CN115051716B - 多工器和通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工器和通信设备，能同时提高多工器的隔离度和功率容量，该多工器包含多路发射支路和多路接收支路，每路发射支路包含第一电桥和第二电桥以及第一发射滤波器和第二发射滤波器，每路接收支路包含接收滤波器；多路发射支路经由相邻发射支路中的第二电桥的ISO端口和IN端口串联，位于首位的发射支路的第二电桥的IN端口与所述多工器的天线连接，位于末位的发射支路的第二电桥的ISO端口连接至各路接收支路的接收滤波器的第一端，各路接收支路的接收滤波器的第二端连接至所述多工器的各接收端。

Description

多工器和通信设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种多工器和通信设备。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对于数据传输速率的要求越来越高，与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频***各模块的性能提出了严格的要求，在射频前端模块，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除掉以满足射频***和通信协议对于信噪比的要求，改善通信质量，提高用户体验。同时***除了对滤波器性能上有较高的要求外，还对体积尺寸提出较高的要求，而声波滤波器刚好可以满足其要求。声波谐振器利用压电晶体的压电效应产生谐振。由于谐振由机械波产生，而非电磁波作为谐振来源，机械波的波长比电磁波波长短很多。因此，声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低***损耗等复杂设计要求。由于声波滤波器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性，以此为核心的声波滤波器在通讯***中得到了广泛的应用。

未来的5G通信中，小基站***成为重要的组成部分，小基站***将采用较高的发射频率，由于空间衰减的原因，必然会加大发射信号的功率，为了提高接收机的灵敏度，必然对收发隔离度提出更高的要求，所以未来小基站***必然要求滤波器、多工器尺寸要小，功率容量要高，隔离度要高，成本较低，目前基站***中主要使用的是腔体滤波器、腔体多工器，腔体结构的滤波器、多工器插损小、带外抑制好、隔离度高，但其一个显著缺点是尺寸较大，加工成本高，很难在未来的5G通信中得到广泛应用，而声波滤波器、多工器的特点是插损好、带外抑制高、成本较低，但其一个显著缺点是功率容量较差，目前功率容量只有1.5W左右，很难适应未来5G通信的要求。因此，如何用声波滤波器技术，除了提高多工器的隔离度以外，还要较大幅度提升其功率容量，仍是待解决的技术问题。

目前，实现四工器常规的技术手段是把两个双工器并联，如图1所示，图1是根据现有技术中的一种四工器的电路的示意图。图1所示的四工器中，第一双工器覆盖一个发射频带和一个接收频带，第二双工器覆盖一个另外的发射频带和一个另外的接收频带，这样的拓扑结构虽然简单，但四工器的性能完全决定于双工器的性能，如果双工器隔离度较差的话，四工器的隔离度就一定差，同时这样的拓扑结构功率容量完全决定于构成双工器的滤波器的功率容量，所以功率容量也较差，难以满足未来5G的应用。

针对当前常规拓扑结构的多工器隔离度只有60dB，功率容量只有1.5W左右，很难适用于未来5G小基站***的现状。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种多工器和通信设备，能同时提高多工器的隔离度和功率容量，隔离度可以提高20dB到30dB左右，而功率容量可以提升1倍左右。

本发明提供如下技术方案：

一种多工器，包含多路发射支路和多路接收支路，每路发射支路包含第一电桥和第二电桥以及第一发射滤波器和第二发射滤波器，每路接收支路包含接收滤波器；每路发射支路中，第一电桥的0度端口经由电阻接地，-90度端口连接发射端口，第一电桥的IN端口和第二电桥的0度端口之间跨接第一发射滤波器，第一电桥的ISO端口和第二电桥的-90度端口之间跨接第二发射滤波器；所述多路发射支路经由相邻发射支路中的第二电桥的ISO端口和IN端口串联，位于首位的发射支路的第二电桥的IN端口与所述多工器的天线连接，位于末位的发射支路的第二电桥的ISO端口连接至各路接收支路的接收滤波器的第一端，各路接收支路的接收滤波器的第二端连接至所述多工器的各接收端。

可选地，位于末位的发射支路的第二电桥的ISO端口还连接匹配电路的第一端，该匹配电路的第二端接地。

可选地，所述滤波器为声波滤波器。

可选地，同一发射支路中，第一发射滤波器和第二发射滤波器结构相同；不同发射支路中的第一发射滤波器的通信频带各不相同；各接收滤波器的通信频带无共同频点。

可选地，同一发射支路中，第一电桥和第二电桥之间的各条路径的电长度一致。

一种多工器，包含多路发射支路和多路接收支路，每路发射支路包含功分器、90度移相器、第一发射滤波器、第二发射滤波器、电桥，每路接收支路包含接收滤波器；每路发射支路中，功分器的输入端连接发射端口，功分器的第一输出端、90度移相器、第一发射滤波器、电桥的0度端口依次串联，功分器的第二输出端、第二发射滤波器、电桥的-90度端口依次串联；所述多路发射支路经由相邻发射支路中的电桥的ISO端口和IN端口串联，位于首位的发射支路的电桥的IN端口与所述多工器的天线连接，位于末位的发射支路的电桥的ISO端口连接至各路接收支路的接收滤波器的第一端，各路接收支路的接收滤波器的第二端连接至所述多工器的各接收端。

可选地，位于末位的发射支路的电桥的ISO端口还连接匹配电路的第一端，该匹配电路的第二端接地。

可选地，所述滤波器为声波滤波器。

可选地，同一发射支路中的发射滤波器的结构相同；不同发射支路中的发射滤波器的通信频带各不相同；各接收滤波器的通信频带无共同频点。

可选地，同一发射支路中，功分器和电桥之间的各条路径的电长度一致。

一种通信设备，其特征在于，包含本发明所述的多工器。

采用本发明的技术方案，多工器不仅可以有效提升发射通道的功率容量，同时能够提升收发之间的隔离度。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1是根据现有技术中的一种四工器的电路的示意图；

图2是根据本发明实施方式的四工器的结构的示意图；

图3是与本发明实施方式有关的90度电桥的示意图；

图4为90度电桥各端口之间的相位关系的列表；

图5为图2所示的四工器中频带1的TX与RX频段隔离度对比的示意图；

图6为图2所示的四工器中频带3的TX与RX频段隔离度对比的示意图；

图7为图2所示的四工器中频带3的TX与频带1的RX频段交叉隔离度对比的示意图；

图8为图2所示的四工器中频带1的TX与频带3的RX频段交叉隔离度对比的示意图；

图9是根据本发明实施方式的六工器的结构的示意图；

图10是根据本发明实施方式的一种多工器的结构的示意图；

图11是根据本发明实施方式的另一种多工器的结构的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案加以说明。图2是根据本发明实施方式的四工器的结构的示意图。图2中的四工器主要由4个90度电桥和6个滤波器组成，该四工器有两个发射端TX1和TX2，两个接收端RX1和RX2，一个天线端。其中4个90度电桥完全相同，分别为电桥1、电桥2、电桥3、电桥4。6个滤波器分别是发射滤波器11，发射滤波器12，发射滤波器21，发射滤波器22，接收滤波器1，接收滤波器2。其中发射滤波器11和发射滤波器12是两个完全相同的滤波器，发射滤波器21和发射滤波器22是两个完全相同的滤波器。发射滤波器11、发射滤波器21、接收滤波器1、接收滤波器2是不同通信频带的滤波器，在频谱上通带没有互相交叠的部分。以频带1和频带3组成的四工器为例，发射滤波器11和发射滤波器12可以是频带1发射通路滤波器，发射滤波器21和发射滤波器22可以是频带3发射通路滤波器，接收滤波器1可以是频带1接收通路滤波器，接收滤波器2可以是频带3接收通路滤波器。

这里对多工器的隔离度做一下解释：以四工器为例，只要求第一发射端口TX1与第一接收端口RX1和第二接收端口RX2有隔离度，第二发射端口TX2与第一接收端口RX1和第二接收端口RX2有隔离度。第一发射端口TX1与第二发射端口TX2无隔离度要求，第一接收端口RX1与第二接收端口RX2无隔离度要求。

图3是与本发明实施方式有关的90度电桥的示意图。如图3所示，90度电桥有4个端口，分别为J1、J2、J3、J4，如果J1作为输入端，则J4端口为隔离端，J2和J3为输出端，这两个端口的输出信号幅度相等，相位相差90度，具体是J3端口输出为0度，J2端输出为-90度，J4端理论上没有信号输出，但因为现实中只能做到有限隔离，所以会有微弱的信号泄漏出来。90度电桥是互易的，任何一个端口都可以作为输入端的，相应的隔离端和输出端也会随着IN端口的改变而改变。图4为90度电桥各端口之间的相位关系的列表。

图2所示的四工器中包含两路发射支路，每路发射支路包含两个电桥和两个发射滤波器。以第一路发射支路为例，包含电桥1和电桥2以及发射滤波器11和发射滤波器12，连接关系如图所示。图中的接地电阻R可以是50欧姆。电桥2和电桥4通过电桥2的ISO端口和电桥4的IN端口串联，电桥2的IN端口连接天线，电桥4的ISO端口除了分别与接收滤波器1和接收滤波器2连接，还可经由匹配电路接地。

四工器应用图2所示的结构，有助于提高收发隔离度，以下加以说明。先分析发射信号时，TX1对RX1和RX2、TX2对RX1和RX2的隔离度。

从第一发射端口TX1发射的信号，初始相位记为P，经过电桥1后分为两路信号，分别是从电桥1的IN端口出来的信号S1和ISO端口出来的信号S2。根据电桥原理，从电桥1的IN端口出来的信号S1的相位Phase(S1)会延后90度，从电桥1的ISO端口出来的信号S2的相位Phase(S2)不变，即Phase(S1)＝P-90°，Phase(S2)＝P-0°。信号S1和信号S2继续分别传输进入发射滤波器11的1端口和发射滤波器12的1端口。这两路信号分别经过发射滤波器11和发射滤波器12后，分别进入电桥2的0度端口和-90度端口。因为发射滤波器11和发射滤波器12是结构相同的滤波器，所以经过这两个滤波器后的输出信号的相位变化相同。根据电桥原理，因为电桥2的ISO端口与电桥4的IN端口连接，而电桥4的其他三个端口分别与发射滤波器21、发射滤波器22、接收滤波器1和接收滤波器2连接，由于所有发射滤波器和所有接收滤波器的通带频率各不相同，且它们之间互不交叠，即各滤波器无共同频点，所以这3个端口相当于外接高阻器件，那么电桥4的IN端口会呈现高阻状态，进而电桥2的ISO端口相当于外接高阻器件，所以信号S1和信号S2的绝大部分信号能量经过电桥2后会从电桥2的IN端口出来进入天线并发射出去。而信号S1和信号S2的很小一部分能量会从电桥2的ISO端口泄漏出来。因为电桥的ISO端口本身具有隔离作用，从电桥2的ISO端口泄漏出来的信号会衰减，衰减的数值相当于电桥的隔离度数值，所以收发隔离度可以得到提升。现有的电桥产品的隔离度大概在20dB到25dB，所以单纯考虑电桥的隔离作用，收发隔离度能够提升20dB到25dB。

从电桥2的IN端口出来的信号S1的相位Phase(S1)不变，信号S2的相位Phase(S2)会延后90度，即Phase(S1)＝P-90°-0°＝P-90°，Phase(S2)＝P-0°-90°＝P-90°，即从电桥2的IN端口出来的信号S1和信号S2的相位相同，幅度相同，可以合成为一路信号，从天线发射出去。从电桥2的ISO端口泄漏出来的信号S1的相位Phase(S1)会延后90度，信号S2的相位Phase(S2)不变，即Phase(S1)＝P-90°-90°＝P-180°，Phase(S2)＝P-0°-0°＝P-0°，即从电桥2的ISO端口泄漏出来的信号S1和信号S2的相位相差180度，幅度相同，这两路信号理论上会完全相互抵消，从而提高了TX1与RX1和RX2之间的隔离度。

所以提高收发隔离度的原理可以归结为以下两点：(1)电桥本身具有隔离的作用；(2)利用电桥的特性，使从发射端TX1泄漏到接收端的两路信号幅度相同、相位差180度进而相互抵消。

以下分析天线接收信号时，RX1对TX1和TX2、RX2对TX1和TX2的隔离度。

从天线接收到的接收信号(无论RX1和RX2)从电桥2的IN端口进入电桥2，绝大部分能量再从电桥2的ISO端口出来，然后从电桥4的IN端口进入电桥4。一小部分能量通过电桥2从0度端口和-90度端口泄漏出来。因为电桥2的0度端口和-90度端口分别接发射滤波器11和发射滤波器12，对于接收信号来说，电桥2的0度端口和-90度端口都相当于外接高阻器件。在这种情况下，根据电桥原理，从电桥2IN端口进入的信号会被功分为两路分别从电桥2的0度端口和-90度端口出来，且受到电桥的隔离作用，每路信号都会衰减，衰减的数值相当于电桥的隔离度数值，约为20到25dB。所以收发之间的隔离度提升了20到25dB。同理，从电桥2的ISO端口出来的绝大部分接收信号能量在从电桥4的IN端口进入电桥4时，泄漏到发射端的能量也会受到电桥的隔离作用，衰减约20到25dB。接收信号从电桥4的ISO端口出来后，经过匹配电路进入到相应的接收滤波器。

图5为图2所示的四工器中频带1的TX与RX频段隔离度对比的示意图。图6为图2所示的四工器中频带3的TX与RX频段隔离度对比的示意图。图7为图2所示的四工器中频带3的TX与频带1的RX频段交叉隔离度对比的示意图。图8为图2所示的四工器中频带1的TX与频带3的RX频段交叉隔离度对比的示意图。上述各图中，实线对应现有技术中的四工器，虚线对应本发明实施方式中的四工器，该四工器是频带1和频带3组成的四工器，TX1为频带1的发射端，频段为2110MHz-2170MHz；RX1为频带1的接收端，频段为1920MHz-1980MHz；TX2为频带3的发射端，频段为1805MHz-1880MHz；RX2为频带3的接收端，频段为1710MHz-1785MHz。从上述仿真结果看，四工器采用本发明实施方式的结构，隔离度大约能提升20到30dB。

四工器应用图2所示的结构，还有助于提高发射功率容量，这是由于发射信号经过电桥后，发射信号分成两路，每路信号的功率与发射信号相比减小1倍，即每个滤波器承受的功率只是发射信号的一半。举例来说，如果单支滤波器的极限承受功率为1W，那么现有技术形成的多工器的功率容量是1W，而本发明的多工器的功率容量为2W，即本发明的拓扑结构可以将四工器的功率容量提升1倍。为了保证信号能够合成或互相抵消，电桥1与电桥2之间的如图中所示的两条路径的电长度要保持一致。同理，电桥3与电桥4之间的如图中所示的两条路径的电长度也要保持一致。

上述四工器的结构可以扩展为六工器或多工器，如图9和图10所示。图9是根据本发明实施方式的六工器的结构的示意图，图10是根据本发明实施方式的一种多工器的结构的示意图，其中示出了一般性的结构，包含n个发射支路和n个接收支路。可以看出发射端的电桥的作用是把一个信号等功率的分成两路，其中一路的相位比另一路延后90度，所以可以用一个功分器加一个90度移相器来代替电桥，以图10所示结构为例，可以形成图11所示的结构，图11是根据本发明实施方式的另一种多工器的结构的示意图。如图11所示，发射端的电桥用功分器和90度移相器替代，功分器的输入端连接发射端口，两个输出端分别连接90度移相器和一个发射滤波器。

采用本发明实施方式的技术方案，多工器不仅可以有效提升发射通道的功率容量，同时能够提升收发之间的隔离度。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多工器，包含多路发射支路和多路接收支路，其特征在于，

每路发射支路包含第一电桥和第二电桥以及第一发射滤波器和第二发射滤波器，每路接收支路包含接收滤波器；

每路发射支路中，第一电桥的0度端口经由电阻接地，-90度端口连接发射端口，第一电桥的IN端口和第二电桥的0度端口之间跨接第一发射滤波器，第一电桥的ISO端口和第二电桥的-90度端口之间跨接第二发射滤波器；

所述多路发射支路经由相邻发射支路中的第二电桥的ISO端口和IN端口串联，位于首位的发射支路的第二电桥的IN端口与所述多工器的天线连接，位于末位的发射支路的第二电桥的ISO端口连接至各路接收支路的接收滤波器的第一端，各路接收支路的接收滤波器的第二端连接至所述多工器的各接收端；

位于末位的发射支路的第二电桥的ISO端口还连接匹配电路的第一端，该匹配电路的第二端接地；

同一发射支路中，第一发射滤波器和第二发射滤波器结构相同，不同发射支路中的第一发射滤波器的通信频带各不相同，所述多工器中的各滤波器的通信频带无共同频点。

2.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，所述滤波器为声波滤波器。

3.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，同一发射支路中，第一电桥和第二电桥之间的各条路径的电长度一致。

4.一种多工器，包含多路发射支路和多路接收支路，其特征在于，

每路发射支路包含功分器、90度移相器、第一发射滤波器、第二发射滤波器、电桥，每路接收支路包含接收滤波器；

每路发射支路中，功分器的输入端连接发射端口，功分器的第一输出端、90度移相器、第一发射滤波器、电桥的0度端口依次串联，功分器的第二输出端、第二发射滤波器、电桥的-90度端口依次串联；

所述多路发射支路经由相邻发射支路中的电桥的ISO端口和IN端口串联，位于首位的发射支路的电桥的IN端口与所述多工器的天线连接，位于末位的发射支路的电桥的ISO端口连接至各路接收支路的接收滤波器的第一端，各路接收支路的接收滤波器的第二端连接至所述多工器的各接收端；

位于末位的发射支路的电桥的ISO端口还连接匹配电路的第一端，该匹配电路的第二端接地

同一发射支路中，第一发射滤波器和第二发射滤波器结构相同，不同发射支路中的第一发射滤波器的通信频带各不相同，所述多工器中的各滤波器的通信频带无共同频点。

5.根据权利要求4所述的多工器，其特征在于，所述滤波器为声波滤波器。

6.根据权利要求4所述的多工器，其特征在于，同一发射支路中，功分器和电桥之间的各条路径的电长度一致。

7.一种通信设备，其特征在于，包含权利要求1至6中任一项所述的多工器。