EP3175553A1 - Duplexer mit verbesserter reflektivität - Google Patents

Duplexer mit verbesserter reflektivität

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EP3175553A1
EP3175553A1 EP15731001.2A EP15731001A EP3175553A1 EP 3175553 A1 EP3175553 A1 EP 3175553A1 EP 15731001 A EP15731001 A EP 15731001A EP 3175553 A1 EP3175553 A1 EP 3175553A1
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EP
European Patent Office
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duplexer
band
parallel
antenna
inductance
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15731001.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juha Ellä
Edgar Schmidhammer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SnapTrack Inc
Original Assignee
SnapTrack Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by SnapTrack Inc filed Critical SnapTrack Inc
Publication of EP3175553A1 publication Critical patent/EP3175553A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • H04L5/1461—Suppression of signals in the return path, i.e. bidirectional control circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/70—Multiple-port networks for connecting several sources or loads, working on different frequencies or frequency bands, to a common load or source
    • H03H9/703—Networks using bulk acoustic wave devices
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    • H03H9/70—Multiple-port networks for connecting several sources or loads, working on different frequencies or frequency bands, to a common load or source
    • H03H9/72—Networks using surface acoustic waves
    • H03H9/725—Duplexers
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    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H04B1/401—Circuits for selecting or indicating operating mode
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    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H04B1/44—Transmit/receive switching
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/02—Channels characterised by the type of signal
    • H04L5/04—Channels characterised by the type of signal the signals being represented by different amplitudes or polarities, e.g. quadriplex
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
    • H03H9/6423—Means for obtaining a particular transfer characteristic
    • H03H9/6433—Coupled resonator filters
    • H03H9/6483—Ladder SAW filters

Definitions

  • CA mode carrier aggregation mode
  • the Carrier Aggregation Mode is for both FDD (Frequency Division Duplexing) and TDD (Time
  • Ribbon combinations are given in FIG.
  • a mobile phone according to a proposed CA a mobile phone according to a proposed CA.
  • Aggregation band pairs refers to bands, to the application for Rx or Tx operation, and so on
  • Duplex method ie on FDD and TDD.
  • the corresponding duplexers In order to meet the requirements for CA operation, in the front-end circuit of the mobile phone, the corresponding duplexers would have to be active at the same time, without themselves
  • Antenna terminal can be combined with a simple diplexer, which has a good isolation of typically more than 20 dB. In this way it can be ensured that the duplexers connected to the common antenna connection do not interfere with each other, so that one signal is routed exclusively via the desired duplexer and no unnecessary in the other duplexer
  • a quadplexer In addition to the low loss, a quadplexer must have good isolation between TX and RX subbands, ie between the corresponding transmit and receive bands. This applies to both the TX / RX isolation within it
  • Duplexers must be adapted directly to each other. This must be in the passband of one duplexer, the impedance at
  • Antenna port in the other duplexer appear to be infinity, which usually requires a corresponding phase rotation of the impedance. Therefore, the duplexer must have a high reflection coefficient for frequencies of the other band, ie outside its passband, at the antenna port. This can be achieved by the impedance with the aid of a phase shifter in this same frequency range is turned to infinity.
  • the TX filter becomes
  • the respective RX filter (reception filter) designed as a reactance filter with ladder type arrangement, which is composed of series and parallel connected resonators.
  • the resonators can be designed as SAW or BAW resonators.
  • the respective RX filter (reception filter) can have, in addition to the ladder type structure, further filter components, for example acoustically coupled resonator structures such as strain gauge structures.
  • the transfer characteristic of a ladder type filter has three distinct characteristic sections: the
  • the single duplexer itself advantageously uses characteristic deep poles (Notches) in the transmission behavior to a very high
  • the frequency of the pole is determined below the pass band generally by the resonance frequency of the parallel resonators
  • the frequency of the pole is determined above the pass ⁇ band by the anti-resonant frequency of the parallel resonators and the resonant frequency of the series resonators.
  • the series resonance of the series resonators must be within the pass band, as well as the anti-resonance of the parallel resonators.
  • the inductors for additional insertion loss in the passband.
  • the inductors significantly reduce the reflectivity of the duplexers at out-of-band frequencies farther from the passband. In most cases, this is not annoying, as long as the duplexer is operated in single mode, not in CA mode. The reduced
  • Figure 2 shows a simulation of how the insertion loss IL of a filter or duplexer by an inductance, which is connected in a parallel branch, as a function of Reflectivity REF at the corresponding antenna connection
  • Parallel resonator has, ie in the parallel branch, which is located in the interconnection of the branches of the antenna connection to the nearest.
  • Another duplexer whose band is either below or above the passband shown, is due to the poor reflectivity high losses exhibit. Even an ideal coil or later
  • Adjustment elements can not resolve this effect.
  • the inductance also has an advantage in that it improves the RX / TX isolation in the passband of the RX filter. If one also considers the individual duplexer, then the insertion loss is reduced only insignificantly by an inductance with a quality factor of 50.
  • Object of the present invention is to provide a duplexer, which has both the good RX / TX isolation, but which can be designed for operation in a quadplexer and with respect to the reflectivity at the common
  • the invention shows that in a filter, the selection of the parallel path, in which the inductance is connected, has a significant influence on the reflectivity of the filter. It has been found that the conventional arrangement of inductance in a parallel path in the immediate vicinity of the antenna port is the most disadvantageous. The invention now shows that the most advantageous arrangement of
  • Parallel resonator is located in the parallel arm, which is farthest from the antenna port.
  • the seen from the antenna connection first parallel arm of the duplexer according to the invention must then be connected directly to ground. It is also advantageous, the other
  • a duplexer has an antenna connection, which is connected to two partial paths, namely a transmission path and a reception path.
  • the transmission path series-connected series resonators are arranged, while in parallel n-parallel paths are connected to ground.
  • each parallel path is in each case a parallel resonator or a cascade of series-connected parallel resonators
  • n preferably 0 ⁇ n ⁇ 8 applies.
  • At least in a parallel path is in series with a
  • Parallel resonator an inductance connected to ground, wherein the parallel arm, which is located closest to the antenna terminal, is connected directly to ground, because there is no inductance is arranged.
  • the TX / RX isolation at frequencies around the passband is essentially the same as that of a known duplexer with inductance at the first parallel arm, but the reflectivity is now much better and the duplexer shows less dependence on the inductor Q factor , This has the advantage that no high-quality inductors are required to the
  • Inductance is arranged in that parallel arm, which is farthest from the antenna connection.
  • Antenna terminal and the second duplexer is arranged in each case a phase shifter circuit, which rotates the impedance for the frequencies of the one transmitting and / or receiving band in the other duplexer to infinity.
  • the second duplexer too, its transmission path is serial interconnected series resonators and thereof branched off from ground connected parallel paths, in each of which a parallel resonator or a cascade of series-connected parallel resonators is arranged. At least one of the
  • Parallel paths in the transmission path is in series with a
  • Inductance is arranged.
  • This embodiment represents a quadplexer, which has a clean separation or a good insulation between the two duplexers even in the case of closely adjacent but nevertheless different bands.
  • quadplexers The use of such quadplexers is up to only one
  • the Quadpülexer invention can also separate these pairs of bands.
  • first duplexer is for band X and the second duplexer is for band Y
  • f C i is the center frequency in the band X receive band
  • f C 2 is the center frequency in band Y receive band
  • C c i and f C 2 are linked via the relationship f C i -S 1,45 f C 2.
  • f C i and f C 2 are linked via the relationship f C i -S 1.30 f C 2.
  • f C i and f C 2 are linked via the relationship f C i -S 1,20 f C 2. Also for this small distance of the bands to be separated results in an excellent insulation.
  • the inventively arranged inductance of the quadplexer according to the invention is also improved in the reflectivity and can be operated without problems in a CA mode, in addition to TX and RX operation of a band at least one additional from additional
  • Transmission band and / or additional receive band is active to increase the data rate or the bandwidth during a call or data connection.
  • the inductance allows the TX / RX isolation not only in one
  • Duplexer but also in the quadplexer to improve, without affecting the reflectivity is deteriorated.
  • inductors with low Q factors, ie cost-effective components, since the dependence of the duplexers or the dependence of the quadplexer properties on the Q factor of the inductors is only very slight or not at all pronounced.
  • the bands in a quadplexer according to the invention can be operated with any duplexing method. It is also possible within the quadplexer different duplexing for the two bands or the two
  • a further inductor is connected in series with another parallel resonator in one of the two duplexers in a further parallel arm.
  • System frequencies can be a Tx or Rx band of a
  • any other communication or navigation band such as GSM, WCDMA, GPS GLONASS, Galileo, Bluetooth, W-Lan, WiFi, or or IoT (Internet of Things) and / or a DBT frequency.
  • GSM Global System for Mobile Communications
  • WCDMA Wideband Code Division Multiple Access
  • GPS GLONASS Galileo
  • Bluetooth Wireless Fidelity
  • W-Lan Wireless Fidelity
  • WiFi Wireless Fidelity
  • IoT Internet of Things
  • IoT Internet of Things
  • the number of poles is the number of cross-bz.
  • Duplexer to an antenna or to a
  • Antenna terminal coupled to the at least one further transmission branch with a further transmission filter or another reception branch is coupled to a further receiving filter or a second duplexer.
  • the entire arrangement with the first duplexer and the further branch is designed for operation in a carrier aggregation mode.
  • Receive filter of a duplexer can get. This makes a multiplex function close to one another
  • a first and a second duplexer are coupled to the common antenna.
  • Duplexer is designed for LTE tape 5, while the second duplexer is for LTE tape 17.
  • ⁇ phase shifter in this embodiment an inductor can be used, which is connected in parallel to the antenna terminal, and thus parallel to the antenna to ground. In this embodiment, already with this single element, the function of a
  • Figure 1 shows a proposed for the invention
  • Quadplexer with two duplexers connected to a common antenna connector.
  • FIG. 2 shows the basis of various graphs
  • FIG 3 shows for one of the prior art
  • FIG. 4 shows a duplexer circuit according to the invention.
  • Figure 5 shows the passband of transmitting and
  • FIG. 6 shows the transmission behavior of the
  • Duplexer of the invention compared to a known duplexer.
  • FIG. 7 shows, similar to FIG. 3, the course of the
  • FIG. 8 shows a duplexer according to the invention with an additional attenuation pole.
  • Figures 9 and 10 show the transmission behavior of in
  • FIG. 8 according to the invention
  • FIG. 11 shows its reflectivity over the frequency
  • Figure 12 shows a duplexer circuit with a
  • Phase shifter according to the invention for a special band combination Phase shifter according to the invention for a special band combination.
  • FIGS 13 and 14 show the isolation of two
  • FIGs. 15A to 15C show tables with proposed ones
  • Figure 1 shows a quadplexer circuit in which a first duplexer DPX1 and a second duplexer DPX2 with a
  • Duplexer DPX1 is a first phase shifter PS1 arranged, while a second phase shifter PS2 in the second mixed transmit and receive path TRP2 between the antenna terminal AT and the second duplexer DPX2 is arranged.
  • the phase shift circuits PS cause the input impedances ZI in a mixed transmit and receive path TRP to be high for signals of the other duplexer, respectively, caused by the impedance of the respective other signal being turned to infinity. Accordingly, the input impedance is ZU in the first
  • the input impedance ZI2 in the second mixed transmission and reception path TRP2 for signals of the first duplexer DPX1 is high.
  • the phase shifters are adjusted so that e.g. the phase shifter PS1, the impedance of signals of the second duplexer DPX2 twisted so that the first duplexer DPX1 is as little as possible, the signals of the second duplexer so
  • Such a quadplexer circuit makes it possible to cleanly isolate duplexers with frequency bands located close to one another in order to allow undisturbed quadplexer operation.
  • the quadplexer supports also a triplexer operation, if the first duplexer DPX1 full duplex operation is running, while the second duplexer DPX2 only as a transmit filter or only as a receive filter is used.
  • Such a triplexer operation corresponds to the carrier aggregation mode, for which the proposed architecture does not require separate transmit or receive filters for the single coupled band.
  • the quadplexer circuit rather uses the second duplexer as a filter in CA mode for the additional band.
  • Quadplexer particularly in triplexer or Quadplexer due to high reflections prone to electrical
  • Figure 2 shows in an illustrative manner how the
  • Antenna connection can be generated.
  • the different graphs are designed for different scenarios with different S22 values. If S22 is minimal (so perfect fit, see top curve), then the extra one
  • FIG. 3 shows the applied over the frequency
  • a duplexer according to the invention which substantially reduces the problem of too high reflectivity at the antenna connection, is shown in FIG.
  • a transmitting branch TX and a receiving branch RX are connected to the common antenna terminal AT. Both in the transmitting and in the receiving branch, one filter each is designed as a ladder-type interconnection of resonators.
  • the transmitting branch comprises a series of series resonators TRSX, to which parallel resonators TRPX are connected in parallel branches to ground.
  • three series resonators are shown TRS1 to TRS3 and three parallel arms with ⁇ parallel resonators to TRP1 TRP3.
  • In series with the third parallel arm is a parallel inductance PI1 switched to ground.
  • the receive filter in the RX branch RX here has a similar ladder type structure with the
  • phase shift circuit PS1, PS2 which is responsible for the TX / RX isolation within the duplexer.
  • Each phase shifter circuit comprises at least one
  • Phase shifter circuits may also include L, T and ⁇ circuits. It is also possible, the two
  • Duplexer without parallel inductance shows. It can be seen from the figure that the additional parallel inductance leaves bandwidth and edges of the pass bands virtually unchanged.
  • FIG. 7 shows that practically no influence of the Q-factor of the additional inductance PI1 on the
  • the idea according to the invention of making the parallel inductance as far away as possible from the antenna connection can be extended to a plurality of inductors which are connected in series with other parallel arms. Again, the additional inductances are maximally removed from the antenna connection and in any case the first parallel arm remains free of an additional inductance. With these additional inductors, additional attenuation maxima at critical frequencies can be created to be specific
  • the duplexer shown in FIG. 8 can be designed, for example, for band 17. With the additional inductance, an increased attenuation, that is to say an attenuation maximum at the frequencies of band 5, can be generated in order to increase the TX / RX isolation between the duplexers for a possible carrier aggregation mode. Another one
  • Attenuation maxima can be generated at about 2.4 GHz to WLAN To dampen frequencies.
  • the properties of the duplexer according to the invention are further extended for its use in a quadplexer and in particular for use in the carrier aggregation mode for tape
  • Figure 9 shows the transmission behavior of the illustrated in Figure 8 and designed for Band 17 duplexer in
  • FIG. 10 shows the isolation of the duplexer in the area of the WLAN frequency at approximately 2500 MHz, which is improved by the generated additional attenuation maxima. In all cases the Rx / Tx Isolation ISO is significantly improved.
  • Figure 12 shows a simplified circuit of a Band 5 / Band 17 quadplexer with duplexers according to the invention.
  • the phase shifter circuits can be replaced by a single
  • Parallel inductance PI can be realized, which is connected in parallel to the antenna terminal AT to ground.
  • Each of the two individual duplexers DPX1, DPX2 is optimized so that it has the best possible reflectivity with simultaneous high isolation of the TX signal compared to the further RX branch coupled in CA mode.
  • the phases of the two duplexers are suitably optimized against each other, which in addition to the success of the single phase shifter element, so the parallel inductance PI contributes. In addition to the saving of elements, the loss of insertion loss is kept as small as possible in this way.
  • Figures 13 and 14 show the improved isolation that can be achieved with a quadplexer assembled from duplexers of the present invention over a quadplexer of known duplexers.
  • Duplexer was developed with regard to carrier band aggregation, so that these duplexers or the thereof
  • Quadplexer according to the invention according to Figure 14 shows a much improved isolation in each area of the RX frequencies of both duplexers. In both bands, the isolation is now more than 60 dB and thus improved by 20 dB and more.
  • Duplexers of the present invention may also be optimized for other LTE tapes, and suitable duplexers may be used
  • Quadplexern are interconnected.
  • the band combinations for carrier aggregation mode in the FDD Rx range which are cited for example in FIG. 15A and proposed by the 3 GPP in the current release, are also supported.
  • Figure 15B shows the corresponding band combinations for interband proposed by the 3 GPP (TS36.101)
  • Different bands combine, that in each case only two bands are so closely adjacent to each other, that a constructed from duplexers invention quadplexer Kursn Use must come.
  • the frequency position of the third band is sufficiently far removed from that of the other two bands, so that their separation is a simple diplexer sufficient, which can be connected upstream of the quadplexer.
  • inventive duplexer Due to the significantly improved isolation of inventive duplexer is also in the carrier aggre- gation mode in which two duplexers are aggegiert and at the same time on the same
  • duplexer according to the invention can also be used
  • TRP1, TRP2 Mixed send / receive paths

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Abstract

Es wird ein für Quadplexer einsetzbarer und in verschiedenen Carrieraggregation Modes einsetzbarer Duplexer vorgeschlagen. Dieser weist Resonatoren in einer Ladeertypestruktur auf, wobei zumindest einer der Parallelresonatoren im Sendepfad in Serie mit einer Induktivität gegen Masse geschaltet ist, wobei der Parallelresonator in dem Parallelpfad, der dem Antennenanschluss am nächsten gelegen ist,direkt gegen Masse geschaltet ist und in dem entsprechenden Parallelpfad keine Induktivität angeordnet ist

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Duplexer
- mit einem Antennenanschluss
- mit zwei Teilpfaden, umfassend einen Sendepfad und einen Empfangspfad, die beide an den
Antennenanschluss angeschlossen sind
- wobei der Sendepfad seriell verschaltete
Serienresonatoren und parallel dazu n gegen Masse verschaltete Parallelpfade, in denen jeweils ein
Parallelresonator oder eine Kaskade von seriell verschalteten Parallelresonatoren angeordnet ist, umfasst, wobei n eine ganze Zahl ist mit 0 < n < 8
- wobei zumindest einer der n Parallelresonatoren im Sendepfad in Serie mit einer Induktivität gegen Masse geschaltet ist,
- wobei der Parallelresonator in dem Parallelpfad, der dem Antennenanschluss am nächsten gelegen ist, direkt gegen Masse geschaltet ist und in dem entsprechenden Parallelpfad keine Induktivität angeordnet ist.
2. Duplexer nach Anspruch 1,
bei dem die Induktivität in demjenigen Parallelpfad des Sendeteilpfads angeordnet ist, der in der Verschaltung vom Antennenanschluss am weitesten entfernt ist.
3. Duplexer nach Anspruch 1 oder 2,
der mit einem zweiten gleichartigen Duplexer zu einem Quadplexer verbunden ist
- bei dem der erste Duplexer für ein erstes Sendeband und ein erstes Empfangsband ausgelegt ist, bei dem der zweite Duplexer, der für ein zweites Sendeband und ein zweites Empfangsband ausgelegt ist, die von den Bändern des ersten Duplexers verschieden sind, an den Antennenanschluss angeschlossen ist, bei dem zwischen Antennenanschluss und erstem
Duplexer sowie zwischen Antennenanschluss und zweitem Duplexer je eine Phasenschieberschaltung verschaltet ist, die die Impedanz für die Frequenzen in den
Bändern des jeweils anderen Duplexers nach Unendlich dreht, wobei auch für den zweiten Duplexer gilt: der Sendepfad umfasst seriell verschaltete
Serienresonatoren und parallel dazu gegen Masse verschaltete Parallelpfade, in denen jeweils ein Parallelresonator oder eine Kakade seriell
verschalteter Parallelresonatoren angeordnet ist, zumindest einer der Parallelpfade im Sendepfad ist in Serie mit einer Induktivität gegen Masse geschaltet, in dem Parallelpfad, der dem Antennenanschluss am nächsten gelegen ist, ist der zumindest eine
Parallelresonator direkt gegen Masse geschaltet und es ist in dem entsprechenden Parallelpfad keine
Induktivität angeordnet.
Duplexer nach einem der Ansprüche 1-3,
bei dem in einem der Duplexer eine weitere
Induktivität in Serie zu einem weiteren
Parallelresonator geschaltet ist,
bei dem die weitere Induktivität so bemessen ist, dass dadurch in der Übertragungskurve eine erhöhte Dämpfung bei einer weiteren Systemfrequenz bewirkt ist,
wobei die weitere Systemfrequenz ausgewählt ist aus WLAN, WiFi, GPS, DBT oder aus einem Tx- oder Rx-Band eines beliebigen anderen Kommunikations- oder
Navigationsband wie GLONASS, Galileo, Bluetooth oder GSM, WCDMA oder IoT (Internet of Things) .
Duplexer nach einem der Ansprüche 1-4,
der an eine Antenne gekoppelt ist, an die zumindest ein weiterer Sendezweig mit einem weiteren
Sendefilter oder ein weiterer Empfangszweig mit einem weiteren Empfangsfilter oder ein zweiter Duplexer angekoppelt ist,
bei dem zumindet ein Phasenschieber zwischen der Antenne und dem Duplexer und/oder zwischen der
Antenne und dem weiteren Zweig oder dem weiteren Duplexer angeordnet ist, der an einem Duplexereingang die Impedanz für Frequenzen des jeweils anderen
Empfangs- oder Sendezweigs oder Duplexers nach
Unendlich dreht,
wobei die Gesamtanordnung zum Betrieb in einem
Carrier Aggregation Mode ausgebildet ist, der zur gleichen Zeit
Sende- und Empfangsbetrieb über den Sendepfad und Empfangspfad des Duplexers und
Empfangsbetrieb über das weitere Empfangsfilter, oder Sendebetrieb über das weitere Sendefilter, oder zumindest eine Betriebsweise aus Empfangsbetrieb und Sendebetrieb über das Empfangsfilter und/oder das Sendefilter des zweiten Duplexers ermöglicht. Duplexer nach Anspruch 5,
mit einem ersten und einem zweiten Duplexer, die an die gemeinsame Antenne gekoppelt und zu einem
Quadplexer kombiniert sind,
wobei der erste Duplexer für Band 5 ausgelegt ist, während der zweite Duplexer für Band 17 ausgelegt ist,
bei dem als Phasenschieber eine Induktivität in einem Parallelzweig angeordnet ist, der parallel zum
Antennenanschluss gegen Masse geschaltet ist.
Duplexer nach Anspruch 5,
mit einem ersten und einem zweiten Duplexer, die an die gemeinsame Antenne gekoppelt sind,
wobei der erste Duplexer für Band X ausgelegt ist, während er zweite Duplexer für Band Y ausgelegt ist, wobei die Mittenfrequenz fCi im Empfangsband von Band X mit der Mittenfrequenz fC2 im Empfangsband von Band
Y über den Zusammenhang fCi -S 1,45 fC2 verknüpft ist.
Duplexer nach Anspruch 7,
wobei die Mittenfrequenz fCi im Empfangsband von Band X mit der Mittenfrequenz fC2 im Empfangsband von Band
Y über den Zusammenhang fCi -S 1,3 fC2 verknüpft ist.
Duplexer nach Anspruch 7,
wobei die Mittenfrequenz fCi im Empfangsband von Band X mit der Mittenfrequenz fC2 im Empfangsband von Band
Y über den Zusammenhang fCi -S 1,2 fC2 verknüpft ist.
EP15731001.2A 2014-07-31 2015-06-15 Duplexer mit verbesserter reflektivität Withdrawn EP3175553A1 (de)

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DE102014110905.8A DE102014110905A1 (de) 2014-07-31 2014-07-31 Duplexer mit verbesserter Reflektivität
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EP3175553A1 true EP3175553A1 (de) 2017-06-07

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