DE10012129A1 - Duplexer mit verbesserter Unterdrückung von Harmonischen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Duplexer mit verbesserter Unterdrückung von Harmonischen Schwingungen der Oszillatorfrequenz vorgeschlagen, bei dem Sende- und Empfangsfilter aus DMS-Filtern gebildet sind, wobei zwischen Antenne und Empfangsfilter ein Resonator in Serie geschaltet ist. Signal- und/oder Masseanschlüsse von Sende- und Empfangsfilter sind induktiv miteinander verkoppelt.

Description

bei drahtlosen Kommunikationssystemen, insbesondere bei Mo­ bilfunksystemen, die kein TDD (Time Domain Duplexing) erlau­ ben, sind üblicherweise zwei unterschiedliche Frequenzbänder vorgesehen, die aus der Sicht des Kommunikationsteilnehmers gesehen als Sende- und Empfangsband dienen. Im Kommunika­ tionsendgerät, insbesondere im Mobilfunkgerät (Handy) wird zum Senden und Empfangen von Signalen eine gemeinsame Antenne benutzt. Zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen ist da­ her im allgemeinen ein Duplexer notwendig, der zwischen An­ tenne und den jeweiligen Sende- oder Empfangspfad geschaltet ist. Eine Duplexer setzt sich im Wesentlichen aus zwei mit­ einander verschalteten Filtern zusammen, nämlich einem RX- Filter zwischen Antenne und RX-Pfad für die empfangenen Si­ gnale und einem TX-Filter zwischen TX-Pfad und Antenne für zu sendende Signale.

Da das Kommunikationsendgerät gleichzeitig Senden und Empfan­ gen können soll, muß jedes der beiden Filter ein im anderen Frequenzband gelegenes Signal gut unterdrücken können. Die geforderte Unterdrückung für das jeweils andere Band kann in unterschiedlichen Kommunikationssystemen variieren und liegt typischerweise im Bereich um 50 dB und mehr. Darüber hinaus benötigt der Duplexer für den Sendepfad TX eine hohe Wide-Up- Selection bei ganzzahligen Vielfachen der benutzten System­ frequenzen, beispielsweise der Sendefrequenz, der Lokal- Oszillator-Frequenz und der halben Lokal-Oszillator-Frequenz. Dies ist notwendig, da die für die Signalverarbeitung verwen­ deten elektronischen Bauteile nichtlineare Eigenschaften be­ sitzen und daher Vielfache dieser Systemfrequenzen generie­ ren. Ein Abstrahlen dieser auch Harmonische genannten Vielfa­ chen ist in aller Regel jedoch untersagt.

Weiterhin benötigen Duplexer eine hohe Nahselektion und eine große Flankensteilheit des Durchlaßbereichs, um insbesondere das eng benachbarte jeweilige Sende- oder Empfangsband oder anderweitig genutzte Frequenzbänder effektiv ausblenden zu können. Auch eine ausreichende Spiegelunterdrückung ist not­ wendig, für die auch bei Schnurlostelefonen ca. 50 dB gefor­ dert sind.

Bekannte Duplexer nutzen im Sendepfad ein zusätzliches Netz­ werk aus passiven Komponenten, mit deren Hilfe Harmonische unterdrückt werden können.

Im Empfangspfad nutzen bekannte Duplexer ein zusätzliches Einzelfilter, um zumindest die systembedingte Mindestspiegel­ unterdrückung zu erreichen und benachbarte Frequenzbänder auszublenden. Bekannt ist es auch, einen Duplexer aus noch mehr Einzelfiltern plus jeweils dazu gehörigem Anpassnetzwerk aufzubauen.

Nachteilig an diesen bekannten Lösungen ist, daß sie eine Vielzahl von Komponenten für das Anpassungsnetzwerk benöti­ gen, daher einen hohen Schaltungsaufwand und auch einen er­ höhten Platzbedarf zur Unterbringung der Komponenten erfor­ dern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Duplexer auf der Basis von OFW-Filterelementen (OFW = Oberflächenwelle) anzugeben, der eine verbesserte Harmonischenunterdrückung oh­ ne zusätzliches Anpassungsnetzwerk ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Duplexer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßer Duplexer weist jeweils ein DMS- Einzelfilter (DMS = Dual Mode SAW) für Sende- und Empfangs­ pfad auf. In Serie zu einem der DMS-Filter ist ein Oberflächenwellenresonator geschaltet, der so ausgebildet ist, daß er im Durchlaßbereich des ersten DMS-Filters sperrt, im Durchlaßbereich des zweiten DMS-Filters dagegen optimal lei­ tet. Außerdem werden die Anschlüsse von erstem und zweitem DMS-Filter induktiv verkoppelt. Auf diese Weise wird die Wi­ de-Up-Selection im Sendepfad verbessert.

Die induktive Verkopplung erfolgt über elektrisch leitende Verbindungen, beispielsweise über Bonddrähte. Werden deren Längen und damit deren Induktivitäten in geeigneter Weise ausgewählt, so kann die verbesserte Wide-Up-Selection genau in den Bereich der Harmonischen verschoben werden. Auch durch eine Veränderung des Layouts, beispielsweise der Lage und Länge von Leiterbahnen auf dem Substrat, läßt sich eine ver­ besserte Unterdrückung genau bei der Harmonischen erzielen.

Auch der in Serie zu einem der DMS-Filter geschaltete Resona­ tor dient zur Unterdrückung der Harmonischen. Er ist in Serie mit dem ersten DMS-Filter (Empfangsfilter) geschaltet und zwischen diesem Filter und der Antenne angeordnet. Er ist so ausgebildet, daß er im Durchlaßbereich dieses ersten DMS- Filters optimal leitet, im Durchlaßbereich des zweiten DMS- Filters dagegen sperrt. Bei hohen Frequenzen, also bei den Frequenzen der Harmonischen wirkt der Resonator rein kapazi­ tiv und ist daher gut leitend. Da auch das erste DMS-Filter bei diesen Frequenzen kapazitiv wirkt, ist es ebenso leitend, so daß der Antenneneingang bei den hohen Frequenzen der Har­ monischen für den Empfangsfilter niederohmig bis kurz ge­ schlossen ist. Dieses Verhalten läßt sich durch eine mög­ lichst geringe Impedanz des Empfangsfilters bei den Frequen­ zen der Harmonischen erzielen, was durch eine geeignete Wich­ tung des Resonators noch verstärkt werden kann.

Werden für die induktive Verkopplung die Masseanschlüsse der beiden DMS-Filter verbunden, kann dies auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Beispielsweise können beide Filter mit dem gleichen externen Massepad verbunden werden. Möglich ist es jedoch auch, die unterschiedlichen externen Massepads der DMS-Filter innerhalb des Gehäuses zu verbinden, so daß diese eine gemeinsame Gehäusemasse darstellen. Eine weitere Mög­ lichkeit besteht darin, den Masseanschluss der beiden DMS- Filter direkt im Gehäuse zu verbinden. Dies kann beispiels­ weise durch einen zusätzlichen Bonddraht oder auch durch eine Leiterbahn auf dem Substrat erreicht werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in zu­ mindest einem der DMS-Filter, insbesondere im Empfangsfilter, ein Phasenversatz zwischen den beiden äußeren Interdigital­ wandlern so hergestellt, daß bei einer Addition der von den beiden äußeren Interdigitalwandlern erzeugten Signale im mittleren Wandler für eine Frequenz nahe des Durchlaßbereichs aufgrund der Phasendifferenz eine Auslöschung erfolgt. Die Phasenverschiebung kann dabei so vorgenommen werden, daß die Auslöschung außerhalb des Paßbandes liegt, dieses aber nicht beeinträchtigt wird. Damit wird eine steilere Flanke an diese Seite des Paßbandes (Durchlaßbereich) erzeugt. Der Aus­ löschungseffekt kann durch geeignete Wichtung der Wandler noch verbessert werden und auch an verschiedenen Stellen bei­ derseits des Passbands erzeugt werden.

Bei benachbarten gegeneinander phasenverschobenen Interdigi­ talwandlern besteht die Gefahr, daß im Bereich des Übergangs Volumenmoden der Oberflächenwelle erzeugt werden, die in das Substrat abstrahlen und die daher erhöhte Verluste im Em­ pfangswandler bewirken. Dies kann erfindungsgemäß vermieden werden, wenn an den dem Übergang benachbarten Enden der In­ terdigitalwandler die Fingerperiode der Elektrodenfinger kon­ tinuierlich so variiert wird, daß sie im Bereich des Über­ gangs ein Minimum aufweist. Durch die Variation wird auch ein kontinuierlicher Übergang zwischen den beiden gegeneinander phasenverschobenen jedoch üblicherweise auf gleicher Finger­ periode liegenden Interdigitalwandlern erzeugt, der besonders verlustarm ist.

Vorteilhaft ist es auch, für den Empfangsfilter einen Zwei­ spur-DMS-Filter zu verwenden. Mit diesem und den übrigen er­ findungsgemäßen Maßnahmen kann für den Empfangsfilter eine ausreichende Selektion erreicht werden, so daß keine weiteren Empfangsfilter benötigt werden und auch keine zusätzliche Harmonischenunterdrückung notwendig ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen vier Figuren näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen in schematischer Schaltbild- Darstellung verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungs­ gemäßer Duplexer und

Fig. 4 zeigt einen quasiperiodischen Übergang zwischen zwei phasenversetzten Interdigitalwandlern.

Fig. 1 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Duplexer in schematischer Darstellung. Dieser umfaßt einen ersten DMS- Filter F1, bestehend aus insgesamt drei Interdigitalwandlern W1I, W1A, W1A-, die zwischen zwei Reflektoren R1, R1- angeordnet sind. Das Filter F1 stellt das Empfangsfilter des Duplexers dar und ist über einen Serienresonator Res mit der Antenne A verbunden. Ebenfalls mit der Antenne A verbunden ist ein zweites DMS-Filter F2, welches den gleichen Aufbau wie das Filter F1 aufweist. Das Filter F2 stellt das Sendefilter dar. Mit T1 ist der Anschluß für den Empfangspfad bezeichnet, mit T2 der Anschluß für den Sendepfad. Die an sich bekannten DMS-Filter F1 und F2 besitzen voneinander verschiedene Durch­ laßbereiche, die den jeweiligen zu trennenden Sende- und Emp­ fangsbändern des jeweiligen Kommunikationssystems entspre­ chen, beispielsweise CT1+, AMPS, GSM oder Anderen. Die Reso­ nanzfrequenz des Serienresonators Res liegt im Bereich des Durchlaßbereichs des Filters F1.

Zur induktiven Verkopplung von Sende- und Empfangsfilter F1, F2 bestehen nun mehrere Möglichkeiten. Beide Filter sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, wobei die An­ schlußflächen (Pads) 1, 2, 5 und 7 auf dem Substrat angeordnet sind, während die Anschlußpunkte 3, 4, 6 und 8 außerhalb des Chips und beispielsweise auf einem Gehäuse oder auf einer Ba­ sisplatte liegende Anschlußflächen darstellen.

Zur induktiven Verkopplung der beiden Filter können nun im einfachsten Fall die beiden auf dem Filtersubstrat liegenden Anschlußflächen 7 und 1 mittels eines Bonddrahtes verbunden werden. Möglich ist es jedoch auch, die auf dem Chip liegende Anschlußfläche 1 des Filters F1 mit dem außerhalb des Chips liegenden Anschlußpunkt 8 des Filters F2 mit Hilfe eines Bonddrahts zu verbinden. Eine weitere induktive Verkopplung ist zwischen den Punkten 7 und 4 möglich. Auch eine Verbin­ dung zwischen zwei außerhalb des Substrats liegenden An­ schlußpunkten, beispielsweise 4 und 8 kann vorgesehen sein. Möglich ist es jedoch auch, die Masseanschlüsse 1 und 7 auf dem Chip mit einer Leitung auf dem Substrat induktiv zu ver­ koppeln, alternativ die Anschlußflächen 1 und 7 mit dem sel­ ben Masseanschluss außerhalb des Substrats zu verbinden oder die beiden Masseanschlüsse 4 und 8 einer gemeinsamen Gehäuse­ masse zuzuführen.

In der Fig. 1 sind zwar die Verbindungen von Anschlußflächen auf dem Substrat mit außerhalb des Substrats liegenden An­ schlußpunkten in Form von Bonddrähten dargestellt, die eine herkömmliche Einbettung des Chips in ein Gehäuse ermöglichen. Möglich ist es jedoch auch, das Substrat mit den beiden Fil­ tern F1, F2 und dem Resonator Res mittels Flip-Chip- Technologie mit einer Basisplatte zu verbinden, wobei das Substrat mit zu der Basisplatte weisenden Strukturen Face- Down mit Hilfe von Lotkugeln oder Bumps verbunden wird. Die entsprechenden induktiven Verkopplungen werden dann vorzugs­ weise innerhalb der Basisplatte oder innerhalb eines Gehäuses vorgenommen.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen an sich be­ kannten DMS-Filter, wie er als Empfangs- oder Sendefilter F1, F2 in einem erfindungsgemäßen Duplexer eingesetzt werden kann. Das DMS-Filter weist zwei Anschlüsse T3 und T4 auf, die mit einem inneren Interdigitalwandler WI bzw. zwei parallel geschalteten äußeren Interdigitalwandlern WA, WA verbunden sind. Der einzeln angeschlossene Interdigitalwandler WI ist zwischen den äußeren Interdigitalwandlern WA angeordnet. Alle drei Wandler W sind zwischen zwei Reflektoren R angeordnet. Vorzugsweise und wie hier dargestellt sind die Reflektoren noch mit Masse verbunden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, einen erfindungsgemä­ ßen Duplexer aufzubauen. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Duplexer ist hier der Empfangsfilter F1 in Form eines Zweispur-DMS-Filters verwirklicht. Zusätzlich ist par­ allel zum Anschluß T1 des Empfangsfilters F1 ein Resonator Res2 zur Masse geschaltet. Zwischen dem Empfangsfilter F1 und der Antenne A ist ein erster Resonator Res1 in Serie geschal­ tet.

Analog zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auch bei diesem Duplexer zwei Anschlüsse der beiden Fil­ ter F1 und F2 über die entsprechenden Masseanschlüsse mitein­ ander verkoppelt. Wie auch im ersten Ausführungsbeispiel kön­ nen die induktiven Verkopplungen über Bondrähte hergestellt werden, oder alternativ über andere, außerhalb des Substrates liegende Verbindungen, beispielsweise über innerhalb eines Gehäuse liegenden Verbindungen, beispielsweise über einen ge­ meinsamen Masseanschluß im Gehäuse.

Eine erfindungsgemäße Möglichkeit, unerwünschte Harmonische zu unterdrücken, besteht in der Schaffung von miteinander verbunden Strukturen, in denen die Signale einen Phasenunter­ schied aufweisen. Wird dieser Phasenunterschied auf nahe 180 Grad eingestellt, so wird die diesen Phasenunterschied entsprechende Frequenz ausgelöscht, wenn die Signale addiert werden. Ein solcher Phasenversatz kann beispielsweise herge­ stellt werden, indem innerhalb einer akustischen Spur eines Filters einzelne Wandler nicht auf einem der Fingerperiode P entsprechenden Raster angeordnet werden, sondern um einen dem gewünschten Phasenunterschied entsprechenden Betrag gegenein­ ander verschoben werden. Da die Auslöschung dann für die Fre­ quenz am höchsten ist, die einem Phasenunterschied von 180 Grad am nächsten kommt, kann mit Hilfe dieser Verschie­ bung gezielt eine bestimmte Frequenz unterdrückt werden.

Zur Vermeidung von Volumenwellen wird der durch die Phasen­ verschiebung entstehende größere Abstand zwischen den beiden Strukturen vorzugsweise weder frei gelassen noch mit einem dickeren Elektrodenfinger belegt, sondern vorzugsweise durch kontinuierliche Variation der Elektrodenfingerabstände und/oder Elektrodenfingerbreiten überbrückt, so daß ein ste­ tiger Übergang zwischen den beiden verschobenen Rastern ent­ steht. Vorzugsweise ist die Fingerperiode im Bereich des Übergangs kleiner als in den angrenzenden Strukturen.

Fig. 4 zeigt zwei solche phasenversetzte Strukturen auf ei­ nem Substrat anhand eines schematischen Querschnitts. Beide Strukturen weisen eine regelmäßige Fingerperiode P1 auf, lie­ gen jedoch nicht auf einem gemeinsamen Raster. Der Phasenun­ terschied zwischen den beiden Strukturen wird durch entspre­ chende Variation der Abstände der endständigen Finger über­ brückt. Im in der Figur dargestellten Beispiel werden ledig­ lich die Positionen der jeweils äußersten endständigen Finger variiert, wobei sich Fingerabstände P2 und P3 ergeben, für die gilt: P1 < P2 < P3. Gleichzeitig oder alternativ ist es auch möglich, die Fingerbreiten endständiger Einzelfinger oder endständiger Fingergruppen kontinuierlich so zu variieren, daß die direkt dem Übergang benachbarten Elektrodenfinger die geringste Fingerbreite b aufweisen. Für die Fingerbreite end­ ständiger Finger b2 gilt dann gegenüber der Fingerbreite b1 regelmäßiger Elektrodenfinger: b2 < b1.

Die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebe Erfindung ist nicht auf diese begrenzt. Durch Variation einzelner Merkmale im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche weitere nicht extra dargestellte Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung denk­ bar.

Claims (10)

1. Duplexer auf der Basis von OFW Filterelementen

• - mit einem ersten und einem zweiten DMS Filter (F1, F2) als Empfangs- und Sendefilter
• - mit einem ersten OFW-Resonator (Res), der elektrisch in Serie zwischen ersten DMS Filter (F1) und Antenne (A) ge­ schaltet ist
• - bei dem der erste Resonator so ausgebildet ist, dass er im Durchlassbereich des zweiten DMS Filters (F2) sperrt und im Durchlassbereich des ersten DMS Filters (F1) optimal leitet
• - bei dem Anschlüsse (1, 2, 5, 7) von erstem und zweiten DMS Filter induktiv verkoppelt sind.

2. Duplexer nach Anspruch 1, bei dem einander entsprechende Anschlüsse (1, 2, 5, 7) der beiden DMS Filter (F1, F2) über einen Bondraht induktiv verkoppelt sind.

3. Duplexer nach Anspruch 1, bei dem die Masseanschlüsse (2, 5) der beiden DMS Fil­ ter (F1, F2) mit einem gemeinsamen Massepad verbunden und so induktiv verkoppelt sind.

4. Duplexer nach Anspruch 1, bei dem die Masseanschlüsse (2, 5) der beiden DMS Fil­ ter (F1, F2) mit Massepads verbunden sind, die über das Ge­ häuse des Duplexers miteinander verbunden und so induktiv verkoppelt sind.

5. Duplexer nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem der Eingang des Empfangsfilters (F2) mit dem Aus­ gang des Sendefilters (F1) induktiv verkoppelt ist.

6. Duplexer nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem ein zweiter Resonator (Res2) in Serie zu dem Empfangsfilter (F2) geschaltet ist.

7. Duplexer nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem der Empfangsfilter (F2) als Zweispur-DMS-Filter ausgebildet ist.

8. Duplexer nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem die DMS Filter (F1, F2) jeweils drei Interdigital­ wandler (Wi, Wa) aufweisen, wobei die beiden äußeren Inter­ digitalwandler (Wa, Wa') relativ zum mittleren Interdigi­ talwandler (Wi) so phasenversetzt angeordnet sind, dass bei einer Addition der von den beiden äußeren Interdigi­ talwandlern erzeugten Signale bei einer Frequenz nahe des Durchlassbereichs Auslöschung erfolgt.

9. Duplexer nach Anspruch 8, bei dem im Bereich des Übergangs zwischen den zwei neben­ einander liegenden phasenversetzten Interdigitalwandlern die Fingerperiode (P) am jeweiligen Ende der Interdigi­ talwandler kontinuierlich so variiert wird, dass sie am Übergang ein Minimum aufweist.

10. Duplexer nach Anspruch 9, bei dem die Fingerperiode (P) durch Verkleinerung von Fingerabstand und/oder Fingerbreite (b) variiert wird.