DE102019102576A1

DE102019102576A1 - HF-Filter mit planarer HF-Spule

Info

Publication number: DE102019102576A1
Application number: DE102019102576.1A
Authority: DE
Inventors: Conradin Langbrandtner; Jürgen Kiwitt; Maximilian Pitschi
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Europe GmbH
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-06

Abstract

Ein HF-Filter umfasst eine planare HF-Spule mit einem spiralförmigen Leiter mit einem vorgegebenen Abstand (d), der zwischen gegenüberliegenden Abschnitten (134, 136) des Leiters festgelegt ist. Ein Arbeitspunkt der Spule ist innerhalb des Durchlassbereiches oder an einem lokalen Minimum der Übertragungsfunktion angeordnet. Die HF-Spule weist eine im Wesentlichen konstante Induktivität auf, die unabhängig von Fertigungsschwankungen der Breite (w) oder der Höhe des Spulenleiters ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen HF-Filter, der eine planare HF-Spule aufweist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen HF-Filter mit einer planaren HF-Spule, die einen spiralförmigen Leiter hat.
HINTERGRUND
HF-Filter werden in elektronischen Vorrichtungen verwendet, um die gewünschte Bandbreite aus dem empfangenen Signalspektrum auszuwählen oder das Übertragungsspektrum zu gestalten. HF-Filter bestehen oftmals aus mikroakustischen Resonatoren wie z.B. akustischen Oberflächenwellen-(SAW)-Resonatoren und akustischen Volumenwellen-(BAW)-Resonatoren. Die Resonatoren können leiterartig verbunden sein. In mikroakustischen HF-Filtern können als Spulen ausgeführte Induktoren verwendet werden, um die Filterfunktion in Bezug auf Anpassung, Auswahl und Bandbreite zu optimieren. Bei der Herstellung der Spulen treten jedoch Schwankungen auf, die sich auf die Eigenschaften der Spule auswirken, so dass das Leistungsverhalten der Spule innerhalb des Filters schlechter sein kann als erwartet.
Insbesondere wenn die Spule zum Formen des Durchlassbereichsabschnitts des HF-Filters oder zum Erreichen einer Unterdrückung im Sperrbereich bei einem definierten Frequenzbereich verwendet wird, ist es entscheidend, dass die Eigenschaften der hergestellten Spule innerhalb der erwarteten Toleranzen liegen, obwohl der Herstellungsprozess von Natur aus Schwankungen in der Breite und Höhe des Spulenleiters unterliegt. Es ist daher ein Wunsch, zu vermeiden, dass die Spulencharakteristik von den erwarteten Bereichen abweicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Auslegung für eine planare HF-Spule in einem HF-Filter bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile vermeidet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Auslegung für eine HF-Spule in einem HF-Filter bereitzustellen, die weniger empfindlich auf Herstellungsschwankungen reagiert.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bilden einer HF-Spule für einen HF-Filter bereitzustellen, der eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Herstellungsschwankungen aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG
Nach der vorliegenden Offenbarung werden eine oder mehrere der vorgenannten Aufgaben durch einen HF-Filter gemäß den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst.
Darüber hinaus werden eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben durch ein Verfahren zum Bilden einer HF-Spule in einem HF-Filter nach den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 13 gelöst.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein HF-Filter eine planare HF-Spule mit einem Substrat zum Tragen eines Leiters. Der Leiter hat eine Spiralform, die die Spule bildet, wobei gegenüberliegend angeordnete Abschnitte des Leiters in einem Abstand angeordnet sind. Der Leiter kann auf dem Substrat angeordnet sein, der Leiter kann vom Substrat umgeben sein oder der Leiter kann teilweise oder vollständig im Substrat eingebettet sein.
Der HF-Filter hat eine Übertragungsfunktion, die einen Durchlassbereich und einen Sperrbereich außerhalb des oder um den Durchlassbereich herum beinhaltet. Ein Arbeitspunkt der Frequenz der Spule liegt entweder im Durchlassbereich oder an einem interessierenden Punkt im Sperrbereich, z.B. wenn der Sperrbereich ein lokales Minimum der Übertragungsfunktion enthält. Der Arbeitspunkt der Frequenz wird durch f_AP = Rf₀ oder R = f_AP/f₀ definiert, das heißt die Frequenz des Arbeitspunkts und die Resonanzfrequenz der HF-Spule haben ein Verhältnis R.
Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten des Leiters sollte ein Wert aus einem von zwei Bereichen d^Breite und d^Hohe sein. Die Bereiche von d^Breite und d^Hohe umfassen einen Bereich innerhalb eines oberen und unteren Spielraums, der zu einem vorbestimmten, berechneten Wert hinzuaddiert wird. Liegt der Abstand zwischen Leiterabschnitten innerhalb der oben genannten Spielräume, ist die Empfindlichkeit der Eigenschaften der Spule, wie zum Beispiel die Abhängigkeit von den Schwankungen der Spuleninduktivität, eher gering oder beträgt nahezu Null, so dass Fertigungsschwankungen die Spuleninduktivität nicht oder nicht wesentlich beeinflussen. Der obere und untere Spielraum spiegeln Toleranzen wider, innerhalb derer der oben genannte Effekt einer reduzierten Empfindlichkeit erwartet wird. Der Abstandsbereich d^Breite bezieht sich auf Änderungen der Spuleninduktivität als Reaktion auf Fertigungsschwankungen bezüglich der Breite des Spuleninduktors. Der Abstandsbereich d^Hohe bezieht sich auf Änderungen der Spuleninduktivität als Reaktion auf die Fertigungsschwankungen bezüglich der Höhe oder Dicke des Spuleninduktors. Wenn der Abstand zwischen gegenüberliegenden Leiterabschnitten der HF-Spule innerhalb des durch die Abstände d^Breite und d^Hdhe gegebenen Bereichs liegt, wird die Empfindlichkeit der Spuleninduktivität als Reaktion auf Fertigungsschwankungen bezüglich der Breite und/oder Höhe reduziert.
Die Abstände können wie folgt berechnet werden: $d^{B r e i t e} = \sqrt{\frac{32 π^{2} ε}{9 μ}} {(\frac{R}{1,061})}^{2} (h + w) f_{0} L + M 1$
$d^{H ö h e} = \frac{4 π^{2} ε}{5 μ} {(\frac{R}{1,061})}^{2} \frac{{(h + w)}^{2}}{w} f_{0}^{2} L^{2} + M 2$
In den Formeln werden die folgenden Werte verwendet:

ε stellt die Permittivität des Substrats dar, wobei ε = ε₀ ε_R,
µ stellt die Permeabilität des Substrats dar, wobei µ = µ₀ µ_r,
h stellt die Höhe des Leiters in mindestens einem der Teilbereiche dar,
w stellt die Breite des Leiters in dem mindestens einen der Teilbereiche dar,
f₀ stellt die Resonanzfrequenz der HF-Spule dar,
L stellt die Induktivität der HF-Spule dar,
M1 stellt einen Spielraum von ± 5 % dar und
M2 stellt einen Spielraum von ± 5 % dar.

Gemäß Ausführungsformen umfasst der spiralförmige Spulenleiter eine Vielzahl von Teilbereichen, wobei der Abstand zwischen einem und einem anderen der Teilbereiche festgelegt ist.
Gemäß Ausführungsformen umfasst der Leiter eine Vielzahl von geraden Leiterabschnitten, die aneinandergereiht sind, so dass sich der Abstand zwischen zwei parallel angeordneten geraden Leiterabschnitten einstellt. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterabschnitten ist der direkte Abstand zwischen zwei Abschnitten ohne weitere dazwischen angeordnete Spulenabschnitte. Die Abschnitte können mit einem Winkel von 45° aneinandergereiht werden, was eine 8-eckige Spule ergibt, oder mit einem anderen Winkel wie beispielsweise 15° oder 30° oder 90°. Der Winkel kann genau einem der besagten Werte entsprechen oder einen kleinen Bereich mit einem dieser Werte aufweisen. Andere Winkel, die eine spiralige Leiterform ermöglichen, sind ebenfalls denkbar. Der spiralige Leiter kann auch aus einer Aneinanderreihung von runden Bereichen wie zum Beispiel Kreisbereichen bestehen. Der spiralige Leiter kann auch eine kontinuierliche runde Spirale sein, deren Radius sich kontinuierlich vergrößert. Auch andere Spiralformen sind möglich.
Wenn die Breite w des Spulenleiters der folgenden Formel entspricht: $\frac{f_{0} \cdot L \cdot h}{\frac{5}{3 π} \sqrt{\frac{2 μ}{ε}} - f_{0} \cdot L} + M 3$
wobei M3 einem Spielraum von ± 5 % entspricht, dann sind die Abstände d^Breite und d^Hohe gleich groß, also d^Breite = d^Hohe, so dass die Arbeitspunkte der Frequenz bezüglich Höhen- und Breitenschwankungen gleich sind.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein HF-Filter einen oder mehrere mikroakustische Resonatoren wie zum Beispiel SAW- oder BAW-Resonatoren, die in einem Reihenpfad angeordnet sein können, und einen oder mehrere Nebenschluss- oder Parallelpfade, die ausgehend von einem der Resonatoren des Reihenpfades an Massepotenzial angeschlossen sind. Die HF-Spule kann parallel zu einem der in Reihe geschalteten mikroakustischen Resonatoren oder in Reihe mit einem der im Nebenschluss verbundenen mikroakustischen Resonatoren angeschlossen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die planare HF-Spule in Reihe mit einem der im Nebenschluss verbundenen mikroakustischen Nebenschluss-Resonatoren von einem der Nebenschlusspfade geschaltet. In diesem Fall unterdrückt der Spuleninduktor einen Frequenzbereich im Sperrbereich der Übertragungsfunktion des HF-Filters.
Der Arbeitspunkt f_AP befindet sich unterhalb der Resonanzfrequenz f₀. Typischerweise sollte die Frequenz des Arbeitspunkts nicht zu nahe an der Resonanzfrequenz liegen, da der Gütefaktor der Spule bei der Resonanzfrequenz oder im Bereich um die Resonanzfrequenz typischerweise eher gering ist. Dementsprechend ist es sinnvoll, den Arbeitspunkt f_AP in einem Bereich unter 75 % der Resonanzfrequenz f₀ anzusetzen. Noch bevorzugter wird der Arbeitspunkt f_AP in einem Bereich zwischen 50 % und 75 % der Resonanzfrequenz f₀ ausgewählt. Der Bereich kann zwischen 50 % und 60 % der Resonanzfrequenz f₀ der HF-Spule betragen.
Der Wert für die Höhe h und die Breite w des HF-Spulenleiters gemäß den oben genannten Formeln stellt die mittlere Höhe bzw. mittlere Breite dar, die an mehreren oder allen Teilbereichen des Leiters abgenommen wird. Insbesondere sind die Werte für h und w Mittelwerte, die über die Länge des HF-Spuleninduktors hinweg ermittelt werden.
Gemäß Ausführungsformen gelten die oben genannten Erläuterungen einschließlich der vorstehend genannten Formeln für jede planare Spulenform. Dazu gehören mehreckige Spulen oder runde Spulen oder mehrschichtige Spulen, bei denen die Spule aus zwei oder mehreren Schichten von planaren Spulen besteht, die miteinander verbunden sind.
Eine Konstruktionsregel zum Entwurf und zur Bildung einer HF-Spule in einem HF-Filter kann die folgenden Schritte umfassen. Ein Arbeitspunkt wird bei einer Frequenz von weniger als 75 % der Resonanzfrequenz der Spule ausgewählt, wobei der Arbeitspunkt innerhalb des Durchlassbereichs des HF-Filters oder auf zumindest einem lokalen Minimum der Übertragungsfunktion liegt. Die kritischen Abstände bezüglich Breiten- und Höhenschwankungen der Fertigungsprozesse werden nach den folgenden Formeln ermittelt: $d^{B r e i t e} = \sqrt{\frac{32 π^{2} ε}{9 μ}} {(\frac{R}{1,061})}^{2} (h + w) f_{0} L + M 1$
$d^{H ö h e} = \frac{4 π^{2} ε}{5 μ} {(\frac{R}{1,061})}^{2} \frac{{(h + w)}^{2}}{w} f_{0}^{2} L^{2} + M 2$
Ein Abstand, der sich zwischen gegenüberliegenden Abschnitten des Spulenleiters einstellt, wird als einer der Abstandsbereiche d^Breite und d^Hohe ausgewählt. Eine solche Spule hat eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Breiten- und/oder Höhenschwankungen des Herstellungsprozesses. Dementsprechend weist die Spuleninduktivität geringere Schwankungen als Reaktion auf unvermeidliche Abweichungen des Herstellungsprozesses auf, so dass die Wirkung der Spule im HF-Filter durch die Herstellungsschwankungen nicht geschmälert oder gestört wird.
Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft sind und einen Überblick oder Rahmen zum Verständnis von Art und Charakter der Ansprüche geben sollen. Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein besseres Verständnis der Beschreibung zu liefern, und sind in diese Beschreibung integriert und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen stellen eine oder mehrere Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien und die Funktionsweise der verschiedenen Ausführungsformen zu erklären. Die gleichen Elemente in verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.
In den Zeichnungen:

1 zeigt eine Draufsicht auf eine planare Spule;
2 zeigt ein Diagramm, das die Induktivität der Spule von 1 darstellt;
3 zeigt ein Diagramm, das die Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Breite des Spuleninduktors von 1 darstellt;
4 zeigt ein Diagramm, das die Veränderung der Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Breite des Spuleninduktors von 1 darstellt;
5 zeigt eine Draufsicht auf einen anderen Spuleninduktor;
6 zeigt ein Diagramm, das die Induktivität der Spule von 5 darstellt;
7 zeigt ein Diagramm, das die Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Breite des Spuleninduktors von 5 darstellt;
8 zeigt ein Diagramm, das die Veränderung der Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Breite des Spuleninduktors von 5 darstellt;
9 zeigt ein Diagramm, das die Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Höhe des Spuleninduktors von 5 darstellt;
10 zeigt ein Diagramm, das die Veränderung der Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Höhe des Spuleninduktors von 5 darstellt;
11 zeigt den Gütefaktor der Spule von 5;
12 zeigt ein schematisches Diagramm eines HF-Filters mit der Spule aus 5;
13 zeigt ein Diagramm, das die Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Breite des Spuleninduktors für eine andere Spule darstellt; und
14 zeigt ein Diagramm, das die Veränderung der Induktivität in Abhängigkeit von einer Schwankung der Breite des Spuleninduktors für eine andere Spule darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGEN DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, näher beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen verwirklicht sein und sollte nicht so aufgefasst werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit Fachleuten durch die Offenbarung deren Umfang vollständig vermittelt wird. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, sondern so konfiguriert, dass sie die Offenbarung deutlich veranschaulichen.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine planare HF-Spule, die in einem mikroakustischen HF-Filter verwendet werden kann. Die Spule ist auf einem Substrat 110 angeordnet, das ein Laminatsubstrat sein kann, welches die anderen Elemente des Filters trägt. Die HF-Spule umfasst einen spiralförmigen Spulenleiter 120. Die Spiralform hat ein äußeres Ende 121 und erstreckt sich über mehrere Teilbereiche, die sich nach innen zu einem inneren Ende 122 winden. Ein gerade, vertikal verlaufender Leiterabschnitt 131 erstreckt sich vom äußeren Ende 121 nach unten. Ein weiterer gerader, horizontal verlaufender Abschnitt 132 ist mit dem Abschnitt 131 verbunden. Die Abschnitte 131, 132 schließen einen rechten Winkel von 90° ein. Andere Winkel sind möglich, wie zum Beispiel 15°, 30°, 45°. Ein dritter Abschnitt 133 verläuft vertikal und ist mit dem rechten Ende des horizontalen Abschnitts 132 verbunden. Ein vierter gerader Abschnitt 134 verläuft horizontal nach links und ist mit dem Ende des vertikalen Abschnitts 132 verbunden. Ein fünfter Abschnitt 135 verläuft wieder vertikal und ist mit dem vierten Abschnitt 134 verbunden. Der Abschnitt 135 verläuft parallel zum ersten Abschnitt 131. Zusätzliche Abschnitte des Spuleninduktors setzen dieses Prinzip fort, bis das Ende 122 erreicht ist. Jeder Winkel zwischen einem vertikalen und einem horizontalen Abschnitt ist ein rechter Winkel von 90°. Jeder Leiterabschnitt hat im Wesentlichen dieselbe Breite. So hat beispielsweise der Leiterabschnitt 134 eine Breite w, die bei 142 dargestellt ist. Zwei gegenüberliegend angeordnete Leiterabschnitte wie die Abschnitte 131, 135 oder die Abschnitte 134 und 136 sind mit einem bei 141 dargestellten Abstand angeordnet.
Die Spule in 1 kann durch eine elektrische Darstellung wiedergegeben werden, die eine Parallelschaltung aus einem Induktor mit einem entsprechenden Kondensator ist. Typischerweise weist eine solche Spule eine Resonanz der Induktivität L auf. Die Resonanz ist gekennzeichnet durch eine wesentliche Erhöhung des Imaginärteils der Impedanz und damit der Induktivität der Spule. Die Frequenz der Resonanz kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: $f_{0} = 1 / (2 π \cdot \sqrt{L C})$
Der Ausdruckt L stellt die Induktivität der Spule und der Ausdruck C die Kapazität der Spule bei niedrigen Frequenzen dar.
Bei der Herstellung einer Vielzahl von Spulen unterliegen die Breite und Höhe oder Dicke des Spulenleiters unvermeidlichen Schwankungen, die dem Herstellungsprozess von Natur aus anhaften. Folglich führt die Schwankung der Breite und Höhe des Spuleninduktors zu einer Veränderung der Induktivität und Kapazität. Wenn die Spule beispielsweise breiter wird, ist die Induktivität geringer und die Kapazität höher, da die kapazitive Kopplung zwischen gegenüberliegend angeordneten Leiterabschnitten größer ist. Bei vielen Spulen verdrängt die relative Änderung der Induktivität DL/L die relative Änderung der Kapazität DC/C, so dass z. B. eine Zunahme der Spulenleiterbreite den Resonanzpunkt gemäß der oben genannten Formel zu höheren Frequenzen hin verschiebt.
Nach den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung ist die Spule so auszulegen, dass die relative Änderung der Kapazität DC/C größer ist als die relative Änderung der Induktivität DL/L. Ist dies der Fall, z. B. wenn die Spulenleiterbreite größer wird, dann verschiebt sich die Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzen. Wenn die Breite des Spulenleiters kleiner wird, verschiebt sich die Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen. Dadurch wird z. B. bei einer Verbreiterung des Spulenleiters die Induktivität im Vergleich zu einer Referenzspule in der Nähe der Resonanzfrequenz größer und bei sehr niedrigen Frequenzen kleiner. Dadurch ergibt sich ein Kreuzungspunkt dieser Induktivitätskurven, die die Induktivität über die Frequenz für verschiedene Änderungswerte der Spulenleiterbreiten darstellen. Es wird deutlich, dass die Spule im Bereich um diesen Kreuzungspunkt eine wesentlich geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Spulenleiterbreite aufweist. Ein Arbeitspunkt der Spule wird auf diesen Kreuzungspunkt gesetzt. Dieser Kreuzungspunkt ist weiter von der Resonanzfrequenz entfernt, wenn die relative Änderung der Kapazität DC/C größer ist als die relative Änderung der Induktivität DL/L.
Da der Gütefaktor der Spule nahe der Resonanzfrequenz stark abnimmt, sollte der Arbeitspunkt nach der vorliegenden Offenbarung nicht zu nahe an der Resonanzfrequenz liegen. Gemäß Ausführungsformen sollte die Frequenz des Arbeitspunkts unterhalb von 75 % der Resonanzfrequenz liegen. Bevorzugter ist, dass der Arbeitspunkt in einem Bereich zwischen 50 % und 75 % der Resonanzfrequenz liegen sollte. Es ist auch möglich, den Arbeitspunkt in einem Bereich zwischen 50 % und 60 % der Resonanzfrequenz der HF-Spule auszuwählen. Das Verhältnis R stellt die Frequenz des Arbeitspunkts f_AP bezogen auf die Resonanzfrequenz f₀ dar: $R = \frac{f_{A P}}{f_{0}}, wobei f_{A P} < f_{0} .$
Um einen Arbeitspunkt beim Frequenzverhältnis R zu haben, muss die folgende Bedingung erfüllt sein: $\frac{Δ C}{C} = {(\frac{1,061}{R})}^{2} \frac{Δ L}{L}$
Eine Spule, die die oben genannte Bedingung erfüllt, sollte einen wie in 1 bei 141 dargestellten Abstand d aufweisen, der d^Breite entspricht, wenn der Herstellungsprozess anfällig für Schwankungen in der Breite des Spulenleiters ist. Die Bereiche des kritischen Abstandes sind wie folgt: $d^{B r e i t e} = \sqrt{\frac{32 π^{2} ε}{9 μ}} (\frac{R}{1,061}) (h + w) f_{0} L + M 1$
Darüber hinaus sollte die Spule, die die oben genannte Bedingung erfüllt, einen wie in 1 bei 141 dargestellten Abstand d aufweisen, der d^Hohe entspricht, wenn der Herstellungsprozess anfällig für Schwankungen in der Höhe des Spulenleiters ist. In diesem Fall ist der Bereich des kritischen Abstandes wie folgt: $d^{H ö h e} = \frac{4 π^{2} ε}{5 μ} {(\frac{R}{1,061})}^{2} \frac{{(h + w)}^{2}}{w} f_{0} L^{2} + M 2$
Wenn die Breite des Spulenleiters der folgenden Gleichung entspricht: $w = \frac{f_{0} \cdot L \cdot h}{\frac{5}{3 π} \sqrt{\frac{2 μ}{ε}} - f_{0} \cdot L} + M 3,$
sind beide kritische Abstände gleich, das heißt d^Breite = d^Hohe. In diesem Fall liegen beide Arbeitspunkte, die sich auf Schwankungen der Breite und Höhe beziehen, auf derselben Frequenz. Die Bereiche M1, M2 und M3 stellen obere und untere Spielräume dar, die zu einem gemäß einer Formel berechneten Wert zu addieren bzw. von diesem abzuziehen sind, wie zum Beispiel ± 5 %. Die Bereiche stellen einen Spielraum dar, innerhalb dessen erwartet wird, dass die Spule die vorstehend beschriebene Verbesserung erreicht, wie zum Beispiel die geringere Empfindlichkeit gegenüber Fertigungsschwankungen.
Mit erneutem Bezug auf 1 werden die Eigenschaften der dargestellten Spule 120 erläutert. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das durch das Substrat vorgegebene Dielektrikum 110 eine relative Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität von ε_r = 3,8 aufweist. Das relative Verhältnis des Arbeitspunktes zur Resonanzfrequenz ist unabhängig von Er. Da die Kapazität der Spule mit einem größer werdenden Wert von ε_r zunimmt, verschiebt sich die Resonanzfrequenz hin zu niedrigeren Frequenzwerten, so dass auch die Frequenz des Arbeitspunkts von ε_r abhängt.
Die in 1 dargestellte Spule hat folgende Parameter:

Abstand d = 40 µm
Höhe h = 10 µm
Breite w = 10 µm
relative Permittivität ε_r = 3,8
Induktivität L = 2 nH
Reonanzfrequenz f₀ = 26.5 GHz

2 zeigt die Induktivität L der Spule 120 aus 1 in Abhängigkeit von der Frequenz. Wie aus 2 ersichtlich ist, beträgt die Induktivität bei niedrigen Frequenzen etwa 2 nH und hat eine Resonanz bei 26,5 GHz.
Unter der Annahme, dass R = 0,75, ergeben sich für diese Spule gemäß den oben genannten Gleichungen die folgenden kritischen Abstände: $d^{B r e i t e} = 16 μ m \pm 5%$
$d^{H o h e} = 12 μ m \pm 5 %$
Da der tatsächliche Abstand d zwischen entsprechenden Abschnitten des Spulenleiters d = 40 µm ist, werden beide vorstehend genannten kritischen Werte nicht erreicht. Das bedeutet, dass die Spule aus 1 ein Vergleichsbeispiel darstellt, das die Bedingungen für einen Arbeitspunkt nicht erfüllt. Dies ist auch aus den in den 3 und 4 dargestellten Diagrammen ersichtlich.
3 zeigt die Auswirkung von Schwankungen der Breite des Spulenleiters um +2 µm und -2 µm. 3 zeigt die Induktivität L in Abhängigkeit von der Frequenz. Die mit ±0 µm gekennzeichnete Kurve stellt die Induktivität einer Referenzspule dar. Die mit +2 µm gekennzeichnete Kurve stellt die Induktivität für eine Spule dar, deren Spulenbreite im Vergleich zum Referenzspulenleiter um +2 µm erhöht ist. Die mit -2 µm gekennzeichnete Kurve stellt die Induktivität einer Spule mit einer um 2 µm verminderten Leiterbreite im Vergleich zum Referenzspulenleiter dar. 4 zeigt die Änderung der Spuleninduktivität relativ zur Induktivität DL/L, die ein Maß für die Empfindlichkeit der Spule in Abhängigkeit von Schwankungen der Leiterbreite ist. In 4 stellt die mit +2 µm gekennzeichnete Kurve die relative Änderung DL/L der Spuleninduktivität für einen Spulenleiter mit größerer Breite dar, und die mit -2 µm gekennzeichnete Kurve stellt die relative Änderung DL/L einer Spule mit verringerter Leiterbreite dar. Wie aus den 3 und 4 entnommen werden kann, ist die Empfindlichkeit der Spule von 1 über einen weiten Frequenzbereich bei etwa 3 % relativ konstant. Dieser Wert ist für eine Erhöhung der Breite des Spulenleiters sowie für eine Verringerung der Breite im Wesentlichen konstant. Ein Arbeitspunkt, bei dem die Empfindlichkeit der Spule bei Änderungen der Leiterbreite gering wäre, ist nicht gegeben. Eine ähnliche Situation war zu beobachten, wenn die Spule von 1 Schwankungen der Höhe des Spulenleiters ausgesetzt war (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Mit Hinwendung auf 5 ist eine andere Spule dargestellt, die folgende Parameter hat:

d = 20 µm
h = 12 µm
w = 20 µm
ε_r = 3,8
L = 7 nH
F₀ = 9,5 GHz

Für einen Herstellungsprozess, der anfällig für Schwankungen der Leiterbreite ist, wird R ausgewählt mit R = 0,6. Für einen Herstellungsprozess, der anfällig für Schwankungen der Leiterhöhe ist, wird R ausgewählt mit R = 0,7. Die oben genannten Formeln führen zu den folgenden kritischen Werten: $d^{B r e i t e} = 21 μ m \pm 5 %$
$d^{H o h e} = 21 μ m \pm 5 %$
Da der Abstand d bei 141 zwischen zwei gegenüberliegend angeordneten Spulenleiterabschnitten 134, 146 d = 20 µm ist, erfüllt die Spule beide Bedingungen, und der tatsächliche Abstand d liegt innerhalb des Bereichs der kritischen Abstände d^Breite und d^Hohe.
6 stellt die Induktivität L über der Frequenz f dar, die bei 9,5 GHz eine Resonanzfrequenz zeigt. Die 7 und 8 veranschaulichen die Abhängigkeit der Induktivität L bzw. die relativen Veränderungen der Induktivität DL/L, was ein Maß für die Empfindlichkeit auf eine Änderung der Breite w des Spulenleiters um +2 µm und -2 µm im Vergleich zu einer mit ±0 µm bezeichneten Referenzspule darstellt. Der Arbeitspunkt in Bezug auf die Schwankungen der Spulenleiterbreite liegt bei etwa 6 GHz, was ungefähr 60 % der Resonanzfrequenz von 9,5 GHz entspricht. Aus den 7 und 8 ist ersichtlich, dass die Induktivität der Spule von 5 im Vergleich zur Spule aus 1 im Bereich um den Arbeitspunkt von 6 GHz weit weniger von Schwankungen der Leiterbreite w abhängt. Dies lässt sich dadurch feststellen, dass die Kurven in den 7 und 8 einen Kreuzungspunkt nahe 6 GHz aufweisen. Insbesondere 8 zeigt, dass die Empfindlichkeit bei ca. 6 GHz im Bereich um 0 oder nahe 0 (Null) liegt. Im Gegensatz dazu erreicht die Empfindlichkeit einen Wert von 1 % bei ca. 2 GHz unter und ca. 0,5 GHz über dem Arbeitspunkt von 6 GHz.
Betrachtet man nun die 9 und 10, so sind die Abhängigkeit der Induktivität L und die relativen Veränderungen der Induktivität DL/L als Reaktion auf Schwankungen der Spulenleiterhöhe um +2 µm bzw. -2 µm dargestellt. Wie aus den 9 und 10 ersichtlich ist, ergibt sich an den Kreuzungen der Kurven bei etwa 70 % der Resonanzfrequenz, also bei etwa 6,8 GHz, ein Arbeitspunkt. Die Diagramme der 7 und 8 sowie 9 und 10 zeigen, dass die Empfindlichkeit der Spule als Reaktion auf Schwankungen der Spulenleiterbreite bzw. Spulenleiterhöhe bei 60 % bzw. 70 % der Resonanzfrequenz ein Minimum erreicht. Somit ist die Induktivität bei Arbeitspunkten auf diesen Frequenzen nahezu unabhängig von Breiten- und Höhenschwankungen, die durch den Herstellungsprozess bedingt sind. Wenn die Spulen in einem mikroakustischen HF-Filter verwendet werden, um die Anpassung, Auswahl oder Bandbreite zu verbessern, stören die Fertigungsschwankungen der Spule nicht deren Funktion.
11 zeigt ein Diagramm für den Gütefaktor Q der Spule in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz f. Wie aus 11 ersichtlich ist, liegt das Maximum des Gütefaktors der Spule aus 5 bei 3,4 GHz. Beim Arbeitspunkt von 6 GHz sinkt der Qualitätsfaktor der Spule auf etwa 75 % dieses Maximums ab, wie im Bereich 1110 dargestellt ist.
Die 13 und 14 zeigen ein weiteres Beispiel für die Spule von 5, wobei der Abstand d zwischen gegenüberliegenden Abschnitten des Spulenleiters reduziert ist. Die Diagramme der 13 und 14 beziehen sich auf eine Spule mit $d = 15 μ m$
$f_{0} = 8,4 GHz$
Der Arbeitspunkt betreffs Schwankungen der Spulenleiterbreite liegt bei 55 % der Resonanzfrequenz, R = 0,55, so dass der Arbeitspunkt bei 4,6 GHz liegt. Die Diagramme der 13 und 14 zeigen Kreuzungspunkte der dargestellten Kurven im Arbeitspunkt von 4,6 GHz. Wie aus den 13 und 14 ersichtlich ist, führt ein abnehmender Abstand d zwischen den Spulenleiterabschnitten zu Arbeitspunkten, die weiter von der Resonanzfrequenz f₀ entfernt sind, die bei Schwankungen der Spulenleiterbreite gemäß diesem Beispiel etwa 55 % der Resonanzfrequenz beträgt.
Nach noch einem weiteren Beispiel kann eine Spule betrachtet werden, die auf einer Seite der Spule einen Metallbereich aufweist, was bei Spulen in einem HF-Filter oft der Fall ist. Der Metallbereich muss nicht unbedingt mit der Spule verbunden sein. Nach noch einem weiteren Beispiel kann der Metallbereich mit der Spule verbunden sein, so dass der Spulenstrom durch den Metallbereich fließt. Die vorstehend beschriebenen Prinzipien gelten auch für solche Spulen mit einem in unmittelbarer Nähe der Spule angeordneten Metallbereich, wobei der Metallbereich mit der Spule verbunden sein kann oder auch nicht.
Betrachtet man nun 12, so ist ein schematisches Schaubild eines beispielhaften mikroakustischen HF-Filters mit einer HF-Spule gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der HF-Filter beinhaltet einen Reihenpfad, der zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss 1201 bzw. 1202 angeschlossen ist. Der Reihenpfad beinhaltet drei in Reihe geschaltete mikroakustische Resonatoren 1210, 1211, 1212, die als SAW-Resonatoren oder BAW-Resonatoren realisiert sein können. Nebenschluss-Resonatoren 1213, 1214 sind jeweils zwischen einem der Resonatoren des Reihenpfades und dem Massepotenzial angeschlossen. Eine Spule 1216 ist in Reihe mit dem Nebenschluss-Resonator 1213 geschaltet. Insbesondere ist die Spule 1216 zwischen dem Resonator 1213 und einem Anschluss für Massepotenzial 1219 angeschlossen. Die Spule 1216 kann in Form der in 5 dargestellten Spule realisiert sein. Der Arbeitspunkt der Spule 1216 liegt bei einer Frequenz der Übertragungsfunktion des Filters, die von besonderem Interesse ist. Da die Spule 1216 in einen Nebenschlusspfad eingebunden ist, wirkt sie sich auf den Sperrbereichsabschnitt der Übertragungsfunktion aus. Vorzugsweise liegt die Arbeitspunktfrequenz der Spule 1216 auf einem lokalen Minimum des Sperrbereichabschnitts der Übertragungsfunktion des Filters von 12. Eine weitere Spule 1215 ist parallel zum seriellen Resonator 1210 geschaltet. Die Spule 1215 kann nach den in Verbindung mit 5 beschriebenen Prinzipien realisiert sein. Diese Anschlussart führt bei niedrigeren Frequenzen zu einem zusätzlichen Pol. Die nach den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung realisierten Spulen 1217, 1218 sind zwischen dem Anschluss 1201 und dem ersten seriellen Resonator 1210 angeschlossen, um eine Anpassung durchzuführen. Die Spule 1217 ist zwischen dem Resonator 1210 und dem Masseanschluss 1219 im Nebenschluss geschaltet, und die Spule 1218 ist zwischen dem Resonator 1215 und der Anschlussklemme 1201 in Reihe geschaltet, um den Anschluss 1201 an die Impedanz der externen Schaltung anzupassen. Die Anpassung kann mit einer der Spulen 1217 oder 1218 oder mit beiden Spulen, wie in 12 dargestellt, je nach Anpassungsbedarf erfolgen. In ähnlicher Weise können serielle und/oder Nebenschluss-Anpassungsspulen am Anschluss 1202 bereitgestellt werden.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Abweichungen vorgenommen werden können, ohne vom Sinngehalt und Umfang der Offenbarung gemäß den beigefügten Ansprüchen abzuweichen. Da von Fachleuten Änderungen, Kombinationen, Teilkombinationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen, die den Sinngehalt und Inhalt der Offenbarung wiedergeben, erdacht werden können, ist die Offenbarung so auszulegen, dass sie alles innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche umfasst.

Claims

HF-Filter, umfassend: - eine planare HF-Spule (120), wobei die planare HF-Spule umfasst: - ein Substrat (110); - einen Leiter (120), der vom Substrat getragen ist, eine Spiralform hat und einen Abstand (d) zwischen gegenüberliegenden Abschnitten (134, 136) des Leiters aufweist; wobei der HF-Filter eine Übertragungsfunktion aufweist, die einen Durchlassbereich und einen Sperrbereich außerhalb des Durchlassbereichs beinhaltet, wobei der Sperrbereich mindestens ein lokales Minimum der Übertragungsfunktion aufweist und die planare HF-Spule einen Arbeitspunkt bei einer Frequenz f_AP = R f₀ hat, wobei der Arbeitspunkt innerhalb des Durchlassbereichs oder auf dem mindestens einen lokalen Minimum der Übertragungsfunktion angeordnet ist; wobei es sich bei dem Abstand (d) zwischen gegenüberliegenden Abschnitten des Leiters um d^Breite oder d^Hohe handelt, wobei d^Breite und d^Hohe wie folgt angegeben sind: $d^{B r e i t e} = \sqrt{\frac{32 π^{2} ε}{9 μ}} {(\frac{R}{1,061})}^{2} (h + w) f_{0} L + M 1$
$d^{H o h e} = \frac{4 π^{2} ε}{5 μ} {(\frac{R}{1,061})}^{2} \frac{{(h + w)}^{2}}{w} f_{0}^{2} L^{2} + M 2$
wobei ε die Permittivität des Substrats darstellt, µ die Permeabilität des Substrats darstellt, h die Höhe des Leiters in mindestens einem der Teilbereiche darstellt, w die Breite des Leiters in dem mindestens einen der Teilbereiche darstellt, f₀ die Resonanzfrequenz der HF-Spule darstellt, L die Induktivität der HF-Spule darstellt, M1 einen Spielraum von ± 5 % darstellt und M2 einen Spielraum von ± 5 % darstellt.
HF-Filter nach Anspruch 1, wobei der Leiter (120) eine Vielzahl von Teilbereichen (131, ..., 136) aufweist, wobei einer der Teilbereiche gegenüber einem anderen der Teilbereiche angeordnet ist, wobei sich ein Abstand (d) zwischen dem einen und dem anderen der Teilbereiche (134, 136) ergibt, wobei es sich bei dem Abstand um d^Breite bzw. d^Höhe handelt.
HF-Filter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Leiter (120) eine Vielzahl von geraden Leiterabschnitten (131, ..., 136) aufweist, wobei einer der geraden Leiterabschnitte parallel zu einem anderen der geraden Leiterabschnitte angeordnet ist, wobei sich ein Abstand (d) zwischen dem einen und dem anderen der geraden Leiterabschnitte (134, 136) ergibt, wobei es sich bei dem Abstand um d^Breite bzw. d^Höhe handelt.
HF-Filter nach Anspruch 2 oder 3, wobei der eine und der andere der Teilbereiche (134, 136) einander gegenüberliegend angeordnet sind, ohne dass ein Abschnitt der Spule (120) dazwischen liegt.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Breite w des Leiters wie folgt angegeben ist: $w = \frac{f_{0} \cdot L \cdot h}{\frac{5}{3 π} \sqrt{\frac{2 μ}{ε}} - f_{0} \cdot L} + M 3$
wobei M3 einen Spielraum von ±5 % darstellt.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend mindestens einen mikroakustischen Resonator (1210, ..., 1212), der in einem Reihenpfad angeordnet ist, und mindestens einen mikroakustischen Resonator (1213, 1214), der in mindestens einem Nebenschlusspfad angeordnet ist, wobei die planare HF-Spule (1216) in dem mindestens einen Nebenschlusspfad enthalten ist.
HF-Filter nach Anspruch 6, wobei die planare HF-Spule (1216) in Reihe mit dem mindestens einen mikroakustischen Resonator (1213) des mindestens einen Nebenschlusspfads geschaltet ist.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend mindestens einen mikroakustischen Resonator (1210, ..., 1212), der in einem Reihenpfad angeordnet ist, und mindestens einen mikroakustischen Resonator (1213, 1214), der in mindestens einem Nebenschlusspfad angeordnet ist, wobei die planare HF-Spule (1215) parallel zu dem mindestens einen mikroakustischen Resonator (1210) im Reihenpfad geschaltet ist.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens einen in einem Reihenpfad angeordneten mikroakustischen Resonator (1210, ..., 1212), wobei die planare HF-Spule (1218) zwischen dem mindestens einen mikroakustischen Resonator (1210) im Reihenpfad und einer Anschlussklemme (1201) angeschlossen ist und/oder eine andere planare HF-Spule (1217) zwischen dem mindestens einen mikroakustischen Resonator (1210) im Reihenpfad und einem Anschluss für Massepotenzial (1219) angeschlossen ist.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Wert von f_AP so gewählt ist, dass er in einem Bereich unterhalb von 75 % der Resonanzfrequenz f₀ der HF-Spule liegt oder f_AP so ausgewählt ist, dass er in einem Bereich zwischen 50 % und 75 % der Resonanzfrequenz f₀ der HF-Spule oder in einem Bereich zwischen 50 % und 60 % der Resonanzfrequenz f₀ der HF-Spule liegt.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei h die durchschnittliche Höhe des Leiters (120) der HF-Spule entlang mehrerer oder aller Teilbereiche des Leiters und w die mittlere Breite des Leiters entlang mehrerer oder aller Teilbereiche des Leiters darstellt.
HF-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die HF-Spule als mehreckige Spule oder als Rundspule oder in Form einer Aneinanderreihung von runden Abschnitten oder als Abschnitt einer mehrschichtigen Spule konfiguriert ist.
Verfahren zum Bilden einer HF-Spule in einem HF-Filter, wobei der HF-Filter eine Übertragungsfunktion aufweist, die einen Durchlassbereich und einen Sperrbereich außerhalb des Durchlassbereichs aufweist, wobei der Sperrbereich mindestens ein lokales Minimum der Übertragungsfunktion enthält, umfassend die Schritte: - Auswählen eines Arbeitspunkts bei einer Frequenz f_AP = R f₀, wobei der Arbeitspunkt innerhalb des Durchlassbereichs oder auf dem mindestens einen lokalen Minimum der Übertragungsfunktion liegt, und Auswählen von R < 0,75; - Auswählen einer planaren HF-Spule, wobei die planare HF-Spule ein Substrat und einen vom Substrat getragenen Leiter umfasst und eine Spiralform aufweist, wobei ein Abstand zwischen gegenüberliegenden Abschnitten des Leiters festgesetzt wird, wobei die Spule folgende Parameter aufweist: ε stellt die Permittivität des Substrats dar, µ stellt die Permeabilität des Substrats dar, h stellt die Höhe des Leiters in mindestens einem der Teilbereiche dar, w stellt die Breite des Leiters in dem mindestens einen der Teilbereiche dar, f₀ stellt die Resonanzfrequenz der HF-Spule dar, L stellt die Induktivität der HF-Spule dar; - Auswählen des Abstands, der sich zwischen gegenüberliegenden Abschnitten des Leiters ergibt, auf d^Breite bzw. d^Höhe, wobei d^Breite und d^Höhe wie folgt gegeben sind: $d^{B r e i t e} = \sqrt{\frac{32 π^{2} ε}{9 μ}} {(\frac{R}{1,061})}^{2} (h + w) f_{0} L + M 1 und$
$d_{k r i t i s c h}^{H ö h e} = \frac{4 π^{2} ε}{5 μ} {(\frac{R}{1,061})}^{2} \frac{{(h + w)}^{2}}{w} f_{0}^{2} L^{2} + M 2,$
wobei M1 einen Spielraum von ±5 % und M2 einen Spielraum von ±5 % darstellt.