DE102016107628A1

DE102016107628A1 - Multiplexer-Schaltung für Tx-Carrier-Aggregation

Info

Publication number: DE102016107628A1
Application number: DE102016107628.7A
Authority: DE
Inventors: Edgar Schmidhammer
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-10-26
Also published as: WO2017189426A1

Abstract

Es wird eine Multiplexer-Schaltung für Tx-Carrier-Aggregation angegeben. Die Schaltung umfasst einen ersten Sendeport, einen zweiten Sendeport und einen gemeinsamen Port. Ferner umfasst die Schaltung ein erstes Sendefilter, das mit dem ersten gemeinsamen Port verschaltet und mit dem ersten Sendeport verschaltbar ist. Ein erster Schalter ist mit dem ersten Sendefilter, dem ersten Sendeport und einer ersten Abschluss-Impedanz verschaltet. Das erste Sendefilter bildet einen Signalweg gegen Masse, wenn es mit der ersten Abschluss-Impedanz verschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft Multiplexer-Schaltungen für Tx-Carrier-Aggregation, z. B. für den Einsatz in Mobilfunkgeräten.
Die Anforderungen an Mobilfunkgeräte steigen. Solche Geräte sollen mehr Funktionen bieten und Daten mit höheren Übertragungsraten übermitteln können. Daten, z. B. akustische oder digitale Informationen, werden als HF-Signale sowohl von einer Basisstation zu einem Mobilfunkgerät (Downlink) als auch vom Mobilfunkgerät zur Basisstation (Uplink) in bestimmten Frequenzbändern und unter Verwendung bestimmter Übertragungsmodi übermittelt. Um die Übertragungsrate im Downlink zu erhöhen, sind Carrier-Aggregation-Systeme (CA-Systeme) bekannt, bei denen Informationen über zwei verschiedene Empfangs-Frequenzbänder gleichzeitig übermittelt werden (Rx-CA).
Downlink-Carrier-Aggregation-Systeme sind z. B. aus der DE 10 2011 018918 bekannt.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Empfangssignalen und Sendesignalen ist der um Größenordnungen unterschiedliche Leistungsbereich der Signale. Das gleichzeitige Übertragen von zwei leistungsstarken Sendesignalen (Tx-Signalen) ist problematisch und aufgrund der hohen Leistungen im Allgemeinen nicht möglich: In üblichen Mobilfunkgeräten werden Sende- und Empfangssignale über Frequenzweichen wie Diplexer, Duplexer oder Arrays von Schaltern geführt. Insbesondere bei FDD-Systemen (FDD = Frequency Division Duplexing = Frequenzduplex) ist die Verwendung von Duplexern praktisch unumgänglich. Diplexer, Schalter und insbesondere Duplexer zeigen ein nicht hundertprozentig lineares Verhalten. Speziell bei starken HF-Signalen entstehen durch nichtlineare Effekte, z. B. durch passive Intermodulation in Duplexern, Störsignale, deren Leistungspegel die Funktionalität und sogar die Unversehrtheit konventioneller Mobilfunkgeräte gefährden. Die in den Mobilfunkgeräten enthaltenen Multiplexer-Schaltungen sind deshalb an diese neuen, hohen Anforderungen anzupassen.
Aus der WO 2014 005061 sind Duplexer-Schaltungen mit Bandstoppfiltern zum Eliminieren störender Sendesignale bekannt.
Aus der US 2015 365218 sind HF-Schaltungen zur Aufbereitung von Modulationssignalen bekannt.
Aus der EP 2696520 sind Diplexer zur Trennung verschiedener Sendesignale bekannt.
Besonders problematisch sind zwei gleichzeitig anliegende Sendesignale im gleichen Mobilfunkgerät, wenn die Frequenzen der beiden Sendesignale so dicht zusammenliegen, dass die Trennung über einen Diplexer nicht mehr sinnvoll möglich ist und damit die Verwendung eines Duplexers mit nichtlinearem Verhalten zwingend erforderlich ist. Zusätzlich zeigt sich, dass in Mobilfunkgeräten verbaute Leistungsverstärker selbst aufgrund von nichtlinearem Verhalten durch Bildung von Störsignalen auf starke Sendesignale anderer Sendesignalpfade reagieren.
Es besteht deshalb die Aufgabe, Multiplexer-Schaltungen anzugeben, die den Betrieb mit Tx-Carrier-Aggregation ermöglichen. Eine solche Multiplexer-Schaltung ist in Anspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Die Multiplexer-Schaltung für Tx-Carrier-Aggregation umfasst einen ersten Sendeport, einen zweiten Sendeport und einen ersten gemeinsamen Port. Ferner hat die Schaltung ein erstes Sendefilter, das mit dem ersten gemeinsamen Port verschaltet und mit dem ersten Sendeport verschaltbar ist. Außerdem hat die Multiplexer-Schaltung ein zweites Sendefilter, das mit dem ersten gemeinsamen Port verschaltet und mit dem zweiten Sendeport verschaltet oder verschaltbar ist. Die Schaltung hat außerdem eine erste Abschluss-Impedanz Z1 und einen ersten Schalter, der mit dem ersten Sendefilter, dem ersten Sendeport und der ersten Abschluss-Impedanz Z1 verschaltet ist. Das erste Sendefilter bildet einen Signalweg gegen Masse, wenn es mit der ersten Abschluss-Impedanz Z1 verschaltet ist.
Es wird also eine Multiplexer-Schaltung angegeben, in der HF-Signale, insbesondere Störsignale, vom ersten Sendefilter über den ersten Schalter und die erste Abschluss-Impedanz gegen Masse abgeführt werden können. Die Kombination aus erster Abschluss-Impedanz Z1 und dem ersten Sendefilter stellen somit für HF-Signale, insbesondere für unerwünschte HF-Signale, einen alternativen Signalweg dar. Die Abschluss-Impedanz Z1 ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass sie in Verbindung mit der Impedanz des ersten Sendefilters einen bevorzugten Weg für Signale bei Störfrequenzen bildet. Über diesen so genannten Saugkreis können somit Störsignale gegen Masse abgeführt werden, bevor sie empfindliche Schaltungsstrukturen der Multiplexer-Schaltung treffen oder bevor die Signale nichtlineare Elemente treffen und dabei Intermodulationsprodukte, die aufgrund ihrer Frequenzlage schwerer oder gar nicht herauszufiltern sind, bilden.
Der erste Sendeport ist dabei ein Signalport, an dem vorzugsweise Sendesignale des entsprechenden Mobilfunkgeräts zum Übermitteln bereitgestellt werden. Der erste gemeinsame Port ist ein Signalport, der dazu vorgesehen ist, zu sendende Signale an eine Antenne zu übermitteln, über die die entsprechenden elektromagnetischen Wellen emittiert werden. Analog ist auch der zweite Sendeport ein Port, über den HF-Signale von der entsprechenden Schaltungslogik des Mobilfunkgeräts bereitgestellt werden. Das erste Sendefilter und das zweite Sendefilter sind entsprechend HF-Filter, vorzugsweise Bandpassfilter, die zwischen der Schaltungslogik und der einen Antenne oder mehreren Antennen des Geräts geführt werden. Dass das erste Sendefilter mit dem ersten Sendeport verschaltbar ist, bedeutet, dass eine direkte Verschaltung zwischen dem zweiten Sendefilter und dem zweiten Sendeport je nach aktueller Anforderung eine direkte Verschaltung bestehen kann oder nicht. So kann z. B. ein zweiter Schalter eine Verschaltung zwischen dem zweiten Sendefilter und dem zweiten Sendeport herstellen oder das zweite Sendefilter vom zweiten Sendeport trennen.
Ähnliches gilt für den ersten Schalter, das erste Sendefilter und den ersten Sendeport: Insbesondere, wenn über das zweite Sendefilter HF-Signale hoher Leistung übermittelt werden und zu erwarten ist, dass diese Signale Störungen im entsprechenden Mobilfunkgerät verursachen, kann der erste Schalter das erste Sendefilter über die erste Impedanz mit Masse verschalten und somit einen bevorzugten Weg für die Störsignale bilden.
Die Multiplexer-Schaltung hat somit zwei Sendefilter, über die prinzipiell gleichzeitig leistungsstarke Sendesignale geführt werden können. Ist zu erwarten, dass Störsignale den Betrieb des Geräts stören, z. B. wenn weitere Sendesignale in einem dritten Sendesignalpfad übertragen werden, bilden die erste Abschluss-Impedanz und das erste Sendefilter den für die Störsignale bevorzugten Weg gegen Masse, z. B. einen Saugkreis gegen Masse.
Es ist somit möglich, dass die Schaltung einen dritten Sendeport und ein drittes Sendefilter umfasst. Das dritte Sendefilter ist mit dem dritten Sendeport verschaltet oder verschaltbar. Der erste Schalter ist dazu vorgesehen, das erste Sendefilter mit der ersten Abschluss-Impedanz zu verschalten, wenn am zweiten und am dritten Sendeport gleichzeitig Sendesignale bereitgestellt werden.
Es ist ferner möglich, dass die Schaltung einen zweiten gemeinsamen Port umfasst. Das dritte Sendefilter ist mit dem zweiten gemeinsamen Port verschaltbar. Der erste gemeinsame Port und der zweite gemeinsame Port sind elektromagnetisch gekoppelt.
Als elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten gemeinsamen Port und dem zweiten gemeinsamen Port kommt eine direkte Verschaltung in Frage. Alternativ ist es auch möglich, dass der erste gemeinsame Port an einer ersten Antenne anschließbar ist. Der zweite gemeinsame Port kann an einer zweiten Antenne anschließbar sein. Werden über den ersten gemeinsamen Port und damit über die erste Antenne einerseits und über den zweiten gemeinsamen Port und die zweite Antenne andererseits gleichzeitig Sendesignale übertragen, so besteht die elektromagnetische Kopplung in der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Antennen. HF-Leistung, die über eine der beiden Antennen emittiert wird, kann in die jeweils andere Antenne einkoppeln und in den zugehörigen Sendesignalpfad Richtung Sendeverstärker laufen und Störungen verursachen. In diesem Fall kann eine entsprechende Störung über den Saugkreis aus erstem Sendefilter und erster Abschluss-Impedanz eliminiert oder zumindest stark abgeschwächt werden.
Es ist dazu möglich, dass das dritte Sendefilter mit dem ersten gemeinsamen Port verschaltbar ist. Eine solche Verschaltbarkeit wird über einen Schalter, z. B. einen Antennenschalter, erreicht, über den der zweite gemeinsame Port direkt an eine Antenne, die an den ersten gemeinsamen Port angeschlossen sein kann, verbindbar ist. Es ist möglich, dass die Schaltung einen zweiten Schalter und eine zweite Abschluss-Impedanz Z2 umfasst. Der zweite Schalter ist mit dem zweiten Sendefilter, dem zweiten Sendeport und der zweiten Abschluss-Impedanz Z2 verschaltet. Damit besteht die Möglichkeit, Störsignale auch über einen entsprechenden durch das zweite Sendefilter und die zweite Abschluss-Impedanz gebildeten Saugkreis gegen Masse abzuleiten. Je nach aktueller Störsignal-Situation kann der zweite Schalter das zweite Sendefilter mit dem zweiten Sendeport oder mit dem zweiten Saugkreis verschalten.
Allgemeiner gilt, dass die Multiplexer-Schaltung eine Vielzahl, z. B. zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, Sendefilter aufweisen kann. Für jedes der Sendefilter oder für einzelne ausgewählte Sendefilter können Schalter und entsprechende Abschluss-Impedanzen bereitgestellt sein, um entsprechende Saugkreise gegen Masse zu bilden. Die Zahl der Saugkreise kann somit ebenfalls zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn betragen.
Da die verschiedenen Sendefilter im Allgemeinen dazu vorgesehen sind, verschiedene Sendefrequenzen passieren zu lassen, haben die entsprechenden Filter im Allgemeinen unterschiedliche, frequenzabhängige Impedanzen. Dadurch ist es leicht möglich, die Werte der Abschluss-Impedanzen zu wählen, um eine Vielzahl frequenzselektiver Schaltkreise/Saugkreise gegen Masse zu bilden.
Es ist möglich, dass alle Sendefilter Teil eines einzigen Multiplexers sind. Es ist alternativ auch möglich, dass die Multiplexer-Schaltung zwei oder mehrere getrennt voneinander arbeitende Multiplexer, die die entsprechenden genannten Sendefilter umfassen, aufweist. Entsprechend der Zahl der Multiplexer kann die Zahl der Antennen gewählt sein. Jeder Multiplexer kann mit einer eigenen Antenne verschaltbar sein. Alternativ ist es auch möglich, dass mehrere oder sogar alle Multiplexer über eine oder eine geringe Anzahl an gemeinsam genutzten Antennen verfügen.
Die Multiplexer bzw. die HF-Filter der Multiplexer können dabei baulich voneinander getrennt ausgeführt sein und auf unterschiedlichen HF-Filter-Technologien (z. B. SAW, BAW, usw.) basieren.
Es ist möglich, dass die Multiplexer-Schaltung einen oder mehrere Leistungsverstärker umfasst. Der eine Leistungsverstärker oder die mehreren Leistungsverstärker sind mit entsprechenden Sendefiltern verschaltet oder verschaltbar.
Dazu können ein oder mehrere Schalter zwischen den Sendefiltern und den Leistungsverstärkern vorgesehen sein.
Ist ein Leistungsverstärker dazu vorgesehen, Sendesignale zur Verfügung zu stellen, die über zwei oder mehr Sendefilter emittiert werden sollen, so kann der Leistungsverstärker ein Multi-Mode-Leistungsverstärker oder ein Multi-Band-Leistungsverstärker oder ein Multi-Mode-Multi-Band-Leistungsverstärker (MMMB-PA) sein.
Es ist möglich, dass einer der Sendeports dazu vorgesehen ist, FDD-Signale zu übertragen.
Ebenso ist es möglich, dass ein Sendeport dazu vorgesehen ist, TDD-Signale (TDD = Time Division Duplexing = Zeitduplex) zu übertragen.
Bei FDD-Systemen werden Sende- und Empfangssignale gleichzeitig, aber über verschiedene Frequenzbänder übertragen.
Bei TDD-Systemen werden Sende- und Empfangssignale zeitlich rasch alternierend übertragen, z.B. über ein und dasselbe Frequenzband.
Die hier vorgestellte Lösung zur Verringerung von Störungen in Tx-Carrier-Aggregation-Systemen ist unabhängig vom Übertragungsmodus und somit sowohl bei TDD-Systemen als auch bei FDD-Systemen als auch bei kombinierten TDD-/FDD-Systemen anwendbar. Die bei FDD-Systemen notwendigen Filter sind in den Sende- und Empfangsfiltern der in der Multiplexer-Schaltung enthaltenen Multiplexern enthalten. Für TDD-Systeme notwendige Schalter zum raschen zeitlichen Umschalten sind in der vorliegenden Multiplexer-Schaltung entsprechend an den zugehörigen Knotenpunkten ebenfalls enthalten.
Es ist möglich, dass ein Schalter einem bestimmten Sendefilter und einem bestimmten Sendeport zugeordnet ist. Der Schalter ist zwischen dem zugeordneten Sendefilter und dem zugeordneten Sendeport in Serie verschaltet.
Durch die serielle Verschaltung zwischen Sendefilter und Sendeport kann der antennenseitige Abschnitt der Multiplexer-Schaltung vom Sendeport abgekoppelt werden. Entsprechende Störsignale fließen dann über die zugehörige Abschluss-Impedanz gegen Masse.
Es ist auch möglich, dass ein Signalleiter zwischen einem bestimmten Sendefilter und einem bestimmten Sendeport angeordnet ist. Ein Schalter befindet sich dann in einem Parallelzweig, der den Signalleiter mit einer zugehörigen Abschluss-Impedanz verbindet.
Da jeder Schalter selbst die Einfügedämpfung des entsprechenden Signalwegs verschlechtern kann und eine potenzielle Quelle für Nichtlinearitäten darstellt, ist ein Schalter in einem Parallelzweig gegen Masse bzw. eine Abschluss-Impedanz vorteilhaft, da über eine solche Masseanbindung Störsignale abfließen können, während andererseits gewünschte Signale vom Sendeport an das Sendefilter übermittelt werden können, ohne den Schalter zu passieren.
Es ist somit möglich, in jedem Saugkreis gegen Masse und für jedes Sendefilter individuell zu bestimmen, ob ein solcher so genannter serieller oder paralleler Schalter für die Herstellung des bevorzugten Wegs für Störsignale gegen Masse eingesetzt wird.
Wird ein Schalter in einem Parallelzweig verwendet, kann eine der Ausgangsklemmen des Schalters als „open circuit“, d. h. mit einer extrem hohen Abschluss-Impedanz, ausgestattet sein. Dies kann explizit durch eine hohe Impedanz oder eine Stichleitung realisiert sein.
Die Multiplexer-Schaltung kann ferner einen Isolator umfassen. Der Isolator kann zwischen einem Sendefilter und einem Sendeport verschaltet sein. Der Isolator verhindert dabei im Wesentlichen, dass HF-Signale vom Sendefilter zum Sendeport, der mit einem Leistungsverstärker verkoppelt sein kann, gelangen. Umgekehrt lässt der Isolator HF-Signale vom Sendeport, d. h. vom Sendeverstärker, zum Sendefilter passieren.
Ein solcher Isolator kann dabei zwischen jedem Sendefilter und dem zugehörigen Sendeport oder zwischen jedem Sendeport und dem zugehörigen Sendefilter verschaltet sein.
Es ist insbesondere möglich, dass der entsprechende Isolator ein Zirkulator ist. Der Zirkulator kann dann einen zusätzlichen Anschluss gegen Masse umfassen, über den störende Signale, die vom Sendefilter stammen, abgeleitet werden.
Die Multiplexer-Schaltung kann ein Empfangsfilter, mehrere Empfangsfilter oder eine Vielzahl von Empfangsfiltern in einem oder mehreren Multiplexern umfassen.
Es ist möglich, dass die Multiplexer-Schaltung einen Empfangsport und ein Empfangsfilter umfasst. Das Empfangsfilter ist zwischen dem Empfangsport und einem gemeinsamen Port verschaltet oder verschaltbar.
Es ist ferner möglich, dass die Schaltung ein Bandsperrfilter, mehrere Bandsperrfilter oder viele Bandsperrfilter, z. B. ein Bandsperrfilter pro Empfangsfilter, aufweist.
Vorzugsweise sind die entsprechenden Bandsperrfilter zwischen dem Empfangsfilter und dem zugehörigen Empfangsport verschaltet.
Es ist möglich, dass als Bandsperrfilter so genannte Notch-Filter (Kerbfilter) Verwendung finden.
Es ist möglich, dass die Filter (z. B. Sendefilter, Empfangsfilter, Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Notch-Filter) SAW-Filter (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwellte) und/oder BAW-Filter (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) und/oder GBAW-Filter (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle) sind. Andere Filtertechnologien sind ebenso denkbar, z.B. SIW Filter (SIW = Substrate Integrated Waveguide Filter), sogenannte Micro-Machined Filter, Cavity Filter oder dielektrische Filter. Verschiedene Filtertechnologien sind natürlich miteinander kombinierbar.
Die beschriebenen Schaltungen können in mobilen Endgeräten oder in Basisstationen Verwendung finden. Die Schaltungen können in einem Frequenzbereich von 500 MHz bis 100 GHz arbeiten.
Filter, die mit besonders kleinen Abmessungen herstellbar sind, z.B. elektroakustische Filter, können in mobilen Endgeräten verwendet werden. Filter, die besonders robust gegenüber hohen elektrischen Leistungen sind, z. B. SIW Filter, Micro-Machined Filter, Cavity Filter oder dielektrische Filter, können in mobilen Basisstationen verwendet werden.
Solche mit akustischen Wellen arbeitende Filter können leicht mit kleinen Abmessungen hergestellt werden und verfügen über ausgezeichnete elektrische Filtereigenschaften. Dadurch eignen sie sich zur Verwendung in Duplexern und in Multiplexern. Verglichen mit Frequenzweichen wie keramischen Diplexern haben die mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelemente allerdings verschlechterte nichtlineare Eigenschaften, die die Verwendung in Tx-Carrier-Aggregation-Systemen ohne weitere Maßnahmen verhindern.
Es ist möglich, dass die Multiplexer-Schaltung eine erste Antenne umfasst. Die erste Antenne ist mit dem ersten gemeinsamen Port verschaltet oder verschaltbar. Zumindest zwei Sendeports der Multiplexer-Schaltung sind dazu vorgesehen, ihre Sendesignale über diese erste Antenne auszusenden.
Es ist möglich, dass die Multiplexer-Schaltung einen Antennenschalter zwischen dem ersten gemeinsamen Port und dem ersten Sendefilter aufweist. Der Antennenschalter kann neben dem ersten Sendefilter noch mit weiteren Sendefiltern verschaltet sein. Dadurch ist es möglich, eine an dem Antennenschalter angeschlossene Antenne für mehrere Sendefilter und damit für mehrere Sendesignalpfade zu verwenden.
Es ist ferner möglich, dass die Multiplexer-Schaltung eine zweite Antenne umfasst. Zumindest ein Sendeport ist dazu vorgesehen, seine Sendesignale über die zweite Antenne auszusenden.
Die Multiplexer-Schaltung kann somit mit einer oder mehreren Antennen verschaltet sein. Sind zwei oder mehr Sendesignalpfade an ein und dieselbe Antenne angeschlossen, so sind die Sendesignalpfade elektromagnetisch gekoppelt und unerwünschte Störsignale können über einen Saugkreis abgeführt werden.
Hat die Schaltung zwei oder mehr Sendesignalpfade, deren Sendesignalfilter an zwei oder mehr verschiedene gekoppelt sind, so sind die entsprechenden Sendesignalpfade ebenfalls elektromagnetisch gekoppelt, da jeweils eine der beiden Antennen im Wirkungsbereich der anderen Antenne angeordnet ist. Durch diese via elektromagnetischer Kopplung in einen Sendesignalpfad eingeleiteten Signale können ebenfalls über einen Saugkreis gegen Masse abgeführt werden.
Es ist möglich, dass die Multiplexer-Schaltung einen Phasenschieber zwischen dem ersten Sendefilter und dem ersten gemeinsamen Port umfasst.
Weiterhin kann die Multiplexer-Schaltung mehrere jeweils zwischen einem Sendefilter und einem gemeinsamen Port verschaltete Phasenschieber umfassen.
Phasenschieber können dazu dienen, die Impedanz der beteiligten Filter oder Duplexer so zu justieren, dass die Reflexionsverluste minimiert werden. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn verschiedene Komponenten der Multiplexer-Schaltung (z. B. Filter, Schalter, Antennen) für mehrere Frequenzbereiche gemeinsam verwendet werden sollen.
Es ist möglich, dass zumindest ein Filter, z. B. ein Sendefilter oder ein Empfangsfilter, kaskadierte Filterelemente umfasst.
Kaskadierung ist eine Möglichkeit, den Leistungspegel in einem Bauelement, z. B. einem elektroakustischen Bauelement, zu verringern. So kann ein elektroakustisches Bauelement durch zwei in Serie verschaltete Teil-Bauelemente ersetzt werden, von denen jedes Teil-Bauelement die doppelte Fläche hat, um die ursprüngliche Impedanz zu erhalten. Dadurch wird der Leistungspegel auf ein Viertel reduziert.
Eine Kaskadierung kritischer Bauelemente zusammen mit dem Bereitstellen eines Saugkreises an einem Filter oder mehrere Saugkreise an mehreren Filtern erhöht die Zahl der Freiheitsgrade beim Entwerfen von Multiplexer-Schaltungen derart, dass Schaltungen mit guten Filtereigenschaften bei nicht zu großem Platzbedarf erhalten werden können.
Die Multiplexer-Schaltung wird durch den Saugkreis und gegebenenfalls die Kaskadierung linearisiert, sodass nur noch ein kleiner Teil oder vorteilhafterweise gar kein Teil der Störleistung wirksam ist. Dabei umfasst die Multiplexer-Schaltung stets zwei Filter, welche Sendesignale übertragen können. Bei der Abschätzung der zu beseitigenden Tx-Störerleistung und in einem Verfahren zur Auslegung der entsprechenden Abschnitte der Multiplexer-Schaltung kann die Betrachtung eines Input Intercept Point, z. B. des Input Intercept Point dritter Ordnung IIP3, Verwendung finden. Der Input Intercept Point n-ter Ordnung ist durch die folgende Gleichung bestimmt: IIPn = 1/(n – 1)(αP₁ + βP₂ + G – P_αω1±βω2),
Wobei α und β die Ordnung der Mischfrequenzen (ω1 bzw. ω2) angeben, α + β = n und P1 die Stärke des Sendesignals ist, P2 die Stärke des Störsignals ist und P_αω1±βω2 die Stärke des Mischsignals ist. G beschreibt die Verstärkung bzw. Dämpfung des Bauteils.
Es ist möglich, dass ein Saugkreis ein Störsignal um 20 dB reduziert, sodass ein Input Intercept Point dritter Ordnung so weit, z. B. auf 73,5 dBm, reduziert wird, dass die Realisierung eines Tx-Carrier-Aggregation-Betriebs, gegebenenfalls mit kaskadierten Filtern, möglich ist. Hintergrund ist, dass die technische Realisierung umso schwieriger wird, je höher der Wert des benötigten IIP₃ ist.
Die Multiplexer-Schaltung, insbesondere die zugrundeliegenden Funktionsweisen und Details einiger ausgewählter, aber nicht einschränkender Details, sind in den schematischen Figuren gezeigt.
Es zeigen:
1: die relative Anordnung einiger Schaltungskomponenten der Multiplexer-Schaltung MUX,
2: weitere mögliche Kombinationen von Schaltungselementen,
3: eine Möglichkeit, drei Sendefilter in der Multiplexer-Schaltung anzuordnen,
4: die Möglichkeit, zwei Antennenports zu verschalten,
5: die Möglichkeit, zwei getrennte Antennen vorzusehen,
6: die elektromagnetische Kopplung zwischen zwei verschiedenen Antennen,
7: mögliche Anordnungen von Isolatoren zwischen Filtern und Verstärkern,
8: mögliche Anordnungen von Bandsperrfiltern zwischen Empfangsfiltern und Empfangs-Ports,
9: die Möglichkeit, einen Schalter in einem Parallelpfad anzuordnen,
10: die Verwendung eines Multi-Mode- und Multi-Band-Leistungsverstärkers,
11: die Möglichkeit, verschiedene Multiplexer der Multiplexer-Schaltung über einen Antennenschalter mit einem gemeinsamen Antennen-Port zu verbinden,
12: durch Saugkreise reduzierte Leistungsniveaus von Störsignalen.
1 zeigt eine mögliche Anordnung der Elemente der Multiplexer-Schaltung MUX. Die Multiplexer-Schaltung hat das erste Sendefilter TXF1 zwischen dem ersten Schalter SW1 und dem ersten gemeinsamen Port AP1, welcher ein Antennen-Port sein kann. An den ersten Schalter SW1 sind ein erster Sendeport TXP1 und eine erste Abschluss-Impedanz Z1 angeschlossen. Je nach Schalterstellung kann das erste Sendefilter TXF1 mit dem ersten Sendeport TXP1 oder mit der ersten Abschluss-Impedanz Z1 verschaltet sein. Das erste Sendefilter TXF1 ist mit dem ersten Sendeport TXP1 verschaltbar und zu verschalten, wenn über den ersten Sendeport TXP1 Sendesignale an den ersten gemeinsamen Port AP1 übermittelt werden sollen. Ferner hat die Multiplexer-Schaltung MUX einen zweiten Sendeport TXP2. Das zweite Sendefilter TXF2 ist zwischen dem ersten gemeinsamen Port AP1 und dem zweiten Sendeport TXP2 verschaltet. Über den ersten Sendeport TXP1 und über das erste Sendefilter TXF1 sowie über den zweiten Sendeport TXP2 und über das zweite Sendefilter TXF2 können gleichzeitig Sendesignale übertragen werden. Die Multiplexer-Schaltung ist für Tx-Carrier-Aggregation geeignet.
Zusätzlich kann das erste Sendefilter TXF1 genau dann über die erste Abschluss-Impedanz Z1 mittels des ersten Schalters SW1 an Masse gekoppelt werden, wenn störende Signale, z. B. aus dem zweiten Sendeport TXP2 oder aus einem weiteren Port die Multiplexer-Schaltung, z. B. insbesondere den Empfang über Empfangsfilter, stören würde.
Das erste Sendefilter bildet mit der ersten Abschluss-Impedanz Z1 in diesem Fall einen Signalweg gegen Masse.
Die Zahl der Sendefilter oder die Zahl der Empfangsfilter oder die Zahl der Teil-Multiplexer innerhalb der Multiplexer-Schaltung ist nicht begrenzt. Je nach Bedarf und insbesondere je nach Zahl der abzudeckenden Frequenzbänder, der abzudeckenden Betriebsmodi usw. kann die Zahl der Sendefilter und der Empfangsfilter oder die Zahl der Antennen oder der gemeinsamen Anschlüsse geeignet gewählt sein.
2 zeigt weitere optionale Details der Multiplexer-Schaltung MUX. So kann auch das zweite Sendefilter TXF2 über einen zweiten Schalter SW2 entweder mit dem zweiten Sendeport TXP2 oder mit einer zweiten Abschluss-Impedanz Z2 verschaltet werden. Die Multiplexer-Schaltung hat in dem hier gezeigten Beispiel ein erstes Empfangsfilter RXF1 und ein zweites Empfangsfilter RXF2, die zwischen entsprechenden Empfangs-Ports und dem gemeinsamen Port AP1 verschaltet sind. Der gemeinsame Port AP1 ist an eine erste Antenne A1 angeschlossen.
Somit können Störsignale sowohl über einen entsprechend ausgestalteten ersten Saugkreis über eine entsprechend gewählte erste Abschluss-Impedanz oder über einen entsprechend ausgestalteten zweiten Saugkreis über eine entsprechend ausgewählte zweite Abschluss-Impedanz Z2 gegen Masse abgeführt werden.
3 zeigt weitere optionale Details der Multiplexer-Schaltung. So kann diese einen zusätzlichen Signalpfad, hier einen Sendesignalpfad mit einem dritten Sendefilter TXF3 zwischen einem dritten Sendeport TXP3 und einem zweiten gemeinsamen Port AP2 umfassen. Störsignale können über einen Saugkreis über das entsprechend terminierte erste Sendefilter TXF1 oder über das entsprechend terminierte zweite Sendefilter TXF2 gegen Masse abgeführt werden, z. B. wenn über das jeweils andere Sendefilter und über das dritte Sendefilter TXF3 gleichzeitig Sendesignale im Tx-Carrier-Aggregation-Betrieb übermittelt werden.
4 zeigt eine Möglichkeit, den zweiten gemeinsamen Port mit einer Antenne zu verschalten. Zum Beispiel über einen Signalleiter kann der zweite gemeinsame Port AP2 mit der ersten Antenne A1 verschaltet sein. Alle drei Sendeports benutzen dann die gleiche Antenne A1.
5 zeigt eine Alternative dazu. So hat die Multiplexer-Schaltung eine zweite Antenne A2, über die der zweite gemeinsame Port AP2 Sendesignale aussenden kann.
Die erste Antenne A1 ist dabei im Wirkungsbereich der zweiten Antenne A2, wie die zweite Antenne A2 im Wirkungsbereich der ersten Antenne A1 angeordnet ist. Die beiden Antennen sind deshalb elektromagnetisch gekoppelt und ein Sendesignal, das von einer der beiden Antennen ausgesendet wird, kann jeweils teilweise in die andere Antenne einkoppeln und in den an die andere Antenne angeschlossenen Signalwegen Störungen verursachen.
6 zeigt weitere optionale Details der Multiplexer-Schaltung. Die Schaltung umfasst dabei zwei einzelne Duplexer. Der erste Duplexer umfasst das erste Sendefilter TXF1, das erste Empfangsfilter RXF1, das zweite Sendefilter TXF2 und ein zweites Empfangsfilter. Ferner hat der erste Multiplexer den ersten gemeinsamen Port AP1, der an die erste Antenne A1 angeschlossen ist. Der zweite Multiplexer hat das dritte Sendefilter TXF3, das dritte Empfangsfilter RXF3, das vierte Sendefilter TXF4 und ein weiteres Empfangsfilter. Über den zweiten gemeinsamen Port AP2 sind die Filter des zweiten Duplexers an die zweite Antenne A2 gekoppelt. Die erste Antenne A1 und die zweite Antenne A2 sind insofern elektromagnetisch gekoppelt, wie ein ausgesendetes Signal von der jeweils anderen Antenne zumindest teilweise empfangen werden kann. Die vier Sendefilter der Multiplexer-Schaltung können über entsprechend ausgewählte Abschluss-Impedanzen und dafür vorgesehene Schalter terminiert werden oder mit entsprechenden Sendeports verschaltet werden. Es ist möglich, dass zumindest zwei Sendeports gleichzeitig über eine Antenne oder über beide Antennen Sendesignale aussenden, während ein weiteres Sendefilter oder während zwei weitere Sendefilter über die Abschluss-Impedanzen terminiert sind und somit Saugkreise für Störsignale zur Verfügung stellen.
7 zeigt weitere optionale Details der Multiplexer-Schaltung. So kann die Multiplexer-Schaltung Leistungsverstärker PA in einem Sendesignalpfad zwischen einem Sendeport und dem zugehörigen Sendefilter und einen Empfangsverstärker LNA in den Empfangssignalpfaden zwischen dem zugehörigen Empfangsfilter und dem Empfangsport aufweisen.
Die Leistungsverstärker und die Empfangsverstärker können aktive Schaltungsbauelemente wie Transistoren umfassen. Aktive Schaltungsbauelemente zeigen im Allgemeinen ebenfalls ein nichtlineares Verhalten. Um die Erzeugung von Intermodulationsprodukten an den Verstärkern zu verringern oder zu vermeiden, können die Leistungsverstärker über einen Isolator, z. B. einen Zirkulator, an die zugehörigen Sendefilter gekoppelt sein. Ein Zirkulator übermittelt dabei Sendesignale vom Verstärker in Richtung Sendefilter. In der Gegenrichtung laufende Signale werden über eine Abschluss-Impedanz Z entfernt.
8 zeigt die Möglichkeit, den Empfang in Empfangssignalpfaden weiter zu verbessern. So ist beispielsweise der erste Empfangs-Port RXP1 über ein erstes Bandsperrfilter M1 an das zugehörige Empfangsfilter, z. B. ein Bandpassfilter, gekoppelt. Auch andere Empfangsfilter können entsprechende Bandsperrfilter zur Unterdrückung von Störsignalen haben. Die Bandsperrfilter können Notch-Filter, sog. Kerbfilter, sein.
9 zeigt eine alternative Möglichkeit, einen Signalweg für Störsignale gegen Masse zu bilden. Während die Schalter in den bisher gezeigten Schaltungen in Serie im Signalweg verschaltet sind, hat die in 9 gezeigte Version einen Signalleiter SL zwischen dem Filter und dem Sendeport. Der Schalter ist in einem Parallelzweig, der den Signalleiter SL über die Abschluss-Impedanz mit Masse verschaltet. Sollen Sendesignale vom Sendeport TXP1 zum Sendefilter TXF1 geführt werden, schaltet der Schalter SW1 in den Leerlauf, d. h. er verbindet den Signalleiter SL mit einer geeigneten, hohen Abschluss-Impedanz oder einer Stichleitung. Sollen Störsignale über das Sendefilter und die Abschluss-Impedanz gegen Masse geführt werden, schaltet der Schalter den Signalleiter an die Abschluss-Impedanz Z1, sodass ein entsprechender Weg für die Störsignale gegen Masse gebildet wird.
10 zeigt weitere mögliche Details der Multiplexer-Schaltung. So kann ein Multi-Mode-Verstärker (MMPA) oder ein Multi-Band-Verstärker (MBPA) oder ein Multi-Mode-Multi-Band-Verstärker (MMMBPA) für verschiedene Sendesignale gemeinsam genutzt werden. Über einen Schalter SW kann der Verstärker dann mit dem entsprechenden Filter verschaltet werden.
11 zeigt weitere mögliche Details der Multiplexer-Schaltung. So kann die Multiplexer-Schaltung zwei oder mehr Teil-Multiplexer umfassen. Die Multiplexer-Schaltung kann aber eine Anzahl an gemeinsamen Ports AP aufweisen, die kleiner als die Zahl der Teil-Multiplexer ist. Dann können verschiedene Teil-Multiplexer über einen Antennenschalter SWA an den gemeinsamen Port AP gekoppelt werden oder von ihm getrennt werden. Phasenschieber PS1, PS2 können dabei eine Impedanzanpassung und/oder eine Phasenanpassung erzielen, damit eine optimale Anpassung zwischen den Schaltungskomponenten gewährleistet ist.
12 zeigt die Wirksamkeit der hier vorgestellten Maßnahmen zur Verringerung von Störungen in Multiplexer-Schaltungen für Tx-Carrier-Aggregation-Systemen. Dazu zeigt 12 die Mischprodukte dritter Ordnung (IMD = Intermodulation Distortion) für konventionelle Multiplexer-Schaltungen, in denen gleichzeitig zwei Sendepfade aktiviert sind (Leistungspegel zwischen –90 und –95 dBm). Dabei werden gleichzeitig Sendesignale des Bands 5 und des Bands 13 auf einen gemeinsamen Sendeport gegeben. Die Leistungen der einzelnen Sendesignale betragen dabei +24 bzw. +10 dBm. Über die beschriebenen Optimierungsmaßnahmen können Leistungspegel von Störsignalen auf Leistungsbereiche zwischen –105 und –110 und schließlich auf Leistungsbereiche um –115 dBm und darunter erzielt werden.
Bezugszeichenliste

A:

Antenne

AP, AP1, AP2:

gemeinsamer Port

GND:

Masse

I:

Isolator

IMD3:

Intermodulation Distortion 3. Ordnung

LNA:

Empfangsverstärker

MUX:

Multiplexer-Schaltung

N:

Bandsperrfilter

PA:

Sendeverstärker

PS:

Phasenschieber

RXF:

Empfangsfilter

RXP:

Empfangsport

SL:

Signalleitung

SW:

Schalter

TXF:

Sendefilter

TXP:

Sendeport

Z:

Abschluss-Impedanz

ZI:

Zirkulator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011018918 [0003]
WO 2014005061 [0005]
US 2015365218 [0006]
EP 2696520 [0007]

Claims

Multiplexer-Schaltung (MUX) für Tx-Carrier-Aggregation, umfassend – einen ersten Sendeport (TXP1), einen zweiten Sendeport (TXP2) und einen ersten gemeinsamen Port (AP1), – ein erstes Sendefilter (TXF1), das mit dem ersten gemeinsamen Port (AP1) verschaltet und mit dem ersten Sendeport (TXP1) verschaltbar ist, – ein zweites Sendefilter (TXF2), das mit dem ersten gemeinsamen Port (AP1) verschaltet und mit dem zweiten Sendeport (TXP2) verschaltet oder verschaltbar ist, – eine erste Abschlussimpedanz Z1, – einen ersten Schalter (SW1), der mit dem ersten Sendefilter (TXF1), dem ersten Sendeport (TXP1) und der ersten Abschlussimpedanz Z1 verschaltet ist, wobei – das erste Sendefilter (TXF1), wenn es mit der ersten Abschlussimpedanz Z1 verschaltet ist, einen Signalweg gegen Masse (GND) bildet.
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, umfassend – einen dritten Sendeport (TXP3) und – ein drittes Sendefilter (TXF3), das mit dem dritten Sendeport (TXP3) verschaltet oder verschaltbar ist, wobei – der erste Schalter (SW1) dazu vorgesehen ist, das erste Sendefilter (TXF1) mit der ersten Abschlussimpedanz Z1 zu verschalten, wenn am zweiten (TXP2) und am dritten Sendeport (TXP3) gleichzeitig Sendesignale bereitgestellt werden.
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, – ferner umfassend einen zweiten gemeinsamen Port (AP2), wobei – das dritte Sendfilter (TXF3) mit dem zweiten gemeinsamen Port (AP2) verschaltbar ist und – der erste gemeinsame Port (AP1) und der zweite gemeinsame Port (AP2) elektromagnetisch gekoppelt sind.
Schaltung nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei das dritte Sendefilter (TXF3) mit dem ersten gemeinsamen Port (TXP3) verschaltbar ist.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend – eine zweite Abschlussimpedanz Z2 und einen zweiten Schalter (SW2), der mit dem zweiten Sendefilter (TXF2), dem zweiten Sendeport (TXP2) und der zweiten Abschlussimpedanz Z2 verschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei alle Sendefilter (TXF) Teil eines oder mehrerer Multiplexer (MUX) sind.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen oder mehrere Leistungsverstärker (PA), die mit den Sendefiltern (TXF) verschaltet oder verschaltbar sind.
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein Leistungsverstärker (PA) ein Multimode-Leistungsverstärker oder ein Multiband-Leistungsverstärker ist, der mit mehr als einem Sendefilter (TXF) verschaltet oder verschaltbar ist.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Sendeport (TXP) dazu vorgesehen ist, FDD-Signale zu übertragen.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Sendeport (TXP) dazu vorgesehen ist, TDD-Signale zu übertragen.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – ein Schalter (SW) einem bestimmten Sendefilter (TXF) und einem bestimmten Sendeport (TXP) zugeordnet ist und – zwischen dem zugeordneten Sendefilter (TXF) und dem zugeordneten Sendeport (TXP) in Serie verschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend – einen Signalleiter (SL) zwischen einem bestimmten Sendefilter (TXF) und einem bestimmten Sendeport (TXP), wobei – ein Schalter (SW) in einem Parallelzweig, der den Signalleiter (SL) mit einer Abschlussimpedanz Z verbindet, verschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Isolator (I), der zwischen einem Sendefilter (TXF) und einem Sendeport (TXP) verschaltet ist.
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Isolator (I) ein Zirkulator (ZI) ist.
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend einen Empfangsport (RXP) und ein Empfangsfilter (RXF) zwischen einem gemeinsamen Port (AP) und dem Empfangsport (RXP).
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend ein Bandsperrfilter (N) zwischen dem Empfangsfilter (RXF) und dem Empfangsport (RXP).
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Bandsperrfilter (N) ein Notch-Filter ist.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Filter (TXF, RXF) SAW-Filter und/oder BAW-Filter und/oder GBAW-Filter und/oder Filter basierend auf Micro-Machining-Technologie und/oder SIW-Filter und/oder Cavity Filter und/oder dielektrische Filter sind.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine erste Antenne (A1), die mit dem ersten gemeinsamen Port (AP1) verschaltet oder verschaltbar ist, wobei zumindest zwei Sendeports (TXP1, TXP2) dazu vorgesehen sind, ihre Sendesignale über die Antenne (A1) auszusenden.
Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend einen Antennenschalter (SWA) zwischen dem ersten gemeinsamen Port (AP1) und dem ersten Sendefilter (TXF1).
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine zweite Antenne (A2), wobei zumindest ein Sendeport (TXP) dazu vorgesehen ist, seine Sendesignale über die zweite Antenne (A2) auszusenden.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Phasenschieber (PS1) zwischen dem ersten Sendefilter (TXF1) und dem ersten gemeinsamen Port (AP1).
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Filter (TXF, RXF) kaskadierte Filterelemente umfasst.