweise zum Betrieb für das Kommunikationssystem CDMA-800 oder das analoge AMPS ausgelegt sein. Das dritte Kommunikationssystem kann dann beispielswei­ se EGSM sein. Der in der Fig. 8 dargestellte Schalter S2' ist optional und kann dazu dienen, zweites oder drittes Kom­ munikationssystem mit einen gemeinsamen LNA zu verbinden, bzw. den LNA entweder mit dem Empfangsfilter FR3 des dritten Kommunikationssystems oder dem Rx-Eingang des Duplexers DU zu verbinden.

Am Hochpassausgang des Diplexers DI ist ein Mehrfachschalter S1 angeordnet, der zum einen zwischen den Teilfilterpaaren des gesplitteten Duplexers des Teilsystems a1 umschaltet und darüber hinaus den Diplexer wahlweise noch mit einem Emp­ fangsfilter FR4 für ein viertes Kommunikationssystem und ei­ nem Sendefilter FT4,5 verbindet, welches als Sendefilter für das vierte Kommunikationssystem ausgelegt ist. Auch hier ist das Sendefilter FT4,5 vorteilhaft als Tiefpassfilter ausge­ bildet. Das vierte Kommunikationssystem ist ein gemischtes FDD/TDD-System, das zum Senden und Empfangen in unterschied­ lichen Zeitschlitzen und Frequenzbereichen arbeitet, zwischen denen der Schalter S1 in den Schaltpositionen 4 und 3 um­ schaltet.

Die Schaltpositionen 1 und 2 des Schalters S1 schalten zwi­ schen Teilfilterpaaren FR1/FT1 und FR2/FT2 um, je nachdem, welches Teilfilterpaar bzw. welcher Frequenzteilbereich dem zugewiesenen Kanal für eine Kommunikationsverbindung mit dem ersten Kommunikationssystem zugeordnet ist.

Das Teilsystem a1 kann z. B. für CDMA-1900 ausgelegt sein, während das vierte Kommunikationssystem in einem frequenzmä­ ßig benachbarten Bereich arbeitet und beispielsweise für GSM- 1800 ausgelegt ist. Gleichzeitig ist die Schaltung so ausge­ führt, daß ohne weitere Änderungen der Betrieb der Komponen­ ten und Systeme in einem fünften Kommunikationssystem reali­ siert werden kann, welches ebenfalls mit einem gemischten FDD/TDD-Betrieb arbeitet. So kann die Schaltung beispielswei­ se für TDMA-1900 oder GSM-1900 als fünftes Kommunikationssy­ stem ausgelegt sein. Für den Sendebetrieb kann dieses Kommu­ nikationssystem als gemeinsames Sendefilter das Sendefilter FT4,5 verwenden, als Empfangsfilter können die Duplexerteil­ filter des gesplitteten Duplexers FR1 und FR2 verwendet wer­ den. Für den Betrieb im fünften Kommunikationssystem ist es möglich aber nicht erforderlich, die Sendefilter FT1 und FT2 über zusätzliche, in der Figur nicht eingezeichnete, Schalter abzutrennen, so daß der gesplittete Duplexer nicht als Duple­ xer, sondern als reines Empfangsfilter betrieben wird. Die beiden weiteren Schalter S1' und S1" verbinden Sende- und Empfangsverstärker mit den entsprechenden Teilfiltern des ge­ splitteten Duplexers, wobei die Schalterstellung dem anlie­ genden Kanal entspricht bzw. welchem Teilfilterpaar der Kanal einer anliegenden Kommunikationsverbindung zugeordnet ist. Zum Umschalten in einen Kanal, der einem anderen Teilfilter­ paar zugeordnet ist, ist ein synchrones Umschalten der beiden Schalter S1' und S1" erforderlich.

Im gemischten FDD/TDD-Betrieb des fünften Kommunikationssy­ stems ist die Anforderung an die Unterdrückung des zugehöri­ gen Rx-Bandes geringer. Dadurch ist es möglich, für das Sen­ defilter FT4,5 anstelle eines Bandpassfilters ein weniger nahselektives Tiefpassfilter einzusetzen. Dies reduziert die Einfügedämpfung im Tx-Pfad deutlich. Die für den Empfangsbe­ trieb genutzten Empfangsfilter des gesplitteten Duplexers ha­ ben aufgrund der reduzierten Bandbreite ebenfalls eine ver­ besserte Einfügedämpfung, und sind daher gegenüber einem breitbandigeren Filter bevorzugt.

In der Fig. 9 ist das Teilsystem a aus Fig. 7 mit PIN- Dioden D1 bis D6 als Schalter und mit als Impedanztransforma­ toren wirkende λ/4 Streifenleitungen TL1 bis TL4 dargestellt. Als Ausgangsanpassung der Teilfilter FT1 und FT2 sind zwei Serienkondensatoren CS1 und CS2 angedeutet. Anstelle der Kon­ densatoren können auch andere passive Anpassnetzwerke einge­ setzt werden.

Die Figur zeigt auch die spezifischen Schaltfunktionen für den in Fig. 7 schematisch dargestellten Duplexer mit redu­ ziertem Duplexerabstand. Die Elemente R_b, L_b und C_BIAS dienen der Gleichstromzufuhr für die Dioden und trennen die HF-Funktion von der Steuerung. Der Steuerstrom wird am Anschluß V1/2 eingespeist. Optional ist es auch möglich, anstelle die­ ser Schaltelemente einen gemeinsamen Widerstand und eine ge­ meinsame Drosselspule mit nachfolgender Verzweigung auf die Dioden D1, D3 und D5 zu verwenden, um diese mit der Steuer­ spannung zu versorgen und anzusteuern.

In Abhängigkeit von der am Punkt V1/2 anliegenden Steuerspan­ nung werden die Dioden auf leitend oder nicht leitend ge­ stellt. Wenn die Steuerspannung V1/2 auf Potential High liegt, leiten alle 6 Dioden, und die Filter FT2 und RT2 sind angeschlossen. Liegt am Punkt V1/2 Steuerpotential LOW, so leitet keine Diode, die Filter FT1 und FR1 sind angeschaltet.

Fig. 10 zeigt eine Ausgestaltung eines Duplexers mit einer λ/4 Streifenleitung. Der Duplexer besteht aus zwei parallelen als Bandpassfilter ausgebildeten Teilfiltern, dem Empfangs­ filter IR und dem Sendefilter TT. In dem parallelen Zweig des Empfangsfilters TR ist ein λ/4 Leitungstransformator TL ange­ ordnet, der die beiden parallelen Zweige entkoppelt. Der Lei­ tungstransformator TL bewirkt bei der Sendefrequenz einen Leerlauf, der das Sendesignal vom Empfangsfilter TR und dem sich daran anschließenden LNA gegenüber HF isoliert.

Obwohl ein solcher Duplexer primär zum Betrieb in reinem FDD- Modus ausgelegt ist, wobei Senden und Empfangen in unter­ schiedlichen Bändern erfolgt, so ist er doch auch in gemisch­ tem FDD/TDD-Modus betreibbar. Für diesen gemischten Betrieb sind keine zusätzlichen Schaltelemente oder Änderungen der gegebenen Schaltung erforderlich. Wie bereits erwähnt, können alle in dieser und den vorhergehenden Figuren dargestellten Bandpassfilter sowohl in OFW-Technik als auch in FBAR- Technik, MWK-Technik oder in einer beliebigen anderen HF-Filtertechnik ausgeführt sein. Außerdem können die Komponen­ ten in verschiedenen Integrationsstufen auf gemeinsamen Sub­ straten oder mehrere Substrate zu Modulen zusammengefaßt sein. Als Substratmaterial sind Leiterplattenmaterial, insbe­ sondere FR4-Material, sowie LTCC-Keramik geeignet. Die für die Schalter und die aktiven Bauelemente erforderlichen Transformationsleitungen, die low pass Filter für den ge­ mischten FDD/TDD-Betrieb in den unterschiedlichen Bändern, die Hochpass-/Tiefpasskombinationen in den Diplexern und ggf. Richtkoppler zur Detektion der Ausgangsleistung an den Sende­ eingängen können dabei teilweise oder komplett in die Multi­ layer-Struktur des Substrats integriert sein.

Die Bias-Elemente, also die Entkopplungselemente zwischen dem Gleichspannungs- und dem Hochfrequenzteil der Schaltung, kön­ nen ebenfalls sowohl als diskrete SMD-Bauelemente auf das Substrat montiert sein, als auch mittels geeigneter Struktu­ ren in ein Mehrlagensubstrat eingebettet oder dort nachgebil­ det sein. Auch ist es möglich, die Dias-Elemente auf eigenen Substraten zu erzeugen, und diese Substrate mittels Flipchip- Montage auf einem größeren Substrat für ein Modul oder Teil­ modul aufzubringen.

Erfindungsgemäße Frontend-Schaltungen sind für Kommunika­ tions-Endgeräte geeignet, die einen Dualband-Dualmode- oder einen Multiband-Multimode-Betrieb zulassen. Im Dualband- Betrieb ist eine Frontend-Schaltung nach Fig. 7 beispiels­ weise zum Betrieb nach CDMA-800 und CDMA-1900 gemäß IS95 ge­ eignet. Eine weitere Dualband-Anwendung kann in den Kommuni­ kationssystemen TDMA-800 und TDMA-1900 gemäß IS136 ausgelegt sein. Die beiden Dualband-Anwendungen können so modifiziert sein, daß sie im 800 MHz Band als zweiten Übertragungsmodus ein analoges FM-moduliertes AMPS zulassen.

Im Multimode-Betrieb können die um AMPS ergänzten Dualmode- Systeme zusätzlich noch für GSM-1900 ausgelegt werden. In ei­ ner weiteren Erweiterungsstufe ist es möglich, die vorhandene Filterarchitektur zusätzlich für GSM-1800 und in noch weite­ rer Ausbaustufe für EGSM auszulegen. In dieser Integrations­ stufe werden die vorhandenen Filter mehrfach für unterschied­ liche, im gleichen Übertragungsband arbeitende Kommunikati­ onssysteme benutzt. Als höchste Ausbaustufe wird vorgeschla­ gen, die erfindungsgemäße Frontend-Schaltung so auszulegen, daß sie in allen genannten Kommunikationssystemen betrieben werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Frontend-Schaltung wird dasjenige System, welches in reinem FDD- oder in gemischtem FDD/TDD- Betrieb arbeitet und den kleinsten Duplexerabstand aufweist, erfindungsgemäß mit dem gesplitteten Duplexer verwirklicht. Das oder die weiteren Kommunikationssysteme, die in reinem FDD- oder ebenfalls in gemischtem FDD/TDD-Betrieb arbeiten können, und einen größeren Duplexerabstand aufweisen, können mit einem normalen, aus einem Sende- und einem Empfangsfilter bestehenden Duplexer verwirklicht werden.

Bei im gleichen Übertragungsband arbeitenden Kommunikations­ systemen können alle Filter eines ersten auch vom zweiten Sy­ stemen mitgenutzt werden. Bei einander benachbarten Übertra­ gungsfrequenzen (beispielsweise 1800/1900 MHz) kann zumindest das Sendefilter in Form eines Tiefpassfilters gemeinsam be­ nutzt werden.

Weit voneinander entfernte Kommunikationssysteme, beispiels­ weise 800/1900 MHz, benötigen in jedem Fall eigene Filter. Diese können jedoch mit einem weiteren Kommunikationssystem im gleichen oder einem naheliegenden Übertragungsband kombi­ niert werden, wobei eine teilweise oder vollständige Mitbe­ nutzung der Filter für diese beiden Kommunikationssysteme möglich ist.

Die Erfindung gibt Verschaltungsmöglichkeiten für solche im Multiband-Multimode-Betrieb geeignete Frontend-Schaltungen an, die insbesondere für Kombinationen unterschiedlicher Kom­ munikationssysteme geeignet sind, von denen eines einen klei­ nen Duplexerabstand aufweisen kann.

Claims (12)

1. Frontendschaltung für ein Kommunikationsendgerät,
das für ein erstes und ein zweites drahtloses Kommunikati­ onssystem ausgebildet ist
wobei je Kommunikationssystem für das Sende- und das Emp­ fangsband (Tx, Rx) bzw. für Sende- und Empfangssignal un­ terschiedliche Filter (FR, FT) als Eingangs- und Ausgangs­ filter vorgesehen sind,
mit einem Duplexer (DU) zum Trennen von erstem Sende- (Tx) und erstem Empfangsband (Rx) des ersten Kommunikationssy­ stems,
wobei zumindest einer aus Eingangs- und Ausgangsfilter des ersten Kommunikationssystems als gesplittetes Filter mit zumindest zwei, benachbarte Frequenzteilbereiche des er­ sten Sende- bzw. Empfangsbands abdeckenden Teilfiltern (FR1, FT1; FR2, FT2; . . .; FRn, FTn) ausgebildet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Duplexer (DU) mit einem Schalter (S) zum Um­ schalten zwischen den Teilfiltern (FR1, FR2; FT1, FT2) und damit zwischen den Frequenzteilbereichen (Rx1, Rx2; Tx1, Tx2) verbunden ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Filter (FT2, FR2) für das zweite Kommunikati­ onssystem und der Duplexer (DU) für das erste Kommunikati­ onssystem antennenseitig mit den beiden Ausgängen eines Diplexers (DI) verbunden sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, bei der zumindest für die zwei Frequenzbänder (Rx, Tx) des ersten Kommunikationssystems als Eingangs- und/oder Aus­ gangsfilter dienende gesplittete Oberflächenwellenfilter (FR1, FR2; FT1, FT2) vorgesehen und als Duplexer (DU) ver­ schaltet sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4,
mit jeweils zumindest zwei, benachbarte Frequenzteilbe­ reiche (Rx1, Rx2; Tx1, Tx2) des Sende- bzw. Empfangsbands (Rx, Tx) abdeckenden Teilfiltern (FR1, FR2, FT1, FT2),
bei der jeweils ein Teilfilter des Sendebands (Tx) und ein Teilfilter des Empfangsbands (Rx) ein Teilfilterpaar bilden
bei der Schalter (S) zum Umschalten zwischen den zumin­ dest zwei Teilfilterpaaren (FR1, FT1; FR2, FT2) vorgesehen sind.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der sämtliche Ein- und Ausgangsfilter (FR, FT), der oder die Schalter (S) und der Diplexer (DI) in einem ge­ meinsamen Gehäuse angeordnet sind.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der sämtliche Ein- und Ausgangsfilter (FR, FT) auf ei­ nem gemeinsamen piezoelektrischen Substrat ausgebildet sind.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, bei der das Substratmaterial mindestens eines aus Ein- und Ausgangsfilter Lithiumtantalat rot y mit einem Schnittwin­ kel von 35 bis 44° - LT35-44 - umfasst.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, bei der das Substratmaterial mindestens eines aus Ein- und Ausgangsfilter des ersten Kommunikationssystems Lithiumni­ obat rot y mit einem Schnittwinkel von 60 bis 70° - LN60-70 - und insbesondere mit einem Schnittwinkel nahe 64° - LN64 - ist.

10. Schaltung nach Anspruch 8 und 9, bei der das Substratmaterial für das Eingangsfilter des ersten Kommunikationssystems LN64 und das Substratmaterial für das Ausgangsfilter LT35-44 umfasst.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 3-10, bei der Filter für ein drittes Kommunikationssystem vorge­ sehen sind, die über einen Umschalter (S) mit der Antenne (A) oder dem Diplexer (DI) verschaltet sind.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der ein zusätzliches Tiefpassfilter und ein Schalter vorgesehen ist, der in einem gemischten FDD/TDD Duplexmo­ dus zwischen den zumindest zwei Empfangsfiltern des Duple­ xers als Empfangsfiltern und dem zusätzlichen Tiefpassfil­ ter als Sendefilter schalten kann und den Betrieb der Schaltung für ein drittes Kommunikationssystem mit ge­ mischtem FDD/TDD Duplexmodus ermöglicht.