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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Breitband-DMS (Double Mode SAW) - Filter.
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SAW-Filter (Surface Acoustic Wave) können in Filterkomponenten für mobile Kommunikationsgeräte verwendet werden. SAW-Filter umfassen ein piezoelektrisches Material mit Interdigitalwandlern, die zwischen RF-Signalen und akustischen Wellen umwandeln und mit Reflektoren. SAW-Filter ermöglichen gute Filterparameter, wie z. B. eine geringe Einfügedämpfung innerhalb eines Durchlassbereichs und eine hohe Dämpfung außerhalb des Durchlassbereichs.
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In einem DMS-Filter sind ein oder mehrere Eingangswandler und ein oder mehrere Ausgangswandler zwischen zwei Reflektoren innerhalb einer akustischen Spur angeordnet. Während ein einzelner Resonator einen Wandler zwischen zwei Reflektoren hat und mit einer einzigen Resonanz arbeitet, arbeitet ein herkömmlicher DMS-Filter mit zwei Resonanzmoden: einer zwischen den Reflektoren (ähnlich einer Resonanz in einem einzelnen Resonator mit einem Wandler zwischen zwei Reflektoren) und der anderen zwischen den Wandlern.
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Es ist erwünscht, RF-Filter mit einer großen Bandbreite, einem guten Unterdrückungspegel außerhalb eines Durchlassbereichs und einer niedrigen Einfügeedämpfung innerhalb eines Durchlassbereichs zu haben. Weiterhin werden steile Flanken des Durchlassbandes geschätzt.
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SAW-Resonatoren können elektrisch verbunden werden, um eine leiterartige Struktur zu definieren, oder es können die oben beschriebenen DMS-Filterstrukturen zum Aufbau von SAW-Filtern verwendet werden. Insbesondere wenn relative Bandbreiten größer als 7% realisiert werden sollen, erfordern herkömmliche akustische Wellenfilterstrukturen jedoch einen Kompromiss zwischen einem guten Unterdrückungspegel, einer geringen Einfügedämpfung und einer geringen Bandbreite.
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein RF-Filter bereitzustellen, das mit akustischen Wellen arbeitet, das große Bandbreiten erlaubt und gleichzeitig einen guten Unterdrückungspegel außerhalb des Durchlassbereichs und eine niedrige Einfügedämpfung innerhalb des Durchlassbereichs bereitstellt.
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Ein solches Filter ist durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert. Abhängige Ansprüche sehen bevorzugte Ausführungsformen des Filters vor.
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Ein Breitband-DMS-Filter umfasst ein piezoelektrisches Material und eine akustische DMS-Spur auf dem piezoelektrischen Material. Die DMS-Spur weist zwei Reflektoren auf dem piezoelektrischen Material auf, einen oder mehrere Eingangswandler zwischen den beiden Reflektoren und einen oder mehrere Ausgangswandler zwischen den beiden Reflektoren. Das Filter ist dazu bestimmt, eine Resonator-Pitch-Resonanz zwischen den Reflektoren bei einer ersten Resonanzfrequenz zu erzeugen. Ferner ist das Filter dazu bestimmt, eine Kavitäts-Resonanz zwischen den Wandlern bei einer zweiten Resonanzfrequenz zu erzeugen. Zusätzlich ist das Filter dazu bestimmt, auch zwischen den Wandlern eine dritte Resonanz zu erzeugen, um die Bandbreite bei einer dritten Resonanzfrequenz zu erhöhen.
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Die Wandler-Pitch-Resonanz und die Kavitäts-Resonanz sind die zwei Resonanzen, die verwendet werden, um das Filter-Durchlassband gemäß dem Arbeitsprinzip eines herkömmlichen DMS-Filters zu definieren. Somit verwendet das vorliegende breitbandige DMS-Filter zusätzlich zu den zwei Resonanzen eines herkömmlichen DMS-Filters eine dritte Resonanz, um das Durchlassband zu erweitern, welches das vorliegende Filter von bekannten DMS-Filtern unterscheidet. Entsprechend wäre ein anderer geeigneter Name für das vorliegende Filter ein „Dreifach-Modus-SAW-Filter“ und das vorliegende Filter unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen DMS-Filtern in Struktur und Arbeitsprinzip.
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Es ist möglich, dass die dritte Resonanz eine Resonanz höherer Ordnung ist.
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Die Resonanz höherer Ordnung breitet sich innerhalb der akustischen Spur des Filters aus. Diese dritte Resonanz kann eine niedrigere Frequenz aufweisen als die Wandler-Pitch-Resonanz zwischen den Reflektoren.
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Bei herkömmlichen DMS-Filtern werden zusätzliche Resonanzen als unerwünscht betrachtet, und es werden große Anstrengungen unternommen, um zusätzliche Resonanzen zu unterdrücken.
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Es wurde jedoch herausgefunden, dass eine ausgewählte Resonanz von möglichen zusätzlichen Resonanzen verbesserte Filterparameter ermöglicht, wenn bestimmte Randbedingungen erfüllt werden, wie später beschrieben wird.
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Es ist möglich, dass die Reflektoren einen höheren Pitch als die Wandler haben.
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Reflektorstrukturen oder Wandlerstrukturen umfassen benachbart angeordnete Elektrodenfinger. Bei Wandlerstrukturen sind benachbarte Elektrodenfinger elektrisch mit gegenüberliegenden Sammelschienen verbunden. Der Pitch eines Reflektors oder eines Wandlers ist definiert als der Abstand zwischen den Mitten benachbarter Finger. Eine Reflektorstruktur oder ein Wandler kann innerhalb der gesamten Struktur einen gleichmäßigen Abstand aufweisen. Der Abstand innerhalb einer Reflektorstruktur oder innerhalb einer Wandlerstruktur kann jedoch lokal variiert werden.
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Ein Pitch, das im Reflektor höher ist als in den Wandlern, verbessert, die dritte Resonanz in einer bevorzugten Weise zu erzeugen, d.h. ohne die Filterparameter in dem Durchlassbereich oder außerhalb des Durchlassbereichs zu gefährden.
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Es ist möglich, dass die Admittanz-Pegel zwischen den drei Resonanzen ähnlich sind. Ein DMS-Filter oder ein Element eines DMS-Filters hat eine elektrische Impedanz. Die Admittanz ist der reziproke Wert der Impedanz. Ein ähnlicher Admittanz-Pegel zwischen den drei Resonanzen bedeutet, dass die Admittanz zwischen den zwei Resonanzen mit den niedrigeren Resonanzfrequenzen sich von der Admittanz zwischen den zwei Resonanzen der oberen Resonanzfrequenzen nicht mehr als 20% unterscheidet.
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Der Admittanz-Pegel zwischen den drei Resonanzen ist ein wichtiger Parameter, der die Durchlassbandleistung des Filter bestimmt. Filterstrukturen und Filterparameter wie der Pitch der Wandler und der Reflektoren und der Abstand zwischen den Wandlern und zwischen einem Wandler und einem Reflektor können so ausgewählt werden, dass sie den bevorzugten ähnlichen Admittanz-Pegel bereitstellen.
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Es ist möglich, dass ein oder mehrere Wandler eine Pitch-Modulation zu einem benachbarten Wandler aufweisen.
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Eine Pitch-Modulation ist eine lokale Variation des Pitch innerhalb eines Wandlers. Um die Umwandlung zwischen RF-Signalen und akustischen Wellen benachbarter Wandler, die einen geringfügig unterschiedlichen Gesamt-Pitch haben können, anzupassen, können die Elektrodenfinger an der Außenseite eines Wandlers örtlich modifiziert werden. Ein anderer technischer Begriff für eine solche lokale Variation ist „geglättete Wandlerfinger“. Dies ist ein allgemein verwendeter Ansatz und seine Arbeitsprinzipien können zum Beispiel in dem folgenden wissenschaftlichen Beitrag gefunden werden: „Operation Mechanism of Double-Mode Surface Acoustic Wave Filters With Pitch-Modulates IDTs and Reflectors", K. Hashimoto, T. Omori and M. Yamaguchi, IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 54, No. 10, Oktober 2007.
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Es ist möglich, dass die Hälfte oder mehr der Elektrodenfinger eines Wandlers Pitchmoduliert sind, um die dritte Resonanz anzuregen oder zu verstärken.
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Z.B. wenn ein Interdigitalwandler 20 Finger hat, unterliegen fünf oder mehr als fünf Finger auf der linken Seite und fünf oder mehr als fünf Finger auf der rechten Seite einer lokalen Variation des Pitch. Dies ermöglicht eine gute Anpassung über die gesamte Bandbreite. Insbesondere ist es möglich, dass der Pitch der Außenelektrodenfinger lokal reduziert wird.
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Ferner ist es möglich, dass der Abstand zwischen benachbarten Wandlern so gewählt wird, um die dritte Resonanz anzuregen.
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Es ist möglich, dass jeder Wandler der DMS-Spur eine Länge l ≤ 10 λ hat. Hier ist λ die Wellenlänge, die der Mittenfrequenz des RF-Filters entspricht.
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Die Wandler in der DMS-Spur können unterschiedliche Fingerzahlen haben. Jedoch ist eine maximale Länge von 10 λ für alle Interdigitalwandler in der Spur bevorzugt, um eine relative Bandbreite von 7% oder mehr zu erhalten, während gleichzeitig eine geringe Einfügedämpfung innerhalb des Durchlassbandes und eine hohe Unterdrückung außerhalb des Durchlassbandes bereitzustellen.
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Es ist möglich, dass die erste, die zweite und die dritte Resonanzfrequenz in einem Verhältnis von 2:3 zueinander angeordnet sind.
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Dies bedeutet, dass der Frequenzunterschied zwischen der niedrigsten Resonanzfrequenz und der mittleren Resonanzfrequenz 2/3 der Frequenzdifferenz zwischen der mittleren Resonanzfrequenz und der höchsten Resonanzfrequenz beträgt.
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Andere bevorzugte Resonanzfrequenzabstände sind 1:2, 3:4, 5:7, 7:11.
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Mit diesen bevorzugten Abständen kann der Admittanz-Pegel zwischen den Resonanzen bei einem ähnlichen Wert gehalten werden.
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Es ist möglich, dass das Filter zusätzliche Resonatoren enthält. Ein zusätzlicher Resonator kann ein Serienresonator sein, der elektrisch zwischen einem Eingangsanschluss und einem Eingangswandler oder zwischen einem Ausgangsanschluss und dem Ausgangswandler in Reihe geschaltet ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Filter einen Parallelresonator aufweisen, der zwischen dem Eingangswandler und Masse oder zwischen dem Ausgangswandler und Masse elektrisch angeschlossen ist.
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Insbesondere ist es möglich, dass entweder der Eingangswandler oder der Ausgangswandler oder sowohl der Eingangswandler als auch der Ausgangswandler in Reihe mit einem entsprechenden Serienresonator und zusätzlich einem Parallelresonator elektrisch verbunden sind, der den jeweiligen Wandler der DMS-Struktur mit Masse parallelschaltet.
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Ein Serienresonator hilft dabei, die Bandbreite zu erhöhen, da dadurch der Admittanz-Pegel zwischen den Resonanzen ausgeglichen werden kann. Wenn der Serienresonator mit der DMS-Struktur verbunden ist, kann ferner eine vierte Resonanz in der Gesamt-Admittanz erzeugt werden, die die Bandbreite auf der rechten Seite des Durchlassbereichs erhöht.
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Zusätzlich verbessert ein zusätzlicher Serienresonator die rechten Flanke der DMSalleinigen Antwort.
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Ein zusätzlicher Parallelresonator kann verwendet werden, um den Unterdrückungspegel in der Nähe des linken Flanke des Durchlassbereichs zu verbessern, und kann auch verwendet werden, um den Admittanz-Pegel zwischen den Resonanzen auszugleichen.
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Als ein Beispiel könnte die Kombination des vorgeschlagenen Breitband-DMS und der oben beschriebenen Maßnahmen angewendet werden, um ein Filter zu erzeugen, das das volle LTE-Band 41 zwischen 2,496 und 2,69 GHz abdeckt.
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Die Anzahl der Wandler innerhalb der DMS-Spur ist nicht auf einen Eingangswandler und einen Ausgangswandler beschränkt. Ein oder mehrere zusätzliche Eingangswandler und / oder ein oder mehrere zusätzliche Ausgangswandler können innerhalb der akustischen Spur enthalten sein.
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Insbesondere wenn die Anzahl von einem Typ von Wandlern, die von den Eingangswandlern und Ausgangswandlern abgewandelt sind, gerade ist und die Anzahl der jeweils anderen Arten von Wandlern ungerade ist, kann die DMS-Struktur eine BALUN-Funktionalität bereitstellen (BALUN = BALanced / UNbalanced converter).
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Die oben genannten Maßnahmen funktionieren unabhängig von konkreten Kristallmaterialien des piezoelektrischen Materials und unabhängig von konkreten Kristallschnittwinkeln. Die Frequenz der dritten Resonanz wird vorzugsweise an der linken Flanke des Durchlassbereichs positioniert, um die Bandbreite zu erhöhen. Um die Resonanzfrequenz der dritten Resonanz, der jeweiligen Resonanz höherer Ordnung, zu verringern, sollte daher die Anzahl der Finger der Interdigitalwandler im Vergleich zu herkömmlichen DMS-Strukturen reduziert werden. Zusätzlich muss der Reflektor-Pitch größer als der Wandler-Pitch gemacht werden. Eine Erniedrigung der dritten Resonanz durch Erhöhen des Abstands zwischen IDTs wäre möglich, ist jedoch unerwünscht, da dies zu akustischen Volumenwellenverlusten führen würde.
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Somit ist es nicht trivial, die dritte Resonanz so zu erzeugen, dass die Eigenschaften des Durchlassband verbessert werden, aber die oben erwähnten Maßnahmen lehren klar, wie man herkömmliche Strukturen so variieren kann, um die dritte Resonanz positiv zu nutzen.
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Zentrale Aspekte der vorliegenden Filterstruktur und Arbeitsprinzipien und nicht einschränkende Ausführungsformen, die ausgewählte technische Maßnahmen zeigen, sind in den schematischen begleitenden Abbildungen angegeben.
- 1 zeigt eine grundlegende Breitband-DMS-Filterstruktur, die zwei Wandler verwendet.
- 2 zeigt eine Breitband-DMS-Filterstruktur unter Verwendung von drei Wandlern mit zusätzlichen Resonatoren.
- 3 zeigt die Definitionen der akustischen Wellenlänge λ und Pitch P.
- 4 zeigt einen Wandler mit einem gleichmäßigen Pitch.
- 5 zeigt einen Wandler mit lokalen Variationen des Pitch P.
- 6 zeigt einen Vergleich zwischen der Filter-Admittanz eines herkömmlichen DMS-Designs und einer vorgeschlagenen Breitband-DMS-Design.
- 7 zeigt den Einfluss von Modifikationen der Kavitätseigenschaften auf die Filter-Admittanz.
- 8 zeigt eine Übertragungsfunktion, eine Admittanz und eine Phasenantwort eines vorgestellten DMS-Designs.
- 9 zeigt eine Übertragungsfunktion, eine Admittanz und eine Phasenantwort eines vorgestellten DMS-Entwurfs, der Serien- und Parallelresonatoren enthält.
- 10 - 12 zeigen Übertragungsfunktionen für herkömmliche Breitbandfilter (relative Bandbreite > 7%) und vorgeschlagene Breitbandfilterstrukturen in verschiedenen Frequenzbereichen.
- 13 zeigt das Spannungs-Stehwellen-Verhältnis VSWR für verschiedene Filterstrukturen.
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1 zeigt die grundlegenden Metallisierungsstrukturen eines Breitband-DMS-Filters WDF. Das Filter hat einen Eingangsanschluss IN und einen Ausgangsanschluss OUT.
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In einer akustischen Spur zwischen zwei Reflektoren R sind ein Eingangswandler ITD und ein Ausgangswandler OTD angeordnet. Der Eingangswandler ITD ist elektrisch mit dem Eingang IN verbunden. Der Ausgangswandler OTD ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden. Eine Sammelschiene jedes Wandlers ist mit dem jeweiligen Anschluss verbunden. Die jeweils gegenüberliegende Sammelschiene ist elektrisch mit Masse verbunden. Parameter zum Optimieren der dritten Resonanz, ohne die Qualität der herkömmlichen zwei Resonanzen zu gefährden, sind der Pitch, der innerhalb eines Reflektors oder eines Wandlers gleichförmig oder örtlich variiert werden kann. Ein zusätzlicher Parameter ist der jeweilige Abstand zwischen einem Reflektor und einem Wandler oder zwischen den Wandlern. Ein anderes Mittel zur Kontrolle der Erzeugung und der Verwendung der dritten Resonanz ist die Anzahl der Finger. Im Vergleich zu herkömmlichen DMS-Strukturen ist die Anzahl der Finger innerhalb der Wandler reduziert.
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2 zeigt Grundelemente einer bevorzugten Breitband-DMS-Filtertopologie WDF. Die DMS-Struktur hat einen Eingangswandler ITD und zwei Ausgangswandler OTD. Der Eingangswandler ITD ist zwischen den beiden Ausgangswandlern OTD angeordnet. Ein zusätzlicher Parallelresonator PR verbindet den Eingangswandler ITD elektrisch mit Masse. Ferner ist ein zusätzlicher Serienresonator SR zwischen dem Eingangsanschluss IN und dem Eingangswandler ITD elektrisch in Serie geschaltet. Die Ausgangswandler OTD sind direkt an den Ausgangsanschluss OUT angeschlossen.
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3 zeigt die Definitionen der akustischen Wellenlänge λ relativ zur Fingergeometrie. λ ist hauptsächlich der Abstand zwischen den Mittelpunkten der nächsten Elektrodenfinger, die elektrisch mit der gleichen Sammelschiene verbunden sind. Ferner zeigt 3 die Definition des Pitch P, der der Abstand zwischen den Mitten benachbarter Elektrodenfinger ist.
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4 zeigt einen Wandler mit einem gleichmäßigen Pitch.
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Im Gegensatz dazu zeigt 5 einen Wandler, bei dem der Pitch innerhalb des Mittelbereichs des Wandlers gleichmäßig ist und bei dem der Pitch an den Außenelektrodenfingern verringert ist, d.h. an der Position, an der der Wandler seine benachbarten Wandler oder benachbarte Reflektoren aufweist.
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In 6 zeigt Kurve A die Filter-Admittanz | Y (1, 2) | für ein herkömmliches DMS-Design, während Kurve B die entsprechende Filter-Admittanz eines DMS-Designs zeigt, das die dritte Resonanz in bevorzugter Weise verwendet. Die Spitzen 1 sind die Resonanz höherer Ordnung, d.h. die der dritten Resonanz. Die Spitzen 2 und 3 bezeichnen die herkömmlich verwendeten Resonanzen. Durch Verschieben der Resonanz höherer Ordnung in dem vorliegenden DMS-Design hin zu niedrigeren Frequenzen, während ein ähnlicher Admittanz-Pegel zwischen den Resonanzen 1 und 2 und den Resonanzen 2 und 3 beibehalten wird, kann eine geringer Einfügedämpfung innerhalb des Durchlassbandes erhalten werden.
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7 zeigt, wie sich die Admittanz einer DMS-Struktur ändert, wenn strukturelle Elemente der Elektroden, die die Kavitäts-Resonanz bestimmen, d. h. die zweite Resonanz, modifiziert werden.
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8 zeigt eine frequenzabhängige Übertragungsfunktion S (1, 2), die frequenzabhängige Admittanz Y (1, 2) und die frequenzabhängige Phase der Admittanz Φ (Y (1,1)) eines vorgestellten DMS-Designs. Dieses DMS-Design hat einen balancierten Admittanzwert zwischen den drei Resonanzen. Die Selbstabgleichsbedingung (Φ = 0) wird ebenfalls erhalten und gleichmäßig über das gewünschte Frequenzband verteilt. Hierbei beträgt die erreichte Bandbreite 6% bei einem Spannungs-Stehwellenverhältnis kleiner als 1,5 und bei einem Durchlassbereich zwischen 2,5 GHz und 2,656 GHz. Wenn ein zusätzlicher Serienresonator hinzugefügt wird, wird eine zusätzliche Resonanz erhalten, die die Bandbreite auf der rechten Seite erhöht (vgl. Resonanz 4 in 9).
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9 zeigt die entsprechenden frequenzabhängigen Filterparameter einer Filterstruktur, die einen zusätzlichen Serienresonator und einen zusätzlichen Parallelresonator im Vergleich zu der Topologie enthält, auf der 9 basiert. Die Selbstabgleichsbedingung (Φ = 0) ist erfüllt und die Bandbreite wird zwischen 2,5 GHz und 2,7 GHz auf 7,7% erhöht. Im Gegensatz zu herkömmlichen DMS-Designs liegen die Wandler-Pitch-Resonanz 2 und die Kavitäts-Resonanz 3 innerhalb des Durchlassbandes und definieren nicht die Kanten des Durchlassbandes.
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10 bis 12 zeigen einen Vergleich der Filterleistung zwischen einer Filtertopologie gemäß 2 (Kurve B) und einem herkömmlichen Ladder-Type Design (Kurve A). Beide Filter könnten verwendet werden, um das LTE-Band 41 abzudecken. Jedoch sind die Außerband-Unterdrückungspegel bei dem vorliegenden Design stark verbessert, ohne die Durchlassbandbreite und die Einfügedämpfung in dem Durchlassband zu gefährden.
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13 zeigt Spannungs-Stehwellen-Verhältnisse für herkömmliche Ladder-Type-Strukturen (Kurven A, A‘) und für die vorliegende DMS-Strukturen (Kurven B, B‘).
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Das DMS-Filter ist nicht auf die oben genannten Maßnahmen beschränkt. Es sind auch Filter mit weiteren akustischen Spuren und weiteren Resonatoren oder weiteren Wandlern in akustischen Spuren enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- IN:
- Eingangsport
- ITD:
- Eingangswandler
- OTD:
- Ausgangswandler
- OUT:
- Ausgangsport
- P:
- Pitch
- PR:
- Parallelresonator
- R:
- Reflektor
- S:
- Übertragungsfunktion
- SR:
- Serienresonator
- TD:
- Wandler
- WDF:
- Breitband-DMS-Filter
- Y:
- Admittanz
- λ:
- akustische Wellenlänge
- Φ:
- Phase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Operation Mechanism of Double-Mode Surface Acoustic Wave Filters With Pitch-Modulates IDTs and Reflectors“, K. Hashimoto, T. Omori and M. Yamaguchi, IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 54, No. 10, Oktober 2007 [0020]
