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Für Anwendungen
in der mobilen Datenübertragung,
insbesondere im Bereich der mobilen Kommunikation, sind zur Trennung
der unterschiedlichen Bändern
oder Standards zugeordneten Frequenzbereiche Passbandfilter erforderlich,
die störende
Signale unterdrücken.
Die Bandbreite eines solchen Filters muss geeignet sein, sämtliche
Frequenzen gegebenen Frequenzbereichs eines Übertragungsstandards oder eines Übertragungssystems mit
Hilfe eines Filters zu erfassen bzw. möglichst ungedämpft durchzulassen.
Im Bereich der mobilen Kommunikation sind Bandbreiten von 2 bis
5 % bezogen auf die Bandmittenfrequenz erforderlich. Für andere
Datenübertragungssysteme,
beispielsweise WLAN, können
die Bandbreiten auch höher
sein.
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Neben
dem Mobilfunk werden beispielsweise Bandpassfilter für die Frequenzbänder von
Bluetooth-Applikationen (2,40 bis 2,50 GHz) oder für Wireless-LAN
(2,40 bis 2,50 GHz und 4,90 bis 5,90 GHz) benötigt. Die Filter müssen dabei
die durch den jeweiligen Datenübertragungsstandard
geforderten Eigenschaften erfüllen,
insbesondere bezüglich
Frequenz, Bandbreite, Einfügedämpfung,
Stoppbandunterdrückung
und Flankensteilheit des Passbandes. Je nach Anforderung sind dafür unterschiedliche
Filtertechnologien einsetzbar bzw. erforderlich.
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Für Anwendungen
bei Frequenzen über
2 GHz werden häufig
Mikrowellenkeramikfilter (MWK-Filter) eingesetzt, die in monolithische
Keramikkörpern
eingebettete koaxiale Resonatoren aufweisen. Die Filter sind schmalbandig
und weisen gute Selektionseigenschaften im Nah- und Fernbereich
auf. Auch die Einfügedämpfung,
die die Verluste des Filters bestimmt, ist bei MWK-Filtern relativ
gering und liegt bei ca. 1 dB. Nachteil der MWK-Filter ist deren
vergleichsweise große
Bauform und insbesondere die große Bauhöhe, die einer Integration dieser Filter
in Module entgegensteht. Darüber
hinaus sind mit diesen Filtern ohne größeren Aufwand nur Passbänder bis
ca. 5 % Bandbreite realisierbar.
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Für Frequenzen
bis ca. 2 GHz sind SAW-Filter einsetzbar, die bei sehr kleiner Baugröße sehr gute
Nahselektionseigenschaften aufweisen. Nachteilig bei SAW-Filtern
ist deren relative hohe Einfügedämpfung von
momentan ca. 2,5 bis 3 dB und deren relativ hohe Herstellungskosten.
Darüber
hinaus ist für
Frequenzen > 2 GHz
eine hoch auflösende
Fotolithographie zur Herstellung erforderlich, die derzeit noch
nicht kostengünstig
verfügbar
ist. Auch ist die relative Bandbreite von SAW-Filtern auf etwa 5 % begrenzt.
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Möglich ist
es auch, ein Bandpassfilter unter Verwendung von LC-Resonatoren
auszubilden, die als strukturierte metallische Strukturen in mehrlagige Substrate
und insbesondere in Keramiksubstrate eingebettet sind. Diese Filter
haben den Vorteil, dass sie in sehr kompakter Bauweise zu realisieren
sind. Nachteilig ist jedoch die geringe Güte der Filter, und die Tatsache,
dass mit diesen. Filtern weder eine genaue Resonanzfrequenz noch
steile Passbandflanken realisiert werden können. Über die in Kauf zu nehmenden
Toleranzen während
der Herstellung der Mehrlagenkeramik, die sich in einem Lagenversatz von
einer Lagendickentoleranz äußern kann,
ergeben sich fertigungsbedingt außerdem Frequenzverschiebungen
der Filterkurven in der Größenordnung bis
zu einigen Prozent. Vorteilhaft sind bei diesen Filtern jedoch deren
geringe Herstellkosten, die große erzielbare
relative Bandbreite von ca. 5 bis 20 % sowie eine gute Fernabselektion,
während
die Nahse lektion nur moderat ist. Die Einfügedämpfungen sind mit 1 bis 2 dB
in der Regel höher
als bei MWK-Filtern, jedoch geringer als bei SAW-Filtern.
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FBAR-Filter
(FBAR = Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator) sind als Dünnschichtbauelemente aufgebaute
Volumenwellenresonatoren, die kompakt und schmalbandig sind und
ausgezeichnete Nahselektionseigenschaften aufweisen. FBAR-Filter
sind z. B. aus der Druckschrift
US
5,760,663 bekannt. Sie können bis hin zu sehr hohen
Frequenzen von momentan ca. 10 GHz eingesetzt werden, besitzen allerdings
eine nur moderate Fernabselektion, die sich nur unter Inkaufnahme
höherer
Verluste verbessern lässt.
Bandpassfilter mit höheren
Handbreiten lassen sich mit FBAR-Technologie derzeit nicht realisieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Filter mit guter
Nah- und Fernselektion anzugeben, welches kostengünstig, kompakt und
mit großer
Bandbreite zu realisieren ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Filter mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung besteht darin, ein bekanntes Low-Cost-Filter als Basisfilter
zu verwenden, welches eine einfache Filterfunktion mit einem breiten Passband
(oder bei einer Bandsperre Sperrband) zur Verfügung stellt. Dieses Filter
wird nun erfindungsgemäß mit hochgütigen Resonatoren
so verschaltet, dass die Filtereigenschaften an entscheidenden Stellen
so verbessert werden, dass die Filter höherwertige Anforderungen für Datenübertragungsanwendungen
erfüllen
können.
Das Basis filter ist dabei in ein Mehrlagensubstrat integriert und
durch metallische Strukturen realisiert, die in Metallisierungsebenen zwischen
den dielektrischen Schichten des Mehrlagensubstrats ausgebildet
sind. Das Basisfilter umfasst LC-Glieder,
also aus den Metallstrukturen ausgebildete Kondensatoren und Spulen
bzw. Induktivitäten
und/oder Streifenleitungsresonatoren, die ebenfalls aus den Metallstrukturen
realisiert werden können.
Der hochgütige
Resonator ist als diskrete Komponente auf dem Mehrlagensubstrat
angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter verschaltet.
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Die
Güte des
Resonators ist höher
als die des Basisfilters und weist beispielsweise den zwei- bis
fünffachen
Wert auf. Auf diese Weise gelingt es, beispielsweise bei einem als
Passband ausgebildeten Basisfilter die Flanken des Passbandes zu
versteilern. Dadurch wird insbesondere die Nachselektion verbessert.
Mit dem Einsatz der hochgütigen
Resonatoren gelingt es außerdem,
die bei der Herstellung des Mehrlagensubstrats in Kauf zu nehmenden Fertigungstoleranzen
auszugleichen bzw. die Frequenzen und Filtereigenschaften des Gesamtfilters zu
stabilisieren.
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Das
Basisfilter kann auch als Bandsperre mit einem Sperrband, Tief-
oder Hochpass ausgebildet sein.
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Die
Resonatoren werden genau an den Stellen im Frequenzband eingesetzt,
an denen das Basisfilter die gewünschten
Spezifikationen für
einen Datenübertragungsstandard
oder für
ein Übertragungsband
nicht erfüllt.
Solche Stellen können
beispielsweise konkrete zu unterdrückende Störfrequenzen sein, beispielsweise
ein benachbartes Übertragungsband
oder auch Oberwellen, die im System zu unerwünschten Effekten führen können.
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Ein
erfindungsgemäßes Filter
umfasst einen oder mehrere Resonatoren, die elektrisch seriell oder parallel
mit dem Basisfilter verschaltet sind. Die Resonanzfrequenz der Resonatoren
liegt stets abseits einer Bezugsfrequenz, vorzugsweise der Mittenfrequenz
des Basisfilters, wobei die Resonatoren in einer Variante auch kein
eigenständiges
Bandpassfilter ausbilden.
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Der
erfindungsgemäß eingesetzte
hochgütige
Resonator kann in unterschiedlichen Technologien gefertigt werden.
Möglich
ist es, diesen als SAW-Resonator, als FBRR-Resonator, als MEMS-Resonator oder als
hochgütige
Spule auszuführen.
Insbesondere als SAW-Resonator oder als FBAR-Resonator ausgebildet
wird ein kompaktes Filter geringer Bauhöhe erhalten.
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Mit
einem FBAR-Resonator wird ein erfindungsgemäßes Filter erhalten, dessen
Einfügedämpfung niedriger
ist als die eines ausschließlich aus
FBAR-Resonatoren hergestellten Filters und nur leicht höher ist
als die eines nur aus LC-Gliedern hergestellten integrierten Filters.
Das Basisfilter des erfindungsgemäßen Filters ist kostengünstig. Das
Filter benötigt
nur einen oder wenige zusätzliche
Resonatoren, sodass auch die Gesamtkosten des Filters niedrig sind.
Das Filter lässt
sich mit einer Bandbreite bis ca. 20 % realisieren und besitzt an
sich die bekannten guten Fernabselektionseigenschaften integrierter
LC-Filter. Wesentlich verbessert gegenüber bekannten LC-Filtern sind
jedoch die Nahselektion, die über
die steileren Passbandflanken erreicht wird, sowie die Frequenzstabilität, die durch
die geringen Fertigungstoleranzen von FBAR-Resonatoren erreicht
wird.
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Ein
erfindungsgemäßes Filter
kann mehrere Resonatoren aufweisen, die in serieller und/oder paralleler
Schaltung zum Basisfilter eingesetzt werden können.
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Für das Mehrlagensubstrat
können
unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Geeignet sind beispielsweise
Mehrlagenlaminate, wie sie beispielsweise für mehrlagige Leiterplatten
eingesetzt werden. Aufgrund der besseren dielektrischen Eigenschaften
sind jedoch keramische Mehrlagensubstrate bevorzugt. Dies sind beispielsweise
HTCC- und LTCC-Substrate, wobei Letztere aufgrund der Möglichkeit,
eine Vielzahl passiver Bauelemente zu integrieren, der niedrigeren
Herstellungstemperatur und der günstigeren
Materialien bevorzugt sind. In LTCC-Keramik ausgebildete Basisfilter
lassen sich in sehr kompakter Bauweise von derzeit beispielsweise bis
zu 2,0·1,25
mm2 realisieren, wobei insbesondere die
geringe Bauhöhe
von derzeit erreichbaren 0,8 mm als besonderer Vorteil zu nennen
ist. Die Fernabselektion ist besser als 40 dB. Zusammen mit der
diskreten Resonatorkomponente, die als SAW-Resonator oder FBAR-Resonator ebenfalls
in geringer Bauhöhe
ausführbar
ist, wird auch insgesamt ein kompaktes Filter geringer Bauhöhe und geringer
Fläche erhalten.
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Besonders
vorteilhaft ist es möglich,
das Mehrlagensubstrat als Substrat für ein Modul zu verwenden, in
das neben weiteren Komponenten und Funktionen das erfindungsgemäße Filter
integriert ist. Das Modul. kann in das Mehrlagensubstrat integriert
weitere Schaltungskomponenten umfassen, beispielsweise Anpassungselemente
wie Induktivitäten
und Kapazitäten.
Auf der Oberfläche
des Mehrlagensubstrats können
weiter diskrete Komponenten angeordnet sein, beispielsweise weitere
hochgütige Resonatoren
oder auch integrierte Halbleiter-Bauelemente,
in denen Schalt- oder Verstärker
funktionen des Moduls verwirklicht sein können. Als diskrete Komponenten
auf dem Mehrlagensubstrat angeordnete ICs können auch zur weiteren Signalerzeugung oder
-verarbeitung eingesetzt werden oder beispielsweise auch nur das
Signal verstärken.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzten
hochgütigen
Resonatoren können
zur Erzeugung von Polstellen (= Frequenzfalle, Notch) in einem gegen
Masse geschalteten Parallelzweig angeordnet werden. Ein solcher „paralleler" Resonator erzeugt
bei seiner Resonanzfrequenz eine Polstelle im Übertragungsverhalten des Gesamtfilters.
Dort wird das Signal besonders gut gedämpft. Die Breite einer solchen
Polstelle ist von der Bandbreite bzw. der Kopplung des Resonators
bestimmt.
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Ein
im Signalpfad des Filters seriell angeordneter Resonator kann insbesondere
zur Formung der Passbandflanke eingesetzt werden, so dass dessen Resonanzfrequenz
dazu im Bereich der Passbandflanke des erfindungsgemäßen Filters
ausgewählt ist.
Dabei ist es möglich,
beide Flanken des Passbandes zu versteilern.
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Eine
besonders breitbandige Unterdrückung bestimmter
Frequenzen wird erreicht, indem mehrere Resonatoren mit jeweils
unterschiedlichen, jedoch einander direkt benachbarten Resonanzfrequenzen rund
um die auszufilternde Störfrequenz
eingesetzt und parallel zum Signalbandpfad gegen Masse geschaltet
werden. Mehrere Resonatoren können
vorteilhaft auf demselben Substrat angeordnet sein. Um für unterschiedliche
FBAR-Resonatoren
auf einem gemeinsamen Substrat unterschiedliche Resonanzfrequenzen
zu ermöglichen,
können
die FBAR-Resonatoren
jeweils eine Abstimmschicht aufweisen, die vorzugsweise als oberste
Schicht des FBAR-Resonators ausgebildet ist. Mit Hilfe einer unterschiedlich dick
gewählten
Abstimm schicht gelingt es, die Resonanzfrequenz von unterschiedlichen
FBAR-Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat innerhalb gewisser
Grenzen unterschiedlich einzustellen bzw. nachzujustieren.
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Ein
FBAR-Resonator wird vorzugsweise in Dünnschichttechnik über einem
Substrat erzeugt, umfasst zumindest eine piezoelektrische Schicht,
die zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet ist, und kann prinzipiell
in Membrantechnologie, bei der die aktive Fläche des Resonators beiderseits
gegen Luft schwingt, oder als SMR-Typ-Resonator (solidly mounted
resonator) ausgebildet sein, der auf festem Untergrund angeordnet
ist und daher einen akustischen Spiegel erfordert, um die akustische
Energie innerhalb des Resonators zu halten. Der akustische Spiegel
umfasst üblicherweise
eine alternierende Abfolge von Schichten mit hoher und niedriger
akustischer Impedanz. Die Dicke der Spiegelschichten beträgt dabei
ca. ¼ der
Länge der
akustischen Welle in dieser Spiegelschicht. Die piezoelektrische
Schicht dagegen weist üblicherweise
eine Schichtdicke von λ/2
auf und bestimmt über
ihre Schichtdicke die Resonanzfrequenz des Resonators.
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Durch
entsprechendes Einstellen der Spiegelschicht ist es auch möglich, in
einem solchen FBAR-Resonator einen höheren Schwingungsmodus anzuregen
und parallel dazu den Grundmodus zu unterdrücken. Bei gleichbleibender
Dicke der piezoelektrischen Schicht können so höhere Resonanzfrequenzen erzielt
werden. Dies gelingt, indem die Spiegelschichten auf die Frequenz
des höheren
gewünschten
anzuregenden Modus abgestimmt werden, sodass der akustische Spiegel
für Schwingungen
in der Grundmode durchlässig
wird, sodass sich hier keine Resonanz ausbilden kann.
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Mit
einem derart ausgestalteten FBAR-Resonator gelingt es, die maximal
erreichbare Resonanzfrequenz nochmals wesentlich zu steigern, ohne dass
dazu die Schichtdicken des Resonators selbst modifiziert werden
müssen.
Dies ist insbesondere für hochfrequente
Anwendungen > 5 GHz
von Vorteil, wobei mit dieser Methode die bislang erreichbare maximale
Resonanzfrequenz noch einmal zumindest verdoppelt werden kann, ohne
die Schichtdicken wesentlich zu reduzieren.
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Die
zumindest eine diskrete Komponente kann auf der Oberfläche des
Mehrlagensubstrats in unterschiedlichen Techniken montiert sein.
Möglich ist
es beispielsweise, sie als Bare Die auf dem Chip zu befestigen und
beispielsweise mit der Rückseite aufzukleben.
Die Kontaktierung erfolgt dann über Drahtbonden
auf der oben liegenden Vorderseite (face up). Möglich sind jedoch auch Flip-Chip-Anordnungen
(face down), die für
akustische Komponenten besonders vorteilhaft sind. Mit Flip-Chip-Technologie
aufgebrachte diskrete Komponenten können in einfacher Weise mit
einer Folie abgedeckt werden, die über den diskreten Komponenten
aufliegt und allseits mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats
abschließt.
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Auf
dieser Folie kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
noch eine Metallschicht angeordnet werden. Auf diese Weise wird
ein besonders dichter hermetischer Verschluss der Komponenten bzw.
eine gute Abdichtung erzielt. Zusätzlich gelingt es mit der Metallschicht,
eine HF-Abschirmung für
das Bauelement bzw. eine HF-Abschirmung des Bauelements zu realisieren.
Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Metallschicht mit einem
Masseanschluss des Filters elektrisch leitend zu verbinden. Dies
gelingt in einfacher Weise, indem die Metallschicht, die dicht mit
der Oberfläche
des Mehrlagensubstrats abschließt,
an einer Stelle Kontakt mit einer Metallisierung besitzt, deren
Metallstruktur durch das Innere des Mehrlagensubstrats hindurch
mit einem Masseanschluss des Filters auf der Unterseite des Mehrlagensubstrats
verbunden ist.
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In
vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Mehrlagensubstrat
mehrere Filterkomponenten aufweisen, also zumindest ein weiteres
Basisfilter und zumindest einen damit verbundenen Resonator. Auf
diese Weise gelingt es, auf einem einzigen Mehrlagensubstrat ein
mehrere Filter umfassendes Modul, einen Duplexer oder einen Diiplexer
zu realisieren.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren dienen zur Veranschaulichung der Erfindung und sind daher
teils nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Aus
den Figuren lassen sich daher weder absolute noch relative Maßangaben
entnehmen.
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1 zeigt
das Durchlassverhalten eines bekannten LC-Filters auf LTCC,
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2 zeigt
das dazugehörige
Ersatzschaltbild,
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3 zeigt
die Durchlasskurve dieses Filters,
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4 zeigt
ein zweites erfindungsgemäßes Filter
im Ersatzschaltbild,
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5 zeigt
die Durchlasskurve dieses Filters,
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6 zeigt
ein erfindungsgemäßes Bauelement
im schematischen Querschnitt,
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7 zeigt
ein erfindungsgemäßes Bauelement
mit Verkapselung anhand eines schematischen Querschnitts.
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1 zeigt
die Durchlasskurve eines bekannten, in einem LTCC-Substrat realisierten
LC-Filters, welches hier ein Passband zwischen 5000 und 5400 MHz
aufweist, entsprechend 8 % relativer Bandbreite. Die Fernabselektion
ist besser als 40 dB, im Nahbereich ist jedoch aufgrund einer nur
flach abfallenden Passbandkante eine nur moderate Nahselektion zu
beobachten. Die Einfügedämpfung liegt
bei ca. 1,5 dB. Es ist ersichtlich, dass dieses bekannte Filter
bei einer Frequenz von 4,5 GHz, also ca. 10 % unterhalb der Passbandkante
eine Selektion von nur 20 dB aufweist.
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Ein
derartiges Filter wird nun erfindungsgemäß dadurch variiert, dass es
mit zumindest einem seriellen und/oder parallelen FBAR-Resonator
zu einem erfindungsgemäßen Filter
verschaltet wird.
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2 zeigt
eine einfache Ausführung
eines erfindungsgemäßen Filters,
bestehend aus einem Basisfilter BF, das durch metallische Strukturen
innerhalb eines LTCC-Mehrlagensubstrats realisiert ist. Dieses Basisfilter
umfasst drei serielle Kapazitäten
C1, C2 und C3, sowie zwei Querzweige zur Masse, die zwischen Cl
und C2 sowie zwischen C2 und C3 angeordnet sind. In den Querzweige
ist jeweils eine weitere Kapazität
C4, C5 angeordnet. An den gleichen Verzweigungsstellen sind zwei
weitere Querzweige zur Masse geschaltet, in denen seriell eine Induktivität und eine
Kapazität
(L1, C6; L2, C7) geschaltet sind.
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Hinter
ein Anpasselement AE1, welches ebenfalls in dem Mehrlagensubstrat
als serielle Induktivität
verwirklicht ist, ist in Serie ein erster FBAR-Resonator R1 geschaltet.
Nach diesem Resonator zur Masse abzweigend ist in einem Querzweig ein
zweiter FBAR-Resonator R2 geschaltet, wobei parallel zu diesem FBAR-Resonator
als zweites Anpasselement AE2 eine weitere Induktivität geschaltet ist.
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Sämtliche
LC-Glieder des Basisfilters BF sowie die beiden Anpasselemente AE1,
AE2 sind als metallische Strukturen innerhalb der LTCC-Keramik, also
innerhalb des Mehrlagensubstrats ML, verwirklicht, was in der Figur
durch die gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen ML angedeutet
ist. Die beiden FBAR-Resonatoren
R1 und R2 sind als diskrete Komponenten ausgeführt, die z. B. auf der Oberfläche des
Mehrlagensubstrats angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter
BF verbunden sind.
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Das
zugrunde liegende Basisfilter ist als Zweipol-LC-Filter für ein Passband
von 2,40 bis 2,50 GHz ausgelegt. Die erfindungsgemäß am Eingang und/oder
Ausgang des Basisfilters BF über
Anpassungselemente AE geschalteten FBAR-Resonatoren werden so dimensioniert,
dass die linke Flanke des Passbandes versteilert werden kann. Dazu
werden mit Hilfe der zwei FBAR-Resonatoren
R1, R2 zwei zusätzliche
Polstellen (Notches) bei ca. 2,17 GHz erzeugt. Diese Polstellen
liegen nahe beieinander aber bei unterschiedlichen Frequenzen, sodass
das Gesamtfilter eine breitbandigere Unterdrückung über beide Polstellen hinweg
aufweist.
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3 zeigt
die Durchlasskurve 1 dieses ersten Ausführungsbeispiels, die in der
Figur der Durchlasskurve 2 des zugrundeliegenden Basisfilters
BF gegenübergestellt
ist. Deutlich erkennbar sind die beiden Polstellen N1, N2 in der
Kurve 1, die von den beiden FBAR-Resonatoren R1, R2 herrühren. Rechts
der Polstellen ist die Filterkurve 1 dadurch gegenüber der
Filterkurve 2 des Basisfilters wesentlich versteilert.
Während
die Durchlasskurve 2 des Basisfilters von der Passbandkante
bei ca. 2,40 GHz ab von –1,4
dB auf nur –11
dB abfällt,
zeigt das erfindungsgemäße Filter
im selben Intervall eine auf –27 dB
gestiegene Unterdrückung,
ausgehend allerdings von einem leicht erhöhten Wert von –1,9 dB
an der Passbandkante. Es ergibt sich also eine signifikante Verbesserung
der Nahbereichsselektion bei nur geringfügig erhöhter Einfügedämpfung.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel, welches
ausgehend von einem Zweipol-LC-Basisfilter BF durch Zuschaltung
von FBAR-Resonatoren und Anpassungselementen erweitert ist. Das
Basisfilter ist auf ein Passband von 4,9 bis 5,9 GHz ausgelegt.
Die Versteilerung der linken Passbandkante wird erreicht, indem
an Ein- bzw. Ausgang des Basisfilters insgesamt drei FBAR-Resonatoren
R1 bis R3 dazugeschaltet werden, wobei die Resonatoren R1 und R3
als serielle Resonatoren im seriellen Zweig angeordnet sind, der
Resonator R2 dagegen in einem Parallelzweig gegen Masse geschaltet
wird. Zwischen Basisfilter BF und dem ersten FBAR-Resonator R1 ist
als Anpasselement eine serielle Induktivität AE1 geschaltet. Parallel
zum Resonator R2 im Parallelzweig ist ein weiteres Anpasselement
AE2 in Form einer weiteren Induktivität geschaltet. Ein drittes Anpasselement
AE3 ist ebenfalls als Induktivität ausgebildet
und hinter den FBAR-Resonator R3 in Serie zu diesem geschaltet.
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Das
Basisfilter besteht aus zwei Schwingkreisen SK1, SK2, in denen jeweils
eine Kapazität
Cl, C5 und eine Induktivität
L1, L3 parallel gegen Masse geschaltet sind. Zwischen den beiden Schwingkreisen
ist ein weiterer Parallelzweig gegen Masse geschaltet, in dem eine
zweite Induktivität
L2 in Serie mit einer Kapazität
C4 geschaltet ist. Zwischen jeweils zwei der drei Parallelzweige
ist noch je eine Kapazität
C2, C3 im seriellen Zweig angeordnet.
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Alle
LC-Glieder des Basisfilters BF sowie die Anpasselemente AE1 bis
AE3 sind in Form metallischer Strukturen in den Metallisierungsebenen
einer LTCC-Keramik ausgebildet, die das Mehrlagensubstrat realisiert.
Die drei FBAR-Resonatoren sind als diskrete Komponenten ausgebildet
und z.B. auf der Oberfläche
des Mehrlagensubstrats angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter
verbunden. Die FBAR-Resonatoren R können als drei unterschiedliche
Elemente realisiert werden, sind vorzugsweise jedoch auf einem einzigen
Substrat angeordnet, wobei beispielsweise eine Anpassungsschicht
auf zweien der Resonatoren für
einen Unterschied in der Resonanzfrequenz zwischen allen drei FBAR-Resonatoren
R1 bis R3 sorgt.
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5 zeigt
die Durchlasskurve des in 4 dargestellten
erfindungsgemäßen Filters,
die wiederum der Durchlasskurve 2 des eingesetzten Basisfilters
(ohne FBAR-Resonatoren) gegenübergestellt ist.
Mit Hilfe der drei FBAR-Resonatoren werden drei Frequenzfallen (Notch)
bei ca. 4,5 GHz erzeugt, die bei Frequenzen von ca. 10 % unterhalb
der linken (unteren) Passbandkante die Selektion auf ca. 30 dB erhöhen. Gleichzeitig
zeigt das gegenüber
dem Basisfilter BF unveränderte
Passband des erfindungsgemäßen Filters
eine sehr hohe relative Bandbreite. Die zusätzliche Einfügedämpfung erhöht sich
von ca. –2,25
auf ca.
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–3,4 dB.
Dieses erfindungsgemäße Filter zeichnet
sich daher durch ein breites Passband und eine hervorragende Nahselektion
bei gleichzeitig moderater Einfügedämpfung aus.
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6 zeigt
anhand eines schematischen Querschnitts durch ein Mehrlagensubstrat
ML und den darauf angeordneten und innerhalb oder auf einem Chip
ausgebildeten Resonator R den geometrischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filters.
Das Mehrlagensubstrat ML umfasst eine Mehrzahl dielektrischer Schichten
DL, von denen in der Figur drei dargestellt sind. Zwischen jeweils
zwei benachbarten dielektrischen Schichten DL sind metallische Strukturen
MS angeordnet, wobei die Verbindung zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen
bzw. zwischen den Strukturen in unterschiedlichen Metallisierungsebenen über Durchkontaktierungen
durch dielektrische Schichten vorgenommen ist. Die nur schematisch
angedeuteten metallischen Strukturen MS bilden die im Basisfilter
BF benötigten
Kapazitäten und
Induktivitäten
aus. Alternativ ist es auch möglich, dass
die Metallstrukturen MS Streifenleitungsresonatoren ausbilden, beispielsweise
in Form zweier paralleler Leitungsbahnen einer elektrischen Länge von λ/4. Der in
der Figur mit R bezeichnete Resonator umfasst hier ein Bauelement,
in dem jedoch auch mehrere Resonatoren realisiert sein können, wie
hier auch durch die Anzahl von vier elektrischen Kontakten zum Basisfilter
angedeutet ist. Mehrere Resonatoren können auch auf mehreren Substraten
realisiert sein. An der Unterseite des Mehrlagensubstrats ML befinden
sich die Außenkontakte
AK des Filters, über
die es elektrisch kontaktiert werden kann. Der mittlere Außenkontakt
AK2 kann beispielsweise als Massenanschluss vorgesehen sein.
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7 zeigt
in noch schematischerer Darstellung einen Querschnitt durch eine
weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Filters, bei der der Aufbau
der Metallstrukturen MS zwischen den beiden dielektrischen Schichten
DL1, DL2 nur angedeutet ist. Auf dem Mehrlagensubstrat ML sind hier
zwei diskrete Komponenten, nämlich
die beiden Resonatoren R1 und R2, vorzugsweise als Chip Bauelemente,
angeordnet und beispielsweise über Flip-Chip-Technologie
mit dem Mehrlagensubstrat verbunden, wobei die eingesetzten Bumpverbindungen
gleichzeitig elektrische und mechanische Anbindungen der Resonatoren
R darstellen. Allseitig mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats
ML abschließend
ist über
die Rückseite
der Resonatoren R eine Abdeckfolie AF aufgebracht und beispielsweise
auflaminiert. Dies kann eine gegebenenfalls mehrschichtige Kunststofffolie
sein, deren Auflaminierprozess durch erhöhte Temperatur und Druck und
gegebenenfalls Unterdruck zwischen Mehrlagensubstrat und Abdeckfolie
AF unterstützt
werden kann. Über der
Abdeckfolie AF wiederum ist eine Metallschicht SM aufgebracht, beispielsweise
durch Aufsputtern, Aufdampfen oder andere geeignete Prozesse. Auch die
Metallschicht MS schließt
allseitig mit der Oberfläche
des Mehrlagensubstrats ML ab und stellt durch die feste Verbindung
der Metallschicht SM mit der Oberfläche der LTCC-Keramik eine hermetisch
dichte Verkapselung der Resonatoren dar. Die beiden Resonatoren
R1, R2 können
mit einem einzigen Basisfilter BF verbunden sein. Möglich ist
es jedoch auch, mehrere Basisfilter im Mehrlagensubstrat ML zu realisieren
und jedes dieser Basisfilter mit einem oder mehreren Resonatoren
zu einem erfindungsgemäßen Filter
zu verbinden, die insgesamt auf einem einzigen gemeinsamen Mehrlagensubstrat
aufgebaut sind.
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Die
FBAR-Resonatoren können
als „Bare Die" eingesetzt werden,
was eine kostengünstige Ausführungsmöglichkeit
darstellt. Die in der 7 dargestellte Verkapselung
hat weiterhin den Vorteil, dass sie die Bauhöhe des Filters nur unwesentlich
erhöht.
Die Metallschicht kann über
entsprechende Kontakte auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats und
die damit verbundenen Durchkontaktierungen und metallischen Strukturen
mit einem Masseanschluss, der als Außenkontakt AK auf der Unterseite des
Mehrlagensubstrats ML ausgebildet ist, elektrisch leitend verbunden
sein.
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Neben
der dargestellten Verkapselung über Folien
ist es auch möglich,
diese zusätzlich
oder alternativ mit einer umspritzten Abdeckung oder mit einer vergossenen
Abdeckung zu versehen. Sofern die Resonatoren empfindliche Strukturen
auf der Oberfläche
tragen, die bei einer Flip-Chip-Anordnung hin zum Mehrlagensubstrat
weist, kann der Zwischenraum zwischen Resonator und Oberfläche des
Mehrlagensubstrats im Randgebiet der Resonatoren mit einem Underfiller
abgedichtet sein. Möglich
ist es natürlich
auch, über
die Resonatoren vorgefertigte Gehäuseteile in Form von Abdeckkappen
aufzusetzen und fest mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats zu
verbinden.
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Obwohl
die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Variationen ergeben sich insbesondere
in der genauen Ausführung
des Basisfilters, in der Anzahl und der Verschaltung der Resonatoren
sowie im Aufbau des Mehrlagensubstrats, welches keinesfalls auf
die genannte LTCC-Keramik beschränkt
ist. Sämtliche
Metallisierungen können aus
einem beliebigen Metall ausgeführt
sein, welches lediglich bei aus Keramik ausgeführten Mehrlagensubstraten den
Sinterbedingungen gegenüber beständig sein
sollte. Nicht dargestellt wurden auch höher integrierte Module, die
neben dem Basisfilter, den Resonatoren und den Anpasselementen weitere Schaltungselemente
aufweisen, die als integrierte Elemente im Mehrlagensubstrat integriert
oder als diskrete Komponenten auf der Oberfläche des Mehrlagensubstrats
angeordnet sind.