DE102005051852A1

DE102005051852A1 - SAW Filter mit breitbandiger Bandsperre

Info

Publication number: DE102005051852A1
Application number: DE102005051852A
Authority: DE
Inventors: Matthias Jungkunz; Thomas Dr. Bauer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-10-29
Also published as: US20080258983A1; JP2009514275A; JP5294868B2; DE102005051852B4; US7876179B2; WO2007048376A1

Abstract

Es wird ein Bandsperrfilter vorgeschlagen, welches eine Ladder Type-Struktur mit zumindest einem Serienresonator in einem Serienzweig und mehreren Parallelzweigen mit jeweils einem darin angeordneten Parallel-Impedanzelement aufweist, wobei die mittlere Fingerperiode des Interdigitalwandlers vom zumindest einen Serienresonator größer ist als die mittlere Fingerperiode der Interdigitalwandler der Parallel-Impedanzelemente.

Description

Bandsperrfilter werden benötigt, um unerwünschte Frequenzbänder zu unterdrücken. Solche Filter können z.B. vorteilhaft eingesetzt werden, wenn bei zwei nahe beieinander liegenden Frequenzbändern eines drahtlosen Übertragungsstandards eines der beiden ausgeblendet werden soll, wobei neben dem gewünschten Empfangsband noch weitere Frequenzbereiche ungedämpft das Filter passieren können sollen. Der Durchlassbereich des Filters sollte im Idealfall mindestens die Bandbreite des zu empfangenden Systems aufweisen und dort eine nur geringe Einfügedämpfung erzeugen. Im Sperrbereich sollte so ein Filter eine hohe Dämpfung aufweisen und im Idealfall einen schnellen Übergang vom Durchlassbereich zum Bandsperrbereich, also eine steile Flanke des Durchlassbereiches besitzen.

Es sind verschiedene Notchfilter und Bandsperrfilter mit geringer Sperrbandbreite bekannt, die im Wesentlichen auf einer Verschaltung von Impedanzelementen beruhen. Solche Verschaltungen von Impedanzelementen können beispielsweise aus einer Ladder Type Anordnung mit SAW Resonatoren bestehen, die dann in Serien- oder in Parallelzweigen angeordnet sind. Zumeist ist ein aufwendiges Anpassnetzwerk erforderlich, um überhaupt einen Durchlassbereich mit vernünftiger Bandbreite zu realisieren.

Ein weiteres Problem, das bei SAW Bandsperrfiltern auftreten kann, ist die mangelnde Leistungsfestigkeit, die zum Verschleiß von Elektrodenstrukturen und damit zum vorzeitigen Ausfall der entsprechenden Filterbauelemente führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bandsperrfilter anzugeben, welches zumindest eines der genannten Probleme beseitigt.

Es wird ein Bandsperrfilter angegeben, welches auf einem piezoelektrischen Substrat realisiert ist und aus einer Reihe darauf angeordneter SAW-Impedanzelemente besteht. Die Anordnung umfasst zumindest einen Serienzweig und mehrere dazu parallele Parallelzweige, wobei in dem zumindest einen Serienzweig zumindest ein Serienresonator und in den Parallelzweigen jeweils zumindest ein einen Interdigitalwandler umfassendes Parallel-Impedanzelement angeordnet sind. Maßgeblich für die Sperrwirkung des Bandsperrfilters ist das Verhältnis der Fingerperioden der die Frequenz der jeweiligen Impedanzelemente bestimmenden Interdigitalwandler. Die mittlere Fingerperiode im Interdigitalwandler des zumindest einen Serienresonators ist dabei größer gewählt als die mittlere Fingerperiode im Interdigitalwandler der Parallel-Impedanzelemente. Damit ist die der Fingerperiode entsprechende Resonanzfrequenz in den Interdigitalwandlern der Parallel-Impedanzelemente höher als die Resonanzfrequenz der Serienresonatoren.

Mit einer solchen Anordnung gelingt es, ein Sperrband mit einer Breite von 2 % bis mehr als 5 % relativ zur Mittenfrequenz des Sperrbandes zu erzielen. Bei geeigneter Wahl der Fingerperioden kann auch eine steile Flanke zwischen dem Sperrband und dem Durchlassbereich des Bandsperrfilters erhalten werden. Ein geeignetes Verhältnis der Fingerperiode P_s des Serienresonators zur Fingerperiode P_p des Parallel-Impedanzelements liegt zwischen 1,03 und 1,10. mit einer solchen Auswahl wird erreicht, dass die Antiresonanz der Parallel-Impedanzelemente die rechte Flanke der Bandsperre bildet, während die linke Flanke der Bandsperre im Wesentlichen von der Antiresonanz der Serienresonatoren gebildet wird.

Vorteilhaft ist es dabei, mehrere Parallel-Impedanzelemente in einer entsprechenden Anzahl von Parallelzweigen vorzusehen und auch im Serienzweig eine Mehrzahl von Serienresonatoren anzuordnen. Jedes Parallel-Impedanzelement kann dabei eine von den anderen Parallel-Impedanzelementen verschiedene Fingerperiode aufweisen, ebenso wie jeder Serienresonator eine andere Fingerperiode aufweisen kann, wobei für jedes denkbare Paar, gebildet aus jeweils einem Parallel-Impedanzelement und einem Serienresonator gilt, dass vorzugsweise das genannte Verhältnis der Fingerperioden eingehalten wird. Je größer der Unterschied in der Fingerperiode gewählt wird, desto größer wird die Bandbreite der Bandsperre.

Beim erfindungsgemäßen Bandsperrfilter ist es möglich, die Parallel-Impedanzelemente als reine Interdigitalwandler ohne Reflektoren auszuführen. Dadurch wird der Chipflächenbedarf auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats verringert, ohne dass dabei die Einfügedämpfung im Durchlassbereich ansteigt. Parallel dazu können auch Kosten für das Substratmaterial eingespart werden, bedingt durch die verringerte Bauelementgröße. Als weiterer Vorteil dieser Ausführung ergibt sich, dass die Leistungsfestigkeit des Bandsperrfilters verbessert wird. Es zeigt sich nämlich, dass in einem nur aus einem Interdigitalwandler bestehenden Parallel-Impedanzelement eine homogene lokale Leistungsverteilung über die Länge des Interdigitalwandlers erhalten wird, die keine lokale Spitzen aufweist. Dies führt daher zu einer gleichmäßigen Belastung über die Länge des Wandlers. Gegenüber einer ungleichmäßigen, Spitzen aufweisenden Leistungsverteilung bei herkömmlichen Parallel-Impedanzelementen, die üblicherweise als Resonatoren ausgeführt sind, wird bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung die maximal im Parallel-Impedanzelement auftretende Leistungsdichte deutlich reduziert. Dies erhöht die Lebensdauer und damit die Zuverlässigkeit des Bauelements und erlaubt darüber hinaus die Beaufschlagung des Filters mit einer höheren Leistung gegenüber bekannten, als Impedanznetzwerk ausgeführten Bandsperrfiltern.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die als reine Interdigitalwandler ausgebildeten Parallel-Impedanzelemente homogen auszuführen, sodass sie über die Länge des Wandlers gesehen eine konstante Metallisierungsstärke sowie gleichbleibende Fingerbreiten und Fingerabstände aufweisen. Eine homogene Ausführung des Interdigitalwandlers führt dazu, dass die andernfalls an Stellen von Inhomogenitäten lokale Resonanzen auftreten, die wiederum zu einer lokalen Leistungsüberhöhung am Ort der Inhomogenität führen würden.

Daneben gelingt es auch auf andere Weise, Parallel-Impedanzelemente mit minimierter maximaler lokaler Leistungsdichte zu realisieren, wenn die Parallel-Impedanzelemente als SAW-Resonatoren ausgeführt sind, die einen synchronen Aufbau aufweisen. Ein synchroner Resonator umfasst einen homogenen Interdigitalwandler, der beidseitig von je einem Reflektor begrenzt ist, in dem sich Fingerbreite, Fingerperiode und Metallisierungsstärke des Interdigitalwandlers fortsetzt. Auch der Abstand zwischen Interdigitalwandler und Reflektor entspricht einer Fingerperiode, sodass insgesamt eine äußerst homogene Metallisierungsstruktur im synchronen Resonator realisiert ist. Auch mit einem solchen synchronen Resonator wird eine äußerst homogene Leistungsverteilung über die Länge des Resonators erzielt, wobei die Leistungsbelastung am Übergang vom Interdigitalwandler zum Reflektor auftritt. Dagegen kann gezeigt werden, dass bei einem deutlich asynchronen Resonator, der beispielsweise einen von der Fingerperiode abweichenden Abstand zwischen Reflektor und Interdigitalwandler aufweist, an genau diesem Übergang Leistungsüberhöhungen auftreten, die auf zusätzliche lokale Resonanzen zurückgeführt werden können.

Für eine weitere bezüglich der Leistungsfestigkeit verbesserte Variante eines Bandsperrfilters wird vorgeschlagen, die Parallel-Impedanzelemente als kaskadierte Interdigitalwandler auszuführen oder als Resonatoren, die solche kaskadierte Interdigitalwandler aufweisen. Ein kaskadierter Interdigitalwandler besteht aus mehreren seriell miteinander verschalteten Teilwandlern, die vorzugsweise eng benachbart transversal nebeneinander angeordnet sind. In einem kaskadierten Wandler teilen sich also n Teilwandler die Gesamtapertur des kaskadierten Interdigitalwandlers. Durch diese Serienverschaltung wird außerdem eine Spannungsteilung erhalten, sodass jeder Teilwandler gegenüber einem nicht kaskadierten Wandler nun mit einer geringeren Spannung beaufschlagt ist.

Vorzugsweise wird die Kaskadierung gleichmäßig vorgenommen, und die n Teilwandler identisch ausgebildet. In einer solchen Ausgestaltung liegt an jedem Teilwandler nur der n-te Teil der Gesamtspannung an, wobei die Anzahl n zumindest zwei beträgt und 5 oder mehr erreichen kann. Nachteilig an der Kaskadierung ist, dass zum Erzielen einer gleichbleibenden Gesamtimpedanz gegenüber dem unkaskadierten Interdigitalwandler die Fläche des Wandlers um den Faktor n² erhöht werden muss. Dies gelingt über eine Verlängerung der Teilwandler bzw. durch eine Verbreiterung der Gesamtapertur gegenüber einem unkaskadierten. Ein zweifach kaskadierter Interdigitalwandler (n = 2) erfordert eine vierfache Fläche bei gleichblei bender Impedanz gegenüber einem nichtkaskadierten Wandler. Die akustische Leistungsdichte wird dadurch um einen Faktor 4 verringert. Der Grad der Kaskadierung wird daher nur so hoch gewählt, wie für die gewünschte Leistungsfestigkeit erforderlich, um den Flächenbedarf für das Bandsperrfilter zu minimieren.

Aufgrund der vom Serienresonator relativ stark abweichenden Fingerperiode wirken die Parallel-Impedanzelemente im Durchlassbereich des Bandsperrfilters im Wesentlichen als statische Kapazitäten. Da dies zu einer ungünstigen Lage des Filters im Smith-Diagramm führen würde, wird dieser Effekt vorteilhaft durch externe Anpasselemente ausgeglichen und so das Filter wieder angepasst. Dazu sind z.B. Parallel-Induktivitäten geeignet die parallel zu den Parallelzweigen, den Serienzweigen oder parallel zu Ein- und Ausgang geschaltet werden.

Das erfindungsgemäße Bandsperrfilter hat darüber hinaus den Vorteil, dass gegenüber einem Ladder Type Bandpassfilter eine wesentlich höhere Bandbreite im Durchlassbereich erzielt werden kann, die wesentlich größer als der Pol-Nullstellenabstand der verwendeten Parallel-Impedanzelemente bzw. Serienresonatoren sein kann. Weil die Resonanz der Parallel-Impedanzelemente deutlich oberhalb des Durchlassbereichs liegt, werden von diesen im Durchlassbereich nur geringfügig akustische Wellen angeregt. Dies führt dazu, dass mit einem als reinem Interdigitalwandler ausgeführten Parallel-Impedanzelement im Durchlassbereich eine gegen einen mit Reflektoren ausgestatteten Resonator nur geringfügig verschlechterte Einfügedämpfung erhalten wird. Anders dagegen in den Serienresonatoren, die sämtlich Reflektoren zur Verringerung der Einfügedämpfung aufweisen.

Zur Anpassung des Bandsperrfilters können die Anpasselemente an unterschiedlichen Orten der Ladder Typ Anordnung eingefügt werden. In einer Ausführung wird eine gute Anpassung durch zwei Parallel-Induktivitäten erreicht, die am Ein- und Ausgang des Bandsperrfilters in einem gegen Masse geschalteten Parallelzweig vorgesehen sind.

In einer weiteren Ausführung werden zumindest drei Parallelzweige mit einem jeweils darin angeordneten Parallel-Impedanzelement vorgesehen, wobei eine der Induktivitäten parallel zu einem der mittleren Parallel-Impedanzelemente in einem gegen Masse geschalteten Parallelzweig vorgesehen ist.

In einer Ausführung übersteigt die Anzahl der Parallel-Impedanzelemente diejenige der Serienresonatoren. Möglich ist es jedoch auch, das Bandsperrfilter am Ein- und Ausgang mit zumindest je einem Serienresonator zu verschalten.

Im Bandsperrfilter können Durchlassbereich und Sperrbereich unmittelbar nebeneinander liegen. Die Steilheit der Flanke zwischen Durchlass und Sperrbereich muss sich mit abnehmendem Abstand erhöhen. Sie lässt sich zusätzlich verbessern, wenn parallel zu einem oder mehreren Serienresonatoren eine Kapazität geschaltet wird. Diese kann vorteilhaft neben den Impedanzelementen auf der Oberfläche des Substrats als Metallisierungsstruktur realisiert werden. Die Kapazität kann beispielsweise in Form von benachbarten metallisierten Flächen oder besser als Interdigitalstruktur ausgeführt werden. Vorteilhaft ist es, die Interdigitalstruktur als reine Kapazität auszubilden, die keine Verluste in Form von abgestrahlten akustischen Oberflächen wellen erzeugt. Dazu kann entweder die Fingerperiode deutlich kleiner gewählt werden, als die der im Bandsperrfilter verwendeten Interdigitalwandler. Möglich ist es auch, die Interdigitalstruktur auf der Oberfläche des Substrats relativ zu den Serienresonatoren gedreht auszuführen, sodass sie in einer Kristallrichtung angeordnet sind, in der akustische Oberflächenwellen nicht oder nur schwach angeregt werden. Bei Lithiumtantalat als Substratmaterial gelingt dies z.B. mit einer Drehung der Interdigitalstruktur um 90° gegenüber dem Interdigitalwandler eines Serienresonators.

Ein weiter verbessertes Eigenschaftsspektrum wird erhalten, wenn das Bandsperrfilter mit einem Bandpassfilter in Serie geschaltet wird. Auf diese Weise erhält man ein kombiniertes Filterelement, welches sowohl einen Sperrbereich als auch einen beidseitig von einer Flanke begrenzten Durchlassbereich aufweist. Dieses Kombinationselement kann in einem gewünschten Durchlassbereich gegebener Bandbreite mit minimaler Einfügedämpfung arbeiten und dabei gleichzeitig in einem unmittelbar hin zu höheren Frequenzen angrenzenden Sperrbereich ein zweites Band mit hoher Sperrwirkung dämpfen.

Vorteilhaft wird für eine solche Filterkombination auch das Bandpassfilter als Ladder Type Anordnung von Serien- und Parallelresonatoren ausgeführt. Weitere Vorteile werden erzielt, wenn Bandpassfilter und Bandsperrfilter auf dem gleichen Substrat angeordnet sind. Bezüglich ihrer Fingerperioden und damit ihrer Mittenfrequenzen sind beide Filter so an einander angepasst, dass die rechte Flanke des Durchlassbereichs mit der linken Flanke des Sperrbereichs zusammenfällt. Damit wird eine optimale Flanke und ein minimaler Abstand zwischen Durchlassbereich und Sperrbereich erzielt. Aus diesem Grund weisen auch sämtliche SAW-Impedanzelemente der beiden Filter ähnliche Fingerperioden auf, die ohne spürbare Performanceverluste mit der gleichem Metallisierung ausgeführt werden können. Damit gelingt auch die Herstellung von Bandpassfilter und Bandsperrfilter auf einem Substrat in einem gemeinsamen Herstellungsprozess ohne zusätzliche Schritte.

Für eine solche Kombination ist es außerdem nicht erforderlich, Bandpassfilter und Bandsperrfilter zu trennen. Vielmehr ist es möglich, die Kombination in einer einzigen Ladder Type Anordnung zu realisieren. Dabei können sogar die Serienresonatoren unverändert bleiben. Diese werden dann zum einen mit Parallel-Impedanzelementen, verschaltet, deren Frequenzlagen einmal wie vorgeschlagen zum Bandsperrfilter passend ausgeführt sind. Zum Anderen werden Parallel-Impedanzelemente vorgesehen, deren Fingerperiode für ein Bandpassfilter passend ausgeführt sind. Dort liegt die Anti-Resonanz des Parallel-Impedanzelements ungefähr bei der Resonanz des Serienresonators. Die Fingerperiode von Parallel-Impedanzelement und Serienresonator unterscheidet sich im Bandpassfilter daher nur um einen Wert, der ungefähr dem Pol-Nullstellenabstand des jeweiligen Resonators entspricht. Dieser wiederum ist vom Substratmaterial und von der Metallisierung abhängig.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Diese sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass den Figuren weder relative noch absolute Maßangaben entnommen werden können.
Es zeigen:
1 ein Bandsperrfilter mit Anpasselementen im Ersatzschaltbild,
2 die Metallisierungsstruktur des in 1 gezeigten Filters,
3 eine weitere Metallisierungsstruktur für das Bandsperrfilter von 1,
4 ein Ersatzschaltbild eines weiteren Bandsperrfilters mit induktiven und kapazitiven Anpasselementen,
5 die Metallisierungsstruktur eines Filters mit auf dem Substrat realisierten kapazitiven Anpasselementen,
6 einen kaskadierten Interdigitalwandler,
7 die Durchlasskurve des in 1 gezeigten Filters,
8a die lokale Leistungsverteilung am ersten Parallel-Resonator eines Bandsperrfilters,
8b die maximale Leistungsdichte am ersten Parallel-Resonator,
9a die maximale Leistungsdichte über die Frequenz am ersten Parallel-Resonator eines bekannten Bandsperrfilters,
9b die lokale Leistungsverteilung am selben Resonator,
10a die maximale Leistungsdichte am ersten Parallel-Impedanzelement an einem Bandsperrfilter gemäß 3,
10b die lokale Leistungsverteilung an dem selben Parallel-Impedanzelement,
11 die Verschaltung eines Bandsperrfilters mit einem Bandpassfilter als Ersatzschaltbild, und
12 die Durchlasskurve der Anordnung gemäß 11.
1 zeigt das Ersatzschaltbild einer möglichen Ausgestaltung eines Bandsperrfilters. Dieses ist als Reaktanzfilter in Ladder Type Struktur ausgebildet und umfasst einen seriellen Zweig, in dem zwei Serienresonatoren RS1 und RS2 angeordnet sind. Parallel zum Serienzweig sind drei Parallelzweige vorgesehen, in denen jeweils ein Parallel-Impedanzelement RP1 bis RP3 angeordnet ist. Die Parallel-Impedanzelemente umfassen zumindest einen Interdigitalwandler mit einer Fingerperiode P_P, die kleiner ist als die mittlere Fingerperiode P_s der Serienresonatoren RS bzw. deren Interdigitalwandler. Des weiteren umfasst das Filter zwei parallel zum Serienzweig geschaltete Anpasselemente AEI die am Eingang IN und am Ausgang OUT als parallele Induktivitäten gegen Masse geschaltet sind.
2 zeigt eine mögliche Metallisierungsstruktur, mit der das in 1 dargestellte Bandsperrfilter auf einem piezoelektrischen Substrat verwirklicht werden kann. Die Serienresonatoren RS1, RS2 sind als Eintor-Resonatoren ausgebildet. Die Parallel-Impedanzelemente RP1, RP2, RP3 sind als synchrone Resonatoren (hier als Parallel-Resonator bezeichnet) ausgebildet, die wie die Serienresonatoren jeweils einen Interdigitalwandler umfassen, der zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist. Dabei sind die Fingerbreiten und -Abstände in den Reflektoren und im Interdigitalwandler des synchronen Parallel-Resonators gleich und entsprechen ebenso der Fingerperiode P_p wie der Abstand des Interdigitalwandlers zum Reflektor. Die in 1 zusätzlich dargestellten induktiven Anpassungselemente AEI können extern realisiert sein.
3 zeigt eine weitere mögliche Metallisierungsstruktur für ein erfindungsgemäßes Bandsperrfilter, bei dem die Parallel-Impedanzelemente RP als bloße Interdigitalstruktur ohne Reflektoren ausgeführt sind.
4 zeigt das Ersatzschaltbild für eine weitere Ausführung eines Bandsperrfilters, bei dem ausgehend von dem in 1 dargestellten Bandsperrfilter zusätzlich noch zwei Anpasselemente AEC vorgesehen sind, die jeweils parallel zu den Serienresonatoren geschaltete Kapazitäten AEC1, AEC2 umfassen. Mit diesen zusätzlichen Anpasselementen AEC lässt sich die rechte Flanke des Durchlassbereichs steiler gestalten.
5 zeigt eine Metallisierung für das in 4 dargestellte Bandsperrfilter, bei dem die kapazitiven Anpasselemente AEC als Metallisierungsstruktur auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet sind und hier in Form eines Interdigitalwandlers ausgeführt sind. Zur Vermeidung einer Wechselwirkung mit Serienresonator oder Parallel-Impedanzelement ist die Fingerperiode in den kapazitiven Anpasselementen AEC kleiner gewählt als im Serienresonator und daher auch kleiner als im Parallel-Impedanzelement. Außerdem ist der Interdigitalwandler um 90° gegenüber dem Serienresonator verdreht.
6 zeigt einen kaskadierten Interdigitalwandler, der sowohl als Parallel-Impedanzelement, als auch in einem Serienresonator zusammen mit Reflektoren einsetzbar ist. Der kaskadierte Interdigitalwandler umfasst zwei in Serie geschaltete Teilwandler TW1 und TW2, die transversal nebeneinander angeordnet sind und eine gemeinsame mittlere Stromschiene aufweisen können. Vorzugsweise ist die Kaskadierung symmetrisch, sodass die Teilaperturen AP1, AP2 gleich groß sind. Die beiden Teilspuren werden vorzugsweise akustisch gegenphasig be trieben. Der kaskadierte Interdigitalwandler kann aber auch z.B. durch Umklappen einer der Teilspuren in einen Interdigitalwandler mit gleichphasig betreibbaren Teilspuren überführt werden.
7 zeigt die übereinander gelegten Durchlasskurven für zwei Bandsperrfilter, die gemäß dem Ersatzschaltbild von 1 ausgebildet und mit Metallisierungen wie in 2 bzw. 3 dargestellt ausgeführt sind. Man sieht, dass beide Filter nahezu identische Durchlasskurven aufweisen und lediglich im Sperrbereich minimal voneinander abweichen. Dies zeigt, dass die Ausführungen mit Parallel-Impedanzelementen mit und ohne Reflektoren praktisch gleichwertig sind, sodass die Ausführung ohne Reflektoren wegen des damit erzielbaren Platzgewinns auf der Oberfläche des Substrats nahezu immer bevorzugt ist.
7 zeigt weiterhin, dass die relative Bandbreite des Durchlassbereichs bezogen auf seine Mittenfrequenz mehr als 5% und hier sogar 20% beträgt. Der Übergang vom sehr breiten Durchlassbereich mit einer geringen Einfügedämpfung von maximal +/- 2 dB zum Sperrband verläuft mit einer steilen Flanke, die innerhalb weniger als 20 MHz abfällt. (Die Mittenfrequenz der Bandsperre liegt hier bei ca. 900 MHz.) Dies zeigt, dass das Bandsperrfilter hervorragend zum Sperren eines Sperrbandes in enger Nachbarschaft zu einem Nutzband eingesetzt werden kann.
Die Darstellungen in 8a und 8b verdeutlichen die hohe Leistungsfestigkeit, die mit einem gemäß den 1 und 2 ausgeführten Bandsperrfilter erzielt werden kann. 8a zeigt die Leistungsverteilung am ersten Parallel-Impedanzelement bei einer fixen Frequenz von hier 903,5 MHz.
Die Leistungsverteilung ist über die Länge des als synchroner Resonator ausgebildeten Parallel-Impedanzelement bestimmt und für jeden einzelnen Wandlerfinger in Form einer vertikal auf der X-Achse stehenden Linie dargestellt, wobei die X-Achse die Längendimension des Parallel-Resonators darstellt. Es zeigt sich, dass die Leistungsverteilung äußerst homogen ist und am Ende des Interdigitalwandlers zum Reflektor hin abfällt. Diese homogene Leistungsverteilung gewährleistet, dass alle Finger gleichmäßig mit Leistung beaufschlagt sind, sodass es an keiner Stelle zu einer Belastungsspitze kommt, die anfällig für eine Beschädigung der Metallisierungsstruktur wäre.
Während die Leistungsverteilung gemäß 8a bei einer fixen Frequenz bestimmt ist, zeigt die 8b, wie die maximale am ersten Parallel-Resonator bestimmte maximale Leistungsdichte über die Frequenz variiert. Es zeigt sich, dass die Parallel-Resonatoren ihrer Funktion entsprechend ausschließlich im Sperrband belastet sind, wobei die maximale Leistungsdichte im Sperrband auch über die Frequenz relativ gleichmäßig verteilt auf die Parallel-Resonatoren (hier auf den ersten Parallel-Resonator) einwirkt.
Im Vergleich dazu ist in 9a die Leistungsverteilung für ein ähnliches Bandsperrfilter dargestellt, bei dem die in 8a als synchrone Resonatoren ausgebildeten Parallel-Impedanzelemente hier durch asynchrone Resonatoren ersetzt sind. Dazu werden homogene Interdigitalwandler und homogene Reflektoren verwendet, wobei die Fingerperiode im Reflektor jedoch 1 % kleiner ist als im Wandler und wobei der Wandler-Reflektorabstand (gemessen an den Fingerkanten) im Vergleich zur Fingerperiode des Interdigitalwandlers um 12 % reduziert ist.
Aus der Leistungsverteilung gemäß 9a zeigt sich, dass ein asynchroner paralleler Resonator im Sperrband bei ca. 903,5 MHz eine schmalbandige Leistungsüberhöhung aufweist, deren Leistungsdichte um einen Faktor von ca. 4 über dem mittleren Wert liegt. Dies bedeutet, dass ein mit dieser Frequenz belastetes Bandsperrfilter eine stark reduzierte Lebensdauer aufweist. Gleichzeitig zeigt es die Überlegenheit bezüglich der Leistungsverträglichkeit eines erfindungsgemäß mit synchronen Resonatoren als Parallel-Impedanzelemente ausgebildeten Bandsperrfilters.
9b zeigt noch einmal zur Verdeutlichung die über die Länge des ersten Parallel-Resonators bestimmte Leistungsverteilung eines asynchron ausgebildeten Parallel-Resonators. Man erkennt, dass hier die Leistung nicht mehr homogen über die Länge des Parallel-Resonators verteilt ist, sondern dass im Übergang zwischen Interdigitalwandler und Reflektor Leistungsüberhöhungen auftreten, die auf dort sich ausbildende Resonanzen zurückzuführen sind. Auch hieraus wird klar, dass ein solcher Resonator in seiner Leistungsverträglichkeit deutlich reduziert ist gegenüber einem synchronen Resonator.
10a zeigt die Leistungsdichte im ersten Parallelimpedanzelement RP1 eines gemäß 3 ausgebildeten Bandsperrfilters mit als homogene Interdigitalwandler ausgebildeten Parallel-Impedanzelementen. Hier zeigt sich fast noch stärker als bei der Ausführung mit synchronen Resonatoren, dass die über die Frequenz bestimmte maximale Leistungsdichte am ersten Parallel-Impedanzelement über die Frequenz äußerst gleichmäßig ist. Dies bedeutet, dass im Sperrband keine übermäßige Leistungsüberhöhung auftritt, die zu einer Belastung des Bandsperrfilters führen könnte.
10b zeigt die bei der Beispiel-Frequenz von 903,5 MHz simulierte Leistungsverteilung über die Länge des ersten der als homogene Interdigitalwandler ausgebildeten Parallel-Impedanzelemente. Auch hier zeigt sich, dass die Leistung gleichmäßig über den Interdigitalwandler verteilt ist und keine Leistungsüberhöhung stattfindet.
Im Folgenden wird beispielhaft ein erfindungsgemäßes Bandsperrfilter genauer beschrieben. Das Filter weist wie in 1 angegeben drei Parallel-Impedanzelemente auf, die jeweils als homogene Interdigitalwandler ohne Reflektoren ausgeführt sind. Im seriellen Zweig sind zwei Serienresonatoren angeordnet, die als asynchrone Resonatoren ausgebildet sind. Das Filter wird auf einem Lithiumtantalat Substrat mit einer Metallisierungsstruktur z.B. aus AlCuAl ausgeführt. Die Gesamtmetallschichtdicke beträgt ca. 330 nm. Das Metallisierungsverhältnis wird auf 0,65 eingestellt. Jeder Reflektor der Serienresonatoren enthält ca. 34 Reflektorfinger. Am Ein- und Ausgang des Filters ist jeweils ein induktives Anpasselement AEE mit einer Induktivität von ca. 6 nH parallel zum Serienzweig geschaltet.
Die folgende Tabelle gibt für jedes Impedanzelement (Serienresonator bzw. Parallel-Impedanzelement) die Fingerzahl, die Apertur, die Periode, die Kaskadierung und das Verhältnis zwischen den Fingerperioden von Reflektor und Wandler in den Serienresonatoren an:
Mit diesen Werten wird die in 3 schematisch dargestellte Metallisierungsstruktur realisiert, mit der die in 7 dargestellte Durchlasskurve erhalten wird.
Mit einer wie in 5 mit zusätzlichen kapazitiven Anpasselementen AEC ausgebildeten Ausführung kann dem gegenüber eine weiter verbesserte Flanke zwischen Sperrbereich und Durchlassbereich erzielt werden.
11 zeigt als Ersatzschaltbild die Verschaltung eines herkömmlichen Bandpassfilters BPF mit einem erfindungsgemäßen Bandsperrfilter BSF, mit der neue vorteilhafte Eigenschaften erreicht werden. Das Bandpassfilter ist als Ladder Type Struktur mit drei Serienresonatoren und drei Parallelresonatoren ausgebildet.
Das Bandsperrfilter kann beispielsweise wie in 1, 2, 3 oder 5 dargestellt ausgebildet werden. Kapazitive Anpasselemente können auf der Substratoberfläche, induktive Anpasselemente als externe Elemente parallel zum Serienzweig gegen Masse geschaltet werden. Beide Filter BPF und BSF können auf einem gemeinsamen piezoelektrischen Substrat, beispielsweise auf einem gemeinsamen Lithiumtantalatchip realisiert sein.
Mit dieser Verschaltung wird die in 12 dargestellte Durchlasskurve erhalten, die überraschend vorteilhafter Weise die Eigenschaften der beiden Filter kombiniert. Neben einem scharf begrenzten Durchlassbereich, der nun zusätzlich eine steile linke Flanke aufweist, ist ein breiter Bandsperrbereich ausgebildet, der gegenüber dem reinen Bandsperrfilter eine noch höhere Selektion von ca. 45 dB aufweist. Passband und Sperrbereich weisen jeweils eine Bandbreite von ca. 5 auf.
In einer Abwandlung der in 11 dargestellten Struktur können die Parallel-Impedanzelemente von Bandpassfilter und Bandsperrfilter innerhalb einer gemeinsamen Ladder Type Struktur und beliebig durcheinander angeordnet realisiert sein. Sämtliche Parallel-Impedanzelemente der beiden Filtertypen können ohne Reflektoren als homogene Interdigitalwandler ausgebildet sein, die vorzugsweise kaskadiert sind. Die Serienimpedanzelemente sind als Resonatoren mit Reflektoren ausgeführt, die ebenfalls kaskadierte Interdigitalwandler aufweisen können. Die Serienresonatoren sind dabei asynchron mit unterschiedlichen Fingerperioden im Interdigitalwandler und im Reflektor ausgebildet. Der Abstand zwischen Reflektoren und Interdigitalwandler in den Serienresonatoren kann regelmäßig sein und einer Fingerperiode entsprechen, wobei die Abstände jeweils von Fingermitte zu Fingermitte definiert ist. Damit wird auch im Serienresonator eine erniedrigte Leistungsdichte und damit eine höhere Leistungsverträglichkeit des Gesamtfilters erhalten. Möglich ist es jedoch auch, in den Serienresonatoren davon abweichende Abstände zwischen Interdigitalwandlern und Reflektoren zu realisieren.
Das Bandpassfilter (BPF) kann aber auch als DMS Filter (Dual oder Double Mode SAW) verwirklicht sein. Es kann als single ended/balanced DMS Filter verwirklicht sein und so eine integrierte BALUN Funktion (Balanced/Unbalanced) aufweisen. Das DMS Filter kann auf dem gleichen Substrat wie das ladder type SAW Filter realisiert sein, vorzugsweise aber auf einem davon getrennten Substrat.
Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert und ist nicht auf diese beschränkt. Insbesondere Anzahl, Anordnung und Kaskadierung der Serien- und Parallel-Impedanzelemente kann beliebig variiert werden. Die gleiche Variation ist bezüglich der Anzahl der Finger, der Aperturen und die Streuung der Fingerperiode über sämtliche Impedanzelemente eines Zweiges (Parallelzweig oder serieller Zweig) möglich. Erfindungsgemäße Bandsperrfilter sind beispielsweise zum Einsatz in zukünftigen Endgeräten der mobilen Kommunikation geeignet, um eine für den digitalen Fernsehstandard DVB-H ausgelegte Antenne von dem TX-Band des nahegelegenen GSM 800 Standards abzukoppeln bzw. das Fernsehsignal vor Störsignalen aus diesem TX-Band zu schützen. Weiterhin ist es möglich, erfindungsgemäße Bandsperrfilter in Empfängern für den digitalen TV-Standard DVB-T einzusetzen um auch dort das TX-Band von GSM Mobilfunkgeräten auszufiltern.

BSF: Bandsperrfilter
BPF: Bandpassfilter
RS: Serienimpedanzelement, insbesondere Serienresonator
RP: Parallelimpedanzelement, insbesondere Parallelwandler oder Parallelresonator
AEI, AEC: Anpassungselemente
AEI: Parallelinduktivität
AEC: Parallelkapazität
P: Fingerabstand = Fingerperiode
TW: (kaskadierte) Teilwandler
IN: Eingang
OUT: Ausgang
AP: Apertur

Claims

Bandsperrfilter mit einem piezoelektrischen Substrat und darauf angeordneten SAW-Impedanzelementen, – bei dem zumindest ein Serienzweig und mehrere dazu elektrisch parallel geschaltete Parallelzweige vorgesehen sind, – bei dem im zumindest einen Serienzweig zumindest ein Serienresonator (RS) und in den Parallelzweigen jeweils zumindest ein einen Interdigitalwandler umfassendes Parallel-Impedanzelement (RP) angeordnet sind, – bei dem die mittlere Fingerperiode P_S des zumindest einen Serienresonators größer ist als die mittlere Fingerperiode P_p der Parallel-Impedanzelemente.
Bandsperrfilter nach Anspruch 1, bei dem die Verhältnisse der Fingerperioden P_s der Serienresonatoren (RS) zu den Fingerperioden P_P der Parallel-Impedanzelemente (RP) zwischen 1,03 und 1.10 eingestellt sind.
Bandsperrfilter nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Bandsperre eine relative Bandbreite von 2,0 bis 5,5% aufweist.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Parallel-Impedanzelemente (RP) als reine Interdigitalwandler ohne Reflektoren ausgeführt sind.
Bandsperrfilter nach Anspruch 4, bei dem im Parallel-Impedanzelement (RP) Fingerbreiten und Fingerabstände variieren, wobei die maximale Variation der jeweiligen Größe von einem Elektrodenfinger zum direkt benachbarten Elektrodenfinger 0,05 beträgt.
Bandsperrfilter nach Anspruch 4, bei dem die als reine Interdigitalwandler ausgebildeten Parallel-Impedanzelemente (RP) homogen sind und konstante Metallisierungshöhe, konstante Fingerbreiten und konstante Fingerabstände aufweisen.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Parallel-Impedanzelemente (RP) als synchrone Resonatoren ausgebildet sind mit über die Resonatorlänge gleich bleibender Fingerbreite, Fingerperiode P_P und Metallisierungshöhe, bei dem der Reflektor/Interdigitalwandlerabstand der Fingerperiode P_p des Interdigitalwandlers entspricht.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Parallel-Impedanzelemente (RP) jeweils kaskadierte Interdigitalwandler (TW) aufweisen.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Anzahl der Parallel-Impedanzelemente (RP) größer ist als die Anzahl der Serienresonatoren (RS).
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem induktive Anpasselemente (AEI) parallel zum Parallelzweig geschaltet sind.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem kapazitive Anpasselemente (AEC) parallel zum Serienzweig geschaltet sind.
Bandsperrfilter nach Anspruch 10 oder 11, bei dem am Ein- und am Ausgang (IN; OUT) des Bandsperrfilters (BSF) je eine Induktivität (AEI_IN, AEI_OUT) in einem gegen Masse geschalteten Parallelzweig vorgesehen ist.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem zumindest drei in je einem Parallelzweig angeordnete Parallel-Impedanzelemente (RP) vorgesehen sind, bei dem parallel zu einem der mittleren Parallel-Impedanzelemente eine Induktivität (AEI) in einem gegen Masse geschalteten Parallelzweig vorgesehen ist.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem parallel zu einem Serienresonator (RS) eine Kapazität als paralleles Anpasselement (AEC) vorgesehen ist.
Bandsperrfilter nach Anspruch 14, bei dem die Kapazität (RS) auf dem piezoelektrischen Substrat als Interdigitalstruktur ausgebildet ist, deren Fingerperiode deutlich kleiner als die Fingerperiode des zumindest einen Serienresonators (RS) ist, oder bei dem die Interdigitalstruktur so verdreht gegen den Serienresonator auf einem Substrat angeordnet ist, dass sie auf dem Substrat keine akustische Oberflächenwelle erzeugen kann.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem die als kaskadierte Interdigitalwandler ausgebildeten Parallel-Impedanzelemente n in Serie geschaltete Teilwandler (TW) umfassen, die in transversaler Richtung nebeneinander angeordnet sind, jeweils gleiche Apertur (AP) aufweisen und eine Fingeranschlussfolge aufweisen, die in zwei transversal direkt benachbarten Teilwandlern der selben Kaskade einen Phasenversatz der akustischen Welle von λ/2 erzeugen, wobei 2 ≤ n.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem das Bandsperrfilter (BSF) mit einem Bandpassfilter (BPF) in Serie geschaltet ist.
Bandsperrfilter nach Anspruch 17, bei dem das Bandpassfilter (BPF) ein auf demselben Substrat verwirklichtes und aus SAW Resonatoren aufgebautes Ladder Type Filter ist.
Bandsperrfilter nach Anspruch 17, bei dem das Bandpassfilter (BPF) als DMS Filter verwirklicht ist.
Bandsperrfilter nach Anspruch 19, bei dem das Bandpassfilter (BPF) als single ended/balanced DMS Filter verwirklicht ist.
Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem zusätzlich zu den Parallel-Impedanzelementen (RP) in zumindest einem weiteren Parallelzweig jeweils ein Parallelresonator angeordnet ist, der zusammen mit dem zumindest einen Serienresonator ein Bandpassfilter (BPF) ausbildet, wobei die Fingerperiode des zumindest einen Parallelresonators größer ist als die Fingerperiode P_s des Serienresonators (RS).
Verwendung eines Bandsperrfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 21 in einem drahtlosen Kommunikationsendgerät für den Mobilfunk, das zusätzlich zum Empfang in einem Video- und/oder Audiodaten übertragenden Frequenzband ausgelegt ist, zur Sperre eines Mobilfunkfrequenzbands, das einem Video- und/oder Audiodaten übertragenden Frequenzband direkt benachbart ist.
Verwendung eines Bandsperrfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 21 in einer Antenne für ein Audio- und/oder Videoempfangsgerät zur Sperre eines Mobilfunkfrequenzbands, das dem Audio- und Videoübertragungsband direkt benachbart ist.