专利名称：天线端滤波器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在使用频分双工的无线电设备中对发射信号进行滤波的装置。该装置尤其适合用于移动通信网络的基站。
在双向无线电系统中，其中一个信号在接收另一个信号的同时被发射，发射和接收信号使用频分或时分来分离。在前一情况下，在设备的天线端需要一个双工滤波器，通过将发射信号只导向在发射和接收之间共用的天线并且通过将来自于该天线的信号只导向接收机，所述的双工滤波器主要用于防止发射信号阻塞接收机。
蜂窝网络的容量越高，其中可使用相同载频的小区相互之间就越靠近。如果在网络的基站中使用向不同扇区辐射的多个天线而不是全向天线，则使用相同载频的彼此相距一定距离的基站相互较少干扰小区中的无线电通信。这意味着可以降低频率的再用距离，并且从而增加网络的容量。
另一方面，几个天线的使用增加了基站中的设备数目。这在
图1中被说明，该图作为框图给出了在基站天线端的一种现有技术装置的示例。存在三个天线，每个天线都向一个名义上120度的扇区进行辐射。对于每个天线来说都存在一个单独的滤波器装置，这些滤波器装置彼此相同。例如，对于第一天线ANT1，存在一个具有发射侧TFX1和接收侧RFX1的双工滤波器。前者的输出端和后者的输入端被耦合到天线。双工滤波器的接收侧RFX1是带通型的，并且它使在无线电系统的接收频带外的频率分量衰减。在滤波器RXF1之后存在一个低通滤波器LPR，其任务是使在接收频带之上的范围中的频率分量更多地衰减。该图还示出一个低噪声放大器LNA，已滤波的接收信号R1被送至该低噪声放大器LNA，并且其输出信号继续朝向接收机的混合器。双工滤波器的发射侧TFX1也是带通型的，并且它使无线电系统的发射频带外的频率分量衰减。在发射路径上，在滤波器TXF1之前存在一个低通滤波器LPT，其任务例如是更多地清除在发射频带之上的范围中在功率放大器中出现的杂散发射。双工滤波器的发射侧TXF1和低通滤波器LPT形成整个特定天线的发射滤波器。在发射侧的低通滤波器LPT之前存在一个定向耦合器DCO，由该定向耦合器来测量通过它向该天线传播的场强。所获得的测量信号Tm1被用来控制第一天线ANT1的发射功率。
天线端的滤波器优选是同轴谐振器滤波器，因为它们的损耗相对较低。少量的损耗对于发射侧尤其重要，因为在功率放大器和天线之间各种各样的衰减导致功率放大器的电流消耗的增加，并且容易导致在电路板上加热的问题。
天线端的发射支路不能被直接并联连接，因为那样的话就难以匹配发射机。因为这一点，来自于发射机的功率放大器的待发射信号或者说发射信号Tk在分配器(divider)150中被分成具有相同电平的三个部分T1、T2和T3。分配器是威尔金森(Wilkinson)型的，例如，在该情况下输出支路之间的良好隔离被实现。另外，假如继续向前的发射路径的阻抗是正确的，那么它在理论上是无损耗的。第一部分发射信号T1通过中间电缆105被送到定向耦合器，并且通过它被送到第一发射滤波器。同样地，第二部分发射信号T2被送到第二发射滤波器，并且第三部分发射信号T3被送到第三发射滤波器。
根据图1的装置的缺点是它所需的空间相对较大，这个缺点在对越来越小的基站机柜的需要增加时被加重。空间要求是由这一事实所引起的，即尤其是带通滤波器的尺寸相对较大，并且在图1的示例中有三个带通滤波器。首先，单个滤波器的尺寸是由于为了实现指定的停止(stop)衰减，滤波器必须是相对高阶的，这意味着对应数量的谐振器。其次，滤波器的尺寸是由于单个谐振器必须相对较大并且较重，以便使损耗足够低。具有足够的停止衰减的滤波器被做得相对较小，可是它的损耗会太高。滤波器的损耗呈现为在其通带上的衰减或传递衰减，并且如上所述，它们造成电流消耗的增加以及功率放大器的加热。如果在从功率放大器到天线的发射路径上存在中间电缆，比如图1中的电缆105，则该电缆及其两端的连接器造成显著的附加损耗。由于这一点，一个较小的损耗量在该发射路径的其它部分中被允许，并且这再次造成滤波器的尺寸仍然较大。另外，根据图1的装置具有相对较高的制造成本的缺点。
本发明的目的是减少现有技术的上述缺点。根据本发明的装置的特征在于在独立权利要求1中所陈述的内容。本发明的一些优选实施例在其它权利要求中被陈述。
本发明的基本思想如下所述在无线电发射机中，其中发射信号被分配给向不同扇区辐射的多个天线，发射所需的滤波主要在发射信号被划分之前被执行。滤波的剩余部分在双工滤波器的减少的发射侧中分别在每个部分发射信号上被执行。优选地，滤波器和分配器形成一个集成的滤波器单元，其中它们通过简单的耦合元件相互连接。
本发明的优点在于向多个扇区辐射的无线电设备的天线端的滤波器所需的空间显著地小于对应的已知设备。这是由于占用大多数空间的发射机的滤波器系统在极大程度上在部分发射信号之间被共用，而不是每个部分发射信号都具有它自己的滤波器。另外，本发明具有这样的优点，即它简化了天线端的结构，由此降低了生产时的原料成本和组装成本。
在下文中将更详细地描述本发明。附图将被参考，其中图1作为框图示出在基站天线端处一个已知滤波器装置的示例，图2作为框图示出在基站的天线端处的根据本发明的滤波器装置，图3关于发射机示出一个根据图2的滤波器装置的实际实施的示例，图4示出在根据本发明的装置中的带通滤波器的传输系数的示例，以及图5示出根据本发明的装置中的总传输系数的示例。
图1已经结合现有技术的描述而被解释。
图2是在基站的天线端处根据本发明的滤波器装置的框图。滤波器装置是用于三个扇区的天线ANT1、ANT2、ANT3，并且每个天线都被耦合到它自己的双工滤波器，就象图1中一样。对于接收机，装置类似于图1中的装置。所以，例如从第一天线ANT1通过带通型接收滤波器RXF1和它后面的低通滤波器LPR到低噪声放大器LNA来形成传输路径。
因此，本发明涉及用于发射机的一部分的滤波器装置。与图1相比，待发射信号或者说发射信号的部分滤波已经从特定天线的滤波器单元被转移到一个共用发射滤波器240。这包括串联连接的带通部分241和低通部分242。例如，带通部分使无线电系统的发射频带外的频率分量强烈地衰减，而低通部分清除在发射频带之上的区域中在功率放大器中出现的杂散发射。来自于功率放大器PA的发射信号Tk通过一个起测量元件作用的定向耦合器DCO被引导至共用发射滤波器240。它的输出端被连接到分配器250的输入端。分配器输出具有三个相同电平的部分发射信号。第一部分发射信号T1被送到第一双工滤波器的发射侧，或者说通过中间电缆205被送到第一单独的发射滤波器TXF1。尤其对于在接收频带上衰减的频率分量来说，“后燃”滤波器TXF1增加了部分发射信号T1的滤波。它是带通型的，并且它当然具有与发射滤波器的带通部分241相同的通带。相应地，第二部分发射信号T2被送到第二单独的发射滤波器TXF2，以及第三部分发射信号T3被送到第三单独的发射滤波器TXF3。共用发射滤波器240、分配器250和三个单独的发射滤波器TXF1、TXF2和TXF3一起形成发射机的天线滤波器单元200。
图3示出上述的天线滤波器单元200的实际实施的示例。作为一个机械结构，滤波器单元200是一个金属外壳，其外壁是底部、侧壁和盖子。该外壳的内部空间已经被导电的隔壁划分成谐振腔(cavity)。在图3中，这个结构在盖子被移除的情况下从上面被示出。总共有16个谐振腔。这些谐振腔中的5个打算用于实施共用发射滤波器的带通部分241。在这5个谐振腔的每一个中都存在一个内导体，所述内导体以这样的形式被电(galvanically)连接到该外壳的底部，即它与周围的导体壁一起形成一个具有某一固有频率的四分之一波长谐振器。这5个谐振器即图3中的R1-R5被串联电连接，从而它们形成带通滤波器241。发射信号通过连接器284从发射机的功率放大器PA被送到第一谐振器R1，并且部分滤波的发射信号从第五谐振器R5被送向低通滤波器242。
低通滤波器在第五谐振器R5的谐振腔旁边的谐振腔中被实施。在这个例子中，低通滤波器由谐振腔中的导体片LPP和封闭该谐振腔的导体壁形成。低通效果通过这一事实来产生，即片LPP又具有带有显著电感的部分以及带有封闭该谐振腔的导体壁的显著电容的其它部分。
分配器250在低通滤波器的谐振腔旁边的谐振腔中被实施。分配器包括一根输入线和三根划分线，在每根线中，一个导体是一个相对刚性的条状导体，以及另一导体通过封闭该谐振腔的导体壁形成。条状导体由在外壳底部上面的绝缘片来支撑。低通滤波器242的输出端被连接到分配器的输入线，其被分支成四分之一波长长度的划分线。条状导体的尾端通过具有与滤波器中的传输路径阻抗相同的电阻的电阻器以及分配器的输入线被连接到一个公共节点。
滤波器单元的16个谐振腔的剩余9个被用来建立三个单独的即特定天线的发射滤波器。因此对于每个单独的发射滤波器来说都存在3个谐振腔，这使得它们在该结构被内导体以及谐振腔之间的耦合补充时成为3个谐振器滤波器。第一单独的发射滤波器TXF1由谐振器R11、R12和R13形成。分配器250的第一输出端被耦合到谐振器R11，而第一部分发射信号通过连接器281从谐振器R13中被取出。通过它，该部分发射信号被馈送到第一天线ANT1。相应地，第二单独的发射滤波器TXF2由谐振器R21、R22和R23形成。分配器250的第二输出端被耦合到谐振器R21，以及第二部分发射信号通过连接器282从谐振器R23中被取出，并且被馈送到第二天线ANT2。第三单独的发射滤波器TXF3由谐振器R31、R32和R33形成。分配器250的第三输出端被耦合到谐振器R31，以及第三部分发射信号通过连接器283从谐振器R33中被取出，并且被馈送到第三天线ANT3。
信号的传播方向由图3中的灰色箭头示出。滤波器单元各部分之间的耦合的实施没有被示出。例如，在每个滤波器中，相邻的谐振器之间的耦合借助于在隔壁中所做的孔被建立。例如通过把分配器的划分线的条状导体或者说划分导体延伸到滤波器的第一谐振器的谐振腔，分配器的每个输出端都被耦合到一个单独的发射滤波器。条的弯曲端可以起一个耦合元件的作用，或者它可以被连接到一个耦合元件，该耦合元件位于谐振器的内导体旁边并且被连接到外壳的底部。
图4给出带通滤波器的传输系数S21的一个示例，换言之，即它们在根据本发明的装置中的衰减。所述的基站被设计成在WCDMA(宽带码分多址)中运行，其中接收频带RX是1.92-1.98GHz，以及发射频带TX是2.11-2.17GHz。曲线41示出作为频率的函数的共用发射滤波器的带通部分241的传输系数。在共用滤波器241中，在通带两侧都存在衰减峰值，这是由于谐振器上的耦合产生的。由于此，该衰减在通带外经过0.01GHz时已经至少是14dB。曲线42示出作为频率的函数的单独的发射滤波器TXFn(n＝1、2、3)的传输系数。在TXF滤波器中，在接收频带RX上的1.97GHz处由一个过耦合产生了一个衰减峰值。TXF滤波器在通带旁的过渡频带当然比高阶的共用滤波器241的宽。TXF滤波器中的传递衰减大约是0.1dB，而在滤波器241中大约是0.2dB。
图5示出在根据本发明的装置中从共用带通滤波器241的输入端到单独的发射滤波器TXF(n)的输出端的总传输系数的一个示例。在这些滤波器之间存在分配器250，其在三个输出端的情况下在发射信号的电平中引起一个4.8dB的降低。曲线51指示5.3dB的传递衰减，并且因此只存在大约0.5dB的实际损耗。这包括了对应于带通滤波器的传递衰减的损耗以及分配器和低通滤波器的损耗。相对较小的损耗量是由于滤波器的谐振器的高Q值，并且还由于不存在恰当的中间电缆的事实，而在这样的情况下在滤波器单元内部也不存在具有它们的连接的连接器。从曲线51也可以看出，紧接在通带旁的总衰减大约是20dB，而在接收频带RX上超过90dB。
在根据从其中已经测量了图4和图5的曲线的图3的结构中，共用带通滤波器241具有5个谐振器，并且每个谐振器谐振腔的横截面积是5.0·5.9≈30cm2。三个TXF滤波器具有三个谐振器，并且它们中每个谐振腔的横截面积是2.8·3.2≈9.0cm2。总面积变为5·30+3·3·9≈230cm2。为了通过图1中所示的已知结构来实现根据图5的结果，它的TXF滤波器必须具有7个谐振器，并且每个谐振器谐振腔的横截面积必须大约是18cm2。然后，总面积变为3·7·18＝378cm2。关于谐振器，当滤波器如在两种情况中都为高时，通过根据本发明的装置实现了(378-230)/378≈39％的空间节省。如果分配器根据当前实践通过同轴电缆被连接到发射滤波器，则这个优点被加强。也就是，在那种情况下发射滤波器必须被做成使得它们具有甚至更低的损耗，即用于补偿由电缆线路所造成的损耗的尺寸更大。另一方面，根据本发明的结构不一定完全象图3中那样被集成。在分配器的输入端和/或输出端上可能存在某一种类的低损耗传输线路。
除了节省空间之外，数量较少的滤波器和谐振器当然意味着节省生产成本。
在根据本发明的用于发射信号的滤波器装置中，只需要一个低通滤波器而不是图1中所示的3个低通滤波器，这对于其而言意味着结构的简化和空间的节省。如果来自滤波器单元的外壳中的一个谐振腔专供根据图3的示例的低通滤波器所用，那么所需的谐振腔的数量当然从3个被减少到1个。
根据本发明的滤波器装置及其定尺寸的示例已经在上面被描述。诸如谐振器的数量之类的细节当然可能存在变化。制造滤波器装置的天线的数量也可以变化。低通滤波器以及属于天线端的分配器可以以不同的方式来实施例如，不同于图3的示例的一个解决方案可以在电路板上使用微带结构。本发明的思想可以在由独立权利要求1所设定的范围内以不同的方式来应用。
权利要求
1.一种在使用频分双工的无线电设备的天线端处的滤波器装置，该天线端具有分配器(250)，用于把来自功率放大器的无线电发射信号(Tk)划分给在不同扇区辐射的天线(ANT1，ANT2，ANT3)，该装置包括用于每个天线的单独的发射滤波器(TXF1；TXF2；TXF3)，该滤波器的输出端被耦合到所述的天线，并且分配器的一个输出端被耦合到发射滤波器的输入端，其特征在于它包括用于天线的共用发射滤波器(240)，并且共用发射滤波器的输出端被耦合到分配器(250)的输入端，以用于简化单独的发射滤波器以及用于减小由无线电设备的天线端所需的空间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，共用发射滤波器(240)包括串联连接的带通部分(241)和低通部分(242)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，共用发射滤波器的带通部分(241)和单独的发射滤波器(TXF1，TXF2，TXF3)包括共轴谐振器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，包括共用发射滤波器(240)、分配器(250)和单独的发射滤波器(TXF1，TXF2，TXF3)的滤波器单元形成了一个整体的导电外壳，该外壳的内部空间被导电隔壁划分成多个谐振腔，所述共轴谐振器中的每一个包括在单个谐振腔中的内导体以及封闭该谐振腔的导体壁。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，共用发射滤波器的低通部分(242)位于一个谐振腔中。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，分配器(250)位于一个谐振腔中。
7.根据权利要求6所述的装置，其中分配器(250)是包括一个输入线和多个划分线的威尔金森分配器，其特征在于，每个划分线的划分导体是条状导体，并且它延伸到一个单独的发射滤波器的第一谐振器(R11；R21；R31)的谐振腔以把分配器耦合到所述的滤波器。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，分配器通过同轴电缆被连接到单独的发射滤波器。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在每个单独的发射滤波器中谐振器的数量不多于4个。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在每个单独的发射滤波器(TXF1；TXF2；TXF3)中谐振器的数量是3，并且在共用发射滤波器的带通部分(241)中谐振器的数量是5。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，天线和单独的发射滤波器的数量是3。
全文摘要
一种在使用频分双工的无线电设备中用于对发射信号进行滤波的装置。在一个无线电发射机中，其中发射信号被划分给向不同扇区辐射的多个天线(ANT1，ANT2，ANT3)，发射时所需的滤波在划分发射信号之前主要由共用发射滤波器来执行。滤波的剩余部分在双工滤波器的减少的发射侧(TXF1；TXF2；TXF3)中在每个部分发射信号(T
文档编号H04B7/02GK101076948SQ200580041668
公开日2007年11月21日 申请日期2005年11月7日 优先权日2004年12月2日
发明者E·尼拉男, J·阿拉-科乔拉 申请人:电力波科姆特克公司