DE69626599T2 - Combined duplex filter and antenna - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich generell auf Filter- und Antennenstrukturen von Funkeinrichtungen und insbesondere auf die Verbindung eines Duplexfilters mit der Antenne einer Funkvorrichtung.The invention relates generally on filter and antenna structures of radio equipment and in particular on the connection of a duplex filter to the antenna of a radio device.
Duplexfilter werden allgemein verwendet, um Sende- und Empfangssignale in Funkeinrichtungen voneinander zu trennen, in denen Sendung und Empfang über dieselbe Antenne bei unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Ein Duplexfilter ist ein Schaltelement mit drei Anschlüssen, einem Sendeanschluß, einem Empfangsanschluß und einem Antennenanschluß. Ein Funksignal, das dem Sendeanschluß mit der Sendefrequenz zugeführt wird, erkennt den Signalweg zum Empfangsanschluß als einen mit hoher Impedanz, sodass Funkenergie dem Empfangsanschluß in wesentlichem Ausmaß nicht, sondern durch den Antennenanschluß der Antenne zugeführt wird, von wo es als ein Funksignal in die Umgebung gelangt. Entsprechend erkennt ein von der Antenne und dem Antennenanschluß aufgenommenes Funksignal mit Empfangsfrequenz den Sendeanschluß als einen solchen mit hoher Impedanz, sodass es dem Empfangsanschluß zugeführt wird und weiter zum Empfangsbereich der Funkeinrichtung gelangt. Die Differenz zwischen Sendefrequenz und Empfangsfrequenz wird Duplexintervall genannt. Im Unterschied zu einem Antennenschalter beruht das Duplexfilter nicht generell auf einer Schaltfunktion, bei der das Signal beispielsweise durch Halbleiterschalter kontrolliert wird, sondern auf unterschiedlichen Freqeunzabhängigkeitscharakteristiken der Filterkomponenten.Duplex filters are commonly used to Separate transmit and receive signals in radio equipment, in which broadcast and reception about the same antenna at different frequencies. On Duplex filter is a switching element with three connections, one Transmit port, a receiving connection and an antenna connector. A radio signal that is fed to the transmission connection at the transmission frequency recognizes the signal path to the receive port as one with high impedance, so that radio energy does not, but to a significant extent, the receiving connection through the antenna connection of the Antenna fed from where it enters the environment as a radio signal. Corresponding detects one picked up by the antenna and the antenna connector Radio signal with reception frequency the transmission connection as such with high Impedance, so that it is fed to the receive terminal and on to the receive area the radio device arrives. The difference between transmission frequency and Receive frequency is called the duplex interval. In contrast to the duplex filter is not generally based on an antenna switch a switching function in which the signal, for example, by semiconductor switches is controlled, but on different frequency dependency characteristics of the filter components.
In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Mobiltelefon als eine erläuternde Funkeinrichtung behandelt. In einem modernen Mobiltelefon ist das Duplexfilter im allgemeinen durch Übertragungsleitungsresonatoren realisiert, die beispielsweise gewickelte, koaxiale, Mikrostreifen- oder keramische Resonatoren sein können. Der gewünschte Arbeitsvorgang wird durch die Kombination von für verschiedene Resonanzfrequenzen ausgeglegten Resonatoren und durch die zweckmäßigen Verbindungsanordnungen zwischen ihnen erhalten. Ist eine Antenne mit dem Antennenanschluß verbunden, erfolgt eine Impedanz- (Scheinwiderstands)anpassung derart, dass die Impedanz des Antennenanschlusses der Impedanz der Antenne selbst entspricht.In the description below a mobile phone is treated as an explanatory radio device. In a modern cell phone, the duplex filter is generally through transmission line resonators realized, for example, wound, coaxial, microstrip or ceramic resonators. The desired operation is combined by combining for different resonance frequencies designed resonators and by the appropriate connection arrangements get between them. If an antenna is connected to the antenna connector, there is an impedance (impedance) adjustment such that the Impedance of the antenna connection the impedance of the antenna itself equivalent.
Der Sendezweig des Duplexfilters, d. h. der Signalpfad vom Sendeanschluß zum Antennenanschluß muß so ausgestaltet sein, dass er die Sendeenergie der Funkeinrichtung toleriert, bei einer typischen Mobiltelefonanwendung beispielsweise 0,6 bis 1,2 W (beim DMPS-System, Digital Advanced Mobil/Phone-System) oder 0,8 bis 2 W (beim GSM-System, Group Speciale Mobile-System). Der Empfangsszweig, d. h. der Signalpfad vom Antennenanschluß zum Empfangsanschluß würde keine annähernd gleiche Energieraten erfordern, doch für gewisse Ausnahmesituationen muß der Empfangszweig üblicher Lösungen für nahezu die gleich hohen Energieraten wie der Sendezweig ausgelegt sein. Ausnahmesituationen sind insbesondere Situationen, in denen aus dem einen oder anderen Grund eine Antenne oder ein entsprechendes Sendeelement nicht mit dem Antennenanschluß verbunden ist, was bedeutet, dass im schlimmsten anzunehmenden Fall das gesendete Funksignal den Antennenanschluß für einen offenen Anschluß ansieht, wodurch es reflektiert wird und versucht, in den Empfangszweig zu gelangen. Falls das reflektierte Signal solche Bestandteile der Empfangssektion erreicht, die für den Empfang der üblicherweise zu empfangenden Funkenergien von nur wenigen Milliwatt ausgelegt sind, kann ein solches Signal solche Bestandteile zerstören.The transmission branch of the duplex filter, d. H. the signal path from the transmission connection to the antenna connection must be designed in this way be that it tolerates the transmission energy of the radio device a typical mobile phone application, for example, 0.6 to 1.2 W (for the DMPS system, digital advanced mobile / phone system) or 0.8 up to 2 W (for the GSM system, Group Speciale Mobile system). The reception branch, d. H. the signal path from the antenna connection to the reception connection would be none nearly require the same energy rates, but for certain exceptional situations must the Receiving branch more common solutions for almost the same high energy rates as the transmission branch. exceptional situations are especially situations in which one way or the other Do not use an antenna or a corresponding transmission element connected to the antenna connector is, which means that in the worst-case scenario, the broadcast Radio signal the antenna connection for one open connection, which reflects it and tries to get into the receive branch reach. If the reflected signal contains such components of the Reception section reached for the reception of the usual designed to receive radio energies of just a few milliwatts such a signal can destroy such components.
Eine Ausnahmesituation kann sich beispielsweise in einem Mobiltelefon ergeben, wenn dessen einziehbare Antenne einen gewickelten Teil und einen davon getrennten Peitschenteil einschließt, von denen ein Teil mit dem Antennenanschluß verbunden ist, wenn die Antenne in das Telefongehäuse zurückgezogen ist und entsprechend der jeweils andere Teil mit dem Antennenanschluß verbunden ist, wenn die Antenne ausgezogen ist. In einem Zwischenstadium kann es vorkommen, dass keines der beiden Teile mit dem Antennenanschluß verbunden ist. In einem Mobiltelefon mit einer abnehmbaren Antenne kann auch eine Situation entstehen, in der das Telefon auch dann sendet, wenn die Antenne entfernt worden ist. Eine Ausnahmesituation kann auch dann vorliegen, wenn die Antenne gebrochen ist oder als Folge eines Zubodenfallens des Telefones oder seiner unsachgemäßen Handhabung der Antennenanschluß beschädigt worden ist. Die vom Sendesignal in einer Ausnahmesituation festgestellte Impedanz wird von der Länge der Übertragungsleitung zwischen dem Filter und der Antenne, von der Lokalisierung und der Verbindung eines Impedanzanpassungselementes und der Qualität und der Lokalisierung des Fehlers in der Fehlersituation abhängen.An exceptional situation can arise for example in a mobile phone if its retractable Antenna a coiled part and a separate whip part includes, a part of which is connected to the antenna connector when the antenna into the phone case withdrawn is and the other part is connected to the antenna connector is when the antenna is pulled out. At an intermediate stage it happens that neither of the two parts is connected to the antenna connection is. In a mobile phone with a removable antenna, one can also Situation arise in which the phone sends even when the Antenna has been removed. An exceptional situation can also occur if the antenna is broken or as a result of falling to the ground of the telephone or its improper handling the antenna connection has been damaged is. The one determined by the broadcast signal in an exceptional situation Impedance depends on the length the transmission line between the filter and the antenna, from the location and the Connection of an impedance matching element and the quality and Depending on the location of the fault in the fault situation.
Im Hinblick auf die Filtertechnik wäre es vorteilhaft, wenn es nicht notwendig wäre, ein Duplexfilter so auszubilden, dass es einer hohen Energie standhält. Es wäre beispielsweise der Einsatz von Akustikfiltern (SAW-Surface Acoustic Wave -akustische Oberflächenwellen-) geringer Größe in Mobiltelefonen vorteilhaft, gegenwärtig widerstehen diese Filter jedoch nur einer Energie von 0,04 bis 0,1 W. Ein Beispiel für die Verwendung von SAW-Technik findet sich in dem Aufsatz von Ikata und anderen "Development of small antenna duplexer using saw filters for handheld phones" (Entwicklung kleiner Antennenduplexer unter Verwendung von Sägefiltern für tragbare Telefone) (IEEE Proceedings of the ultrasonics symposium -IEEE-Sitzungsberichte des Ultraschallsymposium), vol. 1 vom 31. Oktober 1993). In diesem Aufsatz ist ein Duplexfilter geringer Größe beschrieben, das aus SAW-Resonatoren und Streifenleitern besteht. Eine Antenne und die Verbindung der Antenne sind nicht dargestellt.With regard to filter technology, it would be advantageous if it were not necessary to design a duplex filter in such a way that it withstands high energy. For example, the use of small-sized acoustic filters (SAW-Surface Acoustic Wave) in cell phones would be advantageous, but currently these filters only withstand an energy of 0.04 to 0.1 W. An example of the use of SAW- Technology can be found in the article by Ikata and other "Development of small antenna duplexers using saw filters for handheld phones" (IEEE Proceedings of the ultrasonics symposium -IEEE session reports from the ultrasound symposium), vol. 1 of October 31, 1993). This article describes a duplex filter of small size, which consists of SAW resonators and strip conductors consists. An antenna and the connection of the antenna are not shown.
Im Stand der Technik finden sich Lösungen, bei denen das Duplexfilter eine energieverzehrende Schaltung oder Dämpfung enthält, die zwischen dem Antennenanschluß und dem Empfängerfilter angeordnet und für geringe Leistung ausgelegt ist und deren Funktion in außergewöhnlichen Betriebszuständen es ist, die von dem Antennenanschluß zum Empfangszweig reflektierte Funkenergie so weit zu dämpfen, dass das als Empfangsfilter verwendete SAW-Filter nicht beschädigt wird. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass eine Erschwernis- oder Unterdrückungsschaltung bis zu einem gewissen Grad stets auch das empfangene Signal beeinträchtigt, wobei das Verhältnis Signal zu Geräusch verschlechtert wird.Can be found in the state of the art Solutions, at which the duplex filter contains an energy-consuming circuit or attenuation, the between the antenna connector and the receiver filter arranged and for low power is designed and its function in exceptional operating conditions it is that reflected from the antenna port to the receiving branch To dampen radio energy so far that the SAW filter used as the receive filter is not damaged. Have these solutions however, the disadvantage of being an aggravation or suppression circuit to a certain extent the signal received is always impaired, being the ratio Signal deteriorated to noise becomes.
Ein aus der vorliegenden Erfindung sich ergebendes Ergebnis ist eine Antennen- und Duplexfilterstruktur, in der die Komponenten des Empfangszweiges für wesentlich geringere Energie ausgelegt werden können als sie der Sendeenergie entspricht, ohne das geringste Risiko, dass diese Komponenten in außergewöhnlichen Betriebszuständen beschädigt werden, wie sie oben beschrieben worden sind. Ein weiteres sich einstellendes Ergebnis ist eine sich ergebende Antennen- und Duplexyfilterstruktur, bei der es möglich ist, im Empfangszweig oberflächenakustische Filter zu verwenden, ohne dass eine separate Erschwernis- oder Unterdrückungsschaltung erforderlich wäre. Ein nochmals anderes Ergebnis ist das Aufzeigen einer Antennen- und Duplexfilterstruktur, die Dank ihrer Größe, Eigenschaften und Herstellungskosten für die Serienherstellung moderner Mobiltelefone geeignet ist. Schließlich ist ein Ergebnis, dass eine Antennen- und Duplexfilterstruktur, bei der Übertragungsleitungsverluste und Spaltanforderungen minimiert sind.One from the present invention the result is an antenna and duplex filter structure, in which the components of the receiving branch for much lower energy can be interpreted than it corresponds to the transmission energy without the slightest risk, that these components in extraordinary operating conditions to be damaged, as described above. Another emerging The result is a resulting antenna and duplex filter structure, at which it is possible is surface acoustic in the receiving branch Use filters without the need for a separate hindering or suppressing circuit would be required. Another result is showing an antenna and duplex filter structure, thanks to their size, properties and manufacturing costs for the Series production of modern mobile phones is suitable. Finally is a result that an antenna and duplex filter structure, at the transmission line losses and gap requirements are minimized.
Bevorzugte Aspekte der Erfindung werden bei einer integrierten Lösung erhalten, bei der die Antenne eine feste Verbindung zum Antennenanschluß der Duplexfilterstruktur hat.Preferred aspects of the invention with an integrated solution obtained, in which the antenna has a fixed connection to the antenna connection of the duplex filter structure Has.
Die Antennen- und Duplexfilterstruktur kann in passender Weise dadurch gekennzeichnet sein, dass die Antenne an ihrem Eingangspunkt direkt mit dem Duplexfilter verbunden ist.The antenna and duplex filter structure may suitably be characterized in that the antenna is directly connected to the duplex filter at its entry point.
Um eine Situation zu vermeiden, in der die Sendeenergie von einem unbesetzten Antennenanschluß zum Duplexfilter reflektiert wird, muß auf dem einen oder anderen Weg sichergestellt werden, dass der Antennenanschluß niemals offen ist. Die Anordnung der Erfindung trägt vorzugsweise Sorge dafür, dass das abstrahlende Antennenelement an seinem Eingangspunkt eine feste Verbindung direkt mit dem Duplexfilter hat, also keine Übertragungsleitungen oder Koaxialleiter vorgesehen sind. Desweiteren bedeutet die erfindungsgemäße Struktur, dass die Antennenimpedanz im Duplexfilter selbst angepaßt wird.To avoid a situation in the transmission energy from an unoccupied antenna connection to the duplex filter is reflected on One way or another it can be ensured that the antenna connection never is open. The arrangement of the invention preferably ensures that the radiating antenna element is fixed at its entry point Has a connection directly with the duplex filter, i.e. no transmission lines or Coaxial conductors are provided. Furthermore, the structure according to the invention means that the antenna impedance is adjusted in the duplex filter itself.
Die kombinierte Antennen- und Duplexfilterstruktur gemäß der Erfindung schließt ein Duplexfilter mit einem Sendeanschluß und einem Empfangsanschluß ein sowie eine Antenne, die mit dem Duplexfilter in einem Antennenverbindungspunkt direkt verbunden ist. Unter dem Gesichtspunkt der Erfindung ist es nicht entscheidend, in welcher Technologie das Filter realisiert ist oder welche Antennenstruktur verwendet wird. In der bevorzugten Ausführungsform kann das Filter gewickelt sein oder es kann Keramikresonatoren einschließen. Weil es nicht notwendig ist, den Empfangszweig so auszulegen, dass er für ein hohes Energieniveau geeignet ist, kann er vorzugsweise ein Oberflächenakustikfilter einschließen. Die Antenne kann auch eine ebene, flächige Antenne (PIFA, Planar Inverted F-Antenna (ebene umgekehrte F-Antenne)), eine funkgekoppelte-Antenne (ra diction coupled antenna)) (RCDLA, Radiation coupled Double L-Antenna -Funk-gekoppelte Doppel-L-Antenne-) oder eine Mikro-Streifen-Antenne (micro-strip antenna), oder eine Mikro-Streifen/Steck-Antenne (micro-strip/patch antenna) sein. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die Struktur gemäß der Erfindung in einem Mobiltelefon oder einer entsprechenden Einrichtung so angeordnet, dass das Außengehäuse der Einrichtung die Antenne gegen mechanische Beanspruchungen schützt, zumindest aber die Verbindung zwischen dem Eingangspunkt der Antenne und dem Duplexfilter.The combined antenna and duplex filter structure according to the invention includes a duplex filter with a transmit connector and a receive connector as well an antenna connected to the duplex filter in an antenna connection point is directly connected. From the point of view of the invention it doesn't matter in which technology the filter is implemented or which antenna structure is used. In the preferred Embodiment can the filter may be wound or it may include ceramic resonators. Because it is not necessary to design the receiving branch so that it for a high energy level is suitable, it can preferably be a surface acoustic filter lock in. The Antenna can also be a flat, flat one Antenna (PIFA, Planar Inverted F-Antenna) a radio-coupled antenna (ra diction coupled antenna) (RCDLA, Radiation Coupled Double L-Antenna -Funk-Coupled Double L-Antenna-) or a micro-strip antenna, or one Micro-strip / plug-in antenna (micro-strip / patch antenna). According to the preferred embodiment is the structure according to the invention arranged in a mobile phone or a corresponding device in such a way that the outer case of the Device protects the antenna against mechanical stress, at least the connection between the antenna entry point and the duplex filter.
Weil die Sendeenergie in keinem Betriebszustand zum Sendeanschluß reflektiert wird, kann das Empfangsfilter für ein wesentlich niedrigeres Energieniveau ausgelegt werden als bisher üblich, wobei es beispielsweise möglich ist, die Charakteristiken von SAW-Filtern zu nutzen (Sägezahnfilter). Die Erfindung kann einen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bieten, indem die Impedanzanpassung, wie sie für die Antenne notwendig ist, unter Verwendung von zum Teil schon vorhandener Komponenten direkt im Filter erfolgen kann. Die Komponenten des Duplexfilters können auch so ausgelegt sein, dass die Impedanz des Duplexfilters am Antennenanschlußpunkt direkt der Antennenimpedanz entspricht, sodass keine separate Impedanzanpassung erforderlich ist. Die Struktur der Erfindung kann auch Übertragungsleitungsverluste vermeiden bzw. minimieren, die für Mobiltelefone gemäß dem Stand der Technik typisch sind, indem dort die Antenne mit dem Duplexfilter über einen Koaxialleiter oder eine Übertragungsleitung verbunden ist.Because the transmission energy is not in any operating state reflected to the transmission connection the receive filter for a much lower energy level than previously customary, whereby it for example possible is to use the characteristics of SAW filters (sawtooth filters). The invention can offer an advantage over the prior art, by adjusting the impedance as required for the antenna using components that are already available directly in the Filters can be done. The components of the duplex filter can also be designed so that the impedance of the duplex filter directly at the antenna connection point corresponds to the antenna impedance, so that no separate impedance matching is required. The structure of the invention can also include transmission line loss avoid or minimize that for Mobile phones according to the state are typical of the technology, where there is the antenna with the duplex filter over a Coaxial conductor or a transmission line connected is.
Die Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die als Beispiele gezeigten vorzugsweisen Ausführungsformen und die anschließenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben; in den Zeichnungen zeigenThe invention is described below with reference to the preferred embodiments shown as examples and the subsequent drawings described in more detail; show in the drawings
In allen Figuren sind für einander entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.All figures are for each other corresponding parts used the same reference numerals.
Der Klarheit wegen zeigen die Figuren
der Zeichnung keine Streifenleitungen, keine Anschlußkissen
und keine diskreten Komponenten, die für die Erfindung nicht wesentlich
sind. Das Überflächenakustikfilter
Der Antennenverbindungspunkt
Die in
Bei den Ausführungsformen gemäß
Mit Fortschritten in der Technologie
ist es wahrscheinlich in der Zukunft möglich, Oberflächenakustikfilter
mit so hohen Energieraten herzustellen, dass sie auch im Sendezweig
des Duplexfilters angewendet werden können.
Die Struktur bzw. Baugruppe gemäß der Erfindung
ist vorzugsweise einem Mobiltelefon oder einer anderen Funkeinrichtung zugeordnet,
sodass die äußere Abdeckung
beides, das Filter und auch zumindest teilweise die Antenne, abdeckt
und insbesondere die Verbindung zwischen der Antenne und dem Duplexfilter
gegen Verbiegen und Beschädigung
schützt.
Die Ausführungsform gemäß
Die Baugruppe bzw. Struktur gemäß der Erfindung
kann auch dann verwendet werden, wenn die Antenne der Funkeinrichtung
einziehbar oder andersartig bewegbar ist. Eine solche Lösung kommt häufig bei
Mobiltelefonen in Frage, die zur Mitführung so wenig wie möglich Platz
in Anspruch nehmen sollen, die jedoch eine ziemlich lange Antenne
erfordern, um beste Kommunikationsmöglichkeiten gewährleisten
zu können.
Im Stand der Technik sind verschiedene einziehbare Antennen bekannt,
die sowohl einen gewickelten als auch einen peitschenförmigen Teil
einschließen.
Es wird insbesondere Bezug genommen auf die Antennenbauweise, wie
sie in der finnischen Patentanmeldung FI-952742 (LK-Products 0y: Kaksitoiminen
antenni (doppelt wirkende Antenne)) ausgeführt ist, in der die Antennenstruktur einen
festen Wickelteil und einen Peitschenteil einschließt, wobei
der Peitschenteil relativ zum Wickelteil bewegbar ist, wobei der
ausgezogene Peitschenteil eine serielle Verbindung mit dem genannten
Wickelteil bildet.
Es wurde oben erörtert, wie die Baugruppe gemäß der Erfindung hauptsächllich in einem Mobiltelefon angeordnet ist. Die erläuterten Beispiele sind jedoch nicht als beschränkend gedacht, denn für einen einschlägig bewanderten Fachmann ist es klar, dass die Erfindung vielen verschiedenen Baugruppen mit Filter und Antenne in Funkeinrichtungen aller Art zugeordnet werden kann, vorzugsweise bei UHF (ultra high frequencies – Ultrahochfrequenzen) und VHF (very high frequencies – Hochfrequenzen), jedoch auch bei anderen Frequenzen.It was discussed above how the assembly according to the invention hauptsächllich is arranged in a mobile phone. However, the examples illustrated are not as limiting thought because for one relevant Skilled artisan, it is clear that the invention is many different Components with filter and antenna in radio devices of all kinds can be assigned, preferably with UHF (ultra high frequencies) and VHF (very high frequencies), but also at other frequencies.
Die Erfindung zeigt eine mögliche Lösung für die Energietoleranzprobleme eines Duplexfilters im Empfangszweig, sodass sehr klein bemessene Filter verwendet werden können, beispielweise Oberflächenakustikfilter. Die Erfindung erfordert vorzugsweise keine besonderen und exakten Herstellungsverfahrensschritte und keine besonders teueren Komponenten oder Materialien, sodass die Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten besonders auch für die Serienfertigung von Funkeinrichtungen, wie Mobiltelefonen, gut geeignet ist.The invention shows a possible solution to the energy tolerance problems a duplex filter in the receiving branch, so that very small Filters can be used for example surface acoustic filter. The invention preferably does not require any particular and exact Manufacturing process steps and no particularly expensive components or materials, so that the invention in its various aspects especially for mass production of radio equipment such as cell phones is good suitable is.
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