专利名称：设置于多层基板的双工器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通信领域中所使用的集总元件双工器，特别涉及一种设置于一多层基板的集总元件双工器。
背景技术：
如果说移动电话的手机设计不断地在更新与研发，那是由于随着移动电话的功能与实用性不断地改进，因此手机的设计需要更为精巧。为了突破80年代的技术，通信系统中所使用的元件，其尺寸需要缩小化，同时也要使功率耗损降到最低。虽然在微芯片、电源供应以及显示屏幕等的设计上已有相当卓越的技术，然而，制造商仍致力于小型化移动电话手机中的每一个元件。
双工器(diplexer)已成为通信系统中的重要构件之一，双工器为具有三个终端的装置，其作用在于将不同的频率或不同的频带的信号分开来，并将信号输入不同的连接端口中。而双工器通常用于多频的通信系统，作频带分离器(band-separator)。请参阅图1，图1为现有技术中双工器应用的示意图。举例来说，使用于GSM900/DCS1800双频系统中的移动电话手机，通常采用双工器100来连结一般双频天线101与相关的射频(RF)电路102与103，其分别操作于GSM900与DCS1800的频带。
双工器的功能参数有以下几项插入损耗(insertion loss)、保护带(guard band)、隔离(isolation)以及带外抑制(out-of-band rejection)。
一般来说，插入损耗意指当双工器本身正在处理信号时所产生的负面影响，如信号强度与损耗。而插入损耗发生于传输线上，其单位通常为分贝(dB)。所谓保护带意指在两个有效的频带之间的频宽。举例来说，在GSM900/DCS1800双频系统中，保护带是为介于960MHz与1710MHz之间的频带。装置将频率精确地分开称为隔离，换言之，若无内部的信号干扰，在输出端口端便不会有混合信号的输出。带外抑制，顾名思义当信号的频率不在有效的频率范围之内时，双工器便拒绝此信号。一般使用的射频频率选择构件有高通滤波器、低通滤波器、带拒(band-stop)滤波器以及带通(band-pass)滤波器。双工器的架构有许多方式，例如可使用两个带拒滤波器、两个带通滤波器，或一个高通滤波器与一个低通滤波器。举例来说，在频谱上并不相近的两分隔频带，如GSM900/1800移动电话系统，其使用低通与高通滤波器的组合来实线双工器为最佳的方式，其具有较低的插入损耗与较好的带外抑制特性。另外，在高通与低通滤波器之后额外地增加频阻滤波器或凹口滤波器(notch filter)，亦可提升双工器的带外抑制特性，请参考美国专利案第5,880,649号，此专利案中有相关技术的说明。
为了减小电路的尺寸，双工器的实施方式可为将元件集总设置在多层基板上。请参阅图2至图9，图2至图9显示双工器各层中的典型元件，如电容器、电感器，各层的顺序如同图2至图9的顺序。电感器藉由弯曲(meandering)金属带的方式来实现，如标示201、501与801的部分。而电容器形成于不同层的金属板之间，如标示302、702、703与802的部分。值得注意的是，如第4、6、9图所示，电容与电感元件是利用接地板而分隔开来，以避免元件之间产生耦合的问题。然而，这样的设计有其缺点，第一，接地板占用额外的介质层，使元件体积增加，第二，在元件与接地板之间会产生寄生电容(parasiticcapacitance)，增加高频信号的损耗。此外，如第7、8图所示，现有双工器数个层中每层有一个以上的电路元件，因此也增加了所需的电路面积。
随着第三代或3G科技的到来，似乎没有停止将元件小型化的趋势；相反地，通信业者持续致力于小型化的发展，因此，需要研发小型化双工器的新技术。
发明内容
本发明是提供一种小型化的集总元件双工器的设计，以解决上述的问题，其是应用于移动通信系统以及设置于一多层基板中。
本发明是揭露一种具有三连接端口的双工器装置，应用于移动电话系统中的射频电路，将一般天线或双频天线中的混合射频信号分开，并将信号分隔至预定的频带中以做处理。
本发明的双工器藉由一电介质将金属元件的连续层分开，该双工器包含一高通滤波电路、一低通滤波电路以及一接地平面。该两滤波器的元件的水平配置平面与该接地平面平行，且配置的方式形成一垂直方向的堆迭于该接地平面的上方。藉由垂直的金属连通柱(vias)将各层间连结起；三终端(连接端口)用以将该装置连结于一天线与射频处理电路。该天线所接收的一混合信号输入至该双工器的两滤波器中，低通滤波器将过滤高于其滤波器截止频率的高频部分，并在插入损耗频率响应图中形成一凹口(notch)，或高频抑制区域，其频率恰与高频通带频率相同。相反地，高通滤波器将过滤低于其滤波器截止频率的低频部分。
本发明的双工器包含至少一第一电容板以及一第一条电感器。该第一电容板是配置在该基板的一第一层上，且连结于一第二端口。该第一条电感器是配置在该基板的一第三层上。一第二电容板是配置在该基板的一第二层上，且连结于该第一条电感器。一第三电容板是配置在该基板的一第四层上，且连结于一第一端口。另外，一第四电容板是配置在该基板的一第五层上，且连结于一第二条电感器，该第二条电感器是配置在该基板的一第七层，且连结于该基板的第零层的接地平面。一第五电容板是配置在该基板的一第六层，且连结于一第三端口。
本发明的优点在于适当的配置电路元件以缩小产品的尺寸。
图1为现有技术中双工器应用的示意图。
图2至图9为双工器各层中典型元件的示意图。
图10为本发明第一实施例的集总元件双工器的示意图。
图11为图10典型的频率响应的图形。
图12为本发明第一实施例设置于多层基板的示意图。
图13为本发明第二实施例的集总元件双工器的示意图。
图14为图13中双工器的高通滤波器的等效电路图。
图15为图13中双工器的典型频率响应的图形。
图16为图13双工器实施于多层基板中的示意图。
符号说明101 天线1015 谐振电路1102 低通区段1501 插入损耗响应102、103 射频电路
1103、1503 凹口1200、1600 接地板1010、1307 低通滤波器1020、1310 高通滤波器100、1000、1300 双工器201、501、801 电感器302、702、703、802 电容器1201、1202、1204-1026电容板1601、1602、1604-1606电容板具体实施方式
请参阅图10，图10为本发明第一实施例的集总元件双工器1000的示意图。双工器1000包含一低通滤波器1010以及一高通滤波器1020，两滤波器1010与1020皆连结于一共用端端口1，以使一输入混合信号中的高频带与低频带分开。低通滤波器1010是连结于共用端端口1与一低频输出端端口2之间，低通滤波器1010包含一并联的电感电容(LC)谐振电路(resonantcircuit)1015，其包含一电容器C1与一电感器L1，一并联电容器C2是配置于谐振电路1015之后。谐振电路1015的谐振频率设计为高频带的频率，因此谐振电路1015在高频带为一等效开路(open circuit)，且可提升隔离(isolation)特性。高通滤波器1020是连结在共用端端口1与一高频输出端端口3之间，高通滤波器1020包含两串联的电容器C3与C4，在此两电容器之间配置一并联电感器L2。
请参阅图11，图11为图10典型的频率响应(frequency response)的图形。注意的是，在低通区段1102的插入损耗中有凹口1103，其是为谐振电路1015的效果，凹口1103可有效地增进低通滤波器1010与高通滤波器1020间的隔离度。
为了要缩减电路的大小，本发明第一实施例的最佳实施方式为将元件设置在一多层基板中。此外，电路的元件是利用堆迭的方式设置在多层基板中，以达到缩减电路面积的目的。
请参阅图12，图12为本发明第一实施例设置在多层基板的示意图。图10中的电感器L1与L2是为螺旋状金属条所构成，而图10中的电容器C1至C4是形成在各不同层的金属板1200至1202、1204至1206之间。其中接地板1200形成于层0；第一电容板1201形成于层1；第二电容板1202形成于层2；第一条电感器L1形成于层3；第三电容板1204形成于层4；第四电容板1205形成于层5；第五电容板1206形成于层6；第二条电感器L2形成于层7。图10中的低通滤波器1010与高通滤波器1020的电路元件是以垂直的方式配置于多层基板，以缩减电路面积，每一层有一电感或电容的电路元件。因此，每一层所需的电路面积相较于现有技术的电路面积较小，可参阅现有技术美国专利案第5880649、6097268、6677833号。层4上的金属板1024是为高通滤波器1020中电容器C3的底层板，金属板1024提供高通滤波器1010与低通滤波器1020之间适当的间隔。在现存文献中，美国专利案2003/0058063使用许多接地板以分隔电路元件，相较于现有技术，本发明的双工器无须使用多个接地板来分隔元件，因此电路的尺寸较小。另外，本发明的设计亦不会在接地板产生寄生电容的问题，在现有技术中此效应难以估计且难以在电路配置中避免。然而，本发明的配置可在电路运作中大幅降低寄生电容效应，并且使寄生电容部分加诸于所配置的电容器中，加入寄生电容部分的电容器的量值仍等于原始所设计的量值。举例来说，在层3上的电感器L1与层2上的第二电容板1202之间所产生的寄生电容可由电容器C1所吸收，而在层3上的电感器L1与层4上的第三电容板1204之间所产生的寄生电容亦由电容器C1所吸收。此外，在层7上的电感器L2与层6上的第五电容板1206之间所产生的寄生电容可由电容器C4所吸收。
请参阅图13，图13为本发明第二实施例的集总元件双工器1300的示意图，本发明第二实施例在一高通滤波器1310的输入端与输出端之间增加一电容器C1305。如第一实施例的双工器1000的电路，双工器1300包含一低通滤波器1307以及一高通滤波器1310，两滤波器1307与1310皆连结于一共用端端口1301，以使一输入混合信号中的高频带与低频带分开。低通滤波器1307是连结于共用端端口1301与一低频输出端端口1302之间，低通滤波器1307包含一并联的电感电容(LC)谐振电路，其包含一电容器C1301与一电感器L1301，一并联电容器C1302是配置在谐振电路之后。高通滤波器1310是连结于共用端端口1301与一高频输出端端口1303之间，高通滤波器1310包含两串联的电容器C1303与C1304，在此两电容器之间配置一并联电感器L1302，一旁路电容器(by-pass capacitor)C1305与串联的电容器C1303与C1304并联。电容器1305是用来在一高通滤波器1310的插入损耗响应中产生额外的凹口，以提升双工器1300的抑制特性。
请参阅图14，图14为图13中双工器1300的高通滤波器1310的等效电路图。将一额外的电容器C1305E与一电感器L1302E串联，其所产生的效果便可等效于图13中电容器1305所产生的效果。电容器C1305E与电感器L1302E的串联结果可在插入损耗响应中产生一额外的凹口。
请参阅图15，图15为图13中双工器1300的典型频率响应的图形。由于增设电容器C1305，因此在高通滤波器1310的插入损耗响应1501中低频部分产生一凹口1503，进而提升隔离特性。请参阅图16，图16为图13双工器1300实施于多层基板中的示意图。图13中的电感器L1301与L1302是为螺旋状金属条所构成，而图13中的电容器C1301至C1305是形成于各不同层的金属板1600至1602、1604至1606之间。电路中元件的配置方式基本上与图12相同。其中接地板1600形成于层0；第一电容板1600形成于层01；第二电容板1602形成于层2；第一条电感器L1301形成于层3；第三电容板1604形成于层4；第四电容板1605形成于层5；第五电容板1606形成于层6；第二条电感器L1302形成于层7。凹口1503由电容器C1305所产生，特别的是，电容器C1305是利用扩大图16双工器结构中层4的金属板1604与层6的金属板1606以构成，因此图16双工器装置所需的电路面积几乎等于图12所需的电路面积，但双工器的隔离度可大幅改善，同时也如同图12装置具有电路尺寸较小且可降低寄生电容效应的优点。
相较于先前技术，本发明将利用集总电路元件于设计内并将电路元件做垂直方向的配置，以达到缩减电子产品的包装。垂直方向配置的意思为将元件堆迭于连续的金属层中，而定义接地平面为层0，依序向外推衍形成垂直于接地平面的一垂直结构。因此本发明可应用于相关的技术层面，本发明并不限定接地平面的绝对位置或相对位置，亦不限定接地平面与其他物体之间的位置。本发明的双工器可实施于多层基板中，如低温共烧瓷器基板(lowtemperature co-fired ceramic，LTCC)。在上述的所有实施例中，螺旋状的电感器仅为说明之用，并不限制于此，亦可为矩形、圆形或八边形等形状。此外，电感器与电容器可利用多于一个金属层来实现，用以增加电感器与电容器的量值，或用以降低各层所需的电路面积。本发明的双工器可有效利用多层基板的架构，因此本发明可符合现代手提式无线通信装置低成本与小型化的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种设置于一多层基板的集总元件双工器，其包含一低通滤波电路，其中，电路元件是配置在该多层基板的一第一层级，该低通滤波器电路的一第一端与一第二端是分别连接于一第一端口与一第二端口；一高通滤波电路，其中，电路元件是配置在该多层基板的一第二层级，该高通滤波器电路的一第一端与一第二端是分别连接于该第一端口与一第三端口；以及一接地平面，在该多层基板形成一基座，其中，该两滤波电路的元件的水平配置平面与该接地平面平行，且配置在垂直方向上的各层中，各层间是利用一电介质的材料所分隔开来，内层间的连结是利用至少一金属连通柱；其中，该多层基板的第一层级的最上层是与该多层基板的第二层级的最下层相邻接。
2.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该高通滤波电路的元件是配置在该多层基板的一第一层级，该低通滤波电路的元件是配置在该多层基板的一第二层级。
3.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该低通滤波电路包含一第一电容板，是配置在该多层基板的第一层；一第二电容板，是配置在该多层基板的第二层；以及一第一电感板，是配置在该多层基板的一第三层；其中，该第一电容板是连接于该第二端口，该第二电容板是藉由该高通滤波电路的一第三电容板连接于该第一电感板的一第一端与该第一端口，该第一电感板的一第二端是连接于该第二端口；以及该高通滤波电路包含一第三电容板，是配置在该多层基板的一第四层；一第四电容板，是配置在该多层基板的一第五层；一第五电容板，是配置在该多层基板的一第六层；以及一第二电感板，是配置在该多层基板的一第七层；其中，该第三电容板是连结于该第一端口，该第四电容板是连接于该第二电感板的一第一端，该第五电容板是连结于该第三端口，该第二电感板的一第二端是连接于该接地平面。
4.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该两滤波电路中的电感元件是为螺旋状板。
5.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该两滤波电路中至少一电感元件是形成于该多层基板的多层上。
6.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该两滤波电路中至少一电容元件包含多个电容板，其是形成于该多层基板的多层上。
7.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该高通滤波电路另包含一低频凹口滤波电路。
8.如权利要求7所述的集总元件双工器，其中，至少该第三与第五电容板的配置具有重迭区域，以使该重迭区域可为一额外的等效电容。
9.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该接地平面形成该集总元件双工器的第零层。
10.如权利要求1所述的集总元件双工器，其中，该集总元件双工器是实施于一多层的低温共烧陶瓷基板中
11.一种设置于一多层基板的集总元件双工器，其包含一低通滤波电路，其包含一第一电容板，是配置在该多层基板的一第一层级的一第一层；一第二电容板，是配置在该多层基板的第一层级的一第二层；以及一第一电感板，是配置在该多层基板的第一层级的一第三层；其中，该第一电容板是连接于一第二端口，该第二电容板是藉由该集总元件双工器的一高通滤波电路的一第三电容板连接于该第一电感板的一第一端与一第一端口，该第一电感板的一第二端是连接于该第二端口；一高通滤波电路，其包含一第三电容板，是配置在该多层基板的一第二层级的一第一层；一第四电容板，是配置在该多层基板的第二层级的一第二层；一第五电容板，是配置在该多层基板的第二层级的一第三层；以及一第二电感板，是配置在该多层基板的第二层级的一第四层；其中，该第三电容板是连结于该第一端口，该第四电容板是连接于该第二电感板的一第一端，该第五电容板是连结于一第三端口，该第二电感板的一第二端是连接于该集总元件双工器的一接地平面，该高通滤波电路另包含一低频凹口滤波电路，其是由该第三与第五电容板所重迭的区域所构成；以及一接地平面，在该多层基板形成一基座，其中，该两滤波电路的元件的水平配置平面与该接地平面平行，且配置在垂直方向上的各层中，各层间是利用一电介质的材料所分隔开来，内层间的连结是利用至少一金属连通柱；其中，该多层基板的第一层级的最上层是与该多层基板的第二层级的最下层相邻接。
12.如权利要求11所述的集总元件双工器，其中，该高通滤波电路的元件是配置在该多层基板的一第一层级，该低通滤波电路的元件是配置在该多层基板的一第二层级。
13.如权利要求11所述的集总元件双工器，其中，该两滤波电路中的电感元件是为螺旋状板。
14.如权利要求11所述的集总元件双工器，其中，该两滤波电路中至少一电感元件是形成于该多层基板的多层上。
15.如权利要求11所述的集总元件双工器，其中，该两滤波电路中至少一电容元件包含多个电容板，其是形成于该多层基板的多层上。
16.如权利要求11所述的集总元件双工器，其中，该接地平面形成该集总元件双工器的第零层。
全文摘要
一设置于一多层基板的集总元件双工器，含低通滤波电路、高通滤波电路及一接地平面。低通滤波器的元件包含第一电容板，配置在该多层基板第一层，且连结于第二端口及第一电感板，第一电感板配置在该多层基板第三层，第二电容板，配置在该多层基板第二层，是连接于该第一电感板与第四层的第三电容板；高通滤波电路，包含第三电容板，配置在该多层基板第二层级的第一层；第四电容板，配置在该多层基板第二层级的第二层；第五电容板，配置在该多层基板第二层级的第三层及第二电感板，配置在该多层基板第二层级的第四层，第三电容板连结于第一端口。该多层基板第五层的第四电容板连接于第七层的第二电感板，第二电感板的第二端连接于该集总元件双工器的第零层的接地平面。该多层基板第六层的第五电容板连结于第三端口。
文档编号H04B1/44GK1719727SQ20041009111
公开日2006年1月11日 申请日期2004年11月18日 优先权日2004年7月11日
发明者林佑生, 黎克迈 申请人:奇美通讯股份有限公司