TWI612718B - 雙工器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種雙工器，具有一第一埠、一第二埠，以及一第三埠。第一埠係用於同時輸入或輸出一第一信號和一第二信號。第一信號和第二信號兩者之頻率不同。第二埠係用於輸入或輸出僅第二信號。第三埠係用於輸入或輸出僅第一信號。一第一通道單元係耦接於第一埠和第三埠之間。一第二通道單元係耦接於第一埠和一內部節點之間。一第三通道單元係耦接於內部節點和第二埠之間。一第一反射單元係耦接至第三埠，並用於濾除第二信號。一第二反射單元係耦接至內部節點，並用於濾除第一信號。一第三反射單元係耦接至第二埠，並用於濾除第一信號。

Description

雙工器

本發明係關於一種雙工器，特別係關於一種平面式、小尺寸，且具有高隔離度之雙工器。

隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。

雙工器(Diplexer)為行動裝置中同時處理多重頻帶信號時不可或缺之元件。然而，現存之雙工器元件通常會面臨隔離度不足、尺寸太大、成本過高，或是需要額外之表面黏著製程(Surface Mount Technology Process)等問題。有鑑於此，實有必要設計出一種全新之雙工器，以克服傳統技術之缺點。

在較佳實施例中，本發明提供一種雙工器，包括： 一第一埠，用於同時輸入或輸出一第一信號和一第二信號，其中該第一信號之一第一頻率係不同於該第二信號之一第二頻率；一第二埠，用於輸入或輸出僅該第二信號；一第三埠，用於輸入或輸出僅該第一信號；一第一通道單元，耦接於該第一埠和該第三埠之間；一第二通道單元，耦接於該第一埠和一內部節點之間；一第三通道單元，耦接於該內部節點和該第二埠之間；一第一反射單元，耦接至該第三埠，並用於濾除該第二信號；一第二反射單元，耦接至該內部節點，並用於濾除該第一信號；以及一第三反射單元，耦接至該第二埠，並用於濾除該第一信號。

100、300、400、500、600‧‧‧雙工器

110、510、610‧‧‧第一通道單元

120、520、620‧‧‧第二通道單元

130、530、630‧‧‧第三通道單元

140、540、640‧‧‧第一反射單元

150、550、650‧‧‧第二反射單元

160、560、660‧‧‧第三反射單元

370‧‧‧介質基板

380‧‧‧接地面

491、591、691‧‧‧第一連接單元

492、592、692‧‧‧第二連接單元

493、593、693‧‧‧第三連接單元

D1‧‧‧第一通道單元之長度

D2‧‧‧第二通道單元之長度

D3‧‧‧第三通道單元之長度

D4‧‧‧第一反射單元之長度

D5‧‧‧第二反射單元之長度

D6‧‧‧第三反射單元之長度

E1‧‧‧介質基板之上表面

E2‧‧‧介質基板之下表面

NN‧‧‧內部節點

P1‧‧‧第一埠

P2‧‧‧第二埠

P3‧‧‧第三埠

S1‧‧‧第一信號

S2‧‧‧第二信號

S21‧‧‧第一曲線(表示S21參數)

S31‧‧‧第二曲線(表示S31參數)

S32‧‧‧第三曲線(表示S32參數)

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器之示意圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器之S參數圖；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器之示意圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器之示意圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器之示意圖；第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器之示意圖； 第7A圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器不具有第二反射單元或第三反射單元時之S參數圖；第7B圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器其通道單元之長度小於對應之反射單元之長度之0.7倍時之S參數圖；以及第7C圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器其通道單元之長度大於對應之反射單元之長度之1.3倍時之S參數圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器(Diplexer)100之示意圖。如第1圖所示，雙工器100包括：一第一埠P1、一第二埠P2、一第三埠P3、一第一通道單元110、一第二通道單元120、一第三通道單元130、一第一反射單元140、一第二反射單元150，以及一第三反射單元160。以上所述之通道單元和反射單元可藉由金屬導體來實施。

第一埠P1、第二埠P2，以及第三埠P3可各自當作一輸入埠(Input Port)、一輸出埠(Output Port)，或是兩者之結合。第一埠P1係用於同時輸入或輸出一第一信號S1和一第二信號S2，其中第一信號S1之一第一頻率係不同於第二信號S2之一第二頻率。舉例而言，第一信號S1可為一高頻信號，而第二信號S2可為一低頻信號。第二埠P2係用於輸入或輸出僅第二信號 S2。第三埠P3係用於輸入或輸出僅第一信號S1。

第一通道單元110、第二通道單元120，以及第三通道單元130可使低頻信號、高頻信號，或是兩者之結合通過。第一通道單元110可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第一金屬導體。第一通道單元110係耦接於第一埠P1和第三埠P3之間。第二通道單元120可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第二金屬導體。第二通道單元120係耦接於第一埠P1和一內部節點NN之間。第三通道單元130可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第三金屬導體。第三通道單元130係耦接於內部節點NN和第二埠P2之間。

第一反射單元140、第二反射單元150，以及第三反射單元160可各自用於反射及去除其連接點處之高頻信號或低頻信號。第一反射單元140可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第四金屬導體，其中第四金屬導體之一端係耦接至第三埠P3，而第四金屬導體之另一端為一開路端(Open End)。第一反射單元140係用於濾除在第三埠P2處之第二信號S2。第二反射單元150可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第五金屬導體，其中第五金屬導體之一端係耦接至內部節點NN，而第五金屬導體之另一端為一開路端。第二反射單元150係用於濾除在內部節點NN處之第一信號S1。第三反射單元160可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第六金屬導體，其中第六金屬導體之一端係耦接至第二埠P2，而第六金屬導體之另一端為一開路端。第三反射單元160係用於濾除在第二埠P2處之第一信號S1。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器100之S參數圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表S參數(dB)。如第2圖所示，一第一曲線S21係代表第二埠P2和第一埠P1之間之S21參數(或S12參數)；一第二曲線S31係代表第三埠P3和第一埠P1之間之S31參數(或S13參數)；而一第三曲線S32係代表第三埠P3和第二埠P2之間之S32參數(或S23參數)。根據第2圖之電磁模擬結果可知，當高頻信號和低頻信號同時輸入至第一埠P1時，雙工器100可作為一分頻器(Frequency Divider)將之分離，使得低頻信號由第二埠P2所輸出，且高頻信號由第三埠P3輸出；另一方面，當低頻信號輸入至第二埠P2且高頻信號輸入至第三埠P3時，雙工器100可作為一頻率結合器(Frequency Combiner)將之結合，使得高頻信號和低頻信號同時由第一埠P1所輸出。在一些實施例中，前述之第一信號S1為一高頻信號，其第一頻率約介於5150MHz至5850MHz之間；而前述之第二信號S2為一低頻信號，其第二頻率約介於2400MHz至2500MHz之間。因此，本發明之雙工器100可用於同時處理WLAN(Wireless Local Area Network)2.4/5GHz之雙頻信號。另須注意的是，雙工器100之S32參數於2.4/5GHz頻帶中皆壓在-30dB左右或-30dB以下，此表示雙工器100之隔離度(Isolation)已足夠，可符合實際應用需求。

在一些實施例中，雙工器100之元件尺寸可如下列所述。第一反射單元140之長度D4係介於第一通道單元110之長度D1之0.7倍至1.3倍之間。第二反射單元150之長度D5係介於第二通道單元120之長度D2之0.7倍至1.3倍之間。第三反射單 元160之長度D6係介於第三通道單元130之長度D3之0.7倍至1.3倍之間。第三反射單元160之長度D6係介於第二反射單元150之長度D5之0.98倍至1.02倍之間。根據電磁模擬結果，在以上尺寸範圍內，雙工器100之介入損失(Insertion Loss)於高頻頻帶和低頻頻帶中均相對較低。必須注意的是，第三反射單元160和第二反射單元150兩者較佳係略為不等長之設計，此有助於產生額外之共振模態並增加高頻頻帶之頻寬。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器300之示意圖。第3圖與第1圖相似。在第3圖之實施例中，雙工器300更包括一介質基板(Dielectric Substrate)370和一接地面380。舉例而言，介質基板370可為一FR4(Flame Retardant 4)基板，或是一系統電路板(System Circuit Board)。接地面380可為一金屬平面。介質基板370具有一上表面E1和一下表面E2，其中第一通道單元110、第二通道單元120、第三通道單元130、第一反射單元140、第二反射單元150，以及第三反射單元160皆設置於介質基板370之上表面E1，而接地面380係設置於介質基板370之下表面E2。詳細而言，第一通道單元110、第二通道單元120、第三通道單元130、第一反射單元140、第二反射單元150，以及第三反射單元160於介質基板370之下表面E2之垂直投影將完全位於接地面380之內部。第3圖之雙工器300之其餘特徵皆與第1圖之雙工器100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

在一些實施例中，雙工器300之元件尺寸可如下列所述。第一通道單元110之長度D1約為前述第二頻率之0.25倍 波長(λ/4)。第二通道單元120之長度D2約為前述第一頻率之0.25倍波長(λ/4)。第三通道單元130之長度D3約為前述第一頻率之0.25倍波長(λ/4)。第一反射單元140之長度D4約為前述第二頻率之0.25倍波長(λ/4)。第二反射單元150之長度D5約為前述第一頻率之0.25倍波長(λ/4)。第三反射單元160之長度D6約為前述第一頻率之0.25倍波長(λ/4)。以上所稱之波長係指電磁波於介質基板370上之等效波長(Effective Wavelength，亦即λg)。如前所述，第二反射單元150之長度D5和第三反射單元160之長度D6亦可設計為略有差異，以更增加高頻頻帶之頻寬。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器400之示意圖。第4圖與第1圖相似。在第4圖之實施例中，雙工器400更包括一第一連接單元491、一第二連接單元492，以及一第三連接單元493。第一連接單元491、第二連接單元492，以及第三連接單元493可用於傳輸第一埠P1、第二埠P2，以及第三埠P3之輸入信號或輸出信號。第一連接單元491可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第七金屬導體。第一連接單元491係耦接至第一埠P1，並用於同時傳輸第一信號S1和第二信號S2，其中第一連接單元491之寬度係大於第一通道單元110之寬度和第二通道單元120之寬度。第二連接單元492可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第八金屬導體。第二連接單元492係耦接至第二埠P2，並用於傳輸僅第二信號S2，其中第二連接單元492之寬度係大於第三通道單元130之寬度和第三反射單元160之寬度。第三連接單元493可為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第九金屬導體。第三連接單元493係耦接 至第三埠P3，並用於傳輸僅第一信號S1，其中第三連接單元493之寬度係大於第一通道單元110之寬度和第一反射單元140之寬度。以上之寬度設計係為最佳化各連接單元與其對應之通道單元或(且)反射單元之間之阻抗匹配。第4圖之雙工器400之其餘特徵皆與第1圖之雙工器100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器500之示意圖。第5圖與第1圖相似。在第5圖之實施例中，雙工器500包括一第一通道單元510、一第二通道單元520、一第三通道單元530、一第一反射單元540、一第二反射單元550，以及一第三反射單元560。以上這些元件可加入蜿蜒或鏡射之設計手段。舉例而言，第一通道單元510可為一N字形，而第二通道單元520、第三通道單元530、第一反射單元540、第二反射單元550，以及第三反射單元560可各自為一L字形。根據電磁模擬結果，加入前述蜿蜒或鏡射之設計之通道單元和反射單元仍可正常運作而不致影響雙工器500之功效，其可進一步達成裝置小型化之目標。第5圖之雙工器500之其餘特徵皆與第1圖之雙工器100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器600之示意圖。第6圖與第1圖相似。在第6圖之實施例中，雙工器600包括一第一通道單元610、一第二通道單元620、一第三通道單元630、一第一反射單元640、一第二反射單元650，以及一第三反射單元660。以上這些元件可加入蜿蜒或鏡射之設計手段。舉例而言，第一通道單元610和第一反射單元640可各 自為一S字形，而第二通道單元620、第三通道單元630、第二反射單元650，以及第三反射單元660可各自為一L字形。根據電磁模擬結果，加入前述蜿蜒或鏡射之設計之通道單元和反射單元仍可正常運作而不致影響雙工器600之功效，其可進一步達成裝置小型化之目標。第6圖之雙工器600之其餘特徵皆與第1圖之雙工器100類似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。

以下電磁模擬結果為一些對照組，俾利於說明本發明各元件之功能。

第7A圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器100不具有第二反射單元150或第三反射單元160時之S參數圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表S參數(dB)。如第7A圖所示，當雙工器100僅包括第二反射單元150或第三反射單元160兩者擇一時，其高頻頻帶(即5G頻帶)之頻寬將變得明顯較窄。因此，本發明所提同時具有第二反射單元150和第三反射單元160之雙工器100可產生不同共振模態並有效地增加高頻頻帶之頻寬。

第7B圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器100其反射單元之長度大於對應之通道單元之長度之1.3倍時之S參數圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表S參數(dB)。如第7B圖所示，若反射單元之長度大於對應之通道單元之長度太多，將對於雙工器100之阻抗匹配造成負面影響，從而使雙工器100之介入損失上升。第7C圖係顯示根據本發明一實施例所述之雙工器100其反射單元之長度小於對應之通道單 元之長度之0.7倍時之S參數圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz),而縱軸代表S參數(dB)。如第7C圖所示，若反射單元之長度小於對應之通道單元之長度太多，亦將對於雙工器100之阻抗匹配造成負面影響，從而使雙工器100之介入損失上升。因此，本發明所提具有約略等長之通道單元和反射單元之雙工器100可有效地改善高頻頻帶和低頻頻帶之阻抗匹配。

本發明提出一種新穎之雙工器。與傳統設計相比，本發明之雙工器至少有下列優點：(1)平面化結構；(2)小尺寸設計；(3)足夠之隔離度；(4)較低之製造成本；以及(5)無須額外之表面黏著製程(Surface Mount Technology Process)。因此，本發明很適合應用於各種小型化之行動通訊裝置當中。

值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀，以及頻率範圍皆非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之雙工器並不僅限於第1-7圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-7圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之雙工器當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧雙工器

110‧‧‧第一通道單元

120‧‧‧第二通道單元

130‧‧‧第三通道單元

140‧‧‧第一反射單元

150‧‧‧第二反射單元

160‧‧‧第三反射單元

D1‧‧‧第一通道單元之長度

D2‧‧‧第二通道單元之長度

D3‧‧‧第三通道單元之長度

D4‧‧‧第一反射單元之長度

D5‧‧‧第二反射單元之長度

D6‧‧‧第三反射單元之長度

NN‧‧‧內部節點

P1‧‧‧第一埠

P2‧‧‧第二埠

P3‧‧‧第三埠

S1‧‧‧第一信號

S2‧‧‧第二信號

Claims (10)

1. 一種雙工器，包括：一第一埠，用於同時輸入或輸出一第一信號和一第二信號，其中該第一信號之一第一頻率係不同於該第二信號之一第二頻率；一第二埠，用於輸入或輸出僅該第二信號；一第三埠，用於輸入或輸出僅該第一信號；一第一通道單元，耦接於該第一埠和該第三埠之間；一第二通道單元，耦接於該第一埠和一內部節點之間；一第三通道單元，耦接於該內部節點和該第二埠之間；一第一反射單元，耦接至該第三埠，並用於濾除該第二信號；一第二反射單元，耦接至該內部節點，並用於濾除該第一信號；以及一第三反射單元，耦接至該第二埠，並用於濾除該第一信號；其中該第一反射單元為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第四金屬導體，其中該第四金屬導體之一端係耦接至該第三埠，而該第四金屬導體之另一端為一開路端，其中該第二反射單元為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第五金屬導體，其中該第五金屬導體之一端係耦接至該內部節點，而該第五金屬導體之另一端為一開路端，其中該第三反射單元為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第六金屬導體，其中該第六金屬導體之一端係耦接至該第二埠，而該第六金屬 導體之另一端為一開路端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，更包括：一介質基板，具有一上表面和一下表面，其中該第一通道單元、該第二通道單元、該第三通道單元、該第一反射單元、該第二反射單元，以及該第三反射單元皆設置於該介質基板之上表面；以及一接地面，設置於該介質基板之下表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第一頻率係介於5150MHz至5850MHz之間，而該第二頻率係介於2400MHz至2500MHz之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第一通道單元為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第一金屬導體，其中該第二通道單元為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第二金屬導體，其中該第三通道單元為一直線形、一彎折形，或是一弧形之一第三金屬導體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第一反射單元之長度係介於該第一通道單元之長度之0.7倍至1.3倍之間，其中該第二反射單元之長度係介於該第二通道單元之長度之0.7倍至1.3倍之間，其中該第三反射單元之長度係介於該第三通道單元之長度之0.7倍至1.3倍之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第三反射單元之長度係介於該第二反射單元之長度之0.98倍至1.02倍之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第三反射單元 之長度係不同於該第二反射單元之長度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，更包括：一第一連接單元，耦接至該第一埠，並用於同時傳輸該第一信號和該第二信號，其中該第一連接單元之寬度係大於該第一通道單元之寬度和該第二通道單元之寬度；一第二連接單元，耦接至該第二埠，並用於傳輸僅該第二信號，其中該第二連接單元之寬度係大於該第三通道單元之寬度和該第三反射單元之寬度；以及一第三連接單元，耦接至該第三埠，並用於傳輸僅該第一信號，其中該第三連接單元之寬度係大於該第一通道單元之寬度和該第一反射單元之寬度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第一通道單元之長度約為該第二頻率之0.25倍波長，其中該第二通道單元之長度約為該第一頻率之0.25倍波長，其中該第三通道單元之長度約為該第一頻率之0.25倍波長。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雙工器，其中該第一反射單元之長度約為該第二頻率之0.25倍波長，其中該第二反射單元之長度約為該第一頻率之0.25倍波長，其中該第三反射單元之長度約為該第一頻率之0.25倍波長。