-
Die Erfindung betrifft Duplexer, z. B. Duplexer für mobile Kommunikationsgeräte.
-
Duplexer in mobilen Kommunikationsgeräten sind Frequenzweichen, die sicherstellen, dass Sendesignale hoher Leistung aus einem Sendesignalpfad nicht in einen Empfangssignalpfad eindringen können, sondern über eine Antenne ausgestrahlt werden. Ferner sollen über die Antenne empfangene Signale mit möglichst geringen Verlusten in den Empfangssignalpfad geleitet werden.
-
Entsprechend sollen Duplexer eine hohe Isolation, d. h. eine gute Trennung zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad, aufweisen. Ferner sollen Duplexer eine hohe Selektion, d. h. eine geringe Einfügedämpfung für durchzulassende Frequenzen und eine hohe Einfügedämpfung für zu sperrende Frequenzen aufweisen.
-
Darüber hinaus können in mobilen Kommunikationsgeräten Antennen mit nicht angepasster Antennenimpedanz eine erhöhte Sendeleistung und damit einen erhöhten Stromverbrauch erfordern. Duplexer sollten deshalb die Antenne und zumindest den Sendesignalpfad so weit entkoppeln, dass die Fehlanpassung der Antenne nicht auf die Arbeitsweise des Sendeverstärkers im Sendesignalpfad durchschlägt. Die Unempfindlichkeit des Sendesignalpfads gegenüber einer Fehlanpassung der Antenne soll also erhöht werden.
-
Aus der
DE 10 2010 046 677 sind Schaltungsanordnungen bekannt, die eine hohe Isolation, eine hohe Selektion und eine gute Entkopplung des Sendesignalpfads von einer Antenne mit schlechter Impedanzanpassung ermöglichen.
-
Weiterhin ist aus
US 2011 069 644 A1 eine Basisstation bekannt, die eine Antenne für ein Hauptsystem und ein Subsystem verwendet. Ein Signalkombinator/Teiler ist mit jeder der Sende-/Empfangs-Signalleitungen des Haupt- und des Subsystem-Duplexers verbunden und kombiniert Signale entsprechend ihrer Phasen und teilt andere Signale. In den Signalpfaden zwischen den Kombinatoren/Teilern ist ein Filter vorgesehen.
-
DE 10 225 202 A1 betrifft ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein Bandpaßfilter oder einen Duplexer mit elektronischem Anpaßnetzwerk.
-
DE 60 207 546 T2 betrifft eine abstimmbare Antennenschnittstelleneinheit, welche einen Multiplexer mit einem ferroelektrischen abstimmbaren Bauelement, das einen Kondensator aufweist und ein Substrat aufweist, das mechanisch an den Kondensator gekoppelt ist.
-
DE 60 2006 000 890T2 bezieht sich allgemein auf Balun-Transformatoren, die auf einer gedruckten Schaltungsplatte oder in Oberflächenmontagepaketen implementiert werden können, und bezieht sich insbesondere auf einen Transformatoraufbau, der für eine Verwendung in Mikrowellen-Modulen adaptabel ist, bei denen der Transformator in die gedruckte Schaltungsplatte integriert ist
-
US 2011 266 917 A1 betrifft eine akustische Volumenwellenvorrichtungen und Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Volumenwellenvorrichtung eine Resonatorstruktur mit einer piezoelektrischen Schicht, eine Elektrodenschicht zum Anregen geführter akustischer Volumenwellen und eine Wellenleiterschicht umfasst.
-
Weiterhin besteht das Bedürfnis, Duplexer zur Verfügung zu stellen, die einen geringen Platzbedarf aufweisen. Ferner sollten solche Duplexer günstig herzustellen sein und eine hohe Leistungsverträglichkeit aufweisen. Ebenso ist eine lange Lebensdauer und eine verbesserte Linearität erwünscht.
-
Unter dem Begriff Duplexer ist dabei dasjenige technische Erzeugnis zu verstehen, welches Schaltungselemente einer Duplexerschaltung umfasst und als Duplexer-Bauelement realisiert ist.
-
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen solchen Duplexer anzugeben. Diese Aufgabe wird durch den Duplexer nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben dabei vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an, wobei die darin enthaltenen Merkmale und die nachfolgend beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander miteinander kombiniert werden können, um einen individuell angepassten Duplexer zu erhalten.
-
Ein Duplexer umfasst einen Antennenanschluss, einen Sendeanschluss und einen Empfangsanschluss. Der Duplexer umfasst weiter zwei Sendefilter und ein Empfangsfilter und ferner einen ersten und einen zweiten 90°-Hybrid. Dabei hat jeder der beiden Hybride jeweils einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Anschluss. Der Antennenanschluss ist mit dem ersten Anschluss des ersten Hybrids verschaltet. Das Empfangsfilter ist zwischen dem dritten Anschluss des ersten Hybrids und dem Empfangsanschluss verschaltet. Eines der Sendefilter ist zwischen dem vierten Anschluss des ersten Hybrids und dem zweiten Anschluss des zweiten Hybrids verschaltet. Das andere der Sendefilter ist zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Hybrids und dem vierten Anschluss des zweiten Hybrids verschaltet. Der Sendeanschluss ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Hybrids verschaltet.
-
Es ist möglich, dass der Duplexer ein Bauelement mit einem ersten Trägersubstrat umfasst. Leiterstrukturen der Sendefilter sind dann auf dem ersten Trägersubstrat angeordnet.
-
Konventionelle Duplexerschaltungen beruhen auf der Idee, ein Sendefilter, ein Empfangsfilter und eine Impedanzanpassschaltung so auszugestalten und miteinander zu verschalten, dass eine gewünschte und eingestellte Wechselwirkung dieser Schaltungskomponenten zu der Durchlasscharakteristik eines Duplexers führt. Insbesondere die Impedanzanpassschaltung in Kombination mit dem Empfangsfilter bewirkt eine Veränderung der Impedanz bei Sendesignalfrequenzen, sodass eine gute Isolation zwischen dem Sendesignalpfad und dem Empfangssignalpfad erhalten wird.
-
Im Gegensatz dazu basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, Sendefilter und Empfangsfilter und gegebenenfalls Anpasskomponenten voneinander zu trennen. Und zwar so, dass eine Fehlanpassung der Antenne geringe oder keine nachteilhaften Auswirkungen auf die Arbeitsweise eines Sendesignalverstärkers im Sendesignalpfad hat. Um diese Trennung zu erreichen, werden die eingangs genannten Hybride auf die eingangs genannte Art miteinander verschaltet. So wird eine Unempfindlichkeit zumindest des Sendesignalpfads von einer fehlangepassten Antenne erreicht.
-
Die Schaltungsanordnungen der
DE 10 2010 046 677 umfassen ebenfalls Hybride zur Trennung der Filter. Allerdings werden zumindest drei Hybride und vier Einzelfilter RF-Filter, also drei Hybride und zwei vollständige Duplexerschaltungen dazu benötigt. Im Gegensatz dazu benötigt der Duplexer der vorliegenden Erfindung nur zwei Hybride und drei Einzelfilter. Auch benötigte Antennenspulen zur Realisierung eines Phasenschiebernetzwerks sind höchstens einfach auszuführen. Es wird also ein Duplexer angegeben, der bei vergleichbarer Performance eine Komponenten- und Platzeinsparung von bis zu 50 % ermöglicht.
-
Bei Empfangsfrequenzen können die Sendefilter reflektierend sein. Empfangssignale, die von der Antenne empfangen werden, werden dann von dem ersten Hybrid in Richtung der beiden Sendefilter ausgegeben. Die Signale werden an den Sendefiltern reflektiert und gelangen, wiederum den ersten Hybrid passierend, über den dritten Anschluss des Hybrids in das Empfangsfilter. Signale, die aus dem Sendeanschluss in den Duplexer eingekoppelt werden und Frequenzkomponenten der Empfangsfrequenzen aufweisen, werden über den zweiten Hybrid an die reflektierenden Sendefilter geleitet und so reflektiert, dass sie den zweiten Hybrid wiederum passierend gegen Masse abgeleitet werden. Sendesignale im Sendefrequenzbereich wiederum können die beiden Sendefilter passieren und werden, den ersten Hybrid passierend, direkt an die Antenne geleitet.
-
Zwischen der Antenne und dem Sendeanschluss sind also zwei 90°-Hybride verschaltet, die die nötige Entkopplung für die geforderte Unempfindlichkeit des Sendesignalpfads von einer etwaigen Antennenfehlanpassung bewirken. Die Reflektivität der Sendefilter bei Empfangssignalfrequenzen bewirkt eine sehr gute Isolation des Duplexers bei Frequenzen außerhalb des Sendefrequenzbereichs. Im Vergleich mit der Schaltungsanordnung der
DE 10 2010 046 677 ist die Zahl der verschalteten Komponenten so verringert, dass zum einen die geometrischen Abmessungen eines entsprechenden Bauelements, z. B. der Platzbedarf oder die Bauhöhe, verringert sind. Zum anderen ist die Erwärmung des Duplexers durch die reduzierte Anzahl an Komponenten verringert, sodass die Leistungsverträglichkeit verbessert und die Lebensdauer erhöht ist. Ferner wird auch eine Verbesserung der Linearität eines entsprechenden Bauelements erhalten. Des Weiteren sinken die Herstellungskosten eines entsprechenden Bauelements. Durch die höhere Lebensdauer und die verbesserte Leistungsverträglichkeit einerseits und die verringerte Anzahl an Komponenten andererseits wird die Ausfallsicherheit des Duplexers erhöht.
-
In einer Ausführungsform des Duplexers sind die ersten Anschlüsse der Hybride Eingangsanschlüsse. Zwischen Ausgangssignalen der zweiten und vierten Anschlüsse, welche Ausgangsanschlüsse sein können, liegt eine Phasendifferenz von etwa 90° an.
-
Als Hybride kommen dabei alle Leistungsteilerschaltungen mit vier Anschlüssen und einer Phasendifferenz von etwa 90° zwischen zwei der Anschlüsse in Frage.
-
Die Hybride können insbesondere in einem Mehrlagensubstrat integrierte Signalleitungen und kapazitive oder induktive Schaltungskomponenten umfassen.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer ein Impedanzelement, das den dritten Anschluss des zweiten Hybrids mit Masse verschaltet. Dieses Impedanzelement kann ein resistives Element sein, über das Signale bei Empfangsfrequenzen aus dem Sendesignalpfad gegen Masse abgeleitet werden.
-
In einer Ausführungsform des Duplexers gibt jeder der Hybride eine am ersten Anschluss anliegende HF-Leistung zu gleichen Teilen an den Anschlüssen 2 und 4 aus. In Bezug auf die Anschlüsse 1, 2 und 4 verhält sich ein Hybrid also als 3 dB Leistungsteilerschaltung, zumindest bei HF-Signalen in der Nähe von Sende- oder Empfangsfrequenzbereichen.
-
In einer Ausführungsform haben beide Hybride und/oder beide Sendefilter den gleichen Aufbau.
-
Dann ist der Aufwand zur Entwicklung und Optimierung eines Duplexers verringert.
-
In einer Ausführungsform werden Empfangssignale aus den Anschlüssen 2 und 4 aus dem ersten Hybrid an die Sendefilter übermittelt. Diese Empfangssignale werden dann von den Sendefiltern reflektiert und über den dritten Anschluss des ersten Hybrids an das Empfangsfilter übermittelt.
-
In einer Ausführungsform löschen sich Sendesignale, insbesondere solche, die nicht im Durchlassbereich der Sendefilter liegen, am dritten Anschluss des ersten Duplexers gegenseitig aus. Ein Rest, der eventuell verbleibt, wird gegen Masse abgeleitet.
-
In einer Ausführungsform unterliegt das Stehwellenverhältnis im Sendefilter in einem Sendefrequenzband geringeren Schwankungen als im Empfangspfad in einem Empfangsfrequenzband.
-
Wie eingangs erwähnt, entkoppeln die beiden Hybride den Sendeanschluss von einer eventuell nicht angepassten Antenne. Ein Maß für die Anpassung ist dabei das Stehwellenverhältnis (engl. SWR = Standing Wave Ratio). Das Stehwellenverhältnis für Sendesignale ist daher insofern bedeutsam, wie ein ungünstiges Stehwellenverhältnis im Sendesignalpfad eine erhöhte Leistung des Leistungsverstärkers im Sendesignalpfad erfordert. Besonders bei mobilen Kommunikationsgeräten, die nur auf eine endliche Energiemenge zurückgreifen können, ist ein günstiges Stehwellenverhältnis im Sendesignalpfad deshalb besonders wichtig.
-
Die Erfindung ermöglicht ein so günstiges Stehwellenverhältnis, dass Methoden des Envelope Trackings zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Leistungsverstärkers sinnvoll anwendbar sind. Beim Envelope Tracking wird im Wesentlichen die Einhüllende der Sendesignale analysiert. Weist die Einhüllende einen geringeren Abstand von der x-Achse auf, so ist weniger HF-Leistung abzustrahlen. Wird dann die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers im Sendesignalpfad verringert, so arbeitet dieser mit einem verbesserten Wirkungsgrad, sodass insgesamt Energie gespart wird.
-
In einer Ausführungsform dazu umfasst der Duplexer eine Regelschleife, in der die Sendeleistung auf der Basis der Einhüllenden des Sendesignals geregelt wird.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer einen Leistungsverstärker, der zwischen dem Sendeanschluss und dem zweiten Hybrid verschaltet ist.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer einen In-Phase-Leistungsverstärker und einen Quadrature-Leistungsverstärker. Der In-Phase-Leistungsverstärker kann zusammen mit dem ersten Sendefilter in einem von zwei parallelen Abschnitten des Sendesignalpfads zwischen den Hybriden verschaltet sein, während der Quadrature-Leistungsverstärker zusammen mit dem jeweils anderen Sendefilter im jeweils anderen parallelen Abschnitt zwischen den beiden Hybriden verschaltet ist.
-
Jeder der beiden Leistungsverstärker hat dabei verglichen mit konventionellen Duplexerschaltungen nur die halbe HF-Leistung aufzubringen, sodass die Linearität des Duplexers verbessert ist.
-
Die Linearität ist insbesondere bezüglich des Triple-Beat-Verhaltens sowie des IMD-Verhaltens verbessert.
-
Beim Triple Beat Verhalten mischen sich drei Signale, z. B. zwei Sendesignale und ein Empfangssignal. Daraus entstehende Frequenzkomponenten können dann zu unerwünschten Signalen im Empfänger führen und den Rauschpegel erhöhen.
-
IMD (IMD = InterModulation Distortion) bezeichnet ein Mischen von zwei Signalen, wobei ebenfalls Frequenzkomponenten bei Empfangsfrequenzen entstehen können.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer einen ersten Leistungsverstärker, einen In-Phase-Leistungsverstärker und einen Quadrature-Leistungsverstärker. Der Duplexer umfasst ferner einen dritten und einen vierten Hybrid und eine Schaltungsanordnung. Dabei sind der In-Phase-Leistungsverstärker und der Quadrature-Leistungsverstärker in parallelen Signalpfaden zwischen den Anschlüssen 2 und 4 der Hybride 3 und 4 verschaltet. Die Schalteranordnung verschaltet die zweiten Anschlüsse der Hybride 3 und 4 entweder jeweils mit Masse oder miteinander.
-
Somit wird eine einfach zu realisierende Möglichkeit angegeben, die beiden Leistungsverstärker In-Phase-Leistungsverstärker und Quadrature-Leistungsverstärker kombiniert zum Signalpfad hinzuzuschalten oder vom Signalpfad zu trennen.
-
In einer Ausführungsform ist die Mittenfrequenz des zweiten Hybrids in Richtung der Mittenfrequenz eines Sendefrequenzbands verschoben. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Isolation im Sendefrequenzbereich erreicht.
-
In einer Ausführungsform des Duplexers umfasst zumindest einer der Hybride gekoppelte Transformatoren. Dann kann zum einen leicht das Verhältnis der an den beiden Ausgangsanschlüssen abgegebenen Leistungen eingestellt werden. Zum anderen kann leicht eine Impedanzanpassung zwischen den mit dem Hybrid verschalteten Schaltungskomponenten erhalten werden.
-
In einer Ausführungsform des Duplexers arbeiten die Sendefilter und das Empfangsfilter mit akustischen Wellen. Als Filter kommen dabei mit akustischen Oberflächenwellen (engl.: Surface Acoustic Wave, SAW) Filter mit geführten akustischen Oberflächenwellen (engl.: Guided Bulk Acoustic Waves, GBAW) Filter und mit akustischen Volumenwellen (engl.: Bulk Acoustic Waves, BAW) arbeitende Filter in Frage. Solche Filter erlauben insbesondere kleine Abmessungen entsprechender Duplexer-Bauelemente, da die Einzelfilter mit kleinen geometrischen Abmessungen herstellbar sind. Durch das geschickte Anordnen der Filter und/oder Hybride relativ zueinander kann somit ferner ein Duplexer mit geringen Abmaßen erhalten werden.
-
In einer Ausführungsform umfasst das Bauelement zusätzlich ein induktives Element, z. B. als Antenneninduktivität.
-
Es ist möglich, dass der Duplexer sender- oder empfangsseitig jeweils single-ended, d. h. erdunsymmetrisch, oder balanced, d. h. erdsymmetrisch, betrieben wird. Ob der Duplexer empfangsseitig single-ended oder balanced betrieben wird, spielt für die Anzahl der Hybride keine Rolle. In beiden Fällen sind nur zwei Hybride nötig.
-
Es ist möglich, dass der Duplexer Schaltungskomponenten zur Realisierung eines Phasenschiebernetzwerks, z. B. zur Impedanzanpassung zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad, z. B. mittels Antennenspulen, umfasst. Ferner kann der Duplexer Parallelspulen im Empfangssignalpfad zur Verbesserung der Signalqualität umfassen. Durch die Parallelspulen kann eine Verbesserung der Anpassung an einen Leistungsverstärker im Sendesignalpfad erreicht werden.
-
Empfangssignale werden durch den Hybrid geleitet und in ein um 0° und ein um 90° verschobenes Signal aufgespalten. Diese Signale werden an den Sendefiltern reflektiert und wiederum mit 0° und 90° Phasenänderung durch das Hybrid aufsummiert. Insgesamt erhält man bei der Summation eine Phasenlage von 0° für das erste Signal, aber 180° für das zweite Signal.
-
Es ist möglich, den Duplexer in LTE (LTE = Long-Term Evolution) Systemen einzusetzen. Da anstelle eines Sendefilters zwei Sendefilter vorhanden sind, ist die Leistung, die jedes Filter zu verarbeiten hat, um den Faktor 2 geringer. Insbesondere bei LTE-Systemen mit einem hohen Crestfaktor, der die Wahrscheinlichkeit und die Höhe von Leistungsüberhöhungen kennzeichnet, ist die Lebensdauer erheblich verlängert.
-
Als Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verschiedener Schaltungskomponenten der Duplexer kommen 35 Ω, 50 Ω und 100 Ω in Frage. Die Antenne kann dabei mit 50 Ω angeschlossen sein. Balanced geführte Signalleitungen können eine Impedanz von 100 Ω aufweisen. Ein Leistungsverstärker kann eine Ausgangsimpedanz von z. B. 7 Ω aufweisen. Ein Sendefilter kann eine Eingangsimpedanz von 35 Ω aufweisen. Ein Transformationsnetzwerk kann die Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers auf die Eingangsimpedanz eines Sendefilters transformieren.
-
Insbesondere kann ein Transformationsnetzwerk einstufig ausgeführt sein. Die Transformation der 35 Ω der Eingangsimpedanz des Sendefilters auf die 50 Ω der Ausgangsimpedanz kann vom Sendefilter selbst übernommen werden. Das Empfangsfilter kann seinerseits selbst die Impedanztransformation von 50 Ω auf 100 Ω durchführen.
-
Die Verwendung mit folgenden Sende- (TX) und Empfangsfrequenzen (RX) ist möglich.
| Bandnr. | Uplink-Band (TX) [MHz] | Downlink-Band (RX) [MHz] |
| 1 | 1920-1980 | 2110-2170 |
| 2 | 1850-1910 | 1930-1990 |
| 3 | 1710-1785 | 1805-1880 |
| 4 | 1710-1755 | 2110-2155 |
| 5 | 824-849 | 869-894 |
| 6 | 830-840 | 875-885 |
| 7 | 2500-2570 | 2620-2690 |
| 8 | 880-915 | 925960 |
| 9 | 1749,9-1784,9 | 1844,9-1879,9 |
| 10 | 1710-1770 | 2110-2170 |
| 11 | 1427,9-1447,9 | 1475,9-1495,9 |
| 12 | 699-716 | 729-746 |
| 13 | 777-787 | 746-756 |
| 14 | 788-798 | 758-768 |
| 17 | 704-716 | 734-746 |
| 18 | 815-830 | 860-875 |
| 19 | 830-845 | 875-890 |
| 20 | 832-862 | 791-821 |
| 21 | 1447,9-1462,9 | 1495,9-1510,9 |
| 22 | 3410-3500 | 3510-3600 |
| 23 | 2000-2020 | 2180-2200 |
| 24 | 1626,5-1660,5 | 1525-1559 |
| 25 | 1850-1915 | 1930-1995 |
| 26 | 814-849 | 859-894 |
-
Die Sendefrequenzen der Bänder 5, 6, 8, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 20 und 26 liegen relativ eng beieinander. Der sendeanschlussseitige Hybrid kann nun so ausgeführt werden, dass mehr als ein Frequenzband berücksichtigt wird. Dies ist effizient möglich, da auch ein Leistungsverstärker üblicherweise etwas breitbandiger arbeitet, sodass hier mit einem Leistungsverstärker mehrere Frequenzbänder abgedeckt werden können. Insbesondere ist es möglich, abstimmbare Sendefilter anstelle von Sendefiltern mit fixem Frequenzbereich zu verwenden. So können mit wenigen Sendefiltern eine Vielzahl an Frequenzbändern bzw. breite Frequenzbereiche abgedeckt werden.
-
Eine kleine Bauform eines entsprechenden Bauelements wird ferner auch durch folgende Merkmale erhalten:
-
Leiterstrukturen, z. B. der Sendefilter, können auf einer ersten Seite des Trägersubstrats angeordnet sein. Leiterstrukturen des Empfangsfilters und des induktiven Elements sind z. B. auf einer zweiten Seite des ersten Trägersubstrats oder auf einem zweiten Trägersubstrat angeordnet.
-
In einer Ausführungsform ist zumindest einer der Hybride als IPD (Integriertes Passives Schaltungselement, engl.: Integrated Passive Device) oder als gekoppelte Transformatoren ausgeführt.
-
Sowohl IPDs als auch gekoppelte Transformatoren der Hybride lassen sich auf einfache, aber effiziente Weise in einem gegebenenfalls mehrlagigen Substrat integrieren und mit anderen Schaltungskomponenten, welche auf oder unter oder ebenfalls im Substrat angeordnet sind, verschalten.
-
In einer Ausführungsform ist der zweite Anschluss zumindest eines Hybrids über ein im Bauelement oder auf dem Bauelement angeordneten resistiven Element mit Masse verschaltet.
-
In einer Ausführungsform sind die Sendefilter und das Empfangsfilter in einer Sandwich-Struktur mit zwei Substraten angeordnet. Leiterstrukturen der Hybride sind in einem weiteren Substrat integriert. Die Sandwich-Struktur und das weitere Substrat sind über elektrisch leitende Verbindungen verschaltet. Durch die Verwendung einer Sandwich-Struktur wird ein erhöhter Integrationsgrad erhalten. Durch die Kombination der Sandwich-Struktur mit dem weiteren Substrat wird die Integrationsdichte weiter erhöht. Obwohl wegen der hohen Integrationsdichte die verschiedenen Schaltungselemente sehr dicht beieinander angeordnet werden, wird aufgrund der eingangs genannten Verschaltung und Trennung der Filter durch die Hybride eine sehr gute Isolation erhalten.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer einen Leistungsverstärker, der in oder auf dem ersten, zweiten oder einem weiteren Substrat angeordnet ist. Insbesondere eine gemeinsame Integration von aktiven, auf Halbleitertechnologie beruhenden Schaltungskomponenten zusammen mit passiven Schaltungskomponenten in ein und demselben Bauelement und/oder Substrat sind möglich. Eine SESUB- (Silicon-Embedding Substrate) Integrationstechnologie erlaubt nicht nur die Integration von passiven elektronischen Bauelementen wie Kondensatoren als kapazitive Elemente, Induktivitäten als induktive Elemente und Varistoren oder SAW- und BAW-Filter-Bauelemente, sondern auch von Halbleiterbauelementen. So lassen sich mit SESUB unter anderen auch hoch integrierte ASIC- (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit) und Controller Dies mit einer hohen Anzahl von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen direkt in Substratlagen einbetten. Weiter können Bauelemente auf der Oberseite eines Substrats oder eines Substratstapels angeordnet und verschaltet werden. So können Module und SIPs (engl.: System In Package) mit kleinen Abmessungen realisiert werden. Insbesondere kann die Bauhöhe um etwa 35% im Vergleich zu konventionellen Bauelementen verringert werden.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer zumindest ein Anpassnetzwerk, z. B. zur Impedanzanpassung. Das Anpassnetzwerk kann in oder auf dem ersten, zweiten oder einem weiteren Substrat angeordnet sein.
-
In einer Ausführungsform ist das Bauelement dafür vorgesehen, auf einer Platine, z. B. einer externen Schaltungsumgebung, angeordnet und mit der Platine verbunden und verschaltet zu werden.
-
Ein solcher Duplexer kann also leicht in eine bereits vorhandene Schaltungsumgebung eines mobilen Kommunikationsgeräts, z. B. einer Front-End-Schaltung integriert werden.
-
In einer Ausführungsform ist der Duplexer in einer DSSP-Häusungstechnologie gefertigt. DSSP steht dabei für Die-Sized SAW Package und ermöglicht bis zu 85 % kleinere Bauelemente verglichen mit CSSP-Bauelementen (CSSP = Chip-Sized SAW Package).
-
Nachfolgend wird der Duplexer anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen dabei Merkmale, die einzeln oder in Kombination Verwendung finden können.
-
Es zeigen:
- 1 eine einfache Ausführungsform des Duplexers,
- 2 eine weitere Ausgestaltung des Duplexers,
- 3 eine Ausgestaltung des Duplexers mit zwei Verstärkern im Sendesignalpfad,
- 4 eine Ausgestaltung des Duplexers mit Anpassnetzwerken im Sendesignalpfad,
- 5 eine Ausgestaltung des Duplexers mit einer ersten Schalterstellung einer Schaltungsanordnung,
- 6 die Ausgestaltung der Schaltungsanordnung der 5 mit einer variierten Schalterstellung,
- 7 eine mögliche Anordnung von Anschlüssen der Filter und der Hybride,
- 8 die Sandwich-Struktur zweier Chipsubstrate,
- 9 eine Ausgestaltung eines Duplexers mit hohem Integrationsgrad,
- 10 eine Ausgestaltung eines 0°/90° 3 dB Hybrids,
- 11 eine Ausgestaltung eines Duplexers mit Wärmeleiterstrukturen,
- 12 eine weitere Ausgestaltung eines Duplexers mit hohem Integrationsgrad.
- 13 eine Anordnung von zwei 0°/90° 3 dB Hybriden nebeneinander.
-
1 zeigt eine Grundform des Duplexers DU mit einem ersten Hybrid HYB1 und einem zweiten Hybrid HYB2. Zwischen dem zweiten Anschluss II des ersten Hybrids HYB1 und dem dritten Anschluss III des zweiten Hybrids HYB2 ist ein Sendefilter TF verschaltet. Zwischen dem dritten Anschluss III des ersten Hybrids HYB1 und dem zweiten Anschluss II des zweiten Hybrids HYB2 ist ein weiteres Sendefilter TF parallel zum oben genannten Sendefilter TF verschaltet. Die beiden Sendefilter TF sind somit in parallelen Abschnitten des Sendesignalpfads TXP verschaltet. Über seinen ersten Anschluss I ist der erste Hybrid HYB1 mit der Antenne ANT verschaltet. Zwischen dem dritten Anschluss III des ersten Hybrids HYB1 und dem Empfangsanschluss RT ist ein Sendefilter RF im Sendesignalpfad TXP verschaltet.
-
Der erste Anschluss I des zweiten Hybrids HYB2 ist mit dem Sendeanschluss TT verschaltet. Der dritte Anschluss III des zweiten Hybrids HYB2 ist über ein Impedanzelement, z. B. über ein resistives Element RE, mit Masse GND verschaltet.
-
Mit einem solchen Duplexer DU werden die eingangs genannten Aufgaben gelöst.
-
2 zeigt eine Ausführungsform des Duplexers, wobei die beiden Sendefilter TF als Bandpassfilter BPF1, BPF2 ausgestaltet sind. Der Anschluss des ersten Hybrids HYB1, der mit dem Empfangssignalpfad verschaltet ist, ist über ein Impedanzelement IE mit Masse verschaltet. Das Empfangsfilter ist ebenfalls als Bandpassfilter BPF3 ausgestaltet. Das Empfangsfilter BPF3 kann dabei als BALUN (Balanced/Unbalanced Converter) dienen und ein balanced geführtes Empfangssignal an einen rauscharmen Verstärker LNA (engl.: Low-Noise Amplifier) weiterleiten, sodass der Empfangsanschluss RT balanced ausgeführt ist. Zwischen dem Sendeanschluss TT und dem zweiten Hybrid HYB2 ist ein Leistungsverstärker PA (engl.: Power Amplifier) verschaltet.
-
3 zeigt eine Ausgestaltung des Duplexers, wobei anstelle von oder zusätzlich zum Leistungsverstärker PA der 2 je ein weiterer Leistungsverstärker in den beiden parallelen Abschnitten des Sendesignalpfads verschaltet ist. So umfasst ein Segment des Sendesignalpfads einen In-Phase-Verstärker PAI, während das andere Segment einen Quadrature-Leistungsverstärker PAQ umfasst. Zwischen den beiden Verstärkern PAI, PAQ und dem ersten Hybrid HYB1 kann das entsprechende Sendefilter BPF1, BPF2 verschaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Verstärker zwischen den Filtern und dem ersten Hybrid verschaltet sind.
-
4 zeigt eine Ausgestaltung des Duplexers, wobei in den parallel geführten Segmenten des Sendesignalpfads Anpassnetzwerke MN1, MN2 zur Impedanzanpassung, z. B. zwischen der Ausgangsimpedanz des zweiten Hybrids HYB2 und der Sendefilter BPF1, BPF2 oder zwischen den Sendefiltern und dem ersten Hybrid HYB1 angeordnet sind.
-
5 zeigt einen optionalen Teil des Sendesignalpfads, der zwischen dem Sendeanschluss TT und dem zweiten Hybrid HYB2 verschaltet sein kann. Dieser optionale Teil umfasst einen dritten Hybrid HYB3 und einen vierten Hybrid HYB4, zwischen denen in parallelen Teilpfaden jeweils ein Leistungsverstärker PAI, PAQ verschaltet ist. Ein Anschluss des dritten Hybrids HYB3 und ein Anschluss des vierten Hybrids HYB4 sind mit einer Schaltungsanordnung SWA verschaltet. Die Schalteranordnung SAW umfasst zwei Schalter, welche jeweils zumindest zwei Schalterzustände haben können. Jeweils ein Schalterzustand verschaltet entsprechend einen der beiden Hybride HYB3, HYB4 über je ein resistives Element RE mit Masse. Die jeweils andere Schalterstellung verschaltet die Anschlüsse der Hybriden HYB3, HYB4 miteinander. Somit wird ein Bypass zum In-Phase-Leistungsverstärker PAI und zum Quadrature-Leistungsverstärker PAQ erhalten: Im Falle hoher Sendeleistung werden die beiden Leistungsverstärker PAI, PAQ benötigt. Dann ist der jeweilige Anschluss der beiden Hybride HYB3 und HYB4 über den Terminierungswiderstand, dargestellt durch das resistive Element RE, mit Masse verschaltet. Das zu verstärkende Signal wird dann zuerst vom ersten Leistungsverstärker PA1 verstärkt. Anschließend wird das verstärkte Signal durch den vierten Hybriden HYB4 aufgespalten und jedes einzelne Signal verstärkt. Anschließend wird das so verstärkte Signal durch den dritten Hybrid HYB3 wieder zu einem einzigen Signal zusammengeführt und an den zweiten Hybrid, z. B. der 1, weitergereicht.
-
Ist die benötigte Leistung geringer, werden die beiden entsprechenden Anschlüsse der Hybride HYB3, HYB4 über die Schalteranordnung SWA miteinander verschaltet. Wegen der geringeren Leistung können die Leistungsverstärker PAI, PAQ abgeschaltet werden und sind dann hoch reflektiv. Die vom ersten Leistungsverstärker PA1 abgegebene Leistung wird an den Leistungsverstärkern PAI, PAQ reflektiert und über den Isolationsport des vierten Hybrids HYB4 und über den Isolationsport des dritten Hybrids HYB3 an die Ausgänge der Leistungsverstärker PAI, PAQ gesendet. Von dort werden sie wiederum reflektiert und über den Anschluss des Hybrids HYB3 wie gewohnt in Richtung des zweiten Hybrids HYB2, z.B. der 1, weitergegeben.
-
5 zeigt also eine Situation, in der die Leistungsverstärker PAI, PAQ den ersten Leistungsverstärker PA1 unterstützen. 6 zeigt die Fall, in der die Leistungsverstärker PAI, PAQ abgeschaltet sind und die vom ersten Leistungsverstärker PA1 abgegebene Leistung vom vierten Hybrid HYB4 direkt in den dritten Hybrid HYB3 eingekoppelt wird.
-
7 zeigt eine mögliche Anordnung der Hybride
HYB1,
HYB2, Sendefilter
TF und des Empfangsfilters
RF nebeneinander. Da die Anzahl an Schaltungskomponenten verglichen mit den Schaltungsanordnungen der
DE 10 2012 046 677 verringert ist, kann ein miniaturisiertes Duplexer-Bauelement erhalten werden, wenn diese Schaltungskomponenten koplanar auf der Seite eines ersten Substrats angeordnet sind.
-
8 zeigt einen Querschnitt durch ein Duplexer-Bauelement mit einem ersten Substrat SU1 und einem zweiten Substrat SU2. Das erste Substrat SU1 und das zweite Substrat SU2 sind aneinandergefügt und bilden eine Sandwich-Struktur. Es ist möglich, dass Filterstrukturen FS der Sendefilter TX auf der Oberfläche eines der Substrate, z. B. des ersten Substrats SU1, angeordnet sind. Filterstrukturen FS des Empfangsfilters RX können auf der dem ersten Substrat zugewandten Seite des zweiten Substrats SU2 angeordnet sein. Schaltungselemente der Hybride HYB, z. B. induktive Elemente IND, können ebenfalls auf der dem ersten Substrat zugewandten Seite des zweiten Substrats SU2 angeordnet sein. Die Schaltungselemente eines Hybrids oder mehrerer Hybride HYB können insbesondere die Spulen gekoppelter Transformatoren sein. Das in 8 gezeigte Bauelement kann ferner Bump-Verbindungen BU umfassen, mit denen die Sandwich-Struktur mit weiteren Schaltungskomponenten des Duplexers verschaltet sein kann.
-
So zeigt 9 beispielsweise eine Ausführungsform eines Duplexer-Bauelements, bei dem die das erste Substrat SU1 und das zweite Substrat SU2 umfassende Sandwich-Struktur über Bump-Verbindungen mit einem weiteren, dritten Substrat SU3 verbunden und verschaltet ist. Das dritte Substrat SU3 kann ein Mehrlagensubstrat mit integrierten Schaltungselementen und/oder weiteren Schaltungselementen sein. So kann das dritte Substrat SU3 integrierte passive Schaltungskomponenten IPDi, IPD2 umfassen. Diese Schaltungskomponenten IPDi, IPD2 können in Zwischenschichten des Substrats SU3 angeordnet sein und über Durchkontaktierungen TP mit anderen Schaltungskomponenten verschaltet sein. Das die Substrate SU1, SU2, SU3 umfassende Bauelement kann mit einem weiteren Substrat oder einer Leiterplatine CB verbunden und verschaltet sein. Jedes der Substrate SU1, SU2, SU3 und insbesondere das dritte Substrat SU3 kann dabei auf SESUB-Technologie oder einer beliebigen weiteren Integrationstechnologie beruhen. Insbesondere ist möglich, dass die benötigten Hybride als IPD in einem SESUB-Substrat integriert sind. Somit lässt sich der Duplexer extrem kompakt aufbauen und trotzdem eine gute Isolation erreichen. Insbesondere ist es möglich, dass der Hybride umfassende Duplexer nur unwesentlich größer als ein Standard-Duplexer ohne Hybride erhalten werden kann.
-
10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines 0°/90° 3 dB Hybrids in IPD-Technologie. Der Hybrid umfasst zumindest zwei elektromagnetisch miteinander gekoppelte Wicklungen, die zur Kopplung übereinander angeordnet sind. Über jeweilige Anschlussflächen T1, T2, T3, T4 ist der Hybrid kontaktierbar.
-
Insbesondere ist es möglich, dass in IPD-Technologie in einem SESUB-Substrat ausgebildete Hybride nebeneinander angeordnet sind.
-
Ebenso ist es möglich, dass Terminierungswiderstände in IPD-Technologie ausgeführt sind.
-
Die Wicklungen von Zwei-in-eins-Hybriden dürfen dabei beliebig zueinander orientiert sein. Es ist also möglich, dass die Hybride identisch nebeneinander oder spiegelverkehrt, z. B. achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch nebeneinander angeordnet sind.
-
11 zeigt eine Ausgestaltung eines Duplexer-Bauelements, wobei das dritte Substrat SU3 als Mehrlagensubstrat mit integrierten Schaltungskomponenten ausgeführt ist. So umfasst das dritte Substrat zumindest einen Leistungsverstärker PA und ein oder beide Hybride in IPD-Technologie IPDi, 2. Der Leistungsverstärker PA umfasst Halbleiterbauelemente, in denen Abwärme erzeugt werden kann, da sie über Wärme leitende Durchkontaktierungen (engl.: thermal vias, TV) an die Leiterplatine CB, welche ein Mainboard sein kann, abgeleitet werden kann. Die durch die thermischen Durchkontaktierungen TV abgeführte Wärme kann an eine großflächig oder dick aufgebrachte Metallisierung zur Abfuhr der Wärme abgegeben werden. Die Wärme kann dabei insbesondere an eine externe Schaltungsumgebung, z. B. die Platine CB abgeführt werden.
-
12 zeigt eine Ausgestaltung eines Duplexer-Bauelements, bei dem ein Schaltungsblock im dritten Substrat SU3 einen Leistungsverstärker PA, zumindest einen Hybrid in IPD-Technologie und ein Anpassnetzwerk MN umfasst. In einem weiteren Schaltungsblock ist eine Antennen-Anpassschaltung in IPD-Technologie ANT-IPD angeordnet.
-
So ist der PA-seitige zweite Hybrid auf dem gleichen Chip wie der Leistungsverstärker selbst realisiert. Soll die Impedanz der Hybride in etwa der Impedanz der Leistungsverstärker entsprechen, so ist das Impedanz-Transformationsnetzwerk MN vorzusehen. Dieses kann direkt mit auf dem Leistungsverstärkerchip oder als separater Chip realisiert sein.
-
Die Verwendung einer DSSP-artigen Häusungstechnologie des akustischen Teils des Duplexers in einem Gehäuse ist möglich.
-
13 zeigt ein Beispiel für zwei 0°/90° Hybride HYB mit induktiven Elementen, die in IPD-Technologie gefertigt und nebeneinander angeordnet sind. Dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise mit guten elektrischen Eigenschaften möglich.
-
Der Duplexer ist nicht auf eine der beschriebenen Ausführungsformen oder eine der gezeigten Beispiele der Figuren beschränkt. Kombinationen der Ausführungsformen und seiner Merkmale und Variationen, welche z. B. noch weitere Schaltungskomponenten wie weitere Hybride, weitere Verstärker, weitere passive Schaltungskomponenten und weitere Substrate umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
-
Bezugszeichenliste
-
- ANT:
- Antenne
- AT:
- Antennenanschluss
- BPF1, BPF2:
- Bandpassfilter
- BPF3:
- Bandpassfilter
- BU:
- Bump-Verbindung
- DU:
- Duplexer
- FS:
- Filterstrukturen
- GND:
- Masse
- HYB:
- Hybrid
- HYB1, HYB2:
- erster, zweiter Hybrid
- HYB3, HYB4:
- dritter, vierter Hybrid
- IE:
- induktives Element
- IND:
- induktives Element
- IPDi, IPD2:
- integrierte passive Schaltungskomponenten
- LNA:
- rauscharmer Verstärker
- MN1, MN2:
- Impedanz-Anpassnetzwerke
- PA:
- Leistungsverstärker
- PAI:
- In-Phase-Leistungsverstärker
- PAQ:
- Quadrature-Leistungsverstärker
- RE:
- resistives Element
- RF:
- Empfangsfilter
- RT:
- Empfangsanschluss
- RXP:
- Empfangssignalpfad
- SU1, SU2, SU3:
- Substrat
- SWA:
- Schalteranordnung
- T1, T2, T3, T4:
- Anschlüsse eines gekoppelten Transformators
- TF:
- Sendefilter
- TM:
- Metallisierung zur Abführung von Wärme
- TT:
- Sendeanschluss
- TV:
- Thermal via
- TXP:
- Sendesignalpfad
