Beschreibung

Frontend-Schaltung mit erhöhter Flexibilität bei der

Anordnung der Schaltungskomponenten

Die Erfindung betrifft Frontend-Schaltungen, z. B. für mobile Kommunikationsgeräte, mit erhöhter Flexibilität bei der

Anordnung der Schaltungskomponenten. Frontend-Schaltungen verschalten in mobilen Kommunikationsgeräten eine oder mehrere Antennen mit nachfolgenden

digitalen oder analogen Schaltungskomponenten.

Frontend-Schaltungen umfassen dabei Signalleitungen, in welchen HF-Signale z. B. im Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 2 GHz und bei Frequenzen, die höher als 2 GHz liegen, propagieren, sowie aktive oder passive Filterkomponenten oder Schalter. Insbesondere Frontend-Schaltungen, welche mehrere Frequenzbereiche, z. B. den 1 GHz Frequenzbereich und den 2 GHz Frequenzbereich, abdecken, umfassen Schaltungskomponenten, welche im Allgemeinen speziell für den

entsprechenden Frequenzbereich optimiert sind. Der Trend zu immer weitergehender Miniaturisierung führt dazu, dass immer mehr Schaltungskomponenten in einer immer geringeren Anzahl an Modulen integriert sind.

Aus der Druckschrift US 7,126,440 B2 sind mit Gleichtakt ^¬ signalen arbeitend Module für Frontend-Schaltungen bekannt, welche sowohl Sende- als auch Empfangsfilter sowohl für das CELL- als auch für das PCS-Mobilfunksystem umfassen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

Frontend-Schaltung anzugeben, welche eine erhöhte Flexibilität bei der Anordnung der Schaltungskomponenten aufweist. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Frontend-Schaltung mit einer verbesserten Führung des Signalpfads anzugeben.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß von einer Frontend- Schaltung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere, abhängige

Ansprüche geben Ausgestaltungsmöglichkeiten an. Die Erfindung gibt eine Frontend-Schaltung an, welche ein erstes Modul mit einem Antennenanschluss , einem Diplexer und einem ersten Duplexer umfasst. Die Frontend-Schaltung umfasst ferner ein zweites Modul mit einem zweiten Duplexer. Die Frontend-Schaltung umfasst außerdem einen ersten Signalpfad und einen zweiten Signalpfad.

Ein Modul umfasst dabei ein einzelnes elektrisches

Bauelement, in welchem mindestens eine elektrische Funktion integriert ist.

Der Diplexer weist einen Antennenanschluss, ein

Tiefpassfilter mit einem Tiefpassfilteranschluss und ein

Hochpassfilter mit einem Hochpassfilteranschluss auf. Der erste Duplexer weist einen Sendeempfangsanschluss , einen Sendeanschluss und einen Empfangsanschluss auf. Der zweite Duplexer weist einen Sendeempfangsanschluss , einen Sendean ^¬ schluss und einen Empfangsanschluss auf. Der Sendeempfangs ^¬ anschluss des ersten Duplexers ist über den ersten Signalpfad mit dem Hochpassanschluss des Diplexers verschaltet. Der Sendeempfangsanschluss des zweiten Duplexers ist über den zweiten Signalpfad mit dem Tiefpassanschluss des Diplexers verschaltet . Das erste Modul umfasst also den Diplexer und den ersten Duplexer. Der zweite Duplexer ist im zweiten Modul separiert vom ersten Modul angeordnet. Die Signalpfade verschalten die Duplexer mit dem Diplexer. Dadurch, dass beide Duplexer in unterschiedlichen Modulen angeordnet sind, erhält der Entwickler einer Frontend-Schaltung einen weiteren Freiheitsgrad bei der räumlichen Anordnung der Duplexer sowie beim Auslegen der Verläufe der Signalpfade. Die Frontend-Schaltung umfasst zwei Duplexer und kann damit leicht einen Sende-Empfangs-Betrieb in zwei verschiedenen Frequenzbereichen abdecken. Die Signalführung, d. h. die räumliche Anordnung der Signalpfade, ist insbesondere bei CDMA-Übertragungssystemen von hoher Bedeutung. Wie sich aus dem Zwang zur Miniaturisierung im Wesentlichen zwangsläufig ergibt, werden Diplexer und Duplexer bevorzugt in einem einzigen Modul integriert.

Die Erfinder fanden jedoch heraus, dass immer nur einer der Duplexer, insbesondere sein Sendesignalpfad, impedanzmäßig an einen Leistungsverstärker optimal angepasst werden kann.

Dabei ist insbesondere die Länge der Leitung/des Signalpfads zwischen dem Duplexer und dem Leistungsverstärker von

Bedeutung. Die Impedanzanpassung kann aufgrund der durch die Länge der Leitung verursachten Phasenverschiebung deutlich verschlechtert werden. Dieser Effekt wiegt umso schwerer, je höher die Frequenzen der HF-Signale und je länger der

Signalpfad ist. Ist eine Frontend-Schaltung bezüglich des einen Duplexers optimiert, kann der andere Duplexer nur noch suboptimal angepasst werden.

Die Separation der Duplexer in verschiedene Module läuft also dem anhaltenden Trend der Miniaturisierung zuwider, ermöglicht aber eine verbesserte individuelle Impedanz ^¬ anpassung beider Duplexer. Ein daraus resultierender Vorteil ist neben der verbesserten Anpassung auch der verbesserte Stromverbrauch, weil die Signalübertragung weniger durch schlecht angepasste Impedanzen, also durch Reflektion, verschlechtert wird.

In einer Ausgestaltung ist der erste Duplexer oder der zweite Duplexer zur Verarbeitung von Gegentaktsignalen oder zur Konversion zwischen Gleichtaktsignalen und Gegentaktsignalen ausgelegt. Ein entsprechender Duplexer verfügt also über eine Balun-Funktionalität . Gegentaktsignale erfordern im

Allgemeinen eine Verdoppelung der Signalpfade und der in den Signalpfaden verschalteten Komponenten wie Filter oder

Verstärker. Insbesondere die Signalpfade von Empfangspfaden sind als Gegentaktsignalpfade ausgeführt und mit

entsprechenden Anschlüssen im Duplexer verschaltet.

Empfangssignalpfade sind dabei mit den Ausgangsanschlüssen der Duplexer verschaltet. Mit Gegentaktsignalen arbeitende Signalleitungen erfordern also einen erhöhten Schaltaufwand, sind aber weniger empfindlich gegenüber Gleichtaktstörungen.

In einer Ausführungsform umfasst der erste Duplexer oder der zweite Duplexer ein mit akustischen Oberflächenwellen

arbeitendes Filter. Als mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Filter kommt ein SAW-Filter (SAW = Surface

Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle) oder ein GBAW- Filter (GBAW = Guided By Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle) in Frage.

In einer Ausführungsform umfasst der erste Duplexer oder der zweite Duplexer ein mit akustischen Volumenwellen oder mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Filter. Mit akustischen Wellen arbeitende Filter, z. B. BAW-Filter (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) , SAW- oder GBAW-Filter, können eine intrinsische Balun-Funktionalität aufweisen. Durch die Verwendung solcher Filter können

zusätzliche Balun-Schaltungen eingespart werden.

In einer Ausführungsform arbeitet einer der Duplexer, ausgewählt aus erstem Duplexer und zweitem Duplexer, mit akustischen Oberflächenwellen oder mit geführten akustischen Volumenwellen, während der jeweils andere Duplexer mit geführten akustischen Volumenwellen oder mit akustischen Volumenwellen arbeitet. Ein solcher sog. Hybrid-Duplexer arbeitet dann sowohl mit Hilfe von akustischen

Oberflächenwellen als auch mit Hilfe von akustischen

Volumenwellen. Mit akustischen Volumenwellen arbeitende

Bauelemente sind im Allgemeinen leistungsfester als mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente. Dafür bieten mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende

Bauelemente dem Entwickler von Frontend-Schaltungen andere, weitere Optimierungsmöglichkeiten. Die Verwendung eines Hybrid-Duplexers ermöglicht also, dass die jeweils beste Filtertechnologie zum Einsatz kommt.

Durch die Separation der Duplexer auf verschiedenen Modulen ist es insbesondere möglich, für die verschiedenen Duplexer verschiedene Arbeitsweisen, z. B. mit akustischen

Volumenwellen oder mit akustischen Oberflächenwellen, zu wählen .

Es ist möglich, das erste Modul mit einem rechteckförmigen Querschnitt der Größe 3,0 * 2,5 mm ² und das zweite Modul mit einem rechteckförmigen Querschnitt der Größe 2,0 * 2,5 mm ² auszugestalten. Die gesamte Grundfläche beider Module beträgt also 12,5 mm . In einer auf Miniaturisierung optimierten Version der Frontend-Schaltung kann ein erstes Modul mit einem rechteckförmigen Querschnitt der Größe 3,0 * 2,5 mm ² und das zweite Modul mit einem rechteckigen Querschnitt der Größe 2,0 * 1,6 mm ² erhalten werden.

In einer Ausführungsform umfasst einer der Duplexer,

ausgewählt aus erstem Duplexer und zweitem Duplexer, ein CRF- Filter (CRF = Coupled Resonator Filter) mit Balun- Funktionalität.

In einer Ausgestaltung umfasst der erste Duplexer

Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich im 2 GHz

Frequenzbereich und der zweite Duplexer Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich im 1 GHz Frequenzbereich.

Der erste Duplexer kann ein erstes Bandpassfilter mit einem ersten Durchlassbereich und ein zweites Bandpassfilter mit einem zweiten Durchlassbereich umfassen.

Der zweite Duplexer kann ein drittes Bandpassfilter mit einem dritten Durchlassbereich und ein viertes Bandpassfilter mit einem vierten Durchlassbereich umfassen. Die folgende Tabelle gibt mögliche Werte (in MHz) für die oben genannten vier Durchlassbereiche an:

1920 - 1980 2110 - 2170

1850 - 1910 1930 - 1990

1710 - 1785 1805 - 1880

1710 - 1755 2110 - 2155

824 - 849 869 - 894

830 - 840 875 - 885

2500 - 2570 2620 - 2690

880 - 915 925 - 960 1749, 9 - 1784, 9 1844, 9 - 1879, 9

1710 - 1770 2110 - 2170

1427, 9 - 1447, 9 1475, 9 - 1495, 9

698 - 716 728 - 746

777 - 787 746 - 756

788 - 798 758 - 768

704 - 716 734 - 746

815 - 830 860 - 875

830 - 845 875 - 890

832 - 862 791 - 821

1447, 9 - 1462, 9 1495, 9 - 1510, 9

1900 - 1920 1900 - 1920

2010 - 2025 2010 - 2025

1850 - 1910 1850 - 1910

1930 - 1990 1930 - 1990

1910 - 1930 1910 - 1930

2570 - 2620 2570 - 1620

1880 - 1920 1880 - 1920

2300 - 2400 2300 - 2400

Insbesondere können die Durchlassbereiche übliche

Mobilfunkfrequenzen umfassen.

In einer Ausgestaltung umfasst die Frontend-Schaltung ein weiteres Bandpassfilter mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss . Der Eingangsschluss des weiteren

Bandpassfilters ist mit dem Hochpassanschluss des Diplexers verschaltet. Das weitere Bandpassfilter arbeitet mit

akustischen Oberflächenwellen, mit geführten akustischen Volumenwellen oder mit akustischen Volumenwellen. Das weitere Bandpassfilter lässt Satellitenempfangssignale, z. B.

Satellitennavigationssignale wie GPS, Galileo oder GLONASS, passieren.

Somit ist eine Frontend-Schaltung gegeben, welche neben

Mobilfunkkommunikation in zwei verschiedenen Frequenz- bereichen auch zum gleichzeitigen Empfang von Satellitenempfangssignalen fähig ist.

In einer Ausführungsform umfasst die Frontend-Schaltung ferner ein mehrlagiges Trägersubstrat, wobei das Substrat elektrisch isolierende Lagen und eine dazwischen angeordnete Metallisierungsschicht umfasst. In der Metallisierungsschicht ist eine passive Schaltungskomponente, z. B. ein kapazitives Element, ein induktives Element oder ein resistives Element oder ein Teil einer Signalleitung, strukturiert. Das erste Modul und das zweite Modul sind mit dem Substrat verbunden. Das erste Modul oder das zweite Modul ist mit der passiven Schaltungskomponente des mehrlagigen Trägersubstrats

verschaltet .

Insbesondere kann das mehrlagige Trägersubstrat dazu dienen, den Signalpfad zwischen dem ersten Modul mit Diplexer bzw. mit dem zweiten Duplexer und dem zweiten Modul für eine optimale Signalübertragung darauf oder darin anzuordnen.

In einer Ausführungsform ist das erste Modul, das zweite Modul oder das mehrlagige Substrat frei von aktiven

Schaltungskomponenten. Insbesondere ist es möglich, sowohl das erste Modul als auch das zweite Modul und das mehrlagige Substrat frei von aktiven Schaltungskomponenten

auszugestalten. Durch die Integration von passiven

Schaltungskomponenten in den Modulen oder in dem mehrlagigen Substrat kann auf aktive Schaltungskomponenten verzichtet werden, ohne dass Qualitätseinbußen der Signalübertragung entstehen. Auf einfache Weise wird somit eine gut angepasste Frontend-Schaltung ohne Energiedissipation durch aktive

Schaltungskomponenten erhalten. Im Folgenden wird die Frontend-Schaltung anhand von

Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild mit einem Diplexer und einem ersten

Duplexer in einem ersten Modul und einem zweiten Duplexer in einem zweiten Modul,

Figur 2 eine Ausgestaltung, wobei jeweils ein Filter der

Duplexer einen mit Gegentaktsignalen arbeitenden Anschluss umfasst,

Figur 3 eine Ausgestaltung mit einem weiteren

Bandpassfilter,

Figur 4 eine Querschnittsansicht mit einem ersten Modul, welches auf einem mehrlagigen Trägersubstrat angeordnet ist.

Figur 1 zeigt eine Frontend-Schaltung FES mit einem ersten Modul Ml und einem zweiten Modul M2. Das erste Modul Ml umfasst einen Diplexer DI, einen ersten Duplexer DU1, einen Antennenanschluss AAM1 und einen ersten Signalpfad SP1. Das zweite Modul M2 umfasst einen zweiten Duplexer DU2. Der

Diplexer DI ist mit dem Antennenanschluss AAM1 verschaltet. Der erste Signalpfad SP1 verschaltet den Diplexer mit dem ersten Duplexer DU1. Ein zweiter Signalpfad SP2 verschaltet den Diplexer DI des ersten Moduls Ml mit dem zweiten Duplexer DU2 des zweiten Moduls M2.

Die Duplexer können als erd-unsymmetrisch (unbalanced) oder als erd-symmetrisch (balanced) ausgeführt sein. Sie können auch erd-unsymmetrisch und erd-symmetrisch ausgeführt sein und entsprechend Anschlüsse unterschiedlich symmetrisch geführte Anschlüsse aufweisen.

Der Signalpfad SP1, welcher vorzugsweise innerhalb des ersten Moduls Ml verläuft, ist an eine optimale Signalübertragung zwischen dem Diplexer DI und dem ersten Duplexer DU1

angepasst. Im Allgemeinen wäre es dann nicht mehr leicht möglich, den zweiten Duplexer DU2 im ersten Modul Ml

anzuordnen und ebenfalls eine optimale Signalübertragung zwischen dem Diplexer DI und dem zweiten Duplexer DU2 über den Signalpfad SP2 zu erhalten.

Erfindungsgemäß ist deshalb der zweite Duplexer DU2 separiert vom ersten Modul Ml im zweiten Modul M2 angeordnet. Die

Signalführung über den zweiten Signalpfad SP2 unterliegt damit weniger Einschränkungen, wodurch eine insgesamt

verbesserte Signalführung zwischen dem Diplexer einerseits und beiden Duplexern DU1, DU2 andererseits erhalten wird. Figur 2 zeigt eine Frontend-Schaltung FES, bei der der

Diplexer DI ein Hochpassfilter HPF und ein Tiefpassfilter LPF umfasst. Der Diplexer DI umfasst einen Antennenanschluss AADI, einen Hochpassfilteranschluss HPFA und einen Tief- passfilteranschluss LPFA. Der Antennenanschluss des Diplexers AADI ist mit dem Antennenanschluss der Frontend-Schaltung verschaltet. Der erste Duplexer DU1 umfasst einen Sende- Empfangsanschluss SEAD1, einen Sendeanschluss SAD1 und einen Empfangsanschluss EAD1. Der zweite Duplexer DU2 umfasst einen Sende-Empfangsanschluss SEAD2, einen Sendeanschluss SAD2 und einen Empfangsanschluss EAD2. Der Hochpassfilteranschluss HPFA des Hochpassfilters HPF ist mit dem Sende-Empfangs ^¬ anschluss SEAD1 des ersten Duplexers DU1 verschaltet. Der Tiefpassfilteranschluss LPFA des Tiefpassfilters LPF ist mit dem Sende-Empfangsanschluss SEAD2 des zweiten Duplexers DU2 verschaltet. Der mit einem Bandpassfilter des ersten

Duplexers DUl verschaltete Sendeanschluss SAD1 ist als unbalanced, d. h. erd-unsymmetrisch, geführter Anschluss ausgeführt. Der mit einem zweiten Bandpassfilter des ersten Duplexers DUl verschaltete Eingangsanschluss EAD1 ist für Gegentaktsignale, also balanced, d. h. erd-symmetrisch, ausgeführt . Der zweite Duplexer DU2 umfasst zwei Bandpassfilter. Ein Bandpassfilter ist mit einem balanced ausgeführten

Eingangsanschluss EAD2 ausgeführt. Das andere Bandpassfilter ist mit dem Sendeanschluss SAD2 verschaltet und unbalanced ausgeführt .

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen sind nicht als Einschränkungen zu sehen. Insbesondere können alle Duplexer, Diplexer oder Filter erd-symmetrisch oder erd-unsymmetrisch oder erd-symmetrisch und erd-unsymmetrisch ausgeführt sein.

Figur 3 illustriert eine Frontend-Schaltung mit einem

weiteren Bandpassfilter WBPF. Das weitere Bandpassfilter WBPF ist über einen Eingangsanschluss EAWBPF mit dem

Hochpassfilter des Diplexers DI verschaltet. Das weitere Bandpassfilter WBPF lässt Satellitenempfangssignale

passieren, welche am Ausgangsanschluss AAWBPF des weiteren Bandpassfilters WBPF abgegriffen werden können. Die

Satellitenempfangssignale können auf diese Weise aus dem ersten Signalpfad extrahiert werden.

Der erste Duplexer DUl umfasst ein erstes Bandpassfilter BPF1, welches einen balanced geführten Signalanschluss aufweist, und ein zweite Bandpassfilter BPF2, welches einen unbalanced geführten Signalanschluss aufweist. Der zweite Duplexer DU2 umfasst ein drittes Bandpassfilter BPF3, welchen einen balanced geführten Signalanschluss aufweist, und ein viertes Bandpassfilter BPF4, welches einen unbalanced

geführten Signalanschluss aufweist.

Im Allgemeinen gilt für alle Signalpfade und Filter, dass sie erd-unsymmetrisch oder erd-symmetrisch ausgeführt sein können. Insbesondere gilt für die Tx- und Rx- Anschlüsse eines Duplexers, dass alle vier Kombinationen aus erd ^¬ unsymmetrisch und erd-symmetrisch möglich sind.

Figur 4 zeigt den Querschnitt durch ein Trägersubstrat TS, welches mehrlagig ausgeführt ist. Auf dem Trägersubstrat TS sind das erste Modul Ml und das zweite Modul M2 angeordnet. Das erste Modul Ml und das zweite Modul M2 sind über Bump- Verbindungen BU mit dem Trägersubstrat TS verbunden und verschaltet. Die Bump-Verbindungen BU verschalten dabei elektrische Kontakte EK auf der Unterseite der Module Ml, M2 mit elektrischen Kontakten EK auf der Oberseite des Trägersubstrats TS. Das Trägersubstrat TS umfasst drei elektrisch isolierende Lagen, zwischen denen zwei Metallisierungs ^¬ schichten MS angeordnet sind. In den Metallisierungsschichten MS sind kapazitive Elemente KE und induktive Elemente IE angeordnet. Durchkontaktierungen DK durch die Lagen des

Trägersubstrats TS ermöglichen eine Verschaltung der Module Ml, M2 mit den im Trägersubstrat integrierten passiven

Schaltungskomponenten sowie mit auf der Unterseite des

Trägersubstrats angeordneten elektrischen Kontakten EK.

In einer Ausführungsform umfasst die Frontend-Schaltung einen oder mehrere weiteren Duplexer. Ein weiterer Duplexer ist mit dem Diplexer oder mit einem der Duplexer verschaltet. In einer Ausführungsform umfasst die Frontendschaltung einen Triplexer. Der Triplexer ist mit einem der Duplexer

verschaltet. Der Triplexer kann den Diplexer umfassen. Ist der Diplexer z. B. über einen seiner Ausgänge mit einem weiteren Diplexer verschaltet, so ergibt die Verschaltung des Diplexers mit dem weiteren Diplexer einen Triplexer. So sind entsprechend auch Frequenzweichen mit vier oder fünf oder mehr Ausgängen möglich.

Eine Frontend-Schaltung ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen, welche z. B. noch weitere Module, Filterschaltungen, passive Schaltungs ^¬ elemente, Signalleitungen oder beliebige Kombinationen daraus umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbei ^¬ spiele dar. Andere als die genannten oder gezeigten Kombinationen von balanced und unbalanced geführten Signalpfaden stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.

Bezugs zeichenliste :

AADI : Antennenanschluss des Diplexers

AAM1 : Antennenanschluss des ersten Moduls

AAWBPF: Ausgangsanschluss des weiteren Bandpassfilters BPF1, BPF2, BPF3, BPF4 : erstes, zweites, drittes, viertes

Bandpassfilter

BU: Bump-Verbindung

DI : Diplexer

DU1, DU2 : erster Duplexer, zweiter Duplexer

EAD1 : Empfangsanschluss des ersten Duplexers

EAD2 : Empfangsanschluss des zweiten Duplexers

EAWBPF: Eingangsanschluss des weiteren Bandpassfilters EK: elektrischer Kontakt

FES: Frontend-Schaltung

HPF: Hochpassfilter

HPFA: Hochpassfilteranschluss des Diplexers

IE: induktives Element, kapazitives Element

KE : kapazitives Element

LPF: Tiefpassfilter

LPFA: Tiefpassfilteranschluss

Ml, M2 : erstes Modul, zweites Modul

MS: Metallisierungsschicht

SAD1 : Sendeanschluss des ersten Duplexers

SAD2 : Sendeanschluss des zweiten Duplexers

SEAD1 : Sende-Empfangsanschluss des ersten Diplexers

SEAD2 : Sendeanschluss des zweiten Duplexers

SK: Schaltungskomponente

SP1, SP2: erster Signalpfad, zweiter Signalpfad

TS: Trägersubstrat

WBPF: weiteres Bandpassfilter