DE102009003884A1

DE102009003884A1 - Multiplexer

Info

Publication number: DE102009003884A1
Application number: DE200910003884
Authority: DE
Inventors: Roman Kravchenko
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2009-01-02
Filing date: 2009-01-02
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-03
Also published as: DE102009003884B4

Abstract

Es wird ein Multiplexer vorgeschlagen, bei dem ein Balun (B) verwendet wird, an dessen symmetrische Ausgänge (SA) jeweils ein HF-Filter (F) angeschlossen ist. Ein solcher drei Elemente umfassender Balun kann ein single-ended Signal, welches mehrere Frequenzanteile umfasst, über die beiden HF-Filter frequenzselektiv zwei Kanälen zugewiesen werden. Dazu weist jedes Filter im Durchlassbereich des anderen Filters eine Eingangsimpedanz auf, die gleich oder nahe Null ist. Im Durchlassbereich eines jeden Filters ist die Eingangsimpedanz größer als Null. Weiter wird ein höherer Multiplexer vorgeschlagen, der aus serienverschalteten Baluns aus gekoppelten Transmissionsleitungen (CTL) oder aus einer Kaskade beliebiger Baluns besteht.

Description

Neueste Techniken moderner Kommunikations- und Informationssysteme bieten dem Nutzer eine Vielfalt unterschiedlicher Dienste. Jeder Dienst gehorcht dabei aber seinem eigenen Standard für den Datentransfer.
Es existieren verschiedene Möglichkeiten, wie mehrere dieser Dienste in einem einzigen Endgerät vereint werden können. Auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikationssysteme werden unterschiedliche Kanäle beispielsweise nach Frequenz (FDMA = Frequency Division Multiple Access), nach Signalkodierung (CDMA = Code Division Multiple Access) und nach Zeitschlitzen (TDMA = Time Division Multiple Access) getrennt. Jedes dieser Verfahren ist mit bestimmten Vor- und Nachteilen verbunden und mehr oder weniger kompatibel mit davon verschiedenen Verfahren. FDMA-Verfahren erlaubt den Zugriff auf einen Dienst über Frequenztrennung, so dass bei gleichzeitiger Signalübertragung unterschiedlicher Signalpfade bei unterschiedlicher Frequenz verwendet werden müssen. Um die Signale unterschiedlicher Frequenzbänder in die entsprechenden Signalpfade zu leiten oder eine entsprechende Vielzahl von Signalpfaden einen gemeinsamen Anschluss zuzuführen, ist ein Multiplexer erforderlich.
Es sind diverse Multiplexverfahren bekannt, die eine Vielzahl von Kanälen bedienen können. Dabei weist jeder Multiplexer pro Kanal zumindest ein Filter auf. Alle diese Techniken funktionieren nach der Maxime, die gegenseitigen Wechselwirkungen der unterschiedlichen Filter zu minimieren. Infolge dieser Anstrengung können sich jedoch andere Eigenschaften gewisser Multiplexer verschlechtern und insbesondere müssen oft hohe Verluste in Kauf genommen werden. Andere Multiplexerarchitekturen erfordern eine aufwändige Verschaltung. Je geringer die Anzahl der Kanäle des Multiplexers und der Abstand zwischen den den Kanälen zugeordneten Frequenzbändern ist, desto einfacher gelingt dort die Trennung der Kanäle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Multiplexer anzugeben, mit dem die Trennung und/oder Zusammenführung einer Vielzahl von Kanälen mit jeweils einem Frequenzband in einfacher Weise möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Multiplexer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Es wird vorgeschlagen, zur Kanaltrennung einen Balun zu verwenden. Ein am Eingang des Balun angelegtes single-ended Signal kann damit auf zwei den symmetrischen Ausgängen des Baluns zugeordnete Kanäle aufgeteilt werden. Um an den Ausgängen die nötige Frequenzselektivität zu erhalten, ist jeder der Signalausgänge des Baluns mit einem HF-Filter in Serie geschaltet.
Da ein Balun bislang üblicherweise dazu verwendet wird, ein single-ended Signal in zwei bezüglich ihrer Amplitude zueinander symmetrische Signalanteile mit optimal 180 Grad Phasendifferenz aufzuspalten, wird für die neue Anwendung als Multiplexer eine besondere Eigenschaft des Baluns ausgenutzt. Verbindet man einen ersten der Ausgänge des Baluns mit Masse und schließt ihn somit kurz, so wird ein am Signaleingang des Baluns anliegendes Signal vollständig über den anderen, den zweiten Signalausgang geleitet. Somit kann bereits mit einem Balun ein Diplexer realisiert werden, welcher einen Multiplexer mit zwei Kanälen darstellt. Ein Kurzschluss gegen Masse kann in Abhängigkeit von einem dem Kanal zugeordneten Frequenzband erreicht werden, wenn das in Serie zu dem jeweiligen Signalausgang geschaltete Filter ein entsprechendes Impedanzverhalten aufweist: Um den Balun als Diplexer nutzen zu können, muss die Eingangsimpedanz eines Filters im Durchlassbereich des jeweils anderen Filters nahe oder gleich Null sein. Im eigenen Durchlassbereich des jeweiligen Filters muss die Impedanz größer Null sein. Eine solche Bedingung lässt sich jedoch mit üblichen HF-Filtern leicht erfüllen, da die existierenden Filter zumeist diese Eigenschaft aufweisen. Darüber hinaus ist ein Filter mit einer Eingangsimpedanz Null weit einfacher zu realisieren als ein Filter mit unendlicher Impedanz, wie es für bisher bekannte Diplexerlösungen Voraussetzung war. Ein Filter mit unendlich hoher Eingangsimpedanz erfordert nämlich zusätzliche Transmissionsleitungen, um damit eine Phasenverschiebung zu erzielen. Mit jeder zusätzlichen Leitung wird jedoch die Performance des entsprechenden Filters und damit auch die Performance des Diplexers/Multiplexers verschlechtert.
Für den erfindungsgemäßen Multiplexer werden also die beiden symmetrischen Signalausgänge des Baluns in Serie mit HF-Filtern geschaltet, die jeweils einen voneinander verschiedenen Durchlassbereich aufweisen. Dabei weist das erste Filter im Durchlassbereich des zweiten Filters eine Impedanz nahe oder gleich Null auf, im eigenen Durchlassbereich dagegen eine davon verschiedene höhere Impedanz. Damit wird erreicht, dass ein im Durchlassbereich eines ersten Filters liegendes, an den Signaleingang des Baluns angelegtes Signal ausschließlich über das erste HF-Filter transmittiert wird. Eine Transmission durch das zweite HF-Filter findet ausschließlich für Signale statt, deren Frequenzen im Durchlassbereich des zweiten Filters liegen. Enthält ein Eingangssignal Frequenzanteile beider Frequenzbänder, so liegen dann am Ausgangstor eines jeden der beiden HF-Filter nur die dem jeweiligen Kanal und damit dem Frequenzband des Kanals zugeordneten Signale an.
Es ist klar, dass der Multiplexer auch reziprok arbeiten kann, indem er – in anderer Richtung angesteuert – die Signale unterschiedlicher Kanäle zusammenführt und als kombiniertes single-ended Signal am „Signaleingang” des Multiplexers ausgibt. Im Folgende wird jedoch der Einfachheit nur die Teilfunktion des Muliplexers betrachtet, ein Eingangssignal in verschiedene Kanäle aufzuspalten.
Der erfindungsgemäße Multiplexer ist einfach zu verwirklichen. Es kann ein beliebiger Balun einer beliebigen bekannten Technologie verwendet werden. Dabei gilt als einzige Randbedingung, dass die Bandbreite des Balun ausreichend groß sein, um die Frequenzen der beiden Kanäle beziehungsweise deren Frequenzbänder zu umfassen. Das Frequenzband eines Kanals deckt sich zumindest teilweise mit dem Durchlassbereich des entsprechenden HF-Filters, so dass auch die beiden Durchlassbereiche der HF-Filter üblicherweise innerhalb der Bandbreite des Baluns angeordnet sind.
Der Balun kann beispielsweise aus gekoppelten Transmissionsleitungen, aus Lumped-Elements, aus rechts-links drehenden Transmissionsleitungen oder aus verkürzten Koppelleitungen aufgebaut sein oder einen so genannten Semi-Lumped-Balun/Semi-Transmission Line Balun darstellen.
Die Auswahl des optimalen Baluntyps kann unter verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen. Es kann ein Balun gewählt werden, der eine besonders hohe Bandbreite aufweist. Damit ist es möglich, einen Multiplexer für zwei Kanäle darzustellen, die einen der Bandbreite entsprechenden großen Abstand ihrer Frequenzbänder aufweisen. Außerdem kann der Balun so ausgewählt sein, dass er minimale Verluste erzeugt.
Die im Balun eingesetzten HF-Filter können ein Bandpassfilter umfassen. Möglich ist es jedoch auch, als Hochpass oder Tiefpass ausgebildete Filter einzusetzen. Auch können die HF-Filter in einer beliebigen Technologie realisiert sein. Ein jedes der Filter kann unabhängig vom anderen Filter aus LC-Elementen oder dielektrischen Resonatoren aufgebaut sein, insbesondere aus Mikrowellenkeramik. Darüber hinaus können herkömmliche Filter in FBAR- (FBAR = Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator) oder in SAW-Technologie (SAW = Surface Acoustic Wave) eingesetzt werden. Im Multiplexer können auch Filter unterschiedlicher Technologie kombiniert werden. Balun und Filter können aber auch beide in der gleichen Technologie realisiert sein, beispielsweise beide in LTCC integriert. In diesem Fall stellt der Multiplexer eine einzelne Komponente dar bzw. ist als kompaktes und integriertes Bauelement realisiert.
Die beschriebene Anordnung mit einem Balun erlaubt das Aufspalten eines Signals auf zwei Kanäle, beziehungsweise ein single-ended und am Signaleingang des Baluns anliegendes Signal entsprechend der jeweiligen Frequenz auf jeweils einen oder beide Kanäle aufzuteilen.
Ein Multiplexer mit einer höheren Anzahl von Kanälen kann mit dem erfindungsgemäßen Gedanken auf zwei prinzipiell unterschiedliche Weisen aufgebaut werden. Eine einfache Lösung besteht darin, eine Kaskade von Baluns zu verwenden und so die Anzahl der erhaltenen Kanäle zu potenzieren. Dabei kann ein single-ended Signal, das am Signaleingang des Baluns der ersten Kaskadenstufe angelegt wird, über n Kaskaden in n² Kanäle aufgeteilt werden, wobei n der Anzahl der Kaskadenstufen entspricht.
Der single-ended Signaleingang eines zu einem Diplexer verschalteten Baluns wird dazu mit dem Signalausgang eines Vorstufenbaluns verbunden, während mit dem anderen Signalausgang des Vorstufenbaluns ein weiterer zu einem Diplexer verschalteter Balun verbunden wird. Mit dieser zweistufigen Kaskade gelingt es, vier Kanäle zu trennen, beziehungsweise vier getrennte Kanäle über den Multiplexer in einem einzigen Signaleingang zu kombinieren.
Eine weitere Kaskadenstufe wird erhalten, wenn zwei derart ausgebildeter Vorstufenbaluns an die beiden Signalausgänge eines weiteren Vorstufenbaluns gekoppelt werden, wobei eine dreistufige Kaskade mit insgesamt acht Kanalausgängen erhalten werden kann.
Auch in solchen Kaskaden können Baluns beliebiger Technologie eingesetzt und auch unabhängig voneinander kombiniert werden. Die Anzahl der Kaskadenstufen kann weiter erhöht werden, indem jeweils ein Vorstufenbalun an der single-ended Seite, also an seinem Signaleingang, mit dem Signalausgang eines weiteren Vorstufenbaluns verschaltet wird, ebenso wie der zweite Signalausgang des weiteren Vorstufenbaluns mit einem ebensolchen verschaltet wird. Da aber jeder Balun ein reales Element darstellt, welches keine ideale Reflexionscharakteristik aufweist, wird ein mit der Anzahl der Elemente steigende Degradation der Gesamt-Performance des Multiplexers in kauf genommen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes, prinzipiell von der Kaskadenverschaltung verschiedenes Multiplexerdesign mit mehr als zwei Kanälen wird durch eine Serienverschaltung von Baluns erreicht, die jeweils mittels gekoppelter Transmissionsleitungen ausgebildet sind.
Zur Realisierung wird eine mit der single-ended Signalquelle verbundene Signalleitung in mehrere seriell miteinander verschaltete Abschnitte von Transmissionsleitungen aufgeteilt, die zusammen die mit dem Signaleingang verbundene Signalleitung darstellen. Mit jedem Abschnitt der Transmissionsleitung ist ein weiterer Transmissionsleitungsabschnitt gekoppelt. Aus je zwei Paaren solcher gekoppelter Leitungsabschnitte kann nun ein an sich bekannter Balun gebildet werden, indem einer der beiden gekoppelten Abschnitte gespiegelt zum anderen angeordnet wird.
Ein jeder der solcher Art erhaltenen Baluns wird nun erfindungsgemäß an seinen beiden zueinander symmetrischen Signalausgängen mit je einem HF-Filter in Serie geschaltet. Alle diese HF-Filter erfüllen die genannten Impedanzbedingungen, dass die Eingangsimpedanz eines jeden Filters im Durchlassbereich aller anderen Filter nahe oder gleich Null ist, im eigenen Durchlassbereich dagegen größer Null. Auch dieses Konzept kann auf eine beliebige Anzahl von in Serie geschalteten Baluns erweitert werden. Je zwei Paare miteinander gekoppelter Abschnitte von Transmissionsleitungen ergeben dabei zwei Kanäle des Multiplexers. Die maximale Anzahl auf diese Weise im erfindungsgemäßen Multiplexer erzielbarer bzw. nutzbarer Kanäle beträgt dabei 2n, wenn n die Anzahl der in Serie verschalteten Baluns ist.
Auch bei dieser Anordnung wird ein Eingangssignal einer bestimmten Frequenz ausschließlich durch den Signalausgang geleitet, dessen damit in Serie geschaltetes HF Filter bei dieser Frequenz eine Eingangsimpedanz ungleich Null aufweist. Da diese Bedingung definitionsgemäß nur im Durchlassbereich des Filters erhalten wird, gelingt damit gleichzeitig Trennung und Filterung von Signalanteilen unterschiedlicher Frequenz.
Es ist klar ersichtlich, dass mit einer solchen Serienverschaltung von Baluns eine gegebene Anzahl von Kanälen mit weniger Bauteilen realisiert werden kann, als mit der vorgenannten Kaskadierung von Baluns. Darüber hinaus hat die Serienverschaltung den Vorteil, dass die Verluste geringer sind.
In der Serienverschaltung ist jedem Abschnitt von Transmissionsleitungen innerhalb der Signalleitung über den gekoppelten Abschnitt und das damit verbundene Filter ein Kanal und damit ein entsprechendes Frequenzband zugeordnet. Innerhalb der Serienverschaltung eines solchen Multiplexers kann die Anordnung der Filter unabhängig von der Frequenzlage ihrer Frequenzbänder erfolgen. Das heißt, dass die Reihenfolge der entsprechend der Serienverschaltung anschließbaren Kanäle nicht ihrer frequenzgemäßen Ordnung gehorchen muss und dementsprechend auch nicht mit ansteigender oder absteigender Frequenz erfolgen muss.
Da auch in der Serienverschaltung von Baluns mit zunehmender Anzahl von Elementen die Verluste steigen, und die entsprechenden Verluste im in der Serienverschaltung dem Eingang am nächsten liegenden Kanal am geringsten sind, kann auf diese Weise der wichtigste oder am häufigsten genutzte Kanal in der Serienverschaltung vorne angeordnet werden. Somit können die Gesamtverluste des Multiplexers über alle Kanäle gesehen weiter minimiert werden.
In der Serienverschaltung oder der Kaskade von Baluns bei erfindungsgemäßen höheren Multiplexern kann jedes HF-Filter unabhängig von den anderen bezüglich Bauart und Eigenschaften ausgewählt sein, sofern die Impedanzbedingung erfüllt ist. Jedes HF-Filter kann dementsprechend unsymmetrisch symmetrisch betrieben sein. Möglich ist es jedoch auch, HF-Filter einzusetzen, die unsymmetrisch-symmetrisch betrieben werden. Am Ausgang eines solchen HF-Filters kann ein Paar zueinander symmetrischer Signale einer dem Kanal zugeordneten Frequenz erhalten werden. Die beiden Anschlüsse des Filterausgangs bilden dabei stets ein Tor. In unsymmetrischen Toren wird der zweite Ausgang mit Masse verbunden, bzw. stellt der Masseanschluss des zweiten Anschluss des Tores dar. Im Multiplexer können HF-Filter mit ausgangsseitig symmetrischen und unsymmetrischen Toren nebeneinander eingesetzt sein.
Mit einem erfindungsgemäßen Multiplexer gelingt es auch, eine ungerade Anzahl von Kanälen zu multiplexen. Da mit jedem Endstufenbalun in der Kaskade beziehungsweise mit jedem Balun in der Serienverschaltung zwei Kanäle erhalten werden können, wird für eine ungerade Anzahl an Kanälen einer der Signalausgänge eines beliebigen Baluns gegen Masse kurzgeschlossen. Da für diesen Kurzschluss gilt, dass dort die Abschluss impedanz gleich Null ist, wirkt dieser Kurzschluss wie ein Filter mit der vorgenannten Impedanzbedingung.
Möglich ist es auch, einen Multiplexer mit einer höheren Anzahl von Kanälen dadurch zu konstruieren, dass eine serielle Verschaltung von als gekoppelte Transmissionsleitungen ausgebildeter Baluns mit einer Kaskade von Baluns beliebiger Bauart kombiniert wird. So kann beispielsweise ein weiterer Balun mit dem Signalausgang eines Baluns innerhalb einer Serienverschaltung verbunden und so eine Kaskade ausgebildet werden. Möglich ist es auch, mit dem Signalausgang eines Endstufenbalun eines kaskadierten erfindungsgemäßen Multiplexers eine Serienverschaltung von als gekoppelte Transmissionsleitungen ausgebildeter Baluns zu verschalten. Innerhalb einer Kaskade ist es möglich, von Stufe zu Stufe unterschiedliche Baluns einzusetzen. Auch innerhalb einer einzigen Kaskadenstufe können Baluns unterschiedlicher Technologie nebeneinander eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch ausgeführt, wobei auf die Darstellung von Details, die nicht zum Verständnis der Erfindung beitragen, verzichtet wurde.
1 zeigt einen bekannten, aus gerichteten Filtern aufgebauten Multiplexer,
2 zeigt ein solches bekanntes gerichtetes Filter,
3A zeigt einen bekannten Multiplexer, dessen den Kanälen zugeordnete Filter in Serie geschaltet und über Entkopplungselemente entkoppelt sind,
3B zeigt einen bekannten Multiplexer mit entkoppelten Filtern, wobei die Verbindung jedoch als Shuntverbindung ausgeführt ist,
4A und 4B zeigen einen bekannten Multiplexer, bei dem die Kanäle aneinander grenzend und in serieller beziehungsweise paralleler Verbindung geschaltet sind,
5 zeigt einen bekannten als Power Divider ausgeführten Multiplexer,
6 zeigt einen bekannten mit gekoppelten Filtern ausgebildeten Multiplexer,
7A zeigt eine einfache Ausführung der Erfindung,
7B zeigt die Wirkungsweise des in 7A gezeigten Multiplexers,
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Multiplexer mit einem Marchand-Balun,
9 zeigt einen mit kaskadierten Baluns ausgebildeten Multiplexer,
10 zeigt einen erfindungsgemäßen Multiplexer mit in Serie geschalteten Marchand-Baluns,
11 zeigt die Anpassung und die Transmission eines idealen Multiplexers mit zwei seriell verschalteten Marchand-Baluns,
12 zeigt Transmission und Anpassung eines erfindungsgemäßen Diplexers im Vergleich zu einem bekannten wie in 4 dargestellten Diplexer,
13 zeigt einen mit kaskadierten und seriell verschalteten Baluns ausgebildeten Multiplexer.
1 zeigt einen aus gerichteten Filtern aufgebauten Multiplexer. Die gerichteten Filter haben eine konstante Eingangsimpedanz, vorausgesetzt dass ihre Ausgangstore mit geeigneter Impedanz abgeschlossen sind. Die in 1 dargestellte Filterkaskade bildet einen Multiplexer, der gemäß der Theorie Wechselwirkungen zwischen den Filtern vermeidet. Ein am Eingang INPUT angelegtes Signal, welches Frequenzanteile f_a, f_b, f_c, f_d und f_e aufweist, wird über vier in Serie geschaltete gerichtete Filter geleitet, wobei in jeder Filterstufe einer der Frequenzanteile f_a bis f_d ausgekoppelt wird. Am Ende der Serienschaltung wird die Frequenzkomponente f_e erhalten, die nicht in den Vorstufen ausgekoppelt wurde. Jedes der Filter weist einen passenden Abschluss zum jeweiligen Nachbarn auf, so dass sich in der Theorie kein parasitäres Stehwellenverhältnis ausbildet, was bedeutet, dass das System in der Theorie reflexionsfrei arbeitet.
In der Realität wird jedoch ein parasitisches Stehwellenverhältnis beobachtet, welches das System wesentlich beeinflusst, wenn mehrere Filter kaskadiert werden.
2 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen gerichteten Filters. Es werden Hybride benutzt, die die Phase an den verschiedenen Ausgängen um 0° und um 90° drehen. Dabei ist alles so eingestellt, dass sich die vom Bandpassfilter reflektierte Wellen gegenphasig sind und sich gegenseitig auslöschen und daher verschwinden (an Node 1). Das Bandpassfilter ist durchlässig für Frequenzen im fa Band. Die anderen Frequenzen, die vom Bandpassfilter reflektiert sind, laufen durch Node 2, weil sie dort gleichphasig sind. An der Node 3 existiert kein Signal, da die Wellen vom fa Band gegenphasig sind. Die Node 4 ist der Ausgang für Frequenzen vom fa Band, weil die Wellenanteile dort gleichphasig sind.
3 zeigt einen Entkopplungstechniken nutzenden Multiplexer mit an sich bekannter Serienverschaltung (3A) beziehungsweise mit Shunt-Verbindung (3B). Dieser Multiplexer setzt voraus, dass die Kanäle schmalbandig sind (weniger als ein Prozent) und durch so genannte Guard-Bänder voneinander getrennt sind, die zumindest eine Breite vom mehrfachen der Passbandbreite der Einzelfilter aufweisen. Der Multiplexer von 3 ist aus Lumped-Elements aufgebaut. Die Entkopplung zwischen den Einzelfiltern wird in diesem Fall durch einen Entkopplungsresonator erreicht, der neben jedem Filter angeordnet ist. Jede der Entkopplungsresonatoren ist auf die Mittelfrequenz des jeweiligen Passbands des zugehörigen Filters getrimmt. Außerhalb der Resonanz haben die Entkopplungsresonatoren nur einen geringen Einfluss auf die Transmission. Im Resonanzfall bilden die Entkopplungsresonatoren einen Kurzschluss aus, so dass die gesamte Energie des Signals in das jeweilige Filter geleitet werden kann.
Neben dem Aufbau aus Lumped-Elements können die individuellen Passbandfilter auch als Transmission Line Filter, Wellenleiter oder als Semi-Lumped-Element-Ausführung ausgebildet werden.
4 zeigt einen an sich bekannten Multiplexer mit angrenzenden Passbändern. Benachbarte Kanäle haben ein Dämpfungsverhalten, welches sich oberhalb des 3 dB-Punktes schneidet. Die meisten bekannten Diplexer sind solche einfache Zweikanalausführungen dieses an sich bekannten Multiplexers. Die einzelnen Kanäle sind parallel (4A) beziehungsweise seriell verschaltet (4B), wobei ein Netzwerk die jeweilige Suszeptanz beziehungsweise Recktanz annulliert, um eine annähernd konstante Input-Admittanz beziehungsweise Input-Impedanz zu erzielen. Im seriellen Fall sind die einzelnen Filter so zu konstruieren, dass ihre Eingangs-Konduktanz (Eingangs-Widerstand) gleich oder nahe Null im jeweils benachbarten Band ist, so dass sie sich gegenseitig in ihren Eigenschaften nicht beeinflussen. Für den Parallel Fall sollte die Eingangsimpedanz im jeweils benachbarten Band unendlich sein. Für einen solchen Multiplexer ist es jedoch problematisch, die genannten Anforderungen an den Einzelfilter zu erfüllen.
5 zeigt einen an sich bekannten Multiplexer, der auf einem Power Divider basiert. Mit einem solchen Power Divider wird eine Vielzahl von Ausgangskanälen frequenzunabhängig generiert. Mit Phasenschiebern und einer Butlermatrix werden die Einzelkanäle kohärent kombiniert und entsprechend ihrer Frequenz selektiv auf die verschiedenen Ausgangstore geleitet. Der größte Nachteil dieses Multiplexers liegt dabei in der Komplexität seiner Struktur.
6 zeigt einen an sich bekannten Multiplexer, der aus gekoppelten Filtern aufgebaut ist. Auch dieser kann aneinandergrenzende Kanäle aufweisen. Eine einzelne aus gerichteten Filtern aufgebaute Multiplexerstruktur wird genutzt, aneinandergrenzende Kanäle zu kombinieren.
Voraussetzung für die entsprechende Kopplung ist, dass die jeweiligen Bänder der Einzelkanäle einander überschneiden. Die resultierende Wechselwirkung zwischen der Übertragungscharakteristik eines Kanals und der Reflexionscharakteristik des benachbarten Kanals ergibt eine Gesamttransmission für jeden Kanal, wobei sich jedoch auch die Verluste addieren.
7A zeigt einen erfindungsgemäßen Multiplexer, der einen Balun B zur Trennung der Kanäle ausnutzt. Am Signaleingang IN des Baluns B kann ein unsymmetrisches (single-ended) Signal angelegt werden, welches Frequenzanteile zweier Kanäle umfasst. An den Signalausgängen SA, SA' des Baluns wird diese Signal frequenzunabhängig in zwei symmetrische Signale aufgespalten, die zueinander eine Phasendifferenz von 180 Grad bei idealerweise identischer Amplitude aufweisen. Die mit dem jeweiligen Signalausgang SA, SA' verbundenen HF Filter F1 und F2 koppeln selektiv den jeweiligen Frequenzanteil innerhalb ihres Durchlassbereichs aus und leiten diese auf den jeweiligen Ausgang OUT1 beziehungsweise OUT2 um. Damit der jeweilige Frequenzanteil innerhalb des Durchlassbereichs des jeweiligen Filters vollständig ausgeleitet werden kann, weist das jeweilige Filter, zum Beispiel das erste Filter F1, im Durchlassbereich des zweiten Filters F2 eine Eingangsimpedanz nahe oder gleich Null auf, während es im eigenen Durchlassbereich eine von Null verschiedene Eingangsimpedanz besitzt. Gleiches gilt für das zweite Filter F2, welches im Durchlassbereich des Filters 1 eine Eingangsimpedanz nahe oder gleich Null aufweist, im eigenen Durchlassbereich jedoch eine davon verschiedene Eingangsimpedanz.
7B veranschaulicht die Wirkungsweise des Multiplexers, die sich mit den Eigenschaften des Baluns erklären lassen. Am Signaleingang IN des Baluns B wird ein Eingangssignal einer Leistung P0 größer Null angelegt. Im Balun B wird dieses Signal in zwei Signalanteile aufgespalten, die zueinander symmetrisch sind und üblicherweise die gleiche Amplitude aufweisen. Wird nun jedoch nun ein erster Signalausgang SA1 kurzgeschlossen, so dass seine Abschlussimpedanz Z1 gleich Null ist, so fließt die volle Signalleistung über den zweiten Signalausgang SA2 ab, deren Abschlussimpedanz Z2 größer Null ist. Dementsprechend ist auch die Leistung am zweiten Signalausgang P2 gleich P0, sofern die Verluste im Balun vernachlässigt werden.
Mithilfe zweier Filter F1, F2, die diese Impedanzbedingung erfüllen (Kurzschluss bei Frequenzen im jeweils anderen Frequenzband), wird ein funktionsfähiger Multiplexer gemäß 7A erhalten.
8 zeigt eine spezielle Ausgestaltung eines Multiplexers, bei dem der Balun als Marchand-Balun mit gekoppelten Transmissionsleitungsabschnitten ausgebildet ist. An den Signaleingang IN des Baluns ist ein erster Abschnitt TA₁₁ einer Transmissionsleitung und an diesen ein zweiter Abschnitt TA₁₂ einer Transmissionsleitung angebunden. Beide Abschnitte koppeln mit jeweils einem weiteren Abschnitt einer Transmissionsleitung TA₂₁, TA₂₂ die einseitig jeweils mit Masse verbunden sind. Durch Spiegelung einer der Transmissionsleitungen beziehungsweise entgegen gerichtete Signalführung werden an den beiden Signalausgängen SA1, SA2 des Baluns zwei zueinander symmetrische Ausgangssignale erhalten. Erfindungsgemäß sind nun die beiden Signalausgänge mit je einem Filter F1, F2 verbunden. Diese beiden Filter F1, F2 erfüllen die oben genannten Impedanzbedingungen, so dass Signale mit einer Frequenz, die im Durchlassbereich des ersten Filters F1 liegt, ausschließlich am Ausgang OUT1 des ersten Filters anliegt, während ein Signal einer Frequenz, die im Durchlassbereich des zweiten Filters F2 liegt, ausschließlich am Ausgang OUT2 des zweiten Filters F2 anliegt.
9 zeigt eine Anordnung kaskadierter Baluns, bei der ein Vorstufenbalun V1 einer ersten Kaskadenstufe an den Ausgängen jeweils entweder mit einem erfindungsgemäßen Balun oder mit einem weiteren Vorstufenbalun V21, V22 der zweiten Kaskadenstufe verbunden ist. Die im linken Teilbereich der Figur dargestellte Teilstruktur des kaskadierten Multiplexers weist insgesamt vier Signalausgänge auf, die jeweils mit einem HF-Filter verbunden werden könnten. An diese Struktur können sich jedoch auch weitere Kaskadenstufe anschließen, die entsprechende Vorstufenbaluns umfassen. Die letzte Stufe (Endstufe) der Kaskade umfasst Baluns, die in Serie zu den Signalausgängen der Vorstufenbaluns geschaltet sind. Insgesamt kann so eine Kaskade aus m-Kaskadenstufen mit Vorstufenbaluns erhalten werden, an deren Signalausgänge jeweils ein (Endstufen-)Balun B_(m+1)1 bis B_(m+1)n angeschlossen wird. Die Stufe mit den mit Filtern verschalteten (Endstufen) Baluns sind bei dieser Stufenzählung (m Stufen) hier definitionsgemäß nicht erfasst.
Ein kaskadenförmig aufgebauter Multiplexer umfasst also m-Stufen von Vorstufenbaluns, an deren Signalausgängen jeweils ein wie in 7A dargestellter Diplexer als Endstufe angebunden ist. Allgemein werden in einem erfindungsgemäßen Multiplexer mit m-Stufen von Vorstufenbaluns 2m + 2 = k Kanäle erhalten. m ist dabei eine Null umfassende ganze Zahl, wobei für m = 0 der bereits beschriebene Diplexer erhalten wird.
10 zeigt einen höheren Multiplexer, der durch Serienverschaltung von gemäß 8 ausgebildeter Marchand-Baluns B erhalten werden kann. Dieser Multiplexer umfasst eine erste Signalleitung, die mit dem Signaleingang IN verbunden ist. Diese Signalleitung umfasst eine geradzahlige Anzahl von Abschnitten TA von Transmissionsleitungen, die hintereinander in Serie geschaltet sind. Mit jedem ersten Abschnitt von Transmissionsleitungen sind weitere Abschnitte einer Transmissionsleitung gekoppelt, wobei je zwei benachbarte Paare von erstem und zweitem Abschnitt von gekoppelten Transmissionsleitungen CTL einen Marchand-Balun B ergeben. An allen Signalausgängen der in Serie geschalteten Baluns B₁, B₂, B_K/2 ist je ein HF-Filter F₁ bis F_k geschaltet, an deren Ausgängen OUT₁–OUT_k wiederum die dem Durchlassbereich des HF-Filters entsprechende Signalanteile anliegen.
11 zeigt die Transmissionskurven und die Anpassung eines aus seriell verschalteten Marchand-Baluns erhaltenen erfindungsgemäßen Multiplexer mit hier k = 4 Kanälen K1–K4.
Es zeigt sich, dass die Kanäle eine hohe Frequenzselektivität aufweisen und im Bereich der Kanalbandbreite beziehungsweise im Durchlassbereich gut angepasst sind. Verglichen mit einem Multiplexer, der wie in 1 dargestellt aus gerichteten Filtern aufgebaut ist, weist ein erfindungsgemäßer Multiplexer eine sehr einfache Struktur auf. Gegenüber einem Multiplexer mit Entkopplungstechnik weist er eine hohe Bandbreite auf. Gegenüber einem bekannten wie in 6 dargestellten Multiplexer mit angrenzenden Kanälen hat der erfindungsgemäße Multiplexer den Vorteil, dass er eine gemeinsame Masseanbindung nutzen kann. Gegenüber einem Multiplexer mit einem Power Divider verursacht der erfindungsgemäße Multiplexer weniger Verluste, da er weniger Verlust behaftete Elemente aufweist. Im Vergleich zu einem Multiplexer mit entkoppelten Filtern wird im erfindungsgemäßen Multiplexer vermieden, dass das Signal durch die Gesamtzahl der miteinander verkoppelten Strukturen geleitet werden muss, was in einer verbesserten Performance resultiert.
In 12 ist im direkten Vergleich ein herkömmlicher wie in 4A parallel verschalteter Diplexer mit einem erfindungsgemäßen einen Balun nutzenden Diplexer verglichen. Im bekannten und im erfindungsgemäßen Diplexer sind die gleichen Bandpassfilter F1 und F2 verwendet. Darüber hinaus ist in der 12 die Anpassung des bekannten und des erfindungsgemäßen Multiplexers (Diplexers) dargestellt. Auf den ersten Blick zeigt sich, dass der erfindungsgemäße Diplexer eine wesentlich verbesserte Anpassung im Bereich der beiden Kanäle aufweist. Dies ist allein darin begründet, dass es wesentlich einfacher ist, ein Filter auf null Ohm Eingangsimpedanz anzupassen als eines auf unendlich hohe Eingangsimpedanz. Es zeigt sich, dass beide Filter im erfindungsgemäßen Diplexer gut angepasst sind und wenig Reflexionen auftreten. Außerdem sind hier die Transmissionskurven für die beiden Kanäle beim erfindungsgemäßen Diplexer steiler ausgebildet als diejenigen des bekannten Diplexers. Auch die Selektion im Bereich oberhalb und unterhalb des Passbandes ist verbessert.
13 zeigt eine weitere Möglichkeit, einen Multiplexer für mehr als zwei Kanäle aus einer Mischform aus kaskadierten Baluns und seriell verschalteten, gekoppelten Transmissionsleitungen aufzubauen. Ausgehend von zwei seriell verschalteten Marchand Baluns B1, B2 sind hier die beiden Ausgänge des ersten Marchand Baluns B1 mit je zumindest einer Stufe weiterer Baluns B3, B4 kaskadiert. Je Kaskadenstufe ergibt sich dabei eine Verdopplung der Kanäle. An einen jeden der vier Ausgänge der kaskadierten Baluns B3, B4 ist ein Bandpassfilter F1–F4 angeschlossen, hinter dem dann der Ausgang des entsprechenden Kanals ist. Entsprechende Bandpassfilter F5, F6 sind mit den Ausgängen des zweiten Marchand Baluns B2 verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Multiplexer beschränkt. Ein erfindungsgemäßer Multiplexer ist allein durch die Ansprüche definiert und kann eine nahezu beliebige Anzahl von Kanälen bedienen.
Bezugszeichenliste

B1

erster Balun

IN

unsymmetrischer Signaleingang des Balun

SA

Signalausgang des Balun

F

HF Filter, erstes und zweites

B2

zweiter Balun

F

HF Filter, drittes und viertes

V

Vorstufenbalun

TA1

1. Abschnitte von Transmissionleitungen

TA2

2. Abschnitte von Transmissionleitungen

CTL

Koppelpaar

OUT

Ausgang eines HF Filters

Claims

Multiplexer für HF Signale, – mit einem ersten Balun (B), der einen unsymmetrischen Signaleingang (IN) und zwei zueinander symmetrische Signalausgänge (SA) aufweist, – mit einem ersten und einem zweiten HF Filter (F), die mit je einem der Signalausgänge in Serie verschaltet sind, – bei dem das erste HF Filter (F1) einen ersten und das zweite HF Filter (F2) einen zweiten Durchlassbereich aufweist – bei dem jedes Filter (F1, F2) im Durchlassbereich des jeweils anderen Filters eine Eingangsimpedanz nahe oder gleich Null und im eigenen Durchlassbereich eine davon verschiedene höhere Impedanz aufweist, – bei dem die Ausgangstore der zwei HF Filter je einem Kanal zugeordnet sind.
Multiplexer nach Anspruch 1, – bei dem der Balun (B) eine Bandbreite aufweist – bei dem die beiden Kanäle und die Durchlassbereiche der beiden HF Filter (F1, F2) innerhalb der Bandbreite des Baluns (B) liegen.
Multiplexer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Balun (B) gekoppelte Transmissionlines, LC Elemente, Lumped-Elements, lefthanded-righthanded Transmissionlines oder verkürzte Koppelleitungen umfasst, oder ein Semi-lumped semi Transmission Line Balun ist.
Multiplexer nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem das erste oder das zweite Filter (F1, F2) ein Bandpassfilter ist.
Multiplexer nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem eines der Filter (F1, F2) ein Hochpass oder ein Tiefpass ist.
Multiplexer nach einem der Ansprüche 1–5, – bei dem ein zweiter Balun (B2) vorgesehen ist, – mit einem dritten und einem vierten HF Filter (F3, F4), die mit je einem der Signalausgänge (SA) des zweiten Balun in Serie verschaltet sind, – bei dem die Signaleingänge des ersten und des zweiten Baluns mit den symmetrischen Signalausgängen eines Vorstufenbaluns (V) verbunden sind, – bei dem jedes der vier HF Filter einem Kanal zugeordnet ist, – bei dem jedes der vier HF Filter im Durchlassbereich der anderen HF Filter eine Impedanz nahe oder gleich Null und im eigenen Durchlassbereich eine davon verschiedene höhere Impedanz aufweist.
Multiplexer nach Anspruch 6, – aufweisend eine m stufige Kaskade von Vorstufenbaluns (V), – bei dem der Signaleingang eines jeden Vorstufenbaluns einer n-ten Stufe mit einer single-ended Signalquelle (IN) oder dem Signalausgang eines anderen Vorstufenbaluns der (n – 1)-ten Stufe verbunden ist, – bei dem die symmetrischen Signalausgänge des oder der Vorstufenbaluns der m-ten Stufe in Serie mit je einem Balun (B) und deren Signalausgänge (SA) in Serie mit je einem HF Filter (F) geschaltet sind – bei dem n und m ganze Zahlen sind mit 0 < n ≤ m und m ≥ 2.
Multiplexer nach einem der Ansprüche 1–5, – aufweisend eine aus einer Anzahl erster Abschnitte (TA1) einer Transmissionleitung zusammengesetzte Signalleitung – mit einer entsprechenden Anzahl zweiter Abschnitte (TA2) von Transmissionsleitungen, die mit je einem der ersten Abschnitte (TA1) gekoppelt sind, – wobei je ein gekoppelter erster und zweiter Abschnitt ein Koppelpaar (CTL) ausbilden – wobei je zwei Koppelpaare (CTL) einen Balun (B) ausbilden, dessen symmetrische Signalausgänge (SA) mit je einem HF Filter (F) in Serie geschaltet sind, – bei dem jedes der HF Filter im Durchlassbereich der anderen HF Filter eine Impedanz nahe oder gleich Null und im eigenen Durchlassbereich eine davon verschiedene höhere Impedanz aufweist.
Multiplexer nach Anspruch 8, bei dem abweichend von der Anordnung nach Anspruch 8 ein einzelner der symmetrischen Signalausgänge (SA) gegen Masse kurzgeschlossen ist.