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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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Aus der Druckschrift
DE 10053205 A1 sind Frontendschaltungen mit Serienverschaltungen von Duplexern und HF-Filtern bekannt.
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Aus der Druckschrift
EP 0903800 A2 sind Frequenzweichen, z.B. Duplexer mit einem Hochpass und einem Tiefpass bekannt.
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Aus der Druckschrift
EP 1418680 A1 sind Frontendschaltungen mit Schaltern und/oder Frequenzweichen bekannt.
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Aus der Druckschrift
DE 10201434 A1 sind Schutzvorrichtungen für Frontendschaltungen bekannt.
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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
- 1 ein Blockschaltbild einer ersten Frontendschaltung mit einem Antennenschalter und einer Frequenzweiche;
- 2, 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Frontendschaltung mit einem Antennenschalter und zwei Frequenzweichen;
- 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 ausgangsseitig 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 „hochfreqüenten“ 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 Empfangssignale 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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Bezugszeichenliste
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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
