DE102014109264A1 - Resonatorschaltung mit erweiterten Freiheitsgraden, Filter mit verbesserter Abstimmbarkeit und Duplexer mit verbesserter Abstimmbarkeit - Google Patents

Abstract

Es wird eine Resonatorschaltung (RS) mit neuen Freiheitsgraden angegeben. Die Resonatorschaltung umfasst einen Resonator, eine Impedanzschaltung und einen Z-Transformator dazwischen. Die Resonatorschaltung kann beispielsweise in einem HF-Filter und/oder in einem Duplexer Verwendung finden.

Description

• Die Erfindung betrifft Resonatorschaltungen, Filter und Duplexer, die sich durch eine verbesserte Abstimmbarkeit auszeichnen, sowie die Verwendung von Duplexern.
• In HF-Filtern, die z.B. in Duplexern enthalten sein können, werden im Allgemeinen Resonatoren verwendet. Die Resonatoren haben im Allgemeinen eine spezifische Resonanzfrequenz ω₀ und eine spezifische Antiresonanzfrequenz ω_p, bei der die Impedanz des Resonators eine Polstelle ausbildet. Diese beiden Frequenzen haben einen großen Einfluss auf charakteristische Filtereigenschaften. Werden Resonatoren z.B. zu Bandpassfiltern verschaltet, so bestimmen diese Frequenzen die Lage und die Breite des Passbands. Konventionelle Resonatoren haben deshalb einen eingeschränkten Anwendungsbereich bezüglich ihrer Arbeitsfrequenzen.
• Weitere Parameter, die Resonatoren und damit Filter bestimmen, sind die Leistungsverträglichkeit und der Umfang, in dem die Filter in einem ausreichend linearen Bereich arbeiten.
• Es besteht deshalb der Bedarf an Resonatorschaltungen, die gegenüber bekannten Resonatorschaltungen weitere Freiheitsgrade aufweisen, um eine bestimmte Frequenzcharakteristik zu erhalten. Insbesondere ist es wünschenswert, mehr Spielraum beim Einstellen charakteristischer Frequenzen und höhere Leistungsfestigkeiten zu haben.
• Die Resonatorschaltung gemäß Anspruch 1 wird diesen Anforderungen gerecht und ermöglicht dadurch verbesserte Filter und Duplexer.
• Die Resonatorschaltung umfasst einen Resonator, einen Z-Transformator und eine Impedanzschaltung. Die Impedanzschaltung weist eine Impedanz Z auf und beinhaltet ein Impedanzelement. Der Z-Transformator ist zwischen dem Resonator und der Impedanzschaltung verschaltet. Der Z-Transformator transformiert die Impedanz Z der Impedanzschaltung auf eine neue Impedanz Z’ ≠ Z und umfasst eine Transformationsschaltung, die ausgewählt ist aus einem GIC, einem NIC, einem GII und einem NII.
• Ein GIC (Generalized Impedance Converter, verallgemeinerter Impedanzkonverter) ist dabei eine Transformationsschaltung, die eine Ausgangsimpedanz Z in eine neue Impedanz Z’ umwandelt, wobei die neue Impedanz Z’ im Wesentlichen proportional zur Ausgangsimpedanz Z ist. Ein GII (Generalized Impedance Inverter, verallgemeinerter Impedanzinverter) ist im Wesentlichen eine Transformationsschaltung, die eine Ausgangsimpedanz Z auf eine neue Impedanz Z’ transformiert, wobei die neue Impedanz Z’ im Wesentlichen proportional zum reziproken Wert der ursprünglichen Impedanz Z ist. Ein NIC (Negative Impedance Converter, negativer Impedanzkonverter) ist ein GIC, wobei der Proportionalitätsfaktor negativ ist. Ein NII (Negative Impedance Inverter, negativer Impedanzinverter) ist ein GII, wobei der Proportionalitätsfaktor negativ ist.
• Im Prinzip ist der Z-Transformator somit eine Transformationsschaltung, die eine ursprüngliche Impedanz Z aussehen lässt, als wäre sie eine andere Impedanz Z’. Mit anderen Worten: Der Z-Transformator maskiert eine ursprüngliche Impedanz Z und stellt einer weiteren Schaltungsumgebung eine transformierte Impedanz Z’ zur Verfügung, obwohl hinter dem Z-Transformator lediglich eine Impedanz Z vorhanden ist.
• Der Z-Transformator kann dabei ein Zweitor umfassen. Ein Zweitor ist eine elektrische Schaltung mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor. Jedes der beiden Tore umfasst zwei elektrische Anschlüsse. Das elektrische Verhalten eines Zweitores ist im Wesentlichen dadurch bestimmt, wie die Spannungen, die an beiden Toren anliegen, und die Ströme, die in jedes Tor hinein beziehungsweise aus jedem Tor herausfließen, miteinander in Beziehung stehen. Fasst man die Ströme und die Spannungen der beiden Tore als Komponenten von Matrizen zusammen, so können sich auch Zweitore in kompakter Schreibweise durch Matrizen beschreiben lassen:

  
• Dabei bezeichnet U_IN die Spannung am Eingangstor, I_IN der Strom, der in das erste Tor hineinfließt, U_L die Spannung am Ausgangstor und I_L die Stromstärke am Ausgangstor. Üblicherweise ist am Ausgangstor des Zweitores eine elektrische Last verschaltet, so dass die Spannung und der Strom entsprechend mit dem Index L gekennzeichnet werden.
• Die Impedanz ist definiert als Quotient aus Spannung und Strom: Z = U / I (2)
• Somit ergibt sich aus Gleichung (1) und (2) Z_in zu:

  
• Dabei ist Z_IN die Impedanz am Eingangstor und Z_L die Impedanz am Ausgangstor des Z-Transformators.
• Die Matrix mit den Einträgen ABCD wird Kettenmatrix genannt. Sind die Diagonalelemente der Kettenmatrix, also A und D, gleich 0: ( A / C B / D)_GII = ( 0 / C B / 0), (4) so ergibt sich die Impedanz am Eingang des Z-Transformators zu:

  
• Die Impedanz Z_L wird also auf eine neue Impedanz Z_IN transformiert, wobei die ursprüngliche Impedanz Z_L und die neue Impedanz Z_IN reziprok sind. Der Proportionalitätsfaktor ist B/C. Eine Kettenmatrix mit verschwindenden Diagonalelementen beschreibt deshalb einen GII.
• Sind lediglich die Diagonalelemente der Kettenmatrix, nämlich A und D, von 0 verschieden: ( A / C B / D)_GIC = ( A / 0 0 / D), (6) so wird eine Impedanz Z_L auf die neue Impedanz:

  

  transformiert. Die neue Impedanz Z_IN ist dabei proportional zur Ausgangsimpedanz Z_L, wobei der Quotient A/D der Proportionalitätsfaktor ist. Die ursprüngliche Impedanz und die neue Impedanz sind also proportional, weshalb Gleichung (6) einen GIC beschreibt.
• Haben die Diagonalelemente der Kettenmatrix eines GIC unterschiedliche Vorzeichen:

  

  so haben die ursprüngliche Impedanz Z_L und die neue Impedanz Z_in unterschiedliche Vorzeichen:

  
• Die Bedeutung des Z-Transformators besteht somit darin, eine ursprüngliche Impedanz Z_L in eine Impedanz Z_IN = Z’ zu transformieren, die im Zusammenspiel mit dem Resonator eine Resonatorschaltung ergibt, die gegenüber bisher bekannten Resonatorschaltungen neue Eigenschaften aufweist und somit verbesserte Filter und Schaltungen mit solchen Filtern, z.B. Duplexer ermöglicht. Im Wesentlichen ermöglicht es der Z-Transformator deshalb eine neue Impedanz Z’ zu synthetisieren, wobei ein Erstellen dieser Impedanz Z’ auf konventionellem Wege – wenn überhaupt möglich – einen sehr großen Schaltungsaufwand bedeuten würde.
• Insbesondere wenn als Impedanzelement der Impedanzschaltung ein abstimmbares Impedanzelement gewählt wird und dabei ein abstimmbarer Impedanzbereich Z erhalten wird, so ist die Flexibilität in der Festlegung des Abstimmungsbereichs der transformierten Impedanz Z’ extrem groß. Je nach Wahl der Kettenmatrix können nahezu beliebige Eigenschaften der Resonatorschaltung erhalten werden.
• Es ist möglich, dass der Resonator ein SAW-Resonator (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle), ein BAW-Resonator (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle), ein MEMS-Resonator (MEMS = Micro ElectroMechanical System) oder ein LC-Schwingkreis ist. Eine Form eines mit akustischen Wellen arbeitenden Resonators, die Eigenschaften von SAW-Resonatoren und BAW-Resonatoren vereinigt, ein GBAW-Resonator (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle), ist ebenfalls möglich. Die Resonatorschaltung ist nicht auf eine spezielle Ausführungsform eines Resonators beschränkt, weshalb prinzipiell jeder Resonator, der mit elektrischen Signalen arbeitet, in Frage kommen kann.
• Im Falle eines mit akustischen Wellen arbeitenden Resonators, bei dem mittels Elektrodenstrukturen eine akustische Welle an der Oberfläche oder im Volumen eines piezoelektrischen Materials erzeugt wird, hat ein Ersatzschaltbild mit zwei Kapazitäten und einer Induktivität. Eine Serienverschaltung eines induktiven Elements mit der Induktivität L₁ und eines kapazitiven Elements mit der Kapazität C₁ ist parallel zu einem kapazitiven Element mit der Kapazität C₀ verschaltet. Ein solcher mit akustischen Wellen arbeitender Resonator hat dabei im Wesentlichen eine Resonanzfrequenz bei

  
• Die Resonanzfrequenz hängt dabei von den Werten der Induktivität und der ersten Kapazität C₁ ab.
• Die Antiresonanzfrequenz ist gegeben durch:

  

  und hängt zusätzlich auch von der Kapazität C₀ des parallelen kapazitiven Elements ab. Der Frequenzabstand der Polstelle von der Resonanzfrequenz ist dabei im Wesentlichen ein Maß für die Bandbreite eines entsprechenden Bandpassfilters. Die Resonanzfrequenz ist von der Kapazität C₀ unabhängig. Die Frequenz der Polstelle hängt jedoch von C₀ ab. Dies bedeutet, dass durch eine Veränderung dieser Kapazität C₀ die Bandbreite eines entsprechenden Filters leicht eingestellt werden kann. Durch die Verschaltung des Responators über den Z-Transformator mit der Impedanzschaltung ist es möglich, ein Ersatzschaltbild eines Resonators zu erhalten, in dem die einzelnen Impedanz- beziehungsweise Kapazitätselemente wesentlich flexibler eingestellt sein können. Verglichen mit konventionellen Resonatoren bietet die vorliegende Resonatorschaltung deshalb weitere Freiheitsgrade beim Einstellen der Resonanzfrequenz und beim Einstellen der Antiresonanzfrequenz.
• Es ist möglich, dass die Transformationsschaltung des Z-Transformators ein NIC ist. Dadurch wird eine ursprüngliche Impedanz Z invertiert und mit einem negativen Proportionalitätsfaktor beaufschlagt. Eine Verschaltung aus einer entsprechenden Transformationsschaltung und einem kapazitiven Element beispielsweise ergibt eine Schaltung mit einer negativen Kapazität. Stellt die Parallelkapazität C₀ eines mit akustischen Wellen arbeitenden Resonators ein Problem dar, weil dadurch die Linearität des Resonators reduziert ist, so kann eine Resonatorschaltung mit einem Ersatzschaltbild erhalten werden, in der die parallele Kapazität C₀ verringert ist. Die parallele Kapazität C₀ des eigentlichen Resonators hängt dabei von seinen geometrischen Abmessungen ab. Diese Abmessungen bestimmen unter anderem auch die mechanischen Eigenschaften des Resonators, so dass sie beim Entwickeln einer Filterschaltung nicht beliebig variiert werden kann. Durch die Verschaltung mit dem Impedanzelement über den Z-Transformator kann jedoch trotzdem eine Kompensation erhalten werden.
• Es ist möglich, dass das Impedanzelement abstimmbar ist.
• Insbesondere da die Resonanzfrequenz von der parallelen Kapazität C₀ nicht abhängt, kann ein Einstellen dieser Kapazität die Bandbreite leicht verändern, da ein Einstellen lediglich auf die Antiresonanzfrequenz wirkt. Über den Proportionalitätsfaktor kann somit selbst mit einem kleinen Einstellbereich des Impedanzelements ein großer Abstimmbereich des entsprechenden Filters erhalten werden.
• Es ist deshalb insbesondere möglich, dass das Impedanzelement ein kapazitives Element ist. Ein kapazitives Element als Impedanzelement im Zusammenspiel mit einem NII oder einem NIC erlaubt eine Verringerung der parallelen Kapazität C₀ im Ersatzschaltbild des Resonators.
• Es ist ferner möglich, dass das Impedanzelement ein DTC (Digitally Tunable Capacitor = digital abstimmbarer Kondensator) ist. Bei einem Solchen können eine Vielzahl individueller Kondensatoren in einer Matrix zusammengefasst und einzeln zur Gesamtschaltung hinzuschaltbar sein, so dass die Gesamtkapazität des Impedanzelements leicht einstellbar ist. Wird ein entsprechendes Filter in einem mobilen Kommunikationsgerät verwendet, so können übliche Bus-Systeme, z.B. MIPI, zur Ansteuerung dieses Impedanzelements vorgesehen sein. Die Verwendung eines Impedanzelements abstimmbarer Impedanz ist aber nicht auf DTC beschränkt. Andere abstimmbare Impedanzelemente wie z. B. Varaktoren oder auf BST (Barium-Strontium-Titanat) basierende Elemente sind ebenfalls möglich. Auch eine Verschaltung dieser Elemente variabler Kapazität zur Bildung des Impedanzelements abstimmbarer Impedanz ist möglich.
• Es ist möglich, dass der Resonator, der Z-Transformator und die Impedanzschaltung auf einem gemeinsamen Träger, z. B. einem gemeinsamen Trägersubstrat, angeordnet sind. Eine solche Anordnung ermöglicht eine kompakte Integration, was dem aktuell anhaltenden Trend zu Miniaturisierung entgegen kommt.
• Es ist ferner möglich, dass der Z-Transformator und/oder die Impedanzschaltung in CMOS-Technologie (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) oder in einer Technologie, die auf GaAs (Galliumarsenid) oder SiGe (Silicium Germanium) basiert, gefertigt ist.
• Es ist ferner möglich, dass der Z-Transformator und/oder die Impedanzschaltung in einem Halbleitersubstrat gebildet sind. Der Resonator ist in oder auf einem Resonatorsubstrat gebildet. Das Resonatorsubstrat und das Halbleitersubstrat sind gestapelt. Das Resonatorsubstrat kann dabei auf oder unter dem Halbleitersubstrat angeordnet sein.
• Ferner ist es möglich, dass eine solche Resonatorschaltung Teil eines HF-Filters ist. Als HF-Filter kommen dabei z. B. so genannte Laddertype-Strukturen in Frage. Solche Strukturen ermöglichen Bandpassfilter oder Bandsperrfilter.
• Ebenso sind Filtertopologien denkbar, welche ausschließlich mit Resonatorschaltungen in einem Querzweig gegen Masse ausgestattet sind. Diese sind über serielle Impedanzelemente, z.B. induktive und/oder kapazitive Elemente, gekoppelt. Weiter sind Filtertopologien denkbar, welche ausschließlich mit Resonatorschaltungen im Signalpfad ausgestattet sind. Diese werden dann über parallele Impedanzelemente gekoppelt, z.B. induktive und/oder kapazitive Elemente, welche mit Masse verbunden sind.
• Es ist möglich, dass ein Duplexer, z. B. ein Duplexer, der zur Verwendung in einem mobilen Kommunikationsgerät vorgesehen ist, ein solches HF-Filter als Sendefilter und/oder als Empfangsfilter umfasst.
• Ferner ist es möglich, einen solchen Duplexer in einem Kommunikationsgerät zu verwenden, wobei der Duplexer als Impedanzelement ein abstimmbares Impedanzelement umfasst und deshalb in seinen Frequenzeigenschaften abstimmbar ist.
• Nachfolgend werden wichtige Aspekte und Prinzipien der Resonatorschaltung anhand von schematischen Figuren näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1: eine schematische Darstellung der Resonatorschaltung RS,
• 2: eine Ausführungsform einer Resonatorschaltung,
• 3: eine weitere Ausführungsform der Resonatorschaltung,
• 4: eine weitere Ausführungsform der Resonatorschaltung,
• 5: eine weitere Ausgestaltungsform der Resonatorschaltung,
• 6: das Ersatzschaltbild eines mit akustischen Wellen arbeitenden Resonators R,
• 7: verschiedene Möglichkeiten für das Impedanzelement in der Impedanzschaltung,
• 8: eine Erweiterung der Resonatorschaltung, um zusätzliche Freiheitsgrade zu erhalten,
• 9: eine Ausführungsform eines NIC,
• 10: eine mögliche Anordnung der Schaltungskomponenten auf einem Trägersubstrat TSU,
• 11: eine weitere Möglichkeit der Anordnung mit höherem Integrationsgrad,
• 12: einen Querschnitt durch ein Bauelement, das eine weitere Möglichkeit der Anordnung mit höherem Integrationsgrad darstellt,
• 13: eine perspektivische Ansicht eines Bauelements, bei dem Schaltungskomponenten auf einem Trägersubstrat TSU angeordnet und mittels Bonddraht verschaltet sind,
• 14: eine weitere Ausführungsform, bei der eine Verschaltung mittels Bumpverbindung BU vorgesehen ist,
• 15: Admittanzkurven einer beispielhaften Resonatorschaltung,
• 16: Admittanzkurven einer alternativen Ausführungsform einer Resonatorschaltung.
• 1 illustriert schematisch die Beziehung der einzelnen Schaltungskomponenten der Resonatorschaltung RS. Die Resonatorschaltung RS umfasst einen Resonator R, einen Z-Transformator ZT und eine Impedanzschaltung IS. Die Impedanzschaltung hat eine Impedanz Z und umfasst ein Impedanzelement IE. Das Impedanzelement IE kann die Impedanz Z der Impedanzschaltung IS alleine oder in Zusammenspiel mit weiteren Schaltungskomponenten der Impedanzschaltung IS bestimmen. Der Z-Transformator ZT ist zwischen dem Resonator R und der Impedanzschaltung IS verschaltet. Dadurch ist es dem Z-Transformator ZT möglich, die Impedanz Z der Impedanzschaltung IS zu maskieren und nach außen hin, d. h. zum Resonator hin, als eine alternative Impedanz Z’ erscheinen zu lassen. Je nach Wahl der Matrixelemente der Kettenmatrix des Z-Transformators kann die ursprüngliche Impedanz Z der Impedanzschaltung IS als praktisch jede beliebige Impedanz Z’ erscheinen. Insbesondere Kapazitäten mit negativer Kapazität sind möglich. Durch die Kopplung des Resonators R mit einer prinzipiell beliebig transformierten Impedanz Z’ sind Freiheitsgrade möglich, die durch konventionelle Impedanzschaltungen IS gar nicht oder höchstens mit einem großen Schaltungsaufwand zugänglich werden.
• Da die Kombination der drei Schaltungskomponenten der Resonatorschaltung RS eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse hat, ist es auf vielfältige Weise möglich, eben diese Resonatorschaltung mit einer externen Schaltungsumgebung, z.B. einer Bandpassschaltung, zu verbinden.
• 2 zeigt eine Ausführungsform der Resonatorschaltung, bei der Z-Transformator ZT als Zweitor ausgebildet ist, das mit einem Tor mit dem Resonator R und mit dem anderen Tor mit einem Impedanzelement IE der Impedanzschaltung IS verschaltet ist. Die Resonatorschaltung RS hat dabei einen ersten Anschluss A1 und einen zweiten Anschluss A2, über die sie mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet sein kann.
• 2 illustriert dabei eine Parallelverschaltung des Resonators R mit der neuen Impedanz Z’, die sich durch die Verwendung des Z-Transformators ZT zwischen dem Resonator R und dem Impedanzelement IE ergibt.
• 3 zeigt eine Ausführungsform der Resonatorschaltung, bei der die Anschlüsse der Resonatorschaltung dem dem Impedanzelement IE zugewandten Tor P zugeordnet sind.
• 4 zeigt eine Ausführungsform der Resonatorschaltung, bei der zwischen den Anschlüssen für eine externe Schaltungsumgebung der Resonator R und die neue Impedanz Z’ in Serie geschaltet sind.
• 5 illustriert eine Resonatorschaltung, bei der die Anschlüsse für eine externe Schaltungsumgebung direkt einerseits mit dem Impedanzelement und andererseits mit einem Anschluss eines dem Impedanzelement zugewandten Tors des Z-Transformators gegeben sind.
• 6 illustriert das Ersatzschaltbild eines mit akustischen Wellen arbeitenden Resonators R. Eine Serienverschaltung einer Induktivität L₁ und einer ersten Kapazität C₁ ist parallel zu einem kapazitiven Element der Kapazität C₀ verschaltet. Die Kapazität C₀ beeinflusst dabei die Lage der Polstelle, nicht jedoch die Lage der Resonanzfrequenz des Resonators.
• Durch eine Verbindung des Resonators R mit einem Impedanzelement IE über einen Z-Transformator ZT kann, je nach Matrixelemente der Kettenmatrix, praktisch beliebig Einfluss auf die Größen L₁, C₁ und C₀ genommen werden.
• 7 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Impedanzelements IE in der Impedanzschaltung IS. Das Impedanzelement kann ein kapazitives Element KE (gezeigt links oben), ein abstimmbares kapazitives Element AKE (gezeigt rechts oben), ein induktives Element INE (gezeigt links unten), ein abstimmbares induktives Element AINE (gezeigt rechts unten) oder allgemein ein induktives Element IE (mittig, links) oder ein abstimmbares induktives Element AIE (mittig, rechts) sein. Verschaltungen verschiedener abstimmbarer oder nicht abstimmbarer Impedanzelemente in der Impedanzschaltung IS sind ebenfalls möglich.
• Das Impedanzelement kann selbst eine Schaltung aus elementaren Schaltungseinheiten wie aktiven oder passiven Einheiten haben.
• 8 zeigt die Möglichkeit, die Resonatorschaltung RS beziehungsweise deren frequenzabhängiges Impedanzverhalten durch eine Verschaltung mit weiteren Schaltungskomponenten weiter zu manipulieren, um noch mehr Freiheitsgrade zu erhalten. So kann die Resonatorschaltung RS in Serie mit einem dritten Impedanzelement IE3 verschaltet sein. Ein zweites Impedanzelement IE2 kann über einen weiteren Z-Transformator an das dritte Impedanzelement IE3 gekoppelt sein, so dass auch die Impedanz des zweiten Impedanzelements nach außen hin praktisch beliebig einstellbar ist. Die mit der Resonatorschaltung RS verschaltete Schaltung stellt somit eine weitere Impedanzschaltung IS2 dar. Über die Anschlüsse für eine externe Schaltungsumgebung wird somit eine serielle Verschaltung der weiteren Impedanzschaltung IS2 und der Resonatorschaltung RS zur Verfügung gestellt.
• Allgemein kann auch jede Resonatorschaltung RS der 1, 2, 3, 4 oder 5 mit jeder Resonatorschaltung RS der 1, 2, 3, 4 oder 5 auf diese Weise verschaltet sein.
• 9 zeigt eine mögliche aber der Übersichtlichkeit halber sehr einfache Ausführungsform eines GIC, speziell eines NIC: Ein Impedanzelement der Impedanz Z_L ist über zwei über Kreuz geschaltete Transistoren mit dem Eingangsport des NIC verschaltet und erscheint als Impedanz Z_IN. Der Emitter des oberen Transistors T1 ist mit einem Anschluss des Ports verschaltet. Der Emitter des unteren Transistors T2 ist mit dem zweiten Anschluss des Ports verschaltet. Die Basis des ersten Transistors T1 ist mit dem „unteren“ Anschluss des Impedanzelements verschaltet. Die Basis des zweiten Transistors T2 ist mit dem „oberen“ Anschluss des Impedanzelements verschaltet. Da die Basis des ersten Transistors T1 zusätzlich mit dem Kollektor des zweiten Transistors und die Basis des zweiten Transistors mit dem Kollektor des ersten Transistors verschaltet sind, wird eine „über Kreuz“-Verschaltung erhalten.
• Die Anwendung der Kirchhoff´schen Gesetze – betrachtet in geeigneten Leiterschlaufen für Spannungen und an geeigneten Schaltungsknoten für Ströme – führt zu dem Ergebnis, dass die Spannungen, die am Impedanzelement einerseits und am Eingangstor des NIC andererseits anliegen, vom Betrag her gleich, aber unterschiedlicher Polarität sind, falls beide Transistoren die gleiche Bauart aufweisen. Wird die Schaltung der 9 mit einem sinusförmigen HF-Signal beaufschlagt, so ergibt sich somit eine Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen dem Eingang der Schaltung und der Last. Der Stromfluss ist dabei allerdings identisch. Aus Gleichung 2 erfolgt deshalb Z_IN = –Z_L. Es liegt also tatsächlich ein NIC mit einem Proportionalitätsfaktor = –1 vor, der eine beliebige Lastimpedanz Z_L in die negative Impedanz Z’ = –Z_L transformiert.
• Das Verhalten des Z-Transformators ist durch die Matrixeinträge A, B, C, D bestimmt. Auf den ersten Blick scheint es schwierig, eine entsprechende Schaltung aufzufinden, die für ausgewählte Werte für A, B, C und D, die Matrix realisiert. Allerdings tritt hier der Vorteil der Matrixschreibweise zu Tage: Zwei hintereinander geschaltete Zweitore werden durch eine gemeinsame Matrix beschrieben, die sich als Produkt der beiden Einzelmatrizen der beiden einzelnen Zweitore ergibt. Eine technische Lösung für die Kettenmatrix ist deshalb schon dann gefunden, wenn technische Lösungen für eine Vielzahl von Zweitoren gefunden werden, deren Matrixprodukt die gewünschte Kettenmatrix ergibt. Das Problem kann also leicht durch Zerlegen in Teilprobleme und Lösen dieser Teilprobleme unabhängig voneinander gefunden werden.
• Aus Stabilitätsgründen kann es vorteilhaft sein, mehrere Transistoren zu verwenden.
• Mit Transistoren realisierte NIC sind z.B. aus dem Beitrag „Transistor Negative-Impedance Converters" von J. G. Linvill; Proceedings I;R;E Juni 1953, S. 725–729 bekannt.
• 10 zeigt eine mögliche Anordnung der Schaltungskomponenten auf einem Trägersubstrat TSU. Der Resonator R, der Z-Transformator ZT und das Impedanzelement, z. B. ein abstimmbares Impedanzelement AIE, können nebeneinander auf dem Trägersubstrat TSU angeordnet sein. Verschaltungen sind über Metallisierung auf der Oberfläche des Trägersubstrats TSU oder in Zwischenlagen eines mehrschichtig ausgeführten Trägersubstrats möglich.
• 11 zeigt einen weiteren Integrationsgrad, bei dem das abstimmbare Impedanzelement AIE und die Schaltungselemente des Z-Transformators ZT zusammen, z. B. in einem Halbleiterchip, integriert sind.
• 12 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauelement, bei dem eine Komponente mit dem abstimmbaren Impedanzelement AIE und dem Z-Transformator auf einem Trägersubstrat angeordnet ist. Die Verschaltung dazwischen kann mittels Bumps hergestellt sein.
• Auf der Komponente mit dem abstimmbaren Impedanzelement und dem Z-Transformator ist eine Komponente mit dem Resonator angeordnet. Die Verschaltung dieser Komponenten kann auch mittels Bumps erfolgen. Eine Verschaltung über TSVs (TSV = Tru-Silicon-Via) ist ebenfalls möglich.
• 13 zeigt eine solche Möglichkeit in einer perspektivischen Ansicht, wobei Signalleitungen als strukturierte Metallisierungen auf der Oberfläche des Trägersubstrats TSU angeordnet sind. Anschlüsse des Resonators R sind durch Bond-Drähte BD mit den Metallisierungen der Signalleitung SL verbunden.
• 14 zeigt eine alternative oder zusätzliche Ausführungsform, bei der der Resonator R über Bump-Verbindungen BU mit den Metallisierungen der Signalleitung verschaltet ist.
• 15 zeigt frequenzabhängige Admittanzkurven Y für eine Resonatorschaltung, bei der das Impedanzelement als abstimmbares Impedanzelement ausgeführt ist. Das abstimmbare Impedanzelement ist dabei über einen NIC mit einem konventionellen SAW-Resonator verschaltet (vgl. 2). Das Abstimmen der Impedanz Z des Impedanzelements, d. h. das Verändern der Impedanz Z des Impedanzelements, verändert die Resonanzfrequenz, die bei etwa 880 MHz liegt, nicht. Je nach Wert der Impedanz des abstimmbaren Impedanzelements ergeben sich die zwei in 15 gezeigten Kurven. In einem Fall liegt die Polstelle bei etwa 880 MHz. Im anderen Fall bei etwa 895 MHz. Das entspricht einer Erhöhung des Pol-Null-Stellenabstands von 30 MHz auf 45 MHz und ermöglicht eine Erhöhung der (relativen) Bandbreite um 50 Prozent.
• 16 zeigt frequenzabhängige Admittanzkurven einer Resonatorschaltung, bei der das Impedanzelement im Sinne der 3 direkt mit den Anschlüssen der Resonatorschaltung verbunden ist und der NIC die Impedanz des Resonators R maskiert. Auch hier ist eine leicht veränderbare Antiresonanz einstellbar. Die Güte der Antiresonanz ist noch relativ gut. Die Güte der Resonanz leidet dagegen. Bessere Güten können durch entsprechend sorgfältig ausgewählte Schaltungskomponenten allerdings verbessert werden.
• Neben den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen und oben beschriebenen Schaltungen sind weitere Resonatorschaltungen mit zusätzlichen Resonatoren, Transformatoren und Impedanzelementen und entsprechende Filterschaltungen und Duplexer möglich.
• Bezugszeichenliste

• A1

  erster Anschluss

  A2

  zweiter Anschluss

  AIE

  abstimmbares Impedanzelement

  AINE

  abstimmbares induktives Element

  AKE

  abstimmbares kapazitives Element

  BD

  Bonddraht

  BU

  Bump-Verbindung

  C

  parallele Kapazität

  C₁

  Kapazität der Serienverschaltung mit der Induktivität L1

  f

  Frequenz

  IE

  Impedanzelement

  IE2

  zweites induktives Element

  IE3

  drittes induktives Element

  INE

  induktives Element

  IS

  Impedanzschaltung

  IS2

  zweite Impedanzschaltung

  KE

  kapazitives Element

  L₁

  Induktivität

  P

  Port/Tor

  R

  Resonator

  RS

  Resonatorschaltung

  TSU

  Trägersubstrat

  Y

  Admittanz

  Z_in

  neue, maskierte Impedanz

  Z_L

  Lastimpedanz, zu maskierende Impedanz

  ZT

  Z-Transformator

• 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 Nicht-Patentliteratur
• „Transistor Negative-Impedance Converters“ von J. G. Linvill; Proceedings I;R;E Juni 1953, S. 725–729 [0071]

Claims (13)

1. Resonatorschaltung, umfassend – einen Resonator, einen Z-Transformator und eine Impedanzschaltung, wobei – die Impedanzschaltung eine Impedanz Z aufweist und ein Impedanzelement beinhaltet, – der Z-Transformator zwischen dem Resonator und der Impedanzschaltung verschaltet ist, die Impedanz Z auf eine neue Impedanz Z‘ ≠ Z transformiert und eine Transformations-Schaltung umfasst, die ausgewählt ist aus: einem GIC, einem NIC, einem GII und einem NII.
2. Resonatorschaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Resonator ein SAW-Resonator, ein BAW-Resonator, ein MEMS-Resonator oder ein LC-Schwingkreis ist.
3. Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Transformations-Schaltung ein NIC ist und zwei kreuzgeschaltete Transistoren umfasst.
4. Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Impedanzelement abstimmbar ist.
5. Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Impedanzelement ein kapazitives Element ist.
6. Resonatorschaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Impedanzelement ausgewählt ist aus einem DTC, einem Varaktor, einem aus BST basierenden Element ist.
7. Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Resonator, der Z-Transformator und die Impedanzschaltung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.
8. Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Z-Transformator und/oder die Impedanzschaltung in CMOS-Technologie oder in einer Technologie, basierend auf GaAs oder SiGe, gefertigt sind.
9. Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der Z-Transformator und/oder die Impedanzschaltung in einem Halbleitersubstrat gebildet sind, – der Resonator in oder auf einem Resonatorsubstrat gebildet ist und – das Resonatorsubstrat und das Halbleitersubstrat gestapelt sind.
10. HF-Filter mit einer Resonatorschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche.
11. HF-Filter nach dem vorherigen Anspruch, bei dem Resonatorschaltungen entweder ausschließlich in einem Signalpfad oder ausschließlich in einem oder mehreren Querpfade, die den einen Signalpfad mit Masse verschalten, verschaltet sind.
12. Duplexer mit einem HF-Filter nach einem der zwei vorherigen Ansprüche.
13. Verwendung eines Duplexers nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Duplexer als Impedanzelement ein abstimmbares Impedanzelement umfasst und deshalb selbst in seinen Frequenzeigenschaften abstimmbar ist.

Images