DE102015116224A1

DE102015116224A1 - SAW-Filter mit zusätzlichem Pol

Info

Publication number: DE102015116224A1
Application number: DE102015116224.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kauschke
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-09-26
Also published as: WO2017050474A1; CN108141199A; DE102015116224B4; US10608612B2; US20180302060A1

Abstract

Zur Unterdrückung einer Störfrequenz wird bei einem Laddertype Filter vorgeschlagen, parallel zu einem Serienresonator (RDx) einen als Kapazität wirkenden zusätzlichen Resonator zu verschalten. Die Antiresonanz des zusätzlichen Resonators erzeugt einen zusätzlichen Pol zur verbesserten Dämpfung der Störfrequenz.

Description

Zur Verminderung des Temperaturgangs von SAW-Filtern werden diese mit einer üblicherweise SiO2 umfassenden Kompensationsschicht versehen. Als Nebeneffekt dieser Maßnahme wird jedoch die Kopplung verringert. Breitbandige Filter mit einer solchen Kompensationsschicht können daher nur auf hochkoppelnden Substraten realisiert werden.
Aus SAW-Resonatoren aufgebaute Bandpassfilter mit einer Kompensationsschicht können beispielsweise auf Lithiumniobat-Kristallen mit einem Schnittwinkel rot-128 aufgebaut werden. Auf diesem Substratmaterial wird die Resonanzfrequenz der akustischen Rayleigh-Mode genutzt.
Bei vielen Filtern mit bestimmten Materialkombinationen für Elektroden und darauf abgeschiedene Schichten, und/oder für bestimmte Schichtdickenkombinationen ist auf Lithiumniobat jedoch eine parasitäre SH-Mode (shear-horizontal-mode) ausbreitungsfähig. Die Resonanzfrequenz der SH-Mode liegt oberhalb der Resonanzfrequenz der Rayleigh-Mode. Für die Serienresonatoren eines Filters liegen die SH-Resonanzen im Bereich der oberen Passbandkante des Filters und verursachen dort Einbrüche in der Übertragungsfunktion. Selbst wenn die Geometrie dieser Filter auf maximale Unterdrückung der SH-Mode optimiert ist, so kann diese doch in Folge von toleranzbedingten Geometrieabweichungen und unter Temperatur- und Leistungsbelastung verstärkt angeregt werden. Dadurch kann es zu einer verstärkten Temperatur- und Leistungsbelastung der Resonatoren kommen, die zu einem vorzeitigen Verschleiß und schließlich zu Ausfällen des Filters führen können.
Weiterhin müssen heutige Frontendmodule immer mehr Frequenzbänder bedienen, so dass die gegenseitige Isolation der verschiedenen Filter ein immer größeres Problem darstellt. Insbesondere die Tx Filter müssen so entworfen werden, dass sie in parallelen Rx Bändern eine ausreichende Dämpfung aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein SAW Filter anzugeben, mit dem in einfacher Weise die Dämpfung bei einer Störfrequenz eines aus SAW-Resonatoren aufgebauten Bandpassfilters verbessert werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine störende SH-Mode im Frequenzbereich der oberen Passbandkante sicher und dauerhaft zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem SAW-Filter nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zum Verschieben einer störenden SH-Mode in einem SAW-Filter sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes SAW-Filter ist aus SAW-Resonatoren aufgebaut und weist eine Ladder-Type-Struktur auf. Diese umfasst einen zwischen Filterein- und -ausgang verschalteten Serienzweig, in dem Serienresonatoren angeordnet sind. Von dem Serienzweig abzweigend sind Parallelzweige vorgesehen, die den Serienzweig gegen ein Festpotenzial und insbesondere gegen Masse verschalten. Ein Filter weist beispielsweise zwischen zwei und fünf Parallelzweige und ebenso viele Serienresonatoren auf. Die Anzahl der Serienresonatoren kann dabei jedoch auch von der Anzahl der Parallelresonatoren abweichen. Weiter kann ein Filter eine höhere Anzahl von Resonatoren aufweisen, wenn eine höhere Selektion gewünscht wird.
In dem insoweit in bekannter Weise aufgebauten Filter ist nun erfindungsgemäß parallel zu einem der Serienresonatoren eine als zusätzlicher Resonator ausgebildete Kapazität geschaltet. Der Pitch dieses zusätzlichen Resonators ist so bemessen, dass er bei Mittenfrequenz des Filters kapazitiv wirkt, dass er aber mit seiner Antiresonanz bei einer Störfrequenz einen zusätzlichen Pol zur verbesserten Dämpfung der Störfrequenz ausbildet.
Damit gelingt es, in einem Tx Filter die Unterdrückung im Rx Bereich eines anderen Frequenzbandes zu verbessern und einen parallelen Betrieb in beiden Bändern zu verbessern. Damit können die Eigenschaften von Frontendmodulen verbessert werden, die beide Bänder bedienen können.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Pitch des zusätzlichen Resonators gegenüber dem Pitch des Serienresonators erniedrigt, um eine verbesserte Dämpfung bei einer gegebenen Störfrequenz oberhalb des Passbands zu erzielen. Möglich ist jedoch auch, den Pitch des zusätzlichen Resonators gegenüber dem Pitch des Serienresonators zu erhöhen, um eine verbesserte Dämpfung bei einer gegebenen Störfrequenz unterhalb des Passbands zu erzielen.
Die Antiresonanzfrequenz des zusätzlichen Resonators kann auf eine zu unterdrückende Störfrequenz außerhalb des Passbands des Filters eingestellt werden. Die Resonanzfrequenz dieses Resonators kann auf eine nahezu beliebige Frequenz eingestellt werden, solange sie ausreichend weit vom Passband des Filters entfernt liegt. Dann wirkt der Resonator bei Frequenzen im Passband des Filters als reine Kapazität. Durch die Antiresonanzfrequenz des zusätzlichen Resonators wird eine Polstelle erzeugt, die zur Dämpfung von Störfrequenzen besonders dann gut genutzt werden kann, wenn die Polstelle benachbart zum Passband liegt. Jedoch auch weiter entfernte Störfrequenzen, wie beispielsweise höherer Frequenz liegende Resonanzen von Plattenmoden oder Volumenwellen, können durch entsprechend eingestellte Resonanzfrequenzen der ersten Kapazität gut unterdrückt werden.
Mit dem zusätzlichen Resonator und weiteren Maßnahmen gelingt es außerdem, eine störende SH Mode, die wie bereits eingangs erwähnt bei bestimmten Materialkombinationen und Filterkonfigurationen auftritt, aus dem störenden Bereich der oberen Passbandkante heraus zu verschieben.
Dazu wird bei dem Serienresonator, der im Filter die geringste Antiresonanzfrequenz aller Serienresonatoren aufweist, mit der größten Fingerperiode versehen. Der Pol-Nullstellen-Abstand dieses Serienresonators ist gegenüber den übrigen Serienresonatoren verringert. Die Verringerung des Pol-Nullstellenabstands ist so bemessen, dass durch die kleinere Fingerperiode und den kleineren Pol-Nullstellen-Abstand die parasitäre Schermode (SH-Mode) dieses ersten Serienresonators aus dem Passband des Filters verschwunden ist bzw. erst bei einer Frequenz oberhalb der Passbandkante auftritt.
Zur Verringerung des Pol-Nullstellenabstands kann der zusätzliche Resonator parallel zu diesem ersten Serienresonator geschaltet werden. Die Kapazität dieses zusätzlichen Resonators ist so bemessen, dass durch die kleinere Fingerperiode und den kleineren Pol-Nullstellen-Abstand die parasitäre Schermode (SH-Mode) dieses ersten Serienresonators aus dem Passband des Filters verschwunden ist bzw. erst bei einer Frequenz oberhalb der Passbandkante auftritt.
Mit anderen Worten wird nun bei dem ersten Serienresonator, der konstruktionsbedingt die niedrigste Resonanz- und Antiresonanzfrequenz aufweist, der Pol-Nullstellen-Abstand durch die Parallelschaltung des zusätzlichen Resonators und des ersten Serienresonators verringert. Da sich dabei auch die Antiresonanz für das Passband zu einer ungünstigen niedrigeren Frequenz verschiebt, wird dies durch eine entgegengesetzte Verschiebung der Frequenz wieder ausgeglichen, was durch eine Verringerung der Fingerperiode des ersten Serienresonators erreicht wird. Der Ausgleich kann dabei so stattfinden, dass die Antiresonanzfrequenz wieder auf ihrer ursprünglichen Lage vor Verringerung des Pol-Nullstellen-Abstands zu liegen kommt. Um die Gesamtkapazität des Resonators mit parallelgeschalteter Kapazität gegenüber dem ursprünglichen Wert des Resonators nicht zu vergrößern, wird der Resonator durch Verringerung der Apertur bzw. Verringerung der Fingeranzahl entsprechend verkleinert.
Im Ergebnis wird ein Filter erhalten, bei dem die der Schermode zuzuordnende Störresonanz vollständig aus dem Passband verschwunden ist und oberhalb der Passbandkante zu liegen kommt. Bandbreite und Einfügedämpfung des Filters bleiben dabei praktisch unverändert, so dass trotz Abweichung von einem bekannten und bereits bezüglich der Filtereigenschaften und insbesondere bezüglich des Passbands optimierten Designs dennoch keine Verschlechterung der Filtereigenschaft im Passband in Kauf zu nehmen sind.
Dieser zusätzliche Effekt der SH Modenverschiebung im erfindungsgemäßen Filter kann mit einfachen Mitteln ohne großen Aufwand realisiert werden. Gegenüber einem herkömmlichen Laddertypefilter benötigt ein Filter mit zusätzlichem Resonator nur eine unwesentlich höhere Fläche auf dem Filtersubstrat, da gleichzeitig dazu die Kapazität des Resonators zu verringern ist, um die Gesamtkapazität der Parallelschaltung aus Kapazität und Resonator im geforderten Bereich zu halten.
Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung des Pol-Nullstellen-Abstands besteht darin, entsprechende Substratmaterialien auszuwählen oder das Design entsprechend zu verändern. Möglich ist z.B. eine Veränderung des Schichtaufbaus bzgl. Materialien und Schichtdicke, insbesondere das Aufbringen und/oder Verändern einer Trimmschicht. Eine als Kompensationsschicht für die Reduktion des TCF aufgebrachte SiO2 Schicht kann z.B. lokal durch eine zusätzliche Schicht ergänzt oder lediglich in der Dicke verändert werden, um die Kopplung im gewünschten Ausmaß zu reduzieren, wobei sich der Pol-Nullstellenabstand reduziert.
Ein erfindungsgemäßes Filter mit verschobener SH Mode ist leistungsfester als ein Filter mit einer störenden SH-Mode im Bereich des Passbands oder der Passbandkante. Die Erfindung hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Passbandcharakteristik und bringt daher ausschließlich eine verbesserte Performance.
Ein erfindungsgemäßes Filter kann in Duplexern und Passbandfiltern eingesetzt werden, um eine Störfrequenz besser zu dämpfen und/oder um eine störende SH Mode aus dem Bereich des Passbandes heraus zu verschieben. Störfrequenzen können im Tx Filter im Rx Bereich anderer Bänder liegen, so dass diese Frequenzen im erfindungsgemäßen (Tx) Filter besser unterdrückt werden und den Betrieb im anderen Frequenzband nicht mehr stören.
Ein erfindungsgemäßes Filter wird bevorzugt als TX-Filter eingesetzt, das im Sendebetrieb mit einer höheren Leistung beaufschlagt wird als ein Rx Filter beim Empfang und bei dem sich daher eine störende Mode weitaus negativer auswirkt als bei einem RX-Filter.
Die Erfindung ist wie gesagt insbesondere bei Bandpassfiltern einsetzbar, die Rayleigh-Wellen nutzen, auf Lithiumniobat aufgebaut sind und eine die Kopplung reduzierende Kompensationsschicht (TCF-Kompensation) aufweisen.
Vorteilhaft werden sie auch bei Resonatoren eingesetzt, die Kupfer-basierte Elektroden aufweisen. Eine solche Elektrodenstruktur kann beispielsweise Teilschichten aus Chrom, Silber, Kupfer und Chrom umfassen. Eine alternative Elektrodenstruktur umfasst beispielsweise Schichten aus Titan, Silber, Kupfer und Titan.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Filter auf Lithiumniobat-Substrat mit einem Schnittwinkel zwischen rot-125 und rot-130 aufgebaut. Dieser Schnittwinkelbereich weist eine hohe Kopplungskonstante für Rayleigh-Wellen auf.
Als ein bevorzugtes piezoelektrisches Substrat für das Filter können Lithiumniobat-Kristalle mit einem Schnittwinkel rot-128 ausgewählt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße SAW-Filter über der Elektrodenmetallisierung auf dem Substrat eine SiO2-Schicht als TCF-Kompensationsschicht auf. Diese Schicht kann eine relative Schichtdicke im Bereich von 15 bis 50 % bezogen auf die Wellenlänge der akustischen Nutzwelle aufweisen.
Über der Kompensationsschicht kann eine Siliziumnitrid-Schicht zur Abschirmung gegen Feuchtigkeit aufgebracht sein.
In einem Ausführungsbeispiel ist das SAW-Filter zum Betrieb in einem breitbandigen Frequenzband mit einer relativen Bandbreite > 3 % ausgelegt, insbesondere zum Betrieb in den Bändern 2 oder 3.
Ein erfindungsgemäßes Filter kann auch mehrere erste Serienresonatoren aufweisen, deren Resonanzfrequenzen ohne erfindungsgemäße Maßnahmen eine SH-Störmode im Bereich des Passbands oder im Bereich der Passbandkante bedingen.
Entsprechend sind in solchen erfindungsgemäßen SAW-Filtern parallel zu allen ersten Serienresonatoren mit entsprechend geringer Antiresonanzfrequenz jeweils erste Kapazitäten verschaltet. Gleichzeitig sind diese ersten Serienresonatoren mit einer gegenüber den weiteren Serienresonatoren kürzeren Fingerperiode versehen. Wichtig ist dabei, dass stets noch weitere Serienresonatoren verbleiben, die einen unveränderten Pol-Nullstellen-Abstand aufweisen, um die nötige Bandbreite des Filters zu gewährleisten.
Ein ebenfalls erfindungsgemäßes Verfahren kann zum Erzeugen eines zusätzlichen Filterpols eingesetzt werden. In einem ersten Schritt wird das Filter dabei in herkömmlicher Weise auf der Basis von SAW-Eintorresonatoren entworfen. Für den Entwurf wird allein das Erzielen einer gewünschten Passbandcharakteristik berücksichtigt.
Ein solches Filter wird in bekannter Weise aus einem zwischen Filterein- und -ausgang verschalteten Serienzweig, in dem Serienresonatoren angeordnet sind und n parallel zum Serienzweig gegen ein Festpotenzial verschalteten Parallelzweigen aufgebaut, in denen jeweils ein Parallelresonator angeordnet ist. Insoweit wird eine herkömmliche Ladder-Type-Struktur entworfen.
Parallel zu einem ersten Serienresonator wird ein zusätzlicher Resonator vorgesehen und verschaltet.
Im nächsten Schritt wird der Pitch des zusätzlichen Resonators so eingestellt, dass dessen Antiresonanzfrequenz einen zusätzlichen Pol bei einer zu unterdrückenden Störfrequenz ausbildet, um die Dämpfung des Filters bei der Störfrequenz zu verbessern.
Zur Verschiebung der SH Mode wird der- oder diejenigen ersten Serienresonatoren ermittelt, die bei diesem ersten Design eine störende SH-Mode im Bereich des Passbands oder Passbandkante aufweisen. Dies kann durch ein Simulationsverfahren erfolgen, welches das Auftreten von SH-Moden berücksichtigt.
Die ersten Serienresonatoren sind dann die auf diese Weise ermittelten Serienresonatoren mit der bezüglich ihrer Frequenzlage störenden SH-Mode. Parallel zu den ersten Serien-resonatoren wird nun jeweils eine als Interdigitalstruktur ausgebildete erste Kapazität verschaltet, die den Pol-Nullstellen-Abstand des oder der ersten Serienresonatoren verringert.
Im nächsten Entwurfsschritt wird die durch den geringeren Pol-Nullstellen-Abstand verschobene Antiresonanzfrequenz wieder an die vorgesehene Stelle im Bereich der rechten Passbandkante verschoben, indem die Fingerperiode dieser ersten Serienresonatoren entsprechend verringert wird. Der Betrag der durch die verringerte Fingerperiode bewirkten Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz entspricht dabei vorzugsweise genau demjenigen Betrag, um den der Pol-Nullstellen-Abstand verkürzt ist. Damit kommt die Antiresonanzfrequenz der ersten Serienresonatoren wieder bei der Frequenz zu liegen, die die ersten Serienresonatoren ohne Parallelkapazität und ohne Fingerperiodenverringerung aufweisen würden, was der im ersten Schritt ermittelten optimalen Frequenzlage entspricht.
Im nächsten Schritt wird durch Verringerung der Apertur bzw. durch Verringerung der Fingeranzahl die Kapazität des Resonators verringert, so dass die Gesamtkapazität von Resonator und Parallelkapazität wieder der ursprünglichen Kapazität des Resonators entspricht.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die genannten Frequenzen der ersten Serienresonatoren so weit verschoben, dass die von der Resonanzfrequenz dieser Resonatoren abhängige Frequenz der SH-Mode hin zu einer Frequenz oberhalb der Passbandkante verschoben wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zunächst ein Frequenzbetrag Δf ermittelt, um den die SH-Mode mindestens nach oben zu verschieben ist, bis sie nicht mehr das Passband stört. Um genau diesen Wert Δf wird dann der Pol-Nullstellen-Abstand verringert, was durch Auswahl eines geeigneten Kapazitätswertes der ersten Parallel-kapazität eingestellt wird.
In einem speziellen Anwendungsbeispiel wird das Filter für TX-Frequenzen im Mobilfunkband 2 ausgelegt, die definitionsgemäß bei 1850 MHz bis 1910 MHz liegen. Oberhalb des Passbandes im Bereich von 2110 MHz bis 2155 MHz sind auch die RX-Frequenzen des Mobilfunkbands 4 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform wird nun die zum ersten Serienresonator parallele Kapazität als Resonator ausgebildet und dessen Frequenzlage so eingestellt, dass sich in der Übertragungsfunktion des Filters ein Pol bei den RX-Frequenzen von Band 4 ausbildet. Eine Störung des RX-Bands des benachbarten Bands 4 wird dadurch vermieden. Auf diese Weise gelingt es, neben der Verschiebung der SH Mode zusätzlich noch die Dämpfung des Filters bei einer Störfrequenz zu verbessern.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und teils als Blockschaltbild ausgeführt. In den Figuren sind nur die wichtigen Elemente der Erfindung dargestellt, auf die auch Beug genommen wird. Das bedeutet, dass außerdem noch weitere nicht dargestellte Elemente in einem erfindungsgemäßen Filter vorhanden sein können.
Es zeigen:
1 ein erstes SAW-Filter nach der Erfindung,
2 Schaltungssymbol und Metallisierung der erfindungsgemäß eingesetzten Resonatoren,
3 ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Filter im schematischen Querschnitt,
4 die durch Simulation ermittelte Durchlasskurve für das in 1 dargestellte Filter,
5 die Impedanz eines ersten Resonators vor und nach erfindungsgemäßer Variation,
6 die Impedanzen der für ein erfindungsgemäßes Filter verwendeten Resonatoren samt sich daraus ergebender Durchlasskurve,
7 die durch Simulation ermittelten Durchlasskurven für das in 6 dargestellte Filter,
8 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Filter,
9 die Impedanzen der für Filter von 8 verwendeten Resonatoren samt sich daraus ergebender Durchlasskurve,
10 das simulierte Passband des Filters nach den 8 und 9 mit und ohne Berücksichtigung von SH Moden,
11 eine Draufsicht auf einen alternativ einsetzbaren Serienresonator mit Weglasswichtung,
12 den relativen Platzbedarf alternativer Lösungen zur Reduzierung des Pol-Nullstellenabstands.
1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel anhand eines schematischen Blockschaltbilds. Das Filter besteht aus einem Serienzweig SZ, der zwischen zwei Anschlüssen TXIN und ANT geschaltet ist. Im Serienzweig SZ sind vier Serienresonatoren S1, S3, S5 und S7 angeordnet. Zwischen jeweils zwei Serienresonatoren zweigt vom Serienzweig ein Parallelzweig PZ gegen Masse GND ab, in dem jeweils ein Parallelresonator P2, P4 oder P6 angeordnet ist. Parallel zu zumindest einem der Serienresonatoren, hier den beiden Serienresonatoren S1 und S5 ist je ein zusätzlicher Resonator RZ1, RZ5 geschaltet. Der zusätzliche Resonator RZ1 verbindet einen ersten Schaltungsknoten N1 im Serienzweig vor dem Serienresonator S1 mit einem zweiten Schaltungsknoten N2, der im Serienzweig nach dem Serienresonator S1 angeordnet ist. Ähnliches gilt für den zusätzlichen Resonator RZ2. Sämtliche Serien- und Parallelresonatoren S, P sind als SAW-Resonatoren aufgeführt.
2 zeigt im linken Teil das für die Resonatoren verwendete Schaltungssymbol, während im rechten Teil schematisch eine beispielhafte Metallisierung eines für die Erfindung verwendbaren Resonators angegeben ist. Als Metallisierungen werden vorzugsweise kupferbasierte Mehrschichtsysteme eingesetzt, beispielsweise eine Schichtenfolge Chrom Cr, Silber Ag, Kupfer Cu und Chrom Cr oder eine Schichtenfolge Titan Ti, Silber Ag, Kupfer Cu und Titan Ti. Es sind jedoch auch andere Schichtsysteme für die Elektroden möglich, die jedoch vorzugsweise zumindest eine Kupferschicht aufweisen.
Die Metallisierung ist auf einem piezoelektrischen Substrat mit hoher Kopplung aufgebracht, insbesondere auf einem Lithiumniobat-Kristall mit einem Kristallschnitt rot-128.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein SAW-Filter, wie es erfindungsgemäß ausgebildet sein kann. Auf dem piezoelektrischen Substrat SU sind die Bauelementstrukturen des Filters, insbesondere die Elektrodenfinger und/oder die Finger der dazugehörigen Reflektoren im Schnittbild quer zur Fingererstreckung dargestellt. Direkt über dem mit den Bauelementstrukturen BS beschichteten Substrat SU ist eine Kompensationsschicht KS aufgebracht, mit deren Hilfe der Temperaturkoeffizient der Frequenz reduziert oder gar kompensiert wird. Dazu wird üblicherweise eine SiO2-Schicht einer ausreichenden Dicke verwendet.
Um die gegen Feuchtigkeit empfindliche Kompensationsschicht KS gegen Umwelteinflüsse zu schützen, ist als abschließende oberste Schicht noch eine Schutzschicht PL aufgebracht, beispielsweise eine dünne Siliziumnitrid-Schicht einer Stärke von 10nm bis 200nm.
4 zeigt die simulierte Durchlasskurve des in 1 dargestellten Filters. Gegenüber einem bekannten Filter ohne zusätzliche Resonatoren ist die Dämpfung im Bereich einer Störfrequenz verbessert. Die Verbesserung ist in der Figur umkreist. Als Anwendungsbeispiel ist ein Band 2 Tx Filter gewählt, welches im Rx Bereich eines Band 4 Duplexers einen deutlichen Pol und damit die verbesserte Dämpfung zeigt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung, insbesondere zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschieben einer störenden SH-Mode wird im Folgenden auszugsweise die Entwurfsmethode eines erfindungsgemäßen Filters beschrieben und die dazu erforderlichen Maßnahmen erläutert.
8 zeigt ein herkömmliches SAW-Filter mit derselben Grundstruktur wie das in 1 dargestellte erfindungsgemäße SAW-Filter, bei dem lediglich die zusätzlichen Resonatoren fehlen. Die Frequenzen der Serien- und Parallelresonatoren S, P sind so gewählt, dass sich ein gewünschtes Passband ergibt. Insoweit ist das Filter auf das gewünschte Band optimiert.
In 9 sind die verschiedenen für das bekannte Filter nach 8 verwendeten Resonatoren mit ihren Impedanzen und der sich daraus ergebenden Durchlasskurve TF bzw. Transferfunktion dargestellt.
Um das Filter mit der dargestellten hohen Bandbreite zu realisieren, sind die Resonanzfrequenzen fr(P) und fr(S) der Serienresonatoren S und der Parallelresonatoren P gegeneinander versetzt und vorzugsweise alle unterschiedlich gewählt. Im Bereich fr(P) treten die Resonanzfrequenzen der Parallelresonatoren auf, erkenntlich am Minimum deren Impedanzkurven. Bei gleichbleibendem Pol-Nullstellen-Abstand sind im entsprechenden Abstand dazu im Bereich fa(P) die Antiresonanzen der Parallelresonatoren zu finden.
In einem gleichen oder ähnlichen Frequenzbereich fr(S) finden sich die Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren, die vorzugsweise symmetrisch zur Mitte des Passbandes angeordnet sind.
Die Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren finden sich im Frequenzbereich fa(S) oberhalb der rechten Passbandkante der Transferfunktion TF.
Sämtliche in der 9 dargestellten Kurven sind das Ergebnis einer Simulation, die ohne Berücksichtigung auftretender störender Scherwellenmoden (SH-Moden) bestimmt wurden.
10: Lässt man nun jedoch das Auftreten von SH-Moden bei der Simulationsrechnung zu, erhält man für die in 8 und 9 dargestellte Filterstruktur das in 10 dargestellte Durchlassverhalten im Passband. Es sind zwei Passbänder für das TX-Filter (linke Kurven) und das RX-Filter (rechte Kurven) eines Duplexers dargestellt. Zum besseren Erkennen des Effekts einer störenden SH-Mode SHM sind in der Figur zwei Kurven übereinandergelegt, entsprechend der Simulation ohne Berücksichtigung der SH-Moden gemäß Kurve 1 und einmal unter Berücksichtigung auftretender SH-Moden entsprechend der Kurve 2. Im TX-Filter zeigt sich an der mit einem Pfeil gekennzeichneten Stelle in der rechten Passbandkante eine störende Resonanz, entsprechend der störenden SH-Mode SHM. Eine solche SH-Mode im Bereich der Passbandkante führt jedoch zu einer stärkeren thermischen Belastung des Filters, die zu einer zusätzlichen Leistungsbelastung des Filters führt und entsprechend zu einer höheren thermischen Belastung, die die Alterung des Filters beschleunigt und die Bauelementstrukturen BS beschädigen kann.
Aus der Rechnung ergibt sich auch, dass die störende SH-Mode durch den Serienresonator mit der niedrigsten Resonanzfrequenz erzeugt wird. Der Abstand zwischen SH-Mode und Resonanzfrequenz liegt nur dann im Bereich der Passbandkante, wenn die Resonanzfrequenz der Nutzmode (Rayleigh-Welle) bei entsprechend niedriger Frequenz angeordnet ist, da der Frequenzabstand der SH-Mode zur Rayleigh-Mode bei den Resonatoren des Filters nahezu konstant ist. Die Impedanz dieses ersten Resonators ist in der 9 mit RSx gekennzeichnet.
Die störende SH-Mode kann durch geeignete Abstimmung der Schichtdicken von Elektroden, Kompensationsschicht und Schutzschicht sowie durch geeignete Wahl des Metallisierungsverhältnisses der Elektroden in ihrer Höhe minimiert werden. Da die genaue Abstimmung jedoch durch produktionsbedingte Abweichungen eine Toleranz aufweist, kann sie bei einer Serienproduktion nicht effektiv unterdrückt werden, beziehungsweise ist dabei der Anteil an Filtern mit nicht oder schlecht unterdrückter SH-Mode zu hoch.
Ein einfaches Verschieben der Resonanzfrequenz des Serienresonators mit der störenden SH-Mode nach höheren Frequenzen hin und damit auch ein Verschieben des störenden Peaks der SH-Mode aus dem Bereich der Passbandkante heraus ist nicht möglich, ohne die Passbandcharakteristik beziehungsweise die rechte Passbandkante nachteilig zu beeinflussen. Erfindungsgemäß wird daher der Pol-Nullstellen-Abstand dieses Resonators mit der störenden SH-Mode um einen Frequenzbetrag Δf reduziert, indem ein oder mehrere zusätzliche Resonatoren parallel zu diesem Serienresonator geschaltet werden, siehe beispielsweise die Resonatoren RZ1 und RZ2 in 1. Durch die Kapazität des bei Mittenfrequenz des Filters ausschließlich kapazitiv wirkenden zusätzlichen Resonators wird die Antiresonanzfrequenz des Serienresonators um den Betrag Δf hin zu niedrigeren Frequenzen verschoben und somit der Pol-Nullstellenabstand reduziert. Um diesen Effekt jedoch auszugleichen und die zur Formung der Passbandkante wichtige Antiresonanzfrequenz wieder an die richtige Stelle zu bringen, wird parallel dazu die Fingerperiode verkürzt, um die Resonanzfrequenz um den Betrag Δf hin zu höheren Frequenzen zu verschieben. Dies kann auch in all den Fällen erforderlich sein, in denen durch den zusätzlichen Resonator primär ein zusätzlicher Pol erzeugt werden soll, um damit eine Störfrequenz besser zu unterdrücken.
5 zeigt eine Simulationsrechnung der Impedanz des ersten Serienresonators ohne zusätzlichen Resonator (linke Kurve) und mit parallel geschaltetem Resonator und verlängerter Fingerperiode (rechte Kurve). Durch die beiden Maßnahmen bleibt die Lage der Antiresonanzfrequenz entsprechend dem Minimum der beiden Kurven praktisch unverändert, während sich die Resonanzfrequenz um den Betrag Δf hin zu höheren Frequenzen verschiebt.
6 zeigt eine der 9 entsprechende Darstellung, bei der jedoch nun die Impedanz des Serienresonators mit dem parallel geschalteten zusätzlichen Resonator in Lage und Pol-Nullstellen-Abstand verändert ist. Die Resonanzfrequenz ist nun um einen Betrag Δf nach oben verschoben, während die Lage der Antiresonanz unverändert bleibt. Es zeigt sich, dass das Passband TF trotz zusätzlichem Resonator nahezu unverändert bleibt.
7 zeigt das Passband des entsprechenden Filters in einer Simulation mit und ohne Berücksichtigung von SH-Moden. Die beiden Kurven sind wieder übereinander dargestellt, entsprechend der bereits beschriebenen 10. Im Vergleich mit der 10 zeigt sich nun bei der 7 der mit der Erfindung bewirkte Effekt, dass im Bereich der rechten Passbandkante (siehe eingezeichneter Pfeil) die SH-Mode (siehe SHM in 10) in beiden Rechnungen beziehungsweise beiden Kurven vollständig verschwunden ist beziehungsweise nicht mehr auftritt. Die übrigen Passbandcharakteristiken bleiben praktisch unverändert, so dass mit der erfindungsgemäßen Maßnahme keine Nachteile im Bereich des Passbands in Kauf zu nehmen sind.
In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen können über die 1 hinausgehend weitere Serienresonatoren parallel mit zusätzlichen Resonatoren verschaltet werden. Um die Bandbreite des Filters nicht zu verkleinern, werden nur die in der Frequenz tiefliegenden Serienresonatoren, deren SH-Mode innerhalb des Passbandes bzw. dessen Kante liegen, mit Kapazitäten parallel verschaltet. Weiter kann die Anzahl der Parallelzweige sowie die Anzahl der Serienresonatoren weiter erhöht werden.
In weiterer nicht dargestellter Ausführung sind einzelne, mehrere oder sämtliche der Resonatoren kaskadiert ausgeführt. Kaskadieren bedeutet dabei, dass der einzelne wie in 2 dargestellte SAW-Resonator durch eine Serienverschaltung von zumindest zwei Teilresonatoren ersetzt wird. Durch eine Kaskadierung erniedrigt sich die am Resonator anliegende Spannung, so dass zum Ausgleich die Fläche des Resonators entsprechend zu erhöhen ist. Gleichzeitig wird dadurch die Leistungsbeständigkeit der Bauelementstrukturen erhöht, so dass insbesondere diejenigen Resonatoren kaskadiert werden, die den stärksten Signalamplituden ausgesetzt sind. Dies sind insbesondere bei einem TX-Filter die nahe dem Eingang (TXin) angeordnete Serienresonatoren sowie die Parallelresonatoren mit der höchsten Resonanzfrequenz. Ebenfalls nicht dargestellt sind Induktivitäten, mit denen insbesondere die Parallelzweige in Serie gegen Festpotenzial verschaltet werden können.
11 zeigt eine Draufsicht auf einen Resonator mit Weglasswichtung. Dies stellt eine weitere Alternative zur Verwendung von Parallel-Kapazitäten dar, um den Pol-Null-Stellen Abstand eines Resonators zu reduzieren.
12 zeigt in den maßstabsgetreuen Teilfiguren a, b und c und damit in zum Größenvergleich geeigneter Weise den jeweiligen Platzbedarf

(a) eines unveränderten Serienresonators SX
(b) eines Serienresonators SX‘ mit skalierter Fingerperiode, reduzierter Apertur und mit zusätzlichem Resonator
(c) eines dazu äquivalenten Serienresonators SXW mit Weglasswichtung

Aus der Figur wird klar, dass der Platzbedarf zwar von a) nach c) zunimmt, die Lösung b) aber diejenige ist, die den geringsten zusätzlichen Platzbedarf erfordert.
Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben und ist daher nicht auf diese begrenzt. Ein erfindungsgemäßes Filter kann daher von den dargestellten Strukturen sprich dem dargestellten Blockschaltbild abweichen. Weiterhin kann das Filter auch in seinem Schichtaufbau von dem in 3 dargestellten bekannten Schichtaufbau abweichen.
Das erfindungsgemäße Filter kann Teil eines Duplexers sein wobei die Erfindung sowohl als Empfangsfilter, insbesondere aber als TX-Filter des Duplexers eingesetzt wird.

Claims

SAW Filter, – umfassend – einen zwischen Filterein- und -ausgang verschalteten Serienzweig (SZ), in dem Serienresonatoren (S) angeordnet sind, und – n parallel zum Serienzweig gegen ein Festpotenzial (GND) verschaltete Parallelzweige (PZ), in denen jeweils ein Parallelresonator (P) angeordnet ist, wobei 2 ≤ n ≤ 5, – bei dem parallel zu einem Serienresonator (S) ein bei Mittenfrequenz des Filters kapazitiv wirkender zusätzlicher Resonator (RZ) geschaltet wird – bei dem der Pitch des zusätzlichen Resonators so eingestellt ist, dass er mit seiner Antiresonanz einen zusätzlichen Pol bei einer Störfrequenz ausbildet.
SAW Filter nach Anspruch 1, bei dem der Pitch des zusätzlichen Resonators (RZ1) gegenüber dem Pitch des Serienresonators (S1) erniedrigt ist, um eine verbesserte Dämpfung bei einer gegebenen Störfrequenz oberhalb des Passbands zu erzielen.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei dem ein erster Serienresonator (S_X) so ausgebildet ist, dass er die niedrigste Antiresonanzfrequenz und die größte Fingerperiode aller Serienresonatoren aufweist, – bei dem der Polnullstellenabstand des ersten Serienresonators (Sx) gegenüber den weiteren Serienresonatoren (S) soweit verringert ist, dass eine parasitäre Schermode der akustischen Welle aus dem Passband des Filters heraus verschoben ist, – bei dem die weiteren der Serienresonatoren (S) einen Polnullstellenabstand und eine Fingerperiode aufweisen, die höher sind als beim ersten Serienresonator.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei dem der Polnullstellenabstand des ersten Serienresonators (Sx) durch den zusätzlichen Resonator verringert ist, – bei dem die bei Mittenfrequenz des Filters wirkende Kapazität des zusätzlichen Resonators so bemessen ist, dass durch die kleinere Fingerperiode und den kleineren Polnullstellenabstand des ersten Serienresonators eine parasitäre Schermode der akustischen Welle aus dem Passband des Filters heraus verschoben ist.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufgebaut auf einem Lithiumniobat Substrat mit einem Schnittwinkel zwischen rot 125 und rot 130.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer über einer Elektrodenmetallisierung auf dem Substrat angeordneten SiO₂ Schicht zur Kompensation des Temperaturgangs des Filters.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Antiresonanzfrequenz des zusätzlichen Resonators (RZ) bei einer zu unterdrückenden Störfrequenz außerhalb des Passbandes liegt.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgelegt zum Betrieb in einem Band mit einer relativen Bandbreite größer 3 %, insbesondere zum Betrieb in Band 2 oder 3.
SAW Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei dem alle Serienresonatoren, deren SH-Mode im Bereich zwischen der rechten Passband-Kante und dem Fuß der Flanke liegt, mit reduzierten Pol-Nullstellen-Abstand ausgeführt sind.
SAW Filter nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der Pol-Nullstellen-Abstand derjenigen Serienresonatoren (S), bei denen eine störende SH-Mode auftritt, reduziert wird, um eine Korrektur der Position der SH-Mode zu erreichen, durch – Veränderung des Schichtaufbaus bzgl. Materialien und Schichtdicke, insbesondere Aufbringen und/oder Verändern einer Trimmschicht – Weglasswichtung, – Verschalten mit einer als Resonator ausgebildeten Parallelkapazität.
Verfahren zum Erzeugen eines zusätzlichen Filterpols bei einem SAW Filter, a) bei dem in einem ersten Schritt das Filter aus SAW Resonatoren entworfen wird, b) wobei ein zwischen Filtereingang (TXIN) und Filterausgang (ANT) verschalteter Serienzweig (SZ), in dem Serienresonatoren (S) angeordnet sind, und n parallel zum Serienzweig gegen ein Festpotenzial (GND) verschaltete Parallelzweige (PZ), in denen jeweils ein Parallelresonator (P) angeordnet ist, vorgesehen werden, c) bei dem parallel zu einem ersten Serienresonator (Sx) ein als Kapazität wirkender zusätzlicher Resonator (RZ) vorgesehen und verschaltet wird d) bei dem der Pitch des zusätzlichen Resonators (RZ) so eingestellt ist, dass dessen Antiresonanzfrequenz einen zusätzlichen Pol bei einer zu unterdrückenden Störfrequenz ausbildet, um die Dämpfung des Filters bei der Störfrequenz zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 11, – bei dem im Schritt a) das Filter für Tx Frequenzen im Band 2 ausgelegt wird, also für ein Passband von 1850 MHz bis 1910 MHz – bei dem die Frequenzlage des zusätzlichen Resonators so eingestellt wird, dass ein Pol bei Rx Frequenzen von Band 4 erhalten wird, also zwischen 2110 MHz und 2155 MHz.