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Die
Erfindung betrifft eine Diplexerschaltung – zum Beispiel zur Verwendung
in Frontendmodulen mobiler Kommunikationsgeräte – mit Balun-Funktionalität welche
möglichst
einfach aufgebaut ist und wenige Komponenten umfasst.
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Diplexer
sind Frequenzweichen. Sie trennen Signale unterschiedlicher Frequenzbänder, welche
in einer Signalleitung propagieren, und verteilen diese Signale
frequenzabhängig
auf mindestens zwei Signalausgänge
bzw. mit den Signalausgängen
verschaltete Signalpfade. Alternativ können Frequenzweichen auch Signale
unterschiedlicher Frequenzbänder,
welche in mehreren Eingängen
der Frequenzweiche eingehen, in einen Ausgang der Frequenzweiche
zusammenführen.
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Balun-Schaltungen
(auch bezeichnet als „balanced-unbalanced” Konverter
oder Symmetrier-Anpassschaltung) führen asymmetrisch geführte Signale
in symmetrisch geführte
Signale über
oder führen
umgekehrt symmetrisch geführte
Signale in asymmetrisch geführte
Signale über.
Mit anderen Worten: Eine Balun-Schaltung ist eine Schaltung, welche
Signale zwischen symmetrischer und asymmetrischer Signalführung konvertiert.
Antennen eines mobilen Kommunikationsgeräts beispielsweise sind in der
Regel mit einem „asymmetrisch” geführten Signalausgang
verbunden. Das heißt,
das Signal, das von der Antenne bereitgestellt wird, hat das Massepotenzial
des Geräts
als Referenzpotenzial. Um Gleichtaktstörungen bei der Weiterverarbeitung von
HF-Signalen zu unterdrücken,
bietet es sich an, die Signale als so genannte „symmetrisch” geführte Signale
zu leiten. Symmetrisch geführte
Signale propagieren dabei in zwei Signalleitungen, wobei zwischen
den Signalen beider Signalleitungen eine Phasendifferenz von idealerweise
180 Grad besteht. Störungen,
die sich auf beide Signalleitungen gemeinsam additiv auswirken,
können
leicht eliminiert werden, indem das HF-Signal der einen Signalleitung vom
HF-Signal der anderen Signalleitungen subtrahiert wird.
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Bisherige
Diplexerschaltungen – zum
Beispiel solche, die zwischen Transceiverchips und Antennen eines
mobilen Kommunikationsgeräts
verschaltet sind – verwenden
häufig
Halbleiterschalter, um bestimmte Signalpfade, je nach Frequenz der
betreffenden Signale, mit entsprechenden Antennen zu verschalten.
Der Schaltaufwand ist nötig,
da i. A. die Konfiguration einer bestimmten Antenne nur zum Senden
und Empfangen bestimmter Frequenzen optimal angepasst ist. Ferner
existieren i. A. in einem Transceiverchip Schaltungen zur Verarbeitung
von HF-Signalen parallel, welche jeweils für bestimmte Frequenzen optimal
angepasst sind. Die Halbleiterschalter werden also genutzt, um jeweils
die optimale Kombination aus Antenne und Port eines Transceiverchips
miteinander zu verschalten, wobei in den entsprechenden mit dem
Port verbundenen Signalpfaden auch an die jeweiligen Frequenzen
angepasste Filterschaltungen vorgesehen sind.
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Halbleiterschalter,
zum Beispiel Transistoren, sind elektronische Bauelemente mit nichtlinearen
Arbeitsbereichen. Das heißt,
dass sie unerwünschte
Intermodulationsprodukte von HF-Signalen produzieren können. Solche
Intermodulationsprodukte entstehen dann durch „Mischen”, d. h. Multiplizieren verschiedener
Frequenzen und enthalten i. A. störende Frequenzen, welche innerhalb
der jeweiligen Sende- oder Frequenzbänder liegen können. Solche
störenden
Intermodulationsprodukte können dann
nicht über
Frequenzfilter eliminiert werden.
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Ferner
ist es i. A. notwendig, zusätzliche
Balun-Schaltungen in einem entsprechenden Frontendmodul zu verschalten,
um die gewünschte
Konversion zwischen symmetrisch und asymmetrisch geführten Signalen
zu erhalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Diplexerschaltung
anzugeben, welche eine intrinsische Balun-Funktionalität umfasst, welche möglichst
einfach und aus wenigen Komponenten aufgebaut ist und welche eine
geringe Einfügedämpfung in
denjenigen Frequenzbereichen aufweist, in welchen Signale übertragen
(z. B. gesendet oder empfangen) werden sollen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Diplexerschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung umfasst einen ersten asymmetrisch geführten Port zur Übertragung
eines asymmetrisch geführten
Signals in einem ersten Frequenzband. Sie umfasst weiter einen zweiten
asymmetrisch geführten
Port zur Übertragung
eines asymmetrisch geführten
Signals in einem zweiten Frequenzband. Das zweite Frequenzband ist
verschieden vom ersten Frequenzband. Weiterhin umfasst die Diplexerschaltung
einen ersten Anschluss eines symmetrisch geführten Ports zur Übertragung
einer ersten Komponente eines symmetrisch geführten Signals im ersten oder
im zweiten Frequenzband. Ein zweiter Anschluss des symmetrisch geführten Ports dient
zur Übertragung
der zweiten Komponente des symmetrisch geführten Signals im ersten oder
im zweiten Frequenzband. Ein erstes Filter, welches in der Diplexerschaltung
verschaltet ist und welches eine Balun-Funktionalität aufweist,
verschaltet den ersten asymmetrisch geführten Port mit dem ersten Anschluss
und mit dem zweiten Anschluss. Ein zweites Filter mit Balun-Funktionalität verschaltet
den zweiten asymmetrisch geführten
Signalport mit dem ersten Anschluss und mit dem zweiten Anschluss.
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Dabei
ist es bevorzugt, dass jedes der Filter einen asymmetrisch betriebenen
Anschluss und zwei symmetrisch betriebene Anschlüsse aufweist. Jeder asymmetrisch
geführte
Port ist dann mit dem asymmetrisch betriebenen Anschluss je eines
der Filter verschaltet, während
die symmetrisch betriebenen Anschlüsse der Filter mit den Anschlüssen des
symmetrisch geführten
Ports verschaltet sind.
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Eine
derartige Verschaltung aus Ports (Signalein- oder -ausgängen) und
Filtern mit Balun-Funktionalität
stellt einen Diplexer dar, welcher eine intrinsische Balun-Funktionalität aufweist.
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Beispielsweise
kann eine solche Diplexerschaltung über den ersten Anschluss und
den zweiten Anschluss des symmetrisch geführten Ports mit einem Transceiverchip
verschaltet sein. Der erste asymmetrisch geführte Port kann mit einer ersten
Antenne verschaltet sein; der zweite asymmetrisch geführte Port
kann mit einer zweiten Antenne verschaltet sein. Ist der Transceiverchip
in der Lage, HF-Signale, welche vom symmetrisch geführten Port
der Diplexerschaltung geliefert oder empfangen werden, zu bearbeiten,
wobei die Signale in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen (diese aber nahe
genug beieinander liegen), so erhält man die Möglichkeit,
ein mobiles Kommunikationsgerät
in einem zusätzlichen Band
zu betreiben, wobei die Möglichkeit
der Entstehung von Intermodulationsprodukten oder anderen Störungen durch
Halbleiterschalter verringert ist. Ferner werden auch die Kosten
der Halbleiterschalter eingespart.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Diplexerschaltung
weiter ein erstes induktives Element, welches zwischen dem ersten
Anschluss und dem ersten Filter verschaltet ist, ein zweites induktives
Element, welches zwischen dem zweiten Anschluss und dem zweiten
Filter verschaltet ist, sowie ein drittes induktives Element, welches zwischen
elektrischen Verbindungen, welche das erste Filter mit dem ersten
Anschluss und das zweite Filter mit dem zweiten Anschluss verschalten,
verschaltet ist. Die Verschaltung des ersten, zweiten und dritten
induktiven Elements bewirkt auf einfache Weise – durch Festlegen geeigneter
Induktivitäten,
die von konkreten Schaltungsdetails abhängen – eine Impedanzanpassung zwischen
dem symmetrisch geführten
Port und den Filtern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
liegt die Induktivität
des ersten induktiven Elements innerhalb des Intervalls 0 nH < L <= 30 nH, liegt die
Induktivität
L des zweiten induktiven Elements innerhalb des Intervalls 0 nH < L <= 30 nH und liegt
die Induktivität
L des dritten induktiven Elements innerhalb des Intervalls 0 nH < L <= 47 nH.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Diplexerschaltung umfasst ein viertes induktives Element, welches
den ersten Anschluss mit einem dritten Port verschaltet, ein fünftes induktives
Element, welches den zweiten Anschluss mit dem dritten Port verschaltet,
und ein kapazitives Element, welches den dritten Port mit Masse
verschaltet.
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Dabei
kann die Induktivität
L des vierten induktiven Elements innerhalb des Intervalls 30 nH <= L <= 150 nH liegen;
die Induktivität
L des fünften
induktiven Elements kann innerhalb des Intervalls 30 nH <= L <= 150 nH liegen
und die Kapazität
C des kapazitiven Elements kann innerhalb des Intervalls 0 pF < C <= 57 pF liegen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Induktivität
L des ersten induktiven Elements 5 nH, die Induktivität L des
zweiten induktiven Elements 5 nH, die Induktivität L des dritten induktiven Elements
18 nH, die Induktivität
L des vierten induktiven Elements 100 nH, die Induktivität L des
fünften induktiven
Elements ebenfalls 100 nH sowie die Kapazität C des kapazitiven Elements
10 pF.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Diplexerschaltung ist der dritte Port eine Gleichstromquelle,
zum Beispiel für
Leistungsverstärker
oder für rauscharme
Signalverstärker
eines Transceiverchips. Der Transceiverchip, welcher am symmetrisch geführten Signalport über induktive
Elemente mit dem dritten Port verschaltet ist, kann über diesen Port
mit elektrischer Leistung versorgt werden, so dass die Notwendigkeit
für eine
zusätzliche
Versorgungsleitung für
den Transceiverchip entfällt,
was wiederum Platz einspart und die Komplexität der Schaltung verringert.
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In
einer Ausführungsform
der Diplexerschaltung sind die beiden Anschlüsse des symmetrisch geführten Ports
mit einem Transceiverchip eines mobilen Kommunikationsgerät verschaltet,
während
die asymmetrisch geführten
Ports jeweils mit einem Element, das ausgewählt aus: Einem Antennenschalter eines
mobilen Kommunikationsgeräts
und einem Leistungsverstärker
eines mobilen Kommunikationsgeräts,
verschaltet sind.
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Das
erste und das zweite Frequenzband können unabhängig voneinander ausgewählt sein aus
Frequenzbändern
des 1 GHz Bands und aus Frequenzbändern des 2 GHz Bands.
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In
einer Ausführungsform
der Diplexerschaltung bezeichnet das erste Frequenzband Frequenzen
zwischen 1710 MHz und 1755 MHz, und das zweite Frequenzband Frequenzen
zwischen 1850 MHz und 1910 MHz.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Diplexerschaltung umfasst diese
ausschließlich
passive Schaltungskomponenten. Dadurch wird effektiv die Bildung
von Intermodulationsprodukten zu einem hohen Grad unterdrückt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Diplexerschaltung als erstes
und als zweites Filter solche Filter, welche unabhängig voneinander
ausgewählt
sind aus: Hochpassfilter, Tiefpassfilter und Bandpassfilter.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung finden als erstes oder als zweites Filter
solche Filter Verwendung, welche mit akustischen Volumenwellen oder
mit akustischen Oberflächenwellen
arbeiten. Es ist möglich,
dass alle Filter mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten; es ist genauso
möglich,
dass alle Filter mit akustischen Volumenwellen arbeiten und es ist
genauso möglich, dass
mindestens ein Filter mit akustischen Volumenwellen arbeitet während mindestens
ein weiteres Filter mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Diplexerschaltung ein induktives Element oder ein kapazitives
Element, welches als strukturierte Metallisierung in Metallisierungsebenen
eines Mehrlagensubstrats ausgebildet ist. So bilden beispielsweise
metallisierte Flächen,
die parallel übereinander angeordnet
sind und die von einer isolierenden Schicht getrennt sind, ein kapazitives
Element. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst das Mehrlagensubstrat
HTCC (High Temperature Cofired Ceramics), LTCC (Low Temperature
Cofired Ceramics) oder Laminat.
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Die
in der Diplexerschaltung verschalteten Impedanzelemente oder Filter
können
bezüglich
der Anschlüsse
des symmetrisch geführten
Ports in Bezug auf ihre Reaktanzen symmetrisch ausgestaltet sein.
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Im
Folgenden wird die Diplexerschaltung anhand von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren sind schematisch und geben keinen Hinweis auf die tatsächliche Anordnung
der Schaltungselemente.
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Es
zeigen:
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1:
Eine einfache Ausführungsform
der Diplexerschaltung DC mit einem symmetrisch geführtem Signalport,
mit zwei unsymmetrisch geführten
Signalports sowie mit zwei Filtern,
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2:
Die Diplexerschaltung der 1, in der
induktive Elemente verschaltet sind,
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3:
Die Diplexerschaltung der 2, in der
zusätzliche
induktive und kapazitive Elemente verschaltet sind, und
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4:
Den schematischen Aufbau einer möglichen
Front-End-Schaltung
FEC, in der zwei erfindungsgemäße Diplexerschaltungen
DC einmal in Sendesignalpfaden Tx und einmal in Empfangssignalpfaden
Rx mit einem Transceiverchip Tc verschaltet sind.
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1 zeigt
eine einfache Ausgestaltungsform der Diplexerschaltung, in der zwei
Filter F1, F2 mit jeweils einem asymmetrisch geführten Port (UP1, UP2) verschaltet
sind. Jedes der beiden Filter F1, F2 ist zusätzlich mit jedem der Anschlüsse des
symmetrisch geführten
Ports BP, nämlich
N1 und N2, verschaltet. Jedes der Filter F1 und F2 umfasst Balun-Funktionalität. Das bedeutet,
jedes der Filter F1 und F2, welches mit beiden Anschlüssen N1,
N2 des symmetrisch geführten
Signalports BP verschaltet ist, kann Signale, die vom symmetrisch
geführten
Signalport kommen, in asymmetrisch geführte Signal konvertieren und
an den jeweiligen asymmetrisch geführten Port UP1 oder UP2 weitergeben.
Umgekehrt kann jedes der Filter F1 oder F2 asymmetrisch geführte Signale,
die von den asymmetrisch geführten Ports
UP1 und UP2 empfangen werden, in symmetrisch geführte Signale konvertieren und
an die entsprechenden Anschlüsse
des symmetrisch geführten Ports
BP weiterleiten.
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2 illustriert
eine Weiterbildung der Diplexerschaltung, die in 1 gezeigt
ist, wobei zwischen den beiden Anschlüssen N1, N2 des symmetrisch
geführten
Signalports BP ein drittes induktives Element IE3 verschaltet ist.
In der Signalleitung, die den ersten Anschluss N1 mit den Filtern
F1, F2 verschaltet, ist ein erstes induktives Element IE1 verschaltet.
In der Signalleitung, die den Anschluss N2 des symmetrisch geführten Ports
mit den Filtern F1 und F2 verschaltet, ist ein zweites induktives
Element IE2 verschaltet. Die induktiven Elemente IE1, IE2 und IE3
dienen dazu, die Impedanz des balanced geführten Signalports an die Impedanz der
Filter F1, F2 anzupassen. Ist der balanced geführte Signalport BP mit einer
weiteren Schaltung, zum Beispiel einem Transceiverchip, verschaltet,
so dienen die induktiven Elemente IE1, IE2 und IE3 dazu, die Impedanz dieser
Schaltung an die Impedanz der Filter F1 und F2 anzupassen.
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3 zeigt
eine Weiterbildung der in 2 gezeigten
Schaltung, in der ein weiterer Port PP3 über ein weiteres viertes induktives
Element IE4 mit der Signalleitung verschaltet ist, welche den Anschluss
N1 mit den Filtern F1 und F2 verschaltet, während der Port PP3 über ein
weiteres fünftes
induktives Element IE5 mit derjenigen Signalleitung verschaltet
ist, welche den Anschluss N2 des balanced geführten Signalports mit den Filtern
F1 und F2 verschaltet. Der Port PP3 selbst ist über ein kapazitives Element
CE mit Masse GND verschaltet. Über den
in 3 gezeigten Port PP3 kann eine Schaltung, welche
mit den Anschlüssen
N1 und N2 des symmetrisch geführten
Signalports verschaltet ist, mit elektrischer Leistung, insbesondere
in Form eines Gleichstroms, versorgt werden. Hochfrequente Störsignale,
welche ein Stromsignal umfassen, das über den Port PP3 eingekoppelt
wird, können über das
kapazitive Element störungsmindernd
nach Masse abgeleitet werden.
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4 zeigt
schematisch eine Verwendung der Diplexerschaltung in einer Front-End-Schaltung FEC,
beispielsweise eines mobilen Kommunikationsgeräts. Ein Transceiverchip TC
ist über
Bandpassfilter BPF mit einem Sendesignalpfad Tx4 verschaltet und
mit einem weiteren Bandpassfilter mit einem Sendesignalpfad Tx3
verschaltet. Liegen die Frequenzen der Signale, die in den Sendesignalpfaden Tx3
und Tx4 propagieren, deutlich auseinander, so ist in der Regel der
Transceiverchip mit Komponenten auszustatten, welche die Signale der
Signalpfade Tx3 und Tx4 unabhängig
voneinander verarbeiten können.
Das heißt,
in der Regel sind die entsprechenden Komponenten im Transceiverchip
mehrfach vorhanden.
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Liegen
aber die Frequenzen von in verschiedenen Sendesignalpfaden propagierenden
Signalen nahe genug beieinander, sodass sie von denselben elektronischen
Komponenten des Transceiverchips verarbeitet werden können, ohne
dass beide Frequenzen von ein und derselben Antenne bearbeiten werden
können,
so ist in der Regel eine Diplexerschaltung zwischen entsprechenden
Sendesignalpfaden (hier zum Beispiel Tx1 und Tx2) und dem Transceiverchip
TC zu verschalten. Dann nämlich kann
ein weiteres Frequenzband abgedeckt werden, ohne dass der Transceiverchip
speziell einen weiteren Satz elektronischer Komponenten umfassen müsste. Da
Antennen in der Regel mit asymmetrisch geführten Signalen arbeiten während Transceiverchips
vorzugsweise mit symmetrisch geführten
Signalen arbeiten, ist es in der Regel notwendig, entsprechende
Balun-Schaltungen
zwischen Transceiverchip und Antenne zu verschalten. Im vorliegenden Fall
ist gezeigt, wie die Diplexerschaltung DC1 zwischen dem Transceiverchip
TC und den Sendesignalpfaden Tx1 und Tx2 verschaltet ist, um die
symmetrisch geführten
Sendesignale des Transceiverchips in asymmetrisch geführte Signale
für den
Sendesignalpfad Tx1 beziehungsweise den Sendesignalpfad Tx2 zu konvertieren.
Umfasst die Diplexerschaltung DC1 im Sendesignalpfad keine aktiven Komponenten
sondern nur passive Komponenten, so entfällt die Möglichkeit zur Entstehung von
Intermodulationsprodukten durch aktive Schaltungskomponenten.
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Was
in den Sendesignalpfaden Tx1 und Tx2 möglich ist, ist prinzipiell
auch in Empfangssignalpfaden möglich.
Beispielhaft zeigt 4, wie der Transceiverchip TC
auf der Empfangssignalseite über
je ein Bandpassfilter BPF mit einem Empfangssignalpfad Rx4 und einem
Empfangssignalpfad Rx3 verschaltet ist. Im gezeigten Fall ist der
Transceiverchip über
eine weitere Diplexerschaltung DC2 sowohl mit einem asymmetrisch
geführten
Empfangssignalpfad Rx1 als auch mit einem asymmetrisch geführten Empfangssignalpfad
Rx2 verschaltet. Hier dient die Diplexerschaltung DC2 im Empfangssignalpfad
zur Konversion von asymmetrisch geführten Empfangsignalen in den
Empfangssignalpfaden Rx1 und Rx2 in symmetrisch geführte Empfangssignale,
welche von der Diplexerschaltung DC2 an den Transceiverchip TC weitergeleitet
werden.
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Eine
Diplexerschaltung ist nicht auf eins der beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Variationen
welche zum Beispiel noch weitere Filter, Reaktanzelemente, zum Beispiel
induktive, resistive oder kapazitive Reaktanzelemente, oder beliebige Kombinationen
daraus in einem Signalpfad umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
dar.
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Bezugszeichenliste:
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- BP:
- symmetrisch geführter Port
- CE:
- kapazitives Element
- DC, DC1, DC2:
- Diplexerschaltung
- F1:
- erstes Filter
- F2:
- zweites Filter
- IE1:
- erstes induktives
Element
- IE2:
- zweites induktives
Element
- IE3:
- drittes induktives
Element
- IE4:
- viertes induktives
Element
- IE5:
- fünftes induktives Element
- N1:
- erster Anschluss
- N2:
- zweiter Anschluss
- PP3:
- dritter Port
- TC:
- Transceiver-Chip
- UP1:
- erster asymmetrisch
geführter Port
- UP2:
- zweiter asymmetrisch
geführter Port