Überlegene Leistung im Miniformat

Der Trend zu immer mehr Funktionen und Frequenzbändern in Smartphones ist ungebrochen. Platzmangel auf der Leiterplatte ist die Folge. TDK hat daher den neuen Mini-Vielschicht-Diplexer DPX 1005 entwickelt. Dieser weltweit kleinste Diplexer bietet niedrige Einfügedämpfung für WLAN und Bluetooth bei 2,4 GHz und 5,0 GHz.

Multifeed-Antennen in Smartphones sind für mehrere Frequenzbänder von Funkdiensten wie GPS, Wireless-LAN und Blue­tooth ausgelegt. Diese Breitbandantennen reduzieren die Anzahl der benötigten Einzelantennen und tragen somit zu einer wertvollen Platzersparnis in Smartphones bei. Allerdings benötigen sie eine zusätzliche Filterung, um auf den dicht nebeneinanderliegenden Frequenzbändern eine gute Signaltrennung sicherzustellen. Der Diplexer, ein wichtiger Bestandteil der Antennenschnittstelle, kombiniert als passives Bauelement ein Hochpass-Filter (HPF) und ein Tiefpass-Filter (TPF) miteinander. Diplexer besitzen einen Eingang von der Antenne und zwei Ausgänge zum HF-Frontend. Die Aufgabe von Diplexern besteht darin, Rx-Signale des oberen und unteren WLAN-Bands in ihre Frequenzbereiche aufzuteilen und separate Tx-Signale zur Übertragung über die gemeinsame Antenne zu kombinieren (Abbildung 1).

Blockschaltbild des WLAN-/Bluetooth-Schaltkreises in einem Smartphone

Abbildung 1:

Der neue TDK Diplexer der DPX-Baureihe übernimmt die Aufgabe, die WLAN- und Bluetooth-Signale im 2,4- und 5-GHz-Band zu trennen und zu kombinieren.

Proven LTCC technology

Für die steigende Anzahl von Frequenzbändern werden immer mehr Filter benötigt; ein Umstand, der zu Platzproblemen auf der Leiterplatte führt und Schaltungs-Designer vor große Herausforderungen stellt. Daher gilt der weiteren Miniaturisierung dieser Bauelemente größtes Augenmerk. Der neue Vielschicht-Diplexer mit der Typenbezeichnung DPX105950DT-6010B1 für WLAN und Bluetooth bei 2,4 GHz und 5,0 GHz wird mit der LTCC-Technologie (Low-Temperature Co-fired Ceramic) gefertigt. Mit einer Grundfläche von nur 1,0 × 0,5 mm2 und der flachen Bauhöhe von lediglich 0,4 mm ist er der weltweit kleinste Diplexer und mehr als 60 Prozent kleiner als der Typ 1608.

In den neuen Diplexern sind eine Kapazität (Hochpass) und eine Induktivität (Tiefpass) in Serie geschaltet. Die LTCC-Technologie hat sich nicht nur bei der DPX-Baureihe bewährt, sondern bereits bei einer Vielzahl von HF-Bauelementen und HF-Modulen. Hierbei wird die Leiterstruktur mehrerer Schichten im Siebdruck auf die dielektrische Grünfolie, eine auf Aluminiumoxid basierende Glaskeramik, aufgebracht. Die so auf den dielektrischen Folien geschaffenen Elektroden und Leiterbahnen werden über Durchkontaktierungen elektrisch zum Bereich eines Kondensators sowie einer Induktivität verbunden. Diese wiederum wirken als Hochpass- bzw. Tiefpass-Filter des Diplexers. Nach dem Bedrucken werden die Folien geschichtet, gestanzt, in Bauelemente unterteilt und gesintert. Abbildung 2 zeigt den Grundaufbau eines Vielschicht-Diplexers.

Grundaufbau des Vielschicht-Diplexers DPX 1005

Abbildung 2:

Interne Elektroden und Leiterbahnen werden durch Siebdruck mit Leiterbahnpaste (Silber u.a.) auf eine dielektrische Grünfolie aufgebracht. Diese Folien werden zu mehreren Schichten gestapelt, in einzelne Bauelemente gestanzt und dann bei einer Temperatur gebrannt, die unter dem Schmelzpunkt von Silber liegt.

Mit etwa 900 °C oder noch niedriger liegt die LTCC-Brenntemperatur unter dem Schmelzpunkt von Silber (962 °C), das als Leiter dient. Eine besondere Herausforderung bei der Fertigung der verschiedenen Schichten besteht darin, Keramik-Bauelemente mit sehr genauen Abmessungen zu fertigen, die sich nicht verziehen. Unerwünschte Verformungen können auftreten, wenn Material mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird. So auch hier, wo für die Schichten der zwei Bereiche der Induktivität und des Kondensators des Diplexers DPX 1005 verschiedene Keramik-Materialien zum Einsatz kommen. Das Dielektrikum für die Induktivität besitzt eine niedrige und das für den Kondensator eine hohe Dielektrizitätskonstante. TDK verwendet deshalb in diesem Fall Materialien mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizient. Nur so ist es möglich, hochpräzise Vielschicht-Bauelemente zu produzieren, die sich beim Sintern nicht verziehen.

Bessere Energieeffizienz und Trennschärfe

Im oberen Band werden 5 GHz WLAN (IEEE802.11a/n/ac) unterstützt, während das untere Band für 2,4 GHz WLAN (IEEE802.11b/g/n) und Bluetooth ausgelegt ist. Dank der extrem dünnen Keramikschichten ist der Diplexer nicht nur kleiner als konventionelle Ausführungen, sondern zeichnet sich auch durch eine überlegene Leistung aus. Bei einer maximalen Einfügedämpfung im unteren Band von nur 0,5 dB und im oberen Band von nur 0,8 dB bietet der Diplexer DPX 1005 eine höhere Energieeffizienz als herkömmliche Produkte (Abbildung 3). Dies führt zu einer längeren Akkustandzeit. Zudem verbessert sich durch die Diplexer-Dämpfung im unteren Band von 23 dB und im oberen Band von 25 dB auch die Trennschärfe.

Einfügedämpfung des TDK Vielschicht-Diplexers im unteren und oberen Band

Abbildung 3:

Der neue TDK Vielschicht-Diplexer DPX 1005 besitzt eine bessere Einfügedämpfung als herkömmliche Diplexer und bietet somit eine bessere Energieeffizienz.

Abbildung 4:

TDK DPX 1005 multilayer diplexer

Der TDK Vielschicht-Diplexer DPX 1005 entspricht der Forderung nach weiterer Verringerung von Flächenbedarf und Bauhöhe der Bauelemente. Damit ermöglichen sie die Fertigung kleinerer und flacherer Geräte. Außerdem bieten sich die Miniatur-Diplexer ebenfalls für die Integration in Module an.

Tabelle: Kenndaten des TDK Vielschicht-Diplexers DPX 100