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Die
Erfindung betrifft ein Frontendmodul mit einer Frontendschaltung,
die einen Antennenschalter umfasst.
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Eine
in einem tragbaren Mobilfunkgerät
realisierte, für
mindestens zwei Mobilfunkbänder
ausgelegte Frontendschaltung mit einem Antennenschalter, der eine
Antenne abwechselnd mit zwei verschiedenen Signalpfaden verbindet,
ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 0959567 A1 bekannt. In
einem Signalpfad kann ein Multiplex-Filter angeordnet sein, das
zwei Bandpassfilter aufweist und bei verschiedenen Frequenzen übertragene
Signale voneinander trennt, indem er diese in verschiedene dafür vorgesehene
Teilpfade leitet.
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Einem
Funksystem ist ein Funkband zugewiesen, das durch seine Mittenfrequenz
charakterisiert wird. Das Funkband kann Sende- und Empfangsband aufweisen, die in
der Frequenz verschoben sind und nicht überlappen. Ein Multibandgerät ist in
der Lage, die Daten von verschiedenen Funksystemen zu verarbeiten.
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Zur
Trennung von Mobilfunkbändern
ist es bekannt, in der Frontendschaltung eines Multibandgeräts nach
einem ersten Schalter in den zu verzweigenden Signalpfaden weitere
Schalter anzuordnen, welche die Teilpfade des verzweigten Signalpfads über den
ersten Schalter mit der Antenne verbinden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein platzsparendes Frontendmodul für zumindest
3 unterschiedliche Funkbänder
mit guten elektrischen Eigenschaften anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist durch ein Frontendmodul nach Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen
aus den weiteren Ansprüchen
hervor.
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Die
Erfindung gibt ein für
mindestens drei Funkbänder
ausgelegtes Frontendmodul (Antennenschaltermodul) mit einer Frontendschaltung
an, die mindestens fünf
Signalpfade und einen einzigen, als ein kompaktes Bauelement ausgebildeten
Antennenschalter aufweist. Der Antennenschalter verbindet einen
Antennenanschluss abwechselnd mit einem der mindestens fünf Signalpfade
elektrisch leitend. Mindestens einer der Signalpfade ist ausgangsseitig durch
eine Frequenzweiche in zwei Teilpfade verzweigt, wobei die in den
Teilpfaden zu übertragenden Signale
zweien unterschiedlichen Funkbändern
ohne überlappende
Frequenzbereiche zugeordnet sind.
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Die
Mittenfrequenzen dieser Funkbänder können sich
z. B. um ca. eine Oktave, d. h. ungefähr den Faktor 2 unterscheiden.
Die Mittenfrequenzen dieser Funkbänder können sich auch um mehr als eine
Oktave unterscheiden. Als erstes Funksystem (z. B. WCDMA800, GSM850/900)
wird ferner ein Funksystem mit einer gegenüber einem zweiten Funksystem
(z. B. WCDMA1900/2100, GSM1800/1900) niedrigen Mittenfrequenz bezeichnet.
WCDMA steht für
Wideband Code Division Multiple Access, GSM für Global System Mobile und
die damit verbundenen Zahlenangaben für die Mittenfrequenz des entsprechenden
Mobilfunksystems in MHz.
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Ein
Funksystem wie z. B. GSM kann die Daten beispielsweise im TDD-Mode
(TDD = Time Division Duplexing) übertragen,
wobei Sende- und Empfangssignale abwechselnd in Zeitschlitzen übertragen
werden. Ein Funksystem wie z. B. WCDMA kann die Daten alternativ
im FDD-Mode (FDD = Frequency Division Duplexing) übertragen,
wobei Sende- und Empfangssignale zeitgleich, aber in verschiedenen Frequenzbändern übertragen
werden. Im letzteren Fall ist es möglich, z. B. über denselben
Signalpfad bzw. Teilpfad Sende- und Empfangssignale des obigen Funksystems
zu übertragen
und diese ausgangsseitig je nach Zugriffsvariante z. B. durch einen nachgeschalteten
Duplexer oder – wie
bei der Zugriffsvariante von CDMA – durch einen Decoder voneinander
zu trennen.
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Die
Frequenzweiche weist zwei Hochfrequenzfilter auf, deren Durchlassbereiche
sich nicht überlappen.
Die Frequenzweiche kann z. B. einen Diplexer mit einem im ersten
Teilpfad angeordneten Tiefpass und einem im zweiten Teilpfad angeordneten
Hochpass darstellen. Im ersten Teilpfad können die Signale des ersten
Funksystems und im zweiten Teilpfad die Signale des zweiten Funksystems übertragen
werden.
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Die
Frequenzweiche kann alternativ als erstes Filter ein Tiefpassfilter
und als zweites Filter ein Bandpassfilter aufweisen, wobei das Passband
des zweiten Filters im Sperrbereich des ersten Filters liegt.
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Die
Frequenzweiche kann in einer weiteren Variante als erstes Filter
ein Hochpass und als zweites Filter ein Bandpassfilter aufweisen,
wobei das Passband des zweiten Filters im Sperrbereich des ersten
Filters liegt.
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In
einer Variante weist das Schaltmodul n = 5 oder 6 Signalpfade auf,
wobei der Antennenschalter ein SP5T bzw. SP6T Schalter (SPnT = Single
Pole n Through) ist.
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In
einer Variante kann das Frontendmodul als ein Multiband-Dualmode und insbesondere
ein Multiband-Compressed Dualmode Schaltmodul für 5, 6 oder mehr Funkbänder ausgebildet
sein.
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Im
kompakten, vorzugsweise zur Oberflächenmontage geeigneten Bauelement,
in dem der Antennenschalter realisiert ist, ist vorzugsweise auch ein
Decoder bzw. die Steuerlogik des Schalters integriert.
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In
den Signalpfaden der Frontendschaltung können Hochfrequenzfilter angeordnet
sein. In einem als Sendepfad fungierenden Signalpfad bzw. Teilpfad,
der dem „niederfrequenten" ersten Funksystem (GSM850/900
oder WCDMA800) zugeordnet ist, ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter
angeordnet. Im als Sendepfad des „hochfrequenten" zweiten Funkbands
GSM1800/1900 dienenden Signalpfad bzw. Teilpfad ist vorzugsweise
ein Bandpassfilter angeordnet. In einem zur Übertragung im „hochfrequenten" zweiten Funkband
(z. B. WCDMA1900/2100) geeigneten Signalpfad bzw. Teilpfad kann
alternativ ein Hochpassfilter angeordnet sein.
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Die
Frequenzweiche kann Sendesignale eines (ersten) Funksystems von
den Signalen des weiteren Funksystems trennen. Die Frequenzweiche kann
aber auch Empfangssignale eines Funksystems von den Signalen des
weiteren Funksystems trennen. Im letzteren Fall ist gleichzeitiges
Senden und Empfangen im zweiten Band und ein Monitoring der im ersten
Band ankommenden Signale möglich. Die
Sendesignale des im ersten („niederfrequenten") und dem zweiten
(„hochfrequenten") Funkband übertragenden
Systems, beispielsweise des GSM-Senders, können nach dem Antennenschalter
und vor der Frequenzweiche in einem gemeinsamen Signalpfad geführt und
ausgangsseitig (nach der Frequenzweiche) über eine weitere Frequenzweiche
voneinander getrennt werden.
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In
einem als Empfangspfad ausgelegten Signalpfad bzw. Teilpfad kann
ein Bandpassfilter angeordnet sein. Die genannten Filter, insbesondere Bandpassfilter
können
mit akustischen Wellen arbeitende Bauelementstrukturen (z. B. mit
akustischen Oberflächenwellen
arbeitende Wandler und/oder mit akustischen Volumenwellen arbeitende
Dünnschichtresonatoren)
aufweisen. Sie können
aber auch als MWK Filter oder als LC Filter ausgebildet sein.
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Die
Frontendschaltung ist in einem Frontendmodul realisiert, das vorzugsweise
als ein einziges Bauelement mit einem Trägersubstrat ausgebildet ist,
auf dem bzw. in dem oben genannte Komponenten der Frontendschaltung
angeordnet sind.
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Das
Bauelement mit dem darin integrierten Antennenschalter ist vorzugsweise
auf dem Trägersubstrat
angeordnet. Das Trägersubstrat
weist vorzugsweise mehrere dielektrische Lagen z. B. aus Keramik
auf, die zwischen strukturierten Metallschichten angeordnet sind.
Beispielsweise ist es möglich, passive
Komponenten wie Tiefpassfilter (vorzugsweise Sendefilter) oder Hochpassfilter
(vorzugsweise Empfangsfilter), u. a. auch die Komponenten der Frequenzweiche
(Tiefpässe,
Hochpässe,
Bandpässe) als
strukturierte Leiterbahnen zu realisieren und diese in den im Substratinneren
verborgenen Metalllagen zu integrieren. Die genannten Tiefpass-,
Hochpass- und/oder Bandpassfilter können auch als kompakte Bauelemente
zur Verfügung
stehen, die auf der Oberfläche
des Trägersubstrats
montiert sein können.
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Zwischen
der Antenne und dem Antennenschalter ist eine diese miteinander
verbindende Signalleitung angeordnet, an die in einer vorteilhaften Variante
ein Querzweig mit einem darin angeordneten Schutzelement angeschlossen
sein kann. Das Schutzelement schützt
den Antennenschalter vor elektrostatischen Entladungen bzw. vor Überspannungen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Es zeigen schematisch
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1 ein
Blockschaltbild einer ersten Frontendschaltung mit einem Antennenschalter
und einer Frequenzweiche;
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2, 3 ein
Blockschaltbild einer zweiten Frontendschaltung mit einem Antennenschalter und
zwei Frequenzweichen;
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4 ein
Blockschaltbild einer Frontendschaltung mit einem im Antennenschalter
integrierten Decoder.
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In 1 ist
ein Fünfband-Dualmode
Frontendmodul vorgestellt. In 2 ist ein
Fünfband-Compressed
Dualmode Frontendmodul vorgestellt. In 3 ist ein
Sechsband-Dualmode Frontendmodul vorgestellt.
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Die 1 zeigt
eine Frontendschaltung mit einem Antennenschalter S, die in einem
Frontendmodul auf einem Trägersubstrat
TS z. B. aus Keramik realisiert ist. Der Schalter S ist eingangsseitig
an einen Antennenanschluss ANT und ausgangs seitig an sechs Signalpfade
SP1 bis SP6 angeschlossen. Der Schalter ist als SP6T (Single Pole
6 Through) Schalter und damit als 6-fach Schalter ausgebildet.
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Im
ersten Signalpfad SP1 ist eine Frequenzweiche FW1 angeordnet, die
einen Hochpass und einen Tiefpass aufweist. Die Frequenzweiche FW1 trennt
den Signalpfad SP1 in einen ersten Teilpfad SP11 und einen zweiten
Teilpfad SP12. Der Hochpass ist im ersten Teilpfad SP11 und der
Tiefpass im zweiten Teilpfad SP12 angeordnet. Der Tiefpass der Frequenzweiche
FW1 ist so ausgelegt, dass gleichzeitig die Oberwellen des GSM850/900
Senders unterdrückt
werden. Der Teilpfad mit dem Hochpass wird vorzugsweise für ein im
(W)-CDMA-Mode übertragendes
Funksystem verwendet. Die Sende- und Empfangssignale des letzteren
Systems werden durch einen dem Hochpass (im Signalpfad SP4 der 3 dem
Tiefpass) nachgeschalteten Duplexer voneinander getrennt. Der Duplexer
ist in dieser Variante nicht Bestandteil des Frontendmoduls. Der
hier nicht gezeigte Duplexer kann auch im Modul integriert sein.
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Der
Teilpfad SP11 ist dem Funkband WCDMA1900/2100 und der Teilpfad SP12
dem zusammengeführten
Sendeband GSM850/GSM900 Tx der „niederfrequenten" Funkbänder GSM850
und GSM900 zugewiesen.
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Der
zweite Signalpfad SP2 ist dem Empfangsband GSM850 Rx des Funkbands
GSM850 und der dritte Signalpfad SP3 dem Empfangsband GSM900 Rx
des Funkbands GSM900 zugeordnet. Der vierte Signalpfad SP4 ist dem
zusammengeführten
Sendeband GSM1800/GSM1900 Tx der „hochfrequenten" Funkbänder GSM1800
und GSM1900 zugewiesen. Der fünfte
Signalpfad SP5 ist dem Empfangsband GSM1800 Rx des Funkbands GSM1800 und
der sechste Signalpfad SP6 dem Empfangsband GSM1900 Rx des Funkbands
GSM1900 zugeordnet.
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Der
Tiefpass, der Hochpass der Frequenzweiche FW1 und vorzugsweise ein
im Signalpfad SP4 angeordneter Tiefpassfilter TP sind vorzugsweise
jeweils im Inneren des Trägersubstrats
TS realisiert. Der Schalter S ist vorzugsweise als Chip mit SMD-Kontakten
(SMD = Surface Mounted Device) ausgebildet, auf der Oberseite des
Trägersubstrats befestigt
und elektrisch mit diesem verbunden.
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In 2 ist
eine Variante der Frontendschaltung mit fünf Signalpfaden SP1 bis SP5
gezeigt, bei der im dritten Signalpfad SP3 eine weitere Frequenzweiche
FW2 angeordnet ist. Der dritte Signalpfad SP3 ist durch die Frequenzweiche
FW2 ausgangsseitig in zwei Teilpfade SP31 und SP32 aufgeteilt.
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Die
Frequenzweiche FW2 stellt hier eine Kombination aus einem im ersten
Teilpfad SP31 angeordneten Tiefpass und einem im zweiten Teilpfad SP32
angeordneten Bandpass dar. Der erste Teilpfad SP31 des dritten Signalpfades
SP3 ist dem zusammengeführten
Sendeband GSM850/GSM900 Tx der „niederfrequenten" Funkbänder GSM850
und GSM900 zugeordnet. Der zweite Teilpfad SP32 des dritten Signalpfades
SP3 ist dem zusammengeführten
Sendeband GSM1800/GSM1900 Tx der „hochfrequenten" Funkbänder GSM1800
und GSM1900 zugeordnet.
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Der
zweite Teilpfad SP12 des ersten Signalpfades SP1 in 2 ist
dem Empfangsband GSM900 Rx des Funkbands GSM900 zugeordnet.
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Durch
das Zusammenlegen zweier Teilpfade SP11, SP12 in einen Signalpfad
SP1 ist es möglich, zeitgleich
die Sende- und Emp fangssignale des Funksystems WCDMA1900 (oder WCDMA2100) und
die Sendesignale (1) oder Empfangssignale (2)
des weiteren Funksystems GSM850 (oder GSM900) zu übertragen.
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Die
Möglichkeit,
bei der Übertragung
im zweiten Funkband (WCDMA1900/2100) im ersten Funkband zu empfangen,
hat den Vorteil, dass bei der Übertragung
im zweiten Funkband ein über
den ersten Funkband ankommender Anruf signalisiert werden kann.
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In 3 ist
eine Variante gezeigt, bei der die Signalpfade SP1 bis SP3, SP5
und SP6 wie in 1 ausgebildet sind. Im vierten
Signalpfad SP4 werden neben den Sendesignalen des Funkbands GSM1800/1900
die Daten des Funksystems WCDMA800 übertragen. Die Signale der
Systeme GSM1800/1900 und WCDMA800 werden voneinander durch eine
Frequenzweiche FW2 getrennt.
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Die
Frequenzweiche FW2 stellt in 3 eine Kombination
aus einem im ersten Teilpfad SP41 angeordneten Tiefpass und einem
im zweiten Teilpfad SP42 angeordneten Bandpass dar. Der erste Teilpfad
SP41 des vierten Signalpfades SP4 ist dem „niederfrequenten" Funkband WCDMA800
zugeordnet. Der zweite Teilpfad SP42 des vierten Signalpfades SP4
ist dem zusammengeführten
Sendeband GSM1800/GSM1900 Tx der „hochfrequenten" Funkbänder GSM1800
und GSM1900 zugeordnet.
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Im
Teilpfad SP41 ist ein Tiefpass angeordnet. Im Teilpfad SP42 ist
ein Bandpass angeordnet. Grundsätzlich
ist es möglich,
den im zweiten Teilpfad SP32 (2) oder
SP42 (3) angeordneten Bandpass durch einen Hochpass
zu ersetzen.
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In 4 ist
ein Multiband-Multimode Frontendmodul vorgestellt. In dieser Variante
ist in einem Bauelement neben dem Antennenschalter S mit Anschlüssen für die jeweiligen
(m + n) Signalpfade SPj (j = 1 ... (m + n)) ein Decoder DE mit Steueranschlüssen K1,
K2 und K3 integriert, an die ein vorzugsweise digitales Steuersignal
angelegt wird. Je nach angelegtem Bitmuster wird der Schalter S
so angesteuert, dass er einen ausgewählten Signalpfad mit dem Antennenanschluss
verbindet.
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Das
Bauelement weist m Signalpfade SPj (j = 1 ... m), die als Sendepfade
Tx1, Tx2 ... Txm ausgebildet sind, und n Signalpfade SPj (j = (m
+ 1) ... (m + n)), die als Empfangspfade Rx1 ... Rxn ausgelegt sind.
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Der
erste Sendepfad Tx1 ist ausgangsseitig in Teilpfade Tx11 und Tx12
und der zweite Sendepfad Tx2 in Teilpfade Tx21 und Tx22 aufgeteilt.
Im ersten Teilpfad Tx11 des ersten Sendepfades Tx1 ist ein Hochpass
angeordnet. Der erste Teilpfad Tx11 ist vorzugsweise einem Sendeband
eines „hochfrequenten" zweiten Funksystems
zugeordnet, das vorzugsweise im FDD-Mode überträgt. Im zweiten Teilpfad Tx12
ist ein Tiefpass angeordnet. Der zweite Teilpfad Tx12 ist vorzugsweise
einem Sendeband eines „niederfrequenten" ersten Funksystems
zugeordnet, das im FDD- oder TDD-Mode überträgt.
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Im
ersten Teilpfad Tx21 des zweiten Sendepfades Tx2 ist ein Tiefpass
angeordnet. Der erste Teilpfad Tx21 ist vorzugsweise einem Sendeband
eines „niederfrequenten" vierten Funksystems
zugeordnet, das vorzugsweise im FDD-Mode überträgt. Im zweiten Teilpfad Tx22
ist ein Bandpass angeordnet. Der zweite Teilpfad Tx12 ist vorzugsweise
einem Sendeband eines „hochfrequenten" dritten Funksystems
zugeordnet, das im FDD- oder TDD-Mode überträgt.
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Im
Empfangspfad Rxn ist ein Bandpass angeordnet, der einen unsymmetrischen
(unbalanced) Eingang und einen symmetrischen (balanced) Ausgang
aufweist. Der Bandpass erfüllt
damit die Funktion eines Baluns. Der Bandpass kann z. B. ein mit akustischen
Oberflächenwellen
arbeitendes Empfangsfilter sein.
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In
den in 1 bis 4 nur ausschnittsweise gezeigten
Empfangspfaden sind in der Regel Filter, vorzugsweise Bandpässe angeordnet,
die auch Bestandteile des Frontendmoduls sein können.
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Dadurch,
dass in 2 bis 4 in mehreren
Signalpfaden SP1, SP2 usw. Frequenzweichen angeordnet sind und einige
Signalpfade, insbesondere Tx Pfade für zwei oder mehr benachbarte
Frequenzbereiche gemeinsam genutzt werden, gelingt es, besonders
viele Funkbänder
durch ein Frontendmodul zu bedienen, ohne dabei die Anzahl der an den
Schalter angeschlossenen Pfade bzw. die Schaltfläche des Antennenschalters zu
erhöhen.
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Eine
Frequenzweiche kann in einer Ausführungsform auch eine Kombination
aus einem Hochpass und einem Bandpass oder eine Kombination aus
zwei Bandpässen
darstellen.
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Der
antennenseitige Eingang des Antennenschalters S kann wie in 4 vor Überspannungen durch
ein im Querzweig angeordnetes Schutzelement ES, z. B. einen Varistor
oder eine Funkenstrecke geschützt
sein.
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Die
Antenne kann in einer Variante in das Trägersubstrat des Frontendmoduls
integriert sein. In einer weiteren Variante wird die Antenne über einen Antennenanschluss
an das Frontendmodul angeschlossen.
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Die
dielektrischen Lagen des Trägersubstrats
können
z. B. aus einer LTCC-, HTCC-Keramik oder einem organischen Material
bestehen. Der Antennenschalter – vorzugsweise
ein Halbleiterschalter – kann
aus einem GaAs-Schalter (pHEMT oder J-FET, FET = Feldeffekttransistor)
und einem Diodenschalter z. B. mit PIN-Dioden gewählt sein.
Die hochintegrierten Schalter können
in CMOS-Technologie auf Silizium- oder Saphier-Substrat ausgeführt sein.
Das Modul kann in den Signalpfaden oder Teilpfaden angeordnete SAW-
oder Mikrowellenkeramik-Duplexer
enthalten. Die Duplexer sind vorzugsweise in den Pfaden angeordnet,
die im CDMA-Mode betrieben werden.
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Die
Decoderlogik ist vorzugsweise direkt auf dem Halbleiterschalter
integriert. In einer Variante kann aber ein separater Decoder-Chip
vorgesehen sein, der vorzugsweise auf dem Trägersubstrat montiert ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele oder die angegebene
Materialauswahl beschränkt.
Die in 1 bis 4 vorgestellten Elemente sind
ohne weiteres auf die jeweils anderen Varianten der Erfindung übertragbar.
Eine ESD-Schutzvorrichtung kann an beliebigen Toren des Schaltmoduls
angeordnet sein. Die Halbleiterschalter und die Filter können auf
dem Substrat die-, drahtgebondet oder in einer Flip-Chip Anordnung montiert
sein.
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- ANT
- Antennenanschluss
- BP
- Bandpass
- TP
- Tiefpass
- DE
- Decoder
- ES
- Schutzelement
- FW1,
FW2
- Frequenzweiche
- Rx
- Empfangspfad
- Tx
- Sendepfad
- Tx11,
Tx12
- als
Sendepfad ausgelegter erster Teilpfad
- Tx21,
Tx22
- als
Sendepfad ausgelegter zweiter Teilpfad
- Txj
- als
Sendepfad ausgelegter Signalpfad (j = 1 ... m)
- Rxj
- als
Empfangspfad ausgelegter Signalpfad (j = 1 ... n)
- S
- Antennenschalter
- SPj
j.
- Signalpfad
(j = 1, 2 ..., (m + 1), ... (m + n))
- SPj1
- erster
Teilpfad des j. Signalpfads
- SPj2
- zweiter
Teilpfad des j. Signalpfads