DE102005031375B4

DE102005031375B4 - Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement

Info

Publication number: DE102005031375B4
Application number: DE200510031375
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidhammer Edgar
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: DE102005031375A1

Abstract

Elektroakustisches Bauelement, umfassend – einen Signalpfad (SP), – eine erste Schaltung (F1) mit mindestens einem mit akustischen Wellen arbeitenden Resonator (SR1, SR2, SR3, PR1, PR2), – eine zweite Schaltung (F21, F22, F23, F24) mit einer elektromagnetischen Bandgap-Anordnung, wobei – die elektromagnetischen Bandgap-Anordnung elektromagnetische Bandgap Strukturen (Z1, Z2, I1, I2) aufweist, die elektromagnetische Wellen in einem Sperrbereich (SB2) dämpfen und – die erste Schaltung (F1) und die zweite Schaltung (F21, F22) mit dem Signalpfad (SP) verschaltet sind.

Description

Es wird ein elektrisches Bauelement mit einem Filter angegeben, das mit akustischen Wellen arbeitet.
Mit akustischen Volumenwellen arbeitende Filter sind beispielsweise aus der Druckschrift US 5 873 154 A , US 5 630 949 A bekannt.
Aus der Druckschrift US 2003/0020567 A1 sind Substrate mit EBG (EBG-Electromagnetic Bandgap) in einer planaren oder 3D Architektur bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verlustarmes mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben.
Es wird ein elektroakustisches Bauelement angegeben, das eine elektromagnetischen Bandgap-Anordnung mit elektromagnetischen Bandgap Strukturen umfasst, wobei diese Anordnung elektromagnetische Wellen in einem Sperrbereich dämpft. Die Bandgap-Anordnung ist Teil einer zweiten Schaltung, die mit einer ersten Schaltung und mit einem Signalpfad im Bauelement enthalten sind. Die erste Schaltung hat dabei zumindest einen mit akustischen Wellen arbeitenden Resonator. Die erste Schaltung und die zweite Schaltung sind mit dem Signalpfad verschaltet.
Unter elektromagnetischen Bandgap Strukturen, oder EBG-Strukturen, werden einen Impedanzsprung aufweisende, gleichartige Zellen verstanden, deren Anordnung ein elektromagnetisches Signal dämpft.
Zuleitungen eines elektroakustischen Filters können eine EBG-Struktur aufweisen. Auch Verbindungen zwischen Resonatoren eines solchen Filters können eine EBG-Struktur aufweisen. Ein elektroakustisches Filter kann mit einer Antenne verschaltet sein, die eine EBG-Struktur aufweist.
Mit der Bandgap-Anordnung (EBG-Struktur) der zweiten Schaltung gelingt es, elektrische Eigenschaften des elektroakustischen (ersten) Filters wie z. B. seine Selektion, d. h. Unterdrückung von Störsignalen zu verbessern.
Die Resonatoren der ersten Schaltung können auf einem gemeinsamen Trägersubstrat z. B. aus Keramik, FR4, Si oder einem organischen Material angeordnet sein. Die EBG-Struktur kann vorzugsweise in Streifenleitungstechnik im oder auf dem Trägersubstrat realisiert sein.
Die erste Schaltung ist vorzugsweise ein Bandpass. Die erste Schaltung kann aber auch ein Tiefpass, ein Hochpass oder ein Bandstopp sein.
Die Resonatoren können in einer Variante mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren sein. Die Resonatoren können aber auch mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) oder mit geführten Volumenwellen (GBAW) arbeitende Resonatoren sein. In einer weiteren Variante können die Resonatoren auch in einer MEMS-Technologie ausgeführt sein (MEMS = Mikro-Elektro-Mechanisches System).
Ein mit Volumenwellen arbeitender Resonator weist mindestens eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Resonatorstapel sind auch möglich.
Ein mit Oberflächenwellen arbeitender Resonator weist mindestens einen auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten elektroakustischen Wandler in einer akustischen Spur auf, die in der Regel durch zwei Reflektoren begrenzt ist.
Die Resonatoren können als Mehrtor-Resonatoren oder DMS-Filter ausgeführt sein.
Das Bauelement ist vorzugsweise als Chip ausgebildet. Die zweite Schaltung ist vorzugsweise Bestandteil dieses Chips. Die zweite Schaltung kann alternativ in einem weiteren Chip ausgebildet und mit dem Bauelement-Chip z. B. über eine Leiterplatte leitend verbunden sein. Die zweite Schaltung kann auch in der Leiterplatte ausgebildet sein, auf der das Bauelement montiert und mit der es leitend verbunden ist. Die erste und die zweite Schaltung können auch in einem gemeinsamen Gehäuse ausgeführt sein.
Die Bandgap-Anordnung umfasst im wesentlichen periodisch angeordnete, vorzugsweise identisch ausgebildete Zellen, wobei innerhalb einer Zelle oder zwischen zwei Zellen ein Impedanzsprung stattfindet. Diese Zellen sind in Wellenausbreitungsrichtung und/oder quer zu dieser Richtung hintereinander angeordnet. Die Länge einer Zelle ist vorzugsweise gleich einer halben Wellenlänge bei einer Sperrfrequenz aus dem Sperrbereich der zweiten Schaltung.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Schaltung eine Streifenleitung auf, welche die folgenden Komponenten umfasst: mindestens eine dielektrische Schicht, einen auf einer dielektrischen Schicht oder zwischen zwei dielektrischen Schichten angeordneten signalführenden Streifenleiter und mindestens einen Erdleiter. Mindestens eine der genannten Komponenten der Streifenleitung weist eine Bandgap-Anordnung auf.
Der Erdleiter kann als eine Leitung ausgeführt sein. Der Erdleiter kann alternativ als eine Fläche (Massefläche) ausgeführt sein.
In einer Variante liegt der Streifenleiter und der mindestens eine Erdleiter in einer Ebene (koplanare Streifenleitung). Es können auch zwei Erdleiter in einer Ebene ausgebildet sein, zwischen denen der Streifenleiter angeordnet ist.
In einer weiteren Variante ist der Streifenleiter über einem Erdleiter angeordnet, wobei zwischen dem Streifenleiter und dem Erdleiter die dielektrische Schicht angeordnet ist. Bei einer als Triplate-Leitung ausgeführten Streifenleitung ist der Streifenleiter zwischen zwei übereinander angeordneten Erdleitern angeordnet, wobei zwischen dem Streifenleiter und dem jeweiligen Erdleiter eine dielektrische Schicht angeordnet ist.
Die Zellen einer – insbesondere eindimensionalen – Bandgap-Anordnung sind vorzugsweise in der Ausbreitungsrichtung x der elektromagnetischen Welle hintereinander angeordnet, wobei die Periodizität der Anordnung a₁ beträgt.
Die Zellen einer zweidimensionalen Bandgap-Anordnung können außerdem quer zur Wellenausbreitungsrichtung hintereinander angeordnet sein, wobei Periodizität der 2D-Bandgap-Anordnung in Wellenausbreitungsrichtung a₁ und quer zu dieser Richtung a₂ beträgt. In einer Variante sind a₁ und a₂ gleich gewählt. In einer weiteren Variante ist a₁ ≠ a₂.
In einer Variante weist der Signalleiter eine vorzugsweise eindimensionale Bandgap-Anordnung auf. Die dielektrische Schicht und/oder der Erdleiter können auch jeweils eine eigene z. B. ein- oder zweidimensionale Bandgap-Anordnung aufweisen. Die Periodizität einer Bandgap-Anordnung ist in einer Variante unabhängig bzw. unterschiedlich von der Periodizität der übrigen Bandgap-Anordnungen derselben Signalleitung. Periodizitäten von zwei Bandgap-Anordnungen derselben Signalleitung können aber auch einander gleich sein.
Die Bandgap-Anordnung kann in einer Variante dreidimensional sein, wobei z. B. die dielektrische Schicht in drei Raumrichtungen eine periodische Struktur aufweist.
Die Zellen einer eindimensionalen Bandgap-Anordnung sind vorzugsweise jeweils einem Abschnitt des Streifenleiters zugeordnet. Die Bandgap-Anordnung des Streifenleiters weist in Wellenausbreitungsrichtung periodisch angeordnete Aussparungen auf.
Die Zellen einer ein- oder zweidimensionalen Bandgap-Anordnung können jeweils einem Abschnitt des Erdleiters zugeordnet sein. Die Zellen einer weiteren ein- oder zweidimensionalen Bandgap-Anordnung können jeweils der dielektrischen Schicht zugeordnet sein. Jede der genannten Bandgap-Anordnungen kann einzeln oder in Kombination mit einer anderen Bandgap-Anordnung bei einer Signalleitung eingesetzt werden.
Die Bandgap-Anordnung des Erdleiters weist in einer Variante zumindest im Bereich des Streifenleiters periodisch angeordnete Aussparungen auf.
Die Bandgap-Anordnung der dielektrischen Schicht weist in einer Variante zumindest im Bereich des Streifenleiters periodisch angeordnete Einschlüsse auf, deren Dielektrizitätskonstante sich von der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht unterscheidet.
Der Sperrbereich der zweiten Schaltung kann im unteren oder oberen Sperrbereich der ersten Schaltung liegen. Vorzugsweise liegt eine zu unterdrückende Frequenz, die ein Vielfaches einer Frequenz innerhalb des Lurchlassbereichs der ersten Schaltung beträgt, im Sperrbereich der zweiten Schaltung. Somit können Oberwellen eines Nutzsignals besonders effizient unterdrückt werden.
Der Sperrbereich der im Signalpfad angeordneten zweiten Schaltung kann in einer weiteren Variante im Durchlassbereich der ersten Schaltung liegen. Somit gelingt es insbesondere, im Durchlassbereich der ersten Schaltung einen bestimmten, vorzugsweise schmalbandigen Frequenzbereich zu unterdrücken (wie bei einem Notch-Filter).
Die dielektrische Schicht und/oder der Erdleiter weist vorzugsweise insbesondere bei einer im Signalpfad angeordneten zweiten Schaltung im Bereich des signalführenden Streifenleiters eine Bandgap-Anordnung auf, die Signale im Passband der ersten Schaltung dämpft.
Die erste Schaltung umfasst in einem Ausführungsbeispiel mindestens einen Querzweig, in dem einer seiner Resonatoren und die zweite Schaltung angeordnet ist. Der Durchlassbereich der zweiten Schaltung liegt dabei vorzugsweise im unteren oder oberen Sperrbereich der ersten Schaltung.
Eine zu unterdrückende Frequenz, die ein Vielfaches einer Frequenz innerhalb eines Durchlassbereichs der ersten Schaltung beträgt, liegt vorzugsweise im Durchlassbereich der im Querzweig angeordneten zweiten Schaltung.
Der Durchlassbereich der im Querzweig angeordneten zweiten Schaltung kann auch im Durchlassbereich der ersten Schaltung liegen.
Das Bauelement wird im Folgenden anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert. Es zeigen ausschnittsweise:
1 ein Bauelement mit einem elektroakustischen Filter und weiteren Filtern, die jeweils eine Anordnung von elektromagnetischen Bandgap Strukturen aufweisen, für eine unsymmetrische Signalpfadführung;
2 ein Bauelement mit einem elektroakustischen Filter und weiteren Filtern, die jeweils eine Anordnung von elektromagnetischen Bandgap Strukturen aufweisen, für eine symmetrische Signalpfadführung;
3A einen in Zellen mit EBG-Strukturen aufgeteilten Streifenleiter;
3B eine in Zellen mit EBG-Strukturen aufgeteilte Massefläche;
4, 5 jeweils eine koplanare Streifenleitung mit einem in Zellen aufgeteilten Streifenleiter und in Zellen aufgeteilten Masseflächen;
6A eine koplanare Streifenleitung mit einem EBG-Strukturen aufweisenden Streifenleiter;
6B eine koplanare Streifenleitung, bei der Masseflächen zum Streifenleiter gewandte EBG-Strukturen aufweisen;
6C eine koplanare Streifenleitung mit einem EBG-Strukturen aufweisenden Streifenleiter, bei der Masseflächen weitere zum Streifenleiter gewandte EBG-Strukturen aufweisen;
7 eine Massefläche gemäß 3B mit Zellen, die EBG-Strukturen aufweisen;
8A Draufsicht auf eine Streifenleitung, die als eine Mikrosteifenleitung (8B) oder eine Triplate-Leitung (8C) mit einem EBG-Substrat ausgebildet ist, wobei EBG-Einschlüsse entlang des Streifenleiters angeordnet sind;
8B, 8C die Streifenleitung gemäß 8A oder 9 im Querschnitt;
9 eine Streifenleitung, die als eine Mikrosteifenleitung (8B) oder eine Triplate-Leitung (8C) mit einem EBG-Substrat ausgebildet ist, wobei EBG-Einschlüsse im Nahbereich des Streifenleiters angeordnet sind;
10A, 11 jeweils die Draufsicht auf eine Koplanarleitung mit einem EBG-Substrat;
10B die Koplanarleitung gemäß 10A im Querschnitt;
12A, 12B jeweils eine Variante der in 10A und 10B gezeigten Koplanarleitung;
13 Anordnung von Einschlüssen, die verschiedene Breiten und/oder Periodizitäten in x- und y-Richtungen aufweisen;
14A Draufsicht auf Streifenleiter von zwei Streifenleitungen gemäß 14B, die mittels eines EBG-Substrats voneinander zu entkoppeln sind;
14B Draufsicht auf zwei mittels eines EBG-Substrats voneinander zu entkoppelnden Streifenleitungen, die als Triplate-Leitungen ausgeführt sind;
15A Übertragungsfunktion einer als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
15B Übertragungsfunktion einer als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung, einer als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung sowie die resultierende Übertragungsfunktion;
15C Übertragungsfunktion einer als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung, einer als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im Durchlassbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die resultierende Übertragungsfunktion;
16A Übertragungsfunktion einer als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
16B Übertragungsfunktion einer als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei der Sperrbereich der zweiten Schaltung im Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
16C Übertragungsfunktion einer als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung, einer als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im Durchlassbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die resultierende Übertragungsfunktion;
17A Übertragungsfunktion einer als Bandpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im niederfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die Übertragungsfunktion des EBG-Substrats;
17B Übertragungsfunktion einer als Bandpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im höherfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die Übertragungsfunktion des EBG-Substrats;
17C Übertragungsfunktion einer als Bandpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer im Signalpfad angeordneten EBG-Signalleitung, wobei der Sperrbereich der zweiten Schaltung im höherfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die Übertragungsfunktion des EBG-Substrats;
18A Übertragungsfunktion einer als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Passband der zweiten Schaltung im Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
18B Übertragungsfunktion einer als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Passband der zweiten Schaltung im Durchlassbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die resultierende Übertragungsfunktion;
19A Übertragungsfunktion einer als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Passband der zweiten Schaltung im Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
19B Übertragungsfunktion einer als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei der Durchlassbereich der zweiten Schaltung im Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
20A Übertragungsfunktion einer als Bandpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Passband der zweiten Schaltung im niederfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die Übertragungsfunktion des EBG-Substrats, wobei das Sperrband des EBG-Substrats im höherfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
20B Übertragungsfunktion einer als Bandpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei das Sperrband der zweiten Schaltung im höherfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die Übertragungsfunktion des EBG-Substrats, wobei das Sperrband des EBG-Substrats im niederfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
20C Übertragungsfunktion einer als Bandpass ausgeführten ersten Schaltung und einer als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung mit einer in einem Querzweig angeordneten EBG-Signalleitung, wobei der Durchlassbereich der zweiten Schaltung im niederfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt, sowie die Übertragungsfunktion des EBG-Substrats, wobei das Sperrband des EBG-Substrats im höherfrequenten Sperrbereich der ersten Schaltung liegt;
21, 22 jeweils ein Bandpass, wobei die Signalleitung eine EBG-Anordnung aufweist.
1 zeigt eine erste Schaltung F1 in Laddertype-Anordnung für eine unsymmetrische Signalführung. Serienresonatoren SR1, SR2, SR3 sind im Signalpfad SP zwischen Eingang IN und Ausgang OUT angeordnet und in Serie mit einer zweiten Schaltung F21 (eingangsseitig) sowie einer weiteren zweiten Schaltung F22 (ausgangsseitig) geschaltet. Parallelresonatoren PR1, PR2 sind jeweils in einem Querzweig angeordnet und in Serie mit einer zweiten Schaltung F23 bzw. F24 geschaltet. Querzweige sind zwischen dem Signalpfad SP und Masse geschaltet.
2 zeigt eine erste Schaltung F1 in Laddertype-Anordnung für eine symmetrische Signalführung. Querzweige sind hier zwischen zwei Signalpfaden SP1 und SP2 geschaltet. Der erste Signalpfad SP1 verbindet einen ersten Eingangsanschluss IN1 mit einem ersten Ausgangsanschluss OUT1. Der zweite Signalpfad SP2 verbindet einen zweiten Eingangsanschluss IN2 mit einem zweiten Ausgangsanschluss OUT2. In jedem Signalpfad SP1, SP2 sind Serienresonatoren angeordnet. Das Filter F1 ist eingangsseitig an zweite Schaltungen F21, F23 und ausgangsseitig an weitere zweite Schaltungen F22, F24 angeschlossen.
Eine zweite Schaltung umfasst vorzugsweise eine Streifenleitung, die EBG-Strukturen aufweist. Elemente zweiter Filter sind in 3A bis 14B, 21 und 22 anhand des Filters F21 erläutert.
In 3A ist die Aufteilung eines Signalleiters SL in jeweils eine EBG-Struktur umfassende Zellen Z1–Z4 gezeigt. Diese Zellen bilden eine erste Bandgap-Anordnung. Die Zelllänge ist vorzugsweise λ/2, wobei λ die Wellenlänge der zu unterdrückenden elektromagnetischen Welle ist.
In 3B ist die Aufteilung eines Erdleiters GND in jeweils eine EBG-Struktur umfassende Zellen Z11–Z34 gezeigt. Diese Zellen bilden eine zweite Bandgap-Anordnung.
In 4, 5 ist angedeutet, dass die Bandgap-Anordnung des Signalleiters eine von der Bandgap-Anordnung der Erdleiter unterschiedliche Periode (d. h. Zelllänge) aufweisen kann. Mit ungleich gewählten Perioden dieser Bandgap-Anordnungen gelingt es, die Welle in longitudinaler und transversaler Richtung in unterschiedlichen Frequenzbereichen zu dämpfen.
In 4 ist die Zelllänge der ersten Bandgap-Anordnung kleiner als die – in longitudinaler und/oder in transversaler Richtung gemessene – Zelllänge der zweiten Bandgap-Anordnung. Daher ist das Sperrband der ersten Bandgap-Anordnung gegenüber dem Sperrband der zweiten Bandgap-Anordnung zu höheren Frequenzen verschoben.
In 5 ist dagegen die Zelllänge der ersten Bandgap-Anordnung größer als die – in longitudinaler und/oder in transversaler Richtung gemessene – Zelllänge der zweiten Bandgap-Anordnung.
In 6A bis 6C sind Beispiele von eindimensionalen Bandgap-Anordnungen vorgestellt.
In 6A ist eine mögliche Realisierung einer Signalleitung mit einem Signalleiter SL gemäß 3A gezeigt. Der Signalleiter SL ist hier zwischen zwei Erdleitern GND1, GND2 angeordnet. Die Erdleiter sind in dieser Variante nicht strukturiert.
In 6A ist pro Zelle zwischen dem Signalleiter SL und jedem Erdleiter GND1, GND2 ein Bügel vorgesehen, der mittels einer Brückenverbindung an den Signalleiter angeschlossen ist. Dieser Bügel ist somit mit dem Signalleiter SL induktiv und mit dem Erdleiter GND1 bzw. GND2 kapazitiv gekoppelt.
In 6B ist pro Zelle zwischen dem Signalleiter SL und jedem Erdleiter GND1, GND2 ein Bügel vorgesehen, der mittels einer Brückenverbindung an den Erdleiter GND1 bzw. GND2 angeschlossen ist. Dieser Bügel ist somit mit dem Signalleiter SL kapazitiv und mit dem Erdleiter GND1 bzw. GND2 induktiv gekoppelt.
In 6C sind Varianten gemäß 6A, 6B kombiniert. Zwischen dem Signalleiter SL und jedem Erdleiter GND1, GND2 sind zwei Bügel angeordnet, wobei der zum Erdleiter gewandte Bügel mit diesem Erdleiter verbunden ist, und wobei der zum Signalleiter gewandte Bügel mit dem Signalleiter verbunden ist.
In 7 ist eine mögliche Realisierung eines Erdleiters SL gemäß 3B gezeigt. Jede Zelle weist eine flächig ausgebildete leitende Struktur auf, die mittels brückenartiger leitender Verbindungen mit der gleichartigen flächigen Struktur einer benachbarten Zelle verbunden ist.
In 8A, 8B sowie in 9 bis 14B ist eine weitere Bandgap-Anordnung vorgestellt, bei der die dielektrische Schicht DS mit einer Dielektrizitätskonstante ε₁ Einschlüsse I1–I4 mit einer anderen Dielektrizitätskonstante ε₂ aufweist, ε₂ ≠ ε₁.
Eine Mikrostreifenleitung ist in 8A in einer Ansicht von oben und in 8B in einer Querschnittsansicht gezeigt. Der Querschnitt ist entlang der Linie AA gemacht. Die dielektrische Schicht DS ist hier zwischen dem Signalleiter SL und dem Erdleiter GND angeordnet.
Die dielektrische Schicht weist Einschlüsse I1–I4 auf, deren eindimensionale periodische Anordnung in longitudinaler Richtung x ausgerichtet ist. Die Einschlüsse I1–I4 sind unterhalb des Signalleiters angeordnet.
In 8C ist eine Variante der in 8A, 8B erläuterten Signalleitung gezeigt, bei der der Streifenleiter SL zwischen zwei Erdleitern GND angeordnet ist (Triplate-Leitung). Zwischen dem Streifenleiter SL und jedem Erdleitern GND ist eine dielektrische Schicht DS angeordnet. Dabei sind beide dielektrischen Schichten wie in 8A strukturiert.
In den 9 und 10A ist eine zweidimensionale Bandgap-Anordnung der dielektrischen Schicht vorgestellt. Die Periodizität a₁ dieser Anordnung in longitudinaler Richtung stimmt hier mit deren Periodizität a₂ in transversaler Richtung überein.
Der Querschnitt der Streifenleitung gemäß 9 entspricht 8B oder 8C. Der Querschnitt der Streifenleitung gemäß 10A, 11, 12A und 12B (Koplanarleitung mit zwei Erdleitern) ist in 10B gezeigt.
Die Einschlüsse können wie in den 9 und 10A eine Matrix mit Spalten und Reihen bilden. Die Einschlüsse können alternativ wie in 11 eine Schachbrett-Anordnung bilden.
Die Querschnittsgröße der Einschlüsse kann grundsätzlich wie in 9, 10A und 11 kleiner als die Breite des Signalleiters sein. Die Querschnittsgröße der Einschlüsse kann aber auch größer als die Breite des Signalleiters sein.
Die Form der Einschlüsse kann, muss aber nicht im Querschnitt quadratisch bzw. rechteckig sein. In 11 sind z. B. Einschlüsse mit einem runden Querschnitt gezeigt.
Die in Zusammenhang mit einer Triplate-Leitung erläuterten Beispiele zur Strukturierung der dielektrischen Schicht sind auch auf andere Leitungstypen, insbesondere eine Koplanarleitung anwendbar, und umgekehrt.
In 12A, 12B, 13 ist angedeutet, dass die Länge der Einschlüsse b₁ (bzw. b₂) in mindestens einer Richtung, z. B. x-Richtung größer (12A) oder kleiner (12B) als die Zelllänge, d. h. der Abstand a₁ (bzw. a₂) zwischen zwei Einschlüssen in dieser Richtung sein kann. Dies gilt in einer Variante auch für die y-Richtung.
In 14A, 14B ist eine Signalleitung gezeigt, die in einer Ebene zwei Signalleiter SL1, SL2 und in zwei weiteren Ebenen jeweils einen Erdleiter GND umfasst. Die Signalleiter SL1, SL2 können z. B. Teilpfade eines symmetrischen (balanced) Signalpfades sein. Mit einer in der dielektrischen Schicht ausgebildeten Bandgap-Anordnung gelingt es, die beiden Signalleiter SL1, SL2 voneinander zu entkoppeln. Dabei liegt die Frequenz des über die Signalleiter zu übertragenden Signals vorzugsweise im Sperrbereich dieser Bandgap-Anordnung.
In 15A ff. ist die Übertragungsfunktion der ersten Schaltung mit dem Bezugszeichen 1, die, Übertragungsfunktion der zweiten Schaltung mit dem Bezugszeichen 2, die Übertragungsfunktion der Bandgap-Anordnung der dielektrischen Schicht mit dem Bezugszeichen 3 und die Übertragungsfunktion der die erste und die zweite Schaltung umfassenden Schaltung mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet. f_min ist die unterste und f_max die oberste Grenzfrequenz des Durchlassbereiches der ersten Schaltung.
Die Kurven 2 beziehen sich insbesondere auf die zweiten Schaltungen mit einer Bandgap-Anordnung im Signalleiter SL und/oder Erdleiter GND. Die Kurven 3 beziehen sich insbesondere auf die zweiten Schaltungen mit einer Bandgap-Anordnung im Erdleiter GND und/oder in der dielektrischen Schicht DS.
15A bis 17C beziehen sich auf eine Ausführung mit einer im Signalpfad geschalteten zweiten Schaltung.
In 15A ist eine Variante gezeigt, bei der der Sperrbereich SB2 – hier Sperrband – der als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung im Sperrbereich der als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. unterhalb seiner Grenzfrequenz f_min angeordnet ist. Somit wird die Unterdrückung im Sperrbereich verbessert.
In 15B ist eine Variante gezeigt, bei der der Sperrbereich der als Tiefpass ausgebildeten zweiten Schaltung im Durchlassbereich der als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. oberhalb seiner Grenzfrequenz f_min angeordnet ist. Die Schaltung der beiden Filter weist die Charakteristik eines Bandpasses auf (Kurve 12).
In 15C ist eine Variante gezeigt, bei der der Sperrbereich SB2 – hier Sperrband – der als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung im Durchlassbereich der als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung angeordnet ist. Die Schaltung der beiden Filter weist die Charakteristik eines Hochpasses mit einem schmalbandigen Sperrband im breitbandigen Durchlassbereich.
In 16A ist eine Variante gezeigt, bei der der Sperrbereich SB2 – hier Sperrband – der als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung im Sperrbereich der als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. oberhalb seiner Grenzfrequenz f_max angeordnet ist. Somit wird die Unterdrückung im Sperrbereich verbessert.
In 16B ist eine Variante gezeigt, bei der der Sperrbereich der als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung im Sperrbereich der ebenfalls als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. oberhalb seiner Grenzfrequenz f_max angeordnet ist.
In 16C ist eine Variante gezeigt, bei der der Sperrbereich SB2 – hier Sperrband – der als Bandsperre ausgeführten zweiten Schaltung im Durchlassbereich der als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung angeordnet ist. Die Schaltung der beiden Filter weist die Charakteristik eines Tiefpasses mit einem schmalbandigen Sperrband im breitbandigen Durchlassbereich auf.
Die Bandbreite des schmalbandigen Sperrbands stimmt in 15C, 16C im wesentlichen mit dem Sperrband SB2 der zweiten Schaltung überein.
Die erste Schaltung ist in den Varianten gemäß 17A, 17B und 17C ein Bandpassfilter mit einem Passband PB1 (Kurve 1). Die zweite Schaltung ist in den Varianten gemäß 17A und 17B als Bandsperre und in 17C als Tiefpass ausgeführt (Kurve 2).
Zusätzlich zu Bandgap-Anordnungen im Signal- und/oder Erdleiter weist auch die dielektrische Schicht eine Bandgap-Anordnung auf, die die Signalausbreitung und somit Signalverluste in einem – verglichen mit der Bandbreite der ersten Schaltung – relativ breitbandigen Frequenzbereich unterbindet.
18A bis 20C beziehen sich auf eine Ausführung, bei der die zweite Schaltung in einem Querzweig der ersten Schaltung angeordnet ist.
In 18A ist eine Variante gezeigt, bei der der Durchlassbereich DB2 – hier Passband – der als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung im Sperrbereich der als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. oberhalb seiner Grenzfrequenz f_max angeordnet ist.
In 18B ist eine Variante gezeigt, bei der der Durchlassbereich DB2 der als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung im Durchlassbereich der als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung angeordnet ist. Die Schaltung der beiden Filter weist die Charakteristik eines Tiefpasses mit einem schmalbandigen Sperrband im breitbandigen Durchlassbereich, wobei die Bandbreite des schmalbandigen Sperrbands im wesentlichen mit dem Passband DB2 der zweiten Schaltung übereinstimmt.
In 19A ist eine Variante gezeigt, bei der der Durchlassbereich DB2 der als Bandpass ausgeführten zweiten Schaltung im Sperrbereich der als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. unterhalb seiner Grenzfrequenz f_min angeordnet ist.
In 19B ist eine Variante gezeigt, bei der der Durchlassbereich der als Tiefpass ausgeführten zweiten Schaltung im Sperrbereich der als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung, d. h. unterhalb seiner Grenzfrequenz f_min angeordnet ist.
Die erste Schaltung ist in den Varianten gemäß 20A, 20B und 20C ein Bandpassfilter (Kurve 1).
Die zweite Schaltung weist in 20A, 20B ein Passband auf, das im unteren (20A) bzw. oberen (20B) Sperrbereich der ersten Schaltung liegt. In 20C ist die zweite Schaltung ein Tiefpass, dessen Durchlassbereich im unteren Sperrbereich der ersten Schaltung liegt.
In 20A bis 20C ist angedeutet, dass bei einer im Querzweig der ersten Schaltung angeordneten zweiten Schaltung zusätzlich in der dielektrischen Schicht eine EBG-Struktur ausgebildet werden kann, deren Sperrband (siehe Kurve 3) im oberen oder unteren Sperrbereich der ersten Schaltung angeordnet ist.
Der Durchlassbereich der Kurve 2 in 20A und 20C liegt im unteren Sperrbereich der ersten Schaltung, während das Sperrband der Kurve 3 im oberen Sperrbereich der ersten Schaltung liegt. Der Durchlassbereich der Kurve 2 in 20B liegt im oberen Sperrbereich der ersten Schaltung, während das Sperrband der Kurve 3 im unteren Sperrbereich der ersten Schaltung liegt.
In 21, 22 ist jeweils ein Beispiel für eine als Bandpass ausgeführte zweite Schaltung mit einer EBG-Struktur in einem Signalleiter gezeigt. Die Zelllänge ist vorzugsweise λ/2. Der oDer oder die Erdleiter sind hier nicht gezeigt. Der Signalleiter kann in einer Ebene zwischen zwei Erdleitern angeordnet sein. Der Signalleiter kann auch zwischen zwei in verschiedenen Ebenen angeordneten Erdleitern angeordnet sein.
Die in dieser Schrift genannten EBG-Strukturen sind grundsätzlich für beliebige Leitungstypen einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: Übertragungsfunktion der ersten Schaltung
2: Übertragungsfunktion der zweiten Schaltung
3: Übertragungsfunktion des EBG-Substrats
12: resultierende Übertragungsfunktion des Bauelements
a₁: in x-Richtung gemessene Mittenabstand zwischen Einschlüssen
a₂: in y-Richtung gemessene Mittenabstand zwischen Einschlüssen
b₁: Breite eines Einschlusses in x-Richtung
b₂: Breite eines Einschlusses in y-Richtung
DB2: Durchlassbereich der zweiten Schaltung
DS, DS1, DS2: dielektrische Schicht
f: Frequenz
f_max: Grenzfrequenz der als Tiefpass ausgeführten ersten Schaltung
f_min: Grenzfrequenz der als Hochpass ausgeführten ersten Schaltung
f_c: Grenzfrequenz der zweiten Schaltung
F1: erste Schaltung
F21, F22, F23, F24: zweite Schaltung
I1, I2, I3: Einschlüsse im dielektrischen Substrat
IN, IN1, IN2: Anschluss eines Eingangstores
GND, GND1, GND2: Erdleiter
OUT, OUT1, OUT2: Anschluss eines Ausgangstores
PB1: Passband der ersten Schaltung
PR1, PR2: Parallelresonatoren
SB2: Sperrbereich der zweiten Schaltung
SL, SL1, SL2: Streifenleiter
SP, SP1, SP2: Signalpfad
SR1, SR2, SR3: Serienresonatoren
Z1 bis Z4: EBG-Strukturen umfassende Zellen
Z11, Z12, Z21, Z22: usw. EBG-Strukturen umfassende Zellen

Claims

Elektroakustisches Bauelement, umfassend – einen Signalpfad (SP), – eine erste Schaltung (F1) mit mindestens einem mit akustischen Wellen arbeitenden Resonator (SR1, SR2, SR3, PR1, PR2), – eine zweite Schaltung (F21, F22, F23, F24) mit einer elektromagnetischen Bandgap-Anordnung, wobei – die elektromagnetischen Bandgap-Anordnung elektromagnetische Bandgap Strukturen (Z1, Z2, I1, I2) aufweist, die elektromagnetische Wellen in einem Sperrbereich (SB2) dämpfen und – die erste Schaltung (F1) und die zweite Schaltung (F21, F22) mit dem Signalpfad (SP) verschaltet sind.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei in mindestens einer Richtung (x, y) identisch ausgebildete Zellen (Z1, Z2) hintereinander angeordnet sind, die jeweils eine Teilstruktur der elektromagnetischen Bandgap-Anordnung bilden, wobei innerhalb einer Zelle oder zwischen zwei Zellen ein Impedanzsprung stattfindet, und wobei die Länge einer Zelle gleich einer halben Wellenlänge bei einer Sperrfrequenz aus dem Sperrbereich ist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schaltung (F21, F22, F23, F24) eine Streifenleitung aufweist, welche die folgenden Komponenten umfasst: eine dielektrische Schicht (DS), einen auf dieser angeordneten signalführenden Streifenleiter (SL) und mindestens einen Erdleiter (GND, GND1, GND2), und wobei mindestens eine der genannten Komponenten der Streifenleitung eine Bandgap-Anordnung aufweist.
Bauelement nach Anspruch 3, wobei der Streifenleiter (SL) und der mindestens eine Erdleiter (GND) in einer Ebene liegen.
Bauelement nach Anspruch 3, wobei der Streifenleiter (SL) zwischen zwei übereinander angeordneten Erdleitern (GND1, GND2) angeordnet ist, wobei zwischen dem Streifenleiter (SL) und dem jeweiligen Erdleiter (GND1, GND2) eine dielektrische Schicht (DS) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Zellen (Z1, Z2) in der Ausbreitungsrichtung (x) der elektromagnetischen Welle hintereinander angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 6, wobei die Zellen (Z1, Z2) jeweils einem Abschnitt des Streifenleiters (SL) zugeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 6, wobei die Zellen (Z1, Z2) jeweils einem Abschnitt des Erdleiters (GND, GND1, GND2) zugeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 6, wobei die Zellen (Z1, Z2) der dielektrischen Schicht (DS) zugeordnet sind, wobei die dielektrische Schicht (DS) zumindest in der Nähe des Streifenleiters (SL) periodisch angeordnete Einschlüsse (I1, I2) aufweist, deren Dielektrizitätskonstante sich von der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht unterscheidet.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sperrbereich (SB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) im unteren Sperrbereich der ersten Schaltung (F1) liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sperrbereich (SB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) im oberen Sperrbereich der ersten Schaltung (F1) liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine zu unterdrückende Frequenz, die ein Vielfaches einer Frequenz innerhalb eines Durchlassbereichs der ersten Schaltung (F1) beträgt, im Sperrbereich (SB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sperrbereich (SB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) im Durchlassbereich der ersten Schaltung (F1) liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die dielektrische Schicht (DS) im Bereich des signalführenden Streifenleiters (SL) eine Bandgap-Anordnung aufweist, die Signale im Passband (PB1) der ersten Schaltung dämpft.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei die Zellen (Z1, Z2) quer zur Ausbreitungsrichtung (x) der elektromagnetischen Welle hintereinander angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 15, wobei die Zellen (Z1, Z2) jeweils einem Abschnitt des Erdleiters (GND, GND1, GND2) zugeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 15, wobei die Zellen (Z1, Z2) der dielektrischen Schicht (DS) zugeordnet sind, wobei die dielektrische Schicht (DS) zumindest in der Nähe des Streifenleiters (SL) periodisch angeordnete Einschlüsse (I1, I2) aufweist, deren Dielektrizitätskonstante sich von der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht unterscheidet.
Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die erste Schaltung (F1) ein Passband (PB1) aufweist, das im Sperrbereich der Bandgap-Anordnung liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei Periodizität der Bandgap-Anordnung in Wellenausbreitungsrichtung (x) a₁ und quer zu dieser Richtung a₂ beträgt, wobei gilt a₁ ≠ a₂.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Bauelement mindestens einen Querzweig parallel zur ersten Schaltung (F1) umfasst, in dem einer der Resonatoren und die zweite Schaltung (F23, F24) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 20, wobei der Durchlassbereich (DB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) im unteren Sperrbereich der ersten Schaltung (F1) liegt.
Bauelement nach Anspruch 20, wobei der Durchlassbereich (DB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) im oberen Sperrbereich der ersten Schaltung (F1) liegt.
Bauelement nach Anspruch 20, wobei eine zu unterdrückende Frequenz, die ein Vielfaches einer Frequenz innerhalb eines Durchlassbereichs der ersten Schaltung (F1) beträgt, im Durchlassbereich (DB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) liegt.
Bauelement nach Anspruch 20, wobei der Durchlassbereich (DB2) der zweiten Schaltung (F21, F22, F23, F24) im Durchlassbereich der ersten Schaltung (F1) liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Resonatoren mit akustischen Volumenwellen arbeiten.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Resonatoren mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Resonatoren und die Bandgap-Strukturen in einem gemeinsamen Substrat realisiert sind.