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WO2015124368A1 - Abstimmbarer duplexer mit einem zirkulator - Google Patents

Abstimmbarer duplexer mit einem zirkulator Download PDF

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Publication number
WO2015124368A1
WO2015124368A1 PCT/EP2015/051223 EP2015051223W WO2015124368A1 WO 2015124368 A1 WO2015124368 A1 WO 2015124368A1 EP 2015051223 W EP2015051223 W EP 2015051223W WO 2015124368 A1 WO2015124368 A1 WO 2015124368A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal path
tunable
duplexer
inductive element
inductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/051223
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
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.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Priority to JP2016553366A priority Critical patent/JP6401287B2/ja
Priority to US15/120,481 priority patent/US10033350B2/en
Publication of WO2015124368A1 publication Critical patent/WO2015124368A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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    • H03H7/46—Networks for connecting several sources or loads, working on different frequencies or frequency bands, to a common load or source
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    • H01P1/32—Non-reciprocal transmission devices
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    • H03H2210/012—Centre frequency; Cut-off frequency
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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H2210/00—Indexing scheme relating to details of tunable filters
    • H03H2210/02—Variable filter component
    • H03H2210/025—Capacitor

Definitions

  • the invention relates to frequency tunable duplexers, as z. B. can be used in portable communication devices use.
  • transmit signals are significantly stronger than receive signals, so protection of the receive signal leg is an important aspect of this device.
  • Duplexers are a possibility for Reali ⁇ tion of such separation devices. In general are
  • Duplexer thereby limited to pre-defined frequency bands ⁇ .
  • the duplexer is intended to perform the task of distributing the signals between a chipset and possibly still existing filters.
  • the circuit complexity should be as low as possible.
  • the duplexer should be compatible with ei ⁇ ner variety of different filter technologies, have a small size and in particular allow high isolation of transmit and receive signals.
  • RF circuits can be said in summary that substantially ⁇ known filter topologies by adding variab- 1er elements, eg. As switches or adjustable impedance elements, tunable filter circuits can be obtained.
  • the problem with this is that the known filter topologies used are essentially optimized for the use of impedance elements with constant impedance.
  • tunable filters are possible. The performance suffers because ⁇ in but under the tunability.
  • the duplexer includes a send port, a receive port, and a shared port.
  • the duplexer further includes a Core with a first and a second inductive element.
  • a first signal path of the duplexer interconnects the send port with the core.
  • a second signal path of the duplexer 29al ⁇ tet the receive port with the core.
  • a third signal path of the duplexer interconnects the common port with the core.
  • the duplexer further includes a first tunable capacitive element that connects the first signal path to ground.
  • a second tunable capacitive element of the duplexer ver ⁇ switches the second signal path to ground.
  • the first inductive element and the second inductive element are inductively coupled to each other and electrically conductive with each other.
  • the core of the duplexer forms a circuit core and represents the center of the duplexer, via which the three ports are interconnected.
  • the transmit port is adapted to receive transmit signals from a circuit environment which are passed through the duplexer to the common port.
  • the receiving port is suitable to forward Empfangssig ⁇ tional to the circuit environment.
  • the receive signals can be received from the shared port and routed via the core to the receive port.
  • the common port is thus adapted to pass transmit signals ⁇ and receive reception signals.
  • the common port can be interconnected substantially directly or indirectly with one or more antennas.
  • Each of the three ports can thereby (unbalanced) may be carried out RF signals for directing erd ⁇ symmetric (balanced) or unbalanced to ground.
  • duplexer allows for both tunability requirements and requirements the electrical properties, in particular the isolation and selection to meet.
  • the first tunable capacitive element and the second tunable capacitive element in each case have a capacity Capa ⁇ which is adjustable.
  • Both tunable Kapazitä ⁇ th may have a same structure and a same tuning range. However, it is also possible that they differ in their structure and / or in their voting area.
  • the tunable capacitive elements can each be in the form of tunable capacitance banks each having a plurality of individually connectable basic capacitances, switchable MEMS capacitors or varactors or further versions of tunable capacitance elements.
  • earth-symmetrically guided signals can be output at least at the reception port.
  • the first inductive element is connected to the first signal path.
  • the second inductive Ele ⁇ ment is connected to the second signal path.
  • the first inductive element and the second inductive element thus form an important part of the duplexer core, via which transmission signals from the transmission port and reception signals can propagate to the reception port.
  • the inductive and electrically conductive coupling, via which the first signal path and the second signal path can communicate with one another, are designed such that a good isolation between the signal paths is obtained and at the same time the insertion losses for transmission signals to the common signal path and Receive signals from the common receive port is kept low.
  • the electrically conductive coupling of the two inductive elements and the interconnection of the inductive elements with the corresponding signal paths can, for. Example, be obtained by each one end of the inductive elements is connected to a central circuit node in the core of the duplexer. The respective other end of the inductive elements is then connected directly to the corresponding signal path. Between the central circuit node and the corresponding ports of the two signal paths, the two inductive elements are thus each connected in series.
  • the inductive coupling of the two inductive elements can be obtained in that the inductive elements are arranged spatially relative to each other so that each is arranged in ⁇ inductive element within a range of throughput by the magnetic field of the other inductive element penetrated, when in this other inductive element, a current flows.
  • the strength of the coupling can be adjusted by the strength of the respective magnetic field. If both inductive elements, one or more loop-shaped conductor portions aufwei ⁇ sen, both coils can be arranged to each other so that there is a common area of overlap of the loops.
  • the first inductive element and the first tunable capacitive element together form a grounded resonant circuit.
  • the resonant circuit is suitable for producing a resonance at a center frequency in a form a selectable transmission frequency band.
  • the second inductive element and the second tunable capacitive element further form a second grounded resonant circuit capable of resonating at a center frequency in a selectable receive frequency band.
  • the duplexer can be set for freely selectable transmit frequency bands and for freely selectable receive frequency bands.
  • the choice of the capacitance value of the first tunable capacitive element may depend on the frequency position of the transmit frequency band and / or on the frequency position of the receive frequency band.
  • the capacitance value of the second tunable capacitive element may be dependent on the frequency position of the
  • the circuit core of the tunable duplexer is a circulator or an array and interconnection to circuit components having the same electrical characteristics as a conventional circulator.
  • a circulator is understood to be a circuit arrangement having three ports, wherein signal paths are arranged between each of the ports such that the respective other signal port is not part of the signal branch.
  • a sub-signal can therefore pass directly from each of the three ports to a neighboring port. The respective other sub-signal can then via a corresponding detour via the third port to the actual
  • a signal flows from a port A to a port B, so a part of signal takes the di rect ⁇ way, while the other part signal to the detour over Port C takes.
  • the signal can leave the circulator essentially without attenuation, if a constructive interference of both partial signals is present at the port B. If there is destructive interference at port C, the signal can not leave the circulator at port C substantially.
  • the circuit elements are therefore preferably arranged in the core so and ver together ⁇ switches that for transmitting signals flowing from the transmit port to the Common port, there is a phase difference of the phases of the component signals of the substantially 0 °. Accordingly, there is a maximum phase offset of 180 ° of the partial signals of the transmission signals at the reception port. Analog applies to receive signals that should flow from the common port to the receiving port, that the phase difference of the sub-signals is substantially 0 °, while the phase ⁇ offset for the corresponding sub-signals at the send port is 180 °.
  • the inductive elements in the core of the duplexer both electrically interconnected and inductively coupled to each other, there is the possibility of splitting into sub-signals, since a first sub-signal on the electrical interconnection and the second sub-signal can be generated via the inductive coupling.
  • the duplexer comprises a third inductive element, which is coupled to both the first inductive element and the second inductive element both inductively and electrically conductive with each other.
  • the third in ⁇ ductive element is doing with the third signal path, z. B. in series between the common port and a possible central circuit node in the core, interconnected.
  • the duplexer includes a serial capacitance element is ver ⁇ connected in series in the first signal path.
  • the duplexer comprises a serial capacitive element which is connected in series in the second signal path.
  • the duplexer includes a serial capacitive element connected in series in the third signal path.
  • Each of these three serial capacitive elements can be used for fine adjustment and galvanic isolation of corresponding signal path sections.
  • the duplexer includes a serial inductive member ver ⁇ connected in series in the first signal path.
  • a serial inductive element in series with the second signal path can also be connected in the second signal path.
  • a serial inductive element can also be connected in series in the third signal path.
  • the serial inductive elements can by explicitly existing conductor sections with at least one loop or by conductor sections without loop, z. B. segments of a bonding wire, flip-chip connections or similar interconnection options may be formed.
  • the duplexer includes a first LC parallel circuit that connects the first signal path to ground.
  • a second LC parallel circuit can be provided, which connects the second signal path to ground.
  • a third LC parallel circuit can be provided, which connects the third signal path to ground.
  • At least some of the inductive elements and capacitive elements of the duplexer are formed as struc tured ⁇ metallizations in a multi-layer substrate.
  • FIG. 7 shows electrical properties of a duplexer for a first set of selected operating frequencies
  • 8 shows electrical properties of the duplexer from FIG. 7 with a second set of selected operating frequencies
  • Figure 1 shows essentially the equivalent circuit diagram of an off ⁇ guide die of the duplexer DPX, in which a central switching core K substantially re ⁇ alinstrument the connection of a transmit port TX, a receive port RX and a common port GP.
  • the core K of the duplexer comprises the first inductive element IE1 and the second inductive element IE2.
  • One side each of the two inductive elements ZSK is interconnected to ei ⁇ nem central circuit node.
  • the respective other ends of the inductive elements are connected to the corresponding sections of the signal paths to the corresponding ports. So the first is inductive
  • the Element IE1 connected via the first signal path SP1 to the transmission port TX.
  • the second inductive element IE2 is connected via the second signal path SP2 to the reception port RX.
  • the third signal path SP3 interconnects the circuit core K with the common port GP.
  • the third signal path SP3 is also connected to the central circuit node ZSK.
  • the first signal path SP1 is connected via the first off ⁇ tunable capacitive element KE1 to ground.
  • the second signal path is connected to ground via the second tunable capacitive element KE2.
  • FIG. 2 illustrates how the interconnection of the tunable capacitive elements with the corresponding inductive elements in the circuit core K form a resonant circuit in order to form the insertion loss of the duplexer in the corresponding frequency band.
  • a first resonant circuit RK1 of the first tunable capacitive element KE1 and the first inductive element IE1 forms a resonant circuit to ground to form the insertion loss in the transmit frequency band.
  • the central circuit node ZSK is also connected to ground for this purpose.
  • the second inductive element and the second tunable capacitive element form a resonant circuit to shape the course of the insertion loss in the receive frequency band.
  • FIG. 3 illustrates the operation of the circuit core K, which is designed here as a circulator.
  • the three inductive elements in the circuit core K are interconnected centrally and inductively coupled with each other.
  • each of the inductive elements with each of the other two inductive elements is coupled inductively.
  • Empfangssig ⁇ nalpfade received from the common port and GP to be directed exclusively at the reception port RX can be divided into a component signal that propagates in a clockwise direction and in a sub-signal that propagates counterclockwise. Both partial signals have at the point at which the circuit core K is connected to the second signal path to the receiving port, preferably a vanishing phase offset, so that they overlap constructively.
  • phase position of the sub-signals at the send port leads in contrast to a destructive overlay, so that the received signals can not leave the duplexer at the TX TX.
  • transmit signals which are coupled to the duplexer at the transmitting port TX and constructively at the common port GP interfere, during the isolation emergege ⁇ provides through destructive interference at the reception port RX.
  • the relative phase angle can be adjusted frequenzabhot ⁇ gig so that the duplexer can operate at Various ⁇ nen transmission frequencies and at different reception frequencies.
  • Figure 4 shows an embodiment of the duplexer DPX, are wherein in each of the three signal paths in each case a serial kapaziti ⁇ ves element SKE and a serial inductive element YOU to each other in series and connected in series with the signal path.
  • the symmetrical arrangement of the serial inductive or capacitive elements is not absolutely necessary.
  • the three signal paths can also comprise only a single inductive or capacitive element, which is connected in each case in one of the three signal paths.
  • the provision of each ⁇ wells two capacitive or inductive elements of two, which are distributed on the three signal paths, is also possible.
  • serial inductive element SIE can be embodied by conductor structures which serve to supply a signal to the duplexer.
  • Figure 5 shows an embodiment in which additionally the signal paths at its peripheral end via a
  • the inductive element in the common ⁇ seed port GP also signals that have been caused by a discharge of static charge can thus discharged to ground, that the rest of the circuit elements are not affected. Then the inductive element works as an ESD protection element.
  • FIG. 6 shows the possibility to integrate the circuit elements as constructive ⁇ tured SM metallizations in a multi-layer substrate MLS.
  • capacitive elements KE can be formed by structured metallization surfaces SMF.
  • Inductive elements can be formed by feedthroughs DK guided in a straight line or loop-shaped through the substrate layers.
  • the different substrate layers are formed by dielectric layers DL, between which metallization layers are arranged.
  • At the top of the multi-layer substrate MLS further circuit elements, for. B. discrete circuit elements such as coils or capacitive elements with high Q-factor can be arranged.
  • a lid D may be provided to cover the circuit elements on the upper side of the multi-layer substrate MLS.
  • pads can be seen ⁇ with which the duplexer as part of a Frondend- Circuit is connected to an external circuit environment of a communication device.
  • FIG. 7 shows calculated amounts of the matrix elements S 2 , i, S3, 2 , S3, i.
  • the line marked with triangles curve shows the insertion loss for ⁇ (S 2, i) for transmit signals that propagate from the transmit port TX to the common port GP.
  • Transmit bands is set to 880.71 MHz.
  • Center frequency of the receive band is set to 930.59 MHz.
  • the duplexer is thus set to operate at the frequencies of the FDD (Frequency Division Duplexing) band 8 (FDD).
  • FDD Frequency Division Duplexing
  • the lowest insertion ⁇ attenuation in the transmission band amounts to 0.141 dB.
  • the lowest insertion loss in the receive band is 0.293 dB.
  • the insulation results between the transmission signal path and receive signal path is there ⁇ with always better than 12 dB.
  • FIG. 8 shows the corresponding calculated values for the frequencies of the FDD band 13.
  • the transmission frequencies (center frequency 777.2 MHz) are above the reception frequency band (center frequency 751.27 MHz).
  • the minimum insertion losses are 1.17 dB in the transmit frequency band and 0.65 dB in the receive frequency band.
  • Figures 7 and 8 show this adjustment of the same duplexer to different frequency bands, wherein the orientations of the transmission signal band and receiving signal band each vice are ⁇ versa lies in band 8 the transmission frequency band below the reception frequency band, the transmission frequency band is band 13 above the receiving frequency bands.
  • the tunable duplexers are not limited to the described ⁇ surrounded or shown embodiments. Further embodiments with additional circuit elements in the circuit core or in the signal paths or duplexers to whose signal ports further filter circuits are connected are also included.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein abstimmbarer Duplexer angegeben, der zur Verschaltung mit konventionellen Schaltungselementen in einem mobilen Kommunikationsgerät kompatibel ist. Der Duplexer umfasst einen Schaltungskern mit einem ersten und einem zweiten induktiven Element, die induktiv und elektrisch leitend miteinander verkoppelt sind und sich wie ein herkömmlicher Zirkulator verhalten. Durch abstimmbare kapazitive Elemente nach Masse wird Resonanz mit den induktiven Elementen und auch Abstimmbarkeit des Duplexers erreicht. Durch weitere induktive und kapazitive Elemente wird Impedanzanpassung ermöglicht.

Description

Beschreibung
ABSTIMMBARER DUPLEXER MIT EINEM ZIRKULATOR
Die Erfindung betrifft frequenzmäßig abstimmbare Duplexer, wie sie z. B. in tragbaren Kommunikationsgeräten Verwendung finden können.
Tragbare Kommunikationsgeräte, WLAN-Router usw. oder allge- meiner: Sende-/Empfangseinrichtungen, die mittels HF-Signalen kommunizieren, benötigen eine Vorrichtung, die Sendesignale und Empfangssignale voneinander trennt. Im Allgemeinen sind Sendesignale deutlich stärker als Empfangssignale, sodass der Schutz des Empfangssignalzweigs einen wichtigen Aspekt dieser Vorrichtung bildet. Duplexer sind eine Möglichkeit zur Reali¬ sierung solcher Trennvorrichtungen. Im Allgemeinen sind
Duplexer dabei auf im Vorfeld festgelegte Frequenzbänder be¬ schränkt. Es wäre jedoch besonders vor dem Hintergrund der inzwischen großen Anzahl unterschiedlicher Frequenzbänder vorteilhaft, wenn ein einziger Duplexer eine Mehrzahl an Frequenzbändern bedienen könnte.
Der Duplexer soll dabei die Aufgabe der Verteilung der Signale zwischen einem Chipsatz und gegebenenfalls weiterhin vorhandenen Filtern wahrnehmen. Der Schaltungsaufwand sollte möglichst gering sein. Der Duplexer sollte kompatibel mit ei¬ ner Vielzahl an unterschiedlichen Filtertechnologien sein, eine geringe Baugröße aufweisen und insbesondere eine hohe Isolation von Sende- und Empfangssignalen ermöglichen.
Bisherige Lösungen dieser Anforderungen basieren im Wesentlichen darauf, bekannte Duplexerschaltungen um abstimmbare Impedanzelemente zu erweitern, oder auf der Verwendung von Schaltern, mittels derer Filterelemente zu einer Filtertopo- logie hinzuschaltbar sind.
So sind aus dem Beitrag „Reconfigurable Multi-band SAW Fil- ters For LTE Applications", Xiao Ming et al . , Power Amplifi- ers For Wireless And Radio Applications (PAWR) , 2013 IEEE Topical Conference, 20. Januar 2013, Seiten 82 - 84, im We¬ sentlichen konventionelle HF-Filter bekannt, die mittels Schalter rekonfigurierbar sind. Mittels Schalter rekonfigu- rierbare Filter ermöglichen dabei jedoch keine kontinuierlich abstimmbaren Duplexer.
Aus dem Beitrag „Tunable Filters Using Wideband Elastic
Resonators", Kadota et al . , IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 60, Nr. 10, Okto¬ ber 2013, Seiten 2129 - 2136, sind Filterschaltungen bekannt, bei denen abstimmbare Kondensatoren zu HF-Filtern mit akustischen Resonatoren hinzugefügt werden. Aus dem Beitrag „A Novel Tunable Filter Enabling Both Center Frequency and Bandwidth Tunability", Inoue et al . , Proceed- ings Of The 42nd European Microwave Conference, 29. Oktober - 1. November 2012, Amsterdam, The Netherlands, Seiten 269 - 272, sind HF-Filter mit abstimmbaren Kondensatoren und ab- stimmbaren Induktivitäten bekannt.
Auch aus dem Beitrag „RF MEMS-Based Tunable Filters", Brank et al . , 2001, John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE11: Seiten 276 - 284, 2001, sind Verschaltungen aus L und C Elementen bekannt, wobei die Kapazitäten der kapazitiven Elemente einstellbar sind. Aus dem Beitrag „Design of a Tunable Bandpass Filter With the Assistance of Modified Parallel Coupled Lines", Tseng et al . , 978-l-4673-2141-9/13/$31.00, 2013 IEEE, sind abstimmbare Fil¬ ter mit gekoppelten Übertragungsleitungen bekannt.
Aus dem Beitrag „Tunable Isolator Using Variable Capacitor for Multi-band System", Wada et al . , 978-1-4673-2141- 9/13/$31.00, 2013 IEEE MTT-S Symposium bzw. aus der Veröf¬ fentlichungsschrift WO2012/020613 ist die Verwendung von Iso- latoren in HF-Filtern bekannt.
Für die aus den oben genannten Beiträgen bekannten HF- Schaltungen lässt sich zusammenfassend sagen, dass im Wesent¬ lichen bekannte Filtertopologien durch das Hinzufügen variab- 1er Elemente, z. B. Schalter oder einstellbarer Impedanzelemente, abstimmbare Filterschaltungen erhalten werden. Problematisch daran ist, dass die herangezogenen bekannten Filtertopologien im Wesentlichen für die Verwendung von Impedanzelementen mit konstanter Impedanz optimiert sind. Zwar wer- den abstimmbare Filter ermöglicht. Die Performance leidet da¬ bei allerdings unter der Abstimmbarkeit .
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Schaltungstopologie anzugeben, die auch in der Verwen- dung mit abstimmbaren Schaltungselementen und in einem großen Abstimmungsbereich eine gute Performance bietet.
Diese Aufgabe wird durch den abstimmbaren Duplexer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Duplexers an.
Der Duplexer umfasst einen Sendeport, einen Empfangsport und einen gemeinsamen Port. Der Duplexer umfasst ferner einen Kern mit einem ersten und einem zweiten induktiven Element. Ein erster Signalpfad des Duplexers verschaltet den Sendeport mit dem Kern. Ein zweiter Signalpfad des Duplexers verschal¬ tet den Empfangsport mit dem Kern. Ein dritter Signalpfad des Duplexers verschaltet den gemeinsamen Port mit dem Kern. Der Duplexer umfasst ferner ein erstes abstimmbares kapazitives Element, das den ersten Signalpfad mit Masse verschaltet. Ein zweites abstimmbares kapazitives Element des Duplexers ver¬ schaltet den zweiten Signalpfad mit Masse. Das erste induk- tive Element und das zweite induktive Element sind induktiv miteinander und elektrisch leitend miteinander verkoppelt.
Der Kern des Duplexers bildet dabei einen Schaltungskern und stellt dabei das Zentrum des Duplexers dar, über das die drei Ports miteinander verschaltet sind. Der Sendeport ist dazu geeignet, Sendesignale von einer Schaltungsumgebung zu empfangen, die durch den Duplexer an den gemeinsamen Port geleitet werden. Der Empfangsport ist dazu geeignet, Empfangssig¬ nale an die Schaltungsumgebung weiterzuleiten. Die Empfangs- signale können dabei von dem gemeinsamen Port empfangen werden und über den Kern zum Empfangsport geleitet werden. Der gemeinsame Port ist somit dazu geeignet, Sendesignale weiter¬ zugeben und Empfangssignale zu empfangen. Der gemeinsame Port kann dabei im Wesentlichen direkt oder indirekt mit einer o- der mehreren Antennen verschaltet sein.
Jeder Einzelne der drei Ports kann dabei zur Leitung von erd¬ symmetrisch (balanced) oder erdunsymmetrisch (unbalanced) geführten HF-Signalen ausgeführt sein.
Ein solcher Duplexer ermöglicht es, sowohl Anforderungen bezüglich der Abstimmbarkeit als auch Anforderungen bezüglich der elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Isolation und Selektion, zu genügen.
Das erste abstimmbare kapazitive Element und das zweite ab- stimmbare kapazitive Element weisen dabei jeweils eine Kapa¬ zität auf, die einstellbar ist. Beide abstimmbaren Kapazitä¬ ten können einen gleichen Aufbau und einen gleichen Abstimmungsbereich aufweisen. Es ist allerdings auch möglich, dass sie in ihrem Aufbau und/oder in ihrem Abstimmungsbereich von- einander abweichen.
Die abstimmbaren kapazitiven Elemente können dabei jeweils als abstimmbare Kapazitätsbänke mit jeweils einer Vielzahl individuell hinzuschaltbarer Grundkapazitäten, schaltbaren MEMS-Kapazitäten oder Varaktoren oder weiteren Ausführungen abstimmbarer Kapazitätselemente sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können zumindest am Empfangsport erdsymmetrisch geführte Signale ausgegeben werden.
In einer Ausführungsform ist das erste induktive Element mit dem ersten Signalpfad verschaltet. Das zweite induktive Ele¬ ment ist mit dem zweiten Signalpfad verschaltet. Das erste induktive Element und das zweite induktive Element bilden somit einen wichtigen Bestandteil des Duplexerkerns , über den Sendesignale vom Sendeport und Empfangssignale zum den Empfangsport propagieren können. Die induktive und elektrisch leitende Kopplung, über die der erste Signalpfad und der zweite Signalpfad miteinander kommunizieren können, sind dabei so ausgestaltet, dass eine gute Isolation zwischen den Signalpfaden erhalten wird und gleichzeitig die Einfüge¬ dämpfungen für Sendesignale zum gemeinsamen Signalpfad und Empfangssignale vom gemeinsamen Empfangsport gering gehalten wird .
Die elektrisch leitende Verkopplung der beiden induktiven Elemente unter sich und die Verschaltung der induktiven Elemente mit den entsprechenden Signalpfaden kann z. B. dadurch erhalten werden, dass jeweils ein Ende der induktiven Elemente mit einem zentralen Schaltungsknoten im Kern des Duplexers verschaltet ist. Das jeweils andere Ende der induktiven Elemente ist dann direkt mit dem entsprechenden Signalpfad verschaltet. Zwischen dem zentralen Schaltungsknoten und den entsprechenden Ports der beiden Signalpfade sind die beiden induktiven Elemente damit jeweils in Serie geschaltet. Die induktive Verkopplung der beiden induktiven Elemente kann dadurch erhalten werden, dass die induktiven Elemente räumlich relativ zueinander so ausgestaltet sind, dass jedes in¬ duktive Element innerhalb eines Bereiches angeordnet ist, der vom Magnetfeld des jeweils anderen induktiven Elements durch- drungen ist, wenn in diesem anderen induktiven Element ein Strom fließt.
Die Stärke der Kopplung kann durch die Stärke des jeweiligen Magnetfelds eingestellt sein. Wenn beide induktiven Elemente eine oder mehrere schleifenförmige Leiterabschnitte aufwei¬ sen, können beide Spulen so zueinander angeordnet sein, dass es einen gemeinsamen Überlappungsbereich der Schleifen gibt.
In einer Ausführungsform bilden das erste induktive Element und das erste abstimmbare kapazitive Elemente zusammen einen nach Masse geschalteten Resonanzkreis. Der Resonanzkreis ist dazu geeignet, eine Resonanz bei einer Mittenfrequenz in ei- nem wählbaren Sendefrequenzband auszubilden. Das zweite induktive Element und das zweite abstimmbare kapazitive Element bilden ferner einen zweiten nach Masse geschalteten Resonanzkreis, der dazu geeignet ist, eine Resonanz bei einer Mitten- frequenz in einem wählbaren Empfangsfrequenzband auszubilden.
Insbesondere über die Einstellbarkeit der Kapazitäten des ersten und des zweiten abstimmbaren Kapazitätselements kann der Duplexer für frei wählbare Sendefrequenzbänder und für frei wählbare Empfangsfrequenzbänder eingestellt werden. Die Wahl des Kapazitätswerts des ersten abstimmbaren kapazitiven Elements kann dabei von der Frequenzlage des Sendefrequenz- bands und/oder von der Frequenzlage des Empfangsfrequenzbands abhängen. Entsprechend kann der Kapazitätswert des zweiten abstimmbaren kapazitiven Elements von der Frequenzlage des
Empfangsfrequenzbands und/oder von der Frequenzlage des Sen¬ defrequenzbands abhängen.
In einer Ausführungsform ist der Schaltungskern des abstimm- baren Duplexers ein Zirkulator oder eine Anordnung und Ver- schaltung an Schaltungskomponenten mit den gleichen elektrischen Eigenschaften wie ein konventioneller Zirkulator.
Als Zirkulator wird dabei eine Schaltungsanordnung mit drei Ports verstanden, wobei zwischen jedem der Ports Signalpfade so angeordnet sind, dass der jeweils andere Signalport nicht Teil des Signalzweigs ist. Ein Teilsignal kann deshalb von jedem der drei Ports unmittelbar zu einem Nachbarport gelangen. Das jeweils andere Teilsignal kann dann über einen ent- sprechenden Umweg über den dritten Port zum eigentlichen
Zielport gelangen. Mit anderen Worten: Fließt ein Signal von einem Port A zu einem Port B, so nimmt ein Teilsignal den di¬ rekten Weg, während das jeweils andere Teilsignal den Umweg über Port C nimmt. Das Signal kann den Zirkulator dabei im Wesentlichen ohne Abschwächung verlassen, wenn eine konstruktive Interferenz beider Teilsignale am Port B vorliegt. Liegt am Port C eine destruktive Interferenz vor, so kann das Sig- nal den Zirkulator am Port C im Wesentlichen nicht verlassen.
Im vorliegenden Duplexer werden die Schaltungselemente im Kern deshalb vorzugsweise so angeordnet und miteinander ver¬ schaltet, dass für Sendesignale, die vom Sendeport zum ge- meinsamen Port fließen, eine Phasendifferenz der Phasen der Teilsignale von dem wesentlichen 0° vorliegt. Entsprechend liegt am Empfangsport ein maximaler Phasenversatz von 180° der Teilsignale der Sendesignale vor. Analog gilt für Empfangssignale, die vom gemeinsamen Port zum Empfangsport fließen sollen, dass die Phasendifferenz der Teilsignale im Wesentlichen 0° beträgt, während der Phasen¬ versatz für die entsprechenden Teilsignale am Sendeport bei 180° liegt.
Insbesondere da die induktiven Elemente im Kern des Duplexers sowohl elektrisch miteinander verschaltet als auch induktiv miteinander verkoppelt sind, existiert die Möglichkeit der Aufspaltung in Teilsignale, da ein erstes Teilsignal über die elektrische Verschaltung und das zweite Teilsignal über die induktive Verkopplung erzeugt werden können.
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer ein drittes induktives Element, das mit dem ersten induktiven Element und dem zweiten induktiven Element sowohl induktiv als auch elektrisch leitend miteinander verkoppelt ist. Das dritte in¬ duktive Element ist dabei mit dem dritten Signalpfad, z. B. in Serie zwischen dem gemeinsamen Port und einem möglichen zentralen Schaltungsknoten im Kern, verschaltet.
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer ein serielles kapazitives Element, das in Serie im ersten Signalpfad ver¬ schaltet ist. In dieser oder einer weiteren Ausführungsform umfasst der Duplexer ein serielles kapazitives Element, das in Serie im zweiten Signalpfad verschaltet ist. In diesen Ausführungsformen oder in einer weiteren umfasst der Duplexer ein serielles kapazitives Element, das in Serie im dritten Signalpfad verschaltet ist.
Jedes dieser drei seriellen kapazitiven Elemente kann zur Feinj ustierung und zur galvanischen Trennung entsprechender Signalpfadabschnitte dienen.
In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer ein serielles induktives Element, das in Serie im ersten Signalpfad ver¬ schaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch im zweiten Signalpfad ein serielles induktives Element in Serie zum zweiten Signalpfad verschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch im dritten Signalpfad ein serielles induktives Element in Serie verschaltet sein. Die seriellen induktiven Elemente können durch explizit vorhandene Leiterabschnitte mit zumindest einer Schlaufe oder durch Leiterabschnitte ohne Schlaufe, z. B. Segmente eines Bonddrahts, Flip-Chip-Verbindungen oder ähnliche Verschal- tungsmöglichkeiten gebildet sein.
Insbesondere mit den oben genannten seriellen kapazitiven Elementen ist eine Justierung der Frequenzlagen der Sendefrequenzbänder und/oder der Empfangsfrequenzbänder möglich. In einer Ausführungsform umfasst der Duplexer eine erste LC- Parallelschaltung, die den ersten Signalpfad mit Masse verschaltet. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine zweite LC-Parallelschaltung vorgesehen sein, die den zweiten Signal- pfad mit Masse verschaltet. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine dritte LC-Parallelschaltung vorgesehen sein, die den dritten Signalpfad mit Masse verschaltet.
In einer Ausführungsform sind zumindest einige der induktiven Elemente und kapazitiven Elemente des Duplexers als struktu¬ rierte Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat gebildet.
Im Folgenden werden Aspekte des Duplexers und einige Ausfüh¬ rungsformen anhand von schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: ein Ersatzschaltbild eines Duplexers,
Fig. 2: eine weitere mögliche Ausführungsform des Duple- xers,
Fig. 3: die Funktionsweise des Zirkulators,
Fig. 4: eine weitere mögliche Ausgestaltung des Duplexers,
Fig. 5: eine mögliche Ausgestaltungsform des Duplexers mit weiteren Schaltungselementen,
Fig. 6: eine mögliche Realisierung von Schaltungselementen in einem Mehrlagensubstrat,
Fig. 7: elektrische Eigenschaften eines Duplexers für einen ersten Satz ausgewählter Arbeitsfrequenzen, Fig. 8: elektrische Eigenschaften des Duplexers aus Fig. 7 mit einem zweiten Satz ausgewählter Arbeitsfrequenzen . Figur 1 zeigt im Wesentlichen das Ersatzschaltbild einer Aus¬ führungsform des Duplexers DPX, bei dem ein zentraler Schaltungskern K im Wesentlichen die Verschaltung eines Sendeports TX, eines Empfangsports RX und eines gemeinsamen Ports GP re¬ alisiert. Der Kern K des Duplexers umfasst dabei das erste induktive Element IE1 und das zweite induktive Element IE2. Jeweils eine Seite der beiden induktiven Elemente ist an ei¬ nem zentralen Schaltungsknoten ZSK miteinander verschaltet. Die jeweils anderen Enden der induktiven Elemente sind mit den entsprechenden Abschnitten der Signalpfade zu den ent- sprechenden Ports verschaltet. So ist das erste induktive
Element IE1 über den ersten Signalpfad SP1 mit dem Sendeport TX verschaltet. Das zweite induktive Element IE2 ist über den zweiten Signalpfad SP2 mit dem Empfangsport RX verschaltet. Der dritte Signalpfad SP3 verschaltet den Schaltungskern K mit dem gemeinsamen Port GP. Der dritte Signalpfad SP3 ist dabei ebenfalls mit dem zentralen Schaltungsknoten ZSK verschaltet. Der erste Signalpfad SP1 ist über das erste ab¬ stimmbare kapazitive Element KE1 mit Masse verschaltet. Der zweite Signalpfad ist über das zweite abstimmbare kapazitive Element KE2 mit Masse verschaltet.
Der gekrümmte Pfeil mit zwei Pfeilspitzen symbolisiert die induktive Verkopplung der beiden induktiven Elemente IE1, IE2 im Schaltungskern K. In einem konkreten Schaltungselement sind die beiden induktiven Elemente IE1, IE2 des Duplexers DPX relativ zueinander so angeordnet, dass die gewünschte in¬ duktive Kopplung, die für den Betrieb des Duplexers DPX benö¬ tigt wird, erhalten wird. Figur 2 illustriert, wie die Verschaltung der abstimmbaren kapazitiven Elemente mit den entsprechenden induktiven Elementen im Schaltungskern K einen Resonanzkreis bilden, um die Einfügedämpfung des Duplexers in dem entsprechenden Frequenz- band auszubilden. So bildet ein erster Resonanzkreis RK1 aus dem ersten abstimmbaren kapazitiven Element KE1 und dem ersten induktiven Element IE1 einen Resonanzkreis gegen Masse, um die Einfügedämpfung im Sendefrequenzband auszubilden. Der zentrale Schaltungsknoten ZSK ist dafür ebenfalls mit Masse verschaltet.
Analog dazu bilden das zweite induktive Element und das zweite abstimmbare kapazitive Element einen Resonanzkreis, um den Verlauf der Einfügedämpfung im Empfangsfrequenzband zu formen.
Figur 3 illustriert die Funktionsweise des Schaltungskerns K, der hier als Zirkulator ausgebildet ist. Die drei induktiven Elemente im Schaltungskern K sind zentral miteinander ver- schaltet und induktiv miteinander verkoppelt. So ist insbe¬ sondere jedes der induktiven Elemente mit jedem der anderen beiden induktiven Elemente induktiv verkoppelt. Empfangssig¬ nalpfade, die vom gemeinsamen Port GP empfangen werden und ausschließlich an den Empfangsport RX geleitet werden sollen, können in ein Teilsignal, das im Uhrzeigersinn propagiert, und in ein Teilsignal, das entgegen dem Uhrzeigersinn propagiert, aufgeteilt werden. Beide Teilsignale haben an der Stelle, an der der Schaltungskern K mit dem zweiten Signalpfad zum Empfangsport verschaltet ist, vorzugsweise einen verschwindenden Phasenversatz, sodass sie sich konstruktiv überlagern. Die Phasenlage der Teilsignale am Sendeport führt dagegen zu einer destruktiven Überlagerung, sodass die Empfangssignale den Duplexer am Sendeport TX nicht verlassen können . Das gleiche gilt analog für Sendesignale, die am Sendeport TX in den Duplexer eingekoppelt werden und konstruktiv am gemeinsamen Port GP interferieren, während die Isolation durch eine destruktive Interferenz am Empfangsport RX sicherge¬ stellt ist.
Durch Wahl der Kapazitätswerte der beiden abstimmbaren kapazitiven Elemente kann die relative Phasenlage frequenzabhän¬ gig so eingestellt werden, dass der Duplexer bei verschiede¬ nen Sendefrequenzen und bei verschiedenen Empfangsfrequenzen arbeiten kann.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Duplexers DPX, bei dem in jedem der drei Signalpfade jeweils ein serielles kapaziti¬ ves Element SKE und ein serielles induktives Element SIE in Serie zueinander und in Serie zum Signalpfad verschaltet sind. Die symmetrische Anordnung der seriellen induktiven bzw. kapazitiven Elemente ist dabei nicht zwingend notwendig. Die drei Signalpfade können zusammen auch nur ein einziges induktives oder kapazitives Element umfassen, das jeweils in einem der drei Signalpfade verschaltet ist. Das Vorsehen je¬ weils zweier kapazitiver oder zweier induktiver Elemente, die auf die drei Signalpfade verteilt sind, ist auch möglich.
Insbesondere das entsprechende serielle induktive Element SIE kann durch Leiterstrukturen, die der Zuleitung eines Signals zum Duplexer dienen, ausgeführt sein. Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, in der zusätzlich die Signalpfade an ihrem peripheren Ende über eine
Parallelschaltung eines kapazitiven Elements KE und eines induktiven Elements IE gegen Masse verschaltet sind.
Dadurch kann eine bessere Anpassung des Duplexers an externe Schaltungsumgebungen, insbesondere eine Impedanzanpassung, ermöglicht sein. Über das gegen Masse geschaltete induktive Element am gemein¬ samen Port GP können auch Signale, die durch eine Entladung einer statischen Aufladung verursacht wurden, so gegen Masse abgeführt werden, dass die übrigen Schaltungselemente nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Dann arbeitet das induk- tive Element als ESD-Schutzelement .
Figur 6 zeigt die Möglichkeit, Schaltungselemente als struk¬ turierte Metallisierungen SM in einem Mehrlagensubstrat MLS zu integrieren. So können kapazitive Elemente KE durch struk- turierte Metallisierungsflächen SMF gebildet sein. Induktive Elemente können durch geradlinig geführte oder schleifenför- mig durch die Substratlagen geführte Durchkontaktierungen DK ausgebildet sein. Die unterschiedlichen Substratlagen sind dabei durch dielektrische Lagen DL gebildet, zwischen denen Metallisierungslagen angeordnet sind. An der Oberseite des Mehrlagensubstrats MLS können weitere Schaltungselemente, z. B. diskrete Schaltungselemente wie Spulen oder kapazitive Elemente mit hohem Q-Faktor angeordnet sein. Ein Deckel D kann vorgesehen sein, um die Schaltungselemente an der Ober- seite des Mehrlagensubstrats MLS abzudecken. An der Unter¬ seite des Mehrlagensubstrats MLS können Anschlussflächen vor¬ gesehen sein, mit denen der Duplexer als Teil einer Frondend- Schaltung mit einer externen Schaltungsumgebung eines Kommunikationsgeräts verschaltet ist.
Figur 7 zeigt berechnete Beträge der Matrixelemente S2,i, S3,2, S3,i. So zeigt die mit Dreiecken markierte Kurve die Einfüge¬ dämpfung für (S2,i) für Sendesignale, die vom Sendeport TX zum gemeinsamen Port GP propagieren. Die Mittenfrequenz des
Sendebands ist dabei auf 880,71 MHz eingestellt. Die
Mittenfrequenz des Empfangsbands ist auf 930,59 MHz ein- gestellt. Der Duplexer ist also so eingestellt, dass er mit den Frequenzen des FDD (FDD = Frequency Division Duplexing = Frequenz-Duplex) Bands 8 arbeitet. Die niedrigste Einfüge¬ dämpfung im Sendeband beträgt dabei 0,141 dB. Die niedrigste Einfügedämpfung im Empfangsband beträgt 0,293 dB. Die Isola- tion zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad ist da¬ bei stets besser als 12 dB.
Figur 8 zeigt die entsprechenden berechneten Werte für die Frequenzen des FDD-Bands 13. Dabei liegen die Sendefrequenzen (Mittenfrequenz 777,2 MHz) oberhalb des Empfangsfrequenzbands (Mittenfrequenz 751,27 MHz). Die minimalen Einfügedämpfungen liegen bei 1,17 dB im Sendefrequenzband und bei 0,65 dB im Empfangsfrequenzband . Figuren 7 und 8 zeigen dabei Anpassungen desselben Duplexers an unterschiedliche Frequenzbänder, wobei die Orientierungen von Sendesignalband und Empfangssignalband zueinander umge¬ kehrt sind: Liegt in Band 8 das Sendefrequenzband unterhalb des Empfangsfrequenzbands, so liegt das Sendefrequenzband in Band 13 oberhalb des Empfangsfrequenzbands. Für konventionelle abstimmbare Duplexer ist es dabei nahezu unmöglich, Frequenzbänder mit vertauschter Lage von Sendefrequenzen und Empfangsfrequenzen zu bedienen und gleichzeitig derart geringe Einfügedämpfungen aufzuweisen.
Die abstimmbaren Duplexer sind dabei nicht auf die beschrie¬ benen oder gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Weitere Ausführungsformen mit zusätzlichen Schaltungselementen im Schaltungskern oder in den Signalpfaden oder Duplexer, an deren Signalports weitere Filterschaltungen angeschlossen sind, werden ebenfalls umfasst.
Bezugs zeichenliste
CH: Chip
D: Deckel
DK: Durchkontaktierung
DL: dielektrische Lage
DPX: abstimmbarer Duplexer
GP: gemeinsamer Port
IE: induktives Element
IE1 : erstes induktives Element
IE2 : zweites induktives Element
IE3 : drittes induktives Element
K: ( Schaltungs- ) Kern
KE : kapazitives Element
KE1 : erstes abstimmbares kapazitives Element
KE2 : zweites abstimmbares kapazitives Element
MLS : Mehrlagensubstrat
RK1 : erster Resonanzkreis
RX: Empfangsport
SIE: serielles induktives Element
SKE: serielles kapazitives Element
SM: strukturierte Metallisierung
SMF: strukturierte Metallisierungsfläche
SP1 : erster Signalpfad
SP2 : zweiter Signalpfad
SP3 : dritter Signalpfad
TX: Sendeport
ZSK: zentraler Schaltungsknoten

Claims

Patentansprüche
1. Abstimmbarer Duplexer (DPX) , umfassend
- einen Sendeport (TX) , einen Empfangsport (RX) , einen gemeinsamen Port (GP) ,
- einen Kern (K) mit einem ersten (IE1) und einem zweiten (IE2) induktiven Element,
- einen ersten den Sendeport (TX) mit dem Kern (K)
verschaltenden Signalpfad (SP1), einen zweiten den
Empfangsport mit dem Kern verschaltenden Signalpfad (SP2) und einen dritten den gemeinsamen Port mit dem Kern
verschaltenden Signalpfad (SP3) ,
- ein erstes abstimmbares kapazitives Element (KE1), das den ersten Signalpfad (SP1) mit Masse verschaltet und ein zweites abstimmbares kapazitives Element (KE2), das den zweiten
Signalpfad (SP) mit Masse verschaltet,
wobei
- das erste induktive Element (IE1) und das zweite induktive Element (IE2) induktiv und elektrisch leitend miteinander verkoppelt sind.
2. Abstimmbarer Duplexer nach dem vorherigen Anspruch, wobei das erste induktive Element (IE1) mit dem ersten Signalpfad (SP1) verschaltet ist und das zweite induktive Element (IE2) mit dem zweiten Signalpfad (SP2) verschaltet ist.
3. Abstimmbarer Duplexer nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- das erste induktive Element (IE1) und das erste abstimmbare kapazitive Element (KE1) einen nach Masse geschalteten
Resonanzkreis (RK1) bilden, der dazu geeignet ist, eine
Resonanz bei einer Mittenfrequenz in einem wählbaren
Sendefrequenzband auszubilden, - das zweite induktive Element (IE2) und das zweite
abstimmbare kapazitive Element (KE2) einen nach Masse
geschalteten Resonanzkreis bilden, der dazu geeignet ist, eine Resonanz bei einer Mittenfrequenz in einem wählbaren Empfangsfrequenzband auszubilden.
4. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kern (K) ein Zirkulator ist.
5. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein drittes induktives Element (IE3),
- das mit dem ersten induktiven Element (IE1) und dem zweiten induktiven Element (IE2) induktiv und elektrisch leitend miteinander verkoppelt ist und
- das mit dem dritten Signalpfad (SP3) verschaltet ist.
6. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein drittes kapazitives Element, das des dritten Signalpfad mit Masse verschaltet.
7. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend
- ein serielles kapazitives Element (SKE) , das in Serie im ersten Signalpfad (SP1) verschaltet ist.
- ein serielles kapazitives Element (SKE) , das in Serie im zweiten Signalpfad (SP2) verschaltet ist.
- ein serielles kapazitives Element (SKE) , das in Serie im dritten Signalpfad (SP3) verschaltet ist.
8. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend
- ein serielles induktives Element (SIE) , das in Serie im ersten Signalpfad (SP1) verschaltet ist. - ein serielles induktives Element (SIE) , das in Serie im zweiten Signalpfad (SP2) verschaltet ist.
- ein serielles induktives Element (Sie) , das in Serie im dritten Signalpfad (SP3) verschaltet ist.
9. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend
- eine erste LC-Parallelschaltung, die den ersten Signalpfad (SP1) mit Masse verschaltet,
- eine zweite LC-Parallelschaltung, die den zweiten
Signalpfad (SP2) mit Masse verschaltet,
- eine dritte LC-Parallelschaltung, die den dritten
Signalpfad (SP3) mit Masse verschaltet.
10. Abstimmbarer Duplexer nach einem der vorherigen
Ansprüche, dessen induktiven Elemente (IE, SIE) und dessen kapazitiven Elemente als strukturierte Metallisierungen (SM) in einem Mehrlagensubstrat (MLS) gebildet sind.
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