DE102022111162A1 - Transversal angeregte akustische filmvolumenresonator-matrixfilter mit eingangs- und ausgangsimpedanzen, die an funkfrequenz-frontend-elemente angepasst sind - Google Patents

Transversal angeregte akustische filmvolumenresonator-matrixfilter mit eingangs- und ausgangsimpedanzen, die an funkfrequenz-frontend-elemente angepasst sind Download PDF

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Neal Fenzi
Michael Eddy
Bryant Garcia
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Abstract

Es werden Matrixfilter mit einem Antennenanschluss, Empfangsanschlüssen und Sendeanschlüssen offenbart. Ein Empfangsmatrixfilter ist zwischen jedem Empfangsanschluss und dem Antennenanschluss gekoppelt; ein Sendematrixfilter ist zwischen dem Antennenanschluss und jedem Sendeanschluss gekoppelt. Eine Impedanz an dem Empfangsanschluss ist an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA) angepasst, eine Impedanz am Sendeanschluss ist an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers (PA) angepasst, und eine Impedanz am Antennenanschluss ist an eine Impedanz einer Antenne angepasst.

Description

  • HINWEIS AUF URHEBERRECHTE UND HANDELSAUFMACHUNG
  • Ein Teil der Offenbarung dieser Patentschrift enthält Material, das dem Urheberrechtsschutz unterliegt. Diese Patentschrift kann Gegenstände zeigen und/oder beschreiben, die Handelsaufmachung des Inhabers ist oder werden kann. Der Inhaber des Urheberrechts und der Handelsaufmachung hat keine Einwände gegen die Faksimile-Reproduktion der Patentoffenbarung, wie sie in den Patentakten oder -aufzeichnungen des Patent- und Markenamts erscheint, durch jedermann, behält sich aber ansonsten alle Rechte am Urheberrecht und Handelsaufmachung vor.
  • INFORMATION ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Dieses Patent beansprucht Priorität von der vorläufigen Patentanmeldung 63/185,454, eingereicht am 7. Mai 2021, mit dem Titel MATRIXFILTER MIT RFFE-ANPASSUNG (MATRIX FILTER WITH RFFE MATCHING).
  • Dieses Patent ist eine Fortsetzung in Teilen der Anmeldung 17/373,427 , eingereicht am 12.07.2021, mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTE AKUSTISCHE FILMVOLUMENRESONATOR-MATRIXFILTER MIT UMSCHALTERN IN REIHE MIT TEILFILTER-SHUNT-KONDENSATOREN (TRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR MATRIX FILTERS WITH SWITCHES IN PARALLEL WITH SUB-FILTER SHUNT CAPACITORS), die eine Fortsetzung in Teilen der Anmeldung 17/372,114 , eingereicht am 7.9.2021, mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTE AKUSTISCHE FILMVOLUMENRESONATOR-MATRIXFILTER MIT NICHT-ZUSAMMENHÄNGENDEM DURCHLASSBAND (TRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR MATRIX FILTERS WITH NONCONTINGUOUS PASSBAND), die Priorität von der vorläufigen Patentanmeldung 63/180,084, eingereicht am 27. April 2021, mit dem Titel MATRIXFILTER FÜR RF-DIVERSITY-EMPFÄNGER (MATRIX FILTER FOR RF DIVERSITY RECEIVER) beansprucht und die auch eine Fortsetzung in Teilen der Anmeldung 17/122,986 , eingereicht am 15.12.2020, mit dem Titel AKUSTISCHE MATRIX-DIPLEXER UND FUNKVORRICHTUNGEN UNTER VERWENDUNG VON AKUSTISCHEN MATRIX-DIPLEXERN (ACOUSTIC MATRIX DIPLEXERS AND RADIOS USING ACOUSTIC MATRIX DIPLEXERS) ist, die eine Fortsetzung der Anmeldung 17/121,724, eingereicht am 14.12.2020, mit dem Titel AKUSTISCHE MATRIXFILTER UND FUNKVORRICHTUNGEN UNTER VERWENDUNG VON AKUSTISCHEN MATRIXFILTERN (ACOUSTIC MATRIX FILTERS AND RADIOS USING ACOUSTIC MATRIX FILTERS) ist, die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung 63/087,789 , eingereicht am 5. Oktober 2020, mit dem Titel MATRIX-XBAR-FILTER (MATRIX XBAR FILTER) beansprucht.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf Funkfrequenzfilter, die akustische Wellenresonatoren verwenden, und insbesondere auf Filter zur Verwendung in Kommunikationsausrüstung.
  • Beschreibung des verwandten Standes der Technik
  • Ein Funkfrequenzfilter (RF-Filter) ist ein Zwei-Port-Gerät, das so eingerichtet ist, dass es einige Frequenzen durchlässt und andere Frequenzen sperrt, wobei „Durchlassen“ Übertragen mit relativ geringem Signalverlust bedeutet und „Sperren“ Blockieren oder wesentliches Dämpfen bedeutet. Der Bereich der von einem Filter durchgelassenen Frequenzen wird als „Durchlassband“ des Filters bezeichnet. Der Bereich der von einem solchen Filter gesperrten Frequenzen wird als „Sperrband“ des Filters bezeichnet. Ein typisches RF-Filter hat mindestens ein Durchlassband und mindestens ein Sperrband. Spezifische Anforderungen an ein Durchlass- oder Sperrband hängen von der spezifischen Anwendung ab. Zum Beispiel kann ein „Durchlassband“ als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Einfügungsdämpfung eines Filters besser als ein definierter Wert wie 1 dB, 2 dB oder 3 dB ist. Ein „Sperrband“ kann als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Unterdrückung eines Filters je nach Anwendung größer als ein definierter Wert wie 20 dB, 30 dB, 40 dB oder mehr ist.
  • RF-Filter werden in Kommunikationssystemen verwendet, in denen Informationen über drahtlose Verbindungen übertragen werden. RF-Filter finden sich beispielsweise in den RF-Frontends von Mobilfunk-Basisstationen, Mobiltelefonen und Computergeräten, Satellitentransceivern und Bodenstationen, IoT-Geräten (Internet der Dinge), Laptops und Tablets, Festpunktfunkverbindungen und anderen Kommunikationssystemen. RF-Filter werden auch in Radar- und elektronischen und informationstechnischen Kriegsführungssystemen eingesetzt.
  • RF-Filter erfordern in der Regel viele Design-Kompromisse, um für jede spezifische Anwendung den besten Kompromiss zwischen Leistungsparametern wie Einfügungsdämpfung, Unterdrückung, Isolierung, Belastbarkeit, Linearität, Größe und Kosten zu erzielen. Spezifische Design- und Fertigungsmethoden und -verbesserungen können gleichzeitig einer oder mehreren dieser Anforderungen zugutekommen.
  • Leistungsverbesserungen an den RF-Filtern in einem Drahtlossystem können sich auf die Systemleistung auf breiter Front auswirken. Verbesserungen bei RF-Filtern können genutzt werden, um die Systemleistungsverbesserungen vorzusehen, wie z. B. größere Zellen, längere Batterielebensdauer, höhere Datenraten, größere Netzwerkkapazität, niedrigere Kosten, verbesserte Sicherheit, höhere Zuverlässigkeit usw. Diese Verbesserungen können auf vielen Ebenen des Drahtlossystems sowohl einzeln als auch in Kombination realisiert werden, wie zum Beispiel auf der Ebene des RF-Moduls, des RF-Transceivers, des mobilen oder festen Subsystems oder des Netzwerks.
  • Hochleistungs-RF-Filter für aktuelle Kommunikationssysteme enthalten üblicherweise akustische Wellenresonatoren, einschließlich akustische Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave Resonator, SAW-Resonator), akustische Volumenwellenresonatoren (Bulk Acoustic Wave Resonator, BAW-Resonator), akustische Filmvolumenwellenresonatoren (Film Bulk Acoustic Wave Resonator, FBAR-Resonator) und andere Arten von akustischen Resonatoren. Diese bestehenden Technologien sind jedoch nicht gut für den Einsatz bei den höheren Frequenzen und Bandbreiten geeignet, die für zukünftige Kommunikationsnetze vorgeschlagen werden.
  • Der Wunsch nach größeren Kommunikationskanalbandbreiten führt unweigerlich zur Nutzung höherer Frequenzkommunikationsbänder. Die Funkzugangstechnologie für Mobilfunknetze wurde von der 3GPP (3rd Generation Partnership Project) standardisiert. Die Funkzugangstechnologie für Mobilfunknetze der 5. Generation ist im Standard 5G NR (New Radio) definiert. Der 5G NR-Standard definiert mehrere neue Kommunikationsbänder. Zwei dieser neuen Kommunikationsbänder sind N77, das den Frequenzbereich von 3300 MHz bis 4200 MHz nutzt, und N79, das den Frequenzbereich von 4400 MHz bis 5000 MHz nutzt. Sowohl das Band N77 als auch das Band N79 verwenden das Zeitduplexverfahren (TDD), so dass ein Kommunikationsgerät, das im Band N77 und/oder Band N79 arbeitet, dieselben Frequenzen für Uplink- und Downlink-Übertragungen verwendet. Die Bandpassfilter für die Bänder N77 und N79 müssen in der Lage sein, die Sendeleistung des Kommunikationsgeräts zu verarbeiten. WiFi-Bänder bei 5 GHz und 6 GHz erfordern ebenfalls eine hohe Frequenz und große Bandbreite. Der 5G NR-Standard definiert auch Millimeterwellen-Kommunikationsbänder mit Frequenzen zwischen 24,25 GHz und 40 GHz.
  • Der transversal angeregte akustische Filmvolumenresonator (XBAR) ist eine Struktur eines akustischen Resonators zur Verwendung bei Mikrowellenfiltern. Der XBAR ist im Patent US 10,491,291 mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTER AKUSTISCHER FILMVOLUMENRESONATOR (TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR) beschrieben. Ein XBAR-Resonator umfasst einen Interdigitalwandler (Interdigital Transducer, IDT), der auf einer dünnen schwimmenden Schicht oder Membran aus einem einkristallinen piezoelektrischen Material gebildet ist. Der IDT enthält einen ersten Satz paralleler Finger, die sich von einer ersten Sammelschiene erstrecken, und einen zweiten Satz paralleler Finger, die sich von einer zweiten Sammelschiene erstrecken. Der erste und der zweite Satz von parallelen Fingern sind ineinander verschachtelt. Ein an den IDT angelegtes Mikrowellensignal regt eine primäre akustische Scherwelle in der piezoelektrischen Membran an. XBAR-Resonatoren bieten eine sehr hohe elektromechanische Kopplung und Funkfrequenzfähigkeit. XBAR-Resonatoren können in einer Vielzahl von RF-Filtern eingesetzt werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBAR sind gut geeignet zur Verwendung in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz. Matrix-XBAR-Filter sind ebenfalls geeignet für Frequenzen zwischen 1 GHz und 3 GHz.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Draufsicht, zwei schematische Querschnittsansichten und eine detaillierte Querschnittsansicht eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR).
    • 2A ist ein Ersatzschaltungsmodell eines akustischen Resonators.
    • 2B ist ein Diagramm der Admittanz eines idealen akustischen Resonators.
    • 2C ist ein Schaltungssymbol für einen akustischen Resonator.
    • 3A ist ein schematisches Diagramm eines Matrixfilters, das akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 3B ist eine schematische Darstellung eines Teilfilters von 3A.
    • 4 ist ein Diagramm der Leistung einer Ausführungsform des Filters von 3A, das die Resonanzfrequenzen der Teilfilter zeigt.
    • 5 ist ein Diagramm der Leistung der Ausführungsform des Filters von 3A, das die Durchlassband-Frequenzen der Teilfilter zeigt.
    • 6 ist ein schematisches Diagramm eines Matrix-Diplexers, der akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 7 ist ein Diagramm der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen einer Ausführungsform des geschalteten Diplexers von 6.
    • 8 ist ein schematisches Diagramm eines Matrix-Triplexers, der akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 9 ist ein Diagramm der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen einer Ausführungsform des Triplexers von 8.
    • 10A ist ein schematisches Diagramm eines rekonfigurierbaren geschalteten Matrixfilters, das akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 10B ist ein schematisches Diagramm einer Art von Teilfilter und Schaltmodul von 10A.
    • 10C ist eine schematische Darstellung einer anderen Art von Teilfilter- und Schaltmodul von 10A.
    • 11 ist ein Diagramm der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen von zwei Konfigurationen einer Ausführungsform des rekonfigurierbaren geschalteten Matrixfilters von 10A.
    • 12 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Frequenzteilungsduplex (FDD)-Funkvorrichtung mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 13 ist ein Blockdiagramm eines Dreiband-Diversity-Empfängers unter Verwendung eines Matrix-Triplexers mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 14 ist ein Blockdiagramm einer Zweiband-Frequenzmultiplex-Funkvorrichtung unter Verwendung eines Matrix-Multiplexer-Filters mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 15A ist ein schematisches Diagramm eines Matrixfilters, das akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind.
    • 15B zeigt spezifische Komponenteneigenschaften für ein erstes Beispiel von 15A.
    • 15C zeigt spezifische Komponenteneigenschaften für ein zweites Beispiel von 15A.
  • In dieser Beschreibung werden Elementen, die in Zeichnungen erscheinen, drei- oder vierstellige Bezugsbezeichner zugewiesen, wobei die beiden niedrigstwertigen Ziffern für das Element spezifisch sind und die ein oder zwei höchstwertigen Ziffern die Zeichnungsnummer sind, bei der das Element zuerst eingeführt wird. Bei einem Element, das nicht in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass es dieselben Merkmale und dieselbe Funktion wie ein zuvor beschriebenes Element mit demselben Bezugsbezeichner hat.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Vorrichtungsbeschreibung
  • Der transversal angeregte akustische Filmvolumenresonator (XBAR) ist eine neue Resonatorstruktur zur Verwendung in akustischen Filtern zur Filterung von Mikrowellensignalen. Der XBAR ist in dem Patent US 10,491,291 mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTER AKUSTISCHER FILMVOLUMENRESONATOR (TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR) beschrieben, das hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist. Ein XBAR-Resonator umfasst eine Leiterstruktur mit einem Interdigitalwandler (IDT), der auf einer dünnen schwimmenden Schicht oder Membran aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist. Der IDT hat zwei Sammelschienen, die jeweils an einem Satz von Fingern angebracht sind, und die beiden Sätze von Fingern sind auf der Membran über einem Hohlraum ineinander verschachtelt, der in einem Substrat gebildet ist, auf dem der Resonator montiert ist. Die Membran überspannt den Hohlraum und kann vorderseitige und/oder rückseitige dielektrische Schichten enthalten. Ein an den IDT angelegtes Mikrowellensignal regt eine primäre akustische Scherwelle in der piezoelektrischen Membran an, so dass die akustische Energie im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Schicht fließt, die orthogonal oder quer zur Richtung des vom IDT erzeugten, elektrischen Feldes liegt. XBAR-Resonatoren bieten eine sehr hohe elektromechanische Kopplung und eine Funkfrequenzfähigkeit.
  • Ein Matrixfilter ist eine Filterarchitektur, die es ermöglicht, eine Vielzahl von Niederfrequenzfiltern mit kleinen XBAR-Resonatoren zu realisieren. Teilfilter des Matrixfilters können eine nicht-zusammenhängende Bandpassfilterung im Niederfrequenzbereich ermöglichen. Ein solches Bandpass-Teilfilter hat eine Leiterfilterschaltung mit XBAR-Serienelementen und Kondensator-Shunt-Elementen. Im Folgenden werden verbesserte XBAR-Resonatoren, Filter und Fertigungstechniken beschrieben, mit denen die Eingangs- und/oder Ausgangsimpedanzen eines Matrixfilters über einen weiten Bereich eingestellt werden können, um eine Anpassung der Impedanz an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente wie Antennen (Ant), Leistungsverstärker (PA) und rauscharme Verstärker (LN) zu ermöglichen. Da das Matrixfilter eine Anpassung der Impedanz an die RFFE vornimmt, ist keine externe Anpassung der Impedanz oder Umschaltung erforderlich.
  • 1 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht, orthogonale Querschnittsansichten und eine detaillierte Querschnittsansicht eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR) 100. XBAR-Resonatoren wie der Resonator 100 können in einer Vielzahl von RF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBAR eignen sich besonders für den Einsatz in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz. Die in diesem Patent beschriebenen Matrix-XBAR-Filter sind auch für Frequenzen über 1 GHz geeignet.
  • Der XBAR 100 besteht aus einer Dünnfilm-Leiterstruktur, die auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Platte 110 mit paralleler Vorder- und Rückfläche 112 bzw. 114 gebildet ist. Die piezoelektrische Platte ist eine dünne einkristalline Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lanthangalliumsilikat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die piezoelektrische Platte ist so geschnitten, dass die Ausrichtung der X-, Y- und Z-Kristallachsen in Bezug auf die Vorder- und Rückfläche bekannt und konsistent ist. Die piezoelektrische Platte kann Z-geschnitten (d. h. die Z-Achse steht senkrecht zu der Vorder- und Rückfläche 112, 114), Z-gedreht oder YX-gedreht geschnitten sein. XBAR können auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Ausrichtungen hergestellt sein.
  • Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 ist an einer Oberfläche des Substrats 120 angebracht, mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte 110, der eine Membran 115 bildet, die einen im Substrat gebildeten Hohlraum 140 überspannt. Der Teil der piezoelektrischen Platte, der den Hohlraum überspannt, wird hier als „Membran“ 115 bezeichnet, da er physisch der Membran eines Mikrofons ähnelt. Wie in 1 dargestellt, grenzt die Membran 115 an den Rest der piezoelektrischen Platte 110 um den gesamten Umfang 145 des Hohlraums 140 zusammenhängend an. In diesem Zusammenhang bedeutet „zusammenhängend“ „durchgehend verbunden ohne ein dazwischenliegendes Element“. In anderen Konfigurationen kann die Membran 115 um mindestens 50 % des Umfangs 145 des Hohlraums 140 an die piezoelektrische Platte zusammenhängend angrenzen.
  • Das Substrat 120 bietet der piezoelektrischen Platte 110 mechanischen Halt. Das Substrat 120 kann z. B. aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material oder einer Kombination von Materialien bestehen. Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 kann mit Hilfe eines Wafer-Bonding-Verfahrens auf das Substrat 120 gebondet sein. Alternativ kann die piezoelektrische Platte 110 auch auf dem Substrat 120 aufgewachsen oder auf andere Weise an dem Substrat angebracht sein. Die piezoelektrische Platte 110 kann direkt oder über eine oder mehrere Materialzwischenschichten (in 1 nicht dargestellt) auf dem Substrat 120 angebracht sein.
  • „Hohlraum“ hat die übliche Bedeutung von „ein leerer Raum innerhalb eines festen Körpers“. Der Hohlraum 140 kann ein Loch sein, das das Substrat 120 vollständig durchdringt (wie in Abschnitt A-A und Abschnitt B-B gezeigt), oder eine Aussparung im Substrat 120 unter der Membran 115. Der Hohlraum 140 kann z. B. durch selektives Ätzen des Substrats 120 vor oder nach dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 und des Substrats 120 gebildet sein.
  • Die Leiterstruktur des XBAR 100 umfasst einen Interdigitalwandler (IDT) 130. Der IDT 130 umfasst eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, wie z. B. Finger 136, die sich von einer ersten Sammelschiene 132 erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 134 erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl paralleler Finger sind ineinander verschachtelt. Die ineinander verschachtelten Finger überlappen sich über einen Abstand AP, der gemeinhin als „Apertur“ des IDT bezeichnet wird. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand L zwischen den äußersten Fingern des IDT 130 ist die „Länge“ des IDT.
  • Die erste und die zweite Sammelschiene 132, 134 dienen als Anschlüsse des XBAR 100. Ein Funkfrequenz- oder Mikrowellensignal, das zwischen den beiden Sammelschienen 132, 134 des IDT 130 angelegt wird, regt eine primäre akustische Mode innerhalb der piezoelektrischen Platte 110 an. Die primäre akustische Mode eines XBAR ist eine Volumenschermode, bei der sich die akustische Energie entlang einer Richtung ausbreitet, die im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 110 verläuft, also auch senkrecht oder quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes. Daher wird der XBAR als ein transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
  • Der IDT 130 ist so auf der piezoelektrischen Platte 110 positioniert, dass zumindest die Finger des IDT 130 auf der Membran 115 der piezoelektrischen Platte angeordnet sind, die den Hohlraum 140 überspannt oder darüber aufgehängt ist. Wie in 1 dargestellt, hat der Hohlraum 140 eine rechteckige Form mit einer Ausdehnung, die größer ist als die Apertur AP und die Länge L des IDT 130. Ein Hohlraum eines XBAR kann eine andere Form haben, z. B. ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck. Der Hohlraum eines XBAR kann mehr oder weniger als vier Seiten haben, die gerade oder gekrümmt sein können.
  • Die detaillierte Querschnittsansicht (Detail C) zeigt zwei IDT-Finger 136a, 136b auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 110. Die Dimension p ist der „Abstand“ („Pitch“) des IDT und die Dimension w ist die Breite oder „Marke“ der IDT-Finger. Eine dielektrische Schicht 150 kann zwischen und optional über (siehe IDT-Finger 136a) den IDT-Fingern gebildet sein. Die dielektrische Schicht 150 kann aus einem nicht-piezoelektrischen dielektrischen Material bestehen, z. B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Die dielektrische Schicht 150 kann aus mehreren Schichten aus zwei oder mehr Materialien bestehen. Die IDT-Finger 136a und 136b können aus Aluminium, Kupfer, Beryllium, Gold, Wolfram, Molybdän, Legierungen und Kombinationen davon oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Dünne (im Verhältnis zur Gesamtdicke der Leiter) Schichten aus anderen Metallen, wie Chrom oder Titan, können unter und/oder über und/oder als Schichten innerhalb der Finger gebildet sein, um die Haftung zwischen den Fingern und der piezoelektrischen Platte 110 zu verbessern und/oder um die Finger zu passivieren oder zu verkapseln und/oder um die Leistungsaufnahme zu verbessern. Die Sammelschienen des IDT 130 können aus denselben oder anderen Materialien wie die Finger bestehen.
  • Um die Darstellung in 1 zu vereinfachen, ist der geometrische Abstand und die Breite der IDT-Finger im Vergleich zur Länge (Dimension L) und Apertur (Dimension AP) des XBAR stark übertrieben. Ein typischer XBAR hat mehr als zehn parallele Finger in dem IDT 110. Ein XBAR kann Hunderte von parallelen Fingern in dem IDT 110 haben. Ebenso ist die Dicke der Finger in den Querschnittsansichten stark übertrieben.
  • Ein XBAR, der auf akustischen Scherwellenresonanzen basiert, kann eine bessere Leistung erzielen als der aktuelle Stand der Technik bei akustischen Oberflächenwellen (SAW)-, akustischen Filmvolumenresonatoren (FBAR)- und akustischen Festkörpervolumenresonatoren (SMR BAW)-Vorrichtungen. Insbesondere die piezoelektrische Kopplung für Scherwellen-XBAR-Resonanzen kann im Vergleich zu anderen akustischen Resonatoren hoch sein (>20 %). Eine hohe piezoelektrische Kopplung ermöglicht den Entwurf und die Implementierung von Mikrowellen- und Millimeterwellenfiltern verschiedener Typen mit beträchtlicher Bandbreite.
  • Das grundlegende Verhalten akustischer Resonatoren, einschließlich XBAR, wird üblicherweise mit dem Butterworth-Van-Dyke-Schaltungsmodell (BVD) beschrieben, wie in 2A dargestellt. Das BVD-Schaltungsmodell besteht aus einem beweglichen Arm und einem statischen Arm. Der bewegliche Arm umfasst eine bewegliche Induktivität Lm, eine bewegliche Kapazität Cm und einen Widerstand Rm. Der statische Arm umfasst eine statische Kapazität C0 und einen Widerstand R0. Das BVD-Modell beschreibt das Verhalten eines akustischen Resonators zwar nicht vollständig, eignet sich aber gut zur Modellierung der beiden Hauptresonanzen, die für die Entwicklung von Bandpassfiltern, Duplexern und Multiplexern verwendet werden (Multiplexer sind Filter mit mehr als zwei Eingangs- oder Ausgangsanschlüssen mit mehreren Durchlassbändern).
  • Die erste primäre Resonanz des BVD-Modells ist die bewegliche Resonanz, die durch die Reihenschaltung aus der beweglichen Induktivität Lm und der beweglichen Kapazität Cm verursacht wird. Die zweite primäre Resonanz des BVD-Modells ist die Antiresonanz, die durch die Kombination der beweglichen Induktivität Lm, der beweglichen Kapazität Cm und der statischen Kapazität C0 verursacht wird. In einem verlustfreien Resonator (Rm = R0 = 0) ist die Frequenz Fr der beweglichen Resonanz gegeben durch F r = 1 2 π L m C m
    Figure DE102022111162A1_0001
  • Die Frequenz Fa der Antiresonanz ist gegeben durch F a = 1 + 1 γ F r
    Figure DE102022111162A1_0002
    wobei γ = C0/Cm von der Resonatorstruktur und der Art und Ausrichtung der kristallinen Achsen des piezoelektrischen Materials abhängen.
  • 2B ist ein Diagramm 200 der Größe von Admittanz eines theoretischen verlustfreien akustischen Resonators. Der akustische Resonator hat eine Resonanz 212 bei einer Resonanzfrequenz, bei der sich die Admittanz des Resonators der Unendlichkeit nähert. Die Resonanz ist bedingt durch die Reihenschaltungskombination aus der beweglichen Induktivität Lm und der beweglichen Cm im BVD-Modell von 2A. Der akustische Resonator weist auch eine Antiresonanz 214 auf, bei der die Admittanz des Resonators gegen Null geht. Die Antiresonanz wird verursacht durch die Kombination der beweglichen Induktivität Lm, der beweglichen Kapazität Cm und der statischen Kapazität C0. In einem verlustfreier Resonator (Rm = R0 = 0) ist die Frequenz Fr der Resonanz gegeben durch a r = 1 F r C r + π
    Figure DE102022111162A1_0003
  • Die Frequenz Fa der Antiresonanz ist gegeben durch F a = 1 + 1 γ F r
    Figure DE102022111162A1_0004
  • Stark vereinfacht kann der verlustfreie akustische Resonator als Kurzschluss bei der Resonanzfrequenz 212 und als offener Kreis bei der Antiresonanzfrequenz 214 betrachtet werden. Die Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen in 2B sind repräsentativ, und ein akustischer Resonator kann auch für andere Frequenzen ausgelegt sein.
  • 2C zeigt das Schaltsymbol für einen akustischen Resonator wie einen XBAR. Dieses Symbol wird zur Bezeichnung jedes akustischen Resonators in schematischen Darstellungen von Filtern in den nachfolgenden Figuren verwendet.
  • 3A ist ein schematisches Diagramm eines Matrixfilters 300, das akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Das Matrixfilter 300 umfasst eine Feld 310 von n Teilfiltern 320-1, 320-2, 320-n, die parallel zwischen einem ersten Filteranschluss (FP1) und einem zweiten Filteranschluss (FP2) geschaltet sind, wobei n eine ganze Zahl größer als eins ist. Die Teilfilter 320-1, 320-2, 320-n haben nicht-zusammenhängende Durchlassbänder, so dass die Bandbreite des Matrixfilters 300 nicht der Summe der Bandbreiten der einzelnen Teilfilter entspricht, sondern drei separate und unabhängige Durchlassbänder aufweist, die durch Sperrbänder getrennt sind, die dort vorhanden sind, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters 300 weniger als -20 dB beträgt. In den folgenden Beispielen dieses Patents ist n = 3. n kann kleiner oder größer als 3 sein, wenn dies erforderlich ist, um die gewünschten nicht-zusammenhängenden Durchlassbänder für das Matrixfilter 300 zu schaffen. In einigen Fällen können die n Teilfilter 320-1, 320-2, 320-n einen oder mehrere XBAR enthalten. Bei dem Filter 300 und/oder den Teilfiltern kann es sich um RF-Filter handeln, die vom 5G NR-Standard definierte Frequenzbänder durchlassen.
  • Das Feld 310 von Teilfiltern wird am FP 1-Ende durch akustische Resonatoren XL1 und XH1 abgeschlossen, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise XBAR sind. Das Feld 310 von Teilfiltern wird am FP2-Ende durch akustische Resonatoren XL2 und XH2 abgeschlossen, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise XBAR sind. Die akustischen Resonatoren XL1, XL2, XH1 und XH2 erzeugen „Übertragungsnullstellen“ bei ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen. Eine „Übertragungsnullstelle“ ist eine Frequenz, bei der die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Filters 300 sehr niedrig ist (und Null wäre, wenn die akustischen Resonatoren XL1, XL2, XH1 und XH2 verlustfrei wären). Die Nullstellen-Übertragung kann dadurch verursacht werden, dass einer oder mehrere der akustischen Resonatoren eine sehr niedrige Impedanz gegen Masse erzeugen und somit in dieser Konfiguration dazu führen, dass die Teilfilter als Filterkomponenten entfernt werden, da die akustischen Resonatoren im Grunde genommen Kurzschlüsse gegen Masse sind, so dass die Teilfilter während der Übertragungsnullstellen-Frequenzen keine Auswirkungen auf das Filter 300 haben. Typischerweise, aber nicht unbedingt, sind die Resonanzfrequenzen von XL1 und XL2 gleich, und die Resonanzfrequenzen von XH1 und XH2 sind gleich. Die Resonanzfrequenzen der akustischen Resonatoren XL1 und XL2 sind so gewählt, dass sie Übertragungsnullstellen-Frequenzen in der Nähe des unteren Randes des Filter-Durchlassbandes ergeben. XL1 und XL2 können als „Resonatoren am unteren Rand“ („Low-Edge-Resonatoren“) bezeichnet werden, da ihre Resonanzfrequenzen in der Nähe des unteren Randes des Filter-Durchlassbandes liegen. Die akustischen Resonatoren XL1 und XL2 wirken auch als Shunt-Induktivitäten, um die Impedanz an den Anschlüssen des Filters an einen gewünschten Wert der Impedanz anzupassen. In den folgenden Beispielen in diesem Patent kann die Impedanz an jedem Anschluss des Filters auf 50 Ohm angepasst werden, wenn es an eine RF-Antenne angeschlossen ist; auf 4 Ohm, wenn es an einen Leistungsverstärker, z. B. eines RF-Senders, angeschlossen ist; und auf 300 Ohm, wenn es an einen rauscharmen Verstärker, z. B. eines RF-Empfängers, angeschlossen ist. Spezifische Beispiele für diese Ausführungsformen sind in den 15A-C dargestellt. In anderen Fällen kann die Impedanz auch einen anderen Wert annehmen, z. B. 20, 100 oder 1000 Ohm. Die Resonanzfrequenzen der akustischen Resonatoren XH1 und XH2 sind so gewählt, dass sie an oder über dem oberen Rand des Filter-Durchlassbandes Übertragungsnullstellen bilden. XH1 und XH2 können als „Resonatoren am oberen Rand“ („High-Edge-Resonatoren“) bezeichnet werden, da ihre Resonanzfrequenzen in der Nähe des oberen Randes des Filter-Durchlassbandes liegen. Die High-Edge-Resonatoren XH1 und XH2 sind nicht in allen Matrixfiltern erforderlich, z. B. bei Filtern mit Teilfiltern, die eine relative Amplitude von Signalen bei diesen Frequenzen am oberen Rand nicht durchlassen.
  • 3B ist eine schematische Darstellung eines Teilfilters 350, der für jeden der Teilfilter 320-1, 320-2 und 320-n des Filters 300 geeignet ist. Das Teilfilter 350 umfasst drei akustische Resonatoren XA, XB, XC, die in Reihe zwischen einem ersten Teilfilteranschluss (SP1), der mit FP1 verbunden werden kann, und einem zweiten Teilfilteranschluss (SP2), der mit FP2 verbunden werden kann, geschaltet sind. Die akustischen Resonatoren XA, XB, XC sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise XBAR. Das Teilfilter 350 umfasst zwei Koppelkondensatoren CA, CB, die jeweils zwischen Masse und einem Knoten zwischen zwei akustischen Resonatoren geschaltet sind. Die Einbeziehung von drei akustischen Resonatoren in dem Teilfilter 350 ist beispielhaft. Ein Teilfilter kann m akustische Resonatoren aufweisen, wobei m eine ganze Zahl größer als eins ist. Ein Teilfilter mit m akustischen Resonatoren enthält m-1 Koppelkondensatoren. Die m akustischen Resonatoren eines Teilfilters sind zwischen den beiden Anschlüssen SP1 und SP2 eines Teilfilters in Reihe geschaltet, und jeder der m-1 Koppelkondensatoren ist zwischen Masse und einem Knoten zwischen einem jeweiligen Paar akustischer Resonatoren der m akustischen Resonatoren geschaltet.
  • Im Vergleich zu anderen Arten von akustischen Resonatoren haben XBAR eine sehr hohe elektromechanische Kopplung (was zu einem großen Unterschied zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen führt), aber eine geringe Kapazität pro Flächeneinheit. Die Matrixfilter-Architektur, wie in 3A und 3B dargestellt, nutzt den Vorteile der hohen elektromechanischen Kopplung von XBAR, ohne dass eine hohe Resonatorkapazität erforderlich ist.
  • 4 ist ein Diagramm 400 der Leistung 405 einer beispielhaften Ausführungsform eines Matrixfilters, das unter Verwendung von XBAR für alle akustischen Resonatoren implementiert wurde. Die Leistung 405 im Diagramm 400 kann die Leistung der Übertragungsfunktion S21 für das Filter 300 mit drei Teilfilter mit nicht-zusammenhängenden Durchlassbänder 1, 2 und 3 sein. Insbesondere umfasst die Leistung 405 die durchgezogenen, gestrichelten und gepunkteten Linien 410, 420 und 430, die eine Darstellung von S21, der FP1-zu-FP2-Übertragungsfunktion, des Filters als Funktion von der Frequenz sind, wobei jede der Linien 410, 420 und 430 für die Teilfilter mit nicht-zusammenhängenden Durchlassbändern 1, 2 bzw. 3 gilt. Das heißt, die durchgezogene Linie 410 ist eine Darstellung von S21, die separate FPl-zu-FP2-Übertragungsfunktion, für Teilfilter 1 des Filters als Funktion von der Frequenz und mit Resonanzfrequenz SF1 in Alleinstellung. Die gestrichelte Linie 420 ist ein Diagramm von S21, der separaten FP1-zu-FP2-Übertragungsfunktion, für Teilfilter 2 des Filters als Funktion von der Frequenz und mit Resonanzfrequenz SF2 in Alleinstellung. Die gestrichelte Linie 430 ist eine Darstellung von S21, der separaten FP1-zu-FP2-Übertragungsfunktion, für Teilfilter 3 des Filters als Funktion von der Frequenz und mit der Resonanzfrequenz SF3 in Alleinstellung. Da das beispielhafte Filter nicht symmetrisch ist, sind die durchgezogenen, gestrichelten und gepunkteten Linien 410, 420 und 430 keine Darstellungen von S 12.
  • 5 ist ein Diagramm 500 der Durchlassband-Frequenzen der Teilfilter innerhalb des beispielhaften Matrixfilters des Filters von 3A, dessen Leistung in 4 gezeigt wurde. Das Beispiel des Diagramms 500 kann für die Empfangsfrequenzen der LTE-Bänder 3, 1 und 7 (von der niedrigen bis zur hohen Frequenz) gelten, wobei die Durchlassbänder als über -3 dB definiert sind. Insbesondere sind P1, P2 und P3 Durchlassband-Frequenzen oberhalb von -3 dB der Größe der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen für Teilfilter 1, Teilfilter 2 bzw. Teilfilter 3. Die Durchlassbänder P1, P2 und P3 sind nicht-zusammenhängend, da jedes Paar benachbarter Durchlassbänder durch ein Sperrband getrennt ist, in dem die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters weniger als -20 dB beträgt. Zum Beispiel sind die Durchlassbänder P1 und P2 nicht-zusammenhängend, weil dieses Paar durch ein Sperrband SB1 getrennt ist, das dort existiert, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion S21 des Matrixfilters 300 kleiner als -20 dB ist. Auch die Durchlassbänder P2 und P3 sind nicht-zusammenhängend, da dieses Paar durch das Sperrband SB2 getrennt ist, das dort vorhanden ist, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion S21 des Matrixfilters 300 kleiner als -20 dB ist.
  • Das Matrixfilter in den 4 und 5 umfasst drei Teilfilter mit Verbindungen zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, die ein- und ausgeschaltet werden können, um zahlreiche Durchlassbänder für Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale bereitzustellen. Jedes Teilfilter kann drei XBAR enthalten, wie in 3A und 3B dargestellt. In anderen Fällen können zwei, vier, fünf oder bis zu 10 Teilfilter vorhanden sein. Außerdem kann jedes Teilfilter mehr als drei XBAR und 2 Koppelkondensatoren enthalten. Einige Teilfilter können m akustische Resonatoren haben, wobei m = vier, fünf, sechs oder bis zu 10 ist, und entsprechende m-1 Koppelkondensatoren, wie in 3B dargestellt. In diesem und allen folgenden Beispielen wurde die Filterleistung durch Simulation des Filters unter Verwendung von BVD-Modellen (2A) für die XBAR bestimmt. Es versteht sich von selbst, dass die hier dargelegten Konzepte für 3 Teilfilter auf nur zwei, vier, fünf oder eine beliebige Anzahl von Teilfiltern erweitert werden können, je nach Größe und Komplexität des Routings.
  • Die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des beispielhaften Filters, wie in 4 dargestellt, ist die Vektorsumme der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen der drei Teilfilter, wobei die drei Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder haben. Nicht-zusammenhängende Durchlassbänder können bedeuten, dass keine Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines einzelnen Teilfilters eine andere Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines anderen Teilfilters bei einer Frequenz kreuzt, bei der die S21-Übertragungsfunktionen beider Filter über -20 dB liegen. Zu diesem Zweck kreuzen sich die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen von Teilfilter 1 und Teilfilter 2 bei einer Frequenz knapp unter 2 GHz, bei der (a) S21 beider Filter nicht über -20 dB liegt und (b) die Phasen der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktionen beider Filter im Wesentlichen gleich sind. In diesem Zusammenhang bedeutet „nicht oberhalb“, dass die Phasen der Eingangs- und Ausgangsübertragungsfunktionen beider Filter im Wesentlichen gleich sind. In diesem Zusammenhang bedeutet „nicht oberhalb“, dass der Wert ausreichend niedrig ist, um keine unerwünschten Veränderungen in einer der Übertragungsfunktionen eines Teilfilters aufgrund der Übertragungsfunktion eines anderen Teilfilters des Matrixfilters innerhalb der Bereiche des Filter-Durchlassbandes, in diesem Fall 1,5 bis 3 GHz, zu verursachen. Der quantitative Wert von „nicht über“ kann für verschiedene Filteranwendungen unterschiedlich sein. Ähnliche Anforderungen gelten für Teilfilter 2 und Teilfilter 3. Bei Matrixfiltern mit mehr als drei Teilfiltern gelten ähnliche Anforderungen für jedes (in der Frequenz) benachbarte Paar von Teilfiltern.
  • In einigen Fällen beschreibt ein Matrixfilter mit „zusammenhängendem“ Durchlassband Matrixfilter mit einem Durchlassband, das die Summe der Durchlassbänder von mehr als einem Teilfilter ist, während ein Matrixfilter mit „nicht-zusammenhängendem“ Durchlassband Matrixfilter beschreibt, bei denen jedes Durchlassband das Durchlassband von nur einem Teilfilter ist. Bei einigen geschalteten Matrixfiltern sind die Durchlassbänder der Teilfilter eines „nicht-zusammenhängenden“ Matrixfilters nicht benachbart oder überschneiden sich nicht über -20 dB. Ein Matrixfilter kann auch einige Teilfilter, die zusammenhängend sind, und andere Teilfilter haben, die nicht-zusammenhängend sind. Beispielsweise kann es sich um ein Filter handeln, das mindestens ein Sperrband zwischen den Durchlassbändern mindestens eines Paares benachbarter Teilfilter aufweist.
  • In einem Beispiel ist das unterste Durchlassband, das Teilfilter 1 mit nicht-zusammenhängendem Durchlassband, das LTE-Band Rx 3 und hat 3 Resonatoren und 2 Koppelkondensatoren. Das mittlere Durchlassband, das Teilfilter 2 mit nicht-zusammenhängendem Durchlassband, ist das LTE-Band Rx 1 und hat 5 Resonatoren und 4 Koppelkondensatoren. Das höchste Durchlassband, das Teilfilter 3 mit nicht-zusammenhängenden Durchlassbändern, ist das LTE-Band Rx 7 und das Teilfilter hat 4 Resonatoren und 3 Koppelkondensatoren. Dieses Filter kann einen oder mehrere XL-Resonatoren und keinen oder mehrere XH-Resonatoren haben.
  • Das beispielhafte Matrixfilter ist nicht symmetrisch, da die Impedanzen an FP1 und FP2 unterschiedlich sind. Die Impedanz am Anschluss FP1 kann 50 Ohm eines Filtereingangs sein, der an die Impedanz einer RF-Antenne angepasst werden soll. Die Impedanz an Anschluss FP2 kann 4 Ohm eines Filterausgangsanschlusses sein, der an die Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers, z. B. eines RF-Senders, angepasst werden soll, z. B. wenn Filter 300 als Sendefilter verwendet wird. In einem anderen Fall kann die Impedanz am Anschluss FP2 300 Ohm eines Filterausgangsanschlusses sein, der an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers, z. B. eines RF-Empfängers, angepasst werden soll, wenn das Filter 300 als Empfangsfilter verwendet wird. Die vertikalen gestrichelten Linien kennzeichnen die Resonanzfrequenzen der XBAR innerhalb des beispielhaften Matrixfilters. Die Linie mit der Bezeichnung „XL“ kennzeichnet die Resonanzfrequenz der Resonatoren XL1 und XL2, die an den unteren Rand des Filter-Durchlassbandes angrenzt. Die Linie mit der Bezeichnung „XH“ bezeichnet die Resonanzfrequenz der Resonatoren XH1 und XH2, die an den oberen Rand des Filter-Durchlassbandes angrenzt. Die beiden Linien mit der Bezeichnung „SF1“ in 4 bezeichnen die Resonanzfrequenzen der XBAR innerhalb des Teilfilters 1 in Alleinstellung. Die beiden Linien mit der Bezeichnung „PBF1“ in 5 kennzeichnen die Durchlassband-Frequenzen der XBAR innerhalb des Teilfilters 1 in Alleinstellung. Es ist zu beachten, dass beide Resonanzfrequenzen niedriger sind als die Mitte des Durchlassbandes. Das liegt daran, dass die Resonanzfrequenz eines Resonators und eines Kondensators in Reihe höher ist als die Resonanzfrequenz des Resonators in Alleinstellung. In ähnlicher Weise bezeichnen die beiden Linien mit der Bezeichnung „SF2“ die Resonanzfrequenzen der XBAR innerhalb des Teilfilters 2 und die beiden Linien mit der Bezeichnung „SF3“ die Resonanzfrequenzen der XBAR innerhalb des Teilfilters 3. In ähnlicher Weise bezeichnen die beiden Linien mit der Bezeichnung „SF2“ in 4 die Resonanzfrequenzen und die beiden Linien mit der Bezeichnung „PBF2“ in 5 die Durchlassband-Frequenzen der XBAR im Teilfilter 2. Schließlich bezeichnen die beiden Linien mit der Bezeichnung „SF3“ in 4 die Resonanzfrequenzen und die beiden Linien mit der Bezeichnung „PBF3“ in 5 die Durchlassband-Frequenzen der XBAR innerhalb des Teilfilters 3.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm eines Matrixfilters 600, das als Diplexer mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen eingerichtet ist, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Das Matrixfilter 600 umfasst ein Feld 610 von drei Teilfiltern 620-1, 620-2, 620-n. Teilfilter 1 620-1 ist zwischen einem ersten Filteranschluss (FP1) und einem zweiten Filteranschluss (FP2) geschaltet. Teilfilter 2 620-2 und Teilfilter 3 620-3 sind parallel zwischen FP1 und einem dritten Filteranschluss (FP3) geschaltet. FP1 ist der gemeinsame Anschluss oder Eingangsanschluss des Diplexers und FP2 und FP3 sind die Abzweig- oder Ausgangsanschlüsse. Das Feld 610 von Teilfiltern wird an beiden Enden durch XBAR XL und XH abgeschlossen, wie zuvor beschrieben.
  • 7 ist ein Diagramm 700 der Leistung 705 eines Beispiels des Matrixfilter-Diplexers 600 von 6. In diesem Beispiel sind XL, XH und die drei Teilfilter die gleichen wie die entsprechenden Elemente des Matrixfilters 300 von 3A. In 7 ist die durchgezogene Linie 410 unter 710 eine Darstellung von S21, der FP1-zu-FP2-Übertragungsfunktion, als Funktion von der Frequenz. Die gestrichelte Linie 420 und die gepunktete Linie 430 unter 720 ist eine Darstellung von S31, der FP1-zu-FP3-Übertragungsfunktion, als Funktion von der Frequenz. Da das beispielhafte Filter nicht symmetrisch ist, sind die durchgezogene Linie 410 unter 710 sowie die gestrichelte Linie 420 und die gepunktete Linie 430 unter 720 keine Darstellungen von S12 bzw. S13. Das geschaltete Matrixfilter 600 ist beispielhaft. In den meisten Anwendungen wird ein Diplexer die gleiche Anzahl (zwei, drei oder mehr) Teilfilter parallel zwischen dem gemeinsamen Anschluss oder Eingangsanschluss und den beiden Abzweiganschlüssen haben.
  • FP1 kann als gemeinsamer Anschluss oder Eingangsanschluss des Matrixfilter-Diplexers 600 angesehen werden. FP2 kann als der „Low-Band“-Anschluss und FP3 als der „High-Band“-Anschluss betrachtet werden. Wenn der Matrixfilter-Diplexer in einer Frequenzduplex-Funkvorrichtung verwendet wird, kann einer von FP2 und FP3 der Empfangs- oder Ausgangsport des Diplexers sein und der andere von FP2 und FP3 kann der Sende- oder Ausgangsport des Diplexers sein, je nach den für den Empfang und das Senden zugewiesenen Frequenzen.
  • In einer zweiten Diplexer-Konfiguration, die eine Variante des Filters 600 ist, sind Teilfilter 1 620-1 und Teilfilter 2 620-2 parallel zwischen FP1 und FP2 geschaltet. Hier ist das Teilfilter 3 6203 zwischen FP1 und FP3 geschaltet. In diesem Fall weist ein Diagramm der Leistung eines Beispiels des Matrixfilter-Diplexers die durchgezogene Linie 410 und die gestrichelte Linie 420 als ein Diagramm von S21 und die gepunktete Linie 430 als ein Diagramm von S31 in Abhängigkeit von der Frequenz auf.
  • In einer dritten Diplexer-Konfiguration, die eine Variante des Filters 600 ist, sind Teilfilter 1 620-1 und Teilfilter 3 620-3 parallel zwischen FP1 und FP2 geschaltet. Hier ist das Teilfilter 2 620-2 zwischen FP1 und FP3 geschaltet. In diesem Fall weist ein Diagramm der Leistung eines Beispiels des geschalteten Matrixfilter-Diplexers die durchgezogene Linie 410 und die gestrichelte Linie 430 als Diagramm von S21 und die gestrichelte Linie 420 als Diagramm von S31 in Abhängigkeit von der Frequenz auf.
  • Das Diplexer-Filter 600 und zwei Varianten sind geschaltete Matrixfilter, da jeder der Abzweiganschlüsse FP2 oder FP3 als Ausgang für das Filter gewählt oder umgeschaltet werden kann. Beispielsweise können die Teilfilter-Verbindungen zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ein- und ausgeschaltet werden, um zahlreiche Durchlassbänder für Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale bereitzustellen. Ein Prozessor (nicht dargestellt) kann mit dem Filter 600 gekoppelt sein und den Betrieb von Schaltern innerhalb des Filters steuern, z. B. um die Wahl von Abzweiganschlüssen zu ermöglichen.
  • In jeder der Konfigurationen des Diplexer-Filters 600 kann die Impedanz am Anschluss FP1 50 Ohm eines Filtereingangsanschlusses sein, der an die Impedanz einer RF-Antenne angepasst werden soll. Die Impedanz an jedem der Anschlüsse FP2 und FP3 kann 4 Ohm eines Filterausgangsanschlusses betragen, der an die Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers, z. B. eines RF-Senders, angepasst werden soll; oder sie kann 300 Ohm eines Filterausgangsanschlusses betragen, der an die Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers, z. B. eines RF-Empfängers, angepasst werden soll. In einigen Fällen ist die Impedanz an dem Anschluss FP2 die gleiche wie an dem FP3. In anderen Fällen sind sie unterschiedlich.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm eines Matrix-Triplexer-Filters 800, das akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Das Matrixfilter 800 enthält ein Feld 810 von drei Teilfiltern 820-1, 820-2, 820-n. Teilfilter 1 820-1 ist zwischen einem ersten Filteranschluss (FP1) und einem zweiten Filteranschluss (FP2) geschaltet. Teilfilter 2 820-2 ist zwischen FP1 und einem dritten Filteranschluss (FP3) geschaltet. Teilfilter 3 820-3 ist zwischen FP1 und einem vierten Filteranschluss (FP4) geschaltet. Das Feld 810 von Teilfiltern wird an beiden Enden durch XBAR XL und XH abgeschlossen, wie zuvor beschrieben. FP1 ist der gemeinsame Anschluss oder Eingangsanschluss des Multiplexers und FP2, FP3 und FP4 sind Abzweig- oder Ausgangsanschlüsse des Multiplexers. Ein Multiplexer kann mehr als drei Abzweiganschlüsse haben. Ein Multiplexer mit zwei Abzweiganschlüssen wird allgemein als „Diplexer“ und ein Multiplexer mit drei Abzweiganschlüssen als „Triplexer“ bezeichnet.
  • 9 ist ein Diagramm 900 der Leistung eines Beispiels der Funktionen einer Ausführungsform des Triplexer-Filters 800 von 8. In diesem Beispiel sind XL, XH und die drei Teilfilter die gleichen wie die entsprechenden Elemente des Matrixfilters 300 von 3A. In 9 ist die durchgezogene Linie unter 910 eine Darstellung von S21, der FP1-zu-FP2-Übertragungsfunktion, als Funktion von der Frequenz. Die gestrichelte Linie unter 920 ist eine Darstellung von S31, der FP1-zu-FP3-Übertragungsfunktion, als Funktion von der Frequenz. Die gestrichelte Linie unter 930 ist eine Darstellung von S41, der FPl-zu-FP4-Übertragungsfunktion, als Funktion von der Frequenz. Da das beispielhafte Filter nicht symmetrisch ist, sind die durchgezogene Linie unter 910, die gestrichelte Linie unter 920 und die gepunktete Linie unter 930 keine Darstellungen von S12, S13 bzw. S14.
  • FP1 kann als gemeinsamer Anschluss oder Eingangsanschluss des Matrixfilters betrachtet werden. FP2 kann als „Low-Band“-Anschluss, FP3 als „Middle-Band“-Anschluss und FP4 als „High-Band“-Anschluss betrachtet werden. Wenn das Matrixfilter in einer Frequenzteilungsduplex (FDD)-Funkvorrichtung verwendet wird, kann einer der Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 der Empfangs- oder Ausgangsanschluss und ein anderer der Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 der Sende- oder Ausgangsanschluss sein, je nachdem, welche Frequenzen für den Empfang und das Senden zugewiesen sind. In anderen Fällen können in einer FDD-Funkvorrichtung zwei der FP2, FP3 und FP4 der Empfangs- oder Ausgangsanschluss und der andere der FP2, FP3 und FP4 der Sende- oder Ausgangsanschluss sein; oder umgekehrt.
  • In zusätzlichen Multiplexer-Konfigurationen, die Varianten des Filters 800 sind, können ein oder mehrere Teilfilter 1 820-1, Teilfilter 2 820-2 und Teilfilter 3 820-3 parallel zwischen FP1 und FP2, FP3 und/oder FP4 geschaltet sein. In diesem Fall weist ein Diagramm der Leistung eines Beispiels des Matrixfilter-Diplexers die entsprechenden durchgezogenen, gestrichelten und gepunkteten Linien 410, 420 und/oder 430 als eine Darstellung von S21, S31 und/oder S41 in Abhängigkeit von der Frequenz auf.
  • Das Multiplexer-Filter 800 und zwei Varianten können geschaltete Matrixfilter sein, da jeder oder mehrere der Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 als Ausgang für das Filter gewählt oder umgeschaltet werden können. Beispielsweise können die Teilfilter-Verbindungen zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ein- und ausgeschaltet werden, um zahlreiche Durchlassbänder für Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale bereitzustellen. In einem Beispiel bietet ein geschalteter XBAR-Matrixfilter mit drei Teilfiltern für die LTE-Bänder 3, 1 und 7 eines rekonfigurierbaren Multi-Durchlassband-Filters, der für alle sieben möglichen Zustände konfigurierbar ist: nur 1, nur 3, nur 7, 1+3, 1+7, 3+7 und 1+3+7. Dieser Filter hat aufgrund seiner Matrix-Architektur geringe Verluste, z. B. aufgrund der Lage der Schalter und weil das Filter keine Induktoren benötigt. Ein Prozessor (nicht dargestellt) kann mit dem Filter 800 gekoppelt sein und den Betrieb der Schalter steuern, um beispielsweise die Teilfilter und die Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 zu wählen.
  • In jeder der Konfigurationen des Triplexer-Filters 800 kann die Impedanz am Anschluss FP1 50 Ohm eines Filtereingangsanschlusses sein, der an die Impedanz einer RF-Antenne angepasst werden soll. Die Impedanz an jedem der Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 kann 4 Ohm eines Filterausgangsanschlusses sein, der an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers, z. B. eines RF-Senders, angepasst werden soll; oder sie kann 300 Ohm eines Filterausgangsanschlusses sein, der an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers, z. B. eines RF-Empfängers, angepasst werden soll. In einigen Fällen ist die Impedanz an allen Anschlüssen FP2, FP3 und FP4 gleich. In anderen Fällen ist die Impedanz an einem dieser drei Anschlüsse anders als an den beiden anderen.
  • 10A ist ein schematisches Diagramm eines rekonfigurierbaren geschalteten Matrixfilters 1000 unter Verwendung von XBAR mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Das rekonfigurierbare geschaltete Matrixfilter 1000 umfasst ein Feld 1010 von n Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1020-1, 1020-2, 1020-n, die parallel zwischen einem ersten Filteranschluss (FP1) und einem zweiten Filteranschluss (FP2) geschaltet sind, wobei n eine ganze Zahl größer als eins ist. In einem nachfolgenden Beispiel ist n = 3. In anderen Fällen kann n größer als 3 sein, um die gewünschte Bandbreite für das rekonfigurierbare Matrixfilter 1000 zu erreichen. Jede Teilfilter-/Schalter-Schaltung fungiert als ein Filter mit nicht-zusammenhängendem Durchlassband, das selektiv aktiviert (d. h. zwischen FP1 und FP2 geschaltet) oder deaktiviert (d. h. nicht zwischen FP1 und FP2 geschaltet) werden kann. Das Feld 1010 von Teilfilter-/Schalter-Schaltungen wird an beiden Enden durch XBAR XL und XH abgeschlossen, wie zuvor beschrieben.
  • Die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1020-1, 1020-2, 1020-n haben nicht-zusammenhängende Durchlassbänder, so dass die Bandbreite des Matrixfilters 1000, wenn alle Teilfilter-/Schaltermodule aktiviert sind, nicht gleich der Summe der Bandbreiten der einzelnen Teilfilter ist, sondern stattdessen drei separate und unabhängige Durchlassbänder aufweist, die durch Stoppbänder getrennt sind, die dort vorhanden sind, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters 300 weniger als -20 dB beträgt. Einer oder mehrere der Teilfilter-/Schalter-Schaltungen können deaktiviert werden, um die Bandbreite des Matrixfilters anzupassen oder um Kerben oder Sperrbänder in das Gesamtdurchlassband einzufügen, um so die gewünschten nicht-zusammenhängenden Durchlassbänder für das Matrixfilter bereitzustellen. Bei dem Filter 1000 und/oder den Teilfiltern kann es sich um RF-Filter handeln, die Frequenzbänder durchlassen, die durch den 5G NR-Standard definiert sind.
  • 10B ist ein schematisches Diagramm einer Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1050, die für die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1020-1, 1020-2 und 1020-n in 10A geeignet ist. Die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1050 umfasst drei akustische Resonatoren X1, X2, X3 in Reihe zwischen einem ersten Teilfilteranschluss (SP1) und einem zweiten Teilfilteranschluss (SP2) sowie Koppelkondensatoren C1, C2, die von den Verbindungsstellen zwischen benachbarten akustischen Resonatoren an Masse geschaltet sind. Die Einbeziehung von drei akustischen Resonatoren in die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1050 ist beispielhaft, und eine Teilfilter-/Schalter-Schaltung kann mehr als drei akustische Resonatoren haben. Wenn eine Teilfilter-/Schalter-Schaltung mehr als drei akustische Resonatoren enthält, ist die Anzahl der Koppelkondensatoren um eins geringer als die Anzahl der akustischen Resonatoren. Bei den akustischen Resonatoren X1, X2 und X3 handelt es sich vorzugsweise, aber nicht unbedingt um XBAR.
  • Die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1050 enthält einen Schalter SW in Reihe mit dem akustischen Resonator X2. Wenn der Schalter SW geschlossen ist, arbeitet die Teilfilter-/Schalter-Schaltung als Teilfilter, das für die Verwendung in einem der vorherigen Beispiele geeignet ist. In diesem Fall wird die Teilfilter-/Schalter-Schaltungsverbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen eingeschaltet, um das Durchlassband dieses Teilfilters für Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale bereitzustellen. Wenn der Schalter SW offen ist, weist die Teilfilter-/Schalter-Schaltung die richtige Impedanz für SP1 und SP2 auf, hat aber die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines offenen Kreises. In diesem Fall ist die Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der Teilfilter-/Schalter-Schaltung ausgeschaltet und stellt das Durchlassband dieses Teilfilters für Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale nicht zur Verfügung. Wenn eine Teilfilter-/Schalter-Schaltung mehr als drei akustische Resonatoren enthält, kann der Schalter mit jedem der akustischen Resonatoren in Reihe geschaltet sein, außer mit den beiden akustischen Resonatoren, die mit den beiden Teilfilteranschlüssen geschaltet sind. Mit anderen Worten: Der Schalter kann mit jedem der „mittleren akustischen Resonatoren“ in der Mitte der Reihe von Resonatoren in Reihe geschaltet sein, nicht aber mit den beiden „Endresonatoren“ an den Enden der Reihe. In einigen Fällen kann das Filter 1000 so beschrieben werden, dass die jeweiligen Ausgangsanschlüsse SP2 aller seiner Teilfilter mit einem gemeinsamen Ausgangsanschluss FP2 geschaltet sind.
  • 10C ist ein schematisches Diagramm einer Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1075, die für die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1020-1, 1020-2 und 1020-n in 10A geeignet ist. Die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1075 umfasst drei akustische Resonatoren X1, X2, X3, die zwischen einem ersten Teilfilteranschluss (SP1) und einem zweiten Teilfilteranschluss (SP2) in Reihe geschaltet sind, sowie Koppelkondensatoren C1, C2, die von den Verbindungsstellen zwischen benachbarten akustischen Resonatoren an Masse geschaltet sind. Die Einbeziehung von drei akustischen Resonatoren in der Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1075 ist beispielhaft, und eine Teilfilter-/Schalter-Schaltung kann mehr als drei akustische Resonatoren haben. Wenn eine Teilfilter-/Schalter-Schaltung mehr als drei akustische Resonatoren enthält, ist die Anzahl der Koppelkondensatoren um eins geringer als die Anzahl der akustischen Resonatoren. Bei den akustischen Resonatoren X1, X2 und X3 handelt es sich vorzugsweise, aber nicht unbedingt um XBAR.
  • Die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1075 umfasst einen Schalter SW1 parallel zum ersten Shunt-Kondensator C1 und einen Schalter SW2 parallel zum letzten Shunt-Kondensator C2. Wenn die Schalter SW1 und SW2 offen sind, arbeitet die Teilfilter-/Schalter-Schaltung wie ein Teilfilter, das für die Verwendung in einem der vorherigen Beispiele geeignet ist. In diesem Fall wird die Teilfilter-/Schalter-Schaltungsverbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen eingeschaltet, um das Durchlassband dieses Teilfilters für Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale bereitzustellen. Wenn die Schalter SW1 und SW2 geschlossen sind, weist die Teilfilter-/Schalter-Schaltung die richtige Impedanz für SP1 und SP2 auf, hat aber die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines offenen Kreises. In diesem Fall ist die Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Teilfilter-/Schalter-Schaltung ausgeschaltet und stellt das Durchlassband dieses Teilfilters für die Eingangs- und Ausgangs-RF-Kommunikationssignale nicht zur Verfügung. Die Schalter SW1 und SW2 können anstelle des Schalters SW in 10B verwendet werden, um bestimmte Teilfilter zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ein- und auszuschalten.
  • Wenn eine Teilfilter-/Schalter-Schaltung mehr als zwei Shunt-Kondensatoren enthält, sind die Schalter parallel zu den beiden Shunt-Kondensatoren geschaltet, die unmittelbar neben den akustischen Resonatoren liegen, die mit den beiden Teilfilteranschlüssen verbunden sind. Mit anderen Worten, die Schalter sind parallel zu dem „ersten Shunt-Kondensator“ und dem „letzten Shunt-Kondensator“ geschaltet, die sich nicht in der Mitte der Reihe von Resonatoren befinden, sondern direkt innerhalb der beiden „akustischen Endresonatoren“ an den Enden der Reihe. Beispielsweise ist der erste Schalter parallel zu dem ersten Kondensator-Shunt-Element, das sich zwischen einem XBAR-Reihenelement, das unmittelbar an den Filtereingangsanschluss angrenzt, und einem XBAR-Reihenelement, das weiter vom Eingangsanschluss entfernt ist, befindet; und der zweite Schalter ist parallel zu dem letzten Kondensator-Shunt-Element, das sich zwischen einem XBAR-Reihenelement, das unmittelbar an den Filterausgangsanschluss angrenzt, und einem XBAR-Reihenelement, das weiter vom Ausgangsanschluss entfernt ist, befindet.
  • 11 ist ein Diagramm 1100 der Leistung 1105 eines Beispiels des rekonfigurierbaren geschalteten Matrixfilters 1000 von 10. In diesem Beispiel sind XL, XH und die Komponenten innerhalb der drei Teilfilter-/Schalter-Schaltungen die gleichen wie die entsprechenden Elemente des Matrixfilters 300 von 3A. In 11 ist die durchgezogene Linie unter 1110 ein Diagramm von S21, der Anschluss 1-zu-Anschluss 2-Übertragungsfunktion, des Filters als Funktion von der Frequenz, wenn Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1 aktiviert ist und Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 2 und 3 deaktiviert sind. Die gestrichelte Linie unter 1120 ist ein Diagramm von S21 als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 2 aktiviert ist und die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1 und 3 deaktiviert sind. Die gestrichelte Linie unter 1130 ist ein Diagramm von S21 als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 3 aktiviert ist und die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1 und 2 deaktiviert sind. Die Summe der beiden Kurven unter 1110 und 1130, nicht dargestellt, aber leicht vorstellbar, ist die Anschluss 1-zu-Anschluss 2-Übertragungsfunktion als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1 und 3 aktiviert sind und die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 2 deaktiviert ist. Die Summe der beiden Kurven unter 1110 und 1120 ist die Anschluss 1-zu-Anscluss 2-Übertragungsfunktion als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1 und 2 aktiviert sind und die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 3 deaktiviert ist. Die Summe der beiden Kurven unter 1110 und 1130 ist die Anschluss 1-zu-Anschluss 2-Übertragungsfunktion als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1 und 3 aktiviert sind und die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 2 deaktiviert ist. Die Summe der beiden Kurven unter 1120 und 1130 ist die Anschluss 1-zu-Anschluss 2-Übertragungsfunktion Als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 2 und 3 aktiviert sind und die Teilfilter-/Schalter-Schaltung 1 deaktiviert ist. Die Summe der drei Kurven unter 1110, 1120 und 1130 ist die Anschluss 1-zu-Anschluss 2-Übertragungsfunktion als Funktion von der Frequenz, wenn die Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1, 2 und 3 aktiviert sind. Die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines offenen Kreises ist die Anschluss 1-zu-Anschluss 2-Übertragungsfunktion als Funktion von der Frequenz, wenn alle Teilfilter-/Schalter-Schaltungen 1, 2 und 3 deaktiviert sind. Es sind insgesamt acht verschiedene Filterkonfigurationen möglich, indem verschiedene Kombinationen der drei Teilfilter-/Schalter-Schaltungen aktiviert werden. Ein Prozessor (nicht dargestellt) kann mit den Schaltern in den Filtern 1000, 1050 und/oder 1075 gekoppelt sein und deren Betrieb steuern, um beispielsweise die Teilfilter zu wählen.
  • In jeder der Konfigurationen der Filter 1000, 1050 und/oder 1075 kann die Impedanz am Anschluss FP1 50 Ohm eines Filtereingangsanschlusses sein, der an die Impedanz einer RF-Antenne angepasst werden soll. Die Impedanz am Anschluss FP2 kann 4 Ohm eines Filterausgangsanschlusses sein, der an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers, z. B. eines RF-Senders, angepasst werden soll; oder sie kann 300 Ohm eines Filterausgangsanschlusses sein, der an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers, z. B. eines RF-Empfängers, angepasst werden soll.
  • Die Teilfilter-/Schalter-Schaltungsverbindungen zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der Filter 1000, 1050 und/oder 1075 können geschaltet werden, um das gewünschte Durchlassband und die gewünschte Impedanz am Anschluss FP2 zu wählen. Zum Beispiel können die Schalter SW von 10B verwendet werden, um eines der Teilfilter 1050 des Filters 1000 zu wählen, das ein gewünschtes Durchlassband für ein von einem Sender übertragenes Signal und eine gewünschte Impedanz hat, um mit der Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers des Senders übereinzustimmen. Außerdem kann der Schalter SW von 10B verwendet werden, um eines der Teilfilter 1050 des Filters 1000 zu wählen, das ein gewünschtes Durchlassband für ein empfangenes Signal von der Antenne, das an einen Empfänger gesendet werden soll, und eine gewünschte Impedanz hat, die mit der Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers des Empfängers übereinstimmt. Außerdem können die Schalter SW1 und SW2 von 10C verwendet werden, um eines der Teilfilter 1075 des Filters 1000 zu wählen, das ein gewünschtes Durchlassband und eine gewünschte Impedanz hat, wie für den Schalter SW angegeben.
  • 12 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Frequenzteilungsduplex (FDD)-Funkvorrichtung 1200 mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Eine FDD-Funkvorrichtung sendet und empfängt in verschiedenen Frequenzbereichen mit einem definierten Kommunikationsband. Die Sende- und Empfangsfrequenzbereiche sind typischerweise, aber nicht unbedingt, benachbart. Die Funkvorrichtung 1200 umfasst eine Antenne 1205, einen Matrixfilter-Diplexer 1210 mit einem gemeinsamen Filteranschluss FP1, der dazu eingerichtet ist, dass er mit einer Antenne 1205 verbunden ist, einen Sendefilteranschluss FP3, der mit dem Ausgangsanschluss Out eines Senders 1220 verbunden ist, und einen Empfangsfilteranschluss FP2, der mit dem Eingangsanschluss In eines Empfängers 1225 verbunden ist.
  • Die Funkvorrichtung 1200 ist für den Betrieb in dem vorgesehenen Kommunikationsband eingerichtet. Der Matrixfilter-Diplexer 1210 umfasst ein zwischen FP1 und FP2 gekoppeltes Empfangsfilter und ein zwischen FP1 und FP3 gekoppeltes Sendefilter. Das Empfangsfilter kann ein oder mehrere Empfangsteilfilter enthalten. Das Sendefilter kann ein oder mehrere Sendeteilfilter enthalten. Das Sendefilter muss mit der vom Sender 1220 erzeugten RF-Leistung kompatibel sein. Der Matrixfilter-Diplexer 1210 kann mit akustischen Resonatoren realisiert werden, bei denen es sich um XBAR handeln kann.
  • Der Matrixfilter-Diplexer 1210 kann zwei der Matrixfilter 300 von 3A-B ähneln. Hier ist jedes der Filter 300 ein Sende- oder ein Empfangsfilter mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern, die für jedes der Sende- oder Empfangsfilter eingeschaltet sind. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 der Anschluss FP1 der Filter 300; der Sendeanschluss FP3 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ist der Anschluss FP2 einer Sendefilterversion von Filter 300; und der Empfangsanschluss FP2 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ist der Anschluss FP2 einer Empfangsfilterversion von Filter 300. Die beiden Filter 300 können unterschiedliche Durchlassbänder haben. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den beiden Filtern 300 gemeinsam sein.
  • Der Matrixfilter-Diplexer 1210 kann dem Matrix-Diplexer 600 von 6 ähnlich sein, mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern in den Sende- und Empfangsfiltern. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 FP1 des Matrix-Diplexers 600; der Sende- oder Ausgangsanschluss FP3 kann entweder FP2 oder FP3 des Matrix-Diplexers 600 sein; und der Empfangs- oder Ausgangsanschluss FP2 kann der andere von FP2 und FP3 des Matrix-Diplexers 600 sein.
  • In einem anderen Fall kann der Matrixfilter-Diplexer 1210 dem Matrix-Triplexer-Filter 800 von 8 ähnlich sein, mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern in den Sende- und Empfangsfiltern. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 FP1 des Matrix-Triplexers 800; der Sende- oder Ausgangsanschluss FP3 kann einer der Anschlüsse FP2, FP3 oder FP4 des Matrix-Triplexers 800 sein; und der Empfangs- oder Ausgangsanschluss FP2 kann einer der anderen Anschlüsse FP2, FP3 oder FP4 des Matrix-Triplexers 800 sein.
  • Der Matrixfilter-Diplexer 1210 kann auch zwei der Matrixfilter 1000 von 10A-C ähneln. Hier ist jedes der Filter 1000 ein Sende- oder ein Empfangsfilter mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern, die für jedes der Sende- oder Empfangsfilter eingeschaltet sind. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 der Anschluss FP1 jedes der Matrixfilter 1000; der Sendeanschluss FP3 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ist der Anschluss FP2 einer Sendefilterversion des Filters 1000 auf der Grundlage des Ein- und Ausschaltens der Teilfilter des Matrixfilters 1000; und der Empfangsanschluss FP2 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ist der Anschluss FP2 einer Empfangsfilterversion des Filters 1000 auf der Grundlage des Ein- und Ausschaltens der Teilfilter des Matrixfilters 1000. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den beiden Filtern 1000 gemeinsam sein.
  • Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Matrixfilter-Diplexer 1210 einer Kombination von zwei Filtern 300, 600, 800 und 1000 ähnelt, wobei für jedes der Sende- oder Empfangsfilter eine gleiche Anzahl von Teilfiltern eingeschaltet wird. Hier ist der Anschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ein gemeinsamer Anschluss; der Sendeanschluss FP3 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ist ein Sendeanschluss; und der Empfangsanschluss FP2 des Matrixfilter-Diplexers 1210 ist ein Empfangsanschluss eines der Filter 300, 600, 800 und 1000. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 für die Kombination von Filtern gemeinsam sein.
  • In jeder der Konfigurationen des Filters 1210 beträgt die Impedanz am Anschluss FP1 50 Ohm, um der Impedanz der RF-Antenne 1205 zu entsprechen. Die Impedanz am Anschluss FP3 ist an eine Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers (PA) eines RF-Senders 1220 angepasst. Beispielsweise kann die Impedanz an Anschluss FP3 etwa 4 Ohm betragen. Die Impedanz an Anschluss FP2 ist an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA) eines RF-Empfängers 1225 angepasst. Die Impedanz an Anschluss FP2 kann eine Impedanz sein, die das Rauschbild des LNA minimiert. Die Impedanz kann z. B. etwa 300 Ohm betragen.
  • 13 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Dreiband-Diversity-Empfängers 1300, der einen Matrix-Triplexer mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Ein Dreiband-Diversity-Empfänger empfängt in drei verschiedenen Frequenzbereichen, die drei Kommunikationsbändern entsprechen. Der Empfänger 1300 umfasst eine Antenne 1305, einen Matrixfilter-Triplexer 1310 mit einem gemeinsamen Filteranschluss FP1, der so eingerichtet ist, dass er mit einer Antenne 1305 verbunden ist, einen ersten Ausgangs- oder Empfangsfilteranschluss FP2, der mit dem Eingangsanschluss In1 eines Empfängers 1320 verbunden ist, einen zweiten Ausgangs- oder Empfangsfilteranschluss FP3, der mit dem Eingangsanschluss In2 eines Empfängers 1325 verbunden ist, und einen dritten Ausgangs- oder Empfangsfilteranschluss FP4, der mit dem Eingangsanschluss In3 eines Empfängers 1330 verbunden ist.
  • Der Empfänger 1300 ist für den Betrieb in dem vorgesehenen Kommunikationsband eingerichtet. Der Matrixfilter-Triplexer 1310 umfasst ein Empfangsfilter, das zwischen jedes der folgenden Elemente geschaltet ist: FP1 und FP2; FP1 und FP3; und FP1 und F4. Das Empfangsfilter enthält Empfangsteilfilter mit nicht-zusammenhängenden Durchlassbändern. Der Matrixfilter-Triplexer 1310 kann mit akustischen Resonatoren implementiert sein, bei denen es sich um XBAR handeln kann.
  • Der Matrixfilter-Triplexer 1310 kann ähnlich aufgebaut sein wie die drei Matrixfilter 300 von 3A-B. Hier ist jedes der Filter 300 ein Empfangsfilter mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern, die für jedes der Empfangsfilter eingeschaltet sind. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 FP1 jedes der Filter 300; und die Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 des Matrixfilter-Triplexers 1310 können FP2 jeder der drei Empfangsfilterversionen von Filter 300 sein. Die drei Filter 300 können unterschiedliche Durchlassbänder haben. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den drei Filtern 300 gemeinsam sein.
  • Der Matrixfilter-Triplexer 1310 kann der Matrix-Triplexer 800 von 8 sein. Die FP1-, FP2-, FP3- und FP4-Anschlüsse des Matrixfilter-Triplexers 1310 können die FP1-, FP2-, FP3- und FP4-Anschlüsse des Matrix-Multiplexers 800 sein.
  • In einem anderen Fall kann der Matrixfilter-Triplexer 1310 ähnlich wie drei der rekonfigurierbaren geschalteten Filter 1000 von 10A-C sein, jeweils mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern in den drei Empfangsfiltern. Der Anschluss FP1 des Matrixfilter-Triplexers 1310 kann FP1 der drei rekonfigurierbaren geschalteten Filter 1000 sein; und die Anschlüsse FP2, FP3 und FP4 des Matrixfilter-Triplexers 1310 können FP2 jedes der drei rekonfigurierbaren geschalteten Filter 1000 sein, wobei die drei Filter 1000 unterschiedliche Durchlassbänder haben können, die auf dem Ein- und Ausschalten der Teilfilter der drei Matrixfilter 1000 basieren. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den drei Filtern 1000 gemeinsam sein.
  • Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Matrixfilter-Triplexer 1310 einer Kombination von drei beliebigen Filtern 600, 800 und 1000 ähnelt, wobei für jedes der Empfangsfilter eine gleiche Anzahl von Teilfiltern angeschaltet wird. Hier ist der Anschluss FP1 des Matrixfilter-Triplexers 1310 ein gemeinsamer Anschluss und jeder der Anschlüsse FP2, FP3 und/oder FP4 des Matrixfilter-Triplexers 1310 ist ein Empfangsanschluss eines der Filter 600, 800 und 1000. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 gemeinsam für die Kombination von Filtern.
  • In jeder der Konfigurationen des Filters 1310 beträgt die Impedanz am Anschluss FP1 50 Ohm eines Filtereingangs, der an die Impedanz der RF-Antenne 1305 angepasst ist. Die Impedanz an den Anschlüssen FP2, FP3 und FP4 ist jeweils an die Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA) jedes der RF-Empfänger 1320, 1325 und 1330 angepasst. Die Impedanz an jedem Anschluss FP2, FP3, FP4 kann eine Impedanz sein, die das Rauschbild des jeweiligen LNA minimiert. Die Impedanz an jedem Anschluss kann z. B. etwa 300 Ohm betragen. Die Impedanzen an den drei Anschlüssen können unterschiedlich sein, um die Eigenschaften der LNA der RF-Empfänger 1320, 1325 und 1330 zu berücksichtigen.
  • 14 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Zweiband-Frequenzteilung-Funkvorrichtung, die ein Matrix-Multiplexer-Filter mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. Die Funkvorrichtung 1400 sendet und empfängt in verschiedenen Frequenzbereichen mit einem definierten Kommunikationsband. Die Sende- und Empfangsfrequenzbereiche sind typischerweise, aber nicht unbedingt, benachbart. Die Funkvorrichtung 1400 umfasst eine Antenne 1405, einen Matrixfilter-Multiplexer 1410 mit einem gemeinsamen Filteranschluss FP1, der so eingerichtet ist, dass er mit einer Antenne 1405 verbunden ist; Sendefilteranschlüsse FP2 und FP3, die mit den Ausgangsanschlüssen Out1 bzw. Out2 der Sender 1420 und 1425 gekoppelt sind; und Empfangsfilteranschlüsse FP4 und FP5, die mit den Eingangsanschlüssen In1 bzw. In2 der Empfänger 1430 und 1435 gekoppelt sind.
  • Die Funkvorrichtung 1400 ist für den Betrieb in dem vorgesehenen Kommunikationsband eingerichtet. Der Matrixfilter-Multiplexer 1410 umfasst ein erstes Sendefilter, das zwischen FP1 und FP2 gekoppelt ist; ein zweites Sendefilter, das zwischen FP1 und FP3 gekoppelt ist; ein erstes Empfangsfilter, das zwischen FP1 und FP4 gekoppelt ist; und ein zweites Empfangsfilter, das zwischen FP1 und FP5 gekoppelt ist. Die Sendefilter können ein oder mehrere Sendeteilfilter enthalten. Die Empfangsfilter können ein oder mehrere Empfangsteilfilter enthalten. Die Sendefilter sind mit der von den Sendern 1420 und 1425 erzeugten RF-Leistung kompatibel. Der Matrixfilter-Multiplexer 1410 kann mit akustischen Resonatoren implementiert sein, bei denen es sich um XBAR handeln kann.
  • Der Matrixfilter-Multiplexer 1410 kann ähnlich aufgebaut sein wie die vier Matrixfilter 300 von 3A-B. Hier ist jedes der Filter 300 ein Sende- oder ein Empfangsfilter mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern, die für jedes der Sende- oder Empfangsfilter eingeschaltet sind. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Multiplexers 1410 der Anschluss FP1 der Filter 300; die Sendeanschlüsse FP2 und FP3 des Matrixfilter-Diplexers 1210 sind der Anschluss FP2 einer Sendefilterversion von Filter 300; und die Empfangsanschlüsse FP4 und FP5 des Matrixfilter-Diplexers 1210 sind der Anschluss FP2 einer Empfangsfilterversion von Filter 300. Paare von Sende- und Empfangsfiltern 300 können unterschiedliche Durchlassbänder haben. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den vier Filtern 300 gemeinsam sein.
  • Der Matrixfilter-Multiplexer 1410 kann ähnlich wie zwei der Matrix-Diplexer 600 von 6 mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern in den Sende- und Empfangsfiltern aufgebaut sein. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Multiplexers 1410 der Anschluss FP1 der beiden Matrix-Diplexer 600; die Sende- oder Ausgangsanschlüsse FP2 und FP3 können entweder FP2 oder FP3 der beiden Matrix-Diplexer 600 sein; und die Empfangs- oder Ausgangsanschlüsse FP4 und FP5 können der jeweils andere von FP2 und FP3 der beiden Matrix-Diplexer 600 sein. Paare der Sende- und Empfangsfilter der Filter 600 können unterschiedliche Durchlassbänder haben. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den vier Filtern 600 gemeinsam sein.
  • In einem anderen Fall kann der Matrixfilter-Multiplexer 1410 ähnlich wie der Matrix-Triplexer-Filter 800 von 8 mit 4 Teilfiltern (z. B. einem Quadplexer) anstelle von drei als Sende- und Empfangsfilter sein. Dieses Filter fügt einen Teilfilter 4 (nicht dargestellt) hinzu, das den anderen Teilfiltern ähnelt, aber mit dem Eingangsanschluss FP1 verbunden ist und einen Ausgangsanschluss FP5 hat. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 der Anschluss FP1 des Matrix-Triplexers 800; die Sende- oder Ausgangsanschlüsse FP2 und FP3 des Matrixfilter-Diplexers 1210 können zwei beliebige der Anschlüsse FP2, FP3, FP4 oder FP5 des Matrix-Triplexers 800 sein; und die Empfangs- oder Ausgangsanschlüsse FP4 und FP5 können die beiden anderen der Anschlüsse FP2, FP3, FP4 oder FP5 des Matrix-Triplexers 800 sein. Paare der Sende- und Empfangsfilter der Filter 600 können unterschiedliche Durchlassbänder haben.
  • Der Matrixfilter-Multiplexer 1410 kann auch ähnlich wie die vier Matrixfilter 1000 von 10A-C aufgebaut sein. Hier ist jedes der Filter 1000 ein Sende- oder ein Empfangsfilter mit einer gleichen Anzahl von Teilfiltern, die für jedes der Sende- oder Empfangsfilter eingeschaltet sind. Hier ist der gemeinsame Filteranschluss FP1 des Matrixfilter-Diplexers 1210 der Anschluss FP1 jedes der Filter 1000; die Sendeanschlüsse FP2 und FP3 des Matrixfilter-Multiplexers 1410 sind der Anschluss FP2 einer Sendefilterversion des Filters 1000 auf der Grundlage des Ein- und Ausschaltens der Teilfilter des Matrixfilters 1000; und die Empfangsanschlüsse FP4 und FP5 des Matrixfilter-Multiplexers 1210 sind der Anschluss FP2 einer Empfangsfilterversion des Filters 1000 auf der Grundlage des Ein- und Ausschaltens der Teilfilter des Matrixfilters 1000. Paare von Sende- und Empfangsfiltern des Filters 1000 können unterschiedliche Durchlassbänder haben. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 den vier Filtern 1000 gemeinsam sein.
  • Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Matrixfilter-Multiplexer 1410 einer Kombination von zwei oder vier Filtern 300, 600, 800 und 1000 ähnelt, wobei für jedes der Sende- oder Empfangsfilter eine gleiche Anzahl von Teilfiltern angeschaltet ist. Hier ist der Anschluss FP1 des Matrixfilter-Multiplexers 1410 ein gemeinsamer Anschluss; die Sendeanschlüsse FP2 und FP3 des Matrixfilter-Multiplexers 1410 sind jeweils ein Sendeanschluss eines Sendefilters; und die Empfangsanschlüsse FP4 und FP5 des Matrixfilter-Multiplexers 1410 sind jeweils ein Empfangsanschluss eines Empfangsfilters von einem der Filter 300, 600, 800 und 1000. In diesem Fall kann der Anschluss FP1 für die Kombination von Filtern gemeinsam sein.
  • In jeder der Konfigurationen des Filters 1410 beträgt die Impedanz am Anschluss FP1 50 Ohm eines Filtereingangsanschlusses, der an die Impedanz der RF-Antenne 1405 angepasst ist. Die Impedanz an jedem der Anschlüsse FP2 und FP3 ist an eine Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärker (PA) der RF-Sender 1420 bzw. 1425 angepasst. Die Impedanz an jedem der Anschlüsse FP4 und FP5 ist an eine Eingangsimpedanz des rauscharmen Verstärkers (LNA) der RF-Empfänger 1430 bzw. 1435 angepasst.
  • Die vier Sende- und Empfangsfilter des Multiplexers 1410 können auf verschiedenen Frequenzbändern senden und empfangen. Beispielsweise verwendet jeder der vier Sende- und Empfangsfilter innerhalb des Matrix-Multiplexer-Filters 1410 einen separaten Bandpass. Im Beispiel von 14 können das Sendefilter zwischen FP1 und FP2 und das Empfangsfilter zwischen FP1 und FP4 die Uplink- und Downlink-Frequenzen für LTE-Band 1 durchlassen, während das Sendefilter zwischen FP1 und FP3 und das Empfangsfilter zwischen FP1 und FP5 die Uplink- und Downlink-Frequenzen für LTE-Band 3 durchlassen. Konkret lässt das Sendefilter zwischen FP1 und FP2 Frequenzen für LTE-Band 1 Tx von 1900-1980 MHz durch; das Empfangsfilter zwischen FP1 und FP4 lässt Frequenzen für LTE-Band 1 Rx von 2110-2170 durch; das Sendefilter zwischen FP1 und FP3 lässt Frequenzen für LTE-Band 3 Tx von 1710-1785 MHz durch; das Empfangsfilter zwischen FP1 und FP5 lässt Frequenzen für LTE-Band 1 Rx von 1805-1880 durch.
  • 15A ist ein schematisches Diagramm eines Matrixfilters 1500, das akustische Resonatoren mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen verwendet, die an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente angepasst sind. 15A ist ein spezielles Beispiel für 3A-B. Das Matrixfilter 1500 umfasst ein Feld 1510 aus drei Teilfiltern 1520-1, 1520-2 und 1520-3, die parallel zwischen einem Eingangsfilteranschluss (FP1) und einem Ausgangsfilteranschluss (FP2) geschaltet sind. Die Teilfilter 1520-1, 1520-2 und 1520-3 haben nicht-zusammenhängende Durchlassbänder, so dass die Bandbreite des Matrixfilters 1500 nicht der Summe der Bandbreiten der einzelnen Teilfilter entspricht, sondern drei getrennte und unabhängige Durchlassbänder aufweist, die durch Sperrbänder getrennt sind, die dort existieren, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters 1500 weniger als -20 dB beträgt.
  • Das Filter 1500 und/oder jedes der Teilfilter 1520-1, 1520-2 und 1520-3 können RF-Filter sein, die Frequenzbänder durchlassen, die durch den 5G NR-Standard definiert sind. Das Feld 1510 von Teilfiltern wird am Eingang oder FP1-Ende und am Ausgang oder FP2-Ende durch akustische Resonatoren abgeschlossen, die „Übertragungsnullstellen“ erzeugen, wie für Filter 300 beschrieben.
  • Jedes der Teilfilter 1520-1, 1520-2 und 1520-3 umfasst drei akustische Resonatoren XA, XB, XC, die in Reihe zwischen FP1 und FP1 geschaltet sind. Bei den akustischen Resonatoren XA, XB, XC handelt es sich vorzugsweise, aber nicht unbedingt, um XBAR. Jedes Teilfilter umfasst zwei Koppelkondensatoren CA, CB, die jeweils zwischen Masse und einem Knoten zwischen zwei akustischen Resonatoren geschaltet sind. Die akustischen Resonatoren XL1 und XL2 des Filters 1500 dienen auch als Shunt-Induktivitäten, um die Impedanz an den Anschlüssen des Filters an einen gewünschten Wert der Impedanz anzupassen.
  • Das Filter 1500 hat eine Eingangsimpedanz FP1 von 50 Ohm und eine Ausgangsimpedanz FP2 von entweder 4 Ohm oder 300 Ohm. Die Impedanz an FP1 kann bei Anschluss an eine RF-Antenne auf 50 Ohm angepasst werden. Die Impedanz an FP2 kann auf 4 Ohm angepasst werden, wenn sie an einen Leistungsverstärker, z. B. eines RF-Senders, angeschlossen ist, und auf 300 Ohm, wenn sie an einen rauscharmen Verstärker, z. B. eines RF-Empfängers, angeschlossen ist. Die Beschreibung von FP1 als Eingangsanschluss und FP2 als Ausgangsanschluss kann umgekehrt sein, z. B. wenn FP2 an einen rauscharmen Verstärker oder RF-Empfänger angeschlossen ist. Die Teilfilter 1520-1, 1520-2 und 1520-3 können jeweils verschiedene Frequenzbänder durchlassen, wie hier angegeben. In einigen Fällen kann jeder einen separaten Bandpass verwenden, wie in den 4-5, 7, 9 und 11-14 dargestellt.
  • 15B zeigt spezifische Komponenteneigenschaften für ein erstes Beispiel aus 15A mit einer Eingangsanschlussimpedanz FP1 von 50 Ohm und einer Ausgangsanschlussimpedanz FP2 von 4 Ohm. In diesem Fall kann FP1 auf 50 Ohm angepasst werden, wenn es an eine RF-Antenne angeschlossen ist, und die Impedanz an FP2 kann auf 4 Ohm angepasst werden, wenn es an einen Leistungsverstärker, z. B. einen RF-Sender, angeschlossen ist. Die Eigenschaft von 15B zeigt, dass die größten Kapazitäten (Werte des Resonators „X“ C0 und des Koppelkondensators „C“ C0) in der Nähe des 4-Ohm-Anschlusses FP2 liegen als in der Nähe von FP1. So sind beispielsweise die Kapazitäten der X3-Resonatoren größer als die der XI- oder X2-Resonatoren. Auch die Kapazitäten der C2-Kondensatoren sind größer als die der C1-Kondensatoren. Schließlich sind die Kapazitäten der H2- und L2-Resonatoren größer als die der H1- und L1-Resonatoren. Die Durchlassbänder für das in 15B gezeigte Beispiel des Filters 1500 können jede der verschiedenen Durchlassband-Frequenzen sein, die hier für FP1, das auf 50 Ohm abgestimmt ist, und FP2, das auf 4 Ohm abgestimmt ist, angegeben sind.
  • 15C zeigt spezifische Komponenteneigenschaften für ein zweites Beispiel aus 15A mit einer Eingangsanschlussimpedanz FP2 von 300 Ohm und einer Ausgangsanschlussimpedanz FP1 von 50 Ohm. In diesem Fall kann FP1 auf 50 Ohm angepasst werden, wenn es an eine RF-Antenne angeschlossen ist, und die Impedanz an FP2 kann auf 300 Ohm angepasst werden, wenn es an einen rauscharmen Verstärker, z. B. an einen RF-Empfänger, angeschlossen ist. Die Eigenschaft von 15B zeigt, dass die größten Kapazitäten (Werte des Resonators „X“ C0 und des Koppelkondensators „C“ C0) in der Nähe des 50-Ohm-Anschlusses FP1 liegen und nicht in der Nähe von FP2. So sind beispielsweise die Kapazitäten der X1-Resonatoren größer als die der X2- oder X3-Resonatoren. Auch die Kapazitäten der C1-Kondensatoren sind größer als die der C2-Kondensatoren. Schließlich sind die Kapazitäten der H1- und L1-Resonatoren größer als die der H2 und L2-Resonatoren. Die Durchlassbänder für das in 15C gezeigte Beispiel des Filters 1500 können jede der verschiedenen Durchlassband-Frequenzen sein, die hier für FP1, das auf 50 Ohm abgestimmt ist, und FP2, das auf 300 Ohm abgestimmt ist, angegeben sind.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen hierin kann der Anschluss FP1 als gemeinsamer Anschluss oder Filtereingang eines Sende- oder Empfangsfilters zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss der Matrixfilter hierin beschrieben werden. Anschluss FP2, FP3, FP4 oder FP5 kann als Sende- oder Filterausgangsanschluss eines Sendefilters zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss der vorliegenden Matrixfilter bezeichnet werden, wenn die Impedanz dieses Anschlusses an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers, z. B. eines RF-Senders, angepasst ist. Anschluss FP2, FP3, FP4 oder FP5 kann als Empfangs- oder Filterausgangsanschluss eines Sendefilters zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss der Matrixfilter bezeichnet werden, wenn die Impedanz dieses Anschlusses an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers, beispielsweise eines RF-Empfänger, angepasst ist.
  • In einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Werte der Impedanz, wie 50 Ohm, 4 Ohm und 300 Ohm, erheblich variieren, um die Anforderungen der RFFE zu erfüllen. Obwohl die Beschreibungen hier beinhalten, dass die Impedanz betragen können: 50 Ohm, die an die Impedanz der RF-Antenne angepasst ist, 300 Ohm, die an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA) angepasst ist, und 4 Ohm, die an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers (PA) angepasst ist, kann man verstehen, dass verschiedene andere Impedanzen für die Anpassung an die Antenne, den LNA und/oder den PA verwendet werden können.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Matrixfilter ist die Möglichkeit, die Eingangs- und/oder Ausgangsimpedanz der Filter über einen weiten Bereich einzustellen, um eine Anpassung an Funkfrequenz-Frontend (RFFE)-Elemente wie Antennen (Ant), Leistungsverstärker (PA) und rauscharme Verstärker (LN) zu ermöglichen. Durch die Anpassung der Impedanzen an die RFFE haben die Matrixfilter Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die das Rauschbild von Ant, von Empfänger-LNA und von Sender-PA minimieren. Da die Impedanz des Matrixfilters an die RFFE angepasst ist, ist eine externe Anpassung der Impedanz oder Umschaltung nicht erforderlich. Darüber hinaus können die vorliegenden akustischen Resonator-Matrixfilter-Topologien, wie z. B. Filter 300, 600, 800 und/oder 1000, Funkvorrichtung 1200 und/oder 1400 und Empfänger 1300, die Größe der Resonatoren in den Filtern verringern und so die Kosten für die Komponenten und die Herstellung der Filter senken; Filter mit erreichbarer Transformation der Impedanz zur Anpassung der Impedanz am Eingang und am Ausgang des Filters bereitstellen; und Filter bereitstellen, die an das minimale Rauschbild der am Ausgang angeschlossenen LNA ohne Anpassungsinduktor angepasst sind.
  • Abschließende Bemerkungen
  • In dieser gesamten Beschreibung sollten die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele als Muster betrachtet werden und nicht als Einschränkungen der offenbarten oder beanspruchten Vorrichtungen und Vorgehensweisen. Obwohl viele der hier dargestellten Beispiele spezifische Kombinationen von Verfahrenstätigkeiten oder Systemelementen beinhalten, sollte verstanden werden, dass diese Tätigkeiten und diese Elemente auf andere Weise kombiniert werden können, um die gleichen Ziele zu erreichen. Im Hinblick auf Flussdiagramme können zusätzliche und weniger Schritte unternommen werden, und die gezeigten Schritte können kombiniert oder weiter verfeinert werden, um die hier beschriebenen Verfahren zu erreichen. Tätigkeiten, Elemente und Merkmale, die nur im Zusammenhang mit einer Ausführungsform diskutiert werden, sollen nicht von einer ähnlichen Rolle in anderen Ausführungsformen ausgeschlossen werden.
  • Wie hier verwendet, bedeutet „Vielzahl“ zwei oder mehr. Wie hier verwendet, kann ein „Satz“ von Elementen einen oder mehrere solcher Elemente umfassen. In der hier verwendeten Form, sei es in der schriftlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen, sind die Begriffe „umfassend“, „einschließend“, „tragend“, „aufweisend“, „enthaltend“, „einbeziehend“ und dergleichen so zu verstehen, dass sie unbegrenzt sind, d. h. dass sie einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Nur die Übergangsphrasen „bestehend aus“ bzw. „bestehend im Wesentlichen aus“ sind geschlossene oder halbgeschlossene Übergangsphrasen mit Bezug auf Ansprüche. Die Verwendung von ordinalen Ausdrücken wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu ändern, bedeutet an sich keine Priorität, keinen Vorrang oder keine Reihenfolge eines Anspruchselements gegenüber einem anderen oder die zeitliche Reihenfolge, in der die Tätigkeiten eines Verfahrens ausgeführt werden, sondern sie werden lediglich als Kennzeichnungen verwendet, um ein Anspruchselement mit einem bestimmten Namen von einem anderen Element mit demselben Namen zu unterscheiden (aber für die Verwendung des ordinalen Ausdrucks), um die Anspruchselemente zu unterscheiden. Wie hier verwendet, bedeutet „und/oder“, dass die aufgelisteten Elemente Alternativen sind, aber die Alternativen enthalten auch jede Kombination der aufgelisteten Elemente.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 17/373427 [0003]
    • WO 17/372114 [0003]
    • WO 17/122986 [0003]
    • WO 63/087789 [0003]
    • US 10491291 [0011, 0013]

Claims (22)

  1. Matrixfilter-Diplexer, umfassend: ein Empfangsmatrixfilter, das zwischen einen Empfangsanschluss und einen Antennenanschluss gekoppelt ist; und ein Sendematrixfilter, das zwischen den Antennenanschluss und einen Sendeanschluss gekoppelt ist, wobei eine Impedanz an dem Empfangsanschluss an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA) angepasst ist, eine Impedanz an dem Sendeanschluss an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers (PA) angepasst ist, und eine Impedanz an dem Antennenanschluss an eine Impedanz einer Antenne angepasst ist.
  2. Matrixfilter-Diplexer nach Anspruch 1, wobei die Impedanz an dem Empfangsanschluss 300 Ohm eines Filterausgangsanschlusses ist, der an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA) eines RF-Empfängers angepasst ist, die Impedanz an dem Sendeanschluss 4 Ohm eines Filterausgangsanschlusses ist, der an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers (PA) eines RF-Senders angepasst ist, und die Impedanz an dem Antennenanschluss 50 Ohm eines Filtereingangsanschlusses ist, der an die Impedanz einer Funkfrequenzantenne (RF-Antenne) angepasst ist.
  3. Matrixfilter-Diplexer nach Anspruch 1, wobei der Empfangs- und der Sendematrixfilter jeweils enthält: zwei oder mehr Teilfilter, die zwischen den Filterantennenanschluss und die jeweiligen Filterausgangsanschlüsse geschaltet sind, wobei jedes Teilfilter eine Leiterschaltung mit n transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonator (XBAR)-Serienelementen und n-1 Kondensator-Shunt-Elementen umfasst, wobei n, die Ordnung des Teilfilters, eine ganze Zahl größer als 2 ist.
  4. Matrixfilter-Diplexer nach Anspruch 3, wobei die zwei oder mehr Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder haben und wobei jedes der nicht-zusammenhängenden Durchlassbänder das Durchlassband von nur einem Teilfilter ist.
  5. Matrixfilter-Diplexer nach Anspruch 3, wobei jedes der zwei oder mehr Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder aufweist, die durch ein Stoppband getrennt sind, das dort existiert, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters weniger als -20 dB beträgt.
  6. Matrixfilter-Diplexer nach Anspruch 3, wobei die XBAR-Serienelemente einen ersten End-XBAR, der mit einem ersten Teilfilteranschluss verbunden ist, einen zweiten End-XBAR, der mit einem zweiten Teilfilteranschluss verbunden ist, und ein oder mehrere Mittel-XBAR, die zwischen den ersten und zweiten akustischen Endresonator geschaltet sind.
  7. Matrixfilter-Diplexer nach Anspruch 3, wobei ein an den Sendeanschluss oder den Antennenanschluss angelegtes Funkfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in den XBAR-Serienelementen anregt.
  8. Matrixfilter-Multiplexer, umfassend: ein erstes und zweites Empfangsmatrixfilter, das zwischen einem ersten und zweiten Empfangsanschluss und einem Antennenanschluss gekoppelt ist; und ein erstes und zweites Sendematrixfilter, das zwischen dem Antennenanschluss und einem ersten und zweiten Sendeanschluss gekoppelt ist, wobei eine Impedanz an dem ersten und zweiten Empfangsanschluss an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers angepasst ist, eine Impedanz an dem ersten und zweiten Sendeanschluss an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers angepasst ist, und eine Impedanz am Antennenanschluss an eine Impedanz einer Antenne angepasst ist.
  9. Matrixfilter-Multiplexer nach Anspruch 8, wobei die Impedanz an dem ersten und zweiten Empfangsanschluss 300 Ohm eines Filterausgangsanschlusses beträgt, der an eine Eingangsimpedanz von rauscharmen Verstärkern (LNA) des ersten und zweiten RF-Empfängers angepasst ist, die Impedanz an dem ersten und zweiten Sendeanschluss 4 Ohm eines Filterausgangsanschlusses beträgt, der an eine Ausgangsimpedanz von Leistungsverstärkern (PA) von ersten und zweiten RF-Sendern angepasst ist, und die Impedanz am Antennenanschluss 50 Ohm eines Filtereingangsanschlusses beträgt, der an die Impedanz einer Funkfrequenzantenne (RF) angepasst ist.
  10. Matrixfilter-Multiplexer nach Anspruch 8, wobei der erste und zweite Empfangs- und der erste und zweite Sendematrixfilter jeweils enthalten: zwei oder mehr Teilfilter, die zwischen den Filterantennenanschluss und die jeweiligen Filterausgangsanschlüsse geschaltet sind, wobei jedes Teilfilter eine Leiterschaltung mit n transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonator (XBAR)-Serienelementen und n-1 Kondensator-Shunt-Elementen umfasst, wobei n, die Ordnung des Teilfilters, eine ganze Zahl größer als 2 ist.
  11. Matrixfilter-Multiplexer nach Anspruch 10, wobei die zwei oder mehr Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder haben und wobei jedes der nicht-zusammenhängenden Durchlassbänder das Durchlassband von nur einem Teilfilter ist.
  12. Matrixfilter-Multiplexer nach Anspruch 10, wobei jedes der zwei oder mehr Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder aufweist, die durch ein Stoppband getrennt sind, das dort existiert, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters weniger als -20 dB beträgt.
  13. Matrixfilter-Multiplexer nach Anspruch 10, wobei die XBAR-Serienelemente einen ersten End-XBAR, der mit einem ersten Teilfilteranschluss verbunden ist, einen zweiten End-XBAR, der mit einem zweiten Teilfilteranschluss verbunden ist, und ein oder mehrere Mittel-XBAR, die zwischen den ersten und zweiten akustischen Endresonator geschaltet sind.
  14. Matrixfilter-Multiplexer nach Anspruch 10, wobei ein an den ersten Sendeanschluss, den zweiten Sendeanschluss oder den Antennenanschluss angelegtes Funkfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in den XBAR-Serienelementen anregt.
  15. Matrixfilter, umfassend: einen Filtereingangsanschluss; und zwei oder mehr Teilfilter, die zwischen den Filtereingangsanschluss und jeweilige Filterausgangsanschlüsse geschaltet sind, wobei jedes Teilfilter eine Leiterschaltung mit n transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonator (XBAR)-Serienelementen und n-1 Kondensator-Shunt-Elementen umfasst, wobei n, die Ordnung des Teilfilters, eine ganze Zahl größer als 2 ist, und wobei eine Impedanz an einer ersten Mehrzahl der jeweiligen Filterausgangsanschlüsse an eine Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers angepasst ist, eine Impedanz an einer zweiten Mehrzahl der jeweiligen Filterausgangsanschlüsse an eine Ausgangsimpedanz eines Leistungsverstärkers angepasst ist, und eine Impedanz an dem Eingangsanschluss an eine Impedanz einer Antenne angepasst ist.
  16. Filter nach Anspruch 15, wobei die zwei oder mehr Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder haben und wobei jeder der nicht-zusammenhängenden Durchlassbändern das Durchlassband von nur einem Teilfilter ist.
  17. Filter nach Anspruch 15, wobei jedes der zwei oder mehr Teilfilter nicht-zusammenhängende Durchlassbänder aufweist, die durch ein Stoppband getrennt sind, das dort existiert, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters weniger als -20 dB beträgt.
  18. Filter nach Anspruch 15, wobei nur eines der zwei oder mehr Teilfilter so ausgewählt ist, dass es zwischen den Filtereingangsanschluss und die jeweiligen Filterausgangsanschlüsse geschaltet ist, und wobei keine Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines einzelnen Teilfilters die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines anderen Teilfilters bei einer Frequenz kreuzt, bei der die Übertragungsfunktionen beider Filter über -20 dB liegen.
  19. Filter nach Anspruch 15, wobei Teilfilterverbindungen zwischen dem Filtereingang und den jeweiligen Filterausgangsanschlüssen umgeschaltet werden können, um eines oder mehrere der nicht-zusammenhängenden Durchlassbänder auszuwählen.
  20. Dreiband-Diversity-Empfänger, umfassend: einen Matrix-Triplexer, der zwischen eine Antenne und drei Empfänger geschaltet ist, wobei der Triplexer umfasst: ein erstes Teilfilter, das zwischen einen ersten Filteranschluss und einen zweiten Filteranschluss geschaltet ist, der mit dem ersten Empfänger gekoppelt ist; ein zweites Teilfilter, das zwischen den ersten Filteranschluss und einen dritten Filteranschluss geschaltet ist, der mit dem zweiten Empfänger gekoppelt ist; ein drittes Teilfilter, das zwischen den ersten Filteranschluss und einen vierten Filteranschluss geschaltet ist, der mit dem dritten Empfänger gekoppelt ist, wobei jedes Teilfilter eine Leiterschaltung mit mindestens drei transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonator (XBAR)-Serienelementen und mindestens zwei Kondensator-Shunt-Elementen umfasst; und wobei eine Impedanz des zweiten, dritten und vierten Filteranschlusses an eine Eingangsimpedanz eines jeweiligen rauscharmen Verstärkers angepasst ist, und eine Impedanz an dem ersten Filteranschluss an eine Impedanz einer Antenne angepasst ist.
  21. Filter nach Anspruch 20, wobei jedes der 3 Teilfilter ein nicht-zusammenhängendes Durchlassband, das von dem Durchlassband aller anderen 3 Teilfilter durch ein Sperrband getrennt ist, das dort existiert, wo die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Matrixfilters weniger als -20 dB beträgt.
  22. Filter nach Anspruch 20, wobei jedes der XBAR-Serienelemente zwischen dem ersten Teilfilteranschluss und dem zweiten Teilfilteranschluss in Reihe geschaltet ist; und jeder der Shunt-Kondensatoren zwischen Masse und einem Knoten zwischen einem jeweiligen Paar von XBAR-Serienelementen geschaltet ist.
DE102022111162.8A 2021-05-07 2022-05-05 Transversal angeregte akustische filmvolumenresonator-matrixfilter mit eingangs- und ausgangsimpedanzen, die an funkfrequenz-frontend-elemente angepasst sind Pending DE102022111162A1 (de)

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US17/372,114 2021-07-09
US17/372,114 US11658639B2 (en) 2020-10-05 2021-07-09 Transversely-excited film bulk acoustic resonator matrix filters with noncontiguous passband
US17/373,427 US11476834B2 (en) 2020-10-05 2021-07-12 Transversely-excited film bulk acoustic resonator matrix filters with switches in parallel with sub-filter shunt capacitors
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US17/494,677 US11929733B2 (en) 2020-10-05 2021-10-05 Transversely-excited film bulk acoustic resonator matrix filters with input and output impedances matched to radio frequency front end elements
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017122986A1 (ko) 2016-01-11 2017-07-20 삼성전자주식회사 조리기기
US10491291B2 (en) 2017-05-19 2019-11-26 Honeywell International Inc. System and method for multi-channel vehicle communications

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