DE102005046452B4

DE102005046452B4 - Multiband-Schaltung

Info

Publication number: DE102005046452B4
Application number: DE102005046452.1A
Authority: DE
Inventors: Sergiy Royak; Denys Orlenko; Dr. Heide Patric; Georgiy Sevskiy
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP4861421B2; JP2009510852A; US20080204163A1; DE102005046452A1; US8081047B2; WO2007036221A1

Abstract

Multiband-Schaltung- mit einem Signalpfad, der einen ersten Signalzweig (RX1, TX1) und einen zweiten Signalzweig (RX2, TX2) umfasst, die antennenseitig zu einem gemeinsamen Pfad (RX, TX) zusammengefasst sind,- wobei der erste Signalzweig (RX1, TX1) eine erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) umfasst, die in einem ersten Frequenzband (FB1) durchlässig ist,- wobei der zweite Signalzweig (RX2, TX2) eine zweite Schaltung (F21, MA21; F22, MA22) umfasst, die in einem zweiten Frequenzband (FB2) durchlässig ist, die HF-Signale bei einer Sperrfrequenz (fnotch) zur Masse ableitet und somit den antennenseitigen Eingang des ersten Signalzweigs (RX1, TX1) HF-mässig mit der Masse verbindet.

Description

Aus der Druckschrift US 5 880 649 A ist eine Schaltung mit einem Diplexer bekannt, die zur Trennung von Signalen von zwei verschiedenen Frequenzbändern geeignet ist.
Aus der Übersetzung der europäischen Patentschrift DE 698 27 912 T2 sind Mehrband-HF-Schaltmodule mit parallel geschalteten Sende- bzw. Empfangspfaden bekannt, wobei Schaltungselemente wie kapazitive Elemente und induktive Elemente als Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat ausgeführt sind.
Aus der Veröffentlichungsschrift DE 199 83 645 T1 sind Leistungsverstärker für mobile Kommunikationsgeräte bekannt, wobei Sende- bzw. Empfangspfade über verschiedene Diplexerschaltungen mit einer gemeinsamen Antenne verschaltet sind.
Aus der Offenlegungsschrift DE 100 54 968 A1 sind Duplexerschaltungen für Multi-band/Multimode-Anwendungen für Systeme mit geringem Duplexerabstand bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, eine Multiband-Schaltung anzugeben, die in einem Bauelement kostengünstig und platzsparend realisiert werden kann.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird eine Multiband-Schaltung mit einem Signalpfad angegeben, der antennenseitig zu einem gemeinsamen Pfad zusammengefasst einen ersten und einen zweiten Signalzweig aufweist. Der erste Signalzweig umfasst eine erste Schaltung, die in einem ersten Frequenzband durchlässig ist, und der zweite Signalzweig eine zweite Schaltung, die in einem zweiten Frequenzband durchlässig ist und die die HF-Signale bei einer Sperrfrequenz - vorzugsweise einer Notch-Frequenz - HF-mässig zur Masse ableitet. Durch die zweite Schaltung wird am antennenseitigen Eingang der beiden Signalzweige bei einer einem Sperrband zugeordneten Frequenz ein HF-Kurzschluss gegen Masse erzeugt, wodurch die Nahselektion des ersten Signalzweiges deutlich verbessert werden kann.
Eine Schaltung, die als ein Saugkreis für den ersten Signalzweig wirkt und in der Übertragungscharakteristik dieses Signalzweiges einen Notch erzeugt, ist also nicht in einem an diesen Signalzweig angeschlossenen Querzweig gegen Masse, sondern im zweiten Signalzweig angeordnet. Durch diesen Notch kann in der Übertragungsfunktion der ersten Schaltung bzw. des ersten Pfades eine Flanke erzeugt oder eine gegebenenfalls bereits vorhandene Flanke versteilert werden.
Möglich ist es auch, dass die erste Schaltung die HF-Signale bei einer weiteren Sperrfrequenz - vorzugsweise einer Notch-Frequenz - zur Masse ableitet und somit den antennenseitigen Eingang des ersten und des zweiten Signalzweiges für die HF-Signale bei der weiteren Sperrfrequenz kurzschließt. Durch diesen Notch kann in der Übertragungsfunktion der zweiten Schaltung bzw. des zweiten Pfades eine Flanke erzeugt oder eine gegebenenfalls bereits vorhandene Flanke versteilert werden.
Die erste Schaltung umfasst in einer Variante ein antennenseitig angeordnetes erstes Anpassnetzwerk (erstes Tiefpassfilter) und die zweite Schaltung ein antennenseitig angeordnetes zweites Anpassnetzwerk (zweites Tiefpassfilter), die unmittelbar leitend miteinander und mit dem gemeinsamen Pfad verbunden sind.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird eine Multiband-Schaltung mit Signalzweigen angegeben, die antennenseitig zu einem gemeinsamen Pfad zusammengefasst sind, wobei ein erster Signalzweig in einem ersten Frequenzband und ein zweiter Signalzweig in einem zweiten Frequenzband durchlässig ist. Im ersten Signalzweig ist ein erstes Anpassnetzwerk (erstes Tiefpassfilter) und im zweiten Signalzweig ein zweites Anpassnetzwerk (zweites Tiefpassfilter) angeordnet, die (antennenseitig) unmittelbar leitend miteinander und mit dem gemeinsamen Pfad verbunden sind. Im zweiten Signalzweig ist vorzugsweise eine das zweite Tiefpassfilter umfassende zweite Schaltung angeordnet, die die HF-Signale bei einer Sperrfrequenz zur Masse ableitet und somit bei dieser Sperrfrequenz am antennenseitigen Eingang des ersten (und des zweiten) Signalzweiges einen HF-Kurzschluss gegen Masse erzeugt.
Auch im ersten Signalzweig kann eine das erste Anpassnetzwerk bzw. Tiefpassfilter umfassende erste Schaltung angeordnet sein, die die HF-Signale bei einer weiteren Sperrfrequenz zur Masse ableitet und somit bei dieser Sperrfrequenz am Eingang des zweiten Signalzweiges einen HF-Kurzschluss gegen Masse erzeugt.
Im Weiteren werden vorteilhafte Varianten der Multiband-Schaltung gemäß der bevorzugten ersten und zweiten Ausführungsform erläutert.
Die Übertragungscharakteristik des ersten und des zweiten Signalzweiges bzw. der ersten oder zweiten Schaltung wird zwischen dem Anschlussknoten dieses Zweiges an den gemeinsamen Pfad und dem Ausgang der ersten bzw. zweiten Schaltung gemessen.
Die Signalzweige sind eingangsseitig an einen gemeinsamen Pfad des Signalpfades und ausgangsseitig jeweils an einen Signalanschluss eines elektrischen Tores angeschlossen.
Der Signalpfad kann ein Sendepfad oder ein Empfangspfad sein, wobei seine beiden Signalzweige Sendezweige bzw. Empfangszweige sind. Der Signalpfad kann auch ein Sendeempfangspfad sein, wobei seine Signalzweige einen Sendezweig und einen Empfangspfad darstellen.
Die Multiband-Schaltung weist vorzugsweise mindestens zwei Signalpfade, z. B. einen Empfangspfad und einen Sendepfad auf. Diese sind vorzugsweise mittels eines Antennenschalters an einen zu einer Antenne führenden Antennenpfad anschließbar. Der zweite Signalpfad ist vorzugsweise dem ersten ähnlich, d. h. mit zwei Signalzweigen aufgebaut.
Die erste Schaltung kann ein drittes Filter - einen Tiefpasspass, einen Bandpass oder ein weiteres Hochpassfilter - umfassen, das von der Antenne aus gesehen dem ersten Anpassnetzwerk bzw. Tiefpassfilter dieser Schaltung nachgeschaltet ist. Die zweite Schaltung kann ein viertes Filter - z. B. einen Tiefpass oder einen Bandpass - umfassen, das von der Antenne aus gesehen dem zweiten Anpassnetzwerk bzw. Tiefpassfilter nachgeschaltet ist.
Die an der Verzweigung des Signalpfades angeordnete Teilschaltung, die aus dem ersten und dem zweiten Anpassnetzwerk besteht, ersetzt einen üblicherweise zur Bandtrennung benutzen Diplexer, der aus einem in einem ersten Signalzweig angeordneten Tiefpass und einem in einem zweiten Signalzweig angeordneten Hochpass besteht.
Am elektrischen Knoten, an dem der erste und der zweite Signalzweig angeschlossen sind, kann mindestens ein Querzweig gegen Masse angeschlossen sein. In diesem Querzweig ist vorzugsweise eine Kapazität angeordnet. Dieser Querzweig kann sowohl dem im ersten Signalzweig angeordneten Anpassnetzwerk/TPF als auch dem im zweiten Signalzweig angeordneten Anpassnetzwerk/TPF zugeordnet werden. Das Anpassnetzwerk kann z. B. ein π-Glied mit einer Induktivität oder einem Leitungsabschnitt im Serienzweig und Kapazitäten in den Querzweigen sein. Das Anpassnetzwerk kann aber auch durch einen Leitungsabschnitt gebildet sein.
In einer vorteilhaften Variante bildet das im zweiten Signalzweig angeordnete Anpassnetzwerk und das diesem nachgeschaltete vierte Filter, das außerhalb des zweiten Frequenzbandes und insbesondere im ersten Band als eine Kapazität gegen Masse wirkt, einen Saugkreis gegen Masse, der eine Resonanzfrequenz bei der Sperrfrequenz der zweiten Schaltung aufweist und die HF-Signale bei dieser Notch-Frequenz gegen Masse ableitet.
Das zweite Frequenzband liegt vorzugsweise mindestens eine Oktave höher als das erste Frequenzband.
Die Sperrfrequenz der zweiten Schaltung kann zwischen dem ersten und dem zweiten Frequenzband liegen. Sie kann aber auch unterhalb des bei niedrigeren Frequenzen liegenden ersten Frequenzbands oder oberhalb des höheren zweiten Frequenzbands liegen. Dies gilt auch für die Sperrfrequenz der ersten Schaltung.
Die erste Schaltung kann als drittes Filter einen Hochpass umfassen, der von der Antenne aus gesehen nach dem antennenseitigen Anpassnetzwerk geschaltet sein kann. Die Sperrfrequenz der zweiten Schaltung ist vorzugsweise im Durchlassbereich dieses Hochpasses angeordnet. Die erste Schaltung kann alternativ als drittes Filter einen Tiefpass umfassen, der dem antennenseitigen Anpassnetzwerk nachgeschaltet ist. Die Sperrfrequenz der zweiten Schaltung ist vorzugsweise im Durchlassbereich dieses Tiefpasses angeordnet.
Die erste Schaltung kann in einer Variante als drittes Filter einen Bandpass umfassen, der von der Antenne aus gesehen nach dem antennenseitigen Anpassnetzwerk geschaltet sein kann. Die Sperrfrequenz der zweiten Schaltung ist dann vorzugsweise unterhalb oder oberhalb des Passbandes dieses Bandpasses angeordnet.
Die erste und die zweite Schaltung weist vorzugsweise konzentrierte LC-Elemente, ggf. auch Leitungsabschnitte auf. Die erste und die zweite Schaltung kann aber auch im Prinzip aus Leitungen, insbesondere Transformationsleitungen realisiert sein.
Das dritte und das vierte Filter zeichnen sich vorzugsweise durch eine relativ niedrige Einfügedämpfung, z. B. maximal 1,5 dB in ihrem Durchlassbereich aus. Das dritte Filter kann eine relativ niedrige Unterdrückung von z. B. weniger als 20 dB in einem Sperrbereich aufweisen. Dies reicht ggf. für sich nicht aus, um beispielsweise die erste oder zweite Oberwelle der im ersten Frequenzband zu übertragenden Signale zu unterdrücken. Durch die zweite Schaltung kann in der Übertragungscharakteristik des ersten Signalzweiges die Unterdrückung in diesem Sperrbereich um einen Betrag von z. B. mindestens 15 dB verbessert werden.
Die angegebene Multiband-Schaltung kann in einem ein Vielschichtsubstrat umfassenden elektrischen Bauelement integriert sein, das kompakt und vorzugsweise zur Oberflächenmontage geeignet ist. Das Vielschichtsubstrat umfasst Metallisierungsebenen und zwischen diesen angeordnete dielektrische Schichten, z. B. Keramiklagen. Insbesondere können die konzentrierten LC-Elemente der Multiband-Schaltung im Substrat als Leiterbahnen und leitende Flächen realisiert sein.
Es ist vorteilhaft, wenn die relative Dielektrizitätskonstante ε_r der dielektrischen Schichten relativ niedrig ist, z. B. kleiner als 15, in einer Variante ε_r ≤ 10.
Im Folgenden wird die Multiband-Schaltung anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen:

1 das Ersatzschaltbild einer WLAN-Schaltung, die eine Frontendschaltung mit der angegebenen Multiband-Schaltung umfasst;
2 eine Frontendschaltung mit der Multiband-Schaltung, die eine im ersten Signalzweig angeordnete erste Schaltung und eine im zweiten Signalzweig angeordnete zweite Schaltung umfasst, wobei die erste und die zweite Schaltung jeweils aus LC-Elementen realisiert sind;
3A das Ersatzschaltbild des in der ersten Schaltung des Empfangspfades angeordneten Hochpasses;
3B ein Vielschicht-Bauelement mit dem darin integrierten Hochpass gemäß 3A, der im ersten Signalzweig des Empfangspfades angeordnet ist;
3C das Ersatzschaltbild des in der ersten Schaltung des Sendepfades angeordneten Hochpasses;
4 Vielschicht-Bauelement mit dem darin integrierten Hochpass gemäß 3A, der im ersten Signalzweig des Sendepfades angeordnet ist;
5A das Ersatzschaltbild des in der zweiten Schaltung angeordneten Bandpasses;
5B ein Vielschicht-Bauelement mit dem darin integrierten Bandpass gemäß 5A, der im zweiten Signalzweig des Empfangspfades angeordnet ist;
6 ein Vielschicht-Bauelement mit dem darin integrierten Bandpass gemäß 5A, der im zweiten Signalzweig des Sendepfades angeordnet ist;
7A das Ersatzschaltbild der im ersten und zweiten Signalzweig des Sende- oder Empfangspfades antennenseitig angeordneten Anpassnetzwerke;
7B ein Vielschicht-Bauelement mit den darin integrierten Anpassnetzwerken gemäß 7A, die in den Signalzweigen des Empfangspfades angeordnet sind;
8 ein Vielschicht-Bauelement mit den darin integrierten Anpassnetzwerken gemäß 7A, die in den Signalzweigen des Sendepfades angeordnet sind;
9A die Übertragungsfunktion des im ersten Signalzweig des Empfangspfades oder des Sendepfades angeordneten Hochpasses;
9B die Übertragungsfunktion des im zweiten Signalzweig des Empfangspfades oder des Sendepfades angeordneten Bandpasses;
9C die Übertragungsfunktion der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung.

1 zeigt das Ersatzschaltbild einer WLAN-Schaltung. Die WLAN-Schaltung umfasst eine Frontendschaltung FE, die die in verschiedenen Frequenzbändern übertragenen Signale sowie Sende- und Empfangssignale eines Bandes voneinander trennt. Die Datenübertragung (Senden und Empfangen von HF-Signalen) in zumindest zwei Frequenzbändern erfolgt mittels der Antennen ANT1 und ANT2, die über den Antennenschalter SW abwechselnd mit den Signalpfaden TX (Sendepfad) und RX (Empfangspfad) leitend verbunden werden.
Der Sendepfad TX verzweigt sich in zwei Signalzweige: einen ersten Signalzweig TX1 und einen zweiten Signalzweig TX2. Der Empfangspfad RX verzweigt sich ebenfalls in zwei Signalzweige: einen ersten Signalzweig RX1 und einen zweiten Signalzweig RX2.
In den beiden ersten Signalzweigen RX1, TX1 werden die Signale des ersten Frequenzbands FB1 und in den beiden zweiten Signalzweigen RX2, TX2 die Signale des zweiten Frequenzbands FB2 übertragen. Die Sendesignale des ersten Frequenzbandes (mit einer Mittenfrequenz von ca. 2,5 GHz) werden im ersten Signalzweig TX1 bzw. die Empfangssignale dieses Bandes im ersten Signalzweig RX1 übertragen. Die Sendesignale des zweiten Frequenzbandes (mit einer Mittenfrequenz von ca. 5 GHz) werden im zweiten Signalzweig TX2 bzw. die Empfangssignale dieses Bandes im zweiten Signalzweig RX2 übertragen.
Im jeweiligen ersten Signalzweig RX1, TX1 ist eine erste Schaltung angeordnet, die ein Anpassnetzwerk - hier MA11 bzw. MA12 - und ein drittes Filter F11 bzw. F12 umfasst. Im jeweiligen zweiten Signalzweig RX2, TX2 ist eine zweite Schaltung angeordnet, die ein Anpassnetzwerk - hier MA21 bzw. MA22 - und ein viertes Filter F21 bzw. F22 umfasst.
Das in der ersten Schaltung angeordnete Anpassnetzwerk MA11, MA12 sperrt in einem oberhalb des ersten Frequenzbandes FB1 liegenden Frequenzbereich. Das in der zweiten Schaltung angeordnete Anpassnetzwerk MA21, MA22 sperrt in einem oberhalb des zweiten Frequenzbandes FB2 liegenden Frequenzbereich.
Die Übertragungskennlinien der ersten und der zweiten Schaltung sind in der 9C gezeigt. Die typische Übertragungskennlinie der in den ersten Signalzweigen angeordneten dritten Filter F11, F12 sind in der 9A und die typische Übertragungskennlinie der in den zweiten Signalzweigen angeordneten vierten Filter F21, F22 in der 9B gezeigt.
Die dritten Filter F11, F12 sind in den in 1 und 2 gezeigten Varianten Hochpässe und die vierten Filter R21, F22 Bandpässe.
Der Antennenschalter SW ist vorzugsweise ein „diversity switch“ bzw. ein DPDT-switch (Double Pole Double Through Switch). Er kann Feldeffekttransistoren z. B. auf GaAs-Basis enthalten.
In den Signalzweigen RX1, RX2 des Empfangspfades RX sind außerhalb der Frontendschaltung jeweils ein rauscharmer Verstärker LNA, ein weiteres Filter - hier ein Bandpassfilter - und ein Balun Bal angeordnet. In den Signalzweigen TX1, TX2 des Sendepfades TX sind außerhalb der Frontendschaltung jeweils ein Leistungsverstärker PA, ein weiteres Filter - hier ein Bandpassfilter - und ein Balun Bal angeordnet.
Die Baluns Bal sorgen dafür, dass an der Schnittstelle mit der WLAN-IC RFIC die unbalanced Pfade RX1, RX2, TX1, TX2 balanciert werden.
Alle in der 1 gezeigten Filter, Anpassnetzwerke und Baluns können konzentrierte, vorzugsweise als Leiterbahnabschnitte und leitende Flächen ausgebildete LC-Elemente umfassen. Sie können aber auch mindestens eine diskrete Induktivität oder Kapazität aufweisen. Zumindest einige der Filter, insbesondere die Bandpassfilter können als Filter-Chips verfügbar sein.
Es ist vorteilhaft, die Frontendschaltung FE in einem kompakten, vorzugsweise zur SMD-Montage geeigneten Bauelement zu realisieren. Möglich ist es auch, im kompakten Bauelement die Verstärker LNA, PA, die weiteren Filter und die Baluns der in der 1 gezeigten Schaltung zu integrieren. Dabei sind insbesondere passive Komponenten wie z. B. die LC-Elemente dieser Schaltung zur Integration in einem Substrat geeignet, das in einer vorteilhaften Variante als Träger für Chips dient. Unter den Chips sind insbesondere die folgenden Komponenten zu verstehen: die Halbleiterchips wie den Antennenschalter SW und die Verstärker LNA, PA oder die Filter-Chips.
Auf dem Substrat können ferner als diskrete Bauelemente bzw. Chips verfügbare Induktivitäten und Kapazitäten angeordnet sein. Diese Kapazitäten können beispielsweise im Antennenpfad angeordnete Kapazitäten zur DC-Entkopplung sein, die in der 2 zu sehen sind.
Baluns sind vorzugsweise im Substrat z. B. aus LC-Elementen realisiert. Sie können aber auch als Chips verfügbar sein, die auf dem Substrat montierbar sind. Alle Chips können Bare-Dies oder gehäuste Chips sein. Die Chips können mit dem Substrat mittels Bonddrähte oder Bumps elektrisch verbunden werden.
Das elektrische Bauelement kann LGA-Anschlüsse aufweisen. Die auf dem Substrat angeordneten Komponenten sind vorzugsweise durch eine Vergussmasse verkapselt und somit gegen die Umwelteinflüsse geschützt.
Das Bauelement weist vorzugsweise eine Sendesektion und eine Empfangsfunktion auf, zwischen denen in einer Variante eine Reihe Durchkontaktierungen angeordnet ist. Die Durchkontaktierungen sind an Masse angeschlossen und verbessern die Isolation zwischen den beiden Sektionen. Die Durchkontaktierungen können an einen auf dem Substrat angeordneten Chip wie z. B. den Antennenschalter-Chip angeschlossen sein und als Wärmesenke dienen.
In der 2 ist eine mit konzentrierten LC-Elementen realisierte Frontendschaltung gezeigt.
Die Anpassnetzwerke MA11, MA12, MA21, MA22 umfassen jeweils ein π-Glied, das als ein Tiefpass wirkt (siehe auch die 7A). Das Anpassnetzwerk MA11 umfasst die Kapazitäten C10 und C11 sowie die Induktivität L11, das Anpassnetzwerk MA21 die Kapazitäten C10 und C21 sowie die Induktivität L21, das Anpassnetzwerk MA12 die Kapazitäten C20 und C12 sowie die Induktivität L12, das Anpassnetzwerk MA22 die Kapazitäten C20 und C22 sowie die Induktivität L22. Die zwischen dem gemeinsamen Signalpfad RX bzw. TX und Masse angeordnete Kapazitäten C10 bzw. C20 sind also in zwei Anpassnetzwerken MA11 und MA21 bzw. MA12 und MA22 wirksam.
Die Grenzfrequenz des im ersten Signalzweig RX1, TX1 angeordneten, hier als Tiefpass ausgelegten Anpassnetzwerks MA11, MA12 ist vorzugsweise so gewählt, dass die Signale oberhalb des ersten Frequenzbandes gedämpft werden. Die Grenzfrequenz des im zweiten Signalzweig RX2, TX2 angeordneten, hier als Tiefpass ausgelegten Anpassnetzwerks MA21, MA22 ist vorzugsweise so gewählt, dass die Signale oberhalb des zweiten Frequenzbandes gedämpft werden.
Das z. B. für 2,5 GHz ausgelegte dritte Filter F11 ist ein Hochpass höherer Ordnung, der im ersten Frequenzband durchlässt. Die Induktivität L1 und die Kapazitäten C4, C6 bilden einen ersten Schwingkreis. Die Induktivität L2 und die Kapazitäten C5, C7 bilden einen zweiten Schwingkreis. Die in verschiedenen Schwingkreisen angeordneten Induktivitäten L1, L2 (siehe 3A) sind magnetisch gekoppelt. Die Kapazitäten C1, C2, C3 sind im Signalpfad angeordnet.
Das Filter F12 funktioniert ähnlich wie das Filter F11 mit dem Unterschied, dass die Kopplung zwischen den Induktivitäten L1 und L2 nicht magnetisch, sondern durch eine gemeinsame Induktivität L3 realisiert ist (s. 3C). Die Realisierung dieser Schaltung ist in 4 zu sehen. Die Kapazitäten C4 und C5 sind durch die leitenden Flächen 432, 442 und 452 gebildet. Die Fläche 442 ist mittels einer Durchkontaktierung mit der Massefläche 491 verbunden. Die parasitäre Induktivität der Durchkontaktierung und der Fläche 442 ergeben zusammen die in der 3C gezeigte Induktivität L3 zur Masse.
Die ersten Signalpfade TX1, RX1 weisen ein erstes Notch auf, das in der in 9A gezeigten Übertragungscharakteristik links vom Passband liegt. In den beiden Filtern F11 und F12 wird durch eine Schaltung, die gekoppelte Induktivitäten L1 und L2 und die Kapazität C2 umfasst, ein zusätzliches Notch im Sperrbereich der Übertragungscharakteristik des Signalpfades erzeugt, was die Nahselektion des Filters deutlich verbessert. Die Frequenzen der beiden Notches können unterschiedlich sein. Sie können aber auch im Wesentlichen übereinstimmen.
Die für 5 GHz ausgelegten vierten Filter F21, F22 sind Bandpässe, die im zweiten Frequenzband durchlassen. Der Ein- und Ausgang des vierten Filters F21 bzw. F22 sind mittels der Kapazität C3 kapazitiv gekoppelt. Die Induktivitäten L1, L3 und die Kapazität C4 bilden einen ersten Parallelschwingkreis. Die Induktivitäten L2, L3 und die Kapazität C5 bilden einen zweiten Parallelschwingkreis. Diese Parallelschwingkreise sind über ihre gemeinsame Induktivität L3 (siehe 5A) elektrisch verkoppelt. Die Induktivität L3 ist vorzugsweise klein und kann in einer Variante als eine ganz kurze Leitung realisiert werden. Die Induktivitäten L1, L2 und die Kapazitäten C1, C2 sind im Signalpfad angeordnet.
In diesem Filter wird das Signal in zwei Teilpfade aufgeteilt. Der eine Teilpfad wird durch den Kondensator C3 und der andere durch den Rest der Schaltung gebildet. Am Ausgang werden die beiden Teilpfade wieder zusammengefasst. Die Signale von beiden Teilpfaden haben am Ausgang bei zwei unterschiedlichen Frequenzen - links und rechts vom Passband des jeweiligen Signalpfades - die gleichem Amplituden und einen Phasenunterschied von 180°, so dass es in der Übertragungsfunktion des Filters gemäß 9B zwei Notches gibt.
Der Eingang einer Teilschaltung F11, F12, F21, F22 oder MA11/ MA21, MA12/MA22 ist mit dem Bezugszeichen IN und der Ausgang mit dem Bezugszeichen OUT bezeichnet.
Das für das zweite Band FB2 ausgelegte vierte Filter F21, F22 wirkt im ersten Frequenzband FB1 als eine Kapazität. Diese Kapazität und das dem vierten Filter F21, F22 vorgeschaltete π-Glied - d. h. das Anpassnetzwerk MA21, MA22 - bilden zusammen einen Schwingkreis gegen Masse, der bei seiner Resonanzfrequenz, d. h. der Sperrfrequenz f_notch eine niedrige Impedanz aufweist und somit die HF-Signale bei dieser Frequenz gegen Masse ableitet. Dies bedeutet, dass die zweite Schaltung F21/MA21, F22/MA22 wie ein Notch-Filter wirkt.
Das π-Glied kann im Prinzip durch einen Leitungsabschnitt oder eine Induktivität ersetzt werden.
Durch die zweite Schaltung F21/MA21 bzw. F22/MA22 wird dabei bewirkt, dass in der Übertragungsfunktion 1' der ersten Schaltung F11/MA11 bzw. F12/MA12 eine relativ steile rechte Flanke FL erzeugt wird (9C). Die linke Flanke der Übertragungsfunktion 1' ist durch die Übertragungsfunktion 1 des dritten Filters F11 bzw. F12 erzeugt (vgl. 9A).
Dagegen ist die Übertragungsfunktion 2' durch die erste Schaltung F11/MA11 bzw. F12/MA12 in der hier gezeigten Variante im Wesentlichen nicht beeinflusst.
3B zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung des im Empfangspfad RX1 angeordneten dritten Filters F11 im Vielschichtsubstrat.
Das Substrat ist vorzugsweise ein LTCC-Substrat mit Keramiklagen, die jeweils zwischen Metallisierungsebenen angeordnet sind.
Die Kapazität C1 ist eine Vielschicht-Kapazität, die zwischen den leitenden Flächen 371 und in verschiedenen Ebenen angeordneten, leitend miteinander verbundenen leitenden Flächen 361 und 381 gebildet ist. Die Kapazität C3 ist auf dieselbe Art und Weise zwischen den leitenden Flächen 372, 362 und 382 gebildet. Die Kapazität C2 ist zwischen den leitenden Flächen 351 und 362 gebildet. Die Induktivität L1 ist mittels der Leiterbahnen 331 und 341 realisiert, die übereinander angeordnet sind. Die Induktivität L2 ist mittels der Leiterbahnen 332 und 342 realisiert, die übereinander angeordnet sind.
Die Kapazität C6 ist zwischen den leitenden Flächen 381 und 391 und die Kapazität C7 zwischen den leitenden Flächen 382 und 391 gebildet.
Die leitenden Flächen 321 und 301 sind leitend miteinander verbunden. Die Kapazität C4 ist zwischen den leitenden Flächen 321, 301 und 311 bzw. die Kapazität C5 zwischen den leitenden Flächen 321, 301 und 312 gebildet.
Die Ausgestaltung von Kapazitäten - hier den Kapazitäten C1, C3, C5 und C7 - als eine Vielschicht-Kapazität hat den Vorteil, dass dadurch zur Realisierung des vorgegebenen Kapazitätswertes nur eine vergleichsweise kleine Grundfläche benötigt wird.
Die übereinander angeordneten Windungen derselben Induktivität sind kapazitiv miteinander verkoppelt. Dabei ist es wichtig, ihre Überlappungsfläche trotz der produktionsbedingten relativen Verschiebung der Metallisierungsebenen gegeneinander konstant zu halten. In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft, bei als Leiterbahnen realisierten, übereinander angeordneten Windungen 341 und 331 bzw. 332 und 342 derselben Induktivität L1 bzw. L2 die Leiterbahnen in verschiedenen Ebenen mit voneinander unterschiedlichen Breiten auszubilden. Somit können die Toleranzfehler ausgeglichen werden. Aus diesem Grund ist es auch vorteilhaft, die übereinander angeordneten leitenden Flächen, die eine Kapazität bilden, mit voneinander unterschiedlichen Flächen auszubilden, so dass ihre Überlappungsfläche trotz der Toleranzfehler konstant bleibt.
Die in derselben Ebene angeordneten Teile der Induktivitäten L1, L2 weisen parallel zueinander verlaufende Abschnitte auf, die einen geringen Abstand - von z. B. weniger als die doppelte Breite dieser Abschnitte - voneinander aufweisen.
Zwischen den Metallisierungsebenen, in denen die induktiv wirkenden Elemente 331, 341, 332 und 342 angeordnet sind, und den nächsten Metallisierungsebenen, die relativ großflächige leitende Flächen 351, 321 enthalten, sind anstatt nur einer Keramikschicht mindestens zwei solche Schichten angeordnet. Somit kann die unerwünschte kapazitive Kopplung der Leiterbahnen 331, 341, 332 und 342 mit diesen Flächen verringert werden.
Auch zwischen der Metallisierungsebene, in der die leitenden Flächen 381, 382 angeordnet sind, und der Metallisierungsebene, in der die Fläche 391 angeordnet ist, sind zur Einstellung eines relativ kleinen Kapazitätswertes der Kapazitäten C6, C7 zwei Keramikschichten vorgesehen.
4 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung des im Sendepfad TX1 angeordneten dritten Filters F12 im Vielschichtsubstrat.
Die Kapazität C1 ist hier zwischen den Flächen 421, 423 und 431 gebildet. Die Kapazität C3 ist zwischen den Flächen 451, 461 und 471 gebildet. Die Kapazität C2 ist zwischen den Flächen 431, 441, 451 und 461 gebildet. Die Flächen 441 und 451 sind in verschiedenen Ebenen angeordnet und leitend miteinander verbunden.
Die Induktivität L1 ist durch die Leiterbahnen 422 und 411 und die Induktivität L2 durch die Leiterbahnen 472 und 481 gebildet. Die Kapazität C4 ist zwischen den Flächen 432 und 442 und die Kapazität C5 zwischen den Flächen 452 und 442 gebildet. Die Flächen 401, 442 und 491 sind leitend miteinander und mit Masse verbunden.
Die Kapazität C6 ist zwischen den Flächen 421 und 401 gebildet. Die Kapazität C7 ist zwischen den Flächen 491 und 471 gebildet.
Die an die Masse angeschlossenen äußeren Flächen 301 und 391 in 3B, 401 und 491 in 4, 501 und 551 in 5B, 601 und 651 in 6, 701 und 761 in 7B, 801 und 871 in 8 dienen zur Abschirmung der dazwischen angeordneten Metallisierungsebenen.
5B zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung des im Empfangspfad RX2 angeordneten vierten Filters F21 im Vielschichtsubstrat.
Die Kapazität C1 ist zwischen den übereinander angeordneten Flächen 531 und 541 und die Kapazität C2 zwischen den Flächen 532 und 542 gebildet. Die Kapazität C3 ist als Serienschaltung von zwei Teilkapazitäten realisiert. Die erste Teilkapazität ist zwischen den Flächen 531 und 521 und die zweite zwischen den Flächen 521 und 532 gebildet. Die Kapazität C4 ist zwischen den übereinander angeordneten Flächen 541 und 551 und die Kapazität C5 zwischen den übereinander angeordneten Flächen 542 und 551 gebildet.
Die Induktivität L1 ist durch die Durchkontaktierung DK1 und eine L-förmige Leiterbahn 511 gebildet. Die Induktivität L2 ist durch die Durchkontaktierung DK2 und eine L-förmige Leiterbahn 513 gebildet. Die Induktivität L3 ist durch eine kurze Leiterbahn 512 und die Durchkontaktierungen DK31, DK32 gebildet. Diese Leiterbahn wird absichtlich an der Stelle breiter gemacht, wo sie mit den Durchkontaktierungen DK31 und DK32 verbunden ist, um die Fertigungstoleranzen - insbesondere den Lagenversatz bei der Herstellung des Mehrlagensubstrats - zu kompensieren.
6 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung des im Sendepfad TX2 angeordneten vierten Filters F22 im Vielschichtsubstrat.
Die Kapazität C1 ist zwischen den übereinander angeordneten Flächen 621, 631 und 641 gebildet. Die Flächen 621 und 641 sind leitend verbunden. Die Kapazität C2 ist zwischen den Flächen 622, 632 und 642 gebildet. Die Flächen 622 und 642 sind leitend verbunden.
Die Kapazität C3 ist als Serienschaltung von zwei Teilkapazitäten realisiert. Die erste Teilkapazität ist zwischen den Flächen 631 und 623 und die zweite zwischen den Flächen 632 und 623 gebildet. Die Kapazität C4 ist zwischen den übereinander angeordneten Flächen 641 und 651 und die Kapazität C5 zwischen den übereinander angeordneten Flächen 642 und 651 gebildet.
Die Induktivität L1 ist durch die Durchkontaktierung DK1 und eine L-förmige Leiterbahn 611 gebildet. Die Induktivität L2 ist durch die Durchkontaktierung DK2 und eine L-förmige Leiterbahn 613 gebildet. Die Induktivität L3 ist durch eine kurze Leiterbahn 612 und die Durchkontaktierungen DK31, DK32 gebildet. Diese Leiterbahn wird absichtlich an der Stelle breiter gemacht, wo sie mit den Durchkontaktierungen DK31 und DK32 verbunden ist, um die Fertigungstoleranzen - insbesondere den Lagenversatz bei der Herstellung des Mehrlagensubstrats - zu kompensieren.
7B zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung der im Empfangspfad RX angeordneten Anpassnetzwerke MA11 und MA21 im Vielschichtsubstrat.
Die Kapazität C10 ist zwischen den leitenden Flächen 701 und 711 gebildet. Die Induktivität L11 ist durch die Leiterbahnen 741 und 721 gebildet. Die Induktivität L21 ist durch die Leiterbahnen 731 und 722 gebildet. Die Kapazität C21 ist zwischen den Flächen 751 und 761 gebildet. Die Kapazität C11 ist vorzugsweise klein und daher vernachlässigbar. Sie kann z. B. durch parasitäre kapazitive Kopplungen zwischen den in der Figur gezeigten leitenden Flächen gebildet werden.
8 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung der im Sendepfad TX angeordneten Anpassnetzwerke MA11 und MA21 (bzw. MA12 und MA22) im Vielschichtsubstrat.
Die Kapazität C20 ist zwischen den leitenden Flächen 801 und 811 gebildet. Die Induktivität L12 ist durch die Leiterbahnen 841 und 831 gebildet. Die Induktivität L22 ist durch die Leiterbahnen 832 und 842 gebildet. Die Kapazität C22 ist zwischen den Flächen 851, 861 und 871 gebildet. Die Flächen 871 und 851 sind leitend verbunden. Die Kapazität C12 ist in diesem Fall vernachlässigbar.
In 3B, 4, 5B, 6, 7B und 8 sind verschiedene Bereiche desselben Vielschichtsubstrats gezeigt.
Die angegebene Multiband-Schaltung ist auf die in den Figuren gezeigten Beispiele bzw. die Anzahl der darin dargestellten Elemente nicht beschränkt. Die Multiband-Schaltung kann für mehr als nur zwei Frequenzbänder ausgelegt sein. Im gemeinsamen Pfad TX, RX - zwischen dem Antennenschalter SW und der Verzweigungsstelle des Signalpfades - kann zusätzlich ein Anpassnetzwerk, ein Impedanzwandler oder ein Filter, z. B. ein Tiefpass angeordnet sein. Weitere Schalter oder Duplexer in weiteren Signalpfaden können vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Übertragungsfunktion des Filters F11 oder F12
2: Übertragungsfunktion des Filters F21 oder F22
1': Übertragungsfunktion der ersten Schaltung MA11, F11 bzw. MA12, F12
2': Übertragungsfunktion der zweiten Schaltung MA21, F21 bzw. MA22, F22
301-871: Leiterbahnen
ANT1, ANT2: Antenne
Bal: Balun
C1-C7, C11-C22: Kapazitäten
C10, C20: Kapazitäten
DK1, DK2, DK31, DK32: Durchkontaktierung
F11: im ersten Signalzweig RX1 angeordnetes drittes Filter
F12: im ersten Signalzweig TX1 angeordnetes drittes Filter
F21: im zweiten Signalzweig RX2 angeordnetes viertes Filter
F22: im zweiten Signalzweig TX2 angeordnetes viertes Filter
FB1: erstes Frequenzband
FB2: zweites Frequenzband
FL: recht Flanke der Übertragungsfunktion 1'
f_notch: Sperrfrequenz
IN: Eingang
L1-L3, L11-L22: Induktivitäten
LNA: rauscharmer Verstärker
MA11: im ersten Signalzweig RX1 angeordnetes Anpassnetzwerk
MA12: im ersten Signalzweig TX1 angeordnetes Anpassnetzwerk
MA21: im zweiten Signalzweig RX2 angeordnetes Anpassnetzwerk
MA22: im zweiten Signalzweig TX2 angeordnetes Anpassnetzwerk
OUT: Ausgang
PA: Leistungsverstärker
RFIC: integrierte Schaltung zur Verarbeitung von WLAN-Daten
RX: gemeinsamer Pfad (Empfangspfad)
RX1: erster Signalzweig (Empfangspfad)
RX2: zweiter Signalzweig (Empfangspfad)
SW: Antennenschalter
TX: gemeinsamer Pfad (Sendepfad)
TX1: erster Signalzweig (Sendepfad)
TX2: zweiter Signalzweig (Sendepfad)

Claims

Multiband-Schaltung - mit einem Signalpfad, der einen ersten Signalzweig (RX1, TX1) und einen zweiten Signalzweig (RX2, TX2) umfasst, die antennenseitig zu einem gemeinsamen Pfad (RX, TX) zusammengefasst sind, - wobei der erste Signalzweig (RX1, TX1) eine erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) umfasst, die in einem ersten Frequenzband (FB1) durchlässig ist, - wobei der zweite Signalzweig (RX2, TX2) eine zweite Schaltung (F21, MA21; F22, MA22) umfasst, die in einem zweiten Frequenzband (FB2) durchlässig ist, die HF-Signale bei einer Sperrfrequenz (f_notch) zur Masse ableitet und somit den antennenseitigen Eingang des ersten Signalzweigs (RX1, TX1) HF-mässig mit der Masse verbindet.
Multiband-Schaltung - mit zwei Signalzweigen (RX1, RX2; TX1, TX2), die antennenseitig zu einem gemeinsamen Pfad (RX, TX) zusammengefasst sind, - wobei der erste Signalzweig (RX1, TX1) in einem ersten Frequenzband (FB1) und der zweite Signalzweig (RX2, TX2) in einem zweiten Frequenzband (FB2) durchlässig ist, - wobei im ersten Signalzweig (RX1, TX1) ein erstes Tiefpassfilter (MA11, MA12) und im zweiten Signalzweig (RX2, TX2) ein zweites Tiefpassfilter (MA21, MA22) angeordnet ist, die unmittelbar leitend miteinander und mit dem gemeinsamen Pfad (RX, TX) verbunden sind.
Multiband-Schaltung nach Anspruch 2, wobei im zweiten Signalzweig (RX2, TX2) eine zweite Schaltung (F21, MA21; F22, MA22) angeordnet ist, die die HF-Signale bei einer Sperrfrequenz (f_notch) zur Masse ableitet.
Multiband-Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) ein erstes Tiefpassfilter (MA11, MA12) und die zweite Schaltung (F21, MA21; F22, MA22) ein zweites Tiefpassfilter (MA21, MA22) umfasst, die unmittelbar leitend miteinander und mit dem gemeinsamen Pfad (RX, TX) verbunden sind.
Multiband-Schaltung nach Anspruch 1 und 3, wobei das zweite Frequenzband (FB2) mindestens eine Oktave höher liegt als das erste Frequenzband (FB1).
Multiband-Schaltung nach Anspruch 1 und 3, wobei die erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) an sich eine Übertragungsfunktion (1') aufweist, in der durch die Sperrfrequenz (f_notch) der zweiten Schaltung (F21, MA21; F22, MA22) eine Flanke (FL) erzeugt oder eine in der Übertragungsfunktion (1') der ersten Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) gegebene Flanke versteilert wird.
Multiband-Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Sperrfrequenz (f_notch) zwischen dem ersten und dem zweiten Frequenzband (FB1, FB2) liegt.
Multiband-Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Sperrfrequenz (f_notch) unterhalb des ersten Frequenzbands (FB1) liegt.
Multiband-Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Sperrfrequenz (f_notch) oberhalb des zweiten Frequenzbands (FB2) liegt.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, - wobei die erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) einen Hochpass (F11) umfasst, - wobei die Sperrfrequenz (f_notch) im Durchlassbereich dieses Hochpasses (F11) angeordnet ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, - wobei die erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) einen weiteren Tiefpass umfasst, und - wobei die Sperrfrequenz (f_notch) im Durchlassbereich dieses Tiefpasses angeordnet ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, - wobei die erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) einen Bandpass umfasst, - wobei die Sperrfrequenz (f_notch) oberhalb des Passbandes dieses Bandpasses angeordnet ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, - wobei die erste Schaltung (F11, MA11; F12, MA12) einen Bandpass umfasst, - wobei die Sperrfrequenz (f_notch) unterhalb des Passbandes dieses Bandpasses angeordnet ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei das im ersten und/oder zweiten Signalzweig (RX1, TX1; RX2, TX2) angeordnete Tiefpassfilter (MA11, MA12; MA21, MA22) antennenseitig angeordnet ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der erste und der zweite Signalzweig (TX1, TX2) jeweils ein Sendepfad ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der erste und der zweite Signalzweig (RX1, RX2) jeweils ein Empfangspfad ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei im ersten Signalzweig (RX1, TX1) dem darin angeordneten Tiefpassfilter (MA11, MA12) ein drittes Filter (F11, F12) nachgeschaltet ist, wobei im zweiten Signalzweig (RX2, TX2) dem darin angeordneten Tiefpassfilter (MA21, MA22) ein viertes Filter (F21, F22) nachgeschaltet ist.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 17, wobei die erste und die zweite Schaltung konzentrierte LC-Elemente enthalten.
Multiband-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend einen weiteren Signalpfad, der einen weiteren ersten Signalzweig (RX1, TX1) und einen weiteren zweiten Signalzweig (RX2, TX2) umfasst, die antennenseitig zu einem gemeinsamen Pfad (RX, TX) zusammengefasst sind.
Elektrisches Bauelement, umfassend die Multiband-Schaltung nach Anspruch 18 sowie ein Substrat, in dem die konzentrierten LC-Elemente der Multiband-Schaltung integriert sind.
Bauelement nach Anspruch 20, wobei das Substrat Keramiklagen aufweist.