DE102012107244B4

DE102012107244B4 - Duplexer mit Phasenschieberschaltung

Info

Publication number: DE102012107244B4
Application number: DE102012107244.2A
Authority: DE
Inventors: Edgar Schmidhammer
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: US20140043113A1; CN103580643B; CN103580643A; DE102012107244A1; US9197186B2

Abstract

Duplexer (DU), umfassend
- einen Antennenport (AP), einen Sendeport (SP) und einen Empfangsport (RP),
- einen 180°-Hybrid (H), verschaltet mit dem Antennenport (AP), dem Sendeport (TP) und dem Empfangsport (RP),
- ein Sendefilter (FTX) in einem Sendesignalpfad zwischen dem Hybrid (H) und dem Sendeport (TP),
- ein Empfangsfilter (FRX) in einem Empfangssignalpfad zwischen dem Hybrid (H) und dem Empfangsport (RP), wobei
- der Empfangssignalpfand zwei parallel geschaltete Leiterabschnitte umfasst und
- zwischen dem Sendeport (TP) und dem Hybrid (H) und/oder zwischen dem Empfangsport (RP) und dem Hybrid (H) ein Anpasselement (ME) verschaltet ist,
- der Hybrid (H) einen ersten, zweiten, dritten und vierten Port umfasst, der erste Port ein Eingangsport ist und eine Phasendifferenz zwischen Ausgangssignalen des zweiten und vierten Ports etwa 180° beträgt,
- der zweite Port und der vierte Port mit dem Empfangsport verschaltet sind,
- der dritte Port mit dem Antennenport verschaltet ist,
- der erste Port mit dem Sendeport verschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft Duplexer, z.B. für mobile Kommunikationsgeräte, die eine Phasenschieberschaltung umfassen, um Impedanzen von Sende- und Empfangssignalpfaden anzupassen.
Duplexer umfassen für gewöhnlich ein Sendefilter in einem Sendesignalpfad und ein Empfangsfilter in einem Empfangssignalpfad. Im Allgemeinen ist es nicht ohne Weiteres möglich, diese beiden Filter direkt mit einem gemeinsamen Anschluss, z.B. einem Antennenanschluss, zu verschalten. Deshalb wird in Duplexern für gewöhnlich eine Anpassschaltung zwischen Sendefilter und Empfangsfilter vorgesehen. Eine Anpassschaltung kann aus einer Phasenschieberschaltung bestehen oder eine solche umfassen. Die Anpassschaltung erhöht die Isolation zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad auf Werte, die vorgegebene Spezifikationen erfüllen.
Aus der US 2010/0148886 A1 beispielsweise ist ein Duplexer mit einer Phasenschieberschaltung als Anpasselement bekannt. Die Phasenschieberschaltung umfasst dabei ein 0°/90° 3dB Hybrid mit vier Anschlüssen. Der erste Anschluss ist mit einer Antenne verschaltet, während der vierte Anschluss mit dem Sendesignalpfad verschaltet ist. Die Anschlüsse zwei und drei sind jeweils mit einer balanced, das heißt erdsymmetrisch, geführten Leitung des Empfangssignalpfades verschaltet.
Aus der DE 10 2008 045 346 A1 sind Duplexerschaltungen bekannt, wobei die Isolation zwischen Sende- und Empfangspfad durch das Vorsehen einer Bandsperre zwischen Empfangsfilter und Antennenanschluss verbessert ist.
Es ist wünschenswert, aus einer großen Anzahl an Duplexern auswählen zu können, um heute oder zukünftig geltende Spezifikationen bezüglich der Isolation einhalten zu können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, alternative Duplexer mit Phasenschieberschaltungen anzugeben. Es ist insbesondere eine Aufgabe, Duplexer mit verbesserter, d.h. erhöhter, Isolation zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Duplexer nach Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben dabei vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Ein diese Aufgaben erfüllender Duplexer umfasst einen Antennenport, einen Sendeport und einen Empfangsport. Der Duplexer umfasst weiter einen Hybrid, der mit dem Antennenport, dem Sendeport und dem Empfangsport verschaltet ist. Der Duplexer umfasst ferner ein Sendefilter in einem Sendesignalpfad zwischen dem Hybrid und dem Sendeport. Ein Empfangsfilter des Duplexers ist in einem Empfangssignalpfad zwischen dem Hybrid und dem Empfangsport verschaltet. Dabei umfasst der Empfangssignalpfad zwei parallel geschaltete Leiterabschnitte. Zwischen dem Sendeport und dem Hybrid und/oder zwischen dem Empfangsport und dem Hybrid ist ein Anpasselement verschaltet.
Der Hybrid und das Anpasselement stellen dabei die Phasenschieberschaltung des Duplexers dar. Ein Hybrid im Sinne der Erfindung kann dabei eine HF-Leistungsteilerschaltung mit vier Anschlüssen sein. Ein Port des Hybrids ferner mit dem Sendeport verschaltet sein. Ein weiterer Port, z. B. ein dritter Port, kann dabei mit einem Antennenpfad des Duplexers verschaltet und dazu vorgesehen sein, empfangene HF-Signale auf einen zweiten Port und einen vierten Port zu verteilen. Zwischen diesen beiden Ausgangssignalen kann dabei eine Phasendifferenz bestehen. Diese beiden Ports zwei und vier können dann mit dem Empfangsport des Duplexers verschaltet sein.
Es wurde herausgefunden, dass das Vorsehen eines Anpasselements in der Phasenschieberschaltung die Isolation des Duplexers drastisch verbessern kann.
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer entsprechend einen Hybrid mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Port. Der erste Port ist ein Eingangsport und kann z.B. mit dem Sendesignalpfad verschaltet sein. Der zweite Port und der vierte Port können Ausgangsport des Hybriden sein, wobei zwischen Ausgangssignalen des zweiten und des vierten Ports eine Phasendifferenz von etwa 90° oder von etwa 180° besteht.
Mit einer solchen einen Hybrid umfassenden Anpassschaltung kann ein so genannter balanced/unbalanced Duplexer erhalten werden. Dabei kann der Empfangssignalport mit dem Hybriden verschaltete balanced geführte Signalleitungen umfassen. balanced geführte Signalleitungen weisen eine deutlich geringere Anfälligkeit gegenüber Gleichtaktstörungen auf. Der Hybrid mit den beiden Ausgangsports zwei und vier stellt dabei eine einfache aber effektive Maßnahme dar, um von einer Antenne stammende, unbalanced geführte HF-Signale auf die beiden balanced geführte Signalleitungen des unbalanced/balanced Duplexers aufzuteilen.
In einer Ausführungsform ist der Empfangssignalpfad entsprechend zur Führung von balanced geführten HF-Signalen vorgesehen.
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer insbesondere zwischen dem Sendeport und dem Sendefilter und/oder zwischen dem Sendefilter und dem Hybrid ein Anpasselement. Das Anpasselement kann das oben genannte Anpasselement oder ein weiteres Anpasselement sein.
Das Anpasselement kann insbesondere eine Streifenleitung oder kapazitive oder induktive Schaltungselemente umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer ein Anpasselement zwischen dem Hybrid und dem Empfangsfilter und/oder zwischen dem Empfangsfilter und dem Empfangsport. Das Anpasselement kann dabei wiederum das eingangs erwähnte Anpasselement oder auch ein zusätzliches Anpasselement sein.
In einer Ausführungsform ist das Anpasselement insbesondere ein kapazitives Element, ein induktives Element oder ein Streifenleiter. Das Anpasselement kann auch eine Verschaltung mit einem kapazitiven Element, einem induktiven Element oder einem Streifenleiter umfassen.
In einer Ausführungsform arbeitet das Sendefilter und/oder das Empfangsfilter mit akustischen Wellen. Insbesondere kommen mit akustischen Oberflächenwellen (SAW = Surface Acoustic Waves), mit akustischen Volumenwellen (BAW = Bulk Acoustic Waves) oder mit geführten akustischen Oberflächenwellen (GBAW = Guided Bulk Acoustic Waves) arbeitende Bauelemente als Filter in Frage.
Es gibt mit akustischen Wellen arbeitende Filter mit intrinsischer Balun (balanced/unbalanced Wandler) Funktionalität. Solche Filter sind beispielsweise so genannte DMS (DMS = Double Mode Surface Acoustic Wave)-Filter. Das Vorsehen eines Hybrids zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit Phasendifferenz macht dabei die Verwendung solcher relativ aufwendiger und deshalb i. A. teuerer Bauelemente überflüssig. Insbesondere auf die Verwendung von mit BAW (BAW = Bulk Acoustic Wave) arbeitenden CRF (CRF = Couplet Resonator Filter) oder auf die Verwendung weiterer Balun-Schaltungen kann verzichtet werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Hybrid gekoppelte Transformatoren. Ein solcher Hybrid umfasst dabei elektromagnetisch miteinander gekoppelte Spulen oder Wicklungen. Die Wicklungszahl der Spule, die mit je einem der Anschlüsse verschaltet ist, kann dabei individuell eingestellt werden. So ist es leicht möglich, das Impedanzniveau jedes einzelnen Anschlusses einzustellen. Insbesondere, wenn der Empfangssignalpfad und der Sendesignalpfad durch das Vorsehen von gekoppelten Transformatoren im Hybrid galvanisch getrennt sind, werden sehr hohe Isolationswerte erhalten.
Ferner ist es auf einfache Weise möglich, den mit dem Sendesignalpfad verschalteten Ausgang des Hybrids niederohmig auszulegen.
Das Windungsverhältnis der gekoppelten Transformatoren kann 0,5 betragen. So kann die Impedanz des Sendeports auf 25 Ohm, die Impedanz der beiden balanced geführten Signalleitungen des Empfangsports auf 100 Ohm und der mit der Antenne verschaltete Anschluss des Hybrids auf 50 Ohm eingestellt werden.
Im Folgenden werden Duplexer mit Phasenschieberschaltungen anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Unterschiedliche Figuren stellen dabei unterschiedliche Aspekte der Erfindung dar, welche sich selbstverständlich nicht gegenseitig ausschließen sondern vielmehr miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:

1: Eine Ausgestaltung eines Duplexers mit einem Sendeport TP, einem Empfangsport RP und einem Hybrid H zwischen dem Sendeport und dem Empfangsport,
2: Eine Ausgestaltung eines Duplexers, wobei optional Anpasselemente ME vorgesehen sein können,
3: Eine Ausgestaltung eines Duplexers mit zwei balanced geführten Signalleitungen zwischen Hybrid H und Empfangsport RP,
4: Eine Ausgestaltung eines Duplexers, dessen Hybrid H mit gekoppelten Transformatoren arbeitet.
5: Eine T-Schaltung mit Resonatoren,
6: Eine π-Schaltung mit Resonatoren,
7: Die Einfügedämpfungen des Sendesignalpfads (TX) und des Empfangssignalpfads (RX) sowie die Isolation dazwischen für eine Ausgestaltung eines Duplexers,
8: Einfügedämpfungen und Isolation für eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Duplexers.

1 zeigt eine Ausführungsform eines Duplexers DU mit einem Sendeport TP, einem Antennenport AP und einem Empfangsport RP. Zwischen dem Sendeport TP und dem Antennenport AP ist ein Sendefilter FTX verschaltet. Der Signalpfad vom Antennenport AP zum Empfangsport RP ist balanced ausgeführt und umfasst somit zwei parallel geschaltete Signalleitungen. In jeder der beiden Signalleitungen ist ein Empfangsfilter FRX1, FRX2 verschaltet. In der Signalleitung, in der das Empfangsfilter FRX1 verschaltet ist, ist weiterhin ein Anpasselement ME verschaltet. Somit sind die Empfangsfilter FRX1, FRX2 und das Anpasselement ME zwischen dem Antennenport AP und dem Empfangsport RP verschaltet. Ferner ist ein Anpasselement ME zwischen dem Antennenport AP und dem Sendeport TP verschaltet. Die Verschaltung von Empfangsport RP, Sendeport TP und Antennenport AP erfolgt über einen Hybrid H. Der Hybrid H hat vier Ports oder Anschlüsse. Über einen ersten Anschluss ist der Hybrid H mit dem Sendeport TP verschaltet. Sendesignale werden aus dem Sendeport TP in den Hybrid 1 geleitet. Somit ist der erste Anschluss des Hybrids ein Eingangsport. Über die Antenne empfangene Signale werden über die Ausgangsports zwei und vier des Hybrids zum Empfangsport RP gesendet. Der dritte Port des Hybrids ist mit dem Antennenport AP verschaltet. Der Hybrid H bewirkt eine Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen, die an den Ports zwei und vier des Hybrids H anliegen, so dass am Empfangsport RP balanced geführte Signale anliegen. Ist der Hybrid H ein 90°-Hybrid, so kann das Anpasselement ME zwischen dem Empfangsfilter FRX1 und dem Empfangsport RP eine weitere Phasendrehung um 90° durchführen, so dass am Empfangsport RP eine Phasendifferenz von im Wesentlichen 180° anliegt. Stellt der Hybrid H bereits eine Phasendifferenz von 180° zur Verfügung, so ist keine weitere Phasendrehung im Empfangssignalpfad notwendig.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Duplexers, wobei zusätzliche Anpasselemente ME optional in den Signalpfaden verschaltet sein können. Ein Anpasselement ME kann zwischen dem Sendefilter FTX und dem Sendeport TP verschaltet sein. Ein weiteres Anpasselement ME kann zwischen dem vierten Port des Hybrids und dem Empfangsfilter FRX1 verschaltet sein. Ein weiteres Anpasselement ME kann zwischen dem zweiten Port des Hybrids und dem Empfangsfilter FRX2 verschaltet sein. Auch das Anpasselement ME zwischen dem Empfangsfilter FRX1 und dem Empfangsport RP ist optional, ebenso wie das Anpasselement ME zwischen dem Empfangsfilter FRX2 und dem Empfangsport RP.
Der Hybrid der 2 kann insbesondere ein 90°-Hybrid sein.
3 zeigt eine Ausgestaltung eines Duplexers DU, wobei der Hybrid ein 180°-Hybrid sein kann. Der Hybrid H hat einen ersten Port, über den er mit dem Antennenport AP verschaltet ist. Über seinen zweiten Port ist der Hybrid H mit dem Sendefilter FTX zwischen Hybrid H und Sendeport TP verschaltet. Über seinen dritten Port ist der Hybrid H mit einer ersten Signalleitung des balanced geführten Empfangssignalpfads verschaltet. Mit seinem vierten Port ist der Hybrid mit der zweiten Signalleitung des Empfangssignalpfads verschaltet. In der ersten Signalleitung des Empfangssignalpfads ist ein Empfangsfilter FRX1 zwischen zwei Anpasselementen ME angeordnet. Die zweite Signalleitung des Empfangssignalpfads kann neben dem Empfangsfilter FRX2 weitere Anpasselemente umfassen, z.B. zwischen dem Hybrid und dem Empfangsfilter FRX2 oder zwischen dem Empfangsfilter FRX2 und dem Empfangsport RP.
4 zeigt eine Ausgestaltung eines Duplexers DU, wobei der Hybrid H gekoppelte Transformatoren, z.B. zwei gekoppelte Transformatoren, umfasst. Die gekoppelten Transformatoren umfassen jeweils elektromagnetisch gekoppelte Wicklungen oder Spulen. So kann ein Anschluss einer Spule mit einem ersten Port des Hybriden H verschaltet sein, während der jeweils andere Anschluss der Spule mit dem zweiten Port des Hybriden H verschaltet ist. Ein Anschluss der mit dieser Spule gekoppelten Spule ist mit dem dritten Port des Hybriden H verschaltet, während der andere Anschluss der Spule mit dem vierten Port des Hybriden H verschaltet ist. Es ist möglich, dass der zweite Port des Hybriden H mit Masse verschaltet ist. Der erste Port des Hybriden H ist mit dem Antennenport AP verschaltet. Der vierte Port des oberen gekoppelten Transformators und der dritte Port des unteren gekoppelten Transformators ist mit dem Sendepfad TP verschaltet. Der dritte Port des oberen gekoppelten Transformators und der vierte Port des unteren gekoppelten Transformators sind jeweils mit den balanced geführten Signalleitungen des Empfangssignalpfades und somit mit dem Empfangsport RP verschaltet. Wiederum ist in jeder der Empfangssignalleitungen des Empfangssignalpfads je ein Empfangsfilter FRX1, FRX2 verschaltet. Auch können diese Signalleitungen Anpasselemente ME zwischen dem Hybrid und dem entsprechenden Empfangsfilter FRX1, FRX2 oder dem entsprechenden Filter und dem Empfangsport RP enthalten.
5 zeigt eine Grundform eines Resonatoren umfassenden Filters, welches beispielsweise als Sendefilter Verwendung finden kann. 5 zeigt dabei eine so genannte T-Schaltung aus Resonatoren.
6 zeigt eine so genannte π-Schaltung aus Resonatoren, welche insbesondere ein Grundglied eines Empfangsfilters darstellen kann.
Die Resonatoren der Filter der 5 und 6 können dabei mit akustischen Wellen arbeitende Resonatoren wie SAW-Resonatoren, BAW-Resonatoren oder GBAW-Resonatoren sein.
7 zeigt die Einfügedämpfung IL_TX des Sendesignalpfads und die Einfügedämpfung IL_RX des Empfangssignalpfads. Weiter zeigt Kurve IS die Isolation zwischen Sendeport und Empfangsport. 7 zeigt dabei charakteristische Kurven eines eine Anpassschaltung umfassenden Duplexers, wobei in der Anpassschaltung ein Hybrid verschaltet ist.
8 zeigt die entsprechenden Kurven der Einfügedämpfungen und der Isolation IS eines Duplexers mit besonders leistungsfähiger Anpassschaltung. Die Isolation ist dabei im Wesentlichen frequenzunabhängig und über den gesamten relevanten Frequenzbereich besser als -160 dB. Eine solche Einfügedämpfung scheint auch zukünftige Spezifikationen gut einhalten zu können.
Die ausgezeichnete Performance des Duplexers, deren charakteristische Kurven in 8 gezeigt sind, beruht dabei auf der Verwendung gekoppelter Transformatoren im Hybriden.
Ein erfindungsgemäßer Duplexer ist dabei nicht auf eine der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombinationen von beschriebenen Merkmalen und Variationen, welche z.B. noch weitere Anpasselemente umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugszeichenliste

AP: Antennenport
CT: gekoppelte Transformatoren
DU: Duplexer
FRX1, FRX2: Empfangsfilter
FTX: Sendefilter
H: Hybrid
ILRX: Einfügedämpfung im Empfangspfad
ILTX: Einfügedämpfung im Sendepfad
IS: Isolation
ME: Anpasselement
RP: Empfangsport
TP: Sendeport

Claims

Duplexer (DU), umfassend - einen Antennenport (AP), einen Sendeport (SP) und einen Empfangsport (RP), - einen 180°-Hybrid (H), verschaltet mit dem Antennenport (AP), dem Sendeport (TP) und dem Empfangsport (RP), - ein Sendefilter (FTX) in einem Sendesignalpfad zwischen dem Hybrid (H) und dem Sendeport (TP), - ein Empfangsfilter (FRX) in einem Empfangssignalpfad zwischen dem Hybrid (H) und dem Empfangsport (RP), wobei - der Empfangssignalpfand zwei parallel geschaltete Leiterabschnitte umfasst und - zwischen dem Sendeport (TP) und dem Hybrid (H) und/oder zwischen dem Empfangsport (RP) und dem Hybrid (H) ein Anpasselement (ME) verschaltet ist, - der Hybrid (H) einen ersten, zweiten, dritten und vierten Port umfasst, der erste Port ein Eingangsport ist und eine Phasendifferenz zwischen Ausgangssignalen des zweiten und vierten Ports etwa 180° beträgt, - der zweite Port und der vierte Port mit dem Empfangsport verschaltet sind, - der dritte Port mit dem Antennenport verschaltet ist, - der erste Port mit dem Sendeport verschaltet ist.
Duplexer nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Empfangssignalpfad zur Führung von erd-symmetrischen HF-Signalen vorgesehen ist.
Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein Anpasselement (ME) zwischen dem Sendeport (TP) und dem Sendefilter (FTX) und/oder zwischen dem Sendefilter (FTX) und dem Hybrid (H).
Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein Anpasselement (ME) zwischen dem Hybrid (H) und dem Empfangsfilter (FRX) und/oder zwischen dem Empfangsfilter (FRX) und dem Empfangsport (RP).
Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Anpasselement (ME) ausgewählt ist aus: einem kapazitiven Element, einem induktiven Element, einem Streifenleiter.
Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sendefilter (FTX) und/oder das Empfangsfilter (FRX) mit akustischen Oberflächenwellen, mit akustischen Volumenwellen oder mit geführten akustischen Oberflächenwellen arbeitet.
Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Hybrid (H) gekoppelte Transformatoren (CT) umfasst.
Duplexer nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Windungsverhältnis der gekoppelten Transformatoren (CT) 0,5 beträgt.
Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Antennenport (AP) eine Impedanz von 100 Ω, der Sendeport (TP) eine Impedanz von 25 Ω und der Empfangsport (RP) eine Impedanz von 100 Ω aufweist.