DE102004032930A1

DE102004032930A1 - Beidseitig symmetrisch betreibbares Filter mit Volumenwellenresonatoren

Info

Publication number: DE102004032930A1
Application number: DE102004032930A
Authority: DE
Inventors: Habbo Dr. Heinze; Pasi Tikka; Edgar Dr. Schmidhammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-02-02
Also published as: WO2006005397A1; US20080272853A1; JP2008505573A

Abstract

Zur Verbesserung des Filterverhaltens und der elektrischen Anpassung eines mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Filters wird vorgeschlagen, eine beidseitig symmetrisch betreibbare Anordnung von Volumenwellenresonatoren vorzusehen, in der zwei Signalpfade ausgebildet sind. Jedes Signalpfad wird zumindest einer komplexen Impedanz verschaltet.

Description

Die Leistungsfähigkeit moderner Mobilfunksysteme ist wesentlich von der Qualität der zur Signalverarbeitung erforderlichen Filter abhängig. Insbesondere für Bandpassfilter sind eine Reihe von Anforderungen zu erfüllen, die unterschiedlich sein können und vom jeweiligen Mobilfunksystem beziehungsweise dem Standard vorgegeben sind.

Bandpassfilter können in unterschiedlichen Techniken verwirklicht werden. Bekannt sind zum Beispiel Filter, die aus konkreten LC-Gliedern aufgebaut sind. Weiterhin sind Mikrowellen-Keramikresonatoren bekannt. Besonders weit entwickelt und variationsreich bezüglich der damit erzielbaren Eigenschaften sind mit Akustischen Oberflächenwellen arbeitende Filter, sogenannte SAW-Filter.

Neuere Entwicklungen zeigen, dass auch mit Volumenwellen arbeitende Filter, die aus Volumenwellenresonatoren aufgebaut sind, erhebliches technisches Potential besitzen, das sie zu einer bevorzugten Filtertechnik machen kann.

Neben dem reinen Übertragungsverhalten eines Filters, welches sich anhand der Übertragungskurve, üblicherweise als S-Parameter der Streumatrix dargestellt, ersehen lässt, können in einem Filter auch weitere elektrische Funktionen integriert sein, beispielsweise die Umformung eines unsymmetrischen (single-ended) Signals in einsymmetrisches oder balanced Signal. Möglich ist es auch, zwischen Filterein- und -ausgang eine Impedanztransformation im Filter selbst vorzunehmen.

Überhaupt ist es für das optimale Funktionieren eines Filters wichtig, in welcher elektrischen und schaltungstechnischen Umgebung das Filter eingesetzt wird. Wichtig ist auch, in welcher Form ein zu filterndes Signal am Eingang des Filters vorliegt, ob es unsymmetrisch oder symmetrisch ist und wie das am Ausgang des Filters anliegende gefilterte Signal an die nächste Verarbeitungsstufe in einem System weitergegeben wird beziehungsweise wie es von der nächsten Stufe benötigt wird. Völlig unproblematisch sind Filter herzustellen, bei denen sowohl der Ein- als auch der Ausgang des Filters unsymmetrisch ist, bei denen also ein einziges „heißes" bzw. informationstragendes Potential verarbeitet wird, welches als Referenz immer gegen Masse bestimmt wird.

Schwieriger wird es, ein solches unsymmetrisches Signal in ein symmetrisches umzusetzen, oder gar ein symmetrisches Signal zu verarbeiten und auch symmetrisch am Ausgang wieder zur Verfügung zu stellen. Solche Filter, die beidseitig balanced betrieben werden, sind insbesondere bei mit Volumenwellen arbeitenden Filtern nur schwer zu realisieren.

Beidseitig symmetrisch betreibbare Filter mit Volumenwellenresonatoren zeigen meist ein unbefriedigendes Filterverhalten im Passband, welches eine zu hohe Welligkeit aufweist, unter der die Einfügedämpfung leidet und die das Filterverhalten stört.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein beidseitig symmetrisch betreibbares Filter mit Volumenwellenresona toren anzugeben, welches bezüglich seines Filterverhaltens insbesondere im Passband verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Filter ist aus Volumenwellenresonatoren aufgebaut. Es besitzt ein elektrisches Eingangstor und ein elektrisches Ausgangstor, die beide symmetrisch betreibbar sind. Dementsprechend weist das Filter zwei Signalpfade auf, die sich jeweils von einem Anschluss des Eingangstors zu einem Anschluss des Ausgangstors erstrecken. Bezüglich dieser Signalpfade sind die Volumenwellenresonatoren elektrisch symmetrisch zueinander angeordnet. Jeder der beiden Signalpfade ist mit einer komplexen Impedanz verschaltet.

Mit dem erfindungsgemäßen Filter werden gegenüber bekannten mit akustischen Volumenwellen arbeitenden symmetrischen Filtern wesentlich verbesserte Übertragungseigenschaften erhalten. Insbesondere weist ein erfindungsgemäßes Filter ein geglättetes Passband auf, welches gegenüber dem bekannten Filter eine geringere Einfügedämpfung besitzt. In einer alternativen Darstellung weist ein erfindungsgemäßes Filter im Smith-Diagramm wesentlich geringere Abweichungen von dem optimalen Anpasspunkt auf und bewegt sich gut im optimalen Bereich. Damit zeigt das Filter eine optimale elektrische Anpassung, die in der Folge zur verringerten Einfügedämpfung, zur geringeren Welligkeit und zum verbesserten Filterverhalten führt. Durch Variation der komplexen Impedanzen ist es möglich, das Filter an eine beliebige äußere Umgebung optimal anzupassen.

Unter der komplexer Impedanz wird im Sinne der Erfindung ein einzelnes reales, mit einer Impedanz behaftetes Schaltungselement verstanden, ebenso aber auch eine Kombination von idealisierten realen einzelnen, mit einer Impedanz behafteten Komponenten.

Die Volumenwellenresonatoren können herkömmliche einzelne Volumenschwinger sein. Die Volumenwellenresonatoren können jedoch auch als Dünnschichtresonatoren ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das gesamte Filter als integrierte Anordnung von Dünnschichtresonatoren ausgebildet, bei denen Strukturierungen der einzelnen Dünnschichtresonatoren und deren Verschaltung integriert beim Herstellungsprozess mittels Dünnschicht- und Strukturierungstechniken erfolgt. Im Idealfall sind alle Volumenwellenresonatoren auf einem einzigen gemeinsamen Substrat angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, die Komponenten des Filters auf unterschiedlichen Substraten aufzubauen und diese in geeigneter Weise miteinander zu verschalten.

In jedem Signalpfad ist zumindest eine komplexe Impedanz vorzusehen, wobei die Verschaltung mit dem Filter an einem der elektrischen Tore oder an beiden elektrischen Toren erfolgen kann. Dies schließt nicht aus, dass innerhalb des Filters an anderen Schaltungsstellen weitere komplexe Impedanzen vorgesehen sind, die weitere Vorteile entfalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeder Anschluss jeden Tores mit einer komplexen Impedanz verschaltet.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird jeder Signalpfad seriell mit einer komplexen Impedanz verschaltet, so dass diese Impedanz Teil des jeweiligen Signalpfades ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind beide Signalpfade parallel mit einer komplexen Impedanz verschaltet. Die Impedanz kann dabei in einem Querzweig angeordnet sein, der die beiden Signalpfade verbindet.

Das Filter kann auch als Reaktanznetzwerk von Resonatoren ausgebildet werden, wobei die Resonatoren in seriellen und in parallelen Zweigen angeordnet sein können. In diesen Fällen ist es auch möglich, die komplexe Impedanz in einem der parallelen Zweige vorzusehen, die die beiden Signalpfade überbrücken.

Eine weitere Variationsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, die beiden Anschlüsse eines Tores seriell mit einer komplexen Impedanz zu verschalten, die beiden Anschlüsse des anderen Tores dagegen parallel mit einer weiteren komplexen Impedanz zu verschalten. Bezüglich der in einem Filter realisierten unterschiedlichen Verschaltungsarten komplexer Impedanzen mit den Signalpfaden gelten die bereits genannten Variationsmöglichkeiten für jede der beiden Möglichkeiten.

Die Volumenwellenresonatoren können erfindungsgemäß in einer Ladder-Type-Anordnung verschaltet werden. Möglich ist es auch, die Volumenwellenresonatoren in einer Lattice-Anordnung zu verschalten. Ein besonders platzsparendes beziehungsweise mit wenigen Volumenwellenresonatoren auskommendes Filter umfasst Volumenwellenresonatoren in Stacked-Anordnung, die auch als CRF-Anordnung (coupled Resonator Filter) bezeichnet wird. Derartige CRF-Filter bestehen aus in einem Stapel übereinander erzeugter Dünnschichtresonatoren, wobei im Stapel benachbarte Resonatoren eine gemeinsame mittlere Elektrode aufweisen können. Möglich ist es jedoch auch, zwischen den beiden übereinander angeordneten Dünnschichtresonatoren eine Koppelschicht vorzusehen. In Abhängigkeit von der Dicke und dem Material der Koppelschicht wird der Anteil der akustischen Kopplung zwischen erstem und zweitem übereinander angeordneten Resonator bestimmt. Ein solches Filter aus nur zwei gestapelten und akustisch miteinander gekoppelten Dünnschichtresonatoren kann beidseitig symmetrisch betrieben werden.

Ein erfindungsgemäßes Filter kann auch zwei miteinander in Serie verschaltete Teilanordnungen von Volumenwellenresonatoren umfassen, wobei jede der Teilanordnungen unabhängig voneinander einer der bereits genannten Typen von Volumenwellenresonatorfilteranordnungen entspricht. Zur Verschaltung werden ein erstes Tor der ersten Teilanordnung mit einem zweiten Tor der zweiten Anordnung verbunden. Möglich ist es dabei auch, im Rahmen der Verschaltung zwischen den beiden Teilanordnungen komplexe Impedanzen vorzusehen.

In einer bevorzugten Ausführung umfasst die komplexe Impedanz eine Induktivität. Eine solche Induktivität ist besonders einfach herzustellen und lässt sich in Abhängigkeit von dem erforderlichen Induktivitätswert z.B. in Form von einfachen Leiterbahnen, elektrischen Verbindungen und auch Bumps realisieren. Größere Induktivitäten werden in Form von Spulen oder mäandrierten Leiterbahnabschnitten hergestellt, die auch als integrierte passive Komponenten realisiert ein können.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Volumenwellenresonatoren des erfindungsgemäßen Filters auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, das Substrat wiederum auf einem mehrschichtigen Träger befestigt. Im mehrschichtigen Träger sind Schaltungsstrukturen und passive Komponenten vorgesehen, die die komplexen Impedanzen und darüber hinaus weite re Schaltungselemente umfassen können. Auf diese Weise wird ein besonders kompaktes Bauelement erhalten, welches außer der Dünnschichtresonatoranordnung auf dem Substrat kein weiteres diskretes Bauelement aufweist. Bei diesem Bauelement sind alle übrigen erforderlichen passiven Komponenten in den Träger oder gegebenenfalls zusätzlich auch in das Substrat der Dünnschichtresonatoranordnung integriert.

Wird das Substrat, auf dem die Volumenwellenresonatoren angeordnet sind, aus einem Halbleiter ausgebildet, so können die komplexen Impedanzen zumindest zum Teil auch in dem Halbleitersubstrat integriert realisiert sein. Es können in an sich bekannter Weise im Halbleiter auch beliebige Schaltungsstrukturen und passive und aktive Komponenten realisiert werden.

Zur genauen Ausgestaltung und Bemessung der komplexen Impedanz, insbesondere der eine Induktivität umfassenden Impedanz ist die genaue Verschaltung der Impedanz maßgeblich. Für eine seriell verschaltete Impedanz wird beispielsweise eine Induktivität im Bereich von 0,1 bis 10 nH gewählt. Eine parallel verschaltete Impedanz kann beispielsweise mit einer Induktivität im Bereich zwischen 10 und 100 nH ausgebildet werden, um eine optimale Anpassung an eine äußere Schaltungsumgebung zu erreichen.

Optimal angepasste, erfindungsgemäß beidseitig symmetrisch betreibbare Filter haben neben den verbesserten Filtereigenschaften den weiteren Vorteil, dass sie sich in Verschaltungen mit anderen ebenfalls balanced/balanced betreibbaren Filtern unproblematisch verhalten und es zu nahezu keiner Beeinflussungen der beiden Filter gegenseitig kommt, sofern diese in unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten. Dies ist möglich, da der Bereich der einzelnen Durchlassbereiche erfin dungsgemäßer Filter im Smith-Diagramm nur jeweils eine kleine Fläche einnimmt, was gleichzusetzen ist mit einer exzellenten Anpassung. So werden z.B. bei einem eingangsseitigen Diplexer nur noch sehr wenige zusätzliche Elemente benötigt.

Aufgrund der guten Verschaltbarkeit mit anderen gleichartig ausgebildeten Filtern können auf diese Weise Filterbänke realisiert werden, beispielsweise kaskadierte Anordnungen von Diplexern, wobei die beiden Einzelfilter des hierarchisch an oberster Stelle stehenden Diplexers einer solchen Kaskade mit einem gemeinsamen Anschluss fest verbunden sein können. Das Signal wird dann entsprechend seiner Wellenlänge vom entsprechenden Filter der hierarchisch untersten Stufe am Ausgangstor zur Verfügung gestellt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein bekanntes symmetrisches Filter.
2 zeigt die Durchlasskurve für dieses Filter.
3 zeigt das Smith-Diagramm für das bekannte Filter.
4 zeigt verschiedene erfindungsgemäße Filter.
5 zeigt Bestandteile erfindungsgemäßer Filter.
6 zeigt mögliche Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Filter.
7 zeigt die Durchlasskurve und das Smith-Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Filters.
8 zeigt Durchlasskurve und Smith-Diagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Filters.
9 zeigt einen Diplexer, der mit zwei erfindungsgemäßen Filtern ausgebildet ist sowie allgemein kaskadierte Strukturen.
10 zeigt ein auf einem Substrat befestigtes Filter mit integrierter komplexer Impedanz.
1 zeigt ein beispielsweise aus der EP1 017 170 A2 bekanntes Filter, das eine bezüglich der Signalpfade SP1 und SP2 symmetrische Anordnung von Volumenwellenresonatoren RS, RP umfasst. Die beiden Signalpfade SP1, SP2 verbinden die beiden Anschlüsse eines ersten Tors T1 mit den beiden Anschlüssen eines zweiten Tors T2. Legt man beispielsweise an das erste Tor T1 ein symmetrisches Signal an, dessen beide Komponenten bei gleicher Amplitude einen Phasenunterschied von 180 Grad aufweisen, so können am zweiten Tor T2 die gefilterten Signale ebenso symmetrisch mit optimalem Phasenunterschied von 180 Grad und Amplitudengleichheit erhalten werden. Die Volumenwellenresonatoren sind in Lattice-Anordnung verschaltet und umfassen in den Signalpfaden angeordnete serielle Resonatoren RS und in – die seriellen Pfade SP miteinander verbindenden – Querzweigen QZ angeordnete parallele Resonatoren RP. Ein Grundglied einer Lattice-Anordnung besteht aus je einem seriellen Resonator RS1,1, RS2,1 in jedem der beiden Signalpfade SP und aus zwei sich kreuzenden Querzweigen QZ1, QZ2, in denen ebenfalls je ein paralleler Resonator RP1, RP2 angeordnet ist. Das bekannte Filter 1 weist hier zwei Grundglieder auf.
Verwirklicht man mit einer solchen Anordnung ein an 100 Ohm angepasstes GSM-Filter, so erhält man eine Übertragungskurve, deren Streuparameter in der 2 dargestellt sind. 2a zeigt den gesamten Verlauf des Parameters S2,1, während 2b in vergrößerter Darstellung ausschnittsweise den Bereich des Passbandes zeigt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das bekannte Filter trotz Optimierung im Durchlassbereich eine hohe Welligkeit aufweist und in der Mitte des Passbandes einen ausgeprägten Einbruch, einen sogenannten DIP, der für schlechte Filtereigenschaften und eine mäßige Einfügedämpfung verantwortlich ist. 3 zeigt die beiden Streuparameter S11 und S22 im Smith-Diagramm, anhand derer sich die schlechten Filtereigenschaften und die schlechte Anpassung anhand der relativ großen Kringel in der Mitte des Charts erkennen lassen.
4 zeigt dagegen unterschiedlichen Ausführungen für ein erfindungsgemäßes Filter, welche bezüglich der Filtereigenschaften gegenüber den in den 1 bis 3 dargestellten bekannten Filter wesentlich verbessert sind.
4a zeigt eine erste Ausführung der Erfindung mit einer Resonatoranordnung RA, die mit einem ersten Tor T1 und einem zweiten Tor T2 verschaltet ist. Die Verschaltung der beiden Tore T über die Resonatoranordnung erfolgt über zwei Signalpfade SP1, SP2, in denen Volumenwellenresonatoren angeordnet sind. Jeder der beiden Signalpfade ist außerdem mit einer Impedanz Z verschaltet, die hier zwischen der Resonatoranord nung RA und dem jeweiligen Tor angeordnet ist. 4a zeigt eine Ausführung, bei der vier komplexe Impedanzen Z11, Z12, Z21, Z22 in Serie mit der Resonatoranordnung RA verschaltet sind.
4b zeigt eine zweite Ausführung, bei der ebenfalls zwei Tore T1, T2 mit einer Resonatoranordnung RA von Volumenwellenresonatoren über zwei Signalpfade SP miteinander verschaltet sind. Beide Signalpfade sind im Bereich der beiden Tore mit je einer komplexen Impedanz Z1, Z2 verschaltet, die allerdings parallel zu den Signalpfaden angeordnet ist. 4b zeigt eine Ausführung, bei der die komplexen Impedanzen in einem die beiden Signalpfade im Bereich des Tores verbindenden Querzweige angeordnet sind.
4c zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der hier vier komplexe Impedanzen Z11, Z12, Z21, Z22 parallel zu den Signalpfaden verschaltet sind und den Signalpfad mit einem Masseanschluss verbinden.
Mit Hilfe der komplexen Impedanzen, die in erfindungsgemäßer Weise mit der Anordnung von Volumenwellenresonatoren verschaltet sind, wird eine wesentliche Verbesserung sowohl im Durchlassbereich als auch bei der elektrischen Anpassung des Filters erzielt. Die Verbesserungen lassen sich z.B. im Durchlassbereich erkennen, das eine verminderte Welligkeit und außerdem keinen Einbruch in der Mitte aufweist. Im Smith-Chart werden verkleinerte "Kringel" beobachtet.
5A zeigt in verallgemeinerter summenförmiger Auflistung eine Resonatoranordnung RA, wie sie in erfindungsgemäßen Filtern eingesetzt werden kann. Die Resonatoranordnung RA kann zum Beispiel vier unterschiedliche Teilstrukturen TS1, TS2, TS3 und TS4 umfassen, die in beliebiger Abfolge und Unterkombination hintereinander so verschaltet sein können, dass sich zwei zueinander symmetrische Signalpfade ergeben. Jede der Teilstrukturen TS kann mehrfach auftreten, wobei der Index m, der die Anzahl der als Ladder-Type Struktur ausgebildeten ersten Teilstruktur TS1, und der Index p für die als Lattice-Anordnung ausgebildete dritte Teilstruktur TS3 unabhängig voneinander Werte von 0 bis circa 100 annehmen können. Für die Summe (m + n + p + q) gilt, dass sie in einem Filter größer gleich 1 sein muss. Die zweite Teilstruktur TS2 umfasst ein Paar serieller Volumenwellenresonatoren RS1, RS2, für deren Index n gilt: 0 kleiner gleich n kleiner gleich 100. Die dritte Teilstruktur TS3 enthält einen parallelen Resonator RP1. Eine für erfindungsgemäße Filter einsetzbare Resonatoranordnung kann daher sowohl gleiche als auch unterschiedliche Teilstrukturen umfassen, die in beliebiger Anzahl und Abfolge miteinander kombiniert sein können.
Gute Eigenschaften für ein Filter werden jedoch bereits mit einer oder zwei Teilstrukturen erhalten.
5b zeigt eine weitere Variante einer Resonatoranordnung, die in erfindungsgemäßen Filtern eingesetzt werden kann. Die Resonatoranordnung umfasst einen Stapel von akustisch miteinander gekoppelten Volumenwellenresonatoren, einen sogenannten CRF-Filter (Coupled Resonator Filter), bei der ein erster Stapelresonator SR1 und ein zweiter Stapelresonator SR2 jeweils zwischen zwei Elektrodenschichten SE1, SE2, bzw. SE3, SE4 übereinander angeordnet sind, wobei zwischen ersten und zweiten Stapelresonator eine Koppelschicht KS angeordnet ist, deren Material und Dicke den Grad der Kopplung zwischen den beiden gestapelten Resonatoren SR1, SR2 bestimmt. Auch diese Resonatoranordnung RA kann symmetrisch be trieben werden, wenn die beiden Elektroden SE1 und SE2 des ersten Stapelresonators SR1 mit dem ersten Tor und die beiden Elektroden SE3, SE4 des zweiten Stapelresonators SR2 mit dem zweiten Tor symmetrisch verbunden werden.
Auch eine solche Resonatoranordnung lässt sich kaskadieren, wobei die Anordnung mehrfach hintereinander in Serie geschaltet wird. Die als CRF ausgebildete Resonatoranordnung RA ist vorzugsweise auf einem großflächigen Substrat in Form von Dünnschichtresonatoren ausgebildet.
5C zeigt verschiedene Anordnungen komplexer Impedanzen, die als serielle oder parallele Impedanzen Z_s, Z_p ausgeführt sein können. Wie bei der Resonatoranordnung können auch hier die Teileinheiten in beliebiger Anzahl und Reihenfolge auftreten, wobei r die Anzahl der seriellen Einheiten und s die Anzahl der parallelen Einheiten angibt. Zusammen ergibt sich bei beliebiger Variation von r und s zwischen 0 und 100 die erfindungsgemäße komplexe Impedanz. Da die Impedanzen immer symmetrisch vorliegen bzw. im Filter symmetrisch angeordnet sind, werden eine solche zusammengesetzte komplexe Impedanz im folgenden auch in allgemeiner Schreibweise als Matchingeinheit MA dargestellt.
6 zeigt in allgemeiner Schreibweise verschiedene Möglichkeiten, wie zwei Resonatoranordnungen RA1, RA2 unter Dazwischenschaltung von komplexen Impedanzen Z bzw. der daraus gebildeten Matchingeinheit MA miteinander verschaltet werden können und Teil erfindungsgemäßer Filter sein können. Prinzipiell lässt sich ein Fall A und ein Fall B unterscheiden. Im Fall A sind zwei Resonatoranordnungen RA1, RA2 über serielle Impedanzen Z1, Z2 in einem Signalpfad zwischen den beiden Resonatoranordnungen verschaltet. Für diesen Fall gilt r=1 und s=0. Im Fall B sind zwei Resonatoranordnungen RA1, RA2 über eine parallele Impedanzen Z im Querzweig zwischen den Signalpfaden und zwischen den beiden Resonatoranordnungen verschaltet. Für diesen Fall gilt r=0 und s=1.
Die in 6 dargestellten Verschaltungen können auch mit den in 4 dargestellten Ausführungen verschaltet werden. Auf diese Weise wird die Variationsvielfalt erfindungsgemäßer Resonatoranordnungen weiter erhöht, wobei im Einzelfall vorteilhafte Eigenschaften solcher Ausgestaltungen erhalten werden können.
Ein erfindungsgemäßes Filter weist in der Regel eine symmetrische Anordnung von Resonatoren und von Impedanzen Z auf. Die Symmetrie bezieht sich dabei insbesondere auf die beiden Signalpfade, in denen die Anordnung zueinander symmetrisch ausgestaltet ist. Die Symmetrie kann sich darüber hinaus jedoch auch auf die beiden Tore T1, T2 beziehen, so dass die Verschaltung des ersten Tores T1 symmetrisch zu der Verschaltung des zweiten Tores T2 sein kann. Möglich ist es jedoch auch, am ersten Tor T1 eine andere Verschaltung mit Impedanzen vorzunehmen als am zweiten Tor T2 und beispielsweise serielle Impedanzen am ersten Tor mit parallelen Impedanzen am zweiten Tor zu kombinieren.
7 zeigt exemplarisch anhand der Streuparameter S11 und S22 die mit der Erfindung erzielte Verbesserung bezüglich des Filterverhaltens. Dargestellt ist in 7a und 7b die Durchlasskurve eines erfindungsgemäßen Filters als Verlauf des Streuparameters S21. 7c zeigt die dazugehörigen Smith-Diagramme. Dargestellt sind die Eigenschaften eines gemäß 4a ausgebildeten Filters, bei dem die Resonatoranordnung gemäß 5 ausgebildet ist, wobei die Parameter m gleich n gleich 0 und p gleich 2 eingestellt sind. In den Diagrammen der 7 ist neben der Kurve N für das erfindungsgemäße Filter noch eine Kurve B dargestellt, die dem bereits in 2 und 3 gezeigten Verhalten eines bekannten Filters entspricht. Durch Übereinanderlegen der beiden Kurven B und N werden die Vorteile erfindungsgemäßer Filter besonders deutlich. 7b zeigt das wesentlich verbesserte und hier vergrößert dargestellte Passband des Filters.
7c zeigt das entsprechende Smith-Diagramm, wobei links der Streuparameter S11 und rechts der Streuparameter S22 dargestellt sind. Auch hier zeigt sich an der Messkurve N, dass die "Klingel" eines erfindungsgemäßen Filters wesentlich kleiner sind und damit zentraler angeordnet sind als diejenigen des bekannten und in Kurve B dargestellten Filters.
8 zeigt, dass sich auch mit einem erfindungsgemäßen Filter, das gemäß 4b ausgebildet ist und dessen Resonatoranordnung gemäß 5 mit den dazugehörigen Parametern m gleich n gleich 0 und p gleich 2 ausgebildet ist. Auch hier sind die mit N bezeichneten Messkurven des erfindungsgemäßen Filters der Messkurve B des bereits bekannten Filters gegenübergestellt. Die vorteilhaften Eigenschaften dieses Filters sind insbesondere in der 8b im Bereich des flachen Passbandes ohne Einbruch und in der 8c dargestellt, wobei letztere die erfindungsgemäß verbesserte Anpassung des Filters besonders gut zum Ausdruck bringt.
9 zeigt eine aufgrund der verbesserten elektrischen Anpassung erfindungsgemäßer Filter besonders vorteilhafte Verwendung erfindungsgemäßer Filter in Diplexerschaltungen. In einem Diplexer gemäß 9A sind zwei Filter F1, F2 parallel zueinander verschaltet, wobei das erste Filter F1 das Tor T1 mit dem zweiten Tor T2 verbindet, das Filter F2 dagegen das erste Tor T1 mit dem dritten Teiltor T3. Beide Filter umfassen Resonatoranordnungen RA1, RA2 und sind erfindungsgemäß mit komplexen Impedanzen verschaltet, die in der Figur als Matchingeinheit MA dargestellt sind. In einem Fall a) sind z.B. seriell in den Signalpfaden angeordnete Impedanzen vorgesehen, wobei für MA11 und MA21 gilt: r=1 und s=0. Bei MA3 sind r und s gleich 0.
Ein möglicher Fall b) ist ähnlich, nur sind hier z.B. für die vorgeschaltete Matchingeinheit MA3 sind r und s gleich 2.
Ein Diplexer kann besonders gut aus der Parallelverschaltung zweier erfindungsgemäßer Filter realisiert werden, da diese sehr gut angepasst sind. Durch die gute Anpassung erfindungsgemäßer Filter kann eine Kaskade erfindungsgemäßer Filter, die praktisch einer Filterbank aus insgesamt vier Filtern entspricht, ohne Störungen zwischen den Einzelfiltern realisiert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise in einem Endgerät für den Mobilfunk ein Eingangssignal rein passiv ohne Schalter auf vier Empfangsfilter (RX-Filter) auf symmetrische Art und Weise gediplext werden, wobei die vier Filterendstufen beispielsweise den GSM-Bändern GSM850, GSM900, GSM1800 und GSM 1900 zugeordnet sein können. Die Verschaltung der Filter gelingt ohne zusätzliche Schalter durch Direktverschaltung wie beispielsweise in 9A gezeigt.
In 9c ist eine weitere Kaskade erfindungsgemäßer Filter vorgestellt, die ein Eingangstor T1 mit insgesamt vier Toren T2 bis T5 verbindet. Die Indices für die Struktureinheiten gemäß 5 können in einem konkreten Beispiel wie folgt gewählt werden:
9B zeigt eine vereinfachte Möglichkeit, komplexe Verschaltungen erfindungsgemäßer Filter darzustellen, wobei aus zwei Matchingeinheiten MA1 und MA2 samt dazwischen verschalteter Resonatoranordnung RA eine kombinierte Resonator/Matchingeinheit RM wird, deren Indices beliebig in den angegebenen Grenzen gewählt werden können und auch Null betragen können. Mit Hilfe dieser Vereinfachung lässt sich z.B. eine komplexe Verschaltung wie in 9D einfach beschreiben. Die dargestellte Kaskade aus 6 kombinierten Resonator/Matchingeinheiten RM fächert ein Eingangstor durch zwei Stufen in 4 Ausgangstore auf. Die Indices für die Struktureinheiten können gemäß 5 in einem konkreten Beispiel wie folgt gewählt werden:
Mit diesen Variablen wird genau die Struktur von 9C erhalten.
Möglich ist auch, diese Kaskadierung über weitere Stufen fortzuführen, wobei im allgemeinsten Fall von x Eingangstoren auf y Ausgangstore kaskadiert wird, wobei x,y natürliche Zahlen sind und x < y.
10 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Anordnung, bei der die Volumenwellenresonatoren in der gewünschten symmetrischen Resonatoranordnung auf einem Substrat S angeordnet beziehungsweise erzeugt sind. Das Substrat S ist in Flip Chip Bauweise über Bumps BU mit einem Trägersubstrat TS verbunden. Das Trägersubstrat TS weist mehrere dielektrische Schichten auf, wobei auf, unter und zwischen den Schichten zu Leiterbahnen und Schaltungsstrukturen strukturierte Metallisierungsebenen vorgesehen sind. Auf diese Weise gelingt es, auf oder in dem Trägersubstrat Schaltungsstrukturen zu verwirklichen und insbesondere die erfindungsgemäße komplexe Impedanz im Inneren des Trägersubstrats TS integriert vorzusehen. Im dargestellten Querschnitt sind beispielsweise zwei Impedanzen Z1, Z2 zu erkennen, die seriell in einem elektrischen Signalpfad zwischen der Resonatoranordnung RA und einer auf der Unterseite des Trägersubstrats TS angeordneten Anschlussfläche AF geschaltet sind. Die beiden Anschlussflächen AF1, AF2 können beispielsweise einem der elektrischen Tore des erfindungsgemäßen Filters zugeordnet sein.
Ist die komplexe Impedanz beispielsweise als Induktivität ausgebildet, so wird vorteilhaft bei der Bemessung der Induktivität die gesamte Struktur berücksichtigt, da die im Trägersubstrat realisierten Durchkontaktierungen und Leiterab schnitte selbst mit einer Induktivität behaftet sind, die einen Beitrag zur Gesamtinduktivität zwischen Resonatoranordnung RA und Anschlussfläche AF ausbildet. Die für ein erfindungsgemäßes Filter optimale komplexe Impedanz ergibt sich dann aus der Summe der Impedanzen der einzelnen Verschaltungsstrukturen bzw. Verschaltungsbestandteile und den konkreten Impedanzelementen Z, die zusätzlich zu den vorhandenen Leitungen im Inneren des Trägersubstrats TS ausgebildet sind. Werden diese Impedanzen seriell in den Signalpfad eingebaut und als Induktivität verwirklicht, so genügen für eine Anpassung eines bei circa zwei Gigahertz arbeitenden Filters an eine 100 Ohm Umgebung Induktivitäten zwischen 0,1 und 10 nH, wobei zumindest die geringerenn Induktivitätswerte bereits mit Bumps und den beispielsweise in 10 dargestellten Durchkontaktierungen und Leiterbahnabschnitte realisiert werden kann. Parallel verschaltete Induktivitäten, eingesetzt als erfindungsgemäße komplexe Impedanzen, erfordern eine höhere Induktivität und sind daher vorzugsweise als konkrete impedanzbehaftete Strukturen ausgebildet, beispielsweise als Spulen oder mäanderförmige Leiterbahnabschnitte.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf diese beschränkt. Die nicht näher ausgeführten komplexen Impedanzen können im einfachsten Fall Induktivitäten, in einer realen Ausführung jedoch eine beliebige Verschaltung unterschiedlicher impedanzbehafteter Schaltungselemente darstellen. Die Volumenwellenresonatoren können in an sich bekannter Weise ausgebildet sein und beispielsweise als FBAR Resonatoren. Art und Anzahl für eine erfindungsgemäße Resonatoranordnung verwendeter Teilstrukturen kann beliebig gewählt werden. Die Impedanzen können außerdem auf der Oberfläche des Substrats, auf der Oberfläche des Trägersubstrats oder als konkrete Kom ponenten außerhalb der beispielsweise in 10 dargestellten Anordnung realisiert sein.
Obwohl erfindungsgemäße Filter symmetrisch betreibbar sind, schließt dies nicht aus, sie auch ein- oder beidseitig unsymmetrisch zu betreiben. Solche Filter können dann beispielsweise balanced/unbalanced betrieben werden. Auch bei einer solchen Betriebsweise ändert sich nichts am vorteilhaften Filterverhalten erfindungsgemäßer Filter.

Claims

Mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Filter, – mit einem Eingangstor (T1) und einem Ausgangstor (T2), die beide symmetrisch betreibbar sind, – mit Signalpfaden (SP1,SP2), die sich jeweils von einem Anschluss des Eingangstor zu einem Anschluss des Ausgangstors erstrecken – umfassend eine bezüglich der Signalpfade elektrisch symmetrisch zueinander ausgebildete Anordnung (RA) von Volumenwellenresonatoren, – bei dem jeder Signalpfad zur elektrischen Anpassung mit einer komplexen Impedanz (Z,MA) verschaltet sind.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Anschlüsse zumindest eines Tores (T) mit einer komplexen Impedanz (Z,MA) verschaltet sind.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jeder Signalpfad (SP1,SP2) mit zumindest einer komplexen Impedanz (Z,MA) in Serie verschaltet ist.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die beiden Signalpfade (SP1,SP2) parallel mit einer komplexen Impedanz (Z,MA) verschaltet sind.
Filter nach Anspruch 4, bei der die Anschlüsse eines Tores (T) mit einem Querzweig überbrückt sind, in dem eine komplexe Impedanz (Z) angeordnet ist.
Filter nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Anschlüsse eines Tores (T) mit einem Querzweig zur Masse verbunden sind, in dem eine komplexe Impedanz (Z) angeordnet ist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – bei dem die Anschlüsse des einen Tores (T) mit einer komplexen Impedanz (Z,MA) in Serie verschaltet sind, – bei dem die Anschlüsse des anderen Tores parallel mit einer komplexen Impedanz (Z,MA) verschaltet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Filter eine Laddertype-Anordnung (TS1) von Volumenwellenresonatoren umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Filter eine Lattice-Anordnung (TS4) von Volumenwellenresonatoren umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Filter eine Stacked-Resonator-Anordnung oder eine CRF-Anordnung von Volumenwellenresonatoren umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Filter zumindest zwei miteinander in Serie verschaltete Teilstrukturen von Volumenwellenresonatoren umfasst, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Laddertype-Anordnung, Lattice-Anordnung und CRF-Anordnung.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die komplexe Impedanz (Z,MA) eine Induktivität umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Volumenwellenresonatoren auf einem gemeinsamen Substrat (S) angeordnet sind, bei dem das Substrat auf einem mehrschichtigen Träger (TS) angeordnet ist bei dem im Träger Schaltungsstrukturen und passive Komponenten vorgesehen sind, die komplexe Impedanzen (Z) umfassen.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, – bei dem die Volumenwellenresonatoren auf einem gemeinsamen, aus einem Halbleiterwafer ausgebildeten Substrat (S) angeordnet sind, – bei dem die komplexen Impedanzen (Z) zumindest zum Teil im Substrat integriert ausgebildet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der an einem seiner elektrischen Tore (T) balanced und am anderen Tor unbalanced verschaltet ist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem zumindest ein CRF Filter vorgesehen ist, das einen Stapel aus zumindest einem ersten Volumenwellenresonator (SE1,SR1,SE2), einer Koppelschicht (KS) und einem zweiten Volumenwellenresonator (SE3,SR2,SE4) aufweist, wobei die beiden Elektroden (SE1,SE2) des ersten Volumenwellenresonators mit dem ersten Tor, die beiden Elektroden des zweiten Volumenwellenresonators mit dem zweiten Tor verbunden sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 2 GHz, bei dem jeder Signalpfad mit zumindest einer komplexen Impedanz (Z,MA) in Serie verschaltet ist, wobei die Impedanz eine Induktivität zwischen 0,1 und 10,0 nH umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 16, mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 2 GHz, bei dem die beiden Signalpfade parallel mit einer komplexen Impedanz verschaltet sind, wobei die Impedanz eine Induktivität zwischen 10 und 100 nH umfasst.
Verwendung eines Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Diplexer.
Verwendung eines Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Kaskade von x Toren auf y Tore.