专利名称：集成的天线耦合元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其适用于移动无线电系统的多频带终端设备的集成天线耦合元件。
今天，通信系统内的终端设备，尤其是诸如移动无线电台等便携式终端设备被设计用于通信技术的高性能和低能耗，且同时还应尽可能地保持通用，这样，至少对于该设备的某一市场份额，需要为不同的传输标准-具体地说也就是不同的传输频带-进行设计。
由于尺寸、重量和成本的原因，在这种设备中通常是采用单个的天线，于是在为该终端设备而设计的频率范围上，该天线既被用作接收天线，又被用作发射天线。这种对天线的多重使用需要对接收信号和需发射的信号进行特殊处理，以便一方面确保对接收信号进行最佳地利用和去干扰，另一方面又能确保电流消耗最小并在发射工作中继续抑制干扰效应。
这对如下的终端设备是非常重要的，即该设备一方面工作在“传统”的GSM范围，也即900MHz内(准确地说，上行链路是在频带875～915MHz内，而下行链路是在频带920～960MHz内)，另一方面还工作在通常被称为PCN或DCS范围的、约1800MHz的发射/接收频率内，以上的原因是在于，对于这种设备，显然由于近似的频率比为1∶2，所以表面波效应会非常严重。为此，在GSM范围内的接收工作时需要考虑对总接收信号进行合适的滤波，并且在GSM发射工作时尽可能地继续抑制一次谐波的发射。
在用于GSM和DCS(PCN)的双频带终端设备中，需要在接收部分内为GSM范围和DCS范围分别装设前置放大器，并且通常还要为GSM和DCS范围分别装设发射末级。来自天线的(总)接收信号必须在接收或监视时隙内按所选的工作频带被输入到GSM前置放大器中，或被输入到DCS前置放大器中，而所述的GSM或DCS末级的输出信号则必须在发射时隙内输至天线。
在GSM频带内的接收工作中，所述的天线信号经过天线开关(必要时带有双工器)被输至窄带的、大多构造为表面波滤波器(SAW＝表面声波滤波器)的滤波器中，并在其穿过后到达GSM输入放大器(LNA＝低噪声放大器)的输入端。在DCS频带内接收时，所述的天线信号同样也通过一个天线开关(有时也带有双工器)被输至大多实施为陶瓷滤波器的窄带DCS接收滤波器中，并在其穿过后输入到DCS-LNA的输入端。
在GSM频带内的发射工作时，所述GSM发射末级的输出信号被输至耦合元件，利用该耦合元件的耦合输出子信号并通过调节回路来调节所述的发射功率。原本的发射信号在其穿过耦合器之后被输入到低通滤波器内，然后在穿过之后经天线开关(有时也带有双工器)输入天线。在DCS频带的发射工作中，DCS发射末级的输出信号以同样的方式被输至一个-独用-的耦合器，该耦合器的耦合输出子信号也被考虑用来调节所述的发射功率，而原本的发射信号到利用低通滤波器进行滤波，然后经天线开关(有时带有双工器)被输入到天线中。
为了实现这种功能，迄今需要采用许多分散的元件，这会带来较大的位置需要量和屏蔽、安装费用。
因此本发明所基于的任务在于，在所述的功能范围内改善上述类型终端设备的结构，使得位置需要量和安装费用被降低。
该任务由具有权利要求1特征部分的集成天线耦合元件来实现。
本发明包括如下技术理论，即提供一种在天线输入/输出耦合区实现复杂功能的元件，该元件可以作为整体并按照连续的技术方案而成本合适地进行制造和包封，而且还可以被屏蔽和在一个安装过程内安装。除了工作电压端外，该元件还具有一个用于与天线连接的信号输入/输出端、至少一个用于与发射末级连接的信号输入端、至少一个与接收级连接的接收信号输出端、至少两个控制信号输入端-也即分别用于在发射和接收工作方式之间切换和用于额定发射功率-以及至少一个控制信号输出端，该控制信号输出端是用于输入发射末级的控制电压。
在一种用于常规双频带终端设备的优选实施方案中，设置了用于第一和第二发射频带的独用发射信号输入端，及/或用于第一和第二接收频带的独用接收信号输出端，以及一个用于频带选择的控制信号输入端。
对于其中为双频带设置了分开的发射末级的终端设备，所述的天线耦合元件还包括用于所述发射末级的独用控制电压输出端。在分别预定了额定值(“PWR”斜坡)的终端设备中，所述天线耦合元件的另一种实施方案还包括两个相应的控制信号输入端。
本发明的天线耦合元件在结构上至少结合了如下的功能单元，即接收信号带通滤波器、发射信号低通或带通滤波器、发射信号定向耦合器、具有温度补偿的发射末级功率调节级、以及发射/接收天线开关。
特别在双频带终端设备中，所述的天线耦合器至少同时还实现了用于所述第一和第二接收频带的独用接收信号带通滤波器、及/或用于所述第一和第二发射频带的独用发射信号低通或带通滤波器、及/或用于所述第一和第二发射频带的独用发射信号定向耦合器、及/或用于两个发射末级的独用功率调节级，所述发射末级在第一和第二频带内产生发射信号。
但是，所述末级的功率调节和定向耦合器功能也可以分别在集成天线耦合元件的单个功能部分内实现。天线开关功能也可以在单个的开关区实现。
在一种优选的技术实施方案中，所述的天线耦合元件是以所谓的LTCC或多层陶瓷技术来实现的。对此，在实现所述单个的功能部分时，可以动用先前已知的详细解决方案。
在一种有利的方法中，一部分功能单元，特别是(如果有的话)双工器、定向耦合器和开关元件、低通滤波器元件、发射末级功率调节器、以及输入放大器等等都可以借助LTCC工艺直接在相应的陶瓷多层基片内实现。另外，这种基片还被用作淀积其它没有直接在基片内实现的功能单元的板坯，这些功能单元尤其是表面波滤波器、HF检测二极管，必要时还有运算放大器单元。与现有技术相比，该实施方案在实现单个功能时大大节省了成本。另外还有一些优点，通过在LTCC板坯内装入附加的屏蔽壁，可以给与此有关的敏感功能单元彼此之间、或针对外部干扰带来EMI屏蔽，并减少了电磁辐射。因此，单个功能单元和整个功能复合体的屏蔽被大大简化，而且可成本合适的进行构造。
另外，本发明优选实施方案的细节和优点可以从从属权利要求和下面参考附图
对优选实施例的阐述中得出。附图示出了一种按照本发明实施方案的用于双频带移动电话的集成天线耦合元件的功能框图。
所述集成的天线耦合元件1连接了发射/接收天线3、2.8V的移动电话工作电压、以及-在图中没有示出的-用于GSM和DCS频带的发射末级和用于该频带的接收部件。
与天线3的连接是通过天线输入/输出端5来完成的，而且，与工作电压的连接是通过工作电压端7，与在频率范围880…915MHz内提供发射信号的GSM发射末级的连接是通过第一发射信号输入端9，与在频率范围1710…1805MHz内提供发射信号的DCS发射末级的连接是通过第二发射信号输入端11，与输入有频率范围为925…960MHz的接收信号的GSM接收级的连接是通过第一接收信号输出端13，以及与输入有频率范围为1805…1880MHz的接收信号的DCS接收级的连接是通过第二接收信号输出端15。
天线耦合元件1通过工作方式控制输入端17来接收用于工作方式切换、也即发射/接收切换的切换信号“TX/RX”，通过频带选择控制输入端19来接收频带选择信号“频带”，以及通过末级工作控制信号输入端21来接收用于发射末级额定工作状态(在该实施例中是共同规定的)的控制信号“PWR斜坡”。设置一个第一模拟发射功率控制电压输出端25来为GSM发射末级输出第一控制电压“APC 1”，以及设置一个第二发射功率控制电压输出端27来为DCS发射末级的发射功率提供控制电压“APC 2”。
在所述的天线输入/输出端5上-按照所选的发射/接收工作方式而在输入或输出侧-接有一个所谓的双工器功能区29，该功能区另外、也即按照所调整的工作方式标准而在输出或输入侧连接了两个天线切换开关区31和33。在该区域内，响应于经输入端17输入的控制信号“TX”和“RX”，要么首先向所述的双工器29输入所述发射末级之一的(将按下文讲述的方式进行再处理的)发射信号，要么转接所述GSM或DCS工作的接收信号。在天线切换开关区31、33的“RX”开关位置上，所述的接收信号-根据经输入端19接收的控制信号“频带”-被输至实施为声表面波滤波器的、用于GSM范围的带通滤波器25中，或被输至实施为SAW或陶瓷滤波器的、用于DCS范围的带通滤波器37中，从那儿再把相应滤波过的信号输往输出端13或15。
经输入端9和11输入的发射信号首先分别被输入到为返回波设有50欧姆终端电阻的、用于GSM发射信号的定向耦合区39和用于DCS发射信号的定向耦合区41。在定向耦合器39、41内，一小部分的发射功率经HF检测二极管39a或41a被分支，并作为当前发射功率的(内部)实际值控制信号而被输入到具有温度补偿的发射末级功率调节部分43，该调节部分43另外还与上述的输入端21和输出端25、27相连。所述的终端电阻在附图中是用39b和41b来标示的。该功率调节部分的作用方式和结构与已知的移动无线电功率调节电路是一致的-除了LTCC技术中的特殊工艺实现以外-，因此在此不再赘述。所述发射功率的主要部分在定向耦合器39或41的输出端上被输入到用于GSM范围的低通滤波器部分41和用于DCS范围的低通滤波器部分47。然后，所述的发射信号从那儿进一步到达上述的天线切换开关区31、33，并经所述的双工器29和天线端子5最终到达天线3。
就工艺来讲，上面借助其输入输出端和功能区而进行讲述的天线耦合元件可以优选地在由若干玻璃陶瓷层(Al2O3-SiO2-B2O3-CaO)组成的多层基片内或上、并通过利用所谓的LTCC(Low TemperatureCo-Fired Ceramics低温浓火陶瓷)工艺来实现。为了实现所述建议的集成天线耦合元件，所述的LTCC工艺可以优选地与其它现代的装配工艺结合起来，譬如所谓的芯片及导线(Chip&Wire)工艺、倒装工艺等，其中，通过构造一些屏蔽壁部分，上述功能元件的一部分(按照具体的实施方式，特别是所述的双工器功能区29、耦合器功能区、至少所述的低通滤波器部分45和47、以及所述的发射末级功率调节部分43)被直接构造在所述的多层基片内，而其它的功能单元-譬如HF检测二极管39a、41b和GSM带通滤波器25-则直接分散地焊接在所述的玻璃陶瓷基片上。最后，该制作安装好的天线耦合元件还需装设一个外部屏蔽器，由于在基片内已实现紧要功能区的屏蔽，所以该屏蔽器的实施较为简单和成本适宜，譬如可以实施为简单的金属罩或金属化的帽。
本发明的实施方案并不局限于上述的优选实施例，而可以有各种各样的变化-尤其在于特殊终端设备的功率范围匹配和所述发射级及接收级的具体实施方案。
也可以利用返回波来进行HF检测。
所建议的集成天线耦合元件不仅可以应用于GSM/DCS双频带移动电话，而且还可以譬如应用于其它的多频带设备，例如GSM/UMTS双频带设备或GSM、DCSD及UMTS标准的三频带设备，或应用于实施为组合移动电话和无绳电话终端设备的移动台等等。在单频带移动电话或在无绳电话的情况下，本发明的解决方案在与功能有关的排列密度和安装费用方面具有较大的优点。
权利要求
1.尤其适用于移动无线电系统的多频带终端设备的集成天线耦合元件(1)，具有如下输入和输出端a)工作电压端(7)，b)至少一个天线输入/输出端(5)，c)至少一个发射信号输入端(9，11)，d)至少一个接收信号输出端(13，15)，e)“发射/接收”控制信号输入端(17)，f)至少一个额定发射功率输入端(21)，g)至少一个发射末级控制电压输出端(25，27)。
2.如权利要求1所述的天线耦合元件，其特征在于c1，c2)用于第一和第二发射频带的独用发射信号输入端(9，11)，及/或d1，d2)用于第一和第二接收频带的独用接收信号输入端，以及h)一个“频带选择”控制信号输入端(19)，有选择地结合所述的“发射/接收”控制信号输入端。
3.如权利要求2所述的天线耦合元件，其特征在于g1，g2)工作在第一和第二发射频带的第一和第二发射末级的独用控制电压输出端(25，27)。
4.如权利要求3所述的天线耦合元件，其特征在于f1，f2)用于所述第一和第二发射末级的独用额定发射功率输入端。
5.如上述权利要求之一所述的天线耦合元件，其特征在于在结构上至少结合如下的功能区A)至少一个接收信号带通滤波器(35，37)，B)至少一个发射信号低通或带通滤波器(45，47)，C)至少一个发射信号定向耦合器(39，41)，D)至少一个“发射/接收”天线切换开关(31，33)，E)至少一个具有温度补偿(43)和检测装置(39a，41a)的发射末级功率调节器。
6.如权利要求5所述的天线耦合元件，其特征在于A1，A2)用于所述第一和第二接收频带的独用接收信号带通滤波器(35，37)，及/或B1，B2)用于所述第一和第二发射频带的独用发射信号低通或带通滤波器(45，47)，及/或C1，C2)用于所述第一和第二发射频带的一个或独用的发射信号定向耦合器(39，41)，及/或E1，E2)用于所述第一和第二发射频带的一个或独用的功率调节部分。
7.如权利要求6所述的天线耦合元件，其特征在于一个与所述天线输入/输出端相连的双工器(29)，以及在接收信号流方向上后接于该双工器之上的两个用于所述第一和第二接收信号频带的天线切换开关(31，33)。
8.如权利要求5～7之一所述的天线耦合元件，其特征在于所述的一个或多个发射信号定向耦合器(39，41)在输出侧具有一个低欧姆的、电阻值尤其为50Ω的终端电阻(39b，41b)和所述尤其为HF检测二极管(39a，41a)的HF检测装置，所述的HF检测装置被连在所述发射末级功率调节器的输入端上。
9.如权利要求5～7之一所述的天线耦合元件，其特征在于所述的HF检测装置被构造用来尤其在所述的定向耦合器区域内检测前向和/或返回的波。
10.如权利要求5～9之一所述的天线耦合元件，其特征在于所述的功能区至少有一些借助LTCC工艺被直接地构造在多层陶瓷基片之内。
11.如权利要求10所述的天线耦合元件，其特征在于没有直接实施在所述多层陶瓷基片之内的功能区被直接安装、尤其是被焊接在与此有关的、被用作印刷电路板的多层陶瓷基片上。
12.如权利要求10或11所述的天线耦合元件，其特征在于所述的多层陶瓷基片具有一些屏蔽壁，用于对敏感的功能区进行EMI屏蔽。
全文摘要
尤其适用于移动无线电系统的多频带终端设备的集成天线耦合元件(1),它具有工作电压端(7)、一个天线输入/输出端(5)、一个发射信号输入端(9,11)、一个接收信号输出端(13,15)、一个“发射/接收”控制信号输入端(17)、一个额定发射功率输入端(21)、以及一个发射末级控制电压输出端(25,27)。
文档编号H04B1/48GK1339199SQ00803391
公开日2002年3月6日 申请日期2000年2月1日 优先权日1999年2月3日
发明者R·埃克尔特, H·福伊恩夫格尔德, T·莫利雷 申请人:西门子公司