DE102019108852B4

DE102019108852B4 - Mikroakustisches Bandsperrfilter

Info

Publication number: DE102019108852B4
Application number: DE102019108852.6A
Authority: DE
Inventors: Edgar Schmidhammer
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2039-04-05
Also published as: CN113647016A; US20220149817A1; WO2020201057A1; DE102019108852A1

Abstract

Mikroakustisches Bandsperrfilter, das umfasst:- einen ersten Port (110) und einen zweiten Port (120);- einen Reiheninduktor (130), der zwischen den ersten und den zweiten Port gekoppelt ist;- einen Schaltungsblock (140), der mit dem ersten und dem zweiten Port gekoppelt ist und der wenigstens eine Reihenkapazität (141) und wenigstens eine Nebenschlusskapazität (142) umfasst,wobei der Schaltungsblock eine TEE-Schaltung oder eine TEE-Schaltung höherer Ordnung oder eine PI-Schaltung höherer Ordnung umfasst,wobei die wenigstens eine Reihenkapazität und/oder die wenigstens eine Nebenschlusskapazität durch einen mikroakustischen Resonator (141) umgesetzt sind;- einen Nebenschlussinduktor (150), der zwischen dem Schaltungsblock und einem Anschluss für ein Referenzpotential gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein mikroakustisches Bandsperrfilter. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein mikroakustisches Bandsperrfilter, das einen ersten und zweiten Port, Reihen- und Nebenschlussinduktoren und einen Schaltungsblock, der Reihen- und Nebenschlusskapazitäten umfasst, enthält.
Hintergrund
Mikroakustische Bandsperrfilter werden in elektronischen Einrichtungen verwendet, um ein spezifisches relativ schmales Frequenzband zu unterdrücken, um die Verzerrung der verarbeiteten erwünschten Frequenzen durch den zu unterdrückenden Frequenzbereich zu vermeiden. Bandsperrfilter, die ein sehr schmales Frequenzband unterdrücken, werden häufig Kerb-Filter genannt.
Bandsperr- oder Kerb-Filter können in verschiedenen elektronischen Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeug- oder Konnektivitätsanwendungen, um störende Signale zu unterdrücken. Bandsperr- oder Kerb-Filter können auch in Kommunikationsanwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel in Mobiltelefonen oder Smartphones, um spezielle Frequenzbänder zu unterdrücken, um rauscharme Verstärker zu schützen, Harmonische in Trägeraggregationssystemen zu unterdrücken, um korrekten Signalempfang zu gestatten oder für andere Funktionen, die die Unterdrückung einer spezifischen Frequenz oder eines schmalen Frequenzbereichs erfordern.
Konventionelle Kerb-Filter, die auf LC-Topologien basieren, können Übertragungsnullstellen im niedrigen oder Nullfrequenzbereich und im Hochfrequenzbereich, der wesentlich über dem Sperrbandfrequenzbereich liegt, aufweisen, so dass die Passbandeigenschaften konventioneller LC-Kerb-Filter Nachteile für die oben erwähnten Anwendungsgebiete aufweisen. Insbesondere weisen Kommunikationsanwendungen für 5G-Dienste nutzbare Frequenzbänder von bis zu 8 GHz auf, so dass konventionelle Kerb-Filter aufgrund ihrer beschränkten Passbandleistung schwierig zu verwenden sind.
Dokument US 5 077 545 A betrifft ein akustisches Oberflächenwellen-Wellenleitergekoppeltes Resonator-Kerbfilter. Dabei wird ein mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) wellenleitergekoppeltes Resonatorfilter überkoppelt, um eine im Wesentlichen konstante Leitfähigkeit und Suszeptanz über mindestens die Bandbreite eines gewünschten Kerbfilters zu erzeugen. Das SAW-Resonatorfilter ist in eine überbrückte T-Allpassschaltung eingebettet, um das Paar gleicher Kapazitäten der Schaltung bereitzustellen, und die Resonatormasse ist mit einem Anschluss der Parallelinduktivität der Schaltung verbunden, wobei der andere Anschluss mit einer Systemmasse verbunden ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Bandsperrfilter bereitzustellen, das eine tiefe Kerbe, steile Ränder und ein niedrig oder fast nicht gedämpftes Passband aufweist.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Bandsperrfilter bereitzustellen, das Übertragungsnullstellen im Passbandbereich verhindert.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Bandsperrfilter bereitzustellen, das eine im Wesentlichen gleichförmige Leistung im Passbandbereich aufweist und Flexibilität beim Entwurf des Sperrbandbereichs bietet.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Bandsperrfilteranordnung bereitzustellen, die mehr als einen Bandsperrbereich aufweist.
Zusammenfassung
Eine oder mehrere der oben erwähnten Aufgaben werden durch ein mikroakustisches Bandsperrfilter gemäß den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 erreicht.
Ein Bandsperrfilter gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung enthält einen Reiheninduktor, der zwischen dem ersten und zweiten Eingangs-/Ausgangsport des Filters gekoppelt ist, und einen Nebenschlussinduktor, der mit einem Referenzpotentialanschluss gekoppelt ist. Ein Schaltungsblock ist zwischen den ersten und den zweiten Port geschaltet, der wenigstens eine Reihenkapazität und wenigstens eine Nebenschlusskapazität enthält. Einer oder mehrere der Reihen- und der Nebenschlusskapazitäten des Schaltungsblocks sind durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt. Die wenigstens eine Nebenschlusskapazität des Schaltungsblocks ist mit dem Nebenschlussinduktor gekoppelt.
Die oben beschriebene Schaltungsstruktur weist Allpasseigenschaften im Passbandbereich außerhalb des Bandsperr- oder Kerb-Bereichs auf. Dementsprechend sind im Passbandbereich keine Übertragungsnullstellen enthalten, weder bei niedrigen oder Nullfrequenzen noch bei hohen oder infiniten Frequenzen. Stattdessen ist das Passbandverhalten der oben beschriebenen Filterstruktur eher flach bei einem geringen Grad an Einfügungsdämpfung. Mikroakustische Resonatoren für die Reihen- oder die Nebenschlusskapazität oder beide der Reihen- oder Nebenschlusskapazität bilden eine relativ tiefe Dämpfungsspitze, die steile Ränder aufweist, um den Bandsperr- oder Kerb-Frequenzbereich einzurichten.
Der Schaltungsblock kann eine Schaltungsarchitektur vom Abzweigtyp aufweisen, die die wenigstens eine Reihenkapazität und die wenigstens eine Nebenschlusskapazität enthält, von denen wenigstens eine Kapazität als ein mikroakustischer Resonator umgesetzt ist. Die Abzweigtypschaltung kann mehrere Elemente in Abzweigtypanordnung enthalten, wie zum Beispiel eine TEE-Schaltung oder eine PI-Schaltung oder sogar eine TEE- oder PI-Schaltung höherer Ordnung. Eine Abzweigtypanordnung höherer Ordnung erreicht einen klarer definierten schmaleren Sperrbandbereich, und die Anzahl an mikroakustischen Resonatoren, die für die Reihen- und die Nebenschlusskapazität in der Abzweigtypstruktur verwendet werden, gestattet es, die unteren und/oder oberen Ränder des Sperrbandbereichs zu formen und zu versteilen. Die Abzweigtypstruktur für den Schaltungsblock gestattet einen relativ flexiblen Entwurf des Sperrbandverhaltens in Bezug auf Sperrbandbreite, Sperrbanddämpfungsgrad und die Steilheit der Ränder.
Gemäß Ausführungsformen kann der Schaltungsblock eine TEE-Schaltung umfassen, die eine Reihenschaltung einer ersten und einer zweiten Kapazität und einer Nebenschlusskapazität enthält, die mit dem Knoten gekoppelt ist, der zwischen der ersten und der zweiten Reihenkapazität angeordnet ist. Je nach den Schaltungsanforderungen können eine oder mehrere oder alle der ersten, der zweiten und der Nebenschlusskapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt sein. Für eine TEE-Schaltung ist der Nebenschlussinduktor zwischen der Nebenschlusskapazität des TEE-Schaltungsblocks und den Anschluss für das Referenzpotential gekoppelt.
Gemäß Ausführungsformen kann der Schaltungsblock eine PI-Schaltung umfassen, die wenigstens eine Reihenkapazität und eine erste und eine zweite Nebenschlusskapazität enthält, die mit einem jeweiligen der Anschlüsse der Reihenkapazität gekoppelt sind. Je nach den Schaltungsanforderungen können eine oder mehrere oder alle der Reihen-, der ersten und zweiten Nebenschlusskapazitäten der PI-Schaltung durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt sein. Für eine PI-Schaltung ist der Nebenschlussinduktor zwischen dem gemeinsamen Knoten der ersten und zweiten Nebenschlusskapazitäten und dem Anschluss für das Referenzpotential gekoppelt.
Der Reiheninduktor, der zwischen dem ersten und zweiten Port des Bandsperrfilters gekoppelt ist, überträgt vor allem diejenigen Frequenzen, die unter dem Sperrbandbereich liegen. Folglich stellt der Reiheninduktor eine Übertragungsnullstelle bei infiniter Frequenz bereit. Die Reihenkapazitäten des TEE-Schaltungsblocks und die Reihenkapazität des PI-Schaltungsblocks übertragen vor allem diejenigen Frequenzen, die oberhalb des Sperrbandbereichs liegen, wie im Allgemeinen ein Reihenkondensator eine Übertragungsnullstelle bei Nullfrequenz bereitstellt. Weil der Kondensator im Nebenschlusspfad des TEE- oder des PI-Schaltungsblocks eine hohe Impedanz für Frequenzen unterhalb des Sperrbandbereichs aufweist, findet in diesem Pfad keine Übertragung bei niedrigen Frequenzen statt. Weil der zwischen dem Schaltungsblock und dem Referenzpotential gekoppelte Nebenschlussinduktor eine hohe Impedanz für Frequenzen oberhalb des Sperrbandbereichs aufweist, findet in diesem Pfad keine Übertragung bei hohen bis infiniten Frequenzen statt. Übertragung findet statt, wenn der Induktor und der Kondensator sich in Reihenresonanz befinden, wodurch sie eine niedrige Impedanz und somit eine finite Übertragungsnullstelle (FTZ) bilden, die im Sperrband des Bandsperrfilters liegt. Dementsprechend erreicht das mikroakustische Bandsperr- oder Kerb-Filter gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung eine relativ starke und definierte Dämpfung im Sperrbandbereich und eine relativ geringe flache Einfügungsdämpfung im Passbandbereich außerhalb des Sperrbandbereichs ohne Übertragungsnullstellen, falls parasitäre Effekte vernachlässigt werden.
Die mikroakustischen Resonatoren, die verwendet werden können, um eine oder mehrere oder alle der Kapazitäten des TEE- oder des PI-Blocks im Schaltungsblock umzusetzen, können irgendeine Art von mikroakustischem oder elektroakustischem Resonator sein. Diese mikroakustischen oder elektroakustischen Resonatoren können Oberflächenakustikwellen (SAW-) Resonatoren, Volumenakustikwellen (BAW) Resonatoren, zu denen fest angeordnete Volumenakustikwellen (SMR-BAW-) Resonatoren zählen, und Schichtvolumenakustikwellen (FBAR-) Resonatoren sein. Alle diese Resonatoren umfassen eine piezoelektrische Schicht, an der wenigstens zwei metallische Elektroden befestigt sind, um eine akustische Resonanzwelle durch Anwendung eines elektrischen HF-Signals auf die Elektroden zu generieren. Andere Resonatoren, wie zum Beispiel Resonatoren mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), sind ebenfalls möglich. Es ist sinnvoll, Resonatoren des gleichen Typs auszuwählen, um einen der TEE- und PI-Schaltungsblöcke auf einem einzigen piezoelektrischen Chip herzustellen.
Der Schaltungsblock, der einen TEE- oder PI-Schaltungsblock enthält, kann einen TEE- oder PI-Block höherer Ordnung enthalten. Dementsprechend kann ein PI-Schaltungsblock höherer Ordnung wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten und wenigstens drei im Nebenschluss geschaltete Kapazitäten umfassen, wobei eine oder mehrere oder alle der Kapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt sind. Ein TEE-Schaltungsblock höherer Ordnung kann wenigstens drei in Reihe geschaltete Kapazitäten und wenigstens zwei im Nebenschluss geschaltete Kapazitäten umfassen, wobei eine oder mehrere oder alle der Kapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt sind. Ein TEE- oder PI-Schaltungsblock höherer Ordnung folgt den Regeln einer Abzweigtypstruktur, die eine Reihenkapazität an ihren beiden Enden bzw. eine Nebenschlusskapazität an ihren beiden Enden aufweist.
Eines oder mehrere der oben erwähnten Ziele werden durch eine mikroakustische Bandsperrfilteranordnung gemäß den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 16 erreicht.
Ein mikroakustisches Bandsperrfilter weist eine gute Abstimmung auf, so dass es einfach mit irgendeiner anderen HF-Schaltung kombiniert werden kann. Insbesondere kann ein mikroakustisches Bandsperrfilter in Reihe mit einem anderen mikroakustischen Bandsperrfilter geschaltet sein, um eine Filteranordnung mit einem flachen Passbandverhalten und wenigstens zwei Bandsperr- oder Kerb-Bereichen zu erzeugen. Es können sogar mehrere mikroakustische Bandsperrfilter in Reihe geschaltet sein. Jede der Bandsperr- oder Kerb-Filtercharakteristiken kann relativ unabhängig voneinander konzipiert und ausgelegt sein, um die nicht überlappenden Sperrbandbereiche, die Sperrbandbreiten und die Eigenschaften der unteren und oberen Sperrbandränder an die von der Zielanwendung erforderte Leistung anzupassen. Es können sogar mehr als zwei Sperrbandbereiche innerhalb einer mikroakustischen Bandsperrfilteranordnung durch Verbinden von mehr als zwei TEE- und/oder PI-Bandsperrfiltern in Reihe kombiniert sein.
Figurenliste
In den Zeichnungen:

1 zeigt ein Prinzipblockschaltbild eines mikroakustischen Bandsperrfilters gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines mikroakustischen Bandsperrfilters, der eine PI-Schaltung enthält;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen mikroakustischen Bandsperrfilters, der eine PI-Schaltung enthält;
4 zeigt ein Übertragungsdiagramm mit Übertragungskurven verschiedener Ausführungsformen von mikroakustischen Bandsperrfiltern, die PI-Schaltungen enthalten;
5 zeigt eine schematische Darstellung eines mikroakustischen Bandsperrfilters, der eine PI-Schaltung höherer Ordnung enthält;
6 zeigt eine schematische Darstellung eines mikroakustischen Bandsperrfilters, der eine TEE-Schaltung enthält;
7 zeigt eine schematische Darstellung eines mikroakustischen Bandsperrfilters, der eine TEE-Schaltung höherer Ordnung enthält;
8 zeigt eine schematische Darstellung einer mikroakustischen Bandsperrfilteranordnung, die eine Reihenschaltung eines TEE- und eines PI-Bandsperrfilters enthält;
9 zeigt ein Übertragungsdiagramm, das eine Übertragungskurve der Schaltung der 8 enthält;
10 zeigt eine Parallelschaltung von Resonatoren zum Umsetzen einer Kapazität eines mikroakustischen Bandsperrfilters;
11 zeigt eine Reihenschaltung von Resonatoren zum Umsetzen einer Kapazität eines mikroakustischen Bandsperrfilters;
12 zeigt eine Reihen- und Parallelanordnung von Resonatoren zum Umsetzen einer Kapazität eines mikroakustischen Bandsperrfilters;
13 zeigt eine antiserielle Verbindung von Resonatoren; und
14 zeigt eine antiparallele Verbindung von Resonatoren.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird jetzt ausführlicher hier nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen. Die Offenbarung kann allerdings in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass die Offenbarung Fachleuten vollständig den Schutzbereich der Offenbarung vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern sind so ausgelegt, dass sie die Offenbarung klar veranschaulichen.
Die 1 zeigt ein Prinzipblockschaltbild eines mikroakustischen Bandsperr- oder Kerb-Filters gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Der Filter der 1 umfasst einen ersten Eingangs-/Ausgangsport 110 und einen zweiten Eingangs-/Ausgangsport 120. Ein Induktor 130 ist zwischen die Ports 110, 120 geschaltet. Ein Schaltungsblock 140 ist zwischen die Ports 110, 120 geschaltet, wobei der Schaltungsblock 140 einen Nebenschlussanschluss 149 umfasst, der über den Nebenschlussinduktor 150 mit dem Massepotentialanschluss 160 verbunden ist. Der Schaltungsblock 140 enthält wenigstens einen Reihenpfad und wenigstens einen Nebenschlusspfad, die jeweils eine Kapazität enthalten. Wenigstens eine der Kapazitäten, wie zum Beispiel 141, wird durch einen mikroakustischen oder elektroakustischen Resonator umgesetzt. Die andere Kapazität 142 kann auch durch einen mikroakustischen Resonator oder durch einen Kondensator umgesetzt sein, wie in der 1 gezeigt wird.
Der Schaltungsblock 140 weist im Allgemeinen eine Abzweigtypstruktur aus einem oder mehreren Reihenelementen, wie zum Beispiel 141, und einem oder mehreren Nebenschlusselementen, wie zum Beispiel 142, auf. Eines oder mehrere oder alle der Reihen- und/oder Nebenschlusselemente sind durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt. Die konkrete Form der Abzweigtypanordnung 140 kann vom Fachmann ausgewählt werden, um den erforderlichen HF-Eigenschaften des Filters gerecht zu werden, wie hier nachstehend ausführlicher erklärt wird.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Bandsperr- oder Kerb-Filters der 1. Der Schaltungsblock 240 ist als eine PI-Schaltung umgesetzt, die eine Reihenkapazität 241 und die Nebenschlusskapazitäten 242, 243 enthält, die von einem der Anschlüsse der Reihenkapazität 241 zum Nebenschlussinduktor 150 geschaltet sind. Die Reihenkapazität 241 ist als ein mikroakustischer Resonator umgesetzt, die Nebenschlusskapazitäten 242, 243 sind als Kondensatoren umgesetzt. Eine oder mehrere der Nebenschlusskapazitäten 242, 243 kann alternativ auch als Resonator umgesetzt sein. Der Knoten 244 zwischen den Nebenschlusskapazitäten 242, 243 ist durch den Nebenschlussinduktor 150 mit dem Massepotential verbunden.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Bandsperr- oder Kerb-Filters der 1, wobei der Schaltungsblock 340 als eine PI-Schaltung ausgelegt ist, wobei alle Reihen- und Nebenschlusskapazitäten als Resonatoren umgesetzt sind, wie zum Beispiel der Resonator 341, der zwischen die Ports 110, 120 geschaltet ist, und der Resonator 342, der zwischen den Port 110 und den Nebenschlussinduktor 150 geschaltet ist, und der Resonator 343, der zwischen den Port 120 und den Nebenschlussinduktor 150 geschaltet ist. Die Resonatoren können als mikroakustische Resonatoren umgesetzt sein.
Die Resonatoren, wie zum Beispiel 141, 241, 341, 342, 343, können als SAW-Resonatoren oder als BAW-Resonatoren umgesetzt sein. BAW-Resonatoren können entweder SMR-BAW-Resonatoren (SMR: fest angeordnet [solidly mounted]) oder FBAR-Resonatoren (FBAR: Schichtaktustikresonator) sein. Verschiedene Arten von SAW-Resonatoren sind möglich, wie zum Beispiel HQTCF-Resonatoren (HQTCF: temperaturkompensierter Filter hoher Qualität [High Quality Temperature Compensated Filter]) oder TFSAW-Resonatoren (TFSAW: Dünnfilm SAW [thin film SAW]) oder andere SAW-Resonatorarten. Andere Resonatorkonzepte, wie zum Beispiel MEMS-Resonatoren, sind ebenfalls nützlich (MEMS: mikroelektromechanische Systeme [micro-electro-mechanical systems]). Die Resonatoren können ein Paar Elektroden und ein piezoelektrisches Material enthalten, wobei die Elektroden entweder auf dem piezoelektrischen Material angeordnet sind oder das piezoelektrische Material zwischen Oberseiten- und Unterseitenelektroden schichtweise anordnen. Eine akustische Resonanzwelle wird durch die Anwendung eines HF-Signals auf die Elektroden generiert, wobei die Interaktion zwischen dem elektrischen HF-Signal und den akustischen Resonanzsignalen eine frequenzselektive Funktion auf dem HF-Signal durchführt, wodurch eine Bandsperr- oder Kerb-Leistung des HF-Filters erreicht wird.
Nun bezugnehmend auf die 4 werden mehrere Beispiele für Übertragungsfunktionen von Ausführungsformen der Bandsperr-/Kerb-Filter gezeigt. Die Bandsperr-/Kerb-Filter sind als PI-Schaltungen ausgelegt, wie zum Beispiel 240 und 340, die unterschiedliche Anzahlen von Resonatoren und unterschiedliche Anzahlen von Kondensatoren enthalten. Zum Beispiel stellt die Übertragungskurve 410 ein Kerb-Filter dar, dessen Reihenkapazität durch einen mikroakustischen Resonator umgesetzt ist, und die beiden Nebenschlusskapazitäten sind durch Kondensatoren umgesetzt, wie zum Beispiel in der 2 gezeigt wird. Die Übertragungskurve 420 stellt ein Kerb-Filter dar, dessen Reihen- und beide Nebenschlusskapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt sind, wie zum Beispiel in der 3 gezeigt wird. Die Kurve 430 stellt ein Kerb-Filter dar, dessen Reihenkapazität und eine der Nebenschlusskapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt sind, und eine andere Nebenschlusskapazität ist durch einen Kondensator umgesetzt. Die Kurve 440 stellt ein Kerb-Filter dar, dessen Reihenkapazität durch einen Kondensator umgesetzt ist, und die beiden Nebenschlusskapazitäten sind durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator umgesetzt. Die Kurve 450 stellt ein Kerb-Filter dar, dessen eine der Nebenschlusskapazitäten durch einen mikroakustischen Resonator umgesetzt ist, und eine andere der Nebenschlusskapazitäten ist ebenso wie die Reihenkapazität durch einen Kondensator umgesetzt.
Wie aus der 4 zu entnehmen ist, können die Bandbreite des Sperrbandfrequenzbereichs und die Steilheit der Ränder einzeln bestimmt werden, insofern als eine oder mehrere der Kapazitäten im PI-Schaltungsblock durch mikroakustische Resonatoren oder Kapazitäten umgesetzt werden. Im Bandsperr- oder Kerb-Frequenzbereich der Übertragungseigenschaften ist die Dämpfung relativ hoch, so dass das Signal vom Eingang zum Ausgang gedämpft wird. Im Passbandfrequenzbereich außerhalb des Bandsperrbereichs ist die Dämpfung sehr gering und eher flach, so dass die Dämpfungseigenschaften des Bandsperrfilters außerhalb des Bandsperrbereichs Allpasseigenschaften aufweisen. Insbesondere sind keine Bereiche mit hoher Dämpfung, wie zum Beispiel Übertragungsnullstellen, im Passbandbereich enthalten. Insbesondere treten keine Übertragungsnullstellen bei niedrigen oder Nullfrequenzen oder bei hohen oder infiniten Frequenzen auf, unter der Voraussetzung, dass parasitäre Effekte vernachlässigt werden. Die gleichen Prinzipien gelten auch für ein Bandsperr-/Kerb-Filter, das einen TEE-Schaltungsblock anstelle eines PI-Schaltungsblocks verwendet.
Die 5 zeigt ein Kerb-Filter, in dem der Schaltungsblock 540 durch eine PI-Schaltung höherer Ordnung umgesetzt ist. Der Schaltungsblock 540 umfasst zwei in Reihe geschaltete Resonatoren 541, 542, die zwischen die Ports 110, 120 geschaltet sind. Drei im Nebenschluss geschaltete Resonatoren 543, 544, 545 sind zwischen einen der Anschlüsse der Resonatoren 541, 542 und den Nebenschlussinduktor 150 geschaltet. Es ist anzumerken, dass einer oder mehrere der Resonatoren 541, ..., 545 mit einem Kondensator anstelle eines mikroakustischen Resonators umgesetzt werden können. Sowohl die PI-Schaltung 340 der 3 als auch 540 der 5 weisen eine Abzweigtypstruktur auf, die mit einem Nebenschlusselement, wie zum Beispiel 342, 543, beginnt und mit einem Nebenschlusselement, wie zum Beispiel 343, 545, endet. Das PI-Element 540 höherer Ordnung kann einen kleineren Sperrbandbereich als das PI-Element 340 erster Ordnung bereitstellen. Des Weiteren können die Ränder der PI-Schaltung 540 höherer Ordnung steiler als die Ränder des PI-Elements 340 erster Ordnung sein. Andererseits ist der Grad der Einfügungsdämpfung im Passbandbereich außerhalb des Sperrbandbereichs der Filter, die die PI-Elemente niedrigerer und höherer Ordnung der 3 und 5 enthalten, einander zum größten Teil ähnlich.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines mikroakustischen Bandsperr- oder Kerb-Filters, das einen TEE-Schaltungsblock 640 enthält, der zwischen die Ports 110, 120 und den Nebenschlussinduktor 150 geschaltet ist. Der TEE-Schaltungsblock 640 umfasst eine Reihenschaltung der Kapazitäten 641, 642 und eine im Nebenschluss geschaltete Kapazität 643, die zwischen dem Knoten 644 zwischen den Kapazitäten 641, 642 und dem Nebenschlussinduktor 150 gekoppelt ist. Alle drei Kapazitäten 641, 642, 643 sind als mikroakustische Resonatoren umgesetzt, wie zum Beispiel SAW- oder BAW- oder MEMS-Resonatoren, wie oben erklärt worden ist.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kerb-Filters, in dem der Schaltungsblock 740 durch eine TEE-Schaltung höherer Ordnung umgesetzt ist. Der Schaltungsblock 740 umfasst drei in Reihe geschaltete Resonatoren 741, 742, 743, die zwischen die Ports 110, 120 geschaltet sind. Zwei im Nebenschluss geschaltete Resonatoren 744, 745 sind zwischen den Knoten zwischen den Resonatoren 741, 742 und zwischen die Resonatoren 742, 743 und den Nebenschlussinduktor 150 geschaltet. Obwohl alle in der 7 gezeigten Resonatoren 741, ..., 745 des Filters durch mikroakustische Resonatoren umgesetzt sind, ist es auch möglich, dass einer oder mehrere der Resonatoren 741, ..., 745 mit einem Kondensator anstelle eines mikroakustischen Resonators umgesetzt werden.
Sowohl die TEE-Schaltung 640 der 6 als auch 740 der 7 weisen eine Abzweigtypstruktur auf, die mit einem Reihenelement, wie zum Beispiel 641, 741, beginnt und mit einem Reihenelement, wie zum Beispiel 642, 743, endet. Das TEE-Element 740 höherer Ordnung kann einen kleineren Sperrbandbereich als das TEE-Element 640 erster Ordnung bereitstellen. Des Weiteren können die Ränder der TEE-Schaltung 740 des höheren Grads steiler als die Ränder des TEE-Elements 640 des ersten Grads sein, wobei der Grad der Einfügungsdämpfung im Passbandbereich außerhalb der Sperrbandfläche der Filter, die TEE-Elemente niedrigerer und höherer Ordnung enthalten, einander zum größten Teil ähnlich ist. Die PI- und TEE-Schaltungen sogar des höheren Grads sind auch in Bandsperr-/Kerb-Filtern möglich.
Die Verwendung einer PI-Schaltung im mikroakustischen Bandsperr-/Kerb-Filter, wie zum Beispiel dem in der 2 und 3 gezeigten, kann einen relativ steilen unteren linken Rand im Vergleich zum oberen rechten Rand aufweisen, der schwächer als der steile untere Rand erscheint. Die Verwendung einer TEE-Schaltung im mikroakustischen Bandsperr-/Kerb-Filter, wie es in der 6 gezeigt wird, führt zu einem Sperrbandverhalten, das einen relativ steilen oberen rechten Rand des Sperrbandbereichs und einen relativ schwachen unteren linken Rand aufweist. Während des Schaltungsentwurfs kann die Wahl zwischen den PI- und den TEE-Schaltungen von den Anforderungen an das nahegelegene Passband unterhalb oder oberhalb des Kerb-Frequenzbereichs abhängen. Falls zum Beispiel der obere Rand steil sein sollte, um ein definiertes Kerb-Verhalten am oberen Rand zu erreichen, wenn eine geringe Einfügungsdämpfung knapp oberhalb der Kerbe erforderlich ist, kann eine TEE-Schaltung ausgewählt werden. Falls der untere Rand steil sein sollte, um eine geringe Einfügungsdämpfung knapp unterhalb des Sperrbands zu erreichen, kann eine PI-Schaltung ausgewählt werden.
Die 8 zeigt eine Reihenschaltung von zwei mikroakustischen Bandsperr-/Kerb-Filtern 830, 840. Das Bandsperrfilter 830 enthält eine TEE-Schaltung und ist mit dem Port 810 verbunden. Das Bandsperrfilter 840 enthält eine PI-Schaltung und ist mit dem Port 810 und dem Bandsperrfilter 830 verbunden. Ein Port des Filters 830, wie zum Beispiel der Port 831, ist mit einem Port des Filters 840, wie zum Beispiel dem Port 841, verbunden, wobei die anderen Ports der Filter 830, 840 mit den Eingangs-/Ausgangsports 810 bzw. 820 verbunden sind. Weil die Filter 830, 840 jeweils Allpasseigenschaften zeigen, ist es möglich, zwei oder mehr der Bandsperr-/Kerb-Filter in Reihe zu schalten, um zwei oder mehr Bandsperrfrequenzbereiche zu erreichen, wobei die Passbandbereiche im Wesentlichen mit relativ geringer Einfügungsdämpfung aufrechterhalten werden.
Die 9 zeigt ein Übertragungsdiagramm, das die Übertragungseigenschaften des Filters der verketteten Bandsperr-/Kerb-Filter 830, 840 der 8 zeigt. Die Übertragungskurve der 9 enthält einen relativ breiten Bandsperrbereich 930, was seine Ursache im Bandsperrfilter 830 der TEE-Schaltung hat. Die Übertragungskurve enthält des Weiteren einen relativ schmalen Bandsperrbereich 940, was seine Ursache im PI-Bandsperrfilter 840 hat. Das Filter 830 enthält zwei Reihenresonatoren und einen Nebenschlussresonator, die auf TEE-Art geschaltet sind, und das Bandsperrfilter 840 enthält zwei Nebenschlussresonatoren und einen Reihenkondensator, die auf PI-Art geschaltet sind. Die Form und die Breite der Bandsperrbereiche kann im Wesentlichen unabhängig voneinander unter Anwendung der oben erörterten Prinzipien ausgelegt werden, wie zum Beispiel unter Änderung der Anzahl an mikroakustischen Resonatoren gegenüber der Anzahl an Kondensatoren und unter Auswahl von TEE- und PI-Schaltungen erster oder höherer Ordnung. Die nahegelegenen Passbandanforderungen werden sowohl unter Verwendung von TEE- als auch von PI-Schaltungsansätzen erreicht. Die Außerband-Passbandleistung zeigt keine durch kapazitive oder induktive Effekte bewirkte Verschlechterung beim Fehlen von parasitären Effekten.
Die 10 zeigt eine Parallelschaltung von mikroakustischen Resonatoren, die verwendet werden kann, um eine oder mehrere der Kapazitäten in den oben beschriebenen Bandsperr-/Kerb-Filtern umzusetzen, um das Bandsperrverhalten weiter zu verbessern. Statt eines einzigen Resonators kann eine parallel geschaltete Folge von Resonatoren verwendet werden. Die parallel geschaltete Folge von Resonatoren umfasst die Resonatoren 1010, 1011, 1012, die parallel zueinander geschaltet sind. Obwohl drei Resonatoren gezeigt werden, ist es möglich, zwei oder mehr zu verwenden, bis zu einer Anzahl von n parallel geschalteten Resonatoren. Jeder der n parallel geschalteten Resonatoren 1010, 1011, 1012 kann unterschiedliche statische Kapazitäten C_0j und unterschiedliche Reihenresonanzfrequenzen f_sj (mit j = 1, ..., n) und auch unterschiedliche Kapazitätverhältnisse zwischen mechanischer Kapazität C_mj und statischer Kapazität C_0j (mit j = 1, ... n) aufweisen.
Die 11 zeigt eine Reihenschaltung von mikroakustischen Resonatoren, die verwendet werden kann, um eine oder mehrere der Kapazitäten in den oben beschriebenen Bandsperr-/Kerb-Filtern umzusetzen, um das Bandsperrverhalten weiter zu verbessern. Statt eines einzigen Resonators kann eine Folge von m in Reihe geschalteten Resonatoren verwendet werden. Die in Reihe geschaltete Folge von Resonatoren umfasst die Resonatoren 1110, 1111, 1112, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Obwohl drei Resonatoren gezeigt werden, ist es möglich, zwei oder mehr zu verwenden, bis zu einer Anzahl von m in Reihe geschalteten Resonatoren. Jeder der m in Reihe geschalteten Resonatoren 1110, 1111, 1112 kann unterschiedliche statische Kapazitäten C_0i und unterschiedliche Reihenresonanzfrequenzen f_si (mit i = 1, ..., m) und auch unterschiedliche Kapazitätverhältnisse zwischen mechanischer Kapazität Cmi und statischer Kapazität C_0i (mit i = 1, ... m) aufweisen.
Die Differenz in den erwähnten Parametern ist optional, so dass zwei oder mehr Resonatoren die gleichen Parameterwerte aufweisen können und als identische Resonatoren umgesetzt sein können, abhängig von den Schaltungsanforderungen und den Schaltungsspezifikationen, die erreicht werden sollen. Dies beinhaltet, dass alle parallel oder in Reihe geschalteten Resonatoren identisch umgesetzt sein können. Zum Beispiel können bei einer Umsetzung eines Kerb-Filters mit 5 Resonatoren 3 Resonatoren identisch und 2 Resonatoren mit anderen Parametern umgesetzt sein, wie zum Beispiel eines oder mehrere von mechanischer Kapazität, statischer Kapazität und Reihenresonanzfrequenz.
Die 12 zeigt eine Kombination aus in Reihe und parallel geschalteten mikroakustischen Resonatoren. Solch eine Reihen- und Parallelanordnung von Resonatoren kann verwendet werden, um eine oder mehrere der Kapazitäten in den oben beschriebenen Bandsperr-/Kerb-Filtern umzusetzen. Die Anordnung umfasst eine Parallelschaltung von zwei oder mehr Reihenschaltungen 1210, 1211, 1212 von Resonatoren. Zwei oder mehr oder alle der in der 12 gezeigten Resonatoren können unterschiedliche statische Kapazitäten C_0ij und unterschiedliche Reihenresonanzfrequenzen f_sij (mit i = 1, ..., m und j = 1, ..., n) und auch unterschiedliche Kapazitätverhältnisse zwischen mechanischer Kapazität C_mij und statischer Kapazität C_0ij aufweisen. Diese Option beinhaltet, dass Parameter auch gleich sein können.
Die 13 zeigt eine antiserielle Verbindung von Resonatoren, die verwendet werden kann, um irgendeine der oben erwähnten Kapazitäten umzusetzen oder um irgendeinen der oben erwähnten Resonatoren zu ersetzen. Die antiserielle Verbindung von Resonatoren hat die Linearität verbessert, um die Leistung des Kerb-Filters zu verbessern. Die Resonatoren 1310, 1320 sind in Reihe geschaltet, wobei die Polarität der Kristallachse des piezoelektrischen Materials, das in den Resonatoren enthalten ist, eine antiserielle Ausrichtung aufweist, die mit entsprechenden Pfeilen gezeigt wird. Der Pfeil des Resonators 1310 weist von links nach rechts, der Pfeil des Resonators 1320 weist von rechts nach links, das ist in entgegengesetzter Richtung verglichen mit dem Resonator 1310. In der Praxis kann die entgegengesetzte Ausrichtung der Polarität des piezoelektrischen Materials zum Beispiel während der Herstellung der Resonatoren oder durch Layout-Modifikationen ausgewählt werden. Das elektrische Feld oder die Spannung liegt entweder in der Richtung oder entgegengesetzt z. B. zur Kristallachse eines piezoelektrischen Materials, was zu unterschiedlichem Vibrationsverhalten bei gegebener Spannung oder Strom führt.
Die 14 zeigt eine antiparallele Verbindung von Resonatoren, die verwendet werden kann, um irgendeine der oben erwähnten Kapazitäten umzusetzen oder um irgendeinen der oben erwähnten Resonatoren zu ersetzen. Die antiparallele Verbindung von Resonatoren hat die Linearität verbessert, um die Leistung des Kerb-Filters zu verbessern. Die Resonatoren 1410, 1420 sind parallel zueinander geschaltet, wobei die Polarität der Kristallachse des piezoelektrischen Materials, das in den Resonatoren enthalten ist, eine antiparallele Ausrichtung aufweist, die mit entsprechenden Pfeilen gezeigt wird.

Claims

Mikroakustisches Bandsperrfilter, das umfasst: - einen ersten Port (110) und einen zweiten Port (120); - einen Reiheninduktor (130), der zwischen den ersten und den zweiten Port gekoppelt ist; - einen Schaltungsblock (140), der mit dem ersten und dem zweiten Port gekoppelt ist und der wenigstens eine Reihenkapazität (141) und wenigstens eine Nebenschlusskapazität (142) umfasst, wobei der Schaltungsblock eine TEE-Schaltung oder eine TEE-Schaltung höherer Ordnung oder eine PI-Schaltung höherer Ordnung umfasst, wobei die wenigstens eine Reihenkapazität und/oder die wenigstens eine Nebenschlusskapazität durch einen mikroakustischen Resonator (141) umgesetzt sind; - einen Nebenschlussinduktor (150), der zwischen dem Schaltungsblock und einem Anschluss für ein Referenzpotential gekoppelt ist.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach Anspruch 1, wobei der Schaltungsblock (240, 340, 540, 640, 740) eine Abzweigtypschaltung umfasst, die die wenigstens eine Reihenkapazität (241, 341, 541, 542, 641, 642, 741, 742, 743) und wenigstens eine Nebenschlusskapazität (242, 243, 342, 343, 543, 544, 545, 643, 744, 745) enthält.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaltungsblock eine TEE-Schaltung (640) umfasst, die eine Reihenschaltung einer ersten und einer zweiten Kapazität (641, 642) und eine Nebenschlusskapazität (643), die mit dem zwischen der ersten und der zweiten Kapazität angeordneten Knoten gekoppelt ist, enthält, wobei eine oder mehrere der ersten, der zweiten und der Nebenschlusskapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator (641, 642, 643) umgesetzt sind.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach Anspruch 3, wobei der Nebenschlussinduktor (150) zwischen der Nebenschlusskapazität (643) und den Anschluss für ein Referenzpotential gekoppelt ist.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Reihen- und/oder Nebenschlusskapazitäten durch einen mikroakustischen Resonator umgesetzt ist.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach Anspruch 5, wobei die mikroakustischen Resonatoren ausgewählt sind aus Oberflächenakustikwellen-Resonatoren, Volumenakustikwellen-Resonatoren, Schichtvolumenakustikwellen-Resonatoren und Resonatoren mit mikroelektromechanischen Systemen.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schaltungsblock (540) wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten (541, 542) und wenigstens drei im Nebenschluss geschaltete Kapazitäten (543, 544, 545) umfasst, wobei die wenigstens drei im Nebenschluss geschalteten Kapazitäten mit einem der Anschlüsse der wenigstens zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten und mit dem Nebenschlussinduktor (150) verbunden sind und wobei eine oder mehrere der Kapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator (541, ..., 545) umgesetzt sind.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schaltungsblock (740) wenigstens drei in Reihe geschaltete Kapazitäten (741, 742, 743) und wenigstens zwei im Nebenschluss geschaltete Kapazitäten (744, 745) umfasst, wobei die wenigstens zwei im Nebenschluss geschalteten Kapazitäten mit einem der Knoten zwischen zwei der wenigstens drei in Reihe geschalteten Kapazitäten und mit dem Nebenschlussinduktor (150) verbunden sind und wobei eine oder mehrere oder alle der Kapazitäten durch einen jeweiligen mikroakustischen Resonator (741, ..., 745) umgesetzt sind.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das umfasst: - einen ersten mikroakustischen Resonator (641), der mit dem ersten Port (110) verbunden ist; - einen zweiten mikroakustischen Resonator (642), der mit dem ersten mikroakustischen Resonator (641) und mit dem zweiten Port (120) verbunden ist; und - einen dritten mikroakustischen Resonator (643), der mit dem ersten und dem zweiten mikroakustischen Resonator (641, 642) und dem Nebenschlussinduktor (150) verbunden ist; - wobei der Reiheninduktor (130) parallel zur Reihenschaltung des ersten und des zweiten mikroakustischen Resonators (641, 642) geschaltet ist.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das umfasst: - einen ersten mikroakustischen Resonator (341), der zwischen den ersten und den zweiten Port (110, 120) geschaltet ist; - einen zweiten mikroakustischen Resonator (342), der zwischen den ersten Port (110) und den Nebenschlussinduktor (150) geschaltet ist; und - einen dritten mikroakustischen Resonator (343), der zwischen den zweiten Port (120) und den Nebenschlussinduktor (150) geschaltet ist, wobei - der Reiheninduktor (130) parallel zum ersten mikroakustischen Resonator (341) geschaltet ist.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die wenigstens eine Reihenkapazität (141) und/oder die wenigstens eine Nebenschlusskapazität (142) durch eine Reihenschaltung von zwei oder mehr mikroakustischen Resonatoren (1010, 1011, 1012) oder eine Reihenschaltung von zwei oder mehr mikroakustischen Resonatoren (1110, 1111, 1112) oder eine Parallelschaltung von zwei oder mehr Reihenschaltungen von zwei oder mehr mikroakustischen Resonatoren (1210, 1211, 1212) umgesetzt sind.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach Anspruch 11, wobei die zwei oder die mehreren mikroakustischen Resonatoren unterschiedliche statische Kapazitäten (Con, Com, Comn) und/oder unterschiedliche Resonanzfrequenzen (fsn, fsm, fsmn) aufweisen.
Mikroakustisches Bandsperrfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die wenigstens eine Reihenkapazität (141) und/oder die wenigstens eine Nebenschlusskapazität (142) durch eine antiserielle Verbindung von wenigstens zwei mikroakustischen Resonatoren (1310, 1320) oder eine antiparallele Verbindung von zwei oder mehr mikroakustischen Resonatoren (1410, 1420) umgesetzt sind.
Mikroakustische Bandsperrfilteranordnung, die ein erstes mikroakustisches Bandsperrfilter (830) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und ein zweites mikroakustisches Bandsperrfilter (840) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfassen, das in Reihe mit dem ersten mikroakustischen Bandsperrfilter geschaltet ist, wobei einer der Ports (831) des ersten mikroakustischen Bandsperrfilters mit einem der Ports (841) des zweiten mikroakustischen Bandsperrfilters verbunden ist.
Mikroakustische Bandsperrfilteranordnung nach Anspruch 14, wobei das erste und das zweite mikroakustische Bandsperrfilter jeweils einen Bandsperrfrequenzbereich (930, 940) aufweisen, wobei die Bandsperrfrequenzbereiche sich nicht überlappen.