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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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Aus der
US 2008/0 224 791 A1 sind Balun-Duplexerschaltungen, bei denen funktionale Elemente als Streifenleitungen ausgeführt sind, bekannt.
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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 Signals, 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.
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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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Die Diplexerschaltung umfasst 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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Die Diplexerschaltung umfasst weiter 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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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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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
