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Aus
der Druckschrift US 2004/008728 A1 ist ein Bauelement mit einem
Bandpassfilter bekannt.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit einem Bandpassfilter anzugeben,
das eine hohe Festigkeit gegenüber Spannungsspitzen
aufweist.
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Es
wird ein elektrisches Bauelement mit einem ersten Bandpassfilter
angegeben, das mindestens eine Induktivität L und mindestens eine Kapazität C umfasst.
Das erste Bandpassfilter ist mit dem zweiten Bandpassfilter verschaltet,
das mit akustischen Wellen arbeitet. Das erste Bandpassfilter ist vorzugsweise
zwischen einem Antennenanschluss und dem zweiten Bandpassfilter
angeordnet und direkt an das zweite Bandpassfilter angeschlossen. Das
Passband des ersten Bandpassfilters ist größer ist als dasjenige des zweiten
Bandpassfilters. Das Passband des zweiten Bandpassfilters liegt
im Passband des ersten Bandpassfilters.
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Der
Wert der Induktivität
und der Kapazität ist
so gewählt,
dass die Übertragungsfunktion
des ersten Bandpassfilters im Passband des zweiten Bandpassfilters
mindestens 70% ihres Maximalwertes beträgt.
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Die
Induktivität
ist vorzugsweise in einem ersten Querzweig und die Kapazität in einem
zweiten Querzweig angeordnet ist. Die Kapazität und die Induktivität sind vorzugsweise
parallel geschaltet und bilden einen Parallelschwingkreis, der in
einem Querzweig angeordnet ist, welcher vorzugsweise an den Eingang
des Bauelements (z. B. Antennenanschluss) angeschlossen ist. In
diesem Fall ist der Schwingkreis hochohmig im Bereich der Resonanzfrequenz
und niederohmig außerhalb
dieses Frequenzbereichs. Für
Resonanzfrequenz f
r1 des Parallelschwingkreises
gilt:
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Das
zweite Bandpassfilter kann ein Filter umfassen, das mit Oberflächenwellen
arbeitende elektroakustische Wandler aufweist. Das zweite Bandpassfilter
kann auch ein Filter umfassen, das mit Volumenwellen arbeitende
Resonatoren aufweist. Das erste Bandpassfilter ist als ESD-Schutz
für diese empfindlichen
Bauelementstrukturen des zweiten Bandpassfilters geeignet. ESD steht
für Electric Static
Discharge. Das angegebene Bauelement ist in der Lage, einen Überspannungsimpuls
von bis zu 8 kV zu tolerieren, selbst wenn das Bandpassfilter einen
empfindlichen, mit akustischen Wellen arbeitenden Chip umfasst.
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Das
Bauelement weist einen Signalpfad auf, in dem die Filter angeordnet
sind. Der Signalpfad weist einen Sperrbereich auf. Der Durchlassbereich des
Signalpfads ist im Wesentlichen durch die Bandbreite des zweiten
Filters bestimmt. Das Passband des Signalpfades liegt vorzugsweise
in einem Frequenzbereich bei ca. 1,575 GHz, in dem GPS-Signale übertragen
werden. Im Signalpfad werden beispielsweise Signale der Funkbänder GSM800, GSM900
oder AMPS unterdrückt.
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Das
zweite Bandpassfilter verhält
sich unterhalb seines Durchlassbereichs im Wesentlichen wie eine
gegen Masse geschaltete statische Kapazität C
0.
Die Kapazität
C, die Induktivität
L und die statische Kapazität
C
0 des zweiten Band passfilters bilden also
einen Schwingkreis in einem Frequenzbereich, der unterhalb des Passbandes
des zweiten Bandpassfilters liegt. Die Resonanzfrequenz f
r2 dieses Schwingkreises beträgt im Wesentlichen
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Bei
der Resonanzfrequenz wird dieser Schwingkreis, der ein gegen Masse
geschalteter Parallelschwingkreis ist, hochohmig. Daher wird die
Filterschaltung, die eine Serienschaltung des ersten und des zweiten
Bandpassfilters umfasst, vergleichsweise niederohmig, wobei zu unterdrückende Signale
im Signalpfad ggf. schlechter als erforderlich unterdrückt werden.
Die Nebenresonanz (Parallelresonanz), die durch den Schwingkreis
zustande kommt, wird also als störend
betrachtet. Aus diesem Grund wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises
vorzugsweise außerhalb
eines Frequenzbereiches gewählt,
der als Sperrbereich des Signalpfades vorgesehen ist und in dem
die Störsignale
möglichst
gut gedämpft
werden sollen.
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Die
Werte der statischen Kapazität,
der Kapazität
und der Induktivität
sind vorzugsweise so gewählt,
dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei einer Frequenz
auftritt, die zwischen dem Passband des zweiten Bandpassfilters
und dem Sperrbereich des Signalpfades eingestellt ist.
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Die
Kapazität
beträgt
vorzugsweise mindestens 1 pF und die Induktivität mindestens 1 nH. Der Wert
der Induktivität
ist vorzugsweise kleiner als 3 nH gewählt. In einer Variante wurden
die Werte L = 1,8 nH und C = 5,6 gewählt.
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Die
Bandbreite des zweiten Bandpassfilters beträgt vorzugsweise maximal 20
MHz. Die Bandbreite des ersten Bandpassfil ters beträgt vorzugsweise
zumindest das Doppelte derjenigen des zweiten Bandpassfilters.
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Das
erste Bandpassfilter kann auch mindestens eine weitere Induktivität und/oder
mindestens eine Serienkapazität
umfassen. Diese Serienkapazität
kann z. B. zwischen der Parallelkapazität und der Parallelinduktivität angeordnet
sein. Sie kann aber auch zwischen dem Antennenanschluss und dem Parallelschwingkreis
angeordnet sein. Die Serienkapazität kann wahlweise auch zwischen
dem Parallelschwingkreis und dem Bandpassfilter angeordnet sein.
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Das
Bauelement umfasst in einer vorteilhaften Variante ein Substrat,
auf dem ein Chip mit dem zweiten Bandpassfilter angeordnet ist.
Die Induktivität
ist vorzugsweise im Substrat integriert. Die Kapazität kann im
Substrat oder im Chip ausgebildet sein. Die Kapazität kann durch
einen Interdigitalwandler realisiert werden, der – wie die
Wandler des zweiten Bandpassfilters – auf einer Oberfläche des
Chips angeordnet und vorzugsweise gegen Masse geschaltet ist.
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Das
Substrat kann mindestens eine dielektrische Schicht umfassen, die
zwischen zwei Metallschichten angeordnet ist. Dielektrischen Schichten und
Metallschichten sind in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Das
Substrat umfasst vorzugsweise mindestens eine dielektrische Schicht
aus Keramik und in einer bevorzugten Variante mehrere Keramikschichten.
Die Metallschichten weisen strukturierte Leiterbahnen auf, darunter
Metallflächen
sowie lang gestreckte und ggf. gekrümmte Leiterbahnabschnitte.
Die Kapazität
C ist vorzugsweise durch zwei Metallflächen gebildet, zwischen denen
eine der Substratschichten angeordnet ist. Die Induktivität mit einem vorgegebenen
Induktivitätswert
kann durch einen Leiterbahnabschnitt gebildet sein.
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Das
angegebene Bauelement wird nun anhand von schematischen und nicht
maßstabgetreuen Figuren
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Ersatzschaltbild des Bauelements mit einem als ESD-Schutz geeigneten
ersten Bandpassfilter, das einem weiteren Bandpassfilter vorgeschaltet
ist;
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1A ein
Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß 1 außerhalb
des Durchlassbereichs des weiteren Bandpassfilters;
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2 Streuparameter
der Bandpassfilter und deren Serienschaltung;
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3 ein
beispielhaftes Bauelement im Querschnitt.
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In 1 ist
das Ersatzschaltbild eines beispielhaften Bauelements gezeigt. Das
Bauelement weist ein Einganstor mit einem Signalanschluss IN und
ein Ausgangstor mit einem Signalanschluss OUT auf. Zwischen den
Signalanschlüssen
IN, OUT ist ein Signalpfad SP1 angeordnet. Der Signalanschluss IN
ist z. B. als Antennenanschluss vorgesehen.
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Der
Signalpfad SP1 umfasst ein zweites Bandpassfilter BPF. Zwischen
dem Signalpfad SP1 und Masse ist eine Kapazität C und eine Induktivität L geschaltet.
Sie bilden einen Parallelschwingkreis, der als erstes Bandpassfilter
SK1 vorgesehen ist.
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In
der 1 ist durch eine durchgezogene Linie angedeutet,
dass das zweite Bandpassfilter BPF auf einem Substrat SU an geordnet
ist. Mit einer gestrichelten Linie ist angedeutet, dass das erste Bandpassfilter
SK1 im Substrat SU integriert und vorzugsweise darin verborgen ist.
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Das
zweite Bandpassfilter BPF verhält
sich unterhalb seines Durchlassbereiches wie eine in 1A gezeigte
Ersatzschaltung, die zwei gegen Masse geschaltete statische Kapazitäten C0,
C0' und eine Koppelkapazität C1 umfasst,
die in einem zwischen den Kapazitäten C0, C0' geschalteten Serienzweig angeordnet
ist.
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Die
Kapazitäten
C0 und C0' sind
durch die Koppelkapazität
C1 vorzugsweise nur schwach verkoppelt. Das zweite Bandpassfilter
BPF verhält
sich dabei am Eingang im Wesentlichen wie die statische Kapazität C0 und
am Ausgang im Wesentlichen wie die statische Kapazität C0'. Die Eingangsimpedanz der
in 1A gezeigten Ersatzschaltung wird im Wesentlichen
durch die statische Kapazität
C0 bestimmt, da gilt: C0 >> C1, C0' >> C1
und C0 ≈ C0'.
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Durch
die statische Kapazität
C0, die Kapazität C und die Induktivität L ist
unterhalb des Durchlassbereiches des Filters BPF ein Schwingkreis
SK2 mit der Resonanzfrequenz fr2 gebildet.
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In 2 oben
ist die Übertragungsfunktion 1 des
zweiten Bandpassfilters BPF, die Übertragungsfunktion 2 des
ersten Bandpassfilters SK1 sowie die Übertragungsfunktion 12 der
Serienschaltung des zweiten Bandpassfilters BPF und des ersten Bandpassfilters
SK1 gezeigt. Die Übertragungsfunktion
ist durch den Streuparameter S21 gegeben, das gegen Frequenz aufgetragen
ist.
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In 2 unten
ist der Streuparameter S11, d. h. die Reflexion am Eingang des jeweiligen
Filters, angegeben. Die Kurve 3 gibt die Reflexion am Eingang
des zweiten Bandpassfilters BPF an. Die Kurve 4 gibt die
Reflexion am Eingang des ersten Bandpassfilters SK1 an. Die Kurve 34 gibt
die Reflexion am Eingang der Serienschaltung der Filter BPF, SK1 an.
Die Resonanzfrequenz fr2 des Schwingkreises SK2
liegt bei ca. 1200 MHz, wie die Kurve 34 anzeigt. Die Werte
von L, C und C0 sind so gewählt, dass
die Resonanzfrequenz fr2 zwischen dem Durchlassbereich
des zweiten Bandpassfilters und dem Sperrbereich SB liegt. Somit
gelingt es, die durch diese Resonanz hervorgerufenen, unerwünschten
Peaks der Übertragungsfunktion
außerhalb
des Sperrbereichs zu halten.
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Das
zweite Bandpassfilter BPF ist schmalbandiger als das erste Bandpassfilter
SK1, d. h. seine bei –3
dB gemessene Bandbreite ist kleiner als die bei diesem Pegel gemessene
Bandbreite des ersten Bandpassfilters SK1.
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Im
vorgegebenen Sperrbereich SB des Bauelements ist die Unterdrückung von
Signalen durch die Serienschaltung der Filter SK1, BPF gegenüber der
Unterdrückung
nur durch das Filter BPF um mindestens 3 dB verbessert.
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3 zeigt
das Bauelement mit der Schaltung gemäß der 1 im Querschnitt.
Das Bandpassfilter BPF ist in einem Chip CH realisiert, der auf dem
mehrlagigen Substrat SU angeordnet ist. Das Substrat SU umfasst
mehrere dielektrische Schichten und Metallisierungsebenen. Verschiedene
Metallisierungsebenen sind mittels Durchkontaktierungen DK elektrisch
miteinander verbunden.
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Das
Bauelement ist vorzugsweise oberflächenmontierbar, wobei seine
zur Verschaltung mit einer Leiterplatte vorgesehene Außenkontakte
auf der Unterseite des Substrats angeordnet sind. Die unterste Metallisierungsebene
des Substrats SU umfasst erste Kontaktflächen, die den Signalanschlüssen IN,
OUT und Masseanschlüssen
GND zugeordnet sind. Die oberste Metallisierungsebene umfasst zweite
Kontaktflächen,
die mittels Lötverbindungen – z. B.
Bumps BU – mit
Anschlussflächen
des Chips CH leitend verbunden sind.
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Auf
der Unterseite des Chips CH sind akustisch wirksame Bauelementstrukturen
wie z. B. elektroakustische Wandler, akustische Reflektoren und Resonatoren
angeordnet. Die Anschlussflächen
des Chips CH und die akustisch wirksamen Bauelementstrukturen können auch
auf der Chipoberseite angeordnet sein. In diesem Fall sind die zweiten
Kontaktflächen
des Substrats SU und die Anschlussflächen des Chips CH vorzugsweise
mittels Bonddrähte
miteinander verbunden.
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Der
in 3 gezeigte Chip CH ist ungehäust. Der Chip kann aber auch
in einem Gehäuse angeordnet
sein. Alternativ ist es möglich,
ein gemeinsames Gehäuse
für den
Chip CH und das Substrat SU vorzusehen. Der Chip CH kann auch durch eine
Abdeckung verkapselt sein, die gegen die Oberfläche des Substrats SU dicht
abschließt.
Die Abdeckung kann in einer Variante formfest sein. Die Abdeckung
kann aber auch eine flexible Folie umfassen. Es ist von Vorteil,
wenn die Abdeckung mindestens eine leitende Schicht umfasst, die
als elektromagnetische Abschirmung für das Bandpassfilter BPF dienen
kann.
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In
den Innenlagen des Substrats SU ist ein Leiterbahnabschnitt LB,
eine erste Metallfläche
MF1 und eine an Masse angeschlossene Metallfläche MF2 angeordnet.
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Die
Induktivität
L ist im Wesentlichen durch den Leiterbahnabschnitt LB gebildet,
der vorzugsweise lang gestreckt ist, d. h. seine Länge übersteigt
seine Breite um mindestens Faktor zwei. Die Kapazität C ist
hauptsächlich
durch die einander gegenüber
liegenden Metallflächen
MF1, MF2 und eine zwischen diesen liegende Substratlage gebildet.
Die Metallflächen
MF1, MF2 sind im Gegensatz zum lang gestreckten Leiterbahnabschnitt
LB vorzugsweise jeweils flächig
ausgebildet.
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Das
Bauelement kann neben dem ersten Bandpassfilter SK1 und dem zweiten
Bandpassfilter BPF auch weitere Funktionseinheiten umfassen, die in
einer Frontendschaltung üblich
sind. Dies sind z. B. weitere Filter, Duplexer, Diplexer, Schalter.
Auf dem Substrat können
auch Verstärker
angeordnet sein.
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- 1
- Übertragungsfunktion
des BPF
- 2
- Übertragungsfunktion
des ersten Bandpassfilters
- 3
- Reflexion
am Eingang des zweiten Bandpassfilters BPF
- 4
- Reflexion
am Eingang des ersten Bandpassfilters SK1
- 34
- Reflexion
am Eingang der Serienschaltung der Filter BPF, SK1
- BPF
- Bandpassfilter
- BU
- Bump
- C
- Kapazität
- C0
- statische
Kapazität
des Bandpassfilters
- CH
- Chip
- DK
- Durchkontaktierung
- FB1
- Bandbreite
des ersten Funkbandes
- GND
- Masseanschluss
- L
- Induktivität
- LB
- Leiterbahnabschnitt
- MF1
- erste
Metallfläche
- MF2
- zweite
Metallfläche
- IN
- Eingang
- OUT
- Ausgang
- S21
- Übertragungsfunktion
- SK1
- erstes
Bandpassfilter
- SK2
- Schwingkreis
- SP
- erster
Signalpfad
- SU
- Substrat