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Der LTE-A Standard (Long Term Evolution-Advanced) ermöglicht einem Mobiltelefon, in der sogenannten Carrier Aggregation Betriebsweise (= CA Mode) zu arbeiten, um im Downlink und/oder im Uplink eine höhere Bandbreite zu nutzen und damit eine schnellere Uplink- oder Downlinkgeschwindigkeit zu erzielen. Der Carrier Aggregation Mode ist sowohl für FDD (Frequency Division Duplexing) als auch für TDD (Time Division Duplexing) Bänder definiert und ermöglicht es beispielsweise im Downlinkbetrieb (Empfangsbetrieb) für eine Gesprächs- oder Datenverbindung zwei Bänder gleichzeitig zu nutzen. Gemäß dem Standard 3 GPP TS 36.101 sind von der 3GPP bereits eine Serie von so genannten Interband Carrier Aggregation-Paaren definiert. Eine Liste der momentan diskutierten und zum Teil bereits untersuchten Bandkombinationen ist in 15 angegeben. Beispielsweise kann ein Mobiltelefon gemäß einer vorgeschlagenen CA Kombination im Band 20 empfangen und senden und zusätzlich im Band 7 empfangen (RX-CA). Ebenso ist es möglich, dass in den Bändern 20 und 7 gesendet wird und entweder in Band 7 oder Band 20 empfangen wird (RX-CA). Die definierten Carrier Aggregation Bandpaare bezieht sich dabei auf Bänder, auf die Anwendung für Rx oder Tx Betrieb sowei auf das Duplexverfahren, also auf FDD und TDD.
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Um den Anforderungen für den CA Betrieb zu genügen, müssten in der Frontendschaltung des Mobiltelefons die entsprechenden Duplexer zur selben Zeit aktiv sein können, ohne sich gegenseitig zu stören. Verbindet man aber zwei Duplexer am selben Antennenanschluss, so stellt dies in der Regel einen Quadplexer dar, welcher als neues Bauelement für diese spezielle Anwendung optimiert werden muss.
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Insgesamt sind diejenigen der vorgeschlagenen Bandpaare technisch einfach zu realisieren, deren Bänder in der Frequenz weit genug auseinander liegen, beispielsweise die Bänder 20 und 3. Diese können an einem gemeinsamen Antennenanschluss mit einem einfachen Diplexer kombiniert werden, welcher eine gute Isolation von typischerweise mehr als 20 dB aufweist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass sich die an den gemeinsamen Antennenanschluss angeschlossenen Duplexer nicht gegenseitig stören, so dass ein Signal ausschließlich über den gewünschten Duplexer geleitet wird und im anderen Duplexer keine unnötigen Verluste erzeugt.
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Zusätzlich zum geringen Verlust muss ein Quadplexer eine gute Isolierung zwischen TX- und RX-Teilbändern, also zwischen den entsprechenden Sende- und Empfangsbändern, aufweisen. Dies gilt sowohl für die TX/RX-Isolation innerhalb desselben Bandes, als auch zwischen dem TX-Betrieb des ersten Bandes und dem RX-Betrieb des kombinierten zweiten Bandes. Für die Fälle, in denen ein Diplexer eingesetzt werden kann, werden diese Anforderungen bereits erfüllt.
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In den Fällen vorgeschlagener CA-Bandpaare jedoch, in denen die Frequenzen der Bänder nahe beieinander liegen, beispielsweise bei den CA-Bandkombinationen 5 & 17, 8 & 20 oder 2 & 4 können herkömmliche Diplexer nicht enfach am Antennenanschluss kombiniert werden. In diesen Fällen ist die Isolation zwischen Tiefpass und Hochpass des Diplexers für die gegenseitige Isolation der Bänder nicht ausreichend und die Duplexer müssen direkt aneinander angepasst werden. Dazu muss im Durchlassbereich des einen Duplexers die Impedanz am Antennanschluss im anderen Duplexer als unendlich erscheinen, was gewöhnlich eine entsprechende Phasendrehung der Impedanz erfordert. Daher muss der Duplexer für Frequenzen des anderen Bands, also außerhalb seines Passbands, am Antennanschluss einen hohen Reflexionskoeffizienten aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem die Impedanz unter Zuhilfenahme eines Phasenschiebers in eben diesem Frequenzbereich nach unendlich gedreht wird.
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1 zeigt eine an sich bekannte Anordnung eines ersten und zweiten Duplexers DPX1, DPX2, die mit einem gemeinsamen Antennenanschluss AT verbunden sind. Zwischen Antennenanschluss AT und dem Eingang eines jeden Duplexers ist jeweils eine Phasenschiebeschaltung PS1, PS2 angeordnet, die die Impedanz im Passband des jeweils anderen Duplexers nach unendlich drehen soll.
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Typischerweise wird in den Duplexern das TX-Filter (Sendefilter) als Reaktanzfilter mit Ladder Type Anordnung ausgeführt, welches aus seriell und parallel verschalteten Resonatoren aufgebaut ist. Die Resonatoren können als SAW oder BAW Resonatoren ausgeführt sein. Das jeweilige RX-Filter (Empfangsfilter) kann neben der Ladder Type Struktur noch weitere Filterkomponenten aufweisen, beispielsweise akustisch gekoppelte Resonatorstrukturen wie etwa DMS-Strukturen.
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Die Übertragungscharakteristik eines Ladder Type Filters hat drei unterschiedliche charakteristische Abschnitte: Die Fernabunterdrückung, also den Out of band Bereich, die Tiefenpole oder Dämpfungsmaxima an beiden Seiten des Passbandes sowie das Passband selbst. Der einzelne Duplexer selbst nutzt vorteilhaft charakteristische tiefe Pole (Notches) im Übertragungsverhalten, um eine sehr hohe Dämpfung zwischen dem TX- und dem RX-Abschnitt zu erzielen. Während die Frequenz des Pols unterhalb des Passbandes in der Regel durch die Resonanzfrequenz des Parallelresonatoren bestimmt ist, ist die Frequenz des Pols überhalb des Passbandes durch die Antiresonanzfrequenz der Parallelresonatoren und die Resonanzfrequenz der Serienresonatoren bestimmt. Darüber hinaus muss natürlich die Serienresonanz der Serienresonatoren innerhalb des Passbandes liegen, ebenso wie die Anti-Resonanz der Parallelresonatoren.
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Zur Optimierung der genauen Lage von Dämpfungsmaxima relativ zum Passband oder zur Erhöhung der Bandbreite von Resonatoren ist es bekannt, Induktivitäten in Serie zu den Parallelresonatoren zu schalten. Dadurch gelingt es, weitere Pole in der Filterantwort zu schaffen. Da die zusätzlichen Induktivitäten jedoch einen begrenzten Qualitätsfaktor (Q-Faktor) aufweisen, führt eine Verschaltung mit diesen Induktivitäten zu zusätzlicher Einfügedämpfung im Passband. Außerdem, und dies ist noch schwerwiegender, reduzieren die Induktivitäten die Reflektivität der Duplexer bei weiter vom Passband entfernten Out-of-band-Frequenzen erheblich. Zumeist ist dies nicht störend, solange der Duplexer im Single Mode, also nicht im CA Mode betrieben wird. Die reduzierte Reflektivität wird aber zu einem erheblichen Problem, wenn der Duplexer als Teil eines Quadplexers betrieben wird, da sich dann die niedrigere Reflektivität des Duplexers bei bestimmten Frequenzen direkt und negativ auf die Einfügedämpfung im anderen Duplexer auswirken kann.
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2 zeigt eine Simulation, wie sich die Einfügedämpfung IL eines Filters bzw. Duplexers durch eine Induktivität, die in einem Parallelzweig verschaltet ist, als Funktion der Reflektivität REF am entsprechenden Antennenanschluss zusätzlich erhöht. Es zeigt sich, dass bei einer Reflektivität ab 0,8 und weniger eine ernsthafte Beeinträchtigung der Duplexer-Eigenschaften zu erwarten ist. Selbst wenn die Duplexer perfekt angepasst werden und ideale, also verlustfreie Anpassungselemente zur Anpassung an den gemeinsamen Antennenanschluss aufweisen, würde, wie Kurve K1 zeigt, auch in diesem Idealfall eine Reflektivität von 0,8 zu einem Verlust von ungefähr 0,45 dB im Passband führen. Jede Verschlechterung der Anpassung führte dann zu noch höherer Reflektivität und entsprechend höheren Verlusten. Eine Reflektivität von 0,6 mehr würde zu mehr als 1 dB erhöhter Einfügedämpfung führen. Weiter verschlechtert sich die Situation, wenn der Antennenanschluss einen schlechteren Reflektionskoeffizienten (S22) aufweist, was durch die weiteren Kurven in der Figur dargestellt ist.
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3 zeigt anhand einer Simulation den über die Frequenz FR aufgetragenen Reflektionskoeffizienten REF eines Duplexers am Antennenanschluss in Abhängigkeit vom Qualitätsfaktor Q der verwendeten Induktivität, der für Werte von Q = 50 (unterste Kurve) bis Q = 300 (oberste Kurve) aufgetragen ist. Es zeigt sich, dass auch der Qualitätsfaktor einen erheblichen Einfluss auf die Reflektivität und damit auf die Einfügedämpfung aufweist. Die in der Figur dargestellten Werte sind für einen Duplexer berechnet, der im ersten Parallelzweig eine Induktivität in Serie zum Parallelresonator aufweist, also in dem Parallelzweig, der in der Verschaltung der Zweige dem Antennenanschluss am Nächsten gelegen ist. Ein weiterer Duplexer, dessen Band entweder unterhalb oder oberhalb des dargestellten Passbandes liegt, wird aufgrund der schlechten Reflektivität hohe Verluste aufweisen. Selbst eine ideale Spule oder nachträgliche Anpasselemente können diesen Effekt nicht beheben.
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Neben dem Nachteil bezüglich der erhöhten Reflektivität zeigt die Induktivität auch einen Vorteil, indem sie die RX-/TX-Isolation im Passband des RX-Filters verbessert. Betrachtet man außerdem den einzelnen Duplexer, so wird die Einfügedämpfung durch eine Induktivität mit einem Qualitätsfaktor von 50 nur unwesentlich reduziert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Duplexer anzugeben, der sowohl die gute RX-/TX-Isolation aufweist, der aber für einen Betrieb in einem Quadplexer ausgelegt werden kann und der bezüglich der Reflektivität am gemeinsamen Antennenport verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Duplexer mit dem Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und insbesondere aus derartigen Duplexern hergestellte Quadplexer gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung zeigt, dass in einem Filter die Auswahl des Parallelpfads, in dem die Induktivität verschaltet ist, einen wesentlichen Einfluss auf die Reflektivität des Filters hat. Es wurde festgestellt, dass die herkömmliche Anordnung der Induktivitätin einem Parallelpfad in direkter Nachbarschaft zum Antennenanschluss, die nachteiligste ist. Die Erfindung zeigt nun, dass die vorteilhafteste Anordnung der Induktivität eine Serienverschaltung mit demjenigen Parallelresonator ist, der in dem Parallelarm angeordnet ist, der am weitesten vom Antennenanschluss entfernt ist.
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Der vom Antennenanschluss gesehen erste Parallelarm des erfindungsgemäßen Duplexers ist muss dann direkt gegen Masse geschaltet sein. Vorteilhaft ist es auch, die weiteren Parallelarme, mit Ausnahme des vom Antennenanschluss am weitesten entfernten Arms, direkt gegen Masse zu verschalten.
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Ein erfindungsgemäßer Duplexer weist einen Antennenanschluss auf, der mit zwei Teilpfaden verbunden ist, nämlich einem Sendepfad und einem Empfangspfad. Im Sendepfad sind seriell verschaltete Serienresonatoren angeordnet, während parallel dazu n-Parallelpfade gegen Masse geschaltet sind. In jedem Parallelpfad ist jeweils ein Parallelresonator oder eine Kaskade von seriell verschalteten Parallelresonatoren angeordnet. Für die Anzahl n gilt dabei vorzugsweise 0 < n < 8. Es sind auch mehr als 8 Parallelzweige möglich, wobei dies im im Normalfall aber nicht erforderlich oder vorteilhaft ist und meistens auch maximal 5 Parallelzweige ausreichend sind. Zumindest in einem Parallelpfad ist in Serie zu einem Parallelresonator eine Induktivität gegen Masse geschaltet, wobei der Parallelarm, der dem Antennenanschluss am nächsten gelegen ist, direkt gegen Masse geschaltet ist, weil darin keine Induktivität angeordnet ist.
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Im erfindungsgemäßen Duplexer entspricht die TX-/RX-Isolation bei Frequenzen um das Passband herum im Wesentlichen dem eines bekannten Duplexers mit einer Induktivität am ersten Parallelarm, aber die Reflektivität ist nun wesentlich besser und der Duplexer zeigt eine geringere Abhängigkeit vom Q-Faktor der Induktivität. Dies hat den Vorteil, dass keine hochwertigen Induktivitäten erforderlich sind, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
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Ein erfindungsgemäßer Duplexer kann mehrere Induktivitäten aufweisen, die in Serie zu unterschiedlichen Parallelarmen des Duplexers geschaltet sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zusätzliche Pole im Out-of-band-Bereich des Filters erzeugt werden sollen, um Störungen bei bestimmten Systemfrequenzen zu unterdrücken. Solche Systemfrequenzen sind solche, die zusätzlich zu den Bändern des Duplexers und gegebenenfalls des aus zwei Duplexern zusammengesetzten Quadplexers im Mobiltelefon bedient werden können.
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Auch für mehrere solcher Induktivitäten gilt, dass sie in maximaler Entfernung zum Antennenanschluss in der Ladder Type-Schaltung angeordnet werden. Dabei zeigt bereits die Maßnahme, den ersten Parallelresonator, also den Parallelresonator im ersten Parallelarm (vom Antennenanschluss her gesehen) direkt gegen Masse zu schalten und in diesem Parallelarm keine Induktivität anzuordnen, den größten Effekt und wird aber dadurch noch weiter verbessert, indem die Induktivität in demjenigen Parallelarm angeordnet wird, der am weitesten vom Antennenanschluss entfernt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßer erster Duplexer für ein erstes Sendeband und ein erstes Empfangsband ausgelegt. Am Antennenanschluss ist ein zweiter Duplexer angeschlossen, der für ein zweites Sendeband und ein zweites Empfangsband ausgelegt ist, wobei die Bänder von erstem und zweitem Duplexer verschieden sind. Zwischen dem Antennenanschluss und dem ersten Duplexer sowie zwischen dem Antennenanschluss und dem zweiten Duplexer ist jeweils eine Phasenschieberschaltung angeordnet, welche die Impedanz für die Frequenzen des eines Sende- und/oder Empfangsbandes im jeweils anderen Duplexers nach unendlich dreht. Auch für den zweiten Duplexer gilt, dass dessen Sendepfad seriell verschaltete Serienresonatoren und davon abzweigend gegen Masse verschaltete Parallelpfade umfasst, in denen jeweils ein Parallelresonator oder eine Kaskade seriell verschalteter Parallelresonatoren angeordnet ist. Zumindest einer der Parallelpfade im Sendepfad ist in Serie mit einer Induktivität gegen Masse geschaltet, wobei der Parallelpfad, der dem Antennenanschluss am nächsten gelegen ist, einen Parallelresonator aufweist, der direkt gegen Masse geschaltet ist, so dass in dem entsprechenden Parallelpfad keine Induktivität angeordnet ist.
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Diese Ausführungsform stellt einen Quadplexer dar, der auch bei nahe benachbarten, aber dennoch unterschiedlichen Bändern eine saubere Trennung beziehungsweise eine gute Isolation zwischen beiden Duplexern aufweist.
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Der Einsatz solcher Quadplexer ist bis nur zu einem bestimmten maximalen Abstand der verbundenen Bänder sinnvoll bzw. vorteilhaft, da weiter entfernte Bänderpaare eines Quadplexers mit Hilfe eines Diplexers problemlos getrennt werden werden können. Dennoch kann der erfindungsgemäße Quadpülexer auch diese Bänderpaare trennen.
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Wenn der erste Duplexer für Band X und der zweite Duplexer für Band Y ausgelegt ist und wenn fC1 die Mittenfrequenz im Empfangsband von Band X ist und fC2 die Mittenfrequenz im Empfangsband von Band Y ist, so gilt als Grenze, wenn fC1 und fC2 über den Zusammenhang fC1 ≤ 1,45 fC2 verknüpft sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind fC1 und fC2 über den Zusammenhang fC1 ≤ 1,30 fC2 verknüpft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind fC1 und fC2 über den Zusammenhang fC1 ≤ 1,20 fC2 verknüpft. Auch für diesen geringen Abstand der aufzutrennenden Bänder ergibt sich eine ausgezeichnete Isolation.
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Aufgrund der erfindungsgemäß angeordneten Induktivität ist der erfindungsgemäße Quadplexer auch in der Reflektivität verbessert und kann so ohne Probleme in einem CA-Modus betrieben werden, bei dem zusätzlich zu TX- und RX-Betrieb eines Bandes zumindest ein weiteres aus zusätzlichem Sendeband und/oder zusätzlichen Empfangsband aktiv ist, um die Datenrate beziehungsweise die Bandbreite während einer Gesprächs- oder Datenverbindung zu erhöhen. Die Induktivität ermöglicht es, die TX-/RX-Isolation nicht nur in einem Duplexer, sondern auch im Quadplexer zu verbessern, ohne dass dadurch die Reflektivität verschlechtert wird. Darüber hinaus ist es möglich, Induktivitäten mit geringen Q-Faktoren, also kostengünstige Komponenten, zu verwenden, da die Abhängigkeit der Duplexer beziehungsweise die Abhängigkeit der Quadplexereigenschaften vom Q-Faktor der Induktivitäten nur sehr gering beziehungsweise gar nicht ausgeprägt ist.
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Da die Tx/Rx Isolation und die Isolation zwischen den beiden verbundenen Bändern mit der Erfindung wesentlich verbessert ist, können die Bänder in einem erfindungsgemäßen Quadplexer mit einem beliebigen Duplexverfaren betrieben wereen. Es ist auch möglich, innerhalb des Quadplexers unterschiedliche Duplexverfahren für die beiden Bänder bzw. die beiden verbundenen Duplexer einzusetzen. Es ist möglich, ein FDD Verfahren im ersten Duplexer mit einem TDD Verfahren im zweiten Duplexer, bzw. einem Teilfilter des zweiten Duplexers zu kombinieren. Dies gilt auch für bislang noch nicht realisierte aber denkbare CA Kombinationen zweier Rx Bänder und zweier Tx Bänder, die einen vollen Quadplexerbetrieb für eine einzige Kommunikationsverbindung erfordern, der mit den erfindungsgemäßen Duplexern möglich ist.
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In einer Ausführungsform ist in einem der beiden Duplexer in einem weiteren Parallelarm eine weitere Induktivität in Serie zu einem weiteren Parallelresonator geschaltet. Der Induktivitätswert dieser weiteren Induktivität ist so bemessen, dass sich ein weiterer Dämpfungspol ergibt, der zu einer erhöhten Dämpfung bei einer weiteren Systemfrequenz führt. Auf diese Weise ist es möglich, im Übertragungsverhalten des Duplexers eine Systemfrequenz auszublenden, die vom Mobiltelefon genutzt wird. Solche herauszufilternde Systemfrequenzen können einem Tx- oder Rx-Band eines beliebigen anderen Kommunikations- oder Navigationsbandes wie GSM, WCDMA, GPS GLONASS, Galileo, Bluetooth, W-Lan, WiFi, oder oder IoT (Internet of Things) und/oder einer DBT-Frequenz zugeordnet sein. Prinzipiell ist es auf diese Weise möglich, beliebige weitere Pole zu erzeugen, beziehungsweise die weiteren Pole an beliebige Frequenzen zu verschieben, um den Duplexer vor störenden Einflüssen bei diesen Systemfrequenzen zu schützen. Üblicherweise aber nicht generell ist die Anzahl der Pole furch die Anzahl der Quer- bz. Parallelzweige im Filter begrenzt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßer Duplexer an eine Antenne beziehungsweise an einen Antennenanschluss gekoppelt, an den zumindest ein weiterer Sendezweig mit einem weiteren Sendefilter oder ein weiterer Empfangszweig mit einem weiteren Empfangsfilter oder ein zweiter Duplexer angekoppelt ist. Zwischen der Antennen und dem weiteren Sendezweig oder zwischen der Antenne und dem weiteren Empfangszweig ist zumindest ein Phasenschieber angeordnet, der am Eingang des ersten Duplexers die Impedanz für Frequenzen des jeweils anderen Sendezweigs und/oder des anderen Empfangszweigs des zweiten Duplexers nach unendlich dreht, oder der im weiteren Empfangszweig die Impedanz für Frequenzen des Sendefilters des Duplexers nach unendlich dreht. Die gesamte Anordnung mit dem ersten Duplexer und dem weiteren Zweig ist zum Betrieb in einem Carrier Aggregation Mode ausgebildet. Dieser ermöglicht zur gleichen Zeit Sende- und Empfangsbetrieb über den Sende- und Empfangspfad des Duplexers und darüber hinaus Empfangsbetrieb über das weitere Empfangsfilter oder Empfangs- oder Sendebetrieb über das Empfangsfilter oder das Sendefilter des zweiten Duplexers. Über den Phasenschieber ist garantiert, dass keine störenden Sendefrequenzen in das Empfangspfad eines an dem gleichen Antennenanschluss angekoppelten Empfangsfilters oder des Empfangsteilfilters eines Duplexers gelangen können. Damit wird eine Multiplex-Funktion auch beieinander nahe benachbarten Frequenzen der zu trennenden Zweige ermöglicht. Ferner wird eine hohe Reflektivität generiert, so dass beide Filter hinsichtlich ihrer Einfügedämpfung optimal ausgestaltet werden können.
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In einer Ausführungsform ist ein erster und ein zweiter Duplexer an die gemeinsame Antenne gekoppelt. Der erste Duplexer ist für das LTE-Band 5 ausgelegt, während der zweite Duplexer für das LTE-Band 17 ausgelegt ist. Als Phasenschieber kann in dieser Ausführung eine Induktivität dienen, die parallel zum Antennenanschluss und damit parallel zur Antenne gegen Masse geschaltet ist. In dieser Ausführung wird bereits mit diesem einzigen Element die Funktion eines Phasenschieber realisiert. Das Element wirkt dabei für die Signale beider Duplexer in der gewünschten Weise, dass es die Impedanzen von Frequenzen des jeweils anderen Duplexers nach unendlich dreht. Für andere Bandkombinationen im Carrier Aggregation Mode, bei denen zwei Duplexer mit einer gemeinsamen Antenne verbunden werden, können zusätzliche Elemente für die zumindest eine Phasenschieberschaltung erforderlich sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch ausgeführt und dienen nur zum besseren Verständnis, so dass auf die Darstellung unwichtiger oder selbstverständlicher Details verzichtet sein kann.
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1 zeigt einen für die Erfindung vorgeschlagenen Quadplexer mit zwei Duplexern, die mit einem gemeinsamen Antennenanschluss verbunden sind.
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2 zeigt anhand verschiedener Graphen die Abhängigkeit der Verluste eines ersten Filters von der Reflektivität eines zweiten Filters sowie von der Reflektivität am Antennenanschluss.
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3 zeigt für einen aus dem Stand der Technik bekannten Duplexer den Verlauf der Reflektivität über der Frequenz in zusätzlicher Abhängigkeit von dem Gütefaktor einer nahe dem Antennenanschluss angekoppelten Induktivität.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Duplexerschaltung.
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5 zeigt das Passband von Sende- und Empfangsfilter eines erfindungsgemäßen Duplexers.
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6 zeigt das Übertragungsverhalten des erfindungsgemäßen Duplexers im Vergleich zu einem bekannten Duplexer.
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7 zeigt ähnlich wie 3 den Verlauf der Reflektivität über die Frequenz, aufgetragen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Gütefaktoren eines erfindungsgemäßen Duplexers.
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8 zeigt einen erfindungsgemäßen Duplexer mit einem zusätzlichen Dämpfungspol.
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9 und 10 zeigen das Übertragungsverhalten des in 8 dargestellten erfindungsgemäßen Duplexers.
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11 zeigt dessen Reflektivität über die Frequenz.
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12 zeigt eine Duplexerschaltung mit einem erfindungsgemäßen Phasenschieber für eine spezielle Bandkombination.
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13 und 14 zeigen die Isolation zweier erfindungsgemäßer, zu einem Quadplexer zusammengekoppelter Duplexer.
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15A bis 15C zeigen Tabellen mit vorgeschlagenen Bandkombinationen für einen Betrieb im Carrier Aggregation Mode nach 3GPP.
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1 zeigt eine Quadplexerschaltung, in der ein erster Duplexer DPX1 und ein zweiter Duplexer DPX2 mit einem gemeinsamen Antennenanschluss AT verbunden sind. Im ersten gemischten Sende- und Empfangspfad TRP1 und dem ersten Duplexer DPX1 ist eine erste Phasenschieberschaltung PS1 angeordnet, während eine zweite Phasenschieberschaltung PS2 im zweiten gemischten Sende- und Empfangspfad TRP2 zwischen dem Antennenanschluss AT und dem zweiten Duplexer DPX2 angeordnet ist. Die Phasenschieberschaltungen PS bewirken, dass die Eingangsimpedanzen ZI in einem gemischten Sende- und Empfangspfad TRP für Signale des jeweils anderen Duplexers hoch sind, was dadurch bewirkt wird, dass die Impedanz des jeweiligen anderen Signals nach unendlich gedreht wird. Dementsprechend ist die Eingangsimpedanz ZI1 im ersten gemischten Sende- und Empfangspfad TRP1 hoch für Signale des zweiten Duplexers DPX2. Entsprechend ist die Eingangsimpedanz ZI2 im zweiten gemischten Sende- und Empfangspfad TRP2 für Signale des ersten Duplexers DPX1 hoch. Die Phasenschieber werden so eingestellt, dass z.B. der Phasenschieber PS1 die Impedanz von Signalen des zweiten Duplexers DPX2 derart verdreht, dass der erste Duplexer DPX1 möglichst wenig belastet wird, die Signale des zweiten Duplexers also mögichst gut reflektiert werden. Entsprechendes gilt für den zweiten Phasenschieber PS2 mit vertauschten Zuordnungen.
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Mit solch einer Quadplexerschaltung gelingt es, Duplexer mit nahe beieinander liegenden Frequenzbändern sauber gegeneinander zu isolieren, um einen ungestörten Quadplexerbetrieb zu ermöglichen. Selbstverständlich unterstützt der Quadplexer auch einen Triplexerbetrieb, wenn über den ersten Duplexer DPX1 Vollduplexbetrieb läuft, während der zweite Duplexer DPX2 nur als Sendefilter oder nur als Empfangsfilter genutzt wird. Ein solcher Triplexerbetrieb entspricht dem Carrier Aggregation Mode, für den mit der vorgeschlagenen Architektur keine separaten Sende- oder Empfangsfilter für das einzelne dazugekoppelte Band erforderlich sind. Erfindungsgemäß nutzt die Quadplexerschaltung vielmehr den zweiten Duplexer als Filter im CA Mode für das zuätzliche Band.
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Auch wenn ein Quadplexer wie in 1 dargestellt eine gute Isolation der beiden von den Duplexern genutzten Frequenzenbänder gegeneinander ermöglicht, so ist der Quadplexer insbesondere im Triplexer- oder Quadplexerbetrieb aufgrund von hohen Reflexionen anfällig für elektrische Verluste. 2 zeigt in anschaulicher Weise, wie die Verluste mit abnehmender, das heißt schlechter werdender Reflektivität ansteigen. Dargestellt sind dabei nur die zusätzlichen Verluste, die durch die Reflektivität am Antennenanschluss erzeugt werden. Die verschiedenen Graphen sind für verschiedene Szenarien mit unterschiedlichem S22 Wert bestimmt. Ist S22 minimal (also perfekte Anpassung, siehe oberste Kurve), dann ist die zusätzliche Einfügedämpfung rein auf die begrenze Reflektivität des “anderen” Duplexers zurückzuführen. Jede Fehlanpassung an der Antenne verschlechtert dieses Verhalten nur. Die unterschiedlichen Graphen zeigen, dass die Kurve zwar mit einer optimalen Anpassung noch etwas verflacht werden kann, aber dennoch die Verluste stark ansteigen, wenn die Reflektivität weiter absinkt.
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Es zeigt sich, dass mit einer Reflektivität von beispielsweise 0,8 und schlechter bereits hohe Verluste im Bereich von ca. 0,45 dB entstehen, die bei einer Reflektivität von 0,6 und weniger bereits zu mehr als 1 dB Verschlechterung führen. Die Situation wird weiter noch dadurch verschlechtert, wenn die Antenne von Haus aus einen schlechten Reflektionskoeeffizienten aufweist.
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3 zeigt die über die Frequenz aufgetragene Reflektivität eines an sich bekannten Duplexers, der in einem ersten Parallelzweig mit einer Induktivität gegen Masse in Serie geschaltet ist. Die verschiedenen Kurven sind Induktivitäten mit unterschiedlichen Gütefaktoren Q zugeordnet. Die Streuung der Kurven zeigt, dass ein schlechter Gütefaktor dieser Induktivität die Reflektivität zusätzlich verschlechtern kann.
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Doch selbst mit einem hochgütigem Element mit einer Güte von beispielsweise Q = 300 wird bei einem bekannten Duplexer dennoch eine unzulässig hohe Reflektivität und in der Folge unzulässig hohe Verluste bei bestimmten Frequenzen erzeugt (siehe auch 2).
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Ein erfindungsgemäßer Duplexer, der das Problem der zu hohen Reflektivität am Antennenanschluss wesentlich reduziert, ist in 4 dargestellt. Wie üblich ist ein Sendezweig TX und ein Empfangszweig RX mit dem gemeinsamen Antennenanschluss AT verbunden. Sowohl im Sende- als auch im Empfangszweig ist je ein Filter als Ladder Type Verschaltung von Resonatoren ausgebildet. So umfasst der Sendezweig eine Reihe von seriellen Resonatoren TRSX, zu denen in Parallelzweigen Parallelresonatoren TRPX gegen Masse geschaltet sind. In der Figur sind drei Serienresonatoren TRS1 bis TRS3 und drei Parallelarme mit Parallelresonatoren TRP1 bis TRP3 dargestellt. In Serie zum dritten Parallelarm ist eine Parallelinduktivität PI1 gegen Masse geschaltet. Das Empfangsfilter im RX-Zweig RX weist hier eine ähnliche Ladder Type Struktur mit der gleichen Anzahl von seriellen und parallelen Resonatoren RRS und RRP auf, die sich vom Sendefilter lediglich in ihren Resonanzfrequenzen unterscheiden.
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Zwischen jedem der beiden Filter und dem Antennenanschluss AT ist eine Phasenschieberschaltung PS1, PS2 vorgesehen, die für die TX-/RX-Isolation innerhalb des Duplexers verantwortlich ist. Jede Phasenschieberschaltung umfasst zumindest ein Element, ausgewählt aus Induktivität oder Kapazität, welches parallel oder in Serie zum jeweiligen Zweig geschaltet sein kann. Phasenschieberschaltungen können auch L-, T- und Π-Schaltungen umfassen. Möglich ist es auch, die beiden Phasenschieberschaltungen in den beiden Zweigen mithilfe einer einzigen Phasenschieberschaltung zu realisieren.
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In 5 zeigen die dicker gezeichneten Kurven K1 die Passbänder des in 4 dargestellten Duplexers für das Sendeband und das Empfangsband, wobei die zweiten Kurven K2 jeweils das gleiche Filter beziehungsweise die gleichen Duplexer ohne Parallelinduktivität zeigt. Aus der Figur geht hervor, dass die zusätzliche Parallelinduktivität Bandbreite und Flanken der Passbänder nahezu unverändert lässt.
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Was sich mit der zusätzlichen Induktivität jedoch verbessert, ist die TX-/RX-Isolation im Passband des RX-Filters, die in 6 dargestellt ist. Für das gewählte Ausführungsbeispiel wird eine um 20 dB verbesserte Isolation erzielt. Demgegen- über ist die minimale Verschlechterung im Passband des TX-Filters vernachlässigbar und somit der positive Effekt der Erfindung augenscheinlich.
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7 zeigt, dass praktisch kein Einfluss des Q-Faktors der eingesetzten zusätzlichen nduktivität PI1 auf die Reflektivität des in 4 dargestellten Duplexers am Antennenanschluss sichtbar ist. In der 7 ist der Verlauf der Reflektivität für verschieden Q-Werte (von Q = 50 bis 300) der Induktivität übereinander dargestellt. Die Kurven lassen sich praktisch nicht unterscheiden. Der Vergleich mit der entsprechenden Darstellung in 3 für einen bekannten Duplexer zeigt die erheblich verbesserte Reflektivität des erfindungsgemäßen Duplexers. Insbesondere nahe dem Passband, knapp unterhalb und knapp oberhalb desselben ist die Reflektion um zumindest 0,1 verbessert, was nach 2 eine Reduktion der Einfügeverluste von 0,3 bis 0,5 dB bedeutet.
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Die erfindungsgemäße Idee, die Parallelinduktivität möglichst weit vom Antennenanschluss entfernt anzurdnen, kann auf mehrere Induktivitäten ausgeweitet werden, die mit anderen Parallelarmen in Serie geschaltet sind. Auch hier gilt, dass die weiteren Induktivitäten maximal vom Antennenanschluss entfernt sind und auf jeden Fall der erste Parallelarm frei von einer zusätzlichen Induktivität bleibt. Mit diesen weiteren Induktivitäten können zusätzliche Dämpfungsmaxima an kritischen Frequenzen geschaffen werden, um bestimmte Systemfrequenzen herauszufiltern.
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Der in 8 dargestellte Duplexer kann beispielsweise für Band 17 ausgelegt sein. Mit der zusätzlichen Induktivität kann dabei eine erhöhte Dämpfung, also ein Dämpfungsmaxima bei den Frequenzen von Band 5 erzeugt werden, um für einen möglichen Carrier Aggregation Mode die TX-/RX-Isolation zwischen den Duplexern zu erhöhen. Ein weiteres Dämpfungsmaxima kann bei ca. 2,4 GHz erzeugt werden, um WLAN Frequenzen zu dämpfen. Auf diese Weise werden die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Duplexers weiter für dessen Verwendung in einem Quadplexer und hier insbesondere für die Verwendung im Carrier-Aggregation-Mode für Band 5/Band 17-verbessert.
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9 zeigt das Übertragungsverhalten des in 8 dargestellten und für Band 17 ausgelegten Duplexers im Bereich der Passbänder und den unmittelbar benachbarten Bereichen, insbesondere in dieser Ausführungsform einen bei Mittenferequenz von Band 5 erzeugten Notch.
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10 zeigt die Isolation des Duplexers im Bereich der WLAN Frequenz bei ca. 2500 MHz, die durch das erzeugte zusätzliche Dämpfungsmaxima verbessert ist. In allen Fällen ist die Rx/Tx Isolation ISO wesentlich verbessert.
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11 zeigt die über die Frequenz aufgetragene Reflektivität des in 8 dargestellten und für Band 17 ausgelegten Duplexers mit den zwei Parallelinduktivitäten. Es sind verschiedene Kurven aufgetragen, bei denen die Güten der eingesetzten Induktivität von 50 bis 300 variiert. Auch hier zeigt sich, dass trotz der zweiten Induktivität die Reflektivität insbesondere nahe des Passbandes nur unwesentlich verändert ist und gegenüber einem bekannten Duplexer stark verbessert ist. Es zeigt sich zwar eine Abhängigkeit vom Gütefaktor der verwendeten Induktivitäten, die jedoch sehr gering ausgeprägt ist. Die Graphen für Duplexer, in denen Induktivitäten mit unterschiedlichen Güten verwendet wurden, zeigen eine große Ähnlichkeit und unterscheiden sich in den Beträgen nur minimal.
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12 zeigt eine vereinfachte Schaltung eines Band 5/Band 17 Quadplexers mit erfindungsgemäßen Duplexern. Für die spezielle Bandkombination und die erfindungsgemäßen Duplexer können die Phasenschieberschaltungen durch eine einzige Parallelinduktivität PI realisiert werden, die parallel zum Antennenanschluss AT gegen Masse geschalten ist. Jeder der beiden einzelnen Duplexer DPX1, DPX2 ist dabei so optimiert, dass er eine möglichst gute Reflektivität bei gleichzeitig hoher Isolation des TX-Signals gegenüber dem im CA-Mode angekoppelten weiteren RX-Zweig aufweist. Im Quadplexer von 12 sind die Phasen der beiden Duplexer in geeigneter Weise gegeneinander optimiert, was zusätzlich zum Erfolg des einzigen Phasenschieberelements, also der Parallelinduktivität PI beiträgt. Zusätzlich zu der Einsparung an Elementen wird auf diese Weise auch der Verlust an Einfügedämpfung so klein wie möglich gehalten.
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Die 13 und 14 zeigen die verbesserte Isolation, die mit einem aus erfindungsgemäßen Duplexern zusammengefügten Quadplexer gegenüber einem Quadplexer aus bekannten Duplexern erzielt werden kann.
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In 13 ist die Isolation für einen Quadplexer dargestellt, der aus bereits existierenden Duplexern für Band 5 und Band 17 zusammengesetzt wurde. Keiner der beiden Duplexer wurde im Hinblick auf Carrier Band Aggregation hin entwickelt, so dass diese Duplexer bzw. der daraus hergestellte Quadplexer die bereits eingangs beschriebenen Probleme aufweisen. So ist z.B. im RX-Band der beiden Duplexer die Isolation wesentlich schlechter als im TX-Band
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In 14 sind die Duplexer für Band 5 und Band 17 erfindungsgemäß ausgebildet und sind nun für einen Einsatz für Carrier Band Aggregation Betrieb tauglich. Beim erfindungsgemäßen Quadplexer gemäß 14 zeigt sich eine wesentlich verbesserte Isolation im jeweiligen Bereich der RX-Frequenzen beider Duplexer. In beiden Bändern beträgt die Isolation nun mehr als 60 dB und ist somit um 20 dB und mehr verbessert.
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Durch Vergleich der 13 und 14 kann somit gezeigt werden, dass durch den jeweils zweiten Duplexer in einem Quadplexerbetrieb oder in einem Carrier Aggregation Mode keine ersichtliche Verschlechterung im RX-Bereich mehr auftritt, wie sie noch gemäß 13 bei bekannten Quadplexern beziehungsweise bei Quadplexern, die aus bekannten Duplexern hergestellt wurden, beobachtet wird.
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Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben und ist daher nicht auf diese beschränkt. Erfindungsgemäße Duplexer können auch für andere LTE-Bänder optimiert werden, und geeignete Duplexer können zu Quadplexern verschaltet werden. Dabei werden auch die beispielsweise in 15A angeführten und von der 3 GPP im aktuellen Release vorgeschlagenen Bandkombinationen für Carrier Aggregation Mode im Bereich FDD Rx unterstützt. 15B zeigt die von der 3 GPP (TS36.101) vorgeschlagenen entsprechenden Bandkombinationen für Interband Carrieraggregation für Tx FDD Bänder. 15C zeigt die vorgeschlagenen entsprechenden Bandkombinationen für Interband Carrieraggregation für Tx TDD Bänder.
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Für die in 15A enthaltenen CA Moden, die drei verschiedene Bänder kombinieren gilt, dass dabei jeweils nur zwei Bänder einander so eng benachbart sind, dass ein aus erfindungsgemäßen Duplexern aufgebauter Quadplexer zumn Einsatz kommen muss. Die Frequenzlage des dritten Bandes ist ausreichend weit von der der beiden anderen Bänder entfernt, so dass zu deren Trennung ein einfacher Diplexer ausreichend ist, der dem Quadplexer vorgeschaltet werden kann.
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Durch die wesentlich verbesserte Isolation erfindungsgemäßer Duplexer wird auch im Carrier Aggegation Mode, bei dem zwei Duplexer aggegiert sind und gleichzeitig am selben Antennenanschluss betrieben werden, keine weitere Verschlechterung im Passband und insbesondere im jeweiligen RX-Band der Duplexer beobachtet.
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Ein erfindungsgemäßer Duplexer kann natürlich auch ausschließlich im reinen Duplexbetrieb oder alternativ im Duplex- oder Quadplexbetrieb betrieben werden.
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Begriffs- und Bezugszeichenliste
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- DPX1, DPX2
- Duplexer, erster uned zweiter
- AT
- Antennenanschluss
- TX
- Sendepfad
- RX
- Empfangspfad
- TRS1
- Serienresonatoren im Sendepfad
- RRS1
- Serienresonatoren im Empfangspfad
- RRP
- Parallelresonator im Sendepfad
- TRP
- Parallelresonator im Empfangspfad
- PI
- Induktivität, verschaltet Parallelpfad gegen Masse
- PS1, PS2
- Phasenschieberschaltung
- TRP1, TRP2
- Gemischte Sende-/Empfangspfade
- ZI1
- Eingangsimpedanz in TRP1
- ZI2
- Eingangsimpedanz in TRP2
- IL
- Einfügedämpfung
- REF
- Reflektivität (Reflexionskoeffizient)
- K1
- Optimale Kurve in 2
- FR
- Frequenz
- ISO
- Isolation
- LB
- LowBand (< 1GHz)
- MB
- MidBand (1GHz < MB < 2,2GHz)
- HB
- HighBand (2,2GHz < HB < 3GHz)
- UB
- UltrahighBand (3GHz < UB)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard 3 GPP TS 36.101 [0001]