DE102008045346A1

DE102008045346A1 - Duplexer und Verfahren zum Erhöhen der Isolation zwischen zwei Filtern

Info

Publication number: DE102008045346A1
Application number: DE102008045346A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Link; Bernhard Dr. Bader
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-09-02
Also published as: JP5401549B2; US20150130680A1; JP2012501564A; WO2010023167A1; US9160306B2; JP2012501563A; JP5662935B2; WO2010023168A1; US20110210805A1; US9577606B2; DE102008045346B4; US9214920B2; US20110187478A1

Abstract

Duplexer, umfassend einen Antennenanschluss (ANT), einen Sendeverstärkeranschluss (PA) und einen Empranschluss (PA) ist über einen Sendefilter (TX) an den Antennenanschluss (ANT) gekoppelt. Der Empfangsverstärkeranschluss (LNA) ist an einen Empfangsfilter (RX) gekoppelt und der Empfangsfilter (RX) ist über eine Bandsperre (BS) an den Antennenanschluss (ANT) gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Duplexer, bei dem im Sendepfad ein Sendesignal von einem Sendeverstärker zur Antenne und im Empfangspfad ein Empfangssignal von der Antenne zu einem Empfangsverstärker geführt wird. Um gleichzeitig senden und empfangen zu können, werden für das Sendesignal und das Empfangssignal unterschiedliche Frequenzbereiche benutzt. Damit das Sendesignal das sehr viel schwächere Empfangssignal nicht stört, ist im Empfangspfad ein Empfangsfilter vorgesehen, der das das Empfangssignal durchlässt und das Sendesignal stark unterdrückt. Typischerweise wird im Sendefrequenzband eine Isolation von 50 dB bis 60 dB zwischen dem Empfangspfad und dem Sendepfad gefordert.
Bei eng benachbarten Sende- und Empfangsfrequenzbereichen wird die Isolation im Sendefrequenzbereich durch die Selektion des Empfangsfilters bestimmt, der meistens als Bandpassfilter ausgeführt ist. Liegt der Empfangsfrequenzbereich oberhalb des Sendefrequenzbereichs, wird die Selektion durch die Steilheit der unteren Empfangsfilterflanken vorgegeben. Bei einer vorgegebenen Empfangsfilterbandbreite und der erforderlichen Impedanzanpassung kann die Selektion jedoch designbedingt nicht beliebig erhöht werden. Mit Hilfe von Induktivitäten kann man durch Polverschiebung eine Verbesserung der Isolation von ca. 10 dB erreichen. Diese Methode kann jedoch bei Duplexern mit geringem Abstand zwischen dem Sende- und dem Empfangsfrequenzband von nur ca. 20 MHz und bei Sende- und Empfangsfrequenzen von ca. 1,9 GHz nur eingeschränkt eingesetzt werden, da die untere Empfangsfilterflanke abge flacht wird. Weiter weisen die Induktivitätswerte Schwankungen auf, die die als typisch angegebene Sendebereichsisolation reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Isolation zwischen dem Sende- und Empfangspfad bei Sendefrequenzen zu erhöhen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Duplexer, der einen Antennenanschluss, einen Sendeverstärkeranschluss und einen Empfangsverstärkeranschluss umfasst. Der Sendeverstärkeranschluss ist über einen Sendefilter an den Antennenanschluss gekoppelt und der Empfangsverstärkeranschluss ist an einen Empfangsfilter gekoppelt. Der Empfangsfilter ist über eine Bandsperre an den Antennenanschluss gekoppelt. Die Bandsperre trennt den Sendepfad von dem Empfangspfad, sodass sich die Isolation des Duplexers erhöht.
In einer Weiterbildung weist der Sendefilter ein Passband auf und die Bandsperre weist im Passband des Sendefilters einen Sperrbereich auf. Da der Sperrbereich der Bandsperre im Passband des Sendefilters liegt, wird die Isolation im Sendefrequenzbereich erhöht.
In einer Weiterbildung umfasst der Sendefilter mindestens einen Resonator und die Bandsperre umfasst mindestens einen gleichen Resonator wie der Sendefilter. Unter dem Begriff „gleiche Resonatoren” sind in der Anmeldung Resonatoren gemeint, die die gleichen Resonanzfrequenzen und den gleichen Schichtaufbau bezüglich Materialien und Schichtdicken aufweisen. Sie können jedoch unterschiedliche Flächen aufweisen und damit unterschiedliche statische Kapazitäten besitzen. Da die Bandsperre und der Sendefilter den gleichen Resonator aufwei sen, kann der Designaufwand und die Fertigung des Duplexers vereinfacht werden.
In einer Weiterbildung umfassen der Sendefilter und die Bandsperre Ladderstrukturen, die Serienresonatoren oder Parallelresonatoren aufweisen. Mit Hilfe von hintereinander geschalteten Ladderstrukturen lassen sich die gewünschten Übertragungseigenschaften des Sendefilters und der Bandsperre synthetisieren.
In einer Weiterbildung weist mindestens ein Parallelresonator des Sendefilters eine Resonanzfrequenz auf, die geringer ist als die Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren. Durch die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen kann die Bandbreite des Sendefilters und der Bandsperre eingestellt werden.
In einer Weiterbildung ist mindestens ein Serienresonator der Bandsperre der gleiche Resonator wie ein Parallelresonator des Sendefilters. Derselbe Fertigungsprozess, der für den Parallelresonators des Sendefilters benutzt wird, kann somit auch für den Serienresonator der Bandsperre eingesetzt werden. Weiter liegt die Antiresonanz des Parallelresonators nun in Serie zum Empfangsfilter und erhöht die Isolation.
In einer Weiterbildung ist mindestens ein Parallelresonator der Bandsperre der gleiche Resonator wie ein Serienresonator des Sendefilters. Auch hier lässt sich in einem Prozess sowohl der Parallelresonator der Bandsperre als auch der Serienresonator des Sendefilters realisieren. Indem der Parallelresonator und der Serienresonator des Sendefilters als Serienresonator bzw. Parallelresonator der Bandsperre eingesetzt wird, erhält die Bandsperre eine Übertragungsfunktion, die quasi invers zu dem Passband des Sendefilters ist.
In einer Weiterbildung unterscheidet sich die Resonanzfrequenz von mindestens einem Serienresonator der Bandsperre von den Resonanzfrequenzen der übrigen Serienresonatoren der Bandsperre.
In einer Weiterbildung unterscheidet sich die Resonanzfrequenz von mindestens einem Parallelresonator der Bandsperre von den Resonanzfrequenzen der übrigen Parallelresonatoren der Bandsperre. Durch die verschiedenen Resonanzfrequenzen der Parallel- und Serienresonatoren stehen zusätzliche Freiheitsgrade zur Verfügung, mit denen der Duplexer bezüglich der Anpassung und der Übertragungsfunktion und der Isolation optimiert werden kann.
In einer Weiterbildung weisen die Resonatoren, deren Resonanzfrequenzen sich von den anderen Resonatoren unterscheiden, einen zusätzlichen Massebelag auf, der die Resonanzfrequenz verändert und der bei den anderen Resonatoren nicht, oder nicht im gleichen Ausmaß, vorhanden ist. Lässt sich der zusätzlichen Massebelag mit einfachen Mitteln aufbringen, so stellt er eine Möglichkeit dar, ohne großen Aufwand und ohne komplizierte Prozessschritte die Resonanzfrequenz zu beeinflussen.
In einer Weiterbildung ist der zusätzliche Massebelag eine Titanschicht, eine Aluminiumschicht, eine Molybdänschicht, eine Iridiumschicht, eine Rutheniumschicht, eine Siliziumnitridschicht, eine Aluminiumnitridschicht, eine Zinkoxidschicht, eine Blei-Zirkonat-Titanat(PZT)-Schicht, eine Barium-Strontium-Titanat(BST)-Schicht, oder eine Schicht aus einem anderem Material, die oberhalb oder unterhalb einer Piezoschicht des Resonators aufgebracht ist, oder die die Piezoschicht verdickt. Diese Schichten lassen sich gezielt auftra gen, bzw. lassen sich durch einfache Prozessschritte abtragen, sodass eine Änderung der Resonanzfrequenz ohne großen Aufwand möglich ist.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren des Sendefilters und die Resonatoren der Bandsperre BAW-Resonatoren und sind auf demselben Substrat angeordnet. Die Resonatoren des Sendefilters und der Bandsperre können – falls sie wie oben definiert, gleich sind – mit demselben Prozess gefertigt werden, wodurch sich die Anzahl der Prozessschritte reduziert.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren des Empfangsfilters und die Resonatoren der Bandsperre BAW-Resonatoren und sind auf demselben Substrat angeordnet.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren des Sendefilters, die Resonatoren des Empfangsfilters und die Resonatoren der Bandsperre BAW-Resonatoren und sind auf demselben Substrat angeordnet.
In einer Weiterbildung umfasst das Empfangsfilter mindestens einen SAW-Resonator. SAW-Resonatoren erlauben eine balancedunbalanced Ansteuerung der Filter. Mit der SAW-Technologie sind stark unterschiedliche Frequenzen auf einem Substrat realisierbar.
In einer Weiterbildung umfassen der Sendefilter und die Bandsperre anstelle von BAW-Resonatoren SAW-Resonatoren, und die SAW-Resonatoren des Empfangsfilters, des Sendefilters und der Bandsperre sind auf einem gemeinsamen Substrat aufgebaut. SAW-Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen können mit demselben Prozess zusammen gefertigt werden, wodurch sich die Herstellung des Duplexers vereinfacht.
In einer Weiterbildung werden anstelle von BAW-Resonatoren GBAW-Resonatoren eingesetzt. GBAW (Guided-Bulk-Acoustic-Waves, geführte akustische Volumenwellen) sind SAW-ähnliche Bauteile, bei denen die akustische Welle knapp unterhalb der Bauteiloberfläche läuft. Die Resonanzfrequenz eines GBAW-Resonators ergibt zum einen wie beim SAW-Resonator aus der Periode der Fingeranordnung und zum anderen wie beim BAW-Resonator aus dem Schichtaufbau. Damit kann man die Verfahren zur Frequenzabsenkung bei BAW-Resonatoren auch auf GBAW-Resonatoren anwenden.
In einer Weiterbildung weist mindestens einer der Resonatoren der Bandsperre eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität auf. Er umfasst eine Anzahl N von Resonatoren, wobei die Anzahl N größer gleich zwei ist, die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal größer als die erste statische Kapazität ist, die N Resonatoren miteinander in Serie geschaltet sind und zumindest bei einem der N Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht. Durch die Vervielfachung des Resonators ergeben sich weitere Freiheitsgrade für den Filterentwurf, indem durch die Frequenzabweichung Mehrfachpole erzeugt werden.
In einer Weiterbildung weist mindestens einer der Resonatoren der Bandsperre eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität auf. Er umfasst eine Anzahl N von Resonatoren, wobei die Anzahl N größer gleich zwei ist, die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal kleiner als die erste statische Kapazität ist, die N Resonatoren zueinander parallel geschaltet sind und zumindest bei einem der N Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht. Durch die Verviel fachung des Resonators ergeben sich weitere Freiheitsgrade für den Filterentwurf, indem durch die Frequenzabweichung Mehrfachpole erzeugt werden.
In einer Weiterbildung umfasst der Duplexer weiter mindestens eine Anpassschaltung, die so ausgelegt ist, dass bei Empfang eines Empfangssignals der Sendefilter aus Sicht des Empfangsfilters einen Leerlauf darstellt und Reflexionen zwischen dem Empfangsfilter und dem Antennenanschluss minimiert werden, und beim Senden eines Sendesignals der Empfangsfilter aus Sicht des Sendefilters einen Leerlauf darstellt und Reflexionen zwischen dem Sendefilter und dem Antennenanschluss minimiert werden. Der Sendefilter, der Empfangsfilter und die Bandsperre müssen aneinander und an den Antennenanschluss angepasst werden, sodass Leistung mit geringen Verlusten und mit der nötigen Isolation zwischen den Anschlüssen übertragen werden kann.
In einer Weiterbildung weist die Bandsperre einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss mit dem Antennenanschluss und dem Sendefilter verbunden ist und der zweite Anschluss mit dem Empfangsfilter verbunden ist. Die Anpassschaltung umfasst eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität, wobei die erste Induktivität den ersten Anschluss mit Masse verbindet und die zweite Induktivität den zweiten Anschluss mit Masse verbindet. Die erste Induktivität ermöglicht die Anpassung des Sendefilters, während die erste Induktivität zusammen mit der zweiten Induktivität und der statischen Kapazität der Bandsperre ein PI-Anpassnetzwerk für den Empfangsfilter bildet.
In einer Weiterbildung umfasst die Bandsperre einen ersten Serienresonator, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist.
Durch den ersten Serienresonator können die Übertragungseigenschaften zum Empfangsfilter gezielt beeinflusst werden.
In einer Weiterbildung weist der erste Serienresonator eine Antiresonanz auf, die im Passband des Sendefilters liegt. Bei der Antiresonanz weist der erste Serienresonator eine hohe Impedanz auf, sodass bei Frequenzen im Passband des Sendefilters eine hohe Isolation zum Empfangsfilter entsteht.
In einer Weiterbildung umfasst die Bandsperre weiter mindestens einen Parallelresonator, wobei ein erster Anschluss des mindestens einen Parallelresonators mit Masse verbunden ist und der andere Anschluss des mindestens einen Parallelresonators mit dem zweiten Anschluss und dem ersten Serienresonator verbunden ist. Über den Parallelresonator lässt sich die Bandbreite der Bandsperre einstellen.
In einer Weiterbildung ist mindestens einer der ersten Anschlüsse des mindestens einen Parallelresonators nicht direkt, sondern über eine Induktivität oder Kapazität oder einer Kombination aus einer Induktivität und einer Kapazität mit Masse verbunden. Die zusätzlichen Induktivitäten ermöglichen weitere Freiheitsgrade bei der Anpassung des Duplexers.
In einer Weiterbildung weist der erste Serienresonator eine Antiresonanz im Bereich der unteren Passbandflanke des Sendefilters auf und der Parallelresonator weist eine Resonanzfrequenz auf, die im Bereich der Mitte des Passbands des Sendefilters liegt. Da die Antiresonanz im Bereich der unteren Passbandflanke des Sendefilters liegt, liegt die Resonanzfrequenz des Serienresonators unterhalb der unteren Sendefilter-Passbandflanke und beeinträchtigt diese nicht. Die Resonanz des Parallelresonators im Bereich der Mitte des Passbands des Sendefilters sorgt dafür, dass Sendefrequenzen gegen Masse abgeleitet werden und erhöht so die Isolation.
In einer Weiterbildung ist der erste Serienresonator der gleiche wie ein Parallelresonator des Sendefilters, weist jedoch einen zusätzlichen Massebelag auf, der die Resonanzfrequenz des ersten Serienresonators gegenüber der Resonanzfrequenz des Parallelresonators verringert, und der Parallelresonator, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, ist der gleiche wie ein Serienresonator des Sendefilters. Da bei der Herstellung von Resonatoren in BAW-Technik üblicherweise nur zwei Resonanzfrequenzen auf einem Chip zur Verfügung stehen, ist die Verwendung der gleichen Resonatoren sowohl für die Bandsperre als auch für den Sendefilter von Vorteil. Durch das Verringern der Resonanzfrequenz durch einen zusätzlichen Massebelag erhält man weitere Freiheitsgrade beim Design.
In einer Weiterbildung umfasst die Bandsperre einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, und zwei, über einen Verbindungsknoten in Serie geschaltete Serienresonatoren, von denen einer mit dem ersten Anschluss und der andere mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Der erste Anschluss ist mit dem Sendefilter verbunden und der zweite Anschluss mit dem Empfangsfilter. Die Anpassschaltung umfasst eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität, wobei die erste Induktivität den ersten Anschluss mit dem Antennenanschluss verbindet und die zweite Induktivität den Verbindungsknoten mit Masse verbindet. Die erste Induktivität liefert den notwendigen induktiven Charakter am Antennenanschluss, während die zweite Induktivität zusammen mit den Kapazitäten der Serienresonatoren ein T-Netzwerk zum Anpassen des Empfangsfilters bildet.
In einer Weiterbildung ist der erste Anschluss nicht mit dem Sendefilter verbunden, sondern mit dem Antennenanschluss und die erste Induktivität ist nicht mit dem Antennenanschluss verbunden, sondern mit dem Sendefilter. Auf diese Weise ist es möglich, die Anpassung des Sendefilters unabhängig von der Anpassung des Empfangsfilters zu gestalten.
In einer Weiterbildung weist der mit dem ersten Anschluss verbundene Serienresonator eine Antiresonanz im Bereich des unteren Passbands des Sendefilters auf und der mit dem zweiten Anschluss verbundene Serienresonator weist eine Antiresonanzfrequenz auf, die im Bereich der Mitte des Passbandes des Sendefilters liegt. Die Kombination der Antiresonanzen führt zu einer weiteren Erhöhung der Isolation zwischen dem Sende- und dem Empfangsfilter.
In einer Weiterbildung ist der Serienresonator, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, der gleiche wie ein Parallelresonator des Sendefilters, weist jedoch einen zusätzlichen Massebelag auf, der die Resonanzfrequenz des Serienresonators gegenüber der Resonanzfrequenz des Parallelresonators verringert, und der Serienresonator, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, ist der gleiche wie ein Parallelresonators ohne zusätzlichen Massebelag des Sendefilters. Das Verringern der Resonanzfrequenz führt dazu, dass diese nicht mehr direkt an der unteren Sendefilter-Passbandseite liegt, wodurch diese nicht beeinträchtigt wird. Das Verwenden der gleichen Resonatoren für die Bandsperre und den Sendefilter ermöglicht es, diese mit denselben Prozessschritten herzustellen.
In einer Weiterbildung weist der erste Serienresonator eine Antiresonanz auf, hat aber keine Resonanz. Zur Isolation reicht es aus, wenn der erste Serienresonator eine sehr hohe Impedanz bei der Antiresonanzfrequenz aufweist.
In einer Weiterbildung weist mindestens ein Parallelresonator eine Resonanz auf, hat aber keine Antiresonanz. Über die Resonanz leiten die Resonatoren gut. Zur Isolation reicht es aus, wenn ein Parallelresonator eine niedrige Impedanz bei der Resonanz aufweist.
In einer Weiterbildung umfasst der Sendefilter einen Serienresonator, über den er mit dem ersten Anschluss verbunden ist. Durch den Serienresonator verhält sich der Sendefilter am Antennenport im Empfangsfrequenzbereich wie ein Leerlauf, falls er in diesem Frequenzbereich eine Antiresonanz aufweist.
In einer Weiterbildung umfasst die Anpassschaltung weiter eine Induktivität, die den Sendefilter mit dem Sendeverstärkeranschluss verbindet und eine Induktivität, die den Empfangsfilter mit dem Empfangsverstärkeranschluss verbindet. Die Induktivitäten dienen zur Anpassung des Sendefilters und des Empfangsfilters an die jeweiligen Anschlüsse.
In einer Weiterbildung sind weitere Anschlüsse vorgesehen, die über jeweilige Filter und Bandsperren an den Antennenanschluss gekoppelt sind, wobei die Sperrbereiche der jeweiligen Bandsperren im Passband des Sendefilters liegen. Durch die Bandsperren kann eine hohe Isolation zwischen mehreren Signalpfaden erreicht werden. Zusätzlich lassen sich kapazitive Verluste minimieren, die entstehen, wenn der Abstand der Durchlassbereiche von einem zum anderen Filter ausreichend groß ist und so der eine auf den anderen Filter als kapazitive Belastung wirkt.
Die Erfindung sieht weiter ein Verfahren zum Erhöhen der Isolation zwischen einem ersten Bandpassfilter und mindestens einem zweiten Bandpassfilter vor, wobei der erste Bandpassfilter und der mindestens eine zweite Bandpassfilter an einen gemeinsamen Knoten gekoppelt sind. Der mindestens eine zweite Bandpassfilter ist über eine jeweilige Bandsperre an den gemeinsamen Knoten gekoppelt, wobei die jeweiligen Bandsperren in einem Durchlassbereich des ersten Bandpassfilters sperren. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die kapazitive Belastung des jeweiligen zweiten Filters durch die Bandsperre stark verringert wird. Insbesondere bei Filtern in stark verschiedenen Frequenzbereichen ist diese Eigenschaft vorteilhaft.
In einer Weiterbildung wird die Filterfunktion des ersten Bandpassfilters und die der Bandsperren jeweils durch mindestens einen gleichen Resonator realisiert.
In einer Weiterbildung werden die Resonatoren des ersten Bandpassfilters und die Resonatoren der mindestens einen Bandsperre auf demselben Substrat realisiert.
In einer Weiterbildung werden die gleichen Resonatoren mit denselben Prozessschritten realisiert.
In einer Weiterbildung wird die Resonanzfrequenz von mindestens einem Resonator der Bandsperren gegenüber der Resonanzfrequenz des gleichen Resonators des ersten Bandpassfilters abgesenkt.
In einer Weiterbildung wird die Resonanzfrequenz durch einen zusätzlichen, auf dem Resonator angebrachten Massebelag abgesenkt.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren der Bandsperren und des ersten Bandpassfilters BAW-Resonatoren.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren der Bandsperren SAW-Resonatoren.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren der Bandsperren GBAW-Resonatoren.
In einer Weiterbildung werden der erste Bandpassfilter, der mindestens eine zweite Bandpassfilter und eine an den gemeinsamen Knoten gekoppelte Antenne so aneinander in der Impedanz angepasst, dass bei Frequenzen, die im Durchlassbereich des ersten Bandpassfilters liegen, die Reflexion von Leistung zwischen dem ersten Bandpassfilter und der Antenne minimiert wird, und der mindestens eine zweite Bandpassfilter aus Sicht des ersten Bandpassfilters einen Leerlauf darstellt, und bei Frequenzen, die jeweils in den Durchlassbereichen des mindestens einen zweiten Bandpassfilters liegen, die Reflexion von Leistung zwischen jedem zweiten Bandpassfilter und der Antenne minimiert wird, und der erste Bandpassfilter jeweils aus Sicht des jeweiligen zweiten Bandpassfilters einen Leerlauf darstellt.
In einer Weiterbildung wird für die Anpassung die statische Kapazität von mindestens einem Resonator der Bandsperren variiert.
In einer Weiterbildung weist mindestens einer der Resonatoren der Bandsperren eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität auf und wird durch mindestens eine Anzahl N von Resonatoren realisiert, wobei die Anzahl N der Resonatoren größer gleich zwei ist, die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal größer als die erste statische Kapazität ist, die N Resonatoren zueinander in Serie geschaltet sind, und zumindest bei einem der Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht.
In einer Weiterbildung weist mindestens einer der Resonatoren der Bandsperren eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität auf und wird durch mindestens eine Anzahl N von Resonatoren realisiert, wobei die Anzahl N der Resonatoren größer gleich zwei ist, die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal kleiner als die erste statische Kapazität ist, die N Resonatoren zueinander parallel geschaltet sind, und zumindest bei einem der Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht.
In einer Weiterbildung sind die Resonatoren der Bandsperren SAW-Resonatoren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Duplexers,
2 beispielhafte Übertragungsfunktionen zwischen Antennenanschluss und Sendeverstärkeranschluss, sowie zwischen Antennenanschluss und Empfangsfilter bzw. Empfangsfilter mit Bandsperre,
3 beispielhafte Isolationsverläufe zwischen Sendeverstärkeranschluss und Empfangsverstärkeranschluss,
4 Ausführungsbeispiele von Ladderstrukturen mit Serienresonatoren und Parallelresonatoren,
5 Ausführungsbeispiele eines Sendefilters, einer Bandsperre und eines Empfangsfilters,
6 Ausführungsbeispiele, bei denen Resonatoren mehrerer Resonatoren umfassen,
7 bis 10 Ausführungsbeispiele einer Bandsperre mit Anpassschaltung, und
11 ein Ausführungsbeispiel eines Multiband-Duplexers mit mehreren Bandsperren und Bandpassfiltern.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Duplexers D mit einem Sendeverstärkeranschluss PA, einem Empfangsverstärkeranschluss LNA und einem Antennenanschluss ANT. Der Sendeverstärkeranschluss PA ist an einen Sendefilter TX gekoppelt, der Empfangsverstärkeranschluss LNA an einen Empfangsfilter RX. Es sind zwei Anpassschaltungen M1 und M2 vorgesehen, über die der Sendefilter TX und der Empfangsfilter RX impedanzmäßig an den Antennenanschluss ANT angepasst werden, sodass beim Senden eines Sendesignals zur Antenne und beim Empfang eines Empfangssignals durch die Antenne keine Leistung reflektiert wird. Die Anpassschaltungen M1 und M2 sind so ausgelegt, dass der Empfangsfilter RX bei Sendefrequenzen aus Sicht des Sendefilters TX einen Leerlauf darstellt und der Sendefilter TX bei Empfangsfrequenzen aus Sicht des Empfangsfilters RX auch einen Leerlauf darstellt. Über die Bandsperre BS, die im Empfangssignalpfad liegt, wird die Isolation zwischen dem Sende- und dem Empfangspfad erhöht. Ein derartiger Duplexer D kann z. B. beim Betrieb im WCDMA-Band II zum gleichzeitigen Senden und Empfangen von Signalen eingesetzt werden.
2 und 3 zeigen beispielhafte Übertragungsfunktionen, mit und ohne Bandsperre BS, zwischen dem Antennenanschluss ANT, dem Sendeverstärkeranschluss PA und dem Empfangsverstärkeranschluss LNA. Die Kurve T in 2 zeigt die Übertragungsfunktion zwischen dem Sendeverstärkeranschluss PA und dem Antennenanschluss ANT. Die Kurve RB zeigt die Übertragungsfunktion zwischen dem Empfangsverstärkeranschluss LNA und dem Antennenanschluss ANT. Die Kurve R zeigt die Übertragungsfunktion zwischen dem Empfangsverstärkeranschluss LNA und dem Antennenanschluss ANT, jedoch für Vergleichszwecke ohne Bandsperre BS. Die gezeigten Übertragungsfunktionen sind bereits angepasst.
Für das WCDMA-Band II liegt das Passband TP der Sendesignale zwischen 1850 und 1910 MHz und ist 60 MHz breit. Oberhalb des Sendebandes liegt das Empfangsband, welches ebenfalls 60 MHz breit ist und zwischen 1930 bis 1990 MHz liegt. Sende- und Empfangsband weisen somit einen Abstand zueinander von nur 20 MHz auf.
Wie der Vergleich zwischen den Übertragungsfunktionen R und RB zeigt, findet im Sendefrequenzbereich eine bessere Unterdrückung von Sendesignalen durch die Bandsperre BS statt als ohne Bandsperre. Weiter liegen die Übertragungsfunktionen R und RB im Empfangsfrequenzbereich nahezu vollständig übereinander, was zeigt, dass die Bandsperre BS die Übertragungsfunktion nur geringfügig beeinflusst. Weiter wichtig ist, dass die Steilheit der linken Passbandflanke des Empfangsfilters RX unverändert erhalten bleibt. Die Auslegung der Bandpasssperre BS ist zusätzlich unabhängig von der des Sendefil ters TX und des Empfangsfilters RX. Sie stellt somit ein neues Funktionselement dar, mit dem der Filterentwurf durch weitere Freiheitsgrade vereinfacht werden kann.
3 zeigt die Isolation zwischen dem Sendeverstärkeranschluss PA und dem Empfangsverstärkeranschluss LNA. Die Kurve I zeigt die Isolation ohne Bandsperre BS, während die Kurve IB die Isolation mit der Bandsperre BS zeigt. In dem Sendefrequenzbereich zeigt sich eine Verbesserung der Isolation von 40 dB auf 60 dB.
Die 4A bis 4E zeigen Ausführungsbeispiele von Ladderstrukturen, die zum Aufbau des Sendefilters TX, der Bandsperre BS und des Empfangsfilters RX eingesetzt werden können. In 4A ist ein Serienresonator S gezeigt, in 4B ein Parallelresonator P. Die 4C und 4D zeigen eine Kombination von Serienresonatoren S und Parallelresonatoren P. In 4E ist eine T-Anordnung mit zwei Serienresonatoren S1 und S2 und einem Parallelresonator P gezeigt. Die Ladderstrukturen können in einer Kettenschaltung miteinander verschaltet werden, um mehrstufige Ladderstrukturen zu erhalten. Die Anzahl der Stufen sowie die Auswahl der Ladderstrukturen selbst bestimmt sich aus den Anforderungen an die Filtersteilheit, Filterbandbreite und Einfügedämpfung.
Die in 4 gezeigten Ladderstrukturen sind ”single endedsingle ended”. Eine Erweiterung für den ”balanced-balanced” Fall geschieht, indem der vorhandene Filterteil an der Masseschiene gespiegelt wird und der Zugang zum ursprünglichen Masseknoten beseitigt wird. Für den ”balanced-balanced” Fall sind auch Latticestrukturen möglich.
Die Resonatoren der Ladderstrukturen in 4 können Resonatoren sein, die man mit einem Butterworth-van-Dyke-Modell beschreiben kann. Dies sind z. B. Resonatoren in Bulk-Accoustic-Wave (BAW, akustische Volumenwellen) Technologie, Surface-Accoustic-Wave (SAW, akustische Oberflächenwellen) Technologie, Guided-Bulk-Accoustic-Wave (GBAW, geführte akustische Volumenwellen) Technologie, anderen mikroakustischen Technologien, Resonatoren aus konzentrierten Netzwerkelementen wie Induktivitäten und Kapazitäten oder allgemein elektromagnetisch wirksamen Elementen. Diese Resonatoren zeigen eine Resonanz auf bei der sie gut leiten, und eine Antiresonanz, bei der sie schlecht leiten. Abseits dieser Resonanzen zeigen die Resonatoren typischerweise kapazitives Verhalten.
Für die seriellen Resonatoren der Bandsperre sind Resonatoren ausreichend, die jeweils nur eine Antiresonanz aufweisen. Eine Resonanz ist nicht erforderlich. Ein Beispiel dafür ist ein Parallelschwingkreis aus einer Induktivität und einer Kapazität. Für die parallelen Resonatoren der Bandsperre sind Resonatoren ausreichend, die jeweils nur eine Resonanz aufweisen. Eine Antiresonanz ist nicht erforderlich. Ein Beispiel dafür ist eine Stimmgabel oder ein MEMS-Schwinger.
5 zeigt Ausführungsbeispiele für den Sendefilter TX, die Bandsperre BS und den Empfangsfilter RX. Der Sendefilter TX besteht dabei aus einer Kettenschaltung von zwei Ladderstrukturen gemäß 4C und einer Ladderstruktur gemäß 4A. Er umfasst die Serienresonatoren ST1, ST2, ST3 und die Parallelresonatoren PT1, PT2. Die Bandsperre BS ist einstufig ausgeführt und hat die in 4C gezeigte Ladderstruktur. Sie umfasst den Serienresonator SB1 und den Parallelresonator PB1. Der Empfangsfilter RX besteht aus einer Kettenschaltung von zwei Ladderstrukturen gemäß 4D und einer Ladderstruktur gemäß 4B. Er umfasst die Serienresonatoren SR1, SR2 und die Parallelresonatoren PR1, PR2 und PR3. Die Induktivität L12 verschiebt die Resonanzfrequenz von PB1. Zusätzlich ist es möglich an den Anschlüssen LNA und PA Anpasselemente vorzusehen. Wenn man berücksichtigt, dass die Anpassschaltung M2 nicht vorhanden ist, entspricht die Anordnung dem in 1 gezeigten Duplexer D.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Parallelresonatoren und Serienresonatoren Bulk-Accoustic-Wave (BAW) Resonatoren. Gerade bei höheren Frequenzen von ca. 2 GHz weisen BAW-Resonatoren gegenüber Surface-Accoustic-Wave (SAW) Resonatoren bei gleichen Abmessungen besser elektrische Eigenschaften auf. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer piezoelektrischen Schicht, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und zusammen bei einer Resonanzfrequenz schwingen. Bei BAW-Resonatoren liegt die Frequenz der Antiresonanz oberhalb der Frequenz der Resonanz. Alternative können die Resonatoren auch GBAW-Resonatoren sein.
Die Parallelresonatoren weisen eine geringere Resonanzfrequenz als die Serienresonatoren auf. Da sie im Durchlasspfad liegen, bilden die Serienresonatoren durch ihre Antiresonanz die obere Flanke des Passbands des Sendefilters und des Empfangsfilters, während die Parallelresonatoren gegen Masse ableiten und durch ihre Resonanz die untere Flanke bilden. Durch die Unterschiede in den Frequenzen lässt sich die Bandbreite einstellen.
Bei der BAW-Fertigungstechnik stehen auf einem Chip üblicherweise nur zwei Resonanzen fs und fp zur Verfügung. Mehr als zwei Resonanzfrequenzen sind möglich, bedeuten aber einen hö heren Prozessaufwand und damit eine geringere Bauteilausbeute. Da der Sendefilter TX und der Empfangsfilter RX unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen, sind sie daher auf eigenen Substraten CT und CR gefertigt.
In 5 ist die Bandsperre BS zusammen mit dem Sendefilter TX auf dem gleichen Substrat CT integriert. Die Resonatoren der Bandsperre BS werden mit denselben Fertigungsschritten wie die Resonatoren des Sendefilters TX gefertigt. Die Bandsperre und der Sendefilter weisen somit gleiche Resonatoren auf. Auf diese Weise ist kein zusätzliches Substrat für die Bandsperre BS erforderlich und es entfallen zusätzliche Prozessschritte.
Um mit den gleichen Resonatoren eine Bandsperre BS im Passband des Sendefilters TX zu erreichen, ist es jedoch erforderlich, die Resonatoren anders anzuordnen: Der Parallelresonator PB1 der Bandsperre BS ist daher der gleiche Resonator wie die Serienresonatoren ST1, ST2 oder ST3 des Sendefilters TX und leitet bei der gleichen Resonanzfrequenz über die Induktivität L12 gegen Masse GND ab. Der Serienresonator SB1 der Bandsperre BS ist der gleiche Resonator wie ein Parallelresonator PT1, PT2 des Sendefilters TX. Dadurch, dass die gleichen Resonatoren für die Bandsperre BS und den Sendefilter TX verwendet werden, ergeben sich einige Einschränkungen bei Design des Duplexers, die jedoch, wie später beschrieben, umgangen werden können.
Während die Bandsperre BS in 5 zusammen mit dem Sendefilter TX auf einem Substrat CT integriert ist, wodurch sich erhebliche Vorteile bei der Fertigung ergeben, kann die Bandsperre BS auch durch eigene Komponenten extern oder im Gehäuse integriert gefertigt werden.
Die Resonatoren SB1, PB1 der Bandsperre BS könnten auch auf dem Substrat CR des Empfangsfilters RX realisiert werden. Dafür ist allerdings ein aufwändigerer BAW-Fertigungsprozess notwendig, der es ermöglicht, einen dritten und gegebenenfalls weitere Resonatortypen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf einem Chip herstellen zu können.
Ein wesentlicher Vorteil der mit BAW-Resonatoren gefertigten Bandsperre BS gegenüber dem Einsatz von externen Induktivitäten, die im Gehäuse, im Duplexermodul oder auf der Platine angeordnet sind, besteht darin, dass die Induktivitätswerte relativ zur Frequenz- und Fertigungsstabilität der Resonatoren starken Schwankungen unterworfen sind. Die als typisch spezifizierbare Isolation der Sendefrequenz ist deshalb unnötigerweise verschlechtert. Der in 5 gezeigte Bandpass BS ist dagegen mit akustischen Bauelementen aufgebaut, welche einerseits frequenzgetrimmt sind und andererseits mit ca. –20 ppm/K im Falle von BAW-Resonatoren sehr temperaturstabil sind. Die typische Isolation kann somit mit geringeren Abschlägen spezifiziert werden, wodurch sich Anforderungen an den Fertigungsprozess reduzieren lassen oder sich bei dem gleichen Fertigungsprozess die Ausbeute erhöht.
Die Resonatoren des Empfangsfilters RX können anstelle von BAW-Resonatoren auch mit SAW-Resonatoren gefertigt werden. SAW-Resonatoren haben den Vorteil, dass sie zusätzlich eine Anpassung von ”single ended” zu ”balanced” bieten und weisen gegebenenfalls bessere elektrische Eigenschaften auf. Die Kombination von SAW- und BAW-Technologie bildet einen Hybridduplexer.
Es ist hier möglich, den Sendefilter TX, die Bandsperre BS und den Empfangsfilter RX mit SAW-Resonatoren zu realisieren.
Dabei können die SAW-Elemente auf einem einzigen Substrat realisiert werden, da bei der SAW-Fertigungstechnik Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen ohne größeren Aufwand realisiert werden, indem z. B. geeignete Fingerperioden der Interdigitalwandler (IDT) gewählt werden.
Um die Resonanzfrequenz der Resonatoren der Bandsperre BS zu verändern, um so die elektrischen Eigenschaften zu optimieren, bestehen mehrere Möglichkeiten. Bei einem BAW-Resonator können zusätzliche Massebeläge aufgetragen werden, die die Schwingungsmasse des Resonators erhöhen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Materialschicht aufzubringen, die auch teilweise entfernt werden kann. Die Resonatoren mit dem Massebelag weisen dann eine geringere Resonanzfrequenz auf als diejenigen, die keine zusätzliche Materialschicht haben oder bei denen die Materialschicht nur teilweise vorhanden ist.
Während die Bandsperre BS in 5 zusammen mit dem Sendefilter TX auf einem Substrat CT integriert ist, wodurch sich erhebliche Vorteile bei der Fertigung ergeben, kann die Bandsperre BS auch durch eigene Komponenten extern oder im Gehäuse integriert gefertigt werden.
6 zeigt Ausführungsbeispiele, bei denen ein Resonator mehrere Resonatoren umfasst, wodurch weitere Freiheitsgrade für den Duplexerentwurf entstehen. Im Vergleich zu 4A und 4C wird in den 6A und 6B der Serienresonator S durch die Serienresonatoren S1 und S2 ersetzt. 6C zeigt den Ersatz des Parallelresonators P aus 4C durch die Parallelresonatoren P1 und P2. Im Vergleich mit 4C sind in 6D die Resonatoren S, P durch die Serienresonatoren S1, S2 und die Parallelresonatoren P2 und P2 ersetzt worden. Damit die ersetzenden Resonatoren die gleiche statische Kapa zität C0 wie die ursprünglichen Resonatoren S, P aufweisen, müssen diese die doppelte Kapazität, d. h. die doppelte Fläche, haben, wenn sie in Serie geschaltet sind und die halbe Kapazität, d. h. die halbe Fläche haben, wenn sie parallel geschaltet sind. Bei einem der doppelt vorhandenen Resonatoren lässt sich die Resonanzfrequenz wie oben beschrieben um bis zu 3% gegenüber den ursprünglichen Resonatoren S, P verändern. Mit der zusätzlichen Resonanzfrequenz ergeben sich ohne Einführen eines neuen Fertigungsprozesses für BAW-Resonatoren mit weiteren Resonanzfrequenzen weitere Möglichkeiten für die Optimierung.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Bandsperre BS, die einen ersten Anschluss 1 und einen zweiten Anschluss 2 aufweist und mit einem Anpassnetzwerk, welches eine erste Induktivität L1 und eine zweite Induktivität L2 aufweist. Die Bandsperre BS besteht aus einem einzelnen Serienresonator SB1 und kann wieder zusammen mit den Resonatoren des Sendefilters TX auf dem gleichen Substrat CT mit den gleichen Prozessschritten gefertigt werden. L1 und L2 und die statische Kapazität von SB1 sind so ausgelegt, dass bei Empfang eines Empfangssignals der Sendefilter TX aus Sicht des Empfangsfilters RX einen Leerlauf darstellt und Reflektionen zwischen dem Empfangsfilter RX und dem Antennenanschluss ANT minimiert werden. Weiter soll beim Senden eines Sendesignals der Empfangsfilter RX aus Sicht des Sendefilters TX einen Leerlauf darstellen und Reflektionen zwischen dem Sendefilter TX und dem Antennenanschluss ANT minimiert werden. Die erste Induktivität L1 dient dabei zur Anpassung des Sendefilters TX an den Antennenanschluss ANT. Zusammen mit der statischen Kapazität C0 des Serienresonators SB1 und der zweiten Induktivität L2 dient die erste Induktivität L1 dazu, ein PI-Netzwerk zu bilden, mit dem der Empfangsfilter RX angepasst wird. Die Anpassschaltung umfasst weiter die Induktivitäten L3 und L4. Die Induktivitäten L3 und L4 dienen dabei zur Anpassung des Sendefilters TX und des Empfangsfilters RX an den Sendeverstärkeranschluss PA und den Empfangsverstärkeranschluss LNA. Der Sendefilter TX und der Empfangsfilter RX können dabei beliebig ausgestaltet sein. Die Anpassung kann auch auf andere Weise erfolgen, z. B. durch parallele Induktivitäten oder einem Netzwerk mit überwiegend induktivem Charakter.
Die Bandsperre BS soll bei Sendefrequenzen ein hochohmiges Verhalten aufweisen, d. h. einen Leerlauf bilden, wodurch eine leichtere Anpassung möglich ist. Der erste Serienresonator SB1 weist dazu eine Antiresonanzfrequenz im Bereich des Passbandes TP des Sendefilters TX auf. Aus Sicht des Sendefilters TX stellt der Empfangsfilter RX somit stets einen Leerlauf dar. Der Einsatz eines führenden Parallelresonators ist an dieser Stelle nicht möglich, da dies zu einem Kurzschluss im Sendefrequenzbereich führen würde. Der Serienresonator SB1 kann ein Parallelresonator des Sendefilters TX sein, der optional in der Resonanzfrequenz abgesenkt ist.
Die Resonanz des Serienresonators SB1 liegt frequenzmäßig bis zu 3 Prozent unterhalb der Sendefilter-Passbandseite, sodass es zu keiner Beeinträchtigung der linken Sendefilterflanke kommt. Dies kann durch eine Absenkung der Resonanzfrequenz des Serienresonators SB1 mit den oben genannten Mitteln ermöglicht werden. Allgemein ist es dabei nicht unbedingt notwendig, dass die Antiresonanz genau in der Mitte des Passbandes liegt.
Eine weitere Lösung dieses Problems ist die Verwendung einer Induktivität, die in Serie zu der Bandsperre BS geschaltet ist. Auf diese Weise wird die Resonanz der Bandsperre BS bei gleicher Antiresonanzposition zu tieferen Frequenzen gezogen und die linke Passbandflanke des Sendefilters TX bleibt unbeeinträchtigt. Bei Frequenzen von ca. 2 GHz müsste die Serieninduktivität jedoch größer als 10 nH sein, wodurch diese Lösung auf Anwendungen bei höheren Frequenzen beschränkt wird.
8 zeigt eine Erweiterung der 7 durch einen Parallelresonator PB1, der mit dem zweiten Anschluss 2 und mit seinem ersten Anschluss mit der Masse GND verbunden ist. Die Antiresonanz des ersten Serienresonators SB1 wird wieder so gewählt, dass sie im Bereich der unteren Passbandfilterflanke liegt. Dies kann z. B. durch einen mittels zusätzlichem Massebelag in der Frequenz abgesenkten Resonator in BAW-Technik erfolgen. Für den Parallelresonator PB1 kann ein Serienresonator des Sendefilters TX gewählt werden. Die Anpassschaltung ist gegenüber 7 in ihrer Struktur unverändert. Die Induktivität L2 kann durch das Vorhandensein des Parallelresonators PB1 vorteilhafterweise kleiner ausfallen. Ein führender SB1-Resonator entkoppelt den Sendefilter TX vom Empfangsfilter RX, wodurch die Anpassung vereinfacht wird. Die Antiresonanz liegt im Passband des Sendefilters, oder bis zu ca. 3% darunter, und die Resonanz liegt unterhalb des Passbandes, damit die linke Passbandflanke nicht beeinträchtigt wird. Je nach Anforderung an die Bandsperre können auch noch weitere Parallelresonatoren mit dem zweiten Anschluss 2 und mit Masse GND verbunden werden. Für die Anpassung können die ersten Anschlüsse der Parallelresonatoren zumindest teilweise auch über Induktivitäten anstelle einer direkten Verbindung mit der Masse GND verbunden werden. Die Resonanzfrequenzen der weiteren Parallelresonatoren können sich bis zu 3% voneinander unterscheiden.
9 zeigt eine Abwandlung von 7, in der der Serienresonator SB1 durch zwei in Serie geschaltete Serienresonatoren SB1 und SB2 ersetzt wurde. Anstelle der Anpassschaltung von 7, die als PI-Netzwerk ausgelegt wird, wird ein T-Netzwerk zum Anpassen des Empfangsfilters RX verwendet. Die Kapazitäten des T-Netzwerks bilden sich aus den statischen Kapazitäten der Serienresonatoren SB1 und SB2. Die für das T-Netzwerk notwendige Induktivität liefert die Spule L2, die den Verbindungsknoten A, über welchen die Serienresonatoren SB1 und SB2 miteinander verbunden sind, mit der Masse GND verbindet. Der Serienresonator SB1 weist wieder die abgesenkte Resonanzfrequenz eines Parallelresonators des Sendefilters TX auf, sodass seine Antiresonanz an der unteren Bandpassflanke des Sendefilters TX liegt. Den überwiegend induktiven Charakter an dem Antennenanschluss ANT liefert die erste Induktivität L1. Der Resonator SB2 ist ein Parallelresonator des Sendefilters.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches auf 9 basiert. In den 7 bis 9 ist das Anpassen des Sendefilters TX nicht unabhängig von dem Anpassen des Empfangsfilters RX. Mit der in 10 gezeigten Anpassschaltung lässt sich dieser Nachteil umgehen. Gegenüber 9 verbindet die erste Induktivität L1 den ersten Anschluss 1 nicht mehr mit dem Antennenanschluss ANT, sondern mit dem Sendefilter TX. Allerdings ist mit der gezeigten Anordnung das Erreichen der Leerlaufbedingung für den Empfangsfilter RX schwieriger. Hilfreich ist es, wenn der Sendefilter TX einen Serienresonator, so wie zum Beispiel den ST3 in 5 aufweist, über den er mit der ersten Induktivität verbunden ist. Im Empfangsfrequenzbereich liegt der Antennenanschluss ANT im Leerlauf.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Filter TX1, TX2, TX3, RX1, RX2 an einen gemeinsamen Knoten K gekoppelt sind. Eine derartige Anordnung ist z. B. bei Modulanwendungen vorhanden, bei denen mehrere Sende- und Empfangspfade existieren. Hier ist eine hohe Isolation zwischen jedem Sende- und jedem Empfangspfad, wie bereits zuvor beschrieben, gewünscht. Weiter sollen auch kapazitive Verluste minimiert werden, die dadurch entstehen, dass Bandpassfilter, die zueinander einen ausreichend großen Bandabstand haben, aufeinander wie eine kapazitive Belastung wirken, falls sie an dem gemeinsamen Knoten K angeschlossen sind. Die Isolation zwischen Sende- und Empfangspfaden kann wie oben beschrieben erreicht werden. Um die Einfügedämpfung des Bandpassfilters TX1 durch kapazitive Verluste aufgrund der Bandpassfilter TX2 und TX3 zu reduzieren, wird diesen eine Bandsperre BS vorgeschaltet. Die Bandsperre BS kann ein Resonator sein, dessen Antiresonanz in etwa in der Bandpassmitte des ersten Bandpassfilters TX1 liegt. Auch die kapazitive Belastung durch die weiteren Bandpassfilter RX1 und RX2 kann auf die gleiche Weise beseitigt werden. Die erforderlichen Anpassschaltungen sind in 11 nicht gezeigt. Sämtliche oben genannten Schritte zur Anpassung und Auswahl der Resonatoren für die Bandsperre BS sowie die beschriebenen Variationen finden auch auf die 7 bis 11 Anwendung.

1, 2: Anschlüsse
fp: Resonanzfrequenz des Parallelresonators
fs: Resonanzfrequenz des Serienresonators
A: Verbindungsknoten
ANT: Antennenanschluss
BS: Bandsperre
C0: statische Kapazität des BAW-Resonators
CT: Substrat des Sendefilters
CS: Substrat des Empfangsfilters
D: Duplexer
GND: Masse
I: Isolation ohne Bandsperre
IB: Isolation mit Bandsperre
K: gemeinsamer Knoten
L1, L2, L3, L4: Induktivitäten
LNA, LNA1, LNA2: Empfangsverstärkeranschlüsse
M1, M2: Anpassschaltungen
N: Anzahl der Resonatoren
PA, PA1, PA2: Sendeverstärkeranschlüsse
P, P1, P2: Parallelresonator
PB1: Parallelresonator der Bandsperre
PT1, PT2: Parallelresonator des Sendefilters
PR1, PR2, PR3: Parallelresonator des Empfangsfilters
R: Übertragungsfunktion Empfangsfilter
RB: Übertragungsfunktion Empfangsfilter mit Bandsperre
RX, RX1, RX2: Empfangsfilter, zweite Bandpassfilter
T: Übertragungsfunktion Sendefilter
TP: Passband des Sendefilters
TX, TX1: Sendefilter, erster Bandpassfilter
TX2, TX3: zweite Bandpassfilter
S, S1, S2: Serienresonator
SB1, SB2: Serienresonator der Bandsperre
ST1, ST2, ST3: Serienresonator des Sendefilters
SR1, SR2: Serienresonator des Empfangsfilters

Claims

Duplexer, umfassend – einen Antennenanschluss (ANT), – einen Sendeverstärkeranschluss (PA), und – einen Empfangsverstärkeranschluss (LNA), wobei – der Sendeverstärkeranschluss (PA) über einen Sendefilter (TX) an den Antennenanschluss (ANT) gekoppelt ist, und – der Empfangsverstärkeranschluss (LNA) an einen Empfangsfilter (RX) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsfilter (RX) über eine Bandsperre (BS) an den Antennenanschluss (ANT) gekoppelt ist.
Duplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sendefilter (TX) ein Passband (TP) aufweist, und – die Bandsperre (BS) im Passband (TP) des Sendefilters (TX) einen Sperrbereich aufweist.
Duplexer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sendefilter (TX) mindestens einen Resonator (PT1, PT2, ST1, ST2, ST3) umfasst, und – die Bandsperre (BS) mindestens einen gleichen Resonator (PB1, SB1, SB2) wie der Sendefilter (TX) umfasst.
Duplexer nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendefilter (TX) und die Bandsperre (BS) Ladderstrukturen umfassen, die Serienresonatoren (S, S1, S2, ST1, ST2, ST3, SB1) oder Parallelresonatoren (P, P1, P2, PT1, PT2, PB1) aufweisen.
Duplexer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parallelresonator des Sendefilters (P, P1, P2, PT1, PT2) eine Resonanzfrequenz aufweist, die geringer ist als die Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren (S, S1, S2, ST1, ST2, ST3).
Duplexer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Serienresonator (SB1, SB2) der Bandsperre (BS) der gleiche Resonator wie ein Parallelresonator (PT1, TP2) des Sendefilters (TX) ist.
Duplexer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parallelresonator (PB1) der Bandsperre (BS) der gleiche Resonator ist, wie ein Serienresonator (ST1, ST2, ST3) des Sendefilters (TX).
Duplexer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz von mindestens einem Serienresonator (SB1) der Bandsperre (BS) sich von den Resonanzfrequenzen der übrigen Serienresonatoren (SB2) der Bandsperre (BS) unterscheidet.
Duplexer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz von mindestens einem Parallelresonator der Bandsperre (BS) sich von den Resonanzfrequenzen der übrigen Parallelresonatoren der Bandsperre (BS) unterscheidet.
Duplexer nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (PB1, SB1), deren Resonanzfrequenzen sich von den anderen Resonatoren unterscheiden, einen zusätzlichen Massebelag aufweisen, der die Resonanzfrequenz erniedrigt und der bei den anderen Resonatoren (PB, SB) nicht, oder nicht im gleichen Ausmaß, vorhanden ist.
Duplexer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – der zusätzliche Massebelag eine Passivierungsschicht, eine Siliziumdioxidschicht, eine Wolframschicht, eine Titanschicht, eine Aluminiumschicht, eine Molybdänschicht, eine Iridiumschicht, eine Rutheniumschicht, eine Siliziumnitridschicht, eine Aluminiumnitridschicht, eine Zinkoxidschicht, eine Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht, eine Barium-Strontium-Titanat-Schicht, oder eine Schicht aus einem anderem Material ist, und – die Schicht oberhalb oder unterhalb einer Piezoschicht des Resonators aufgebracht ist, oder die Piezoschicht verdickt.
Duplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (PT1, PT2, ST1, ST2, ST3) des Sendefilters (TX) und die Resonatoren (PB1, SB1, SB2) der Bandsperre (BS) BAW-Resonatoren sind und auf demselben Substrat (CT) angeordnet sind.
Duplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (PR1, PR2, PR3, SR1, SR2) des Empfangsfilters (RX) und die Resonatoren (PB1, SB1, SB2) der Bandsperre (BS) BAW-Resonatoren sind und auf demselben Substrat (CT) angeordnet sind.
Duplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (PT1, PT2, ST1, ST2, ST3) des Sendefilters (TX), die Resonatoren (PR1, PR2, PR3, SR1, SR2) des Empfangsfilters (RX), und die Resonatoren (PB1, SB1, SB2) der Bandsperre (BS) BAW-Resonatoren sind und auf demselben Substrat (CT) angeordnet sind.
Duplexer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsfilter (RX) mindestens einen SAW-Resonator (PR1, PR2, PR3, SR1, SR2) umfasst.
Duplexer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sendefilter (TX) und die Bandsperre (BS) anstelle von BAW-Resonatoren SAW-Resonatoren umfassen, und – die SAW-Resonatoren (PB1, PR1, PR2, PR3, PT1, PT2, SB1, SB2, SR1, SR2, ST1, ST2, ST3) des Empfangsfilters (RX), des Sendefilters (TX) und der Bandsperre (BS) auf einem gemeinsamen Substrat (CT, CR) aufgebaut sind.
Duplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass GBAW-Resonatoren anstelle von BAW-Resonatoren eingesetzt werden.
Duplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Resonatoren (PB1, SB1, SB2) der Bandsperre (BS) eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität aufweist, und mindestens eine Anzahl N von Resonatoren (S1, S2, P1, P2) umfasst, wobei – die Anzahl N größer gleich zwei ist, – die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal größer als die erste statische Kapazität ist, – die N Resonatoren miteinander in Serie geschaltet sind, und – zumindest bei einem der N Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht.
Duplexer nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Resonatoren (PB1, SB1, SB2) der Bandsperre (BS) eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität aufweist, und mindestens eine Anzahl N von Resonatoren (S1, S2, P1, P2) umfasst, wobei – die Anzahl N größer gleich zwei ist, – die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal kleiner als die erste statische Kapazität ist, – die N Resonatoren zueinander parallel geschaltet sind, und – zumindest bei einem der N Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht.
Duplexer nach einem der vorigen Ansprüche, weiter umfassend mindestens eine Anpassschaltung (M1, M2), die so ausgelegt ist, dass beim Empfang eines Empfangsignals – der Sendefilter (TX) aus Sicht des Empfangsfilters (RX) einen Leerlauf darstellt, und – Reflektionen zwischen dem Empfangsfilter (RX) und dem Antennenanschluss (ANT) minimiert werden, und beim Senden eines Sendesignals – der Empfangsfilter (RX) aus Sicht des Sendefilters (TX) einen Leerlauf darstellt, und – Reflektionen zwischen dem Sendefilter (TX) und dem Antennenanschluss (ANT) minimiert werden.
Duplexer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bandsperre (BS) einen ersten Anschluss (1) und einen zweiten Anschluss (2) aufweist, wobei der erste Anschluss (1) mit dem Antennenanschluss (ANT) und dem Sendefilter (TX) verbunden ist und der zweite Anschluss (2) mit dem Empfangsfilter (RX) verbunden ist, – die Anpassschaltung (M1, M2) eine erste Induktivität (L1) und eine zweite Induktivität (L2) umfasst, wobei die erste Induktivität (L1) den ersten Anschluss (1) mit Masse (GND) verbindet und die zweite Induktivität (L2) den zweiten Anschluss (2) mit Masse (GND) verbindet.
Duplexer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandsperre (BS) einen ersten Serienresonator (SB1) umfasst, der mit dem ersten Anschluss (1) verbunden ist.
Duplexer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Serienresonator (SB1) eine Antiresonanz aufweist, die im Passband (TP) des Sendefilters (TX) oder frequenzmäßig bis zu drei Prozent darunter liegt.
Duplexer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandsperre (BS) weiter mindestens einen Parallelresonator (PB1) umfasst, wobei – ein erster Anschluss des mindestens einen Parallelresonators (PB1) mit Masse (GND) verbunden ist, und – der andere Anschluss des mindestens einen Parallelresonators (PB1) mit dem zweiten Anschluss (2) und dem ersten Serienresonator (SB1) verbunden ist.
Duplexer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der ersten Anschlüsse des mindestens einen Parallelresonators (PB1) nicht direkt, sondern über eine Induktivität, oder eine Kapazität, oder einer Kombination aus einer Induktivität und einer Kapazität mit Masse (GND) verbunden ist.
Duplexer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Serienresonator (SB1) eine Antiresonanz im Bereich der unteren Passbandflanke des Sendefilters (TX) aufweist und der Parallelresonator (PB1) eine Resonanzfrequenz aufweist, die im Bereich der Mitte des Passbands (TP) des Sendefilters (TX) liegt.
Duplexer nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Serienresonator (SB1) der gleiche wie ein Parallelresonator (PT1, PT2) des Sendefilters (TX) ist, jedoch einen zusätzlichen Massebelag aufweist, der die Resonanzfrequenz des ersten Serienresonators (SB1) gegenüber der Reso nanzfrequenz des Parallelresonators (PT1, PT2) verringert, und – der Parallelresonator (PB1), der mit dem zweiten Anschluss (2) verbunden ist, der gleiche wie ein Serienresonator (ST1, ST2) des Sendefilters (TX) ist.
Duplexer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bandsperre (BS) einen ersten Anschluss (1) und einen zweiten Anschluss (2), und zwei, über einen Verbindungsknoten (A) in Serie geschaltete Serienresonatoren (SB1, SB2) umfasst, von denen einer (SB1) mit dem ersten Anschluss (1) und der andere (SB2) mit dem zweiten Anschluss (2) verbunden ist, wobei – der erste Anschluss (1) mit dem Sendefilter (TX) verbunden ist und der zweite Anschluss (2) mit dem Empfangsfilter (RX) verbunden ist, – die Anpassschaltung (M1, M2) eine erste Induktivität (L1) und eine zweite Induktivität (L2) umfasst, wobei die erste Induktivität (L1) den ersten Anschluss (1) mit dem Antennenanschluss (ANT) verbindet und die zweite Induktivität (L2) den Verbindungsknoten (A) mit Masse (GND) verbindet.
Duplexer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Anschluss (1) nicht mit dem Sendefilter (TX) verbunden ist, sondern mit dem Antennenanschluss (ANT), und – die erste Induktivität (L1) den ersten Anschluss (1) nicht mit dem Antennenanschluss (ANT) verbindet, sondern mit dem Sendefilter (TX).
Duplexer nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass – der mit dem ersten Anschluss (1) verbundene Serienresonator (SB1) eine Antiresonanz im Bereich des unteren Passbands des Sendefilters (TX) aufweist, und – der mit dem zweiten Anschluss (2) verbundene Serienresonator (SB2) eine Antiresonanzfrequenz aufweist, die im Bereich der Mitte des Passbands (TP) des Sendefilters (TX) liegt.
Duplexer nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass – der Serienresonator (SB1), der mit dem ersten Anschluss (1) verbunden ist, der gleiche wie ein Parallelresonator (PT1, PT2) des Sendefilters (TX) ist, jedoch einen zusätzlichen Massebelag aufweist, der die Resonanzfrequenz des Serienresonators (SB1) gegenüber der Resonanzfrequenz des Parallelresonators (PT1, PT2) verringert, und – der Serienresonator (SB2), der mit dem zweiten Anschluss (2) verbunden ist, der gleiche wie ein Serienresonator (ST) des Sendefilters (TX) ist.
Duplexer nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Serienresonator (SB1) eine Antiresonanz aufweist aber keine Resonanz hat.
Duplexer nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parallelresonator (PB1) eine Resonanz aufweist aber keine Antiresonanz hat.
Duplexer nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendefilter (TX) einen Serienresonator (ST) umfasst, über den er mit dem ersten Anschluss (1) verbunden ist.
Duplexer nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschaltung (M1, M2) weiter – eine Induktivität (L3) umfasst, die den Sendefilter (TX) mit dem Sendeverstärkeranschluss (PA) verbindet, und – eine Induktivität (L4) umfasst, die den Empfangsfilter (RX) mit dem Empfangsverstärkeranschluss (LNA) verbindet.
Duplexer nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiter Anschlüsse (PA2, LNA1, LNA2) vorgesehen sind, die über jeweilige Filter (TX2, TX3, RX1, RX2) und Bandsperren (BS) an den Antennenanschluss (ANT) gekoppelt sind, wobei die Sperrbereiche der jeweiligen Bandsperren (BS) im Passband (TP) des Sendefilters (TX1) liegen.
Verfahren zum Erhöhen der Isolation zwischen einem ersten Bandpassfilter (TX, TX1) und mindestens einem zweiten Bandpassfilter (RX, RX1, RX2, TX2, TX3), wobei der erste Bandpassfilter (TX, TX1) und der mindestens eine zweite Bandpassfilter (RX, RX1, RX2, TX2, TX3) an einen gemeinsame Knoten (K) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Bandpassfilter (RX, RX1, RX2, TX2, TX3) über eine jeweilige Bandsperre (BS) an den gemeinsamen Knoten (K) gekoppelt ist, wobei die jeweiligen Bandsperren (BS) in einem Durchlassbereich (TP) des ersten Bandpassfilters (TX, TX1) sperren.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfunktion des ersten Bandpassfilters (TX, TX1) und die der Bandsperren (BS) jeweils durch mindestens einen gleichen Resonator realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren des ersten Bandpassfilters (TX, TX1) und die Resonatoren der mindestens einen Bandsperre (BS) auf demselben Substrat (CT) realisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichen Resonatoren mit denselben Prozessschritten realisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz von mindestens einem Resonator der Bandsperren (BS) gegenüber der Resonanzfrequenz des gleichen Resonators des ersten Bandpassfilters (TX, TX1) abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch einen zusätzlichen, auf dem Resonator angebrachten Massebelag abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren der Bandsperren (BS) und des ersten Bandpassfilters (TX, TX1) BAW-Resonatoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren der Bandsperren (BS) SAW-Resonatoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren der Bandsperren (BS) GBAW-Resonatoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bandpassfilter (TX, TX1), der mindestens eine zweite Bandpassfilter (RX, RX1, RX2, TX2, TX3, RX) und eine an den gemeinsamen Knoten (K) gekoppelte Antenne so aneinander in der Impedanz angepasst werden, dass bei Frequenzen, die im Durchlassbereich des ersten Bandpassfilter (TX, TX1) liegen, – die Reflektion von Leistung zwischen dem ersten Bandpassfilter (TX, TX1) und der Antenne minimiert wird, und – der mindestens eine zweite Bandpassfilter (RX, RX1, RX2 TX2, TX3) aus Sicht des ersten Bandpassfilters (TX, TX1) einen Leerlauf darstellt, und bei Frequenzen, die jeweils in den Durchlassbereichen des mindestens einen zweiten Bandpassfilters (RX, RX1, RX2, TX2, TX3) liegen, – die Reflektion von Leistung zwischen jedem zweiten Bandpassfilter (RX, RX1, RX2, TX2, TX3) und der Antenne minimiert wird, und – der erste Bandpassfilter (TX, TX1) jeweils aus Sicht des jeweiligen zweiten Bandpassfilters (RX, X1, RX2, TX2, TX3) einen Leerlauf darstellt.
Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Kapazität von mindestens einem Resonator der Bandsperren (BS) für die Anpassung variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Resonatoren der Bandsperren (BS) eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität aufweist und durch mindestens eine Anzahl N von Resonatoren realisiert wird, wobei – die Anzahl N der Resonatoren größer gleich zwei ist, – die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal größer als die erste statische Kapazität ist, – die N Resonatoren zueinander in Serie geschaltet sind, und – zumindest bei einem der Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Resonatoren der Bandsperren (BS) eine erste Resonanzfrequenz und eine erste statische Kapazität aufweist und durch mindestens eine Anzahl N von Resonatoren realisiert wird, wobei – die Anzahl N der Resonatoren größer gleich zwei ist, – die N Resonatoren jeweils eine statische Kapazität aufweisen, die N-mal kleiner als die erste statische Kapazität ist, – die N Resonatoren zueinander parallel geschaltet sind, und – zumindest bei einem der Resonatoren die Resonanzfrequenz um bis zu 3% von der ersten Resonanzfrequenz abweicht.