DE102016122000A1

DE102016122000A1 - Multiplexer mit verbesserter Isolation, Modul umfassend einen Multiplexer und ein Verfahren zum Entwerfen einer Multiplexer-Topologie

Info

Publication number: DE102016122000A1
Application number: DE102016122000.0A
Authority: DE
Inventors: Edgar Schmidhammer; Juha Ellä
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-17
Also published as: WO2018093508A1

Abstract

Multiplexer mit verbesserter Isolation, Modul umfassend einen Multiplexer und ein Verfahren zum Entwerfen einer Multiplexer-Topologie.Ein Multiplexer mit einer verbesserten Isolation zwischen TX und RX wird bereitgestellt. Dabei weist zumindest einer der TX- und RX-Filter zwei Masseverbindungen auf, die voneinander getrennt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Multiplexer mit verbesserten Isolationscharakteristika. Weiterhin betrifft die Erfindung Module, in welche entsprechende Multiplexer-Topologien realisiert werden und Verfahren zum Entwerfen einer Multiplexer-Topologie.
Multiplexer-Topologien und Module, die solche Multiplexer realisieren, sollen ein oder mehrere Frequenzbänder bereitstellen, während deren physikalische Dimensionen reduziert werden sollen, aufgrund des gegenwärtigen Trends der Miniaturisierung. Weiterhin soll die Datenübertragungsrate erhöht werden, beispielsweise durch Träger-Aggregation, CA (carrier aggregation). Träger-Aggregation sollte nicht nur in einem Empfangsmodus, sondern auch in einem Sendemodus (TX-CA) möglich sein. Weiterhin sollte Träger-Aggregation mit TDD (time division duplexing) und (FDD (frequency division duplexing)-Modi möglich sein. Was in solchen Multiplexern problematisch ist, ist die Isolierung zwischen einem Sendesignalpfad und einem Empfangssignalpfad. Falls die Isolation zu schlecht ist, können Telefonanrufe in Mobiltelefonen wegen der schlechten Signalqualität verloren gehen. Weiterhin sind die Übertragungsraten ebenfalls reduziert.
Daher ist das, was notwendig, ein Multiplexer, der mit den steigenden Anforderungen bezüglich Datenrate und Frequenzbändern, Träger-Aggregation, TDD- und FDD-Modi kompatibel ist, und welcher eine ausreichend hohe Isolation zwischen Empfangssignalpfaden und Sendesignalpfaden bereitstellt. Weiterhin sollte die physikalische Umsetzung solcher Multiplexer mit konventionellen Materialien möglich sein, beispielsweise durch die Verwendung konventioneller PCB-Leiterplatten. Weiterhin sollten, da die Multiplexer zwei oder mehr Frequenzbänder bearbeiten, nichtlineare Mischprodukte vermieden werden.
Somit wird ein Multiplexer gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen dar.
Ein Multiplexer mit verbesserter Isolation umfasst einen Sendefilter und einen Empfangsfilter. Der Sendefilter umfasst einen Eingangs-Port, einen Ausgangs-Port, einen Signalpfad zwischen dem Eingangs-Port und dem Ausgangs-Port, zwei Serienresonatoren in dem Signalpfad und drei Shunt-Resonatoren in entsprechenden Shunt-Pfaden. Der Empfangsfilter umfasst einen Eingangs-Port, einen Ausgangs-Port, einen Signalpfad zwischen dem Eingangs-Port und dem Ausgangs-Port, zwei Serienresonatoren in dem Signalpfad und drei Shunt-Resonatoren in Shunt-Pfaden. Weiterhin umfasst der Multiplexer einen gemeinsamen Port zwischen dem Sendefilter und dem Empfangsfilter. Einer der Filter hat zwei Masseverbindungen, die voneinander separat sind.
Ein derartiger Multiplexer kann ein Duplexer, ein Triplexer, ein Quadplexer oder ein Multiplexer noch höherer Ordnung sein. Ein Multiplexer der vierten Ordnung kann zwei Sendefilter und zwei Empfangsfilter aufweisen. Ein Multiplexer der N-ten Ordnung kann m Sendefilter und n Empfangsfilter für den FDD-Fall und k Sende- und Empfangsfilter für den TDD-Fall aufweisen, wobei $N = m + n + k$
ist und wobei m, n, k ≥ 0 ist.
Der Eingangs-Port eines jeden Sendefilters ist dazu eingerichtet, Eingangssignale in Form von RF-Signalen zu empfangen. Der Ausgangs-Port eines Sendefilters ist dazu eingerichtet, RF-Signale zu dem gemeinsamen Port zu leiten. Der Eingangs-Port eines Empfangsfilters ist dazu eingerichtet, RF-Signale von dem gemeinsamen Port zu empfangen. Der Ausgangs-Port eines Empfangsfilters ist dazu eingerichtet, RF-Signale von dem gemeinsamen Port zu einer externen Schaltungsumgebung zu leiten.
Es ist möglich, dass der gemeinsame Port direkt mit einem Antennen-Port verbunden ist oder mit diesem gekoppelt ist.
Es wurde herausgefunden, dass die Erdungsstrategie beim Entwerfen von Multiplexern entscheidend ist für das Erhalten einer hohen Isolation zwischen Sendefiltern und Empfangsfiltern. Die Sendefilter und die Empfangsfilter können Leitertypfilterstrukturen oder leitertypähnliche Filterstrukturen umfassen, wobei ein Serienresonator und ein Parallelresonator in einem Shunt-Pfad ein Basisschaltungselement bilden. Shunt-Pfade können Shunt-Resonatoren umfassen und den Signalpfad gegen Masse elektrisch verbinden oder den Signalpfad gegen Masse koppeln. Die Resonatoren können als elektroakustische Resonatoren, welche ein piezoelektrisches Material nutzen, bereitgestellt sein. Entsprechend ist es möglich, dass ein Modul einen Chip umfasst, welcher piezoelektrisches Material aufweist, in welchem oder auf welchem die Resonatoren erstellt sind. Der Chip mit dem piezoelektrischen Material kann Teil eines Filterpakets sein, das auf einem Träger angeordnet sein kann. Es wurde erkannt, dass die Erdungsstrategie beim Entwerfen von Multiplexer-Topologien entscheidend ist, da bei der physikalischen Umsetzung von Multiplexern, das Massepotential einer Komponente von einem als ideal angenommenen Massepotential verschieden sein kann. Ein Massepotential kann aufgrund von sogenannten Masseschleifeneffekten nicht perfekt sein, d.h. wegen finiten Werten der Widerstände von metallischen Strukturen in Masseleitungen können verschiede Bereiche der Masseleitungen ein Potential aufweisen, das sich leicht vom perfekten Massepotential unterscheidet. Als eine Folge davon, sind elektrische Verbindungen, die zu solchen Masseleitungen verbunden sind, elektrisch gekoppelt. Dieses Problem tritt auf, wenn die Komplexität eines Multiplexers ansteigt, wegen einer erhöhten Nachfrage betreffend die Anzahl von Frequenzbändern und Träger-Aggregationen und der entsprechenden Komplexität eines Mobiltelefons.
Daher wurde erkannt, dass Masseschleifenspannungen und Masseschleifenströme zwischen zwei Punkten, die ein gleiches Potential aufweisen sollten, aber tatsächlich unterschiedliche Potentiale aufweisen, soweit wie möglich reduziert werden sollten und wenn möglich eliminiert werden sollten. Jedoch macht die Komplexität von modernen Multiplexer-Topologien, insbesondere, wenn deren elektrische Komponenten in einem kleinen Volumen kombiniert werden sollen, Masseschleifeneffekte nahezu unvermeidbar.
Im Gegensatz zu bekannten Multiplexer-Topologien, in denen auf Grund des Trends hin zu Miniaturisierung die Anzahl an Masseverbindungen auf ein Minimum reduziert ist, wird hier eine Trennung der Masseverbindungen für einen einzelnen Filter vorgeschlagen. In herkömmlichen Multiplexer-Topologien teilen alle Shunt-Pfade eines einzelnen Filters die gleiche Masseverbindung, um die Komponenten klein zu halten, um die Anzahl an externen Kontakten klein zu halten und um den Bedarf zum Überkreuzen von Leitungen zu vermeiden.
Es ist möglich, dass der Sendefilter und/oder der Empfangsfilter eine Kombination von Leitertypstrukturen mit zwei Serienresonatoren und drei Parallelresonatoren zusammen mit einem DMS (DMS = Dual Mode SAW)-Filter umfassen.
Jedoch können beim Bereitstellen eines Multiplexers, wobei zumindest ein Filter zwei Masseverbindungen aufweist, die separat voneinander sind, Masseschleifeneffekte signifikant reduziert werden und die Isolation des Multiplexers kann verbessert werden.
Es ist möglich, dass die zwei separaten Masseverbindungen von einem Filterchip zu einer Paketmasse oder zu einer Trägermasse führen. Der Filterchip kann die Strukturen der Filter tragen und kann auf einem Träger, z.B. einem Substrat angeordnet sein.
Es ist möglich, dass beide Filter separate Masseverbindungen aufweisen.
Somit ist es möglich, dass einer der zwei Filter zwei unterschiedliche Masseverbindungen aufweist, die unterschiedlich voneinander sind. Die Anzahl der Masseverbindungen eines Multiplexers mit zwei Filtern, einem Sende- und einem Empfangsfilter kann drei sein: der Sendefilter hat zwei separate Masseverbindungen und der Empfangsfilter hat eine Masseverbindung. Es ist ebenso möglich, dass der Sendefilter eine Masseverbindung aufweist und der Empfangsfilter zwei separate Masseverbindungen. Jedoch kann der Sendefilter separate Masseverbindungen aufweisen, während der Empfangsfilter ebenfalls separate Masseverbindungen aufweist, wenn die Anzahl der Masseverbindungen gleich drei ist. Der Sendefilter hat eine separate Masseverbindung. Der Empfangsfilter hat eine separate Masseverbindung. Die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters und die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters teilen eine gemeinsame Masseverbindung, die von den entsprechend anderen zwei Masseverbindungen separat ist.
Es ist möglich, dass eine separate Masseverbindung einen eingangsportseitigen oder einen ausgangsportseitigen Shunt-Pfad nach Masse verbindet.
Ein eingangsportseitiger Shunt-Pfad ist ein Shunt-Pfad, der elektrisch gesehen am nächsten zu dem Eingangs-Port des entsprechenden Filters ist. Ein ausgangsseitiger Shunt-Pfad ist der Shunt-Pfad, der elektrisch gesehen am nächsten zu dem Ausgangs-Port des entsprechenden Filters ist.
Es wurde erkannt, dass diese anschlussseitigen Shunt-Pfade einen besonderen Einfluss auf die Isolation des Multiplexers haben.
Im Zusammenhang mit den vorliegenden Multiplexern ist es möglich, dass eine separate Masseverbindung nur einen einzigen Shunt-Pfad zu einem Massepotential elektrisch verbindet, welcher nicht auf dem piezoelektrischen Chip bereitgestellt ist, jedoch auf einem Träger, auf welchen der piezoelektrische Chip angeordnet ist. Dies ist zu herkömmlichen Masseverbindungen verschieden, wo ein Massepotential bereitgestellt wird auf dem piezoelektrischen Chip für unterschiedliche Shunt-Pfade der Multiplexer-Topologie.
Entsprechend wurde überraschender Weise herausgefunden, dass starkverbesserte Isolationscharakteristika erzielt werden können, obwohl die Anzahl der separaten Masseverbindungen nicht die Anzahl von Masseverbindungen konventioneller Duplexer überschreitet. Sogar noch überraschender wurde herausgefunden, dass verbesserte Isolation erreicht werden kann, wenn Shunt-Pfade des Sendefilters und Shunt-Pfade des Empfangsfilters eine gemeinsame separate Masseverbindung teilen, während bekannte Duplexer eine gemeinsame Verwendung einer separaten Masseverbindung für Shunt-Pfade des Sendefilters und des Empfangsfilters vermeiden. Jedoch verbessert eine solche entgegen der Intuition vorgenommene gemeinsame Verwendung einer separaten Masseverbindung eines TX- und RX-Shunt-Pfads die Isolation eines portseitigen Shunt-Pfads des Sendefilters und eines portseitigen Shunt-Pfads des Empfangsfilters, die ihre eigene separate Masseverbindung aufweisen. Eine Erklärung für dieses überraschende Resultat kann gefunden werden beim Inspizieren der Spannungen und Ströme in jedem Strang der individuellen GND-Pfade.
Die gemeinsam genutzte separate Masseverbindung kann ebenso als Masseverbindung für ein Phasenverschieber (phase shifter) zwischen dem Sendefilter und dem Empfangsfilter genutzt werden. Solch ein Phasenverschieber kann kapazitive und/oder induktive Schaltungselemente umfassen.
Es ist möglich, dass eine erste separate Masseverbindung einen eingangsportseitigen Shunt-Pfad des Sendefilters nach Masse verbindet. Eine zweite separate Masseverbindung verbindet den ausgangsportseitigen Shunt-Pfad des Empfangsfilters mit Masse. Eine erste gemeinsame Masseverbindung verbindet die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters und die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters mit Masse.
Dann, wie vorangehend beschrieben, sind die Shunt-Pfade des Empfangsfilters und die Shunt-Pfade des Sendefilters gekoppelt aufgrund von Masseschleifeneffekten. Jedoch führt die Trennung der portseitigen Masseverbindungen zu einer generellen Verbesserung der Isolation.
Es ist möglich, dass eine erste separate Masseverbindung einen eingangsportseitigen Shunt-Pfad des Sendefilters mit Masse verbindet. Eine zweite separate Masseverbindung verbindet einen ausgangsportseitigen Shunt-Pfad mit dem Empfangsfilter nach Masse. Eine erste gemeinsame Masseverbindung verbindet die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters mit Masse. Eine zweite gemeinsame Masseverbindung verbindet die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters mit Masse.
Obwohl die Anzahl der separaten Masseverbindungen auf vier erhöht wird, kann eine derartige Topologie vorteilhaft sein, weil die Möglichkeit ungewollter Massenschleifeneffekte auf Grund von gekoppelten Shunt-Pfaden des Sendefilters und des Empfangsfilters weiter reduzieren, da der Sendefilter und der Empfangsfilter nur einen Shunt-Pfad ohne eine galvanische Verbindung auf dem piezoelektrischen Chip aufweisen.
Verglichen mit konventionellen Duplexern verbessert die Trennung von Masseverbindungen innerhalb des Sendefilters und innerhalb des Empfangsfilters die Isolation.
Es ist möglich, dass die oben genannte zweite gemeinsame Masseverbindung ebenso den gemeinsamen Port nach Masse verbindet.
Alternativ ist es möglich, dass die erste gemeinsame Masseverbindung den gemeinsamen Port nach Masse koppelt.
Das heißt, der gemeinsame Port kann entweder über die separate Masseverbindung der Shunt-Pfade des Sendefilters oder der Shunt-Pfade des Empfangsfilters mit Masse gekoppelt werden.
Es ist möglich, dass der Multiplexer eine erste separate Masseverbindung aufweist, die einen ausgangsportseitigen Shunt-Pfad des Sendefilters mit Masse verbindet. Eine zweite separate Masseverbindung verbindet den eingangsportseitigen Shunt-Pfad des Empfangsfilters mit Masse. Eine dritte separate Masseverbindung koppelt den gemeinsamen Port nach Masse. Eine erste gemeinsame Masseverbindung verbindet die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters mit Masse. Eine zweite gemeinsame Masseverbindung verbindet die gemeinsamen Shunt-Pfade des Empfangsfilters mit Masse.
Somit sind fünf separate Masseverbindungen vonnöten, um die Elemente des Multiplexers des piezoelektrischen Chips mit Masse zu verbinden. Jedoch ist die Isolation einer solchen Konfiguration sehr gut und solche eine Konfiguration stellt einen Kompromiss bereit, der Isolationsaspekte hervorhebt.
Es ist möglich, dass ein Multiplexer drei separate Masseverbindungen aufweist. Eine erste separate Masseverbindung verbindet einen ausgangsportseitigen Shunt-Pfad des Sendefilters mit Masse. Eine erste gemeinsame Masseverbindung verbindet die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters mit Masse. Die erste separate Masseverbindung verbindet ebenso einen eingangsportseitigen Shunt-Pfad des Empfangsfilters mit Masse. Eine zweite gemeinsame Masseverbindung verbindet die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters mit Masse.
Zusätzlich hierzu ist es weiterhin möglich, dass die erste separate Masseverbindung auch den gemeinsamen Port mit Masse koppelt.
Neben dem erwähnten Sende- und dem erwähnten Empfangsfilter, kann der Multiplexer auch einen oder mehrere weitere Sendefilter und einen oder mehrere weitere Empfangsfilter aufweisen. Die oben genannten Erdungsstrategien können auch auf die weiteren Sendefilter und auf die weiteren Empfangsfilter angewendet werden.
Ein Multiplexer-Modul kann einen Träger, ein Paket umfassen und weist einen der zuvor erwähnten Multiplexer integriert auf. Die Filter sind in dem Paket angeordnet. Das Paket ist auf dem Träger angeordnet. Die separaten Masseverbindungen sind auf dem Träger bereitgestellt.
Das Paket kann das piezoelektrische Material umfassen, d.h. einen piezoelektrischen Chip, der benötigt wird, wenn die Resonatoren in den Serienpfaden und in den Shunt-Pfaden mit akustischen Wellen arbeiten.
Resonatoren können SAW-Resonatoren (SAW - Surface Acoustic Wave), BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave) (z.B. FBAR (Thin Film Bulk Acoustic Resonators), GBAW-Resonatoren (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave) oder jeder andere Resonator sein, der auf mikroakustischer Wellenausbreitung beruht.
Das Paket und der Träger können einen Mehrschichtaufbau mit dielektrischen Schichten umfassen, z.B. hergestellt durch dielektrisches Material, wie beispielsweise keramisches Material und metallisierte Schichten, in welchen Signalleitungen und Schaltungselemente wie beispielsweise kapazitive oder induktive Elemente strukturiert sind.
Es ist möglich, dass solch ein Modul ein PAiD-Modul (Power Amplifier with integrated Duplexers), ein FEMiD-Modul (Front-End Modul mit integriertem Duplexer), oder ein FEM (Front-End-Modul) ist, welches Duplexer oder Multiplexer verwendet. Der Träger kann ein PCB (Printed Circuit Board) sein.
Ein Verfahren zum Entwerfen einer Multiplexer-Topologie umfasst den Schritt des Überwachens und Minimierens der Spannung über die Masseschleifeninduktivität. Eine Massenschleifeninduktivität ist eine elektrisch leitende Struktur, die zwei oder mehr Shunt-Pfade mit einem idealen Massepotential elektrisch verbindet.
Es wurde herausgefunden, dass die Stärke eines elektrischen Signals, d.h. eine Spannung oder ein Strom über solch eine Massenschleifeninduktivität ein Maß für die Qualität der Isolation zwischen dem TX-Ast und dem RX-Ast eines Duplexers oder eines Multiplexers ist. Somit ermöglicht, um die Isolation basierend auf komplexen Simulationen und aufwendigen Multiplexer-Demonstratorüberwachung zu bestimmen, diese kalkulierte/simulierte Einheit, den Auslegungsprozess bemerkenswert zu vereinfachen.
Weiterhin wurde herausgefunden, dass einige Multiplexer-Topologien sehr empfindlich auf den Wert der Induktivität einer Masseverbindung sind. Insbesondere wenn solch ein Multiplexer in einer komplexen externen Schaltungsumgebung eingebettet ist und eine komplexe intrinsische Struktur aufweist, sind solche Werte ebenfalls schwierig zu bestimmen. Jedoch wurde herausgefunden, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung der erhöhte Aufwand im Bestimmen dieser Werte vorteilhaft ist, da präzise angepasste Werte einen stark positiven Einfluss auf die Isolation des Multiplexers haben.
Das grundlegende Konzept des vorliegenden Multiplexers, spezifische Details des äquivalenten Schaltplans und bevorzugte Ausführungsformen werden in den schematischen, angehängten Figuren gezeigt.
In den Figuren:

1 zeigt mögliche Basisschaltungselemente eines äquivalenten Schaltplans eines Duplexers.
2 zeigt die theoretisch bevorzugte, aber praktisch unerreichbare Lösung.
3 zeigt einen praktisch einfach erhaltbaren Multiplexer mit schlechten Isolationseigenschaften.
4 zeigt Basiselemente eines äquivalenten Schaltplans eines generellen Konzepts des vorliegenden Multiplexers.
5 zeigt Basisschaltungselemente einer bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt einen Duplexer mit einem beispielhaften Phasenverschieber.
7 zeigt Basiselemente eines äquivalenten Schaltplans einer möglichen Topologie.
8 zeigt Basiselemente eines äquivalenten Schaltplans einer möglichen Topologie.
9 zeigt Basisschaltungselemente einer Topologie mit einer großen Anzahl an separaten Masseverbindungen.
10 zeigt Basisschaltungselemente einer alternativen Ausführungsform.
11 zeigt Basisschaltungselemente eines Quadplexers.
12 zeigt die Isolationscharakteristik des Referenz-Duplexers (dicke Kurve) und eines einfachen Duplexers (dünne Kurve) mit der Masseschleife wie in 3 gezeigt.
13 zeigt die Spannung über eine Masseschleifeninduktivität einer einfachen Duplexer-Topologie.
14 zeigt die Isolation eines Referenz-Duplexers (dick) und eines konventionellen Duplexers (dünn).
15 zeigt Isolationscharakteristika für einen Referenz-Duplexer (dick), einen konventionellen Duplexer (dünn) und einen einfachen Duplexer (dünn) mit einer Isolation kleiner als 6odB.
16 zeigt Spannungen über unterschiedliche Masseschleifeninduktivitäten eines konventionellen Duplexers.
17 zeigt verbesserte Isolation eines Duplexers nach einer Ausführungsform (dünn) und einem bereitgestellten Duplexer und eines Referenz-Duplexers (dick).
18 zeigt Spannungen über Masseschleifeninduktivitäten des Duplexers nach 17.
19 zeigt die Isolation eines Duplexers nach einer alternativen Ausführungsform (dünn) und nach einem Referenz-Duplexer (dick).
20 zeigt Spannungen über Masseschleifeninduktivitäten nach einer Ausführungsform eines Duplexers.
21 zeigt Isolationscharakteristika nach einer Ausführungsform eines Duplexers (dünn) und eines Referenz-Duplexers (dick).
22 zeigt Spannungen über Masseschleifeninduktivitäten der Ausführungsform nach 21.
23 zeigt Isolationscharakteristika eines Duplexers nach einer Ausführungsform.
24 zeigt entsprechende Spannungen über Masseschleifeninduktivitäten.
25 zeigt Isolationscharakteristika eines Duplexers nach einer Ausführungsform abhängig von der Induktivität einer Masseschleifeninduktivität.
26 zeigt Isolationscharakteristiken eines Duxplers nach einer Ausführungsform.
27 zeigt entsprechende Spannungen über Masseschleifeninduktivitäten.
28 zeigt Isolationscharakteristika eines Quadplexers, der konventionelle Masseverbindungen aufweist.
29 zeigt Isolationscharakteristika eines Quadplexers mit verbesserten Masseverbindungen.

1 zeigt Details eines äquivalenten Schaltplans einer möglichen Realisierung eines Multiplexers MUL mit einer verbesserten Isolation. Der Multiplexer MUL - hier ein Duplexer - hat einen Sendefilter TX und einen Empfangsfilter RX. Der Sendefilter TX hat einen Eingangs-Port IN und einen Ausgangs-Port OUT. Der Empfangsfilter RX hat einen Eingangs-Port IN und einen Ausgangs-Port OUT. Weiterhin weist der Multiplexer MUL einen gemeinsamen Port CP auf, der mit dem Ausgangs-Port OUT des Sendefilters TX und dem Eingangs-Port IN des Empfangsfilters gekoppelt oder verbunden ist. Der gemeinsame Port CP kann für die elektrische Verbindung mit einem Antennen-Port bereitgestellt sein. Der Sendefilter TX und der Empfangsfilter RX haben beide eine leitertypähnliche Konstruktion mit Serienresonatoren SR in einem Signalpfad SP und mit parallelen Resonatoren PR in parallelen Shunt-Pfaden PP. Die leitertypähnlichen Filterstrukturen sind dadurch gekennzeichnet, dass Shunt-Pfade PP mit Masse GND verbunden sind.
Das Massepotential GND sollte so gut wie möglich sein. Jedoch, aufgrund von finiter Leitfähigkeit der Signalleitungen und wegen elektrischer Interaktion zwischen benachbarten Signalleitungen und wegen Zwischenverbindungen von dem Filterchip zu dem Paket oder den Modulträgern, sind Massepotentiale in physikalischen Vorrichtungen nicht perfekt und Massenschleifeneffekte treten auf.
Die RX-Filter können ebenso einen oder mehrere DMS-ähnliche Strukturen aufweisen entweder als stand-alone oder in Zusatz zu den Leitertypstrukturen. Tatsächlich, ist der DMS ein komplexerer Resonator, zeigt jedoch ähnliche Effekte zu falscher Erdung wie einfache Zwei-Port-Resonatoren.
Resonatoren der Sendefilter TX und der Empfangsfilter RX können auf einem Chip bereitgestellt sein. Wenn elektroakustische Resonatoren genutzt werden, kann der Chip piezoelektrisches Material umfassen. Solch ein piezoelektrischer Chip P kann auf einem Träger C angeordnet sein. Der Träger C kann ein besseres Massepotential bereitstellen. Jedoch ist eine kleine Anzahl von elektrischen Verbindungen zwischen dem piezoelektrischen Chip P und dem Träger C bevorzugt und möglichst viele parallele Shunt-Pfade PP sollten elektrisch an den entsprechenden Masseseiten auf dem piezoelektrischen Chip P verbunden sein. Somit wird eine verbindende Masseschleifenverbindung GL erzeugt. Induktivitäten L innerhalb paralleler Pfaden PP und Masseverbindungen beziehen sich auf die finite Induktivität der Signalleitungen, wie beispielsweise Bump-Verbindungen zwischen dem piezoelektrischen Chip P und dem Träger C.
Als ein Beispiel, weist die Topologie, wie sie in 1 gezeigt ist, einen Empfangsfilter RX mit zwei separaten Masseverbindungen auf. Eine separate Masseverbindung verbindet den ausgangsseitigen parallelen Shunt-Pfad PP des Empfangsfilters RX mit einem Massepotential, das durch den Träger C bereitgestellt wird, z.B. an einer Plattenseite und außerhalb des piezoelektrischen Pakets.
Die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters sind elektrisch mit Masse verbunden über zusätzliche Verbindungen, die von den Verbindungen des ausgangsseitigen Shunt-Pfads verschieden sind. Somit weist der Empfangsfilter RX zwei Masseverbindungen auf, die separat voneinander sind.
2 zeigt eine ideale Erdungsbedingung, wobei jeder der Shunt-Pfade des Empfangsfilters TX und des Empfangsfilters RX und einer Antennenspule mit einer perfekten Masse verbunden sind. Jedoch ist ein solches Erdungssystem inkompatibel mit gemäßigten Produktionskosten und insbesondere mit dem gegenwärtigen Trend hin zur Miniaturisierung. Jedoch kann die in 2 gezeigte Konfiguration modeliiert werden und als Referenzkonfiguration dienen, mit welcher mehr praktische Ansätze verglichen werden können.
Die Grundkurve in 12 (dicke Linie mit hoher Isolation) zeigt die TX zu RX Isolation eines solchen Referenz-Duplexer mit Erdungskonfiguration. Alle anderen Isolationskurven beziehen sich zu dieser speziellen Konfiguration.
3 zeigt eine Erdungskonfiguration, bei der alle Shunt-Pfade aller Filter auf dem Piezochip kombiniert sind, um die Erdungsbemühungen zu minimieren. Die obere Kurve auf 12 zeigt eine entsprechende Isolation dieser Konfiguration, welche Größenordnungen von der idealen Erdungskonfigurationsmöglichkeit abweicht.
4 zeigt Basisschaltungselemente eines äquivalenten Schaltplans einer Ausführungsform eines Duplexers. Die ausgangsportseitigen Shunt-Pfade des Sendefilters TX sind separat von den Masseverbindungen der anderen Shunt-Pfade des Sendefilters. Die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters TX sind auf dem Piezochip P verbunden und mit einer einzigen gemeinsam genutzten Masse CG auf dem Träger C verbunden.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Duplexers mit verbesserter Isolation, da die Anzahl der separaten Masseverbindungen drei ist und die Anzahl an Masseverbindung eines konventionellen Duplexers ohne verbesserte Isolation nicht übersteigt. Die eingangsseitigen Shunt-Pfade des Sendefilters TX und die ausgangsseitigen Shunt-Pfade des Empfangsfilters haben ihre eigenen separaten Massen SG auf dem Träger C. Entgegen der Intuition sind die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters TX und die verbleibenden Shunt-Pfade des Empfangsfilters RX kombiniert auf dem Piezochip P und mit einer gemeinsamen Masseverbindung CG auf dem Träger C verbunden. Weiterhin ist eine Antennenspule mit dem gemeinsamen Port ebenso verbunden, d.h. mit der gemeinsamen Masse CG kombiniert.
Entgegen der direct-on-Chipverbindung der Shunt-Pfade des Sendefilters und des Empfangsfilters und ohne eine Erhöhung der Anzahl der separaten Masseverbindungen auf dem Träger C vorzunehmen, stellt die Konfiguration in 5 eine verbesserte Isolation bereit.
6 zeigt eine Konfiguration, bei der zusätzliche kapazitive Elemente in den Signalpfaden bereitgestellt sind. Die kapazitiven Elemente, die Shunt-Spule der Antenne und der ausgangsseitige Resonator des Sendefilters und der eingangsportseitige Resonatoren des Empfangsfilters stellen einen Phasenverschieber PS bereit, um die frequenzabhängige Impedanz der gesendeten Signale und der empfangenen Signale am gemeinsamen Port zu verbessern. Somit wird die Isolation verbessert und keine Energie eines empfangen Signals das an dem gemeinsamen Port erhalten werden, wird in dem Sendefilter verschwendet.
Die Anzahl der Serienresonatoren in dem Sendefilter ist drei. Die Anzahl der Shunt-Pfade mit parallelen Resonatoren in dem Sendefilter ist vier. Der Empfangsfilter hat vier Serienresonatoren und drei parallele Resonatoren und drei Shunt-Pfade in diesem Beispiel.
7 zeigt eine Konfiguration, in der der eingangsseitige Shunt-Pfad seine eigene erste separate Masseverbindung aufweist. Der ausgangsseitige Shunt-Pfad des Empfangsfilters hat eine zweite separate Masseverbindung. Die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters haben eine erste gemeinsame Masseverbindung, die von den anderen Masseverbindungen separat ist und die verbleibenden parallelen Pfade des Empfangsfilters und die Antennenspule haben eine zweite gemeinsame Masseverbindung, die von den anderen Masseverbindungen separat ist. Diese Erdungskonfiguration stellt eine gute Isolation bereit. Jedoch ist eine zusätzliche Masseverbindung nötig.
8 zeigt eine Konfiguration ähnlich zu der Konfiguration des Duplexers, der in 7 gezeigt ist. Jedoch teilt sich die Antennenspule die Masseverbindung zusammen mit den verbleibenden Shunt-Pfaden des Sendefilters.
9 zeigt eine Konfiguration, in der der ausgangsseitige Shunt-Pfad des Sendefilters eine separate Masseverbindung aufweist. Die Eingangsseite des Empfangsfilters hat eine separate Masseverbindung. Die Antennenspule an dem gemeinsamen Port hat ihre eigene separate Masseverbindung. Die verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters haben ihre gemeinsame Masseverbindung und die verbleibenden zwei Shunt-Pfade des Empfangsfilters haben ihre gemeinsame Masseverbindung.
Der Sendefilter hat drei Serienresonatoren und vier Shunt-Pfade. Der Empfangsfilter hat vier Serienresonatoren und drei Shunt-Pfade.
10 zeigt eine Konfiguration, in der der ausgangsseitige Shunt-Pfad des Sendefilters separat von den verbleibenden Shunt-Pfaden des Sendefilters ist. Weiterhin ist der eingangsseitige Shunt-Pfad des Empfangsfilters separat von den verbleibenden Shunt-Pfaden des Empfangsfilters. Die separate Ausgangsportseite des Sendefilters und der separate eingangsportseitige Shunt-Pfad des Empfangsfilters sind mit der Antennenspule verbunden und mit Masse verbunden, mit einer Masseverbindung, die von der Masseverbindung der verbleibenden Shunt-Pfade des Sendefilters und den verbleibenden Shunt-Pfaden des Empfangsfilters separat ist.
11 zeigt einen Quadplexer, der einen ersten Duplexer mit einem ersten Sendefilter TX und einem ersten Empfangsfilter RX und einen zweiten Duplexer mit einem zweiten Sendefilter TX2 und einem zweiten Empfangsfilter RX2 umfasst. Die zwei Duplexer sind kombiniert an dem gemeinsamen Port über zwei, typischer Weise unterschiedliche Phasenverschieber PS. Die zwei individuellen Duplexer des Quadplexers umfassen die Erdungskonfiguration des Duplexers aus 10.
12 zeigt den Vergleich zwischen der Isolation des Referenzdesigns aus 2 (Grundisolationskurve) und des einfachen Ansatzes nach 3 (obere Kurve, dicke Linie). Wie gesehen werden kann, ist die Isolation des einfachen Ansatzes nahezu ruiniert, da hier eine große Lücke von etwa 25 dB vorliegt. Somit schlägt die Erdungsstrategie fehl. Wenn die Spannung über der Masseschleifeninduktivität, die eine o dBm Quelle bei 50 Ω aufweist und an dem Eingangs-Port des Sendefilters angelegt ist, beobachtet wird, dann ist eine wesentliche Spannung in beiden, der Empfangs- und der Sendefrequenz sichtbar. Diese Spannung ist verantwortlich für den massiven Rückgang der Isolation, der mit anspruchsvolleren Erdungsansätzen reduziert werden sollte.
13 zeigt die Spannung über eine Massenschleifeninduktivität des einfachen Ansatzes nach 3
14 zeigt die Isolation einer konventionellen Konfiguration, bei der nur eine Masseverbindung pro Filter bereitgestellt ist, verglichen mit der idealen Isolation des Referenzdesigns nach 2. Insbesondere die Isolation in den Sende- und in den Empfangsfrequenzbändern leidet.
15 zeigt einen Vergleich zwischen der Isolation konventioneller Topologien und dem einfachen Ansatz nach 3. Die konventionelle Isolation ist verbessert, lässt jedoch Raum für weitere Verbesserungen.
16 zeigt die Spannung über drei Masseschleifeninduktivitäten (TX für den Sendefilter, RX für den Empfangsfilter, ANT für den Phasenverschieber am Antennen-Port). Wie gesehen werden kann, ist die Masseschleifenspannung der Sendemassenschleifeninduktivität nahezu identisch zu der Spannung (a) des Duplexers der 3.
17 zeigt die Isolation einer Topologie nach einer Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, verglichen mit der Referenzisolation. Verglichen mit der Isolation eines konventionellen Duplexers ist eine signifikante Verbesserung sichtbar.
18 zeigt die Spannungen über drei Masseschleifeninduktivitäten für die Konfiguration nach 5. Insbesondere die Empfangsmassenschleifenspannung ist extrem klein. Es wurde bemerkt, dass diese Situation äquivalent zu einer TX Leistung ist, die an dem RX Ausgang empfangen wurde und sehr klein ist. Somit ist das Überwachen der Grundschleifenspannungen eine nützliche Maßnahme, um verlässliche Information betreffend die Isolation zu erhalten.
19 zeigt die frequenzabhängige Isolation einer Ausführungsform nach 7. Vier individuelle Masseschleifeninduktivitäten für separate Masseverbindungen werden benötigt. Jedoch sind die Isolationswerte so gut, dass diese diesen zusätzlichen Aufwand rechtfertigen können.
20 zeigt die vier Spannungen über die vier Masseschleifeninduktivitäten der Konfiguration der 7.
21 zeigt den Vergleich zwischen einer frequenzabhängigen Isolation einer Konfiguration nach 8 und der Referenzkonfiguration. Vier Masseschleifen müssen berücksichtigt werden. Jedoch ist hier nahezu keine Kopplung von dem TX Signal zum RX Ausgang vorhanden.
22 zeigt die Spannungen über die Masseschleifeninduktivitäten der Konfiguration der 8.
23 zeigt die frequenzabhängige Isolation einer Duxplexerkonfiguration nach einer Topologie wie in 9 gezeigt. Fünf separate Masseverbindungen sind nötig. Jedoch ist die Isolation zwischen dem Sendefilter und dem Empfangsfilter gut.
24 zeigt die entsprechend fünf Spannungen über die Masseschleifeninduktivitäten.
Die Erdungskonfiguration aus 9 ist sehr empfindlich bezüglich des Wertes der Masseschleifeninduktivität. Entsprechend zeigt 25 erhaltene frequenzabhängige Isolationen für eine Topologie nach 9, wenn der Wert der Masseschleifeninduktivität von 0,05 nH zu 0,1 nH geändert wird. Für alle diese Masseninduktivitäten wird angenommen, dass sie den gleichen Wert haben, d.h. sie sind alle von 0,05 zu 0,1 nH geändert.
Somit ist es wichtig, dass für eine geeignete und gute Erdungsstrategie, die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in dem Masseschleifenwert überwacht werden muss. Die Topologie der 9 kann eine starkverbesserte Isolation in einem optimalen Fällen bereitstellen. Jedoch, nicht sorgfältig ausgewählte Werte können in einer stark reduzierten Isolation resultieren. Als eine Konsequenz, muss Vorsicht walten gelassen werden, wenn Effekte des Integrierens der Multiplexer in eine komplexe Schaltungsumgebung vorgenommen werden und die Spannung über die Masseschleifeninduktivitäten sollte überwacht werden.
26 zeigt die frequenzabhängige Isolation einer Topologie nach 10.
27 zeigt die entsprechenden drei Spannungen über die Masseschleifeninduktivitäten.
28 zeigt Isolationskurven für einen Quadplexer mit einer konventionellen Topologie.
In Kontrast hierzu zeigt 29 die Isolation eines Quadplexers mit Topologien nach der Ausführungsform, die in 10 gezeigt ist.
Der Multiplexer kann weitere Filter und Resonatoren umfassen und weitere serielle und parallele Pfade und weitere Masseverbindungen. Das Modul kann weitere Komponenten wie beispielsweise Chips mit integrierten Verstärkern umfassen und das Verfahren zum Entwerfen von Topologien kann weitere Schritte des Bestimmens charakteristischer Werte umfassen.
Bezugszeichenliste

C:: Träger
CG:: Gemeinsame Masseverbindung
CP:: Gemeinsamer Port
GL:: Massenschleifeverbindung
GND:: Masse
IN:: Eingangs-Port
L:: Induktivität
MUL:: Multiplexer
OUT:: Ausgangs-Port
P:: (piezo-) Chip
PP:: (parallel) Shunt-Pfad
PR:: Parallelresonator
PS:: Phasenverschieber
RX:: Empfangsfilter
RX2: Zweiter Empfangsfilter
SG:: Separate Masseverbindung
SP:: Signalpfad
SR:: Serienresonator
TX:: Sendefilter
TX2:: Zweiter Sendefilter

Claims

Ein Multiplexer (MUL) mit verbesserter Isolation, aufweisend einen Sendefilter (TX) mit einem Eingangs-Port (IN), einen Ausgangs-Port (OUT), einen Signalpfad (SP) zwischen dem Eingangs-Port (IN) und dem Ausgangs-Port (OUT), zwei oder mehrere Serienresonatoren (SR) in dem Signalpfad (SP) und drei oder mehreren Shunt-Resonatoren (SR) in Shunt-Pfaden (PP), einen Empfangsfilter (RX) mit einem Eingangs-Port (IN), einem Ausgangs-Port (OUT), einem Signalpfad (SP) zwischen dem Eingangs-Port (IN) und dem Ausgangs-Port (OUT) zwei oder mehrere Serienresonatoren (SR) in dem Signalpfad (SP) und drei oder mehrere Shunt-Resonatoren (PR) in Shunt-Pfaden (PP), einen gemeinsamen Port (CP) zwischen dem Sendefilter (TX) und dem Empfangsfilter (RX), wobei einer der Filter (TX, RX) zwei Masseverbindungen (GND) aufweist, die getrennt voneinander sind.
Der Multiplexer nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei die zwei getrennten Masseverbindungen von einem Filterchip (P) zu einem Paketmasse (GND) oder zu einer Trägermasse (GND) führen.
Der Multiplexer nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei jeder der beiden Filter (TX, RX) zwei separate Masseverbindungen (GND) aufweist, die voneinander getrennt sind.
Der Multiplexer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine separate Masseverbindung einen eingangsportseitigen (IN) oder ausgangsportseitigen (OUT) Shunt-Pfad (PP) mit Masse (GND) verbindet.
Der Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine erste separate Masseverbindung (GND) einen eingangsportseitigen (IN) Shunt-Pfad (PP) des Sendefilters (TX) mit Masse (GND) verbindet, eine zweite separate Masseverbindung (GND) einen ausgangsportseitigen (OUT) Shunt-Pfad (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse (GND) verbindet, eine erste gemeinsame Masseverbindung (GND), die die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Sendefilters (TX) und die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse verbindet.
Der Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine erste separate Masseverbindung (GND) einen inputportseitigen (IN) Shunt-Pfad (PP) des Sendefilters (TX) mit Masse (GND) verbindet, eine zweite separate Masseverbindung (GND) die den ausgangsportseitigen (OUT) Shunt-Pfad (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse (GND) verbindet, eine erste gemeinsame Masseverbindung (GND), die die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Sendefilters (TX) mit Masse verbindet, eine zweite gemeinsame Masseverbindung (GND), die die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse verbindet.
Der Multiplexer nach Anspruche 6, wobei die zweite gemeinsame Masseverbindung (GND) auch den gemeinsamen Port (CP) mit Masse verbindet (GND).
Der Multiplexer nach Anspruche 6, wobei die erste gemeinsame Masseverbindung (GND) auch den gemeinsamen Port (CP) mit Masse (GND) verbindet.
Der Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine erste separate Masseverbindung (GND) einen ausgangsportseitigen (OUT) Shunt-Pfad (PP) des Sendefilters (TX) mit Masse (GND) verbindet, eine zweite separate Masseverbindung (GND) den eingangsportseitigen (IN) Shunt-Pfad (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse (GND) verbindet, eine dritte separate Masseverbindung (GND) den gemeinsamen Port (CP) mit Masse (GND) verbindet, eine erste gemeinsame Masseverbindung (GND) die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Sendefilters (RX) mit Masse (GND) verbindet, eine zweite gemeinsame Masseverbindung (GND) die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse verbindet.
Der Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine erste separate Masseverbindung (GND) einen ausgangsportseitigen (OUT) Shunt-Pfad (PP) des Transmissionsfilters (TX) mit Masse (GND) verbindet, eine erste gemeinsame Masseverbindung (GND) die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Sendefilters (TX) mit Masse (GND) verbindet, die erste separate Masseverbindung (GND) auch einen eingangsportseitigen (IN) Shunt-Pfad (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse (GND) verbindet, eine zweite gemeinsame Masseverbindung (GND) die verbleibenden Shunt-Pfade (PP) des Empfangsfilters (RX) mit Masse (GND) verbindet.
Der Multiplexer nach Anspruch 10, wobei die erste separate Masseverbindung (GND) auch den gemeinsamen Port (CP) mit Masse (GND) verbindet.
Der Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend einen weiteren Sendefilter (TX) und einen weiteren Empfangsfilter (RX).
Ein Modul umfassend einen Träger, ein Paket und einen Multiplexer (MUL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filter (TX, RX) in dem Paket angeordnet sind, das Paket auf dem Träger angeordnet ist, separate Masseverbindungen (GND) auf dem Träger angeordnet sind.
Ein Verfahren zum Entwerfen einer Multiplexers (MUL) Topologie umfassend den Schritt des Überwachens und Minimierens der Spannung über eine Masseschleife-Induktivität (GL, L).