DE102014102707A1

DE102014102707A1 - Abstimmbares elektroakustisches HF-Filter mit verbesserten elektrischen Eigenschaften und Verfahren zum Betrieb eines solchen Filters

Info

Publication number: DE102014102707A1
Application number: DE102014102707.8A
Authority: DE
Inventors: Juha Ellä; Edgar Schmidhammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03
Also published as: WO2015128003A1; JP2017506860A; US20160359469A1; US10326428B2

Abstract

Es wird ein abstimmbares HF-Filter angegeben, das mit elektroakustischen Komponenten arbeiten kann und trotz eines großen Abstimmbereichs gute elektrische Eigenschaften bietet. Dazu umfasst das HF-Filter einen abstimmbaren Filterkern mit elektroakustischen und verstimmbaren Filterelementen sowie eine Impedanz-Wiederherstellungsschaltung zur Kompensation einer Impedanz-Veränderung durch ein Abstimmen des Filterkerns.

Description

Die Erfindung betrifft Hochfrequenz-(HF-)Filter, die z.B. in mobilen Kommunikationsgeräten aufgrund ihrer Eignung, frequenzmäßig abgestimmt zu werden, eine Vielzahl konventioneller Filter ersetzen können.
In nicht kabelgebundenen Kommunikationsgeräten, z.B. Handys, WLAN-Router, Basisstationen, usw. dienen HF-Filter zur Trennung erwünschter Signale von unerwünschten Signalen.
Typischerweise arbeiten solche HF-Filter mit elektroakustischen Komponenten, bei denen die Frequenzlage durch charakteristische Abstände entgegengesetzt polarisierter Elektroden und die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen in einem Medium dazwischen fest vorgegeben ist.
Die immer größer werdende Anzahl an Frequenzbändern, die ein Gerät bedienen können soll, würde eine immer größere Anzahl an HF-Filtern erfordern. Die steigenden Anforderungen an elektrische Eigenschaften wie Selektion oder Isolation erfordern neue technische Konzepte, insbesondere, da steilere Passbandflanken aufgrund der dichter zusammenrückenden Frequenzbänder notwendig werden.
So sind z.B. aus den Druckschriften US 2012/0313731 A1 , US 2012/286900 A1 oder WO 2012/114930 A1 abstimmbare elektroakustische Filter bekannt. Bei diesen verstimmt ein parallel zu einem elektroakustischen Resonator verschaltetes kapazitives Element die Akustik so, dass dabei eine Mittenfrequenz eines Frequenzbandes verschoben wird. Dadurch, dass die parallel geschalteten kapazitiven Elemente in ihrer Kapazität abstimmbar sind, kann die Mittenfrequenz in einem gewissen Frequenzintervall eingestellt werden.
Problematisch an bekannten abstimmbaren HF-Filtern mit elektroakustischen Komponenten ist, dass eine präzise Abstimmung vieler in komplexer Weise wechselwirkender Parameter der Komponenten notwendig ist, um Filter mit guten elektrischen Eigenschaften zu bekommen. Deshalb bewirkt jede Veränderung der Kapazitätswerte der parallel verschalteten kapazitiven Elemente eine nachteilhafte Verstimmung der Akustik und eine Verschlechterung der Filtereigenschaften. Auch wenn ein gewisser Grad an Verschlechterung toleriert werden kann, so ist der Abstimmbereich der bekannten abstimmbaren Filter eher gering.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, abstimmbare HF-Filter anzugeben, die verbesserte elektrische Eigenschaften bei vergrößertem Abstimmbereich haben. Ferner wird angegeben, wie ein solches Filter zu betreiben ist, um einen breiten Abstimmbereich bei guten elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Filters an.
Ein abstimmbares HF-Filter umfasst dabei einen Filtereingang und einen Filterausgang. Das Filter umfasst ferner einen abstimmbaren Filterkern mit einem Eingang, einer Eingangsimpedanz, einem Ausgang und elektroakustischen Filterelementen zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Das Filter umfasst ferner eine erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung zwischen dem Filtereingang und dem Eingang des Filterkerns. Die Impedanz-Wiederherstellungsschaltung ist dazu geeignet und dazu vorgesehen, eine durch ein Abstimmen des abstimmbaren Filterkerns induzierte Impedanz-Veränderung der Eingangsimpedanz des Filterkerns zu kompensieren.
Das Filter umfasst also eine erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung zur Kompensation einer Impedanz-Veränderung der Eingangsimpedanz des Filterkerns. Ebenso ist es möglich, eine Impedanz-Veränderung der Ausgangsimpedanz des Filterkerns zu kompensieren.
Dann umfasst das abstimmbare HF-Filter einen Filtereingang und einen Filterausgang, einen abstimmbaren Filterkern mit einem Eingang, einem Ausgang und einer Ausgangsimpedanz und elektroakustischen Filterelementen zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Das Filter umfasst dann ferner eine zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung zwischen dem Ausgang des Filterkerns und dem Filterausgang. Die Impedanz-Wiederherstellungsschaltung ist dazu geeignet und dazu vorgesehen, eine durch ein Abstimmen des abstimmbaren Filterkerns induzierte Impedanz-Veränderung der Ausgangsimpedanz des Filterkerns zu kompensieren.
Es wurde im Rahmen der Untersuchungen zu abstimmbaren HF-Filtern herausgefunden, dass das eigentliche Filter, nämlich der abstimmbare Filterkern des vorliegenden Filters, variierende Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanzen aufweist, wobei die Variationen der Impedanz durch das Abstimmen des Filters induziert werden. Die schädlichsten Auswirkungen des Abstimmens bestehen also darin, dass das Filter – von außen gesehen – variable Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanzen präsentiert, so dass die Integration in eine externe Schaltungsumgebung drastisch erschwert wird.
Der abstimmbare Filterkern des abstimmbaren HF-Filters ist dabei dasjenige Filtersegment, das im Wesentlichen zum frequenzselektiven Verhalten des Filters führt und die Filterfunktion erfüllt. Die erste bzw. zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung kompensiert dabei eine Veränderung der Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz dieses Filterkerns, so dass eine externe Schaltungsumgebung stets gleichbleibende Impedanzwerte „sieht“. Hat das abstimmbare HF-Filter eine durch eine externe Schaltungsumgebung geforderte definierte Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz, so wirken die erste bzw. zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung als Impedanzanpassschaltung oder als Impedanztransformationsschaltung zwischen den peripheren Anschlüssen des HF-Filters und dem Filterkern. Eine Impedanz-Anpassung wird dann erhalten, wenn lediglich ein relativ kleiner Impedanzsprung zu kompensieren ist. Ist der Impedanzsprung zwischen dem Anschluss des Filterkerns und dem entsprechenden Anschluss des Filters größer, so spricht man von einer Impedanz-Transformation. Als eine mögliche Definition kann dabei gelten, dass bei einem Impedanzsprung von einem Faktor < 1,5 von einer Impedanz-Anpassung auszugehen ist, während bei einem Impedanzsprung um einen Faktor ≥ 1,5 von einer Impedanztransformation auszugehen ist. Die beiden Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen beherrschen dabei i. A. eine Impedanz-Anpassung bzw. -Transformation für Faktoren bis etwa 1,5, 5, 10, 20 oder mehr, so dass große Impedanzveränderungen an den peripheren Anschlüssen des Kerns kompensiert werden können. Dadurch kann das vorliegende HF-Filter einen sehr breiten Abstimmungsbereich bei gleichzeitig sehr guten elektrischen Filtereigenschaften aufweisen.
Die begriffliche Unterscheidung zwischen Filterkern und Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen beruhen auf den fundamental verschiedenen Wirkungen der entsprechenden Filterabschnitte: Der Filterkern bewirkt die frequenzmäßige Selektion während die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen quasi keine Filterwirkung aber dafür eine Impedanz-Transformationsoder -anpassfunktionalität effizient, d.h. mit relativ wenigen Schaltungskomponenten, realisieren.
Die elektroakustische Komponente kann dabei ein einzelner Resonator oder eine Kombination, z.B. eine Serienverschaltung oder eine Parallelverschaltung aus elektroakustischen Resonatoren sein. Als elektroakustische Resonatoren kommen SAW-Resonatoren (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle), BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle), GBAW-Resonatoren (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle) oder Kombinationen solcher Resonatoren in Frage.
Das HF-Filter kann somit genau eine Impedanz-Wiederherstellungsschaltung umfassen. Diese kann entweder zwischen dem Filtereingang und dem abstimmbaren Filterkern oder andererseits zwischen dem abstimmbaren Filterkern und dem Ausgang des HF-Filters angeordnet sein.
Allerdings ist es eher unwahrscheinlich, dass ein Abstimmen des abstimmbaren Filterkerns lediglich nur die Eingangsimpedanz oder nur die Ausgangsimpedanz des Filterkerns verändert. Viel wahrscheinlicher ist es, dass sowohl die Eingangsimpedanz des Filterkerns als auch die Ausgangsimpedanz des Filterkerns durch das frequenzmäßige Abstimmen verändert werden. Deshalb ist es im Allgemeinen eine vorteilhafte Ausgestaltung des HF-Filters, sowohl die erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung als auch die zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung zwischen den entsprechenden Ein- und Ausgängen des HF-Filters und dem abstimmbaren Filterkern vorzusehen.
Ein entsprechendes HF-Filter kann dabei einen abstimmbaren Filterkern aufweisen, der eine frequenzmäßige Abstimmung der Mittenfrequenz erlaubt, ohne die Bandbreite zu verändern. Ebenso ist es möglich, den abstimmbaren Filterkern so auszugestalten, dass die Bandbreite einstellbar ist, ohne die Mittenfrequenz zu verändern. Ein abstimmbarer Filterkern, bei dem sowohl die Bandbreite als auch die Frequenzlage der Mittenfrequenz unabhängig voneinander eingestellt werden kann, ist ebenfalls möglich.
Das HF-Filter kann so ausgestaltet sein, dass der Filterkern Filtersegmente mit einer Parallelschaltung und/oder Serienverschaltung aus je einem elektroakustischen Resonator und einem abstimmbaren Impedanzelement umfasst.
Dann dient das abstimmbare Impedanzelement dazu, den elektroakustischen Resonator akustisch so zu verstimmen, dass seine Resonanzfrequenz auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.
Konventionelle mit elektroakustischen Komponenten arbeitende HF-Filter umfassen dabei elektroakustische Resonatoren, deren Resonanzfrequenz je nach der Stelle der Schaltungstopologie an der sie angeordnet sind, charakteristische Frequenzen eines Frequenzbandes definieren. So bestimmen Serienresonatoren in Laddertype-ähnlichen Filterstrukturen mit ihren Resonanzfrequenzen im Wesentlichen die Mittenfrequenz eines Passbands. Die Antiresonanzfrequenz eines Serienresonators bestimmt im Wesentlichen die Lage der oberen Passbandflanke, während die Resonanzfrequenzen von Parallelresonatoren im Wesentlichen die niederfrequente Flanke eines Passbandes definieren. Die Antiresonanzfrequenzen der Parallelresonatoren stimmen im Wesentlichen mit den Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren überein.
Werden dagegen die Antiresonanzfrequenzen von Serienresonatoren ähnlich zu den Resonanzfrequenzen der Parallelresonatoren gewählt, so wird ein Bandsperrfilter erhalten.
Analog zu den Resonatoren konventioneller elektroakustischer Filterschaltungen können die Filtersegmente mit einer Parallelschaltung aus einem elektroakustischen Resonator und einem abstimmbaren Impedanzelement einen Resonator in einer konventionellen HF-Schaltung ersetzen, um die Einstellbarkeit der charakteristischen Frequenzen zu ermöglichen.
Es ist auch möglich, dass die Filtersegmente des Filterkerns zusätzlich zur Parallelschaltung aus je einem elektroakustischen Resonator und einem abstimmbaren Impedanzelement ein weiteres abstimmbares Impedanzelement umfassen, das in Serie mit der Parallelschaltung verschaltet ist. Damit umfasst ein Filtersegment ein abstimmbares Impedanzelement, das parallel zum Resonator geschaltet ist, sowie ein weiteres abstimmbares Impedanzelement, das in Serie zum Resonator geschaltet ist. Dadurch ist die frequenzmäßige Abstimmbarkeit des Resonators und damit des Filtersegments im Filterkern verbessert.
Die abstimmbaren Impedanzelemente der HF-Filterschaltung können abstimmbare induktive Elemente oder abstimmbare kapazitive Elemente oder – je nach Anforderung – sowohl abstimmbare Impedanzelement als auch abstimmbare kapazitive Elemente sein. Die Implementation eines abstimmbaren kapazitiven Elements ist dabei im Allgemeinen einfacher, wenn hochgütige Impedanzelemente erhalten werden sollen. Abstimmbare kapazitive Elemente können dabei Varaktoren, abstimmbare MEMS-Komponenten oder Kapazitätsbänke mit einzeln hinzu- oder abschaltbaren Kondensatoren sein.
Es ist möglich, dass die Filtersegmente Serienelemente oder Parallelelemente oder beides einer Laddertype-Schaltung sind. Wie oben bereits angegeben, ist die Verwendung einer Laddertype-Schaltung oder einer Laddertype-ähnlichen Schaltung in HF-Filtern üblich, da sie relativ leistungsverträglich sind und – zumindest in einer Bauform mit wenigen Grundgliedern – eine geringe Einfügedämpfung bei guter Selektion ermöglichen.
Es ist möglich, dass die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen – also entweder die erste Impedanz-Wiederherstellungssschaltung oder die zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung oder beide Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen – je einen Admittanz-Inverter umfassen. Ein Admittanz-Inverter invertiert eine Last-Admittanz Y_load und gewichtet diese mit dem Quadrat J² des sog. Werts J des Admittanzinverters gemäß der Gleichung Y_in = J²/Y_load und stellt somit eine Eingangsadmittanz Yin zur Verfügung. Admittanz-Inverter können dabei auf vielfältige Weise Schaltungstechnisch realisiert werden. Dadurch kann die Kompensation der Impedanzveränderung durch das Abstimmen erreicht werden.
Die eine oder die mehreren Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen können dabei eines oder mehrere abstimmbare Impedanzelemente zur Impedanz-Wiederherstellung umfassen. Als abstimmbare Impedanzelemente können dabei abstimmbare induktive Elemente, abstimmbare kapazitive Elemente oder sowohl abstimmbare induktive Elemente als auch abstimmbare kapazitive Elemente pro Impedanz-Wiederherstellungsschaltung vorhanden und geeignet miteinander verschaltet sein. Da abstimmbare kapazitive Elemente mit hoher Güte leichter zu realisieren sind, ist die Verwendung von abstimmbaren kapazitiven Elementen in den Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen bevorzugt.
Es ist dabei möglich, dass die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen ein Filtersegment zur Impedanz-Wiederherstellung umfassen, das ein serielles Impedanzelement, ein paralleles Impedanzelement, einer L-Schaltung, einer π-Schaltung oder eine T-Schaltung ist. Durch diese einzelnen Impedanzelemente oder Kombinationen aus Impedanzelementen können leicht Impedanz-Wiederherstellungsstrukturen mit der Funktionalität eines Admittanz-Inverters erhalten werden.
Es ist möglich, dass die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen Impedanzelemente mit einstellbarer Kapazität zur Impedanz-Wiederherstellung umfassen, vor allem, wenn hohe Gütefaktoren und eine einfache Ansteuerbarkeit der Impedanzelemente vorteilhaft sind.
In einem Verfahren zum Betrieb eines wie z.B. oben beschriebenen abstimmbaren HF-Filters weisen die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen abstimmbare Impedanzelemente auf, deren Impedanz so eingestellt wird, dass eine Impedanzveränderung an einem Ein- oder Ausgang des abstimmbaren Filterkerns kompensiert wird.
Dazu ist gegebenenfalls eine Logikschaltung vorhanden, die über Steuerleitungen mit den abstimmbaren Impedanzelementen der Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen verschaltet ist.
Es ist möglich, dass das Impedanzverhalten des Eingangs und des Ausgangs des abstimmbaren Filterkerns vorab analysiert wird. Mittels der abstimmbaren Impedanzelemente wird der abstimmbare Filterkern so eingestellt, dass bevorzugte Bandbreiten und Mittenfrequenzen und Kombinationen aus Bandbreiten und Mittenfrequenzen erhalten werden. Dabei werden jeweils die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz des abstimmbaren Filterkerns bestimmt.
Ferner werden Sollwerte für die Eingangsimpedanz des HF-Filters am Filtereingang und für die Ausgangsimpedanz des HF-Filters am Filterausgang definiert. Diese können beispielsweise bei 5 Ohm, 25 Ohm, 50 Ohm, 100 Ohm, 200 Ohm oder 500 Ohm liegen.
Anschließend wird ermittelt, welche Impedanzwerte bzw. Kapazitätswerte im Falle einstellbarer kapazitiver Elemente, für die abstimmbaren Impedanzelemente der Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen zu wählen sind, damit das abstimmbare HF-Filter sich nach außen hin mit den gewünschten und im Vorfeld festgelegten peripheren Impedanzen präsentiert.
Die entsprechenden Parameter können ebenfalls in der Logikschaltung hinterlegt werden, damit ein schnelles Auffinden der Werte ermöglicht ist.
Alternativ zu dieser Steuerung der abstimmbaren Impedanzelemente ist es auch möglich, eine adaptive Regelung der abstimmbaren Impedanzelemente zu wählen, so dass situationsbedingt stets optimale Impedanz-Anschlusswerte erhalten werden können, unabhängig davon ob bestimmte Passbandbreiten und/oder Mittenfrequenzen bei der Entwicklung des abstimmbaren HF-Filters bereits bekannt waren oder nicht.
Dann kann das abstimmbare HF-Filter zusätzlich einen oder mehrere Impedanzdetektoren aufweisen, die die entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanzen des HF-Filters und/oder des abstimmbaren Filterkerns feststellen.
Die elektroakustischen Resonatoren und Impedanzelemente wie die abstimmbaren Impedanzelemente oder nicht abstimmbare Impedanzelemente mit konstanter Impedanz können in oder auf dem gleichen Chip angeordnet und realisiert sein. Es ist allerdings auch möglich, dass die Resonatoren und weitere Impedanzelemente auf verschiedene Chips verteilt sind. Die Logikschaltung und weitere Schaltungskomponenten eines Regelkreises können ebenfalls auf oder in einem dieser Chips angeordnet oder realisiert sein. Durch einen entsprechend hohen Grad an Integration können die entsprechenden Signalleitungen sehr kurz ausgebildet werden, was der Signalqualität zugutekommt.
Es ist möglich, dass das abstimmbare HF-Filter als so genanntes Diversity-Filter in einem mobilen Kommunikationsgerät arbeitet. Als Diversity-Filter unterstützt es den Signalempfang und ist ausschließlich dazu vorgesehen HF-Signale zu empfangen aber nicht zu senden. Dadurch braucht das Diversity-Filter nicht so leistungsfest wie beispielsweise Senderfilter sein. Ein einziges abstimmbares Diversity-Filter kann eine Vielzahl konventioneller Diversity-Filter ersetzen.
Es ist möglich, dass das abstimmbare HF-Filter mit einem frequenzmäßig abstimmbaren Leistungsverstärker (englisch: Power Amplifier) oder mit einem rauscharmen Verstärker (englisch: LNA: Low Noise Amplifier) verschaltet ist. Verstärker wie Leistungsverstärker oder LNA sind prinzipiell besser geeignet, mit verschiedenen Frequenzen zu arbeiten. Deshalb eignen sich diese Verstärker besonders dazu, mit dem ebenfalls abstimmbaren Filter verschaltet zu werden, um eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen in einem Kommunikationsgerät mit wenigen Schaltungskomponenten zu erfüllen.
Es ist ebenfalls möglich, dass ein solches abstimmbares HF-Filter oder zwei solche abstimmbaren HF-Filter in einem Duplexer verschaltet sind. Dann kann auf einfache Weise ein Duplexer/abstimmbarer Duplexer mit geringem Schaltungsaufwand und trotzdem guten elektrischen Eigenschaften erhalten werden.
Es ist möglich, dass ein solcher Duplexer in einem Frontend-Modul eines mobilen Kommunikationsgeräts eingesetzt werden kann, um eine Vielzahl nicht abstimmbarer Duplexer zu ersetzen. Insbesondere dann, wenn die Abstimmbarkeit der Bandbreite ausreichend groß ist, können sogar zwei oder mehr nebeneinander angeordnete Empfangs- und Sendesignalbänder abgedeckt werden, so dass ein gleichzeitiger Betrieb in diesen verschiedenen Frequenzbändern möglich ist.
Das abstimmbare HF-Filter wird im Folgenden anhand von schematischen Ausführungsbeispielen und schematischen Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: Ein Ersatzschaltbild mit den wesentlichen Schaltungskomponenten des abstimmbaren HF-Filters AHF,
2a: ein Ersatzschaltbild des abstimmbaren HF-Filters, bei dem der abstimmbare Filterkern AFK zumindest eine Parallelschaltung eines Impedanzelements und eines elektroakustischen Resonators aufweist,
2b: ein Ersatzschaltbild des abstimmbaren HF-Filters, bei dem der abstimmbare Filterkern AFK zumindest eine Sereinschaltung eines Impedanzelements und eines elektroakustischen Resonators aufweist,
3: eine Ausgestaltung des Filters der 2, bei dem ein Impedanzelement in Serie zur Parallelschaltung verschaltet ist,
4a: eine Ausgestaltung, bei der ein abstimmbares Impedanzelement als paralleles abstimmbares kapazitives Element realisiert ist,
4b: eine Ausgestaltung, bei der ein abstimmbares Impedanzelement als serielles abstimmbares kapazitives Element realisiert ist,
5: eine Ausgestaltung, bei der das Serienelement des Filtersegments ebenfalls als abstimmbares kapazitives Element realisiert ist,
6: eine Ausgestaltung, bei der der abstimmbare Filterkern drei in einer T-Struktur verschaltete Filtersegmente aufweist,
7: eine Ausgestaltung, bei der der abstimmbare Filterkern eine Laddertype-Struktur aufweist,
8 bis 17: Mögliche Realisierungen des Admittanz-Inverters,
18: drei Einfügedämpfungen für verschieden gewählte Mittenfrequenzen eines konventionellen abstimmbaren HF-Filters,
19: drei Einfügedämpfungen für die drei Mittenfrequenzen der 18, jedoch mit Impedanzkompensation.
1 zeigt schematisch den strukturellen Aufbau des abstimmbaren HF-Filters AHF. Das Filter weist einen Filtereingang FE und einen Filterausgang FA auf. Dazwischen ist der abstimmbare Filterkern AFK verschaltet, der im Wesentlichen die Filterwirkung des Filters realisiert. Der abstimmbare Filterkern AFK hat einen Eingang E und einen Ausgang A. Es hat sich gezeigt, dass die Eingangsimpedanz am Eingang E bzw. die Ausgangsimpedanz am Ausgang A variiert, wenn der abstimmbare Filterkern AFK bezüglich seiner Mittenfrequenz oder seiner Bandbreite eingestellt wird. Das HF-Filter AFH weist deshalb eine erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung IWS1 zwischen dem Filtereingang FE und dem Eingang des abstimmbaren Filterkerns AFK auf. Durch die erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung IWS1 wird eine definierte Eingangsimpedanz des HF-Filters AHF am Filtereingang FE erreicht, mithilfe derer das Filter leicht mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet werden kann. Analog stellt die zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung IWS2 zwischen dem Ausgang des abstimmbaren Filterkerns AFK bzw. dem Filterausgang FA am Filterausgang FA eine gewünschte vorher definierte Ausgangsimpedanz des Filters AHF ein. Unabhängig davon wie die Eingangsund Ausgangsimpedanzen des abstimmbaren Filterkerns AFK im vom Einzelfall abhängigen Abstimm-Modus ausfällt, ist die gesamte Filterschaltung AHF stets impedanzmäßig wohldefiniert in eine externe Schaltungsumgebung eingebettet, so dass eine optimale Signalweiterleitung erhalten wird. Speziell die Einfügedämpfung innerhalb des Passbands ist minimiert und über den gesamten Passbandbereich nahezu konstant. Die Welligkeit im Passband erreicht ein sehr niedriges Niveau.
Die einzelnen relevanten Schaltungspunkte, der Filtereingang, der Filterausgang und die entsprechenden Ein- und Ausgänge der Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen und des abstimmbaren Filterkerns sind durch Signalleitungen SL verbunden. Die Signalleitungen und die Teilschaltungen des HF-Filters AHF können dabei so ausgeführt sein, dass erdsymmetrische Signale (balanced Signale) geführt werden können. Das Weiterleiten von erdunsymmetrischen Signalen (unbalanced Signale) ist ebenfalls möglich.
2a stellt dar, wie der abstimmbare Filterkern AFK seine Abstimmbarkeit erhält. Der Kern umfasst zumindest eine elektroakustische Komponente EAK. Parallel dazu ist ein Impedanzelement IE verschaltet, dessen Impedanz einstellbar ist. Dadurch, dass die Impedanz des Impedanzelements IE einstellbar ist, ist die Akustik der elektroakustischen Komponente EAK verstimmbar, wodurch der Filterkern AFK abstimmbar wird.
2b stellt eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit dar, eine Abstimmbarkeit zu erhalten. Der Kern umfasst zumindest eine elektroakustische Komponente EAK und in Serie dazu ein Impedanzelement IE, dessen Impedanz einstellbar ist. Dadurch, dass die Impedanz des Impedanzelements IE einstellbar ist, ist die Akustik der elektroakustischen Komponente EAK verstimmbar, wodurch der Filterkern AFK abstimmbar wird.
Die Impedanzelemente IE der 2a und 2b können abstimmbare induktive Elemente und insbesondere abstimmbare kapazitive Elemente sein.
3 zeigt eine Form, wobei zusätzlich zur Parallelverschaltung aus elektroakustischer Komponente EAK und Impedanzelement IE ein zusätzliches Impedanzelement IE in Serie mit der Parallelverschaltung verschaltet ist. Die Impedanz des seriellen Impedanzelements IE kann dabei ebenfalls einstellbar sein, so dass der Abstimmbereich des Filterkerns AFK erweitert wird.
4a zeigt, wie eine elektroakustische Komponente EAK und ein abstimmbares Kapazitätselement AKE, dass das Impedanzelement IE der 2 realisiert, ein Filtersegment FS bilden. Solche oder ähnliche Filtersegmente FS bilden die Schaltungselemente des abstimmbaren Filterkerns AFK. Der abstimmbare Filterkern AFK kann somit Serien- und Parallelverschaltungen entsprechender Filtersegmente FS aufweisen.
4b zeigt – analog zu 4a – eine Serienverschaltung eines abstimmbares Kapazitätselement AKE mit einem elektroakustischen Resonator, um den Resonator zu verstimmen.
5 zeigt eine Ausführungsform eines Filtersegments FS, bei dem zusätzlich zur Parallelverschaltung aus dem abstimmbaren kapazitiven Element AKE und der elektroakustischen Komponente EAK ein weiteres abstimmbares kapazitives Element AKE in Serie verschaltet ist, um den Abstimmbereich zu erweitern und die Flexibilität beim Einstellen einer Mittenfrequenz und einer Bandbreite und insbesondere einer guten Anpassung der Filtersegmente FS aneinander zu erreichen.
6 zeigt das Ersatzschaltbild wichtiger Schaltungselemente des HF-Filters, wobei im abstimmbaren Filterkern AFK drei Filtersegmente FS in einer T-Anordnung miteinander verschaltet sind. Dabei sind zwei Filtersegmente in Serie miteinander im Signalzweig zwischen den beiden Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen verschaltet. Ein drittes Filtersegment FS verbindet die Verkopplungsstellen der beiden seriellen Filtersegmente mit Masse. Schon mit dieser überraschend einfachen Kombination dreier Filtersegmente im Filterkern mit den beiden Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen kann – wie in 19 berechnet – ein Bandpassfilter erhalten werden, das eine leicht verschiebbare Mittenfrequenz bei nahezu konstanter Bandpassbreite und bei guten Werten für die Einfügedämpfung IL aufweist.
7 zeigt wichtige Schaltungselemente einer Ausführungsform, bei der der abstimmbare Filterkern AFK eine Laddertype-Struktur mit drei in Serie geschalteten Filtersegmenten FS und drei weiteren Filtersegmenten FS, die jeweils den Signalpfad mit Masse verschalten, aufweist. Die Filtertopologie dieser Laddertype-Schaltung LDS im abstimmbaren Filterkern AFK ermöglicht im Vergleich zur Topologie der 6 noch eine weitergehende Optimierung der Selektionseigenschaften.
8 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer der Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen mit einer abstimmbaren Induktivität. Eine direkte Verschaltung des Impedanzelements der Impedanz-Wiederherstellungsschaltung mit Masse ist nicht notwendig. Gleichwohl stellt die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen ein Zweitor dar.
Entsprechend zeigt 9 eine analoge Form einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung, bei der im Signalpfad ein abstimmbares kapazitives Element verschaltet ist.
10 zeigt eine Ausführungsform einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung, bei der ein abstimmbares induktives Element dem Signalzweig mit Masse (dargestellt durch die untere Signalleitung) verbindet.
11 zeigt eine analoge Ausführungsform, bei der das abstimmbare induktive Element durch ein abstimmbares kapazitives Element, das den Signalweg mit Masse verschaltet, ersetzt ist.
Die Signalleitungen der Schaltungen der 8 bis 11 sollten dabei ferner eine charakteristische Impedanz Z₀ aufweisen und eine Phasendrehung im einen Winkel Φ bewirken. Die Phasendrehung kann dabei in zwei Drehungen, z. B. um jeweils Φ/2 aufgeteilt werden. Die spezifischen Werte von Φ und Z₀ hängen dabei von den Topologien der übrigen Schaltungssegmente ab und sind durch die üblichen fachmännischen Maßnahmen leicht zu bestimmen. So ist Φ so zu wählen, dass alle Teilsignale phasenrichtig zusammengefügt werden können. Z₀ ergibt sich aus dem Impedanzanpass-Faktor.
12 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung, bei der ein abstimmbares kapazitives Element im Signalzweig und ein abstimmbares induktives Element zwischen dem Signalzweig und Masse zusammen eine L-Struktur bilden.
13 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung in L-Form, bei der im Signalzweig ein abstimmbares induktives Element und parallel dazu zwischen dem Signalzweig und Masse verschaltet ein abstimmbares kapazitives Element angeordnet ist.
Die Kapazitätswerte bzw. Induktivitätswerte der Impedanzelemente sind durch die Bedingung Y_in = J²/Y_load festgelegt.
14 zeigt eine Ausführungsform der Impedanz-Wiederherstellungsschaltung in T-Form, wobei zwei induktive Elemente in Serie im Signalzweig verbunden sind, während ein abstimmbares kapazitives Element den Signalzweig mit Masse verschaltet.
15 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung in T-Form, wobei zwei abstimmbare kapazitive Elemente in Serie im Signalzweig verschaltet sind und ein induktives Element den Signalzweig mit Masse verschaltet.
16 zeigt eine Ausführungsform einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung in π-Form, wobei ein induktives Element im Signalzweig verschaltet ist und jeweils ein abstimmbares kapazitives Element den Eingang bzw. Ausgang der Schaltung mit Masse verschaltet.
Entsprechend zeigt 17 eine Ausführungsform einer Impedanz-Wiederherstellungsschaltung in π-Form, wobei im Signalzweig ein abstimmbares kapazitives Element verschaltet ist, während jeweils ein induktives Element mit jedem der Ports der Schaltung verschaltet ist.
Jede der beiden Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen, die ausgewählt sind aus erster Impedanz-Wiederherstellungsschaltung und zweiter Impedanz-Wiederherstellungsschaltung können eines oder mehrere der Ausführungsformen der 8 bis 17 und gegebenenfalls noch weitere Schaltungs- oder Impedanzanpasselemente umfassen. Die abstimmbaren Elemente sind bevorzugt kapazitive Elemente. Die Verwendung von abstimmbaren induktiven Elemente anstelle von oder zusätzlich zu abstimmbaren kapazitiven Elementen ist ebenfalls möglich.
Die Wirkung der Kombination aus Impedanz-Wiederherstellungsschaltung und abstimmbarem Filterkern illustrieren die 18 und 19 deutlich: 18 zeigt die frequenzabhängige Einfügedämpfung konventioneller abstimmbarer Filterschaltungen, die mit elektroakustischen Komponenten arbeiten. Die Kurven A, B und C weisen dabei Passbänder auf, die durch Verstimmen der elektroakustischen Komponenten durch abstimmbare kapazitive Elemente in ihren Mittenfrequenzen verschoben werden können. Dabei ändern sich sowohl die Form der Einfügedämpfungen innerhalb und außerhalb des Passbands als auch die Breite des Passbands und besonders die Welligkeit im Passband. So nimmt die tatsächlich nutzbare Passbandbreite mit zunehmender Verschiebung zu höheren Frequenzen hin deutlich ab, da – vgl. Kurve C – sich deutlich eine Einschnürung im Bereich kleiner Einfügedämpfungen an der Seite der oberen Passbandflanke ausbildet, sich danach die Einfügedämpfung aber wieder verringert bis sie endgültig in Richtung einer Polstelle ansteigt.
Im Gegensatz dazu zeigt 19 den Verlauf der drei Einfügedämpfungen A*, B*, C*, die auf einer Topologie der in 6 gezeigten Kombination aus Filterkern und Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen basiert. Zwar nimmt die Passbandbreite zu höheren Mittenfrequenzen hin ab. Die Verzerrung der Struktur des Verlaufs der Einfügedämpfung innerhalb des Passbands ist dagegen nahezu verschwunden und die welligen Passbänder weisen wohldefinierte Breiten und wohldefinierte Flanken auf.
Das abstimmbare HF-Filter und die beschriebenen Verfahren zum Betrieb abstimmbare HF-Filter sind nicht auf die gezeigten oder beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. HF-Filter mit weiteren Schaltungskomponenten im Filterkern, die eine definierte Filterwirkung realisieren oder weiteren passiven oder gar aktiven Schaltungselementen in zumindest einer der Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen gehören ebenso zu den gezeigten Ausführungsformen.
Bezugszeichenliste

A*, B*, C*:

Einfügedämpfungen eines HF-Filters mit Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen

A, B, C:

Einfügedämpfungen konventioneller abstimmbarer Filter

A:

Ausgang des abstimmbaren Filterkerns

AFK:

abstimmbarer Filterkern

AHF:

abstimmbares HF-Filter

AKE:

abstimmbares kapazitives Element

E:

Eingang des abstimmbaren Filterkerns

EAK:

elektroakustische Komponente

f:

Frequenz

FA:

Ausgang des HF-Filters

FE:

Eingang des HF-Filters

FS:

Filtersegment

IE:

Impedanzelement

IL:

Einfügedämpfung (insertion loss)

IWS1:

erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung

IWS2:

zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung

LDS:

Laddertype-Struktur

SL:

Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0313731 A1 [0005]
US 2012/286900 A1 [0005]
WO 2012/114930 A1 [0005]

Claims

Abstimmbares HF-Filter (AHF), umfassend – einen Filtereingang (FE) und einen Filterausgang (FA), – einen abstimmbaren Filterkern (AFK) mit einem Eingang (E), einer Eingangsimpedanz, einem Ausgang (A) und elektroakustischen Filterelementen (EAK) zwischen dem Eingang (E) und dem Ausgang (A), – eine erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung (IWS1) zwischen dem Filtereingang (FE) und dem Eingang des Filterkerns (E), wobei – die erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung (IWS1) dazu geeignet und vorgesehen ist, eine durch ein Abstimmen des abstimmbaren Filterkerns (AFK) induzierte Impedanz-Veränderung der Eingangsimpedanz des Filterkerns (AFK) zu kompensieren.
Abstimmbares HF-Filter (AHF), umfassend – einen Filtereingang (FE) und einen Filterausgang (FA), – einen abstimmbaren Filterkern (AFK) mit einem Eingang (E), einem Ausgang (A), einer Ausgangsimpedanz und elektroakustischen Filterelementen (EAK) zwischen dem Eingang (E) und dem Ausgang (A), – eine zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung (IWS2) zwischen dem Ausgang (A) des Filterkerns (AFK) und dem Filterausgang (FA), wobei – die zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung (IWS2) dazu geeignet und vorgesehen ist, eine durch ein Abstimmen des abstimmbaren Filterkerns (AFK) induzierte Impedanz-Veränderung der Ausgangsimpedanz des Filterkerns (AFK) zu kompensieren.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend – eine erste Impedanz-Wiederherstellungsschaltung (IWS1) zwischen dem Filtereingang (FE) und dem Eingang (E) des Filterkerns (AFK) und – eine zweite Impedanz-Wiederherstellungsschaltung (IWS2) zwischen dem Ausgang (A) des Filterkerns (AFK) und dem Filterausgang (FA), wobei die beiden Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen (IWS1, IWS2) dazu geeignet und vorgesehen sind, durch ein Abstimmen des abstimmbaren Filterkerns (AFK) induzierte Impedanz-Veränderungen der Eingangs- und der Ausgangsimpedanz des Filterkerns (AFK) zu kompensieren.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Filterkern (AFK) Filtersegmente (FS) mit – einer Parallelschaltungen aus je einem elektroakustischen Resonator (EAK) und einem abstimmbaren Impedanzelement (IE) und/oder – einer Serienverschaltung aus je einem elektroakustischen Resonator (EAK) und einem abstimmbaren Impedanzelement (IE) umfasst.
HF-Filter nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Filterkern (AFK) Filtersegmente (FS) mit Serienschaltungen aus je einem abstimmbaren Impedanzelement (IE) in Serie verschaltet mit einer Parallelschaltungen aus je einem elektroakustischen Resonator (EAK) und einem abstimmbaren Impedanzelement (IE) umfasst.
HF-Filter nach dem einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei die abstimmbaren Impedanzelemente (IE) abstimmbare kapazitive Elemente (AKE) sind.
HF-Filter nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei die Filtersegmente (FS) Serienelemente oder Parallelelemente einer Laddertype-Schaltung sind.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen (IWS1, IWS2) je einen Admittanz-Inverter umfassen.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen (IWS1, IWS2) eines oder mehrere abstimmbare Impedanzelemente (IE) zur Impedanz-Wiederherstellung umfassen.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen (IWS1, IWS2) ein Filtersegment (FS) zur Impedanz-Wiederherstellung umfassen, das ausgewählt ist aus: einem seriellen Impedanzelement (IE), einem parallelen Impedanzelement (IE), einer L-Schaltung, einer π-Schaltung und einer T-Schaltung.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen (IWS1, IWS2) Impedanzelemente (AKE) mit einstellbarer Kapazität zur Impedanz-Wiederherstellung umfassen.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, das als Diversity-Filter in einem mobilen Kommunikationsgerät arbeitet.
HF-Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, das mit einem frequenzmäßig abstimmbaren – Leistungsverstärker oder – Rauscharmem Verstärker verschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb eines abstimmbaren HF-Filters nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem – die Impedanz-Wiederherstellungsschaltungen (IWS1, IWS2) abstimmbare Impedanzelemente (IE) aufweisen, deren Impedanz so eingestellt wird, dass eine Impedanzveränderung an einem Ein- (E) oder Ausgang (A) des abstimmbaren Filterkerns (AFK) kompensiert wird.
Duplexer mit einem oder zwei abstimmbaren HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Frontend-Modul mit dem Duplexer nach dem vorherigen Anspruch.