DE10012129A1 - Duplexer mit verbesserter Unterdrückung von Harmonischen - Google Patents
Duplexer mit verbesserter Unterdrückung von HarmonischenInfo
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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.
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