TW202324947A

TW202324947A - 雙工器

Info

Publication number: TW202324947A
Application number: TW110145894A
Authority: TW
Inventors: 楊金龍
Original assignee: 立積電子股份有限公司
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2023-06-16
Also published as: CN116248075A; TWI803091B; US20230179232A1; US11700022B2

Abstract

一種雙工器，包含有一第一濾波電路及一第二濾波電路。該第一濾波電路用以提供一第一訊號路徑予一第一射頻訊號，以及包含有一第一可調式共振電路，用以調整對應於該第一射頻訊號的一第一倍頻的一第一傳輸零點。該第二濾波電路用以提供一第二訊號路徑予一第二射頻訊號，以及包含有一第二可調式共振電路，用以調整對應於該第二射頻訊號的一第一倍頻的一第一傳輸零點。其中，該第一濾波電路對應於該第一射頻訊號的該第一倍頻為該第一射頻訊號的一四次諧波。

Description

雙工器

本發明相關於一種雙工器，尤指一種用於雙頻WiFi應用（dual-band WiFi application）的雙工器。

雙工器（diplexer）可實現在同一傳輸線或天線上傳送或接收兩種不同頻率的信號，一般常見的雙工器包含有低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic，LTCC）雙工器、積體被動元件（integrated passive device，IPD）雙工器及薄膜（thin film）雙工器。然而，上述雙工器難以在輸入損耗（insertion loss，IL）、體積大小、製作成本及阻帶抑制（stop-band suppression）之間取得權衡。因此，如何設計低輸入損耗、體積小、低成本以及可維持良好的阻帶抑制的雙工器為亟待解決的問題。

本發明提供了一種用於雙頻WiFi應用的雙工器，以解決上述問題。

本發明揭露一種雙工器，包含有一第一端、一第一濾波電路、一第二端一第二濾波電路及一第三端。該第一濾波電路耦接到該第一端，用以提供一第一訊號路徑予一第一射頻訊號，以及包含有一第一可調式共振電路，用以調整對應於該第一射頻訊號的一第一倍頻的一第一傳輸零點。該第二端耦接到該第一濾波電路。該第二濾波電路耦接到該第一端，用以提供一第二訊號路徑予一第二射頻訊號，以及包含有一第二可調式共振電路，用以調整對應於該第二射頻訊號的一第一倍頻的一第一傳輸零點。該第三端耦接到該第二濾波電路。其中，該第一濾波電路對應於該第一射頻訊號的該第一倍頻為該第一射頻訊號的一四次諧波。

第1圖為本發明實施例雙工器（diplexer）10的示意圖。雙工器10包含有第一端E1、第一濾波電路（filter circuit）100、第二端E2、第二濾波電路110及第三端E3。第一濾波電路100耦接至第一端E1，用以提供一第一訊號路徑予一第一射頻（radio frequency，RF）訊號。第一濾波電路100包含有第一可調式共振電路（tunable resonant circuit）102。第一可調式共振電路102可用來調整對應於第一射頻訊號的第一倍頻（multiple frequency）之第一傳輸零點（transmission zero）。第二端E2耦接到第一濾波電路100。第二濾波電路110耦接至第一端E1，用以提供一第二訊號路徑予一第二射頻訊號。第二濾波電路110包含有第二可調式共振電路112。第二可調式共振電路112可用以調整對應於第二射頻訊號的第一倍頻的第一傳輸零點。第三端E3耦接至第二濾波電路110。在一實施例中，第一射頻訊號的第一倍頻係第一射頻訊號之一四次諧波（fourth harmonic）。也就是說，根據第一射頻訊號的第一倍頻的第一傳輸零點，第一濾波電路100的第一可調式共振電路102可濾除第一射頻訊號之四次諧波的訊號。

在一實施例中，第一射頻訊號之一頻率與第二射頻訊號之一頻率不同。在一實施例中，第一射頻訊號的頻率之一範圍與第二射頻訊號的頻率之一範圍之間大致上具有一倍數關係。舉例來說，第二射頻訊號的頻率之範圍可為第一射頻訊號的頻率的範圍的二倍，但不限於此。比方說，可根據一通訊協定（例如IEEE 802.11通訊協定），以決定第一射頻訊號的頻率的範圍及第二射頻訊號的頻率的範圍。例如，第一射頻訊號的頻率之範圍可在2.4GHz到2.483GHz之間，而第二射頻訊號其頻率範圍可在5.15GHz到5.85GHz之間。亦即，在此實施例中，第二射頻訊號的頻率約略為第一射頻訊號的頻率之兩倍。

在一實施例中，第一濾波電路100另包含有第一共振單元（resonant unit）104及第二共振單元106。第一共振單元104耦接於第一端E1及第一可調式共振電路102之間，用以提供對應於第一射頻訊號之二次諧波（second harmonic）之一第二傳輸零點。第二共振單元106耦接於第一共振單元104及第一可調式共振電路102之間，用以提供對應於第一射頻訊號的三次諧波（third harmonic）的一第三傳輸零點。也就是說，第一共振單元104及第二共振單元106可分別濾除第一射頻訊號的二次諧波及三次諧波之訊號。亦即，經由第一可調式共振電路102、第一共振單元104及第二共振單元106，以及其分別對應之第一射頻訊號的第一傳輸零點、第二傳輸零點及第三傳輸零點，第一濾波電路100可分別濾除第一射頻訊號的四次諧波、二次諧波及三次諧波訊號。

在一實施例中，雙工器10的第一可調式共振電路102另包含有一電容電路1020，電容電路1020包含有一電容C1及一電晶體T1，以及電晶體T1與電容C1串聯。第一可調式共振電路102可包含有一電感電容串聯電路（LC series circuit）1022，第一可調式共振電路102之電感電容串聯電路1022與第一可調式共振電路102的電容電路1020並聯。根據電容電路1020中的電晶體T1（例如根據電晶體T1所接收之控制電壓或其他參數），電容電路1020的一電容值被調整。例如，可藉由調整電晶體T1所接收之控制電壓，電容電路1020可視作為可變電容，藉由調整電容電路1020之電容值，可藉此調整對應於第一射頻訊號之四次諧波的第一傳輸零點。或者，在電晶體T1做為可變電容的操作下，電晶體T1所接收的控制電壓可根據互補式金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）的製程而調整。例如，對於使用0.18微米（μm）的互補式金屬氧化物半導體技術（CMOS technology）的電晶體T1來說，可選擇0~1.8伏特做為電晶體T1所接收之控制電壓。藉由電晶體T1，第一可調式共振電路102可有效克服製程變異，進而維持良好的傳輸零點的位置。電容電感串聯電路1022包含有一電感L1及一電容C2。第一可調式共振電路102可包含有一電感L1（即電容電感串聯電路1022中的電感L1），第一可調式共振電路102的電感L1具有一螺旋方向。第二可調式共振電路112包含有一電感L2，第二可調式共振電路112的電感L2具有一螺旋方向。第一可調式共振電路102的電感L1的螺旋方向可與第二可調式共振電路112的電感L2的螺旋方向不同。

在一實施例中，第二濾波電路110另包含有共振單元114。共振單元114耦接在第一端E1及第二可調式共振電路112之間，用以提供對應於第二射頻訊號的一第二傳輸零點。也就是說，共振單元114可濾除第二射頻訊號當中不想要的特定頻率之雜訊訊號。

在一實施例中，雙工器10的第二可調式共振電路112包含有電感電容串聯電路1122及電容電路1120。第二可調式共振電路112之電感電容串聯電路1122可包含有一電感L2及一電容C3。第二可調式共振電路112之電容電路1120可包含有一電容C4及一電晶體T2。電晶體T2與電容C4串聯，用以調整第二可調式共振電路112的電容電路1120之一電容值。根據電容電路1120中的電晶體T2（例如根據電晶體T2所接收之控制電壓或其他參數），電容電路1120的一電容值被調整。也就是說，藉由調整電晶體T2所接收之控制電壓，電容電路1120可視作為可變電容，藉由調整電容電路1120之電容值，可調整對應於第二射頻訊號的二次諧波之該第二射頻訊號的該第一傳輸零點的位置。在電晶體T2做為可變電容的操作下，電晶體T2所接收的控制電壓可根據互補式金屬氧化物半導體的製程而調整。例如，對於使用0.18微米的互補式金屬氧化物半導體技術的電晶體T2來說，可選擇0~1.8伏特做為電晶體T2所接收之控制電壓。藉由電晶體T2，第二可調式共振電路112可有效克服製程變異，進而維持良好的傳輸零點的位置。此外，由於第二濾波電路110中的電容C3及電容C4的電容值較小，較易因為製程變異而產生飄移。藉由電晶體T2做為可變電容的特性，電容C3及電容C4因製程變異而產生的飄移可被克服，以維持第二射頻訊號的第一傳輸零點的良好位置。

此外，第一濾波電路100之第一共振單元104可包含一電感L3及一電容C5。第一共振單元104的電感L3與電容C5並聯。第一濾波電路100的第一共振單元104的電感L3具有一螺旋方向。第一濾波電路100的第二共振單元106包含有一電容C6及一打線（bondwire）BW。第二共振單元106的打線BW與電容C6串聯。也就是說，透過電感L3及電容C5所組成的電感電容並聯電路，第一共振單元104可濾除第一射頻訊號的二次諧波訊號。透過打線BW及電容C6所組成之電路，第一濾波電路100的第二共振單元106可濾除第一射頻訊號的三次諧波訊號。在一實施例中，第二濾波電路110的共振單元114包含有一電感L4及一電容C7。共振單元114的電感L4與電容C7串聯。共振單元114的電感L4具有一螺旋方向。也就是說，透過電感L4及電容C7所組成的電感電容串聯電路，第二濾波電路110的共振單元114可濾除對應於第二射頻訊號之第二傳輸零點的位置的頻率訊號。舉例來說，當第二射頻訊號之頻率落在5.15GHz到5.85GHz之間時，共振單元114對應之第二射頻訊號之第二傳輸零點可濾除頻率在2.4GHz左右之訊號。

舉例來說，第二濾波電路110可包含有共振單元114以提供對應於第二射頻訊號的一第二傳輸零點。換言之，共振單元114可濾除第二射頻訊號當中不想要的特定頻率之雜訊訊號。例如，第二濾波電路110可包含有第二傳輸零點。當第二射頻訊號（如5GHz之訊號）通過第二訊號路徑時，該第二傳輸零點可濾除其中對應到第一射頻訊號（如2.4GHz之訊號）之雜訊，以此降低訊號接收端之干擾，以維持雙工器10的效能。第二濾波電路110之第二可調式共振電路112係提供對應於第二射頻訊號的第一倍頻之第一傳輸零點。例如，此第一倍頻可為第二射頻訊號之二次諧波。因此，第二可調式共振電路112可濾除第二射頻訊號（如5GHz之訊號）之二次諧波訊號。

在一實施例中，第一濾波電路100之電感L1的螺旋方向及第一濾波電路100之電感L3螺旋方向相同；而此螺旋方向係與第二濾波電路110之電感L2的螺旋方向及第二濾波電路110之電感L4之螺旋方向不同。舉例來說，電感L2與電感L4的螺旋方向可為順時鐘方向（clockwise），而電感L1與電感L3之螺旋方向可為逆時鐘方向（counterclockwise）。

在一實施例中，第二濾波電路110另包含有一電容C8，以及電容C8耦接在第一端E1及第二可調式共振電路112之間。

在一實施例中，第一濾波電路100及第二濾波電路110由絕緣體上矽技術（silicon on insulator，SOI）構成。在其他實施例中，亦可將所使用的電容元件以及電感元件以積體被動元件（integrated passive device，IPD）實現，而所使用的電晶體可依實際需求使用互補式金屬氧化物半導體製程，以此藉由使用積體被動元件製程之被動元件，將可有效減少所需之成本。

在一實施例中，從第一端E1或第二端E2，第一濾波電路100接收第一射頻訊號；或者，第一濾波電路100傳送第一射頻訊號到第一端E1或第二端E2。也就是說，第一端E1及第二端E2可做為第一濾波電路100的訊號傳送端，也可做為第一濾波電路100的訊號接收端。第一濾波電路100提供予第一射頻訊號的第一訊號路徑可為從第一端E1到第二端E2，也可為從第二端E2到第一端E1。在一實施例中，從第一端E1或第三端E3，第二濾波電路110接收第二射頻訊號；或者，第二濾波電路110傳送第二射頻訊號到第一端E1或第三端E3。也就是說，第一端E1及第三端E3可做為第二濾波電路110的訊號傳送端，也可做為第二濾波電路110的訊號接收端。第二濾波電路100提供予第二射頻訊號的第二訊號路徑可為從第一端E1到第三端E3，也可為從第三端E3到第一端E1。

第2圖為本發明實施例雙工器10佈局（layout）20之示意圖。為方便說明，在第2圖中僅繪出雙工器10的電感L1、電感L2、電感L3及電感L4之佈局，而未繪出雙工器10其他元件的佈局。如第2圖所示，在雙工器10的第一濾波電路100中，第一可調式共振電路102包含有電感L1，而第一共振單元104包含有電感L3。電感L1及電感L3具有一螺旋方向，該螺旋方向可為逆時鐘方向。在雙工器10之第二濾波電路110中，第二可調式共振電路包含有電感L2，以及共振單元114包含有電感L4。電感L2及電感L4具有一螺旋方向，該螺旋方向可為順時鐘方向。也就是說，第一可調式共振電路102的電感L1的螺旋方向（如逆時鐘方向）與第二可調式共振電路112的電感L2的螺旋方向（如順時鐘方向）不同。第一共振單元104的電感L3的螺旋方向（如逆時鐘方向）與共振單元114的電感L4的螺旋方向（如順時鐘方向）不同。藉由將第一濾波電路100之電感（即電感L1、L3）及第二濾波電路110之電感（即電感L2、L4）設計為不同的螺旋方向，雙工器10的元件之間的磁耦合可被減低，以減少雙工器10的元件之間的電性干擾。

此外，由於雙工器10使用的電感數量（即4個電感）較習知技術的雙工器的電感數量少，雙工器10可設計於600μm×600μm的高電阻性矽基板上，相較於習知技術的雙工器需設計在1600μm×800μm的基板上，本發明揭露的雙工器10的電路設計面積較小。

第3圖為本發明實施例雙工器10的輸入損耗30的示意圖。在第3圖中，橫軸代表射頻訊號頻率，單位為吉赫（GHz）；縱軸為射頻訊號的輸入損耗（insertion loss，IL），單位為分貝（dB）。第一射頻訊號以2.4GHz為基頻訊號。曲線302為第一射頻訊號通過雙工器10的第一濾波電路100之輸入損耗。如第3圖中的曲線302所示，當第一射頻訊號通過雙工器10的第一濾波電路100時，第一射頻訊號的二次諧波（約4.8GHz附近）、三次諧波（約7.2GHz附近）及四次諧波（約9.6GHz附近）的輸入損耗分別約為-40dB（即第一濾波電路100的第一共振單元104所提供的第二傳輸零點）、-43dB（即第一濾波電路100的第二共振單元106所提供的第三傳輸零點）及-31dB（即第一濾波電路100的第一可調式共振電路102所提供的第一傳輸零點）。也就是說，本發明雙工器10的三個傳輸零點阻斷基頻訊號的二次諧波、三次諧波及四次諧波的效果優於習知技術之雙工器的對應傳輸零點。

請繼續參考第3圖，第二射頻訊號以5GHz為基頻訊號。曲線312為第二射頻訊號通過雙工器10的第二濾波電路110之輸入損耗。習知技術的雙工器所提供的傳輸零點的位置約在2.5GHz及3.2GHz附近，其輸入損耗分別約為-33dB及-38dB。當第二射頻訊號通過雙工器10的第二濾波電路110時，較為明顯的傳輸零點的頻率約在11.5GHz附近（即第二濾波電路110的第二可調式共振電路112所提供的第一傳輸零點）。第二濾波電路110提供對應於第二射頻訊號的第二傳輸零點的頻率約在2.6GHz附近，其輸入損耗約為-36dB（即第二濾波電路110的共振單元114所提供的第二傳輸零點）。也就是說，即使習知技術的雙工器與雙工器10的第二濾波電路110都提供對應於第二射頻訊號的兩個傳輸零點，習知技術的雙工器無法濾除第二射頻訊號的二次諧波的訊號。相較之下，本發明雙工器10的提供對應於第二射頻訊號的二次諧波的傳輸零點，可濾除第二射頻訊號的二次諧波之訊號。

綜上所述，本發明揭露一種雙工器，用以提供低插入損失、體積小、低成本以及可維持良好的阻帶抑制的WiFi應用雙工器。本發明揭露的雙工器在低頻訊號的二次諧波及三次諧波的過濾效果優於習知技術的雙工器，以及在使用較少電感數量的情形下，可有效減少電路設計的面積及成本，使雙工器在簡單的架構下同時具有良好的性能。因此，本領域的問題可被解決。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:雙工器 100:第一濾波電路 102:第一可調式共振電路 1020, 1120:電容電路 1022, 1122:電感電容串聯電路 104:第一共振單元 106:第二共振單元 110:第二濾波電路 112:第二可調式共振電路 114:共振單元 E1:第一端 E2:第二端 E3:第三端 L1, L2, L3, L4:電感 C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8:電容 T1, T2:電晶體 BW:打線 20:佈局 30:輸入損耗 302, 312:曲線

第1圖為本發明實施例雙工器的示意圖。第2圖為本發明實施例雙工器的佈局的示意圖。第3圖為本發明實施例雙工器的輸入損耗的示意圖。

10:雙工器

100:第一濾波電路

102:第一可調式共振電路

1020,1120:電容電路

1022,1122:電感電容串聯電路

104:第一共振單元

106:第二共振單元

110:第二濾波電路

112:第二可調式共振電路

114:共振單元

E1:第一端

E2:第二端

E3:第三端

L1,L2,L3,L4:電感

C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8:電容

T1,T2:電晶體

BW:打線

Claims

一種雙工器，包含有：一第一端；一第一濾波電路，耦接到該第一端，用以提供一第一訊號路徑予一第一射頻訊號，其中該第一濾波電路包含有：一第一可調式共振電路，用以調整對應於該第一射頻訊號的一第一倍頻的一第一傳輸零點；一第二端，耦接到該第一濾波電路；一第二濾波電路，耦接到該第一端，用以提供一第二訊號路徑予一第二射頻訊號，其中該第二濾波電路包含有：一第二可調式共振電路，用以調整對應於該第二射頻訊號的一第一倍頻的一第一傳輸零點；以及一第三端，耦接到該第二濾波電路；其中該第一濾波電路對應於該第一射頻訊號的該第一倍頻為該第一射頻訊號的一四次諧波。
如請求項1所述之雙工器，其中該第一射頻訊號的一頻率與該第二射頻訊號的一頻率不同。
如請求項2所述之雙工器，其中該第一射頻訊號的該頻率的一範圍與該第二射頻訊號的該頻率的一範圍之間具有一倍數關係。
如請求項3所述之雙工器，其中根據IEEE 802.11通訊協定，該第一射頻訊號的該頻率的該範圍及該第二射頻訊號的該頻率的該範圍被決定。
如請求項2所述之雙工器，其中該第一濾波電路另包含有對應於該第一射頻訊號的一第二倍頻的一第二傳輸零點，該第二倍頻為該第一射頻訊號的一二次諧波。
如請求項5所述之雙工器，其中該第一濾波電路另包含有對應於該第一射頻訊號的一第三倍頻的一第三傳輸零點，該第三倍頻為該第一射頻訊號的一三次諧波。
如請求項5所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路包含有一電感，該第一可調式共振電路的該電感具有一螺旋方向；該第二可調式共振電路包含有一電感，該第二可調式共振電路的該電感具有一螺旋方向；以及該第一可調式共振電路的該電感的該螺旋方向與該第二可調式共振電路的該電感的該螺旋方向不同。
如請求項2所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路包含有一電容電路，該電容電路包含有一電容及一電晶體，以及該電容電路的該電晶體與該電容電路的該電容串聯。
如請求項8所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路包含有一電感電容串聯電路，該第一可調式共振電路的該電感電容串聯電路與該電容電路並聯，其中根據該電容電路的該電晶體，該電容電路的一電容值被調整。
如請求項9所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路包含有一電感，該第一可調式共振電路的該電感具有一螺旋方向；該第二可調式共振電路包含有一電感，該第二可調式共振電路的該電感具有一螺旋方向；以及該第一可調式共振電路的該電感的該螺旋方向與該第二可調式共振電路的該電感的該螺旋方向不同。
如請求項2所述之雙工器，其中該第二濾波電路另包含有對應於該第二射頻訊號的該第一倍頻的該第一傳輸零點，以及該第二濾波電路的該第一倍頻為該第二射頻訊號的一二次諧波。
如請求項1所述之雙工器，其中該第一濾波電路另包含有：一第一共振單元，耦接在該第一端及該第一可調式共振電路之間，用以提供對應於該第一射頻訊號的一二次諧波的一第二傳輸零點；以及一第二共振單元，耦接在該第一共振單元及該第一可調式共振電路之間，用以提供對應於該第一射頻訊號的一三次諧波的一第三傳輸零點。
如請求項12所述之雙工器，其中該第二濾波電路另包含有：一共振單元，耦接在該第一端及該第二可調式共振電路之間，用以提供對應於該第二射頻訊號的一第二傳輸零點。
如請求項13所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路包含有一電感電容串聯電路及一電容電路，該第一可調式共振電路的該電感電容串聯電路包含有一電感及一電容，以及該第一可調式共振電路的該電感電容串聯電路的該電感具有一螺旋方向。
如請求項14所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路的該電容電路包含有：一電容；以及一電晶體，與該電容串聯，用以調整該第一可調式共振電路的該電容電路的一電容值。
如請求項15所述之雙工器，其中該第二可調式共振電路包含有一電感電容串聯電路及一電容電路，該第二可調式共振電路的該電感電容串聯電路包含有一電感及一電容，以及該第二可調式共振電路的該電容電感串聯電路的該電感具有一螺旋方向。
如請求項16所述之雙工器，其中該第二可調式共振電路的該電容電路包含有：一電容；以及一電晶體，與該電容串聯，用以調整該第二可調式共振電路的該電容電路的一電容值。
如請求項17所述之雙工器，其中：該第一濾波電路的該第一共振單元包含有一電感及一電容，第一共振單元的該電感與該電容並聯，以及第一共振單元的該電感具有一螺旋方向；以及該第一濾波電路的該第二共振單元包含有：一電容；以及一打線（bondwire），與該電容串聯。
如請求項18所述之雙工器，其中該第二濾波電路的該共振單元包含有一電感及一電容，該共振單元的該電感及該電容串聯，以及該共振單元的該電感具有一螺旋方向。
如請求項19所述之雙工器，其中該第一可調式共振電路的該電感電容串聯電路的該電感的該螺旋方向及該第一濾波電路的該第一共振單元的該電感的該螺旋方向與該第二可調式共振電路的該電容電感串聯電路的該電感的該螺旋方向及該第二濾波電路的該共振單元的該電感的該螺旋方向不同。