多工器及其设计方法、通信设备与流程

1.本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种多工器及其设计方法、通讯设备。


背景技术：

2.目前室内分布系统中通常采用的多工器主要为介质多工器，介质多工器虽然承受功率能力强，但其尺寸较大且一致性较差。若强行缩小介质多工器的尺寸，则容易引起隔离度恶化。另外，目前多工器的匹配方式较多，但是无法将频率相隔较远的多个滤波器同时匹配到较好状态。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出一种能够有利于尺寸小型化、多工器各频段之间的隔离度良好的多工器及其设计方法、通信设备。
4.本发明第一方面提出一种多工器，包括：第一滤波器，所述第一滤波器的第一端与天线端直接相连，第二端连接该滤波通道的输入/输出端；至少一个滤波器模组，每个所述滤波器模组中具有公共节点，所述滤波器模组包括：并联的n个滤波器，n等于2或者3，其中各滤波器的第一端经由匹配电路连接到该滤波器对应的滤波通道输入/输出端；n个串联匹配电感，所述n个串联匹配电感与所述n个滤波器一一对应，所述串联匹配电感连接在对应的滤波器的第二端和所述公共节点之间；一个并联对地电感，所述并联对地电感的第一端连接所述公共节点，第二端接地；一个衔接电感，所述衔接电感的第一端连接所述公共节点，第二端连接所述多工器的天线端，或者该第二端连接与本滤波器模组相邻且更靠近所述天线端的滤波器模组中的所述公共节点。
5.可选地，所述多工器中滤波器总数量为m，所述多工器的版图布局满足以下条件：所述多工器对应的版图包含m个区块，所述m个区块中分别包括一个滤波器，所有的所述并联对地电感以及所述衔接电感均设置在载板外；或者，所述多工器对应的版图包含m 1个区块，其中m个所述区块中分别包括一个滤波器，其余1个所述区块中至少包括一个所述并联对地电感或者所述衔接电感。
6.可选地，各个所述滤波器中的后级对地电感分散在所述滤波器模组的版图外框边沿位置上。
7.可选地，所述串联匹配电感位于所述并联对地电感或所述衔接电感所在的区块的近邻位置。
8.可选地，所述串联匹配电感为滤波器与载板之间的键合线，或者为该键合线与载板上的绕线组成的连接体。
9.可选地，所述滤波器的封装方式为：所述滤波器通过金属键合线与载板相连；或者，所述滤波器通过植球与载板相连。
10.本发明第二方面提出一种多工器的设计方法，包括：将所述多工器划分为第一滤波器和至少一个滤波器模组，每个所述滤波器模组包括n个并联的滤波器，n等于2或者3；将
所述第一滤波器的第一端与天线端直接相连，第二端连接该滤波通道的输入/输出端；在每个所述滤波器模组中，执行以下操作：在该滤波器模组内部设置一个公共节点；将各个所述滤波器的第一端经由匹配电路连接到该滤波器对应的滤波通道输入/输出端；设置n个串联匹配电感，所述n个串联匹配电感与所述n个滤波器一一对应，所述串联匹配电感连接在对应的滤波器的第二端和所述公共节点之间；设置一个并联对地电感，所述并联对地电感的第一端连接所述公共节点，第二端接地；设置一个衔接电感，所述衔接电感的第一端连接所述公共节点，第二端连接所述多工器的天线端，或者该第二端连接与本滤波器模组相邻且更靠近所述天线端的滤波器模组中的所述公共节点。
11.可选地，所述多工器中滤波器总数量为m，该方法还包括对每个滤波器模组进行版图布局操作，所述版图布局操作包括：将所述多工器对应的版图划分为m个区块，在所述m个区块中分别设置一个滤波器，将所有的所述并联对地电感以及所述衔接电感设置在载板外；或者，将所述多工器对应的版图划分为m 1个区块，在其中m个所述区块中分别设置一个滤波器，在其余1个所述区块中设置至少一个所述并联对地电感或者所述衔接电感。
12.可选地，所述版图布局操作还包括：将各个所述滤波器中的后级对地电感分散地设置在所述滤波器模组的版图外框边沿位置上。
13.可选地，所述版图布局操作还包括：将所述串联匹配电感设置在所述并联对地电感或所述衔接电感所在的区块的近邻位置。
14.可选地，所述串联匹配电感通过焊线连接到载板方式实现，或者，通过焊线连接到载板以及在载板上绕线方式实现。
15.可选地，还包括：通过以下方式封装所述滤波器：将所述滤波器通过金属键合线与载板相连；或者，将所述滤波器通过植球与载板相连。
16.本发明第三方面提出一种通信设备，其特征在于，包括本发明公开的任一项多工器。
17.本发明的技术方案，为多工器提供一种新的电感匹配方式，可以将频率相隔较远的多个滤波器同时匹配到较好状态。同时，通过对匹配模块和各滤波通道合理布局，减小匹配模块与各滤波器后级接地电感之间的耦合，从而改善多工器各频段之间的隔离度，有利于器件小型化。
附图说明
18.为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
19.图1是根据现有技术的多工器的拓扑结构示意图；
20.图2是本发明实施方式的多工器的拓扑结构示意图；
21.图3a至图3d为本发明实施方式的多工器l1、l2、l3共同作用下的ch1、ch2的史密斯圆图；
22.图4a至图4f为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的史密斯圆对比图；
23.图5a至图5c为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的ch1通道性能对比图；
24.图6a至图6c为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的ch2通道性能对比
图；
25.图7a至图7c为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的ch3通道性能对比图；
26.图8a至图8c为本发明实施方式的多工器中的不利耦合的示意图；
27.图9a至图9c为本发明实施方式的多工器中的版图布局原则的示意图；
28.图10a至图10b为本发明实施方式的多工器的载板布局的示意图；
29.图11a至图11f本发明实施方式的多工器消除不利耦合后的隔离度曲线与现有技术多工器的隔离度曲线的对比图；
30.图12为本发明另一实施方式的多工器的拓扑结构示意图。
具体实施方式
31.本发明实施方式中，采用等效的方式消除滤波器中的无源器件，或者消除耦合产生的互感以及寄生电容，以下具体加以说明。
32.根据本发明实施方式的多工器，包括：第一滤波器和至少一个滤波器模组。第一滤波器的第一端与天线端直接相连，第二端连接该滤波通道的输入/输出端。每个滤波器模组中具有公共节点，滤波器模组包括：并联的n个滤波器，n等于2或者3，其中各滤波器的第一端经由匹配电路连接到该滤波器对应的滤波通道输入/输出端；n个串联匹配电感，n个串联匹配电感与n个滤波器一一对应，串联匹配电感连接在对应的滤波器的第二端和公共节点之间；一个并联对地电感，并联对地电感的第一端连接公共节点，第二端接地；一个衔接电感，衔接电感的第一端连接公共节点，第二端连接多工器的天线端，或者该第二端连接与本滤波器模组相邻且更靠近天线端的滤波器模组中的公共节点。
33.根据本发明实施方式的多工器，多工器中滤波器总数量为m，多工器的版图布局满足以下条件：(1)多工器对应的版图包含m个区块，m个区块中分别包括一个滤波器，所有的并联对地电感以及衔接电感设置在载板外；或者，(2)多工器对应的版图包含m 1个区块，其中m个区块中分别包括一个滤波器，1个区块中至少包括一个并联对地电感或者衔接电感。需要说明的是，将整个版图区域划分为多个区块的方式可以灵活多样，其中各个区块面积基本相等。
34.现有技术1中多工器的电路拓扑如图1所示，主要包括各滤波通道100以及匹配模块200，匹配模块200包含：并联对地电感130和串联电感132，滤波通道100包含滤波器104，106，108等多个滤波通道以及匹配电路如114，116，118等，该匹配电路可以由电感、电容、电阻组成，连接方式可以是串联或并联。120是天线端，124，126，128是各滤波通道的输入或输出接口。三个滤波器104，106，108的频率分别设置为1168mhz至1292mhz、1513mhz至1617mhz、2506mhz至2534mhz，则滤波器104与108频率相隔较远，现有技术很难将二者匹配到较好状态。
35.本发明实施方式的多工器如图2所示，其中，ch1滤波器的频率为1168mhz至1292mhz，ch2频率为1513mhz至1617mhz，ch3mhz频率为2506至2534mhz。每个滤波器至少包含两个以上的对地电感，其中g11，g21，g31是滤波器的前级对地电感，g12，g22，g32滤波器的后级对地电感。15，25，35是匹配网络，该匹配网络可以由电感、电容、电阻组成，连接方式可以是串联或并联。1，2，3是各滤波器对应的滤波通道的输入或输出端。图2中可以看出，该
多工器包含一个直接连接天线端的ch3滤波通道和一个包含两个并联滤波器(即ch1和ch2)的滤器波模组。该滤波模组内部具有公共节点n1。该滤波模组内具有l1和l2两个串联匹配电感，分别与ch1和ch2串联连接。l3为并联对地电感，连接在n1与地之间。l1，l2，l3这三个电感将ch1和ch2匹配到相同的位置。
36.参考图3a至图3d，其中图3a是ch1的天线端的收敛性，图3b是ch1的输入或输出端的收敛性，图3c是ch2的天线端的收敛性，图3d是ch2的输入或输出端的收敛性。从图3a至图3d来看，l1、l2、l3这三个电感的作用是将天线端的s参数同时拉到smith-chart的容性区域，另外一端的s参数拉到smith-chart的中心位置。
37.图4a至图4f为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的史密斯圆对比图。具体地，图4a和图4b表明了ch1的收敛性，图4c和图4d表明了ch2的收敛性，图4e和图4f表明了ch3的收敛性。这六幅图中，粗线为在整个匹配模块300作用下的本发明实施方式的多工器的史密斯圆图，细线为现有技术对比例的史密斯圆图。本行业技术人员已知圆圈越靠近史密斯圆图的中心，圆圈越小，则收敛性更好。从粗线与细线的对比可知，本发明实施方式的多工器的收敛性更好。
38.图5a至图5c为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的ch1通带性能对比图。具体地，图5a表示ch1通道的s11参数对比，图5b表示ch1通带的s22参数对比，图5c表示ch1通道的s21参数对比。这三幅图中，粗线为本发明实施方式的多工器，细线为现有技术的多工器。图5a为天线端的回波损耗，在1270mhz-1292mhz通带范围内二者基本一致，但在1168mhz-1270mhz通带范围内，本发明的回波损耗比现有技术好约4db。图5b是ch1另一端的回波损耗，本发明比现有发明好约1db。图5c是ch1的插入损耗图，本发明的插入损耗比现有技术平均好约0.2db，尤其在左侧插损边缘好约0.5db。
39.图6a至图6c为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的ch2通道性能对比图。具体地，图6a表示ch2通道的s11参数对比，图6b表示ch2通道的s22参数对比，图6c表示ch2通道的s21参数对比。这三幅图中，粗线为本发明实施方式的多工器，细线为现有技术的多工器。图6a为天线端的回波损耗，在整个通带范围内本发明的回波损耗比现有技术好约7db。图6b是ch2另一端的回波损耗，本发明比现有技术好约3db。图6c是ch2的插入损耗图，本发明的插入损耗左低频处比现有技术略差一下，但也满足插损的指标要求，中高频处的插入损耗基本一致。
40.图7a至图7c为本发明实施方式的多工器与现有技术多工器的ch3通道性能对比图。具体地，图7a表示ch3通道的s11参数对比，图7b表示ch3通道的s22参数对比，图7c表示ch3通道的s21参数对比。这三幅图中，粗线为本发明实施方式的多工器，细线为现有技术的多工器。图7a为天线端的回波损耗，在整个通带范围内本发明的回波损耗比现有技术好约6db。图7b是ch3另一端的回波损耗，本发明比现有发明好约10db。图7c是ch3的插入损耗图，本发明的插入损耗在整个频段处好约0.5db,且在其它指标都不恶化的前提下带宽可以展宽约30mhz，对左右两侧的插损有极大的改善，改善约1db。本行业技术人员已知插损越好，承受功率的能力越强，本发明比现有技术的承受功率能力更强。
41.由于整个多工器的尺寸较小，内部会产生很多耦合，其中最影响隔离的不利耦合如图8a至图8c所示。匹配模块中的电感l3、l4与各滤波器的后级接地电感g12、g22、g32之间的耦合较为敏感。其中l3与g12之间的耦合为m11，其中l4与g12之间的耦合为m12；其中l3与
g22之间的耦合为m21，其中l4与g22之间的耦合为m22；其中l3与g32之间的耦合为m31，其中l4与g32之间的耦合为m32。
42.图9a至图9c为本发明实施方式的多工器中的版图布局原则的示意图。可以通过合理布局可以尽可能地消除不利耦合。
43.首先，安排匹配模块各个滤波器通道的布局。可以例如图9a所示，该多工器总共包括三个滤波器，可以将版图区域(即载板的外部包络矩形)四等分成呈2
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2分布的四个区块，将匹配模块中的l3、l4设置在其中一个区块(例如左上角区块)，其余滤波器则设置于其它三个区块。
44.其次，将各个滤波器中的后级对地电感分散在滤波器模组的版图的外框边沿位置上。可以例如图9c所示，将载板九等分，各滤波器的后级接地电感则分布在除l3、l4所在的角区域块外的其它角区域块，且靠近载板的边沿。
45.然后，将串联匹配电感设置在所述并联对地电感与所述衔接电感所在的版图区块的近邻位置。可以例如图9c所示，将载板九等分，以l3、l4所在角为准，相邻的四个区域块内设置l1和l2，如图9c中黑框区域所示。
46.需要说明的是，图9a至图9c仅是出于示例目的，而非限定。
47.图10a至图10b为本发明实施方式的多工器的载板布局的示意图。
48.图10a为载板的顶层金属层俯视图，其中ch1放置在载板的右下角，ch2放置在左下角，ch3放置在右上角，各滤波器通过键合线方式与载板键合，键合技术比常规的flipchip倒装技术在多工器承受功率能力方面更有利。其中g12设置在右下方，g22设置在左下方，g32设置在右上方，这三个后级敏感电感设置在载板的三个角，匹配模块中的l1、l2可以只仅由键合线实现，也可以是部分键合线，部分在载板中绕线实现。本发明实施方式仅展示出第一种情况。l3、l4设置在左上角，尽最大程度拉开它们之间的空间距离。当多工器尺寸非常小时，可以考虑将l3、l4两者全部集成在载板之外；当多工器尺寸可以略大时，可以考虑l3、l4两者中的一个集成在载板之内，另一个集成在载板之外；当多工器尺寸可以再大时，可以考虑将l3、l4两者都集成在载板之内。图10a仅展示第二种分布情况。
49.图10b中top表示是顶层金属层，layer2表示第二层金属层。本实施例仅展示l4由l41和l42组成，l3如图10a所示，集成在多工器之外。l4与各后级对地电感g12、g22、g32之间通过金属地3进一步隔开，减小它们之间的不利耦合，进而提高各通道之间的隔离度。
50.图11a至图11f本发明实施方式的多工器消除不利耦合后的隔离度曲线与现有技术多工器的隔离度曲线的对比图，具体描述如下。
51.图11a中粗线为本发明消除m11耦合后的隔离度曲线，细线是现有技术对比曲线图，消除耦合m11后，ch2频段处隔离度提升约5db。
52.图11b中粗线为本发明消除m12耦合后的隔离度曲线，细线是现有技术对比曲线图，消除耦合m12后，ch2频段处隔离度提升约3db，ch3频段处隔离度提升约8db。
53.图11c中粗线为本发明消除m21耦合后的隔离度曲线，细线是现有技术对比曲线图，消除耦合m21后，ch1频段处隔离度提升约6db。
54.图11d中粗线为本发明消除m22耦合后的隔离度曲线，细线是现有技术对比曲线图，消除耦合m22后，ch1频段处隔离度提升约3-10db。
55.图11e中粗线为本发明消除m31耦合后的隔离度曲线，细线是现有技术对比曲线
图，消除耦合m31后，ch1频段处隔离度提升约2db,ch2频段处隔离度提升约2db。
56.图11f中粗线为本发明消除m32耦合后的隔离度曲线，细线是现有技术对比曲线图，消除耦合m32后，ch1、ch2频段处的隔离度略有恶化，约1db，非常有限。
57.图12为本发明另一实施方式的多工器的拓扑结构示意图。多工器包括至少一个滤波器模组。每个滤波器模组中具有公共节点。每个滤波器模组包括并联的n个滤波器，n等于2或者3。图12中，虚线多边形框100所示表示n＝2的滤波器模组，虚线多边形框200表示n＝3的滤波器模组。其中各滤波器的第一端经由匹配电路连接到该滤波器对应的滤波通道输入/输出端。每个滤波器模组还包括n个串联匹配电感，n个串联匹配电感与n个滤波器一一对应，串联匹配电感连接在对应的滤波器的第二端和公共节点之间。每个滤波器模组还包括一个并联对地电感，并联对地电感的第一端连接公共节点，第二端接地。每个滤波器模组还包括一个衔接电感，衔接电感的第一端连接公共节点，第二端连接多工器的天线端，或者该第二端连接与本滤波器模组相邻且更靠近天线端的滤波器模组中的公共节点。
58.本发明实施方式的多工器的版图布局设计中，每个滤波器模组都对应一个版图区域，由于模组内部的滤波器数量不超过3个。因此可以参照图9a至图9c进行设计，通过合理布局可以尽可能地消除不利耦合，提高器件性能。
59.本发明实施方式的多工器还可以在根据需要增减某一滤波器支路，根据需要匹配模块也可以放置在不同的位置。具有设计灵活的优点。
60.本发明实施方式的多工器的设计方法，可以包括：将多工器划分为第一滤波器和至少一个滤波器模组，每个滤波器模组包括n个并联的滤波器，n等于2或者3；将第一滤波器的第一端与天线端直接相连，第二端连接该滤波通道的输入/输出端；在每个滤波器模组中，执行以下操作：在该滤波器模组内部设置一个公共节点；将各个滤波器的第一端经由匹配电路连接到该滤波器对应的滤波通道输入/输出端；设置n个串联匹配电感，n个串联匹配电感与n个滤波器一一对应，串联匹配电感连接在对应的滤波器的第二端和公共节点之间；设置一个并联对地电感，并联对地电感的第一端连接公共节点，第二端接地；设置一个衔接电感，衔接电感的第一端连接公共节点，第二端连接多工器的天线端，或者该第二端连接与本滤波器模组相邻且更靠近天线端的滤波器模组中的公共节点。
61.本发明实施方式的多工器的设计方法还包括对每个滤波器模组进行版图布局操作，多工器中滤波器总数量为m，版图布局操作包括：将多工器对应的版图划分为m个区块，在m个区块中分别设置一个滤波器，将所有的并联对地电感以及衔接电感设置在载板外；或者，将多工器对应的版图划分为m 1个区块，在其中m个区块中分别设置一个滤波器，在其余1个区块中设置至少一个并联对地电感或者衔接电感。
62.本发明实施方式的多工器的设计方法中，可以将各个滤波器中的后级对地电感分散地设置在滤波器模组的版图外框边沿位置上。
63.本发明实施方式的多工器的设计方法中，可以将串联匹配电感设置在并联对地电感或衔接电感所在的区块的近邻位置。
64.本发明实施方式的多工器的设计方法中，可以将串联匹配电感通过焊线连接到载板方式实现，或者，通过焊线连接到载板以及在载板上绕线方式实现。
65.本发明实施方式的多工器的设计方法中，可以还包括：通过以下方式封装所述滤波器：将所述滤波器通过金属键合线与载板相连；或者，将所述滤波器通过植球与载板相
连。
66.根据本发明实施方式的通信设备，包括本发明公开的任一项多工器。
67.本发明的技术方案，为多工器提供一种新的电感匹配方式，可以将频率相隔较远的多个滤波器同时匹配到较好状态。同时，通过对匹配模块和各滤波通道合理布局，减小匹配模块与各滤波器后级接地电感之间的耦合，从而改善多工器各频段之间的隔离度，有利于器件小型化。
68.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。