-
HF-Filter
werden insbesondere in Endgeräten
der mobilen Kommunikation benötigt.
Meist sind sie zum Einsatz in Mobilfunksystemen ausgelegt, die in
unterschiedlichen aber nahe beieinander liegenden Frequenzbändern senden
und empfangen. Die Empfangsfilter sind üblicherweise als Bandpass ausgebildet,
deren Durchlassbereich zumindest der Bandbreite des RX-Bandes entspricht.
Erforderlich ist dabei meist, dass die Frequenzen des dazugehörigen TX-Bandes
unterdrückt
werden.
-
Zur
Herstellung von HF-Filtern sind unterschiedliche Technologien geeignet.
Dielektrische Filter werden aus diskreten L- und C-Elementen hergestellt und benötigen eine
Vielzahl diskreter Elemente, um die geforderten Filtereigenschaften
bereitzustellen. Mikrowellenkeramikfilter sind kostengünstig herzustellen,
haben eine niedrige Einfügedämpfung und sind
aber für
den Einbau in miniaturisierte Endgeräte üblicherweise zu groß. Gute
elektrische Eigenschaften bieten Filter, die auf der Basis von Volumenwellenresonatoren
oder von Oberflächenwellenbauelementen
aufgebaut sind. Besonders bevorzugt sind SAW oder Oberflächenwellenbauelemente,
die sich durch eine geringe Größe und eine
große
Vielzahl bezüglich
der einzustellenden elektrischen Parameter auszeichnen.
-
HF-Filter
auf SAW-Basis können
als DMS-Filter (Dual mode SAW) oder als Reaktanzfilter aus einer
Vielzahl von Resonatoren aufgebaut sein, die in einem seriellen
und dazu parallelen Zweigen in Form einer Laddertype-Anordnung oder
einer Lattice-Anordnung miteinander verschaltet sind.
-
Neben
der geringen Größe und der
einfachen Herstellbarkeit wird für
ein HF-Filter eine gegebene Bandbreite gefordert, wobei das Passband
zum Sperrbereich hin mit einer steilen Flanke abfallen soll. Die
Einfügedämpfung im
Durchlassbereich soll minimal sein, um die energetischen Verluste
zu minimieren. Andererseits soll ein HF-Filter leistungsverträglich sein
und selbst bei hoher Ein- oder Ausgangsleistung auf Dauer keine
Beschädigungen
der Elektrodenstrukturen aufweisen.
-
Zur
Verbesserung der Gegenbandunterdrückung, bei einem RX-Filter beispielsweise
zur Unterdrückung
der TX-Frequenzen wurde bereits vorgeschlagen, ein Zweispur-Dreiwandler-DMS-Filter am Ein- und
Ausgang mit Parallelresonatoren zu verschalten. Eine solche Struktur
erweist sich jedoch als nicht ausreichend leistungsfest und weist
eine relativ große
Einfügedämpfung auf.
-
Ein
reines Reaktanzfilter benötigt
zum Erreichen einer ausreichenden Gegenbandunterdrückung eine
zu große
Anzahl aus Grundgliedern, wobei jedes Grundglied sich aus einem
Serienresonator und einem Parallelresonator zusammensetzt. Mit zunehmender
Anzahl an Grundgliedern verschlechtert sich jedoch die Einfügedämpfung solcher
Filter.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein HF-Filter anzugeben, das eine gute Gegenbandunterdrückung aufweist
und diese mit anderen vorteilhaften Eigenschaften kombiniert.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
HF-Filter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
-
Es
wird ein HF-Filter vorgeschlagen, welches aus einem ersten und einem
zweiten Teilfilter zusammengesetzt ist. Das erste Teilfilter ist
als Reaktanzfilter ausgelegt und weist zumindest zwei Parallelresonatoren
und einen Serienresonator auf. Das zweite Teilfilter ist als DMS-Filter
ausgebildet und weist zumindest drei interdigitale Wandler auf.
Zum Erzielen einer ausreichenden Gegenbandunterdrückung ist
dieses Filter in ein speziell ausgelegtes Gehäuse eingebaut, in dem die Masseanschlüsse von erstem
Parallelresonator und zweitem Teilfilter getrennt voneinander geführt und
getrennten äußeren Gehäusekontakten
zugeleitet werden.
-
Es
zeigt sich, dass mit diesen getrennten Masseleitungen die galvanische
Kopplung zwischen den unterschiedlichen Filterelementen reduziert
wird, die andernfalls zu unerwünschten
Signalen am Ausgang führt.
Diese unerwünschten
Signale können
je nach ihrer Natur den Durchlassbereich beeinträchtigen, zu unerwünschten
Peaks im Sperrband führen oder
ganz allgemein das Nutzsignal mit zu unterdrückenden Signalen verfälschen.
-
Erstes
und zweites Teilfilter können
auf einem gemeinsamen piezoelektrischen Substrat aufgebaut und dort
miteinander verschaltet sein. Das erste Teilfilter ist vorzugsweise
mit dem Eingang verbunden. Dies hat den Vorteil, dass das leistungsfestere
Reaktanzfilter als erstes Teilfilter einen Teil der Leistung des
empfangenen Signals aufnimmt, sodass das zweite Teilfilter, also
das DMS-Filter mit einem geringeren Signalpegel belastet wird. Insbesondere
im Gegenband nimmt das Reaktanzfilter den größten Teil der Leistung auf.
Damit wird das vorgeschlagene HF-Filter insgesamt leistungsverträglicher.
-
Mit
dem vorgeschlagenen Filter wird auch eine gute Gegenbandunterdrückung und
eine hohe Flankensteilheit erreicht. Dabei wird die gute Nahbereichsunterdrückung eines
Reaktanzfilters genutzt, die sich durch geeignete Frequenzlage der
Pole, insbesondere durch geeignete Wahl der Resonanzfrequenz der
Parallelresonatoren gut einstellen lässt. Eine gute Fernbereichsunterdrückung wird
dagegen von dem DMS-Filter bereitgestellt. In Kombination der beiden
Teilfilter werden die vorteilhaften Eigenschaften der unterschiedlichen
Filtertypen im kombinierten HF-Filter addiert.
-
Das
Gehäuse
des Filters kann eine Grundplatte umfassen, die zumindest eine dielektrische Lage
aufweist, die im Wesentlichen elektrisch nicht leitfähig ist.
Bei mehreren dielektrischen Lagen kann jeweils zwischen zwei Lagen
eine Metallisierungsebene angeordnet sein. In der Metallisierungsebene sind
Leiterbahnen oder allgemein eine Verschaltung strukturiert. Über Durchkontaktierungen
durch die dielektrischen Lagen sind die Leiterbahnen und Schaltungselemente
der zumindest einen Metallisierungsebene mit inneren und äußeren Gehäusekontakten verbunden.
Unter Durchkontaktierung ist dabei eine durch eine oder mehrere
dielektrische Lagen führende
und mit einem leitfähigen
Material gefüllte
oder zumindest leitfähig
beschichtete Bohrung zu verstehen.
-
Die
inneren Gehäusekontakte
dienen zum Anschluss der Substratkontakte von erstem und zweitem
Teilfilter, während
die äußeren Gehäusekontakte
zum Anschluss des Filters an eine äußere Schaltungsumgebung dienen.
Vorzugsweise ist der Masseanschluss des ersten Parallelresonators,
der dem Filtereingang am nächsten
gelegen ist, separat und getrennt von anderen Leitungen durch das
Gehäuse
und insbesondere durch die Grundplatte geführt und direkt mit einem ersten äußeren Gehäusekontakt
verbunden. Dadurch wird erreicht, dass galvanische Kopplungseffekte
mit dem ersten Parallelzweig nur noch durch eventuelle Impedanzen
in der äußeren Schaltungsumgebung
verursacht erden. Gewöhnlich
sind die äußeren Massekontakte
aber sehr gut an die Masse der Schaltungsumgebung angeschlossen,
so dass galvanische Kopplungseffekte in Form von elektrischem Übersprechen
minimiert sind.
-
Die
Verbindung zwischen dem Masseanschluss des ersten Parallelresonators
und dem ersten äußeren Gehäusekontakt
ist geradlinig geführt und
ausschließlich
als Durchkontaktierung ausgebildet. Dies gewährleistet, dass bei einer gegebenen
Dicke des Gehäuses
beziehungsweise der Grundplatte des Gehäuses die mit dieser Leitung
verbundene Induktivität
minimiert ist. Dadurch wird eine Vergrößerung des Pol-Nullstellenabstands
des Resonators vermieden und es kann eine größere Steilheit der linken Flanke
erreicht werden. Auch die Dämpfung
bei sehr hohen Frequenzen wird dadurch verbessert. Diese bezüglich der
galvanischen Kopplung optimierte Leitung durch die Grundplatte ist
für den
ersten Parallelzweig besonders vorteilhaft, da dessen hohe Leistungsaufnahme
und damit hoher Stromfluss, bedingt durch die Lage am Filtereingang
auch ein hohes Potenzial für
Kopplungen mit anderen Leitungen und Metallisierungen aufweist.
-
Vorteilhaft
ist es außerdem,
den Masseanschluss des zweiten Parallelresonators getrennt von anderen
Durchleitungen durch das Gehäuse
zu führen
und mit einem äußeren Gehäusekontakt,
beispielsweise dem Gehäusekontakt
des ersten Parallelresonators zu verbinden. Damit erfolgt eine Verbindung
der beiden Massenanschlüsse
des ersten und zweiten Parallelresonators erst auf der Ebene des äußeren Gehäusekontakts,
der in der Regel eine gute Masse darstellt, oder mit einer guten
Masse verbunden ist, sodass allein aus diesem Grund die galvanische
Kopplung zwischen den beiden Masseleitungen minimiert ist.
-
Zur
weiteren Verbesserung der Gegenbandunterdrückung kann ein zweiter Serienresonator
und in einem dritten Parallelzweig ein dritter Parallelresonator
vorgesehen werden. Der Masseanschluss des dritten Parallelresonators
ist vorzugsweise mit einem zweiten äußeren Gehäusekontakt verbunden, der nicht
mit dem ersten Gehäusekontakt
identisch ist.
-
Damit
wird die Kopplung von erstem und drittem Parallelzweig beziehungsweise
von deren Masseanschlüssen
vermindert.
-
Eine
geeignete Filterfunktion wird erzielt, wenn das zweite Teilfilter
eine DMS-Spur mit fünf Wandlern
aufweist. Alternativ ist es auch möglich, das zweite Teilfilter
mit zwei elektrisch parallel geschalteten DMS-Spuren mit je drei
Wandlern auszuführen.
Dadurch werden die Verlusteigenschaften gegenüber einer Einspur-Dreiwandler-DMS-Anordnung
weiter verbessert.
-
Zur
Leistungsverbesserung des Reaktanzfilters wird vorgeschlagen, zumindest
den ersten Serienresonator, vorzugsweise auch den ersten Parallelresonator
und gegebenenfalls weitere Serienresonatoren zu kaskadieren, das
heißt
in zwei in Serie geschaltete Teilresonatoren aufzuspalten. Um die
Impedanz eines kaskadierten Resonators beizubehalten, muss im Gegenzug
die Resonatorfläche
vergrößert werden,
was für
den gesamten Resonator zum Beispiel bei einer Zweierkaskade eine
Vervierfachung der Resonatorfläche
gegenüber
einem ungesplitteten Resonator bedeutet. Dies kann durch eine Erhöhung der
Fingeranzahl und/oder eine Vergrößerung der
Apertur erzielt werden. Zusammen mit der nun geringen Spannung,
die an jedem der in Serie geschalteten Teilresonatoren anliegt,
ergibt dies eine deutliche Verbesserung der Leistungsverträglichkeit des
kaskadierten Resonators.
-
Das
HF-Filter kann einen unsymmetrischen Eingang und einen unsymmetrischen
Ausgang aufweisen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn das Gehäuse vier äußere Gehäusekontakte
aufweist. Wird dagegen der Ausgang symmetrisch geschaltet, so ist
ein weiterer Gehäusekontakt
erforderlich, sodass zumindest fünf äußere Gehäusekontakte
vorliegen müssen.
Möglich
ist es jedoch stets, eine größere Anzahl
von äußeren Gehäusekontakten
vorzusehen, die bezüglich
ihres Platzbedarfs und des erhöhten
Schaltungsaufwands beim Verbinden des Filters mit einer äußeren Schaltungsumgebung
in der Regel jedoch nachteilig sind. Ohne großen zusätzlichen Aufwand kann jedoch
eine ungerade Anzahl an äußeren Gehäusekontakte
um eins auf die nächste
gerade Anzahl erhöht
werden.
-
Um
Beschädigungen
des Filters durch einen Überschlag
von aufgrund des pyroelektrischen Effekts entstehender elektrischer
Ladungen zu vermeiden ist es sinnvoll, die auf der Grundplatte getrennten Massen
auf dem Substrat hochohmig (beispielsweise mit zumindest einem Kiloohm)
zu verbinden. Dies kann zum Beispiel durch metallische mäanderförmige Strukturen
auf der Substratoberfläche
realisiert werden. Durch eine solch hochohmige Verbindung wird das Übersprechen
und damit die Gegenbandunterdrückung
nicht beeinflusst.
-
Eine
verbesserte Flankensteilheit kann erzielt werden, wenn im zweiten
Teilfilter die einander benachbarten endständigen Elektrodenfinger von unterschiedlichen
Wandlern beide heiß oder
beide kalt angeschlossen werden. Dies bedeutet, dass die beiden
benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler entweder
beide mit einer Signalleitung oder beide mit einem Masseanschluss
zu verbinden sind.
-
Ein
bezüglich
der Abschirmung und Dichtigkeit verbessertes Gehäuse wird erhalten, wenn das Substrat
mit den Teilfiltern im Gehäuse
zwischen der Grundplatte und einem Deckel angeordnet wird, bei dem
der Deckel zumindest eine elektrisch leitende Schicht umfasst. Zur
Verbesserung der Abschirmung ist der Deckel elektrisch leitend mit
der Masseanbindung innerhalb der Grundplatte und weiter mit einem Masseanschluss
des Filters beziehungsweise mit einem mit Masse verbundenem äußeren Gehäusekontakt
des HF-Filters verbunden. Der elektrisch leitende Deckel des Gehäuses kann über mehrere
Punkte mit der Masseanbindung innerhalb oder auf der Grundplatte
verbunden sein. So können über den
Deckel unterschiedliche Masseanschlüsse des Filters miteinander
verbunden sein, die in der Grundplatte oder auf dem Substrat getrennt
sind. Vorzugsweise ist der Deckel unsymmetrisch an die Verschaltung
angeschlossen. Vorteilhaft ist eine eingangsseitige verbesserte
Masseanbindung des Deckels, die über mehr
parallel geführte
und geschaltete Durchkontaktierungen als die Ausgangsseite vorgenommen
ist.
-
Üblicherweise übersteigt
die Anzahl der auf dem Substrat vorliegenden Masseanschlüsse für die beiden
Teilfilter die Anzahl der äußeren Gehäusekontakte.
Daher wird vorgeschlagen, im Inneren des Gehäuses und insbesondere im Inneren
der Grundplatte zumindest zwei elektrisch gegeneinander isolierte innere
Masseflächen
vorzusehen, die jeweils mehrere Masseanschlüsse von erstem und zweitem
Teilfilter miteinander verbinden. Die inneren Masseflächen wiederum
sind über
Durchkontaktierungen mit den äußeren Gehäusekontakten
verbunden.
-
Dabei
ist es möglich,
mehrere Durchkontaktierungen zum Anschluss der inneren Masseflächen an
die äußeren Gehäusekontakte
zu verwenden, wodurch die im gemeinsamen Massezweig liegende Induktivität reduziert
wird. Dies verringert die galvanische Verkopplung der so verbundenen
Massezweige und verbessert somit das Selektionsverhalten des Filters.
-
Eine
weitere Verbesserung des Passbandes und insbesondere eine steilere
linke Flanke kann erhalten werden, wenn parallel zu den Parallelresonatoren
Kapazitäten
geschaltet werden. Solche Parallelkapazitäten sind bekannt dafür, den Pol-Nullstellenabstand
der Resonatoren zu verringern und somit die Flankensteilheit zu
verbessern. Diese können vorteilhaft
in Form metallischer Strukturen auf der Substratoberfläche realisiert
werden. Möglich
ist es beispielsweise, die Kapazitäten als Interdigitalstrukturen
auszubilden. Um zu erreichen, dass diese Interdigitalstrukturen
möglichst
als reine Kapazität
wirken und keine Verluste in Form von abgestrahlten Wellen erzeugen,
ist es vorteilhaft, für
diese eine Fingerperiode zu wählen,
die deutlich kleiner ist als die Fingerperiode der Wandler von erstem
und zweiten Teilfilter.
-
Eine
weitere Möglichkeit,
die Abstrahlung von akustischen Wellen aus dem als Interdigitalstruktur
realisierten Kapazitäten
zu verhindern besteht darin, die Interdigitalstruktur zu drehen
und entlang einer Kristallachse des Substrats auszurichten, in dem keine
Wellen angeregt werden. Wird beispielsweise ein Substrat aus Lithiumtantalat
(LT) verwendet, so kann dies mit einer Drehung um 90 Grad erreicht werden.
Die Kapazitäten
können
jedoch auch mithilfe anders gestalteter metallischer Strukturen
realisiert werden.
-
Im
Folgenden wird das vorgeschlagene HF-Filter anhand von Ausführungsbeispielen
und der dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
Diese sind rein schematisch und daher nicht maßstabsgetreu ausgeführt.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
erste mögliche
Elektrodenstruktur für
erstes und zweites Teilfilter,
-
2 zeigt drei Metallisierungsebenen einer zweilagigen
Grundplatte,
-
3 verschiedene schematische Querschnitte
durch Gehäuse
mit ein- und zweilagigen Grundplatten,
-
4 ein
Ersatzschaltbild einer möglichen Verschaltung
der Filterelemente,
-
5 eine
zweite Elektrodenstruktur für
erstes und zweites Teilfilter,
-
6 verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung
paralleler Kapazitäten,
-
7 die Übertragungskurve
eines erfindungsgemäßen Filters
im Vergleich mit dem Stand der Technik,
-
8 und 9 vergleichen
die Übertragungskurve
vorgeschlagener Filter mit Teststrukturen, bei denen innere Massen
im Gehäuse
miteinander verbunden sind,
-
10 den
Effekt einer symmetrischen Anbindung des Gehäusedeckels im Vergleich zu
einer unsymmetrischen Anbindung,
-
11 zwei Möglichkeiten, einen Resonator in
zwei Teilresonatoren aufzusplitten.
-
Vorteilhafte
Topologien für
das erste Teilfilter bestehen aus drei bis fünf Grundgliedern, die vom Filtereingang
her gesehen in einer Resonatorreihenfolge PSPSP beziehungsweise
PSPSPS realisiert werden können,
wobei P für
einen Parallelresonator und S für
einen Serienresonator steht. 1 zeigt
die Metallisierungsstruktur auf dem piezoelektrischen Substrat für erstes
und zweites Teilfilter, wobei für das
erste Teilfilter sechs Resonatoren S, P verwendet werden, die in
der Reihenfolge PSPSPS geschaltet sind und fünf Grundglieder bilden. Der
erste Parallelresonator P1 ist in einem ersten Parallelzweig angeordnet,
der direkt mit dem Eingang IN verbunden ist. Ebenfalls direkt mit
dem Eingang IN verbunden ist der erste Serienresonator S1. Zwischen
je zwei Serienresonatoren ist ein Parallelzweig mit einem Parallelresonator
angeordnet. Der im ersten Teilfilter endständige dritte Serienresonator
S3 ist mit dem Eingang des zweiten Teilfilters verbunden.
-
Das
zweite Teilfilter TF2 besteht aus fünf Interdigitalwandlern, wobei
drei Wandler mit der Eingangsseite beziehungsweise mit dem Ausgang
des ersten Teilfilters und zwei Wandler mit dem Ausgang OUT verbunden
sind. Mit dem Ein- und Ausgang verbundene Wandler sind alternierend
angeordnet. Die Fingeranordnung der einzelnen Wandler ist im zweiten
Teilfilter TF2 bei Single-Ended-Betrieb, also bei beidseitig unsymmetrischer
Betriebsweise so ausgebildet, dass ein endständiger Elektro denfinger eines Eingangswandlers
und der direkt benachbarte endständige
Elektrodenfinger eines Ausgangswandlers hier jeweils auf heißem Potenzial
angeordnet sind. Jeder Wandler besteht aus zwei ineinander greifenden
kammartigen Elektrodenstrukturen, auch Interdigitalstruktur genannt.
Jeweils mehrere von Elektrodenfinger sind an eine gemeinsame Sammelschiene (Busbar)
angeschlossen. Während
ein Busbar mit dem Signal beaufschlagt ist, ist der andere Busbar desselben
Wandlers jeweils mit einem Masseanschluss MA verbunden. Im zweiten
Teilfilter TF2 sind die drei Eingangswandler parallel geschaltet
und mit ihren heißen
Busbars mit dem Ausgang des dritten Serienresonators verbunden.
Ebenso sind die beiden heißen
Busbars der beiden parallel geschalteten Ausgangswandler mit dem
Ausgang OUT verbunden. Das dargestellte Filter ist also beidseitig
unsymmetrisch zu betreiben, sodass ein- und ausgangsseitig nur eine
signalführende
Leitung benötigt
wird. Grundsätzlich
ist es hier ebenso wie bei praktisch allen HF Filtern möglich, Ein-
und Ausgang des Filters zu vertauschen.
-
An
weiteren Anschlüssen
hat das erste Teilfilter TF1 je einen Masseanschluss für jeden
der drei Parallelresonatoren, während
das zweite Teilfilter TF2 je einen Masseanschluss für jeden
der fünf Wandler
aufweist. Dies bedeutet in der Summe acht Masseanschlüsse, einen
Eingang und einen Ausgang, die auf der Oberfläche des Substrats als Anschlusspads
oder als lötbare
metallisierte Flächen ausgebildet
sind.
-
2 zeigt in schematischer Ausführung eine
mögliche
Ausgestaltung einer innerhalb des Gehäuses zu realisierenden Verschaltung
anhand von drei Metallisierungsebenen. 2a zeigt
die Oberfläche
der Grundplatte GP des Gehäuses,
die eine der Anzahl der Anschlüsse
des Filters entsprechende Anzahl von inneren Gehäusekontakten GKI aufweist. Bezogen
auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
wären dies
zehn Kontakte. Im gewählten Ausführungsbeispiel
werden jedoch die drei in der 1 unten
dargestellten Masseanschlüsse
MA bereits auf dem Substrat miteinander verbunden. Dafür werden
die beiden mit den Ausgangswandlern verbundenen Anschlüsse getrennt
zu den inneren Gehäusekontakten
GKI geführt,
sodass neun innere Gehäusekontakte
zum Anbinden der Anschlüsse
auf dem Substrat erforderlich sind. In der 2a ist
ein zehnter Anschluss dargestellt, der allein aus Symmetriegründen eingeführt ist
und der Stabilität
des Gehäuses
dient. Weiter sind auf der Oberfläche der in 2a dargestellten
Grundplatte Deckelkontaktanschlussflächen DK angeordnet, die elektrisch
sowohl mit dem Gehäusedeckel
als auch mit den Masseanbindungen im inneren der Grundplatte verbunden sind.
Dementsprechend sind diese Deckelkontaktanschlussflächen außerhalb
der für
das Substrat SU vorgesehenen Fläche
angeordnet, die in 2a durch eine gestrichelte Linie
gekennzeichnet ist.
-
2b zeigt
die Metallisierung der mittleren Metallisierungsebene, die durch
eine dielektrische Lage DL1 von der in 2a und
durch eine weitere dielektrische Lage DL2 von der in 2c dargestellten
Metallisierungsebene getrennt ist. Die dielektrischen Lagen sind
vorzugsweise aus Keramik, können
jedoch aus anderen Materialien und insbesondere Kunststoffmaterial
oder Glas bestehen. In der mittleren Metallisierungsebene gemäß 2b sind
zwei Masseflächen
C2 und C4 vorgesehen. Die Durchkontaktierungen zur oberen Metallisierungsebene sind
durch Kreuze gekennzeichnet. Dementsprechend ergibt sich, dass die
Massefläche
C2 mit fünf inneren
Gehäusekontakten
der oberen Metallisierungsebene und dementsprechend mit fünf Masseanschlüssen des
Filters verbunden ist. Des weiteren ist die innere Massefläche C2 mit
einem Deckelkontaktanschluss L3 auf der ersten Metallisierungsebene
verbunden. Die zweite Massefläche
C4 ist mit nur einem inneren Gehäusekontakt
(G2) für
einen Masseanschluss sowie mit zwei Deckelkontaktanschlüssen L1,
L2 verbunden. Eine Leiterbahnstruktur C3 stellt eine elektrische
Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen der Ausgangswandler des
zweiten Teilfilters TF2 dar. Eine weitere dagegen isolierte Leiterbahn
C1 ist mit dem für
den Eingang IN vorgesehenen inneren Gehäusekontakt I1 verbunden. Ein weiterer
Kontakt C5 der mittleren Metallisierungsebene ist mit einem für einen
Masseanschluss G1 vorgesehenen inneren Gehäusekontakt verbunden.
-
2c zeigt
die untere Metallisierungsebene, die von vier äußeren Gehäusekontakten GKa gebildet
ist. Die Durchkontaktierungen zur mittleren Metallisierungsebene
sind wiederum durch Kreuze gekennzeichnet. Daraus ergibt sich, dass
der erste äußere Gehäusekontakt
E1 über
eine Durchkontaktierung mit der Leiterbahn C1 und diese über eine Durchkontaktierung
mit dem Eingang des ersten Teilfilters verbunden ist. Ein dritter äußerer Gehäusekontakt
E3 ist über
eine Durchkontaktierung mit der Leiterbahn C3 und diese wiederum
mit den beiden Anschlüssen
der beiden Ausgangswandler des zweiten Teilfilters verbunden. Die
innere Massefläche
C2 ist über
drei Durchkontaktierungen mit dem zweiten äußeren Gehäusekontakt E2 verbunden. Der
vierte äußere Gehäusekontakt
E4 ist über
zwei Durchkontaktierungen mit der inneren Massefläche C4 und über eine
Durchkontaktierung mit dem Anschluss C5 auf der mittleren Metallisierungsebene
verbunden.
-
3A zeigt
einen Querschnitt entlang der in 2 angedeuteten
Schnittlinie A-A' durch
Grundplatte, Substrat und Deckel des Gehäuses. Aus der Figur geht hervor,
dass das Substrat SU über
hier als Bumps BU ausgeführte
Lötverbindungen
mit den inneren Gehäusekontakten
auf der Oberfläche
der Grundplatte GP verbunden ist. Ebenfalls auf der Grundplatte
GP sitzt der Gehäusedeckel
D auf, der das Substrat SU unter sich abdeckt. Beispielsweise ist
der Gehäusedeckel
D als metallisierte Folie ausgebildet, die über das Substrat auf die Oberfläche der Grundplatte
GP laminiert ist. Der Deckel D kann jedoch auch starr ausgeführt und
auf der Grundplatte aufgesetzt sein. Möglich ist es auch, den Zwischenraum
zwischen Substrat SU und Oberfläche
der Grundplatte GP am Rand des Substrats zu verschließen und
den Deckel durch direkte Metallisierung der Oberflächen herzustellen.
-
Entsprechend
dem in 2 dargestellten Metallisierungsmuster
umfasst die Grundplatte GP hier eine erste und zweite dielektrische
Lage DL1, DL2 mit einer ersten Metallisierungsebene auf der Oberfläche der
Grundplatte, einer zweiten Metallisierungsebene zwischen erster
und zweiter dielektrischer Lage und einer dritten Metallisierungsebene auf
der Unterseite. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Metallisierungsebenen
werden über Durchkontaktierungen
hergestellt, die beispielsweise als metallisierte Löcher durch
die dielektrischen Lagen ausgeführt
sind. Die Metallisierung innerhalb der Durchkontaktierung kann die
Bohrungen verschließen
oder auch nur die Ränder
der entsprechenden Bohrungen bedecken.
-
Die
Metallisierungen der Metallisierungsebenen sind beispielsweise aufgedruckt
oder in einem Dünn-
oder Dickschichtverfahren hergestellt.
-
Möglich ist
es auch, die Metallisierungen durch eine Kombination von Dünn- und
Dickschichttechniken auszuführen.
-
Beispielsweise
kann eine Grundmetallisierung strukturiert aufgebracht und galvanisch
verstärkt
werden.
-
Aus
der 3A geht auch hervor, dass der innere Gehäusekontakt
G1, der mit dem Masseanschluss des ersten Parallelresonators P1
verbunden ist, durch zwei übereinander
angeordnete Durchkontaktierungen durch die beiden keramischen Lagen
direkt mit dem äußeren Gehäusekontakt
E4 verbunden ist. Die inneren Gehäusekontakte G2 und J1, die
mit Metallisierungen C4 und C1 in der zweiten Metallisierungsebene
verbunden sind, sind erst in der Ebene versetzt mit entsprechenden äußeren Gehäusekontakten
verbunden. Der metallisierte Deckel ist mit eine Deckelkontaktanschlussfläche L2 über eine Durchkontaktierung
mit der Metallisierungsfläche
C4 der mittleren Metallisierungsebene und über eine weitere Durchkontaktierung
mit dem äußeren Gehäusekontakt
E4 verbunden.
-
3B zeigt
im schematischen Querschnitt ein Filter, bei dem das Substrat SU
in ein Gehäuse, bestehend
aus einer Grundplatte GP und einem Deckel D eingeklebt und mit Bonddrahtverbindungen kontaktiert
ist. Die Durchkontaktierungen zu den äußeren Gehäusekontakten sind in der Figur
nicht dargestellt.
-
3C zeigt
im schematischen Querschnitt ein Filter, bei dem in ein Gehäuseunterteil
aus einer einlagigen Grundplatte GP und einem Rahmen gebildet wird,
auf dem das Substrat SU als Deckel aufsitzt. Die Verbindungen des
Substrats SU zu den inneren Gehäusekontakten
sind z.B. über
metallische Strukturen, insbesondere über Bumps möglich.
-
4 zeigt
ein schematisches Ersatzschaltbild des Filters inklusive der in
der Grundplatte vorgesehenen Verbindungen und ihrer parasitären Induktivitäten (Durchführungsinduktivitäten). In
der Figur sind die verschiedenen Filterelemente nach dem Ort bzw.
ihrer Herkunft getrennt. Unterschieden werden daher von oben nach
unten die Ebene der Filterstrukturen auf dem Substrat, die Ebene
der inneren Gehäusekontakte,
die Ebene der ersten dielektrischen Lage DL1, die sich nur in Form
von Durchführungsinduktivitäten bemerkbar
macht, die mittlere Metallisierungsebene MM, die zweite dielektrische
Lage DL2 mit ihren Durchführungsinduktivitäten und
schließlich die
Ebene der äußeren Gehäusekontakte
GKa. Die Induktivitäten auf dem Substrat sind vernachlässigt. In
der obersten Metallisierungsebene finden sich die inneren Gehäusekontakte
GKI, wobei der Kontakt I1 mit dem Eingang,
G1 mit dem ersten Parallelresonator P1, G2 mit dem zweiten Parallelresonator
P2, G3 mit dem dritten Parallelresonator P3 verbunden ist. Die Massekontakte
des zweiten Teilfilters TF2 auf der Seite der Ausgangsanschlüsse sind
bereits auf der Ebene der Substratmetallisierung SM miteinander und
mit einem einzigen inneren Gehäusekontakt
G7 verbunden. Mit den Gehäusekontakten
G4 und G5 sind die übrigen
beiden Masseanschlüsse
des zweiten Teilfilters verbunden. Die beiden Ausgänge sind mit
Gehäusekontakten
O1 und O2 verbunden.
-
Aus
der Figur ist gut zu erkennen, dass die Masseanschlüsse der
ersten beiden Parallelresonatoren P1 und P2 getrennt voneinander
durch die Grundplatte des Gehäuses
geführt
und erst auf der untersten Metallisierungsebene mit dem äußeren Gehäusekontakt
E4 verbunden sind. Dadurch sind die beiden Parallelresonatoren gut
voneinander entkoppelt. Die beiden Ausgänge des zweiten Teilfilters werden
getrennt voneinander bis zur mittleren Metallisierungsebene MM geführt und
erst dort über
die Metallisierung C3 verbunden. Die Masseanschlüsse des dritten Parallelresonators
sowie sämtliche
Massean schlüsse
des zweiten Teilfilters werden mit der Metallisierungsfläche C2 auf
der mittleren Metallisierungsebene MM verbunden und von dort aus über drei
parallele Durchkontaktierungen mit dem äußeren Gehäusekontakt E2, der einen Masseanschluss darstellt,
verbunden.
-
Das
in 4 dargestellte Masseanbindungsschema ist auf das
gewählte
und in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel optimiert und
zeigt bezüglich Selektion
und Gegenbandunterdrückung
optimale Eigenschaften. Stehen mehr äußere Gehäusekontakte zur Verfügung, so
ist es möglich,
zusätzlich
die Masseanschlüsse
für ersten
und zweiten Parallelresonator zu trennen und getrennten äußeren Gehäusekontakten
zuzuführen.
Im nächsten
Schritt könnte
noch der Massekontakt für
den dritten Parallelresonator einen eigenen äußeren Gehäusekontakt zugeleitet werden.
Auch eine Auftrennung der Masseanschlüsse des zweiten Teilfilters
bezüglich
der Ein- und Ausgangswandler würde
Selektion und Gegenbandunterdrückung
weiter verbessern.
-
Das
Gehäuse
beziehungsweise die hier als Mehrlagenaufbau realisierte Grundplatte
ist dahingehend optimiert, dass die Durchführungsinduktivitäten minimal
sind. Dies wird insbesondere mit kurzen Durchkontaktierungen beziehungsweise
mit einer geringen Dicke der dielektrischen Lagen erreicht, aber
auch über
parallel geschaltete Durchführungen. Weiter
lässt sich
die Induktivität
noch über
die geometrische Ausgestaltung der Durchkontaktierung beeinflussen.
Mit geringen Induktivitätswerten
der Durchkontaktierungen wird ein Passband mit steilen Flanken erzielt.
Werden mehrere Masseanschlüsse auf
der mittleren Metallisierungsebene MM vereinigt und mittels einer
einzigen Durchkontaktierung einem äußeren Gehäusekontakt zugeführt, beispielsweise der
Durchkontak tierung, die die innere Metallfläche C2 mit dem Gehäusekontakt
E2 verbindet, so ist diese letzte gemeinsame Durchkontaktierung
bezüglich ihres
Induktivitätswertes
besonders kritisch und beeinflusst die Verkopplung der Masseanschlüsse besonders
stark. Es kann daher sinnvoll sein, die zweite dielektrische Lage
dünner
zu gestalten als die erste dielektrische Lage.
-
In
einer Variation des in 4 dargestellten beispielhaften
Filters ist es möglich,
die mit den inneren Gehäusekontakten
G3 und G7 verbundenen Masseanschlüsse bereits auf dem Substrat
miteinander zu verbinden, wobei sich sogar eine etwas höhere Selektion
ergibt. In der 4 nicht dargestellt ist die
Anbindung des Gehäusedeckels
D, über
den die Masseflächen
C2 und C4 indirekt verbunden sind. Weil sowohl C2 als auch C4 direkt
mit den guten Massen E2 und E4 verbunden sind, ist der Einfluss des
Deckels zwar minimiert, aber immer noch deutliche vorhanden, wie
später 10 zeigt.
-
Im
Ersatzschaltbild auch nicht dargestellt sind hochohmige Verbindungen,
mit denen die Gehäusekontakte
G1, G2, G7 und G3 beziehungsweise die mit ihnen verbundenen Anschlüsse auf
dem Substrat miteinander verbunden werden, um durch das pyroelektrische
Verhalten des Substrats entstehende Ladungen unschädlich für das Bauelement
abzuleiten. Diese können
insbesondere bei Temperaturänderungen
auftreten und bei Überschlägen die
Metallisierungsstruktur oder das Substrat beschädigen oder gar zerstören.
-
In 5 ist
das in 1 dargestellte Metallisierungsschema für die beiden
Teilfilter dahingehend variiert, dass nun ein symmetrischer Betrieb
am Ausgang ermöglicht
wird. Dazu ist die Elektrodenstruktur des einen (rechten) Ausgangs wandlers
im Vergleich zum anderen Ausgangswandler gespiegelt, sodass an den
beiden Ausgangsanschlüssen
nun zwei um 180 Grad unterschiedliche beziehungsweise phasenverschobene
Signale erhalten werden. Für
das zusätzliche
Signal ist daher ein zusätzlicher äußerer Gehäusekontakt
erforderlich. In Abwandlung von der in 4 dargestellten
Verschaltung werden bei einem am Ausgang symmetrisch betriebenen
Filter die beiden Ausgangsanschlüsse
getrennt voneinander durch die Grundplatte geführt und mit getrennten äußeren Gehäusekontakten
verbunden. Entsprechend erhöht
sich die Anzahl der minimal erforderlichen äußeren Gehäusekontakte auf fünf.
-
6 zeigt parallel zu den Parallelresonatoren
geschaltete Kapazitäten,
mit denen sich die Flankensteilheit des Filters verbessern lässt, und
zwar insbesondere die linke Flanke des Passbands. Die Kapazitäten werden
günstigerweise
auf der Substratoberfläche
in Form von Anschlussflächen
oder als Interdigitalstrukturen realisiert. 6a zeigt
eine solche Kapazität
im schematischen Ersatzschaltbild. 6b zeigt
eine Ausgestaltung als einander benachbarte Metallisierungsflächen, zwischen
denen sich die Kapazität
CA ausbilden kann. 6c zeigt eine als Interdigitalstruktur
ausgebildete Kapazität, die
eine geringere Fingerperiode als der Wandler des Parallelresonators
aufweist. 6d zeigt ebenfalls eine Interdigitalstruktur,
die in der Ausrichtung auf dem Substrat gegenüber der Ausrichtung des Parallelresonators
um 90 Grad gedreht ist. Zusätzlich
kann die Fingerperiode noch kleiner als die des Interdigitalwandlers
sein. Mit parallel zu Serienresonatoren geschalteten Kapazitäten CA kann
auch die Steilheit der rechten Flanke des Passbands verbessert werden.
-
7 zeigt
eine mit einem erfindungsgemäßen Filter
erhaltene Übertragungsfunktion
S21 (siehe Kurve a) im Vergleich mit der Übertragungsfunktion eines Filters
nach dem Stand der Technik (Kurve b), welches zwei in Serie geschaltete
3-Wandler DMS Strukturen
und zusätzlich
je einen Parallelresonator an Ein- und Ausgang enthält. Es zeigt
sich, dass das vorgeschlagene Filter sowohl bezüglich der Flankensteilheit
als auch bezüglich
Gegenbandunterdrückung
deutlich verbessert ist.
-
In 8 ist
anhand zweier beispielhafter Übertragungskurven
S21 noch einmal dargestellt, welchen Effekt die getrennten Massen
auf das Filterverhalten zeigen. Es werden die Durchlasskurven S21
von zwei Filtern verglichen, und zwar eines wie vorgeschlagen nach 4 ausgebildetes
Filter (siehe Kurve a) mit einem ähnlichen Filter, bei dem die Masseflächen C2
und C4 der mittleren Metallisierungsebene MM direkt miteinander
verbunden sind (siehe Kurve b). Klar zeigt sich der deutliche Effekt bezüglich der
Flankensteilheit (der linken Flanke) und der Gegenbandunterdrückung.
-
Auch
die 9 zeigt den Vorteil der getrennten Masseführung, indem
dort die Durchlasskurve eines erfindungsgemäß gemäß 4 ausgebildeten Filters
(siehe Kurve a) mit der Durchlasskurve eines Filters verglichen
wird, bei dem in der mittleren Metallisierungsebene MM die den Punkten
C4 und C5 entsprechenden Masseanschlüssen der ersten beiden Parallelresonatoren
miteinander verbunden sind (siehe Kurve b). Auch hier zeigt sich
die Verbesserung der Selektion und insbesondere die verbesserte
Gegenbandunterdrückung.
-
In 10 ist
ein Effekt dargestellt, der durch die wie vorgeschlagen vorgenommene
elektrische Anbindung des Deckels bewirkt wird. Verglichen wird hier
die Durchlasskurve a eines wie in 2 angebundenen
Deckels, der über
einen inneren Gehäusekontakt
L3 und eine Durchkontaktierung mit der Massefläche C2 sowie über die
inneren Gehäusekontakte
L1 und L2 und jeweils eine Durchkontaktierung mit der Masse C4 verbunden
ist. Verglichen wird dieses Filter mit einem symmetrisch angebundenen
Deckel, bei dem eine gleiche Anzahl von Durchkontaktierungen zu
den Masseflächen
C2 und C4 geführt
ist. (Kurve b). Es zeigt sich, dass mit der unsymmetrischen Deckelanbindung
ebenfalls ein positiver Effekt bezüglich Selektion und insbesondere
Gegenbandunterdrückung
erzielt wird.
-
11 zeigt einen Resonator, der in zwei
in Serie geschaltete Teilresonatoren TR1 und TR2 aufgeteilt ist.
Die Fingeranordnung ist in 11 so,
dass in den beiden Teilresonatoren die Phase der akustischen Welle übereinstimmt.
In 11a dagegen ist die Phase der akustischen Welle
in den beiden Teilresonatoren um 180° versetzt. Ein in Teilresonatoren aufgeteilter
Resonator kann als Serien- und als Parallelresonator eingesetzt
werden und verbessert die Leistungsverträglichkeit der entsprechenden
Resonatoren.
-
Das
vorgeschlagene Filter ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt und
kann in Abhängigkeit
von der Zahl der zur Verfügung
stehenden äußeren Gehäusekontakte
im Rahmen der Erfindung variiert werden. Das Gehäuse kann aus nur einer oder
auch aus weiteren dielektrischen Lagen und weiteren Metallisierungsebenen
aufgebaut sein. Auch bezüglich
der Materialien sind Abweichungen von den vorgeschlagenen möglich. Das
erste Teilfilter kann auch auf einem getrennten zweiten Substrat angeordnet
sein oder aus anderen als SAW Resonatoren aufgebaut sein, beispielsweise
aus mit akustischen Volumenwellen BAW arbeitenden Resonatoren.
-
- SU
- Substrat
- TF1
- erstes
Teilfilter
- S1,
S2, S3
- Serienresonator
- P1,
P2, P3
- Parallelresonator
- TF2
- zweites
Teilfilter
- GKi
- innerer
Gehäusekontakt
- GKa
- äußerer Gehäusekontakt
- GP
- Grundplatte
- DL1,
DL2
- dielektrische
Lage
- TR1,
TR2
- Teilresonator
- D
- Deckel
- G1
bis G5
- innere
Gehäusekontakte
für Masse
- L1,
L2, L3
- Deckelkontaktanschlussflächen
- I
- innere
Gehäusekontakte
für Eingang
- O
- innere
Gehäusekontakte
für Ausgang
- C1
bis C5
- inner
Metallisierungsflächen
- MM
- Mittlere
Metallisierungsebene
- CA
- Kapazität
- MA
- Masseanschluss
- E1
bis E4
- äußere Gehäusekontakte
- VI
- Durchkontaktierung
- BU
- Bump
- IN
- Eingang
- OUT
- Ausgang