DE102016112993A1

DE102016112993A1 - Notchfilter sowie dieses umfassende Extraktoranordnung

Info

Publication number: DE102016112993A1
Application number: DE102016112993.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Freisleben; Igor Ielegechev
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: WO2018013325A1; DE102016112993B4

Abstract

In einem Notchfilter in Ladder Type Anordnung können spurious modes unterdrückt und die Linearität verbessert werden, indem als Resonatoren ausgeführte Impedanzelemente mit je einem Kondensator parallel überbrückt oder in Serie zu einem solchen Kondensator geschaltet werden.

Description

Mit Hilfe eines Notch-Filters gelingt es, einen Frequenzbereich in einem Frequenzspektrum so zu reflektieren, dass er das Notch-Filter nicht oder nur mit hoher Dämpfung passieren kann. Notch-Filter werden auch als Bandsperren bezeichnet. Notch-Filter können dazu eingesetzt werden, selektiv bestimmte Frequenzen auszufiltern, die von normalen Durchlassfiltern, also von Hochpass-, Tiefpass- oder Bandpassfiltern, nicht vollständig gedämpft werden können. Der Sperrbereich eines Notch-Filters wird bevorzugt auf Frequenzen oder Frequenzbereiche gelegt, an denen Störsignale und insbesondere starke Störsignale benachbarter Bänder auftreten können.
Aus der US 7,583,936 B1 ist eine Extraktor-Anordnung bekannt, mit der insbesondere ein Signal aus einem Signalpfad extrahiert werden kann. Diese Extraktor-Anordnung umfasst ein im Signalpfad angeordnetes Notch-Filter, welches für die zu extrahierende Frequenz eine Bandsperre darstellt. Zwischen dem Signaleingang und dem Notch-Filter zweigt ein Extraktor-Pfad ab, in dem ein Bandpassfilter für die zu extrahierende Frequenz angeordnet ist. Mit einer solchen Extraktor-Anordnung gelingt es beispielsweise, GPS oder Glonass- oder auch WLAN-Signale aus dem Gesamtspektrum drahtlos übermittelter Signale herauszufiltern. Alternativ können am Eingang des Bandpasses eingespeiste Signale auch transmittiert werden.
Ein Notch-Filter kann in einer Ladder-Type-Anordnung realisiert werden, die sich von der Ladder-Type-Bandpass-Anordnung dadurch unterscheidet, dass die Frequenzlagen serieller und paralleler Impedanzelemente gegenüber dem Bandpassfilter vertauscht sind.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass im Signalpfad hinter einem Notch-Filter so genannte Spurious Modes auftreten, die zu Einbrüchen im Durchlassbereich führen und im Signalpfad daher für Verluste sorgen. Spurious Modes werden durch unerwünschte Nebenmoden von akustischen Filterelementen verursacht, treten bevorzugt frequenzversetzt zur Hauptmode auf und können in anderen genutzten Bändern stören. Meist lassen sie sich nur schwer und selten vollständig unterdrücken.
1 zeigt drei Durchlasskurven 1–3 verschiedener Notch-Filter, die alle auf den gleichen Sperrbereich eingestellt aber in unterschiedlichen Technologien ausgeführt sind. Es zeigt sich, dass in jeder der verwendeten Technologien Störmoden entstehen, die insbesondere im oberen Sperrbereich deutliche Einbrüche in der Übertragungskurve verursachen. Für Notch-Filter in SAW-Technik auf Lithiumtantalat rühren solche aus der Kurve 3 ersichtlichen Störmoden von unerwünscht angeregten Rayleigh-Wellen und Volumenwellen her.
Auch bei SAW Filtern auf Lithiumniobat-Substraten können Volumenwellen und Plattenmoden auftreten und Verluste erzeugen. Solche Filter können auch in HQTCF-Technik (HQTCF = High Quality Temperature Compensated Filter) ausgeführt werden, wobei der Temperaturkoeffizient TCF der Frequenz kompensiert ist. Diese Filter sind dann auf Lithiumniobat-Substraten erzeugt und mit einer Kompensationsschicht für den Temperatur-Koeffizienten in Form einer dicken SiO₂-Schicht abgedeckt. Die Kurven 1 und 2 zeigen Störmoden eines temperaturkompensierten SAW-Notch-Filters. In einem aus BAW Resonatoren ausgebildeten Notch-Filter werden zweite und dritte Harmonische angeregt, ebenso Reflektormoden, die ebenfalls im oberen Sperrbereich stören.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Notch-Filter anzugeben, in dem die Störmoden besser unterdrückt sind und welches daher ein verbessertes Durchlassverhalten oberhalb des Sperrbereichs aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Notch-Filter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine Extraktor-Anordnung, die dieses Notch-Filter umfasst, sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein aus Impedanzelementen aufgebautes Notch-Filter vorgeschlagen, welches zumindest elektroakustische Resonatoren umfasst und außerdem noch Induktivitäten als Impedanzelemente aufweisen kann. Diese Impedanzelemente sind in Ladder-Type-Anordnung in einem Serienzweig und in davon abzweigenden Shunt-Armen angeordnet. Zur Unterdrückung der Störmoden werden nun erfindungsgemäß Resonatoren im Serienzweig und/oder in einem oder mehreren Shunt-Armen mit Kondensatoren verschaltet. Die Verschaltung kann in Serie und/oder parallel zu einem der Resonatoren erfolgen. Es können auch mehrere Resonatoren mit Kondensatoren verschaltet sein.
Die Impedanzelemente können ausgewählt sei aus

– einem akustischen Resonator
– einem akustischen Resonator in Serie mit einer Spule
– einem parallelen LC Schwingkreis
– einem seriellen LC Schwingkreis
– einer Kapazität alleine.

Die Ladder-Type-Anordnung kann ausschließlich akustische Resonatoren umfassen, die als Impedanzelemente im Serienzweig und in den Shuntarmen angeordnet sind. Möglich ist auch, dass nicht alle möglichen Positionen der Ladder-Type-Anordnung mit akustischen Resonatoren besetzt sind, sondern einzelne Positionen auch mit anderen Impedanzelementen.
Die Kondensatoren können mit Resonatoren verschaltet werden, die nur in den Shunt-Armen, nur im Serienzweig oder sowohl in Shunt-Armen als auch im Serienzweig angeordnet sind. Die Kondensatoren können jeweils parallel oder in Serie zu einzelnen Resonatoren, zu einem Teil der Resonatoren oder zu allen Resonatoren geschaltet sein.
Im Ergebnis wird ein Notch-Filter erhalten, bei dem die Störmoden deutlich unterdrückt sind und welches oberhalb des Sperrbereichs ein deutlich verbessertes Durchlassverhalten aufweist.
Wird einer der Resonatoren des Notch-Filters mit einem Kondensator verschaltet, so ist darauf zu achten, dass die Gesamtkapazität der Verschaltung, also die statische Kapazität des Resonators plus die durch den Kondensator eingebrachte Kapazität in der Summe unverändert bleiben. Als Referenz dienen die Resonatoren eines Filters, welches auf einen optimal ausgebildeten Sperrbereich optimiert ist aber nicht mit Kondensatoren verschaltet ist.
Wird ein Kondensator parallel zu einem Resonator geschaltet, so erhöht sich die resultierende Kapazität der Verschaltung aus Resonator und Kondensator, sodass zum Erhalt der Gesamtkapazität eine Reduktion der statischen Kapazität des Resonators erforderlich ist. Schaltet man einen Kondensator in Serie zu einem Resonator, so reduziert sich die statische Gesamtkapazität, wenn die Kapazität des Kondensators ungefähr in der Größenordnung der statischen Kapazität des Resonators liegt. In diesem Fall ist der in Serie geschaltete Resonator mit entsprechend höherer statischer Kapazität auszubilden.
Ein erfindungsgemäßes Notch-Filter kann allein aus Resonatoren aufgebaut sein, die in unterschiedlichen Techniken realisiert sein können. Möglich ist es beispielsweise, die Resonatoren in SAW-Technik, in BAW-Technik, als LC-Resonatoren oder als dielektrische Resonatoren auszubilden. Störmoden können in praktisch jeder Resonatortechnologie auftreten, mit der Erfindung jedoch wirksam unterdrückt werden.
Das Notch-Filter kann in Ladder-Type-Anordnung ausgeführt sein, wobei entweder im Serienarm oder in den Shunt-Armen die dort angeordneten Impedanzelemente als Induktivitäten ausgebildet sind.
Die Kondensatoren können als diskrete Bauelemente ausgebildet sein, die separat auf einer Platine montiert sind. Vorteilhaft ist es jedoch, die Kondensatoren in den Aufbau des Notch-Filters zu integrieren.
Ist ein Resonator beispielsweise als SAW-Resonator ausgebildet, so kann ein Kondensator als zusätzliche Interdigitalstruktur direkt auf dem Substrat des SAW-Resonators ausgebildet und mit dem Resonator parallel oder in Serie verschaltet werden. Auf einem SAW Filter-Substrat lassen sich auch Plattenkondensatoren ausbilden und dazu bereits für die SAW Strukturen eingesetzte Schichtabscheidungsprozesse verwenden. Beispielsweise kann für die Bottomelektrode des Plattenkondensators die Metallisierung der Interdigitalwandler eingesetzt werden. Ein Dielektrikum wie SiO₂ oder BCB, welches bereits zur Isolation bei Leiterbahnkreuzungen dient, kann auch als Dielektrikum des Plattenkondensators eingesetzt werden, während die die Topelektrode des Kondensators aus der Padverstärkung ausgebildet werden kann.
Resonatoren in BAW-Technik wirken außerhalb ihrer Resonanzfrequenz ebenfalls als Kapazitäten und können daher bereits für sich mit veränderter, nicht störender Resonanzfrequenz als Kondensatoren eingesetzt werden. Eine Verschiebung der Resonanzfrequenz gelingt bei einem BAW-Resonator durch Einbringen zusätzlicher Schichten zwischen oberer und unterer Elektrode, durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf die obere oder untere Elektrode oder durch Weglassen einer Teilschicht des Resonators oder durch Reduktion einer Schichtdicke, insbesondere einer Schichtdicke des Dielektrikums.
Vorteilhaft ist es, zumindest eine der Elektroden eines BAW-Resonators als erste Kondensatorelektrode zu verwenden. Als zweite Kondensatorelektrode kann dann auch eine Hochimpedanzschicht des akustischen Spiegels verwendet werden, wobei eine dazwischen liegende Niederimpedanzschicht als Dielektrikum dienen kann.
Möglich ist es jedoch auch, den Kondensator seitlich benachbart über oberer oder unterer Elektrode des BAW-Resonators durch Aufbringen einer Dielektrikumsschicht und einer zweiten Kondensatorelektrode zu erzeugen.
Eine weitere Möglichkeit, die für das erfindungsgemäße Notch-Filter erforderlichen Kondensatoren in den Filteraufbau zu integrieren, besteht in der Verwendung eines mehrschichtigen Substrats, beispielsweise einer LTCC oder eines Laminats. Im Mehrschichtaufbau lässt sich strukturiert eine beliebige Anzahl integrierter Kondensatoren erzeugen und durch eine Schichtenfolge aus leitfähiger Schicht, Dielektrikum und weiterer leitfähiger Schicht realisieren.
Ein solches mehrschichtiges Substrat kann als Träger für das Notch-Filter dienen. Die Resonatoren können direkt auf dem mehrschichtigen Substrat aufgebaut oder darauf montiert sein. Das mehrschichtige Substrat kann auch die Resonatoren im Mehrschichtaufbau integriert umfassen.
Bei der Verschaltung der Resonatoren mit Kondensatoren muss als Nachteil in Kauf genommen werden, dass der Pol-Nullstellen-Abstand des Resonators, der dessen Bandbreite bzw. die Bandbreite des aus dem Resonator oder den Resonatoren gefertigten Filtern bestimmt, reduziert ist. Ein reduzierter Pol-Nullstellen-Abstand ist meist nur dann akzeptabel, wenn eine geringe Bandbreite für das Notch-Filter gefordert ist oder wenn das Substrat von Haus aus einen großen Pol-Nullstelllen-Abstand besitzt.
Ein piezoelektrisches Substrat mit großem Pol-Nullstelllen-Abstand ist z.B. Lithiumniobat. Darauf können SAW Notch-Filter aufgebaut werden, die gegebenenfalls über der Metallstrukturen der elektroakustischen Wandler noch weitere Schichten wie insbesondere eine SiO₂ Schicht zur Temperaturkompensation des TCF (Temperaturkoeffizient der Frequenz) aufweisen können.
Vorteilhaft ist es jedoch, ein Notch-Filter zu verwenden, welches von Haus aus eine hohe Bandbreite aufweist. Ein aus mikroakustischen Resonatoren aufgebautes Notch-Filter ist daher vorzugsweise auf hochkoppelnden Substraten aufgebaut, um einen ausreichend hohen Pol-Nullenstellen-Abstand zu erbringen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein hochkoppelndes Substrat ist Lithiumniobat, beispielsweise LN41 oder LN128. Der letztgenannte Schnitt wird auch bevorzugt für HQTCF-Resonatoren eingesetzt, sodass ein bevorzugtes Notch-Filter Resonatoren vom HQTCF-Typ umfasst.
In allen Ausführungen, bei denen ein Resonator des Notch-Filters mit einem Kondensator verschaltet wird, wird gleichzeitig auch die Linearität des Filters erhöht, insbesondere wenn die Kondensatoren deutlich linearer sind als die Resonatoren. Sowohl die Erhöhung der Linearität als auch die Unterdrückung der Störmoden sind umso stärker ausgeprägt, je mehr der Resonatoren mit Kondensatoren verschaltet sind. Weiterhin kann der Effekt dadurch erhöht werden, indem die Kapazität der eingesetzten Kondensatoren bei Parallelschaltung zum Resonator möglichst hoch, bei Verschaltung in Serie dagegen möglichst klein gewählt wird.
Ein erfindungsgemäßes Notch-Filter kann vorteilhaft im Signalpfad eines drahtlosen Systems eingesetzt werden, beispielsweise für mobile Kommunikation, schnurlose Telefone, WiFi-Anwendungen, WLAN, Satellitenempfang, Datenfunk oder sonstige Systeme.
Eine mögliche Verwendung eines Notch-Filters besteht, wie bereits eingangs erwähnt, in einem Extraktor, bei dem das Notch-Filter im Signalpfad angeordnet ist, während unmittelbar davor zwischen Notch-Filter und Antennenanschluss ein Extraktorpfad vom Signalpfad abzweigt, in dem ein Bandpassfilter angeordnet ist. Das Notch-Filter weist einen Sperrbereich auf und ist in diesem Frequenzbereich für Signale undurchlässig. Das Bandpassfilter weist ein Passband auf, das in einer Extraktor-Anordnung vollständig innerhalb des Sperrbereichs liegt. Möglich ist es auch, seriell zum Signalpfad zwei und mehr Extraktoren anzuordnen, wobei die dazu verwendeten Notchfilter wie beschrieben mit Kondensatoren verschaltet sein können. Die unterschiedlichen Extraktoren können dann zur Extraktion unterschiedlicher Frequenzbänder aus dem Signalpfad dienen.
Das Bandpassfilter kann ebenfalls aus Resonatoren aufgebaut sein, die außerhalb des Passbands als Kapazitäten wirken. Ebenso können die Resonatoren des Bandpassfilters Störmoden im Signalpfad erzeugen, die in einem Frequenzbereich auftreten können, der ebenfalls vom gleichen Gerät genutzt wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird neben dem Notch-Filter auch das Bandpassfilter in entsprechender Weise durch Verschaltung seiner Resonatoren mit Kondensatoren modifiziert. Es zeigt sich, dass durch serielle oder parallele Verschaltung von Resonatoren des Bandpassfilters mit Kondensatoren eine weitere Verbesserung der Signalqualität erzielt wird, indem vom Bandpassfilter erzeugte Störmodern reduziert werden.
Es werden vorzugsweise diejenigen Resonatoren des Bandpassfilters mit Kondensatoren verschaltet, die dem gemeinsamen Knoten des Extraktorpfads mit dem Signalpfad am nächsten gelegen sind. Beispielsweise werden die dem gemeinsamen Knoten nächst gelegenen ersten drei Resonatoren mit Kondensatoren verschaltet, wobei es unabhängig ist, ob die Resonatoren im Serienzweig oder in Shunt-Armen angeordnet sind.
Der Signalpfad selbst verbindet einen Antennenanschluss mit einer Sende-Empfangs-Einheit.
Da der Sperrbereich des Notch-Filters und das Passband des Bandpassfilters nahezu deckungsgleich sind, können die für die beiden Filter verwendeten Resonatoren in gleicher Technologie und vorzugsweise auch auf einem gemeinsamen gleichen Substrat ausgeführt sein. Möglich ist es jedoch auch, Notch-Filter und Bandpassfilter als getrennte Einheiten auf getrennten Substraten auszubilden. Möglich ist es auch, Notch-Filter und Bandpassfilter in unterschiedlichen Technologien auszubilden.
Eine bevorzugte Verwendung der Extraktor-Anordnung ergibt sich für GNSS- oder WLAN-Frequenzen, wobei der Sperrbereich des Notches für diese Frequenzen undurchlässig ist, das Bandpassfilter dagegen die GNSS- oder WLAN-Frequenzen passieren lässt. Auf diese Weise gelingt es, die GNSS- oder WLAN-Signale über den Extraktorpfad aus dem Signalpfad zu extrahieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Filteranordnungen sind teilweise als schematische Blockschaltbilder ausgeführt, in denen nur die wichtigsten oder notwendigen Komponenten dargestellt sind. Reale Filteranordnungen können weitere Komponenten aufweisen. Darüber hinaus sind dargestellte Strukturen nicht maßstabsgetreu, sodass den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen sind. Vielmehr können einzelne Teile zur besseren Verständlichkeit vergrößert oder verkleinert dargestellt sein.
1 zeigt das Übertragungsverhalten verschiedener Notch-Filter, die in verschiedenen Technologien bzw. auf verschiedenen Substraten ausgeführt sind,
2 zeigt das Übertragungsverhalten eines erfindungsgemäßen Notch-Filters im Vergleich zu einem bekannten Notch-Filter,
3 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Notch-Filter,
8 zeigt eine Extraktor-Anordnung mit dem Notchfilter,
9 zeigt eine Extraktor-Anordnung mit zusätzlichen Maßnahmen im Bandpassfilter,
10 zeigt den Realteil der Admittanz eines mit einem Kondensator verschalteten Resonators im Vergleich zu einem Resonator ohne zusätzlichen Kondensator,
11 zeigt für das gleiche Element den Imaginärteil der Admittanz,
12 zeigt das Durchlassverhalten eines weiteren Notch-Filters mit und ohne verschaltete Kondensatoren,
13 zeigt einen Ausschnitt aus den Kurven der 12,
14 zeigt eine Filterschaltung mit zwei Extraktor-Anordnungen samt erfindungsgemäßen Notchfiltern,
15 zeigt eine alternative Filterschaltung mit zwei Extraktor-Anordnungen samt erfindungsgemäßen Notchfiltern.
1 zeigt das Durchlassverhalten bekannter Notch-Filter anhand des Matrixelements S21. Die Kurven 1 und 2 sind an zwei verschiedenen Notch-Filtern ermittelt, die als SAW-Bauelemente in HQTCF-Technik ausgeführt sind. Es zeigt sich, dass ein solches Notch-Filter einen ausgeprägten Einbruch im Übertragungsverhalten oberhalb des Sperrbereichs aufweist. Die Kurve 3 steht für ein Notch-Filter, welches in SAW-Technik auf Lithiumtantalat ausgeführt ist. Auch dieses Notch-Filter zeigt einen Einbruch im Übertragungsverhalten bei einer etwas geringeren Frequenz, aber ebenfalls oberhalb des Sperrbereichs.
3 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Notch-Filters. Dieses ist in Ladder-Type-Anordnung ausgeführt und umfasst in einem seriellen Zweig drei als Resonatoren ausgebildete serielle Impedanzelemente ZS. Vom Serienzweig abzweigend sind zwei Shunt-Arme dargestellt, in denen jeweils ein paralleles Impedanzelement ZP angeordnet ist. Das parallele Impedanzelement ZP kann ebenfalls ein Resonator sein, kann jedoch auch als Induktivität ausgeführt sein. Im letzten Fall stellt das Notch-Filter einen Hochpass dar.
Erfindungsgemäß ist nun parallel zu den seriellen Impedanzelementen ZS bzw. parallel zu den Resonatoren im Serienzweig jeweils ein Kondensator CESP geschaltet. Zur weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen Notch-Filters werden nun noch die statischen Kapazitäten der mit einem Kondensator parallel überbrückten Resonatoren angepasst, um die normale Funktionsfähigkeit des Notch-Filters, insbesondere die Impedanz und die Anpassung im Durchlassbereich zu erhalten. Die Anpassung wird so durchgeführt, dass die statische Kapazität zwischen den beiden im seriellen Pfad angeordneten Knoten K1 und K2, an denen der Parallelpfad mit dem Kondensator jeweils in den seriellen Pfad mündet, durch den zusätzlichen Kondensator unverändert bleibt. Da der Kondensator in dieser Verschaltung seinen Kapazitätswert zur statischen Kapazität des Resonators addiert, ist in Abhängigkeit von der Größe des Kondensators die statische Kapazität des Resonators entsprechend zu reduzieren.
Mit einem solchen Notch-Filter wie in 3 werden die störenden Spurious Modes effektiv reduziert. 2 zeigt die Durchlasskurve (S21) eines in SAW-Technik auf einem Lithiumniobat Substrat mit Schnittwinkel 41° realisierten Notch-Filters mit und ohne parallel geschaltetem Kondensator. Klar ersichtlich ist, dass die Kurve 4b eines erfindungsgemäßen Notch-Filters im Durchlassverhalten oberhalb des Sperrbereichs wesentlich verbessert ist gegenüber der Kurve 4a, die einem Notch-Filter ohne parallel geschaltete Kondensatoren entspricht. Die Verbesserung zeigt sich dabei über einen größeren Bereich und ist nicht auf bestimmte, einer Störmode zuzuordnende Frequenzen beschränkt. Als weiterer Vorteil zeigt sich, dass der Übergang vom unteren Durchlassbereich zum Sperrbereich ebenfalls steiler gestaltet ist, sodass die Sperrwirkung des Notch-Filters deutlicher auf den Sperrbereich beschränkt ist und ohne Übergang anschließend in ein Durchlassverhalten mit geringer Dämpfung übergeht.
Als weiteren Effekt solcher parallel oder in Serie zu Resonatoren im Serienzweig verschalteter Kondensatoren zeigen die Resonatoren im erfindungsgemäßen Notch-Filter auch eine verbesserte Linearität. Diese Verbesserung kommt durch die Spannungs- oder Stromteilung zwischen den nicht-linearen Resonatoren und den entscheidend höher linearen Kapazitäten zustande. Eine Beschreibung dieses Effekts findet sich z.B. in der deutschen Patentanmeldung DE 102014112676 A1 .
10 zeigt den Realteil der Admittanz eines mit einem parallelen Kondensator überbrückten Resonators IM Vergleich zur Admittanz ohne Überbrückung, während 11 den Betrag der Admittanz des gleichen Resonators mit und ohne verschalteten Kondensator zeigt. Der Resonator ist als SAW-Resonator auf einem LN41-Substrat realisiert. Die Kurve 5a in 10 zeigt den Realteil der Admittanz eines entsprechenden Resonators ohne parallel geschalteten Kondensator, während die Kurve 5b für das Verhalten eines erfindungsgemäß mit einem Kondensator parallel verschalteten Resonators zeigt. Es zeigt sich, dass die Admittanzkurven wesentlich schärfer ausgeprägt sind bzw. schneller in Resonanz und Antiresonanz übergehen, wenn ein Kondensator parallel zum Resonator verschaltet ist. Weiterhin zeigt die Kurve 5b oberhalb der Resonanz einen verringerten Admittanzwert, was dafür spricht, dass störende Moden unterdrückt sind, in diesem Fall Volumenwellen.
Aus dem Betrag der Admittanz gemäß 11 zeigt sich, dass der Pol-Nullstellen-Abstand der Kurve 6b, die dem Resonator mit parallel verschaltetem Kondensator entspricht, gegenüber dem unverschalteten Resonator in der Kurve 6a reduziert ist. Der Unterschied beträgt Δ. Der reduzierte Pol-Nullstellen-Abstand ist auch der Grund dafür, dass sich mit einem solchen Resonator nur Filter mit geringerer Bandbreite realisieren lassen. Dies kann aber in Kauf genommen werden, wenn, wie in diesem Fall, ein hochkoppelndes Substrat (Lithiumniobat 41) für den Aufbau des Filters verwendet wird. Auch Anwendungen, die Filter und insbesondere Notch-Filter kleiner Bandbreite erfordern, können auf diese Weise verbessert werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Notch-Filters. Die mit fünf Impedanzelementen Z dargestellte Ladder-Type-Anordnung weist zwei Shunt-Arme auf, in denen jeweils ein Resonator ZP angeordnet ist, der parallel mit einem Kondensator CEPP überbrückt ist. Die im Serienarm angeordneten Impedanzelemente ZS können ebenfalls als Resonatoren ausgebildet sein, können aber auch Induktivitäten sein. Im letztgenannten Fall zeigt das Notch-Filter einen Tiefpasscharakter.
Auch in diesem Fall gilt, dass die Gesamtkapazität aus statischer Kapazität und überbrückendem Kondensator beim erfindungsgemäßen Filter konstant bleibt gegenüber einem Filter ohne überbrückenden Kondensator. Dies bedeutet, dass die zwischen den Knoten K3 und K4 in dem Shunt-Arm bestimmte Kapazität konstant bleibt. Dies kann ebenso wie in 3 erreicht werden, indem in Abhängigkeit von der additiv wirkenden Kapazität des Kondensators die entsprechende statische Kapazität des Resonators reduziert wird.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Notch-Filters, welches wiederum eine Ladder-Type-Anordnung mit drei seriellen Impedanzelementen ZS und zwei Shunt-Armen mit parallelem Impedanzelement ZP aufweist. Hier sind im Serienarm in Serie zu den dort angeordneten Resonatoren ZS serielle Kondensatoren CESS geschaltet. Die Impedanzelemente ZP in den Shunt-Armen können ebenfalls Resonatoren oder auch Induktivitäten sein. Auch in dieser Ausführung zeigt ein jeder zusätzlicher Kondensator CE eine Wirkung bezüglich der Unterdrückung störender Moden. Auch hier tritt der genannte Nebeneffekt eines reduzierten Pol-Nullstellen-Abstands und der seriellen Resonatoren auf und damit verbunden eine reduzierte Bandbreite des Notch-Filters.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6 dargestellt. Dort sind die parallelen Impedanzelemente ZP als Resonatoren ausgebildet und im Shunt-Arm in Serie mit einem Kondensator CEPS verschaltet. Die Impedanzelemente im Serienarm ZS können wieder Resonatoren oder Induktivitäten sein.
Auch in dieser Ausführung werden die erfindungsgemäßen Vorteile der verbesserten Linearität und der besseren Unterdrücken von Störmoden erreicht.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl im Serienarm als auch in einem oder mehreren Shunt-Armen die dort als Impedanzelemente ZS, ZP angeordneten Resonatoren parallel mit Kondensatoren CESP bzw. CEPP überbrückt sind.
Nicht dargestellt sind Variationen des Notch-Filters, in denen serielle Kondensatoren und/oder parallele Kondensatoren gleichzeitig mit Resonatoren in Ladder-Type-Anordnung verschaltet werden. In allen Fällen werden die erfindungsgemäßen Wirkungen erzielt.
8 zeigt eine Extraktor-Anordnung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Notch-Filters N. Das Notch-Filter N ist zwischen einem Antennenanschuss A und einer Sende-Empfangs-Einheit SE in Serie geschaltet. Von einem Knoten K zwischen Antennenanschluss A und Notch-Filter N zweigt ein Extraktorpfad EX ab, in dem ein Bandpassfilter BP angeordnet ist. Der Durchlassbereich des Bandpassfilters BP liegt innerhalb des Sperrbereichs des Notch-Filters N. Über eine solche Extraktor-Anordnung gelingt es, über den Antennenanschluss A hereinkommende Signale am Notch-Filter N vollständig zu reflektieren und über den Extraktorpfad mittels des Bandpassfilters aus dem seriellen Pfad zwischen Antennenanschluss und Sende-Empfangs-Einheit zu extrahieren. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Notch-Filters N wird die Funktionsfähigkeit der Extraktor-Anordnung verbessert, da auch dort Spurious Modes störend wirken können, sofern deren Frequenzlage bei einer anderen Nutzfrequenz angesiedelt ist.
9 zeigt eine weiter ausgestaltete Extraktor-Anordnung, bei der, wie in 8, das Notch-Filter N erfindungsgemäß ausgebildet ist, beispielsweise nach einem der Ausführungsbeispiele der 3 bis 7. Zusätzlich sind die ersten Stufen des Bandpassfilters ebenfalls in Ladder-Type-Anordnung ausgebildet, weist sowohl im Serienzweig als auch in dem zumindest einen Shunt-Arm Resonatoren auf, die mit einem Kondensator CESP bzw. CEPP parallel überbrückt sind. Mit der gestrichelten Darstellungsweise des Überbrückungspfads ist angedeutet, dass diese Kondensatoren optional sind. Vorteilhaft ist es, nicht alle der Resonatoren entsprechend mit Kondensatoren zu überbrücken, sondern nur diejenigen, die dem Antennenanschluss A am nächsten gelegen sind. In 9 sind dies die drei dem Antennenanschluss A nächstgelegenen Resonatoren.
Es ist klar, dass Notch-Filter N eine größere Anzahl an Impedanzelementen Z und insbesondere an Resonatoren umfassen können, die die Ordnung des jeweiligen Notch-Filters und damit auch die Bandbreite erhöhen können. Da mit der Ordnung des Notch-Filters auch dessen Verluste ansteigen, stellt ein jedes der Notch-Filter ein Trade-off zwischen verbesserter Selektivität, höherer Bandbreite und Unterdrückung von Störmoden dar.
Wie bereits anhand der unterschiedlichen Ausführungen des Notch-Filters N erläutert, kann auch das Bandpassfilter BP in unterschiedlichster Weise mit Kondensatoren CE verschaltet werden, die parallel zu Resonatoren im Serienzweig, parallel zu Resonatoren im Shunt-Arm, in Serie zu Serienresonatoren und in Serie zu Resonatoren im Shunt-Arm angeordnet werden können. Weiterhin sind Mischformen möglich, bei denen ein Kondensator sowohl parallel zu einem Resonator als auch in Serie zu einem Resonator geschaltet sein kann.
14 zeigt eine Filterschaltung mit zwei Extraktor-Anordnungen, die mit erfindungsgemäßen Notchfiltern realisiert werden können. Ein serieller Signalpfad verbindet einen Antennenanschluss A mit einer Sende-Empfangs-Einheit SE. Die zwei Extraktor-Anordnungen sind in Serie angeordnet und umfassen jeweils einen im seriellen Pfad angeordneten Notchfilter N1, N2 und einen Extraktorpfad EX1, EX2, in dem ein Bandpassfilter BP1, BP2 angeordnet ist. Der Extraktorpfad EX1, EX2 ist jeweils an einen Knoten K1, K2 im seriellen Pfad angebunden, der zwischen dem jeweiligen Notchfilter N und dem Antennenanschluss A angeordnet ist. Im jeweiligen Extraktorpfad EX ist zwischen Bandpassfilter BP und Knoten K ein Matching-Netzwerk M eingezeichnet, das optional in der Filterschaltung vorhanden sein kann. Weitere optionale Matching-Netzwerke M können im seriellen Pfad zwischen jedem Knoten K und dem Antennenanschluss A, zwischen jedem Knoten und dem Notchfilter N sowie an dem dem Antennenanschluss A abgewandten Ende jedes Notchfilters N angeordnet sein. Ein solches Matching-Netzwerk M kann serielle und/oder parallele Anpasselemente umfassen, die ausgewählt sind aus Kapazitäten und Induktivitäten.
15 zeigt eine alternative Filterschaltung mit zwei Extraktor-Anordnungen samt erfindungsgemäßen Notchfiltern. Im Unterschied zur Ausführung gemäß 14 sind hier die beiden Extraktorpfade EX1, EX2 an zwei Knoten K1, K2 im seriellen Pfad angebunden, die beide zwischen dem ersten Notchfilter N1 und dem Antennenanschluss A angeordnet sind und unmittelbar aufeinanderfolgen. Auch hier können optional zwischen je zwei Komponenten, ausgewählt aus Bandpassfilter, Knoten und Notchfilter jeweils Matching-Netzwerke M angeordnet werden.
Zusätzlich zu den Filterschaltungen der 14 und 15, in denen lediglich zwei Extraktoranordnungen dargestellt sind, kann eine Filterschaltung noch weitere Extraktoranordnungen enthalten, die im seriellen Pfad in Serie geschaltet sind. Auf diese Weise gelingt es, mehrere Bänder relativ verlustarm über jeweils einen Extraktorpfad aus dem seriellen Pfad zu extrahieren. Mit erfindungsgemäßen Notchfiltern gelingt dies nun mit verbesserter Selektion, so dass die dargestellten und gegebenenfalls um weitere Extraktoren erweiterten Filterschaltungen verbesserte Multiplexer darstellen.
12 zeigt anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem das Notch-Filter auf einem HQTCF-Substrat in SAW-Technik realisiert ist, die positive Wirkung der Erfindung.
Die Kurve 1a zeigt das Matrixelement S21 des Notch-Filters, dessen Resonatoren nicht mit Kondensatoren verschaltet sind. Kurve 1b zeigt dasselbe Matrixelement an einem ansonsten baugleichen Notch-Filter mit erfindungsgemäß parallel zu den Resonatoren verschalteten Kondensatoren.
13 zeigt zur besseren Veranschaulichung des positiven Effekts die Kurve in einem Ausschnittsbereich oberhalb des Sperrbereichs. Es zeigt sich, dass auch hier bei erfindungsgemäßer Verschaltung mit Kondensatoren ein verbessertes Durchlassverhalten des erfindungsgemäßen Notch-Filters entsprechend der Kurve 1b erhalten wird. Die Einbrüche im Durchlassverhalten, die auf Störmoden zurückzuführen sind, sind reduziert. Damit ist gezeigt, dass die Erfindung in unterschiedliche Technologien und in unterschiedlicher Verschaltung realisierbar ist und in jedem Fall eine positive Wirkung bezüglich Unterdrückung von Störmoden zeigt.
Die Erfindung wurde anhand weniger Ausführungsbeispiele nur erläutert und ist daher nicht auf diese beschränkt. Als erfindungsgemäße Notch-Filter werden auch Anordnungen angesehen, die Mischformen aus den dargestellten Ausführungsbeispielen darstellen. Ebenfalls erfindungsgemäß sind Notch-Filter und Extraktor-Anordnungen, die eine größere oder geringere Anzahl von Impedanzelementen in der jeweiligen Ladder-Type-Struktur zeigen. Für die erfindungsgemäße Wirkung (Reduzierung der Störmoden) ist es auch ohne Belang, in welcher Technologie die Kondensatoren ausgeführt sind. Bevorzugt sind jedoch hochlineare Plattenkondensatoren, die in einem Laminat, einer LTCC auf oder unter dem Filterchip realisiert sein können. Hochlineare Plattenkondensatoren können wie bereits erwähnt integriert auf SAW Substraten erzeugt werden. Auf BAW Filter Substraten können ebenfalls hochlineare Plattenkondensatoren integriert erzeugt werden. Als Topelektrode kann dann z.B. die Padverstärkung, als Dielektrikum SiO₂ oder SiN und als Bottomelektrode eine der Resonatorelektrodenschichten dienen. Bei entsprechender Strukturierung dieser Schichten können die Plattenkondensatoren parallel neben den Resonatoren auf den jeweiligen Substraten hergestellt werden.
Besonders einfach herzustellende Kondensatoren werden als Interdigitalstruktur auf der Oberfläche eines SAW-Resonators realisiert, die zusammen mit den Resonatorstrukturen bzw. deren Metallisierungen gleichzeitig und im selben Arbeitsgang hergestellt werden können.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3, 4, 5: Impedanz- und Admittanzkurven
A: Antennenanschluss
BP: Bandpassfilter
CE: Kondensator
EX: Extraktorpfad
K: Knoten
M: Matching-Netzwerk
N: Notchfilter
SE: Sendeempfangseinheit
Z_P, Z_S: parallele und serielle Impedanzelement
Δ: Bandbreitenreduktion

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 7583936 B1 [0002]
DE 102014112676 A1 [0053]

Claims

Notchfilter das aus Impedanzelementen (Z) aufgebaut ist, die in einem Serienzweig und/oder davon abzweigenden Shuntarmen in Ladder Type Anordnung angeordnet sind und zumindest akustische Resonatoren umfassen, bei dem im Serienzweig und/oder in einem Shuntarm ein Kondensator (CE) in Serie und/oder parallel zu einem der Resonatoren geschaltet ist.
Notchfilter nach Anspruch 1, bei dem die Impedanzelemente ausgewählt sind aus – einem akustischen Resonator – einem akustischen Resonator in Serie mit einer Spule – einem parallelen LC Schwingkreis – einem seriellen LC Schwingkreis – einer Kapazität alleine
Notchfilter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Serie und/oder parallel zu jedem der akustischen Resonatoren des Notchfilters (N) ein Kondensator (CE) geschaltet sind.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die statische Kapazität eines jeden der Resonatoren (CE) so reduziert ist, dass die jeweilige statische Gesamtkapazität, die sich bei der Verschaltung von Resonator und Kondensator ergibt, unverändert bleibt.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem entweder die Impedanzelemente (ZS) im Serienzweig oder die Impedanzelemente (ZP) der Shuntarme als Induktivitäten ausgeführt sind, bei dem die verbleibenden Impedanzelemente als Resonatoren ausgeführt sind.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Resonatoren ausgewählt sind aus SAW Resonatoren, BAW Resonatoren, LC Resonatoren oder dielektrischen Resonatoren.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatoren (CE) ausgewählt sind aus Interdigitalstrukturen und Plattenkondensatoren.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, akustische Resonatoren auf SAW Basis auf einem piezoelektrischen Substrat umfassend, wobei die Kondensatoren auf dem piezoelektrischen Substrat als hochlineare Plattenkondensatoren oder als Interdigitalstrukturen ausgeführt sind.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Substrat oder ein Trägersubstrat in Mehrschichtbauweise, das als Laminat oder LTCC ausgeführt ist, wobei zumindest die Kondensatoren als hochlineare Plattenkondensatoren in dem mehrschichtigen Substrat oder dem Trägersubstrat ausgeführt sind.
Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Notchfilter Resonatoren umfasst, die auf einem hochkoppelnden Lithiumniobat Substrat mit und ohne zusätzlichen Schichten aufgebaut sind.
Extraktoranordnung mit einem Notchfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Notchfilter (N) in einem Signalpfad angeordnet ist, der einen Antennenanschluss (A) mit einer Sendeempfangseinheit (SE) verbindet, bei dem zwischen Notchfilter und Antennenanschluss ein Extraktorpfad (EX) vom Signalpfad abzweigt, in dem ein Bandpassfilter (BP) angeordnet ist, bei dem das Notchfilter einen Sperrbereich aufweist, bei dem der Durchlassbereich des Bandpassfilters vollständig innerhalb des Sperrbereichs liegt.
Extraktoranordnung nach dem vorangehenden Anspruch, die seriell mit einem oder mehreren weiteren Extraktoren verschaltet ist.
Extraktoranordnung nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem Notchfilter (N) und Bandpassfilter (BP) auf einem gemeinsamen Substrat oder auf unterschiedlichen Substraten aufgebaut sind.
Extraktoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auch das Bandpassfilter (BP) Resonatoren umfasst, mit denen jeweils ein weiterer Kondensator (CE) in serieller oder paralleler Anordnung verschaltet ist.
Extraktoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Sperrbereich so gelegt ist, dass das Notchfilter (N) für GNSS- oder WLAN-Frequenzen plus Band 66 Rx, Band 1 Rx und Band 4 Rx oder für Band 32 oder für Band 40 undurchlässig ist, bei dem das Bandpassfilter (BP) für GNSS- oder WLAN-Frequenzen plus Band 66 Rx, Band 1 Rx und Band 4 Rx oder für Band 32 oder für Band 40 durchlässig ist, so dass mit der Extraktoranordnung die entsprechenden über den Extraktorpfad aus dem Signalpfad extrahiert werden können.