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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Dieser Teil von IEC 62604 gilt für Duplexer, die ein Empfangssignal vom Sendesignal trennen können und Schlüsselkomponenten für die Funkkommunikation im Gegenbetrieb sind. Sie kommen im Allgemeinen in Mobiltelefonen zum Einsatz, die CDMA-Systeme, wie N-CDMA, W-CDMA/Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), nutzen. Duplexer sind bei Mobiltelefonen für das gleichzeitige Senden und Empfangen von Signalen erforderlich. Das sind Dreitor-Bauelemente, die aus dem Antennenanschluss, dem Sendeanschluss (TX-Anschluss) und dem Empfangsanschluss (RX-Anschluss) bestehen. Sie haben drei Grundfunktionen. Die erste Funktion ist die Übertragung des Sendesignals vom TX-Anschluss zum Antennenanschluss. Die zweite Funktion ist die Übertragung des Empfangssignals vom Antennenanschluss zum RX-Anschluss. Die dritte Funktion verhindert, dass das Sendesignal (TX-Signal) vom TX-Anschluss an den RX-Anschluss abgeleitet wird. Die Sendefrequenz und die Empfangsfrequenz werden entsprechend jedem Mobiltelefonsystem bestimmt. Bisher wurden überwiegend dielektrische Duplexer verwendet. Seit einiger Zeit aber finden immer häufiger OFW-Duplexer Anwendung, in denen Oberflächenwellen genutzt werden, und sie ersetzen von Jahr zu Jahr in zunehmendem Maße die dielektrischen Duplexer in neueren Mobiltelefonen, weil sie die Vorteile einer kleinen Baugröße, eines geringen Gewichts und guter elektrischer Leistungsparameter bieten. Neben den OFW-Duplexern rücken auch BAW-Duplexer, in denen Volumenwellen genutzt werden, in den Mittelpunkt des Interesses, weil sie besonders im PCS-Band eine höhere Gütezahl Q und bessere Leistungsparameter aufweisen. In diesem Leitfaden wird weder das Ziel verfolgt, die Theorie zu erläutern, noch der Versuch unternommen, alle Möglichkeiten zu behandeln, die sich in praktischen Fällen ergeben können. Dieser Leitfaden soll vielmehr die Aufmerksamkeit auf einige grundlegende Fragen lenken, die der Anwender berücksichtigen sollte, bevor er OFW- und BAW-Duplexer für eine neue Anwendung bestellt. Diese Vorgehensweise soll den Anwender vor einem unbefriedigenden Ergebnis bewahren. Da OFW- und BAW-Duplexer hinsichtlich ihrer Anwendung sehr ähnliche Leistungsparameter aufweisen, ist es für Anwender hilfreich und zweckdienlich, dass beide Duplexerarten in einer Norm behandelt werden. Normspezifikationen, wie IEC-Spezifikationen, zu denen dieser Leitfaden zählt, sowie nationale Spezifikationen oder von Herstellern herausgegebene Bauartspezifikationen geben die verfügbaren Kombinationen von Mittenfrequenz, Durchlassbandbreite und Einfügungsdämpfung für jedes der Sende- und Empfangsfilter sowie den Trennpegel zwischen den Sende- und Empfangsanschlüssen und so weiter an. Diese Angaben wurden zusammengestellt und umfassen einen weiten Bereich von OFW- und BAW-Duplexern mit genormten Eigenschaften. Es kann nicht genügend betont werden, dass der Anwender, sofern möglich, Duplexer mit genormten Eigenschaften auswählen sollte, auch wenn die Verwendung von Standardduplexern geringfügige Änderungen seiner Schaltung nach sich ziehen kann. Dies gilt besonders für die Auswahl der Nennfrequenz. Der Anwender ist in erster Linie daran interessiert, dass die Eigenschaften eines Duplexers bestimmten Festlegungen genügen. Die Auswahl der Vorkreise in Mobiltelefonen und der OFW- und BAW-Duplexer, die diese Festlegungen erfüllen, sollte zwischen dem Anwender und dem Hersteller vereinbart werden. Die Kennwerte der Duplexer werden üblicherweise in Bezug auf Mittenfrequenz, Durchlassbandbreite und Einfügungsdämpfung für jeden Sende- und Empfangsfilterteil im Duplexer sowie hinsichtlich des Trennpegels zwischen den Sende- und Empfangsanschlüssen beschrieben. Weil die OFW- und BAW-Duplexer im HF-Vorkreis von Mobiltelefonen eingesetzt werden, sind eine niedrige Einfügungsdämpfung, ein hoher Trenn-/Sperrpegel, eine hohe Leistungsfestigkeit sowie kleine/dünne Gehäuseabmessungen unbedingt erforderlich. Erläutert werden zudem UMTS-Duplexer, US-CDMA-Duplexer und PCS-CDMA-Duplexer. Der Duplexer für das UMTS-System wird beispielhaft dargestellt als OFW-Duplexer für das UMTS-Band I. Die Bestimmungen hinsichtlich der Frequenzen in Band I sind vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) vorgegeben. Die Durchlassbereiche für Sender und Empfänger in den Handgeräten sind 1 920 MHz bis 1 980 MHz beziehungsweise 2 110 MHz bis 2 170 MHz. Die Größe dieser Duplexer beträgt üblicherweise 4,9 mm × 4,9 mm × 1,7 mm. Als Substrat wird ein 41° gedrehter Y-Schnitt der X-Keimplatte eines LiNbO₃-Kristalls verwendet. Dieses Filter ist als Kettenfilter aufgebaut und für die hohe Leistungsfestigkeit besteht der Elektrodenwerkstoff aus einer Al-Ti-Legierung. Dargestellt werden die frequenzabhängigen Eigenschaften dieses OFW-Duplexers für UMTS. Die typische Einfügungsdämpfung vom TX-Anschluss zum Antennenanschluss und die vom Antennenanschluss zum RX-Anschluss beträgt 1,4 dB beziehungsweise 2,3 dB. Die Werte für die Trennung zwischen dem Sender- und Empfängeranschluss betragen üblicherweise 48 dB für das TX-Band und 40 dB für das RX-Band. Beispielhaft werden die frequenzabhängigen Eigenschaften eines US-CDMA-Duplexers erläutert. Diese Art des Duplexers ist auch für das UMTS-Band V anwendbar. Der TX-Durchlassbereich reicht von 824 MHz bis 849 MHz und der RX-Durchlassbereich von 869 MHz bis 894 MHz. Die Maße dieses Duplexers betragen üblicherweise 3,8 mm × 3,8 mm × 1,6 mm. Als Substrat wird ein gedrehter Y-Schnitt der X-Keimplatte eines LiTaO₃-Kristalls verwendet, dessen Drehwinkel auf etwa 36° optimiert ist. Für die TX- und RX-Teile kommen Ketten-OFW-Filter zum Einsatz. Ein typischer Wert für die Einfügungsdämpfung vom TX-Anschluss zum Antennenanschluss ist 1,8 dB. Vom Antennenanschluss zum RX-Anschluss beträgt die typische Einfügungsdämpfung 2,5 dB. Die Trennung zwischen TX-Anschluss und RX-Anschluss hat typische Werte von 60 dB für das TX-Band und 47 dB für das RX-Band. Bei den PCS-CDMA-Duplexer ist das Schutzband oder der Bandabstand für die Sende- und Empfangsfrequenz für das UMTS-Band II oder das PCS-Band relativ schmal, sodass hohe Q-Kennwerte und steilflankige Filter im Übergangsbereich erforderlich werden. Aus dieser Anforderung ergibt sich, dass für die PCS-CDMA-Duplexer überwiegend BAW-Duplexer eingesetzt werden, die aus Dünnschicht-Volumenwellen-Resonatoren (FBAR) oder fest montierten Resonatoren (SMR) aufgebaut sind. Dargestellt werden als Beispiel die frequenzabhängigen Eigenschaften eines PCS-CDMA-Duplexers mit FBAR. Der TX-Durchlassbereich reicht von 1 850 MHz bis 1 910 MHz, der RX-Durchlassbereich von 1 930 MHz bis 1 990 MHz. Dieser Duplexer kann eine maximale Einfügungsdämpfung von 3,5 dB für den TX-Teil und 4,0 dB für den RX-Teil bei einem exzellenten Filterübergangsverhalten zwischen den TX- und RX-Bändern bieten. Ebenso liegen die Maximalwerte der Trennung zwischen Sende- und Empfangsanschluss bei 54 dB für das TX-Band und 43 dB für das RX-Band. Zuständig ist das K 642 "Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE.

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Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 642 - Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion