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Die
Erfindung betrifft ein Frontend-Modul mit einem Sendepfad und einem
Empfangspfad, die mit einem Antennenanschluß verbunden sind, umfassend
ein Vielschichtsubstrat mit mehreren dielektrischen Schichten und
Metallisierungsebenen, die zwischen den dielektrischen Schichten
angeordnet und elektrisch miteinander sowie mit auf der Substratoberseite
angeordneten Anschlußflächen und
auf der Substratunterseite angeordneten Außenkontakten verbunden sind,
wobei im Sendepfad ein Sendefilter und im Empfangspfad ausgangsseitig
ein Empfangsfilter angeordnet ist. Die Filter sind jeweils mit den
Anschlußflächen des
Vielschichtsubstrats elektrisch verbunden. Im Empfangs- und/oder
Sendepfad ist antennenseitig ein Anpassungsnetzwerk angeordnet,
das eine Verzögerungsleitung
umfaßt.
Ein solches Frontend-Modul ist z. B. aus der Druckschrift
DE 19621353 bekannt.
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Die
mit dem gemeinsamen Antennenanschluß verbundene Filter bilden
einen Duplexer.
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Ein
Duplexer ist eine Frequenzweiche zur Trennung der Empfangs- und
Sendesignale eines bestimmten Frequenzbandes eines Datenübertragungssystems,
wobei die Datenübertragung
in beide Richtungen über
eine gemeinsame Antenne erfolgt. Ein Duplexer weist in jedem Signalpfad
i. d. R. ein Bandpaßfilter,
z. B. ein mit akustischen Wellen arbeitendes Filter oder ein Filter,
das aus mehreren elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen
dielektrischen Resonatoren besteht. Der Duplexer gewährleistet
dabei, daß sich
die Pfade wechselseitig nicht beeinflussen und beispielsweise ein
Sendesignal nicht in den Empfangspfad hineinkoppelt.
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Bekannt
sind z. B. aus der Druckschrift
DE 19621353 A1 Duplexer, die auf der Basis
von Oberflächenwellen-Komponenten
und eines mehrlagigen Vielschichtsubstrats mit integrierten Schaltungen aufgebaut
sind. Die Oberflächenwellen-Komponenten
haben jedoch den Nachteil, daß deren
Herstellung kostspielige Materialien und einen hohen Aufwand erfordert
und daß sie
bei hohen Sendeleistungen eine geringe Lebensdauer haben.
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Ferner
ist aus der Druckschrift
US 5534829 ein
Duplexer bekannt, der auf einer Basisplatte aufgebaut ist. Dabei
sind die Bandpaßfilter
jeweils aus mehreren zusammengefügten
einzelnen koaxialen Resonatoren, u. a. Mikrowellenkeramik-Resonatoren, aufgebaut.
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Ein
bekanntes Mikrowellenkeramik-Filter besteht aus zumindest einem
Resonator, der in einem dielektrischen keramischen Grundkörper ausgebildet ist.
Dazu weist der Grundkörper
eine zentrale Bohrung auf, deren Innenwände metallisiert sind. Auch die
Außenwände des
keramischen Grundkörpers sind
mit Ausnahme einer Stirnfläche
metallisiert und an der Kurzschlußseite, die der nicht metallisierten Stirnfläche gegenüberliegt,
mit der metallisierten Bohrung kontaktiert. Galvanisch von der Außenmetallisierung
getrennt befinden sich an einer Seitenfläche elektrische Anschlußflächen, die
zur kapazitiven Ankopplung an die metallisierte Bohrung, die den
eigentlichen Resonator darstellt, dienen.
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Die
Mikrowellenkeramik-Filter haben den Vorteil, daß sie vergleichsweise einfach
entworfen und günstig
hergestellt werden können.
Darüber
hinaus weisen sie eine geringe Einfügedämpfung auf.
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Aus
US 5 686 873 ist ein sogenannter
monolithischer Duplexer bekannt. Bei monolithischen Duplexern ist
ein einziger Keramikkörper
vorgesehen, in welchem ein Sendezweig und ein Empfangszweig aus
jeweils mehreren gekoppelten Resonatoren angeordnet ist. Der Vorteil
eines solchen monolithischen Duplexers liegt in dessen Herstellung:
es braucht nur ein Keramik körper
in einem Stück
gepreßt
zu werden, was die Fertigung erheblich gegenüber der Herstellung von zwei
Keramikkörpern
vereinfacht. Ein nicht zu unterschätzender Nachteil liegt aber
darin, daß die
Keramikkörper
solcher monolithischer Duplexer wegen ihrer Größe schwer zu löten sind,
wobei überdies
oft entsprechende mechanische Spannungen auf den jeweiligen Unterlagen
bzw. "Boards" entstehen, da die
Keramikfilter selbst nicht flexibel sind. Außerdem ist bei monolithischen
Duplexern das Oberwellenverhalten tendenziell gegenüber Duplexern
aus getrennten Filtern schlechter, da die grundsätzlich immer auftretenden Rechteckhohlleitermoden
schon bei niedrigen Frequenzen ausbreitungsfähig werden, was sich bei einem
monolithischen Duplexer besonders nachteilhaft auswirkt.
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Weiterhin
ist in der genannten Druckschrift ein Duplexer beschrieben, der
aus zwei keramischen Filtern mit je zwei gekoppelten Resonatoren
besteht, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind und über Leitungsstrukturen
auf dieser Leiterplatte verbunden sind.
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Bei
einer anderen Art von Duplexern, die beispielsweise aus
US 5 789 998 bekannt sind,
werden zu verkoppelnde Keramikfilter bzw. keramische Leitungsresonatoren
auf einem Vielschichtsubstrat montiert. Die Koppelstrukturen zwischen
den Keramikfiltern sind entweder im Vielschichtsubstrat enthalten
oder durch zusätzlich
vorgesehene Spulen und Kondensatoren gegeben. Ein wesentlicher Nachteil
dieser Art von Duplexern liegt in dem hohen Aufwand für die Koppelstrukturen.
Auch ist eine Reduzierung der Bauhöhe wegen des zusätzlichen
Vielschichtsubstrats nur auf Kosten einer Verschlechterung der elektrischen
Parameter, wie insbesondere der Einfügungsdämpfung, zu realisieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Frontend-Modul anzugeben,
das einfach und kostengünstig
herzustellen ist und dabei eine niedrige Einfügedämpfung und einen geringen Platzbedarf aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Frontend-Modul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch den kompakten modularen
Aufbau des Bauelements auf einem mehrlagigen Vielschichtsubstrat
mit integrierten passiven Elementen der Frontendschaltung und die
Verwendung in einem solchen Modul verlustarmer Mikrowellenkeramik-Filter
niedrige Signalverluste zu erzielen.
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Ein
erfindungsgemäßes Frontend-Modul weist
einen Sendepfad und einen Empfangspfad auf, die mit einem gemeinsamen
Antennenanschluß verbunden
sind. Das Frontend-Modul umfaßt
insbesondere ein Vielschichtsubstrat mit mehreren dielektrischen
Schichten und Metallisierungsebenen, welche zwischen den dielektrischen
Schichten angeordnet und elektrisch miteinander sowie mit auf der
Substratoberseite angeordneten Anschlußflächen und auf der Substratunterseite
angeordneten Außenkontakten
verbunden sind.
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Im
Sendepfad ist ein Sendefilter und im Empfangspfad (vorzugsweise
ausgangsseitig, d. h. auf der dem Antennenanschluß gegenüberliegenden Seite
des Empfangspfades) ein Empfangsfilter angeordnet. Die Filter sind
jeweils auf dem Vielschichtsubstrat angeordnet und mit dessen Anschlußflächen elektrisch
verbunden.
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Im
Empfangspfad und/oder Sendepfad ist antennenseitig ein Anpassungsnetzwerk
angeordnet, das eine Verzögerungsleitung
um faßt,
die zur Entkopplung des Empfangspfades im Bereich der Sendefrequenz
dient und – bei
Anordnung im Empfangspfad – vorzugsweise
eine Länge
von λ/4
hat. Die Verzögerungsleitung
ist zumindest teilweise im Vielschichtsubstrat angeordnet.
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Das
Sendefilter und das Empfangsfilter (die als Mikrowellenkeramik-Filter
ausgebildet sind) sind gemeinsam in einem einzigen monolithischen
Mikrowellenkeramik-Bauelement realisiert oder jeweils als ein monolithisches
Mikrowellenkeramik-Bauelement ausgebildet.
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Das
Mikrowellenkeramik-Filter besteht aus einem keramischen Grundkörper, der
mehrere metallisierte Bohrungen aufweist. Die Außenflächen des Grundkörpers weisen
eine geschlossene Außenmetallisierung
auf, wobei eine Stirnfläche
von Metallisierung frei ist und wobei auf der Unterseite des Grundkörpers Aussparungen
vorgesehen sind. In den Aussparungen sind von der Außenmetallisierung
isolierte elektrische Kontakte angeordnet, die mit den entsprechenden
Anschlußflächen auf
der Oberseite des Vielschichtsubstrats kontaktiert sind.
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Die
Außenmetallisierung
und die Anschlußflächen werden
vorzugsweise in einem Verfahrensschritt als eine gemeinsame großflächige Metallisierung
erzeugt und in einem späteren
Verfahrensschritt z. B. durch einen Schliff voneinander isoliert.
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Die
dielektrischen Schichten können
z. B. als dünne
Keramik- oder Laminatschichten
(z. B. aus FR4) ausgebildet sein. Die Verzögerungsleitung oder auch weitere
passive Schaltungselemente (z. B. Widerstand, Kapazität, Induktivität, Leitungsabschnitt) oder
Schaltungen (z. B. Impedanzwandler, Balun, Tiefpaßfilter,
Anpassungsnetzwerk) können
teilweise oder komplett in zumindest einer der Metallisierungsebenen
des Vielschichtsubstrats oder auf seiner Ober- und/oder Unterseite
ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die genannten Komponenten als Leiterbahnen auf dem
Grundkörper
in weiteren Aussparungen der Außenmetallisierung
auszubilden.
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Die
Gesamtdicke des Vielschichtsubstrats ist vorzugsweise ≤ 300 Mikrometer.
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Die
Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats sind miteinander
sowie mit auf der Substratoberseite angeordneten Anschlußflächen und
auf der Substratunterseite angeordneten Außenkontakten mittels Durchkontaktierungen
verbunden, die vorzugsweise als metallisierte Bohrungen ausgebildet sind.
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Die
Rückseite
des Frontend-Moduls, die zur Oberseite der Filter hin zeigt, kann
bei getrennt ausgebildeten Filtern in einem der späteren Verfahrensschritte
(nach der Anordnung der Filter auf dem Vielschichtsubstrat) planarisiert
sein. Das Modul ist inklusive Filter planarisiert, z. B. durch Verguß oder durch Anordnung
einer (vorzugsweise elektrisch nicht leitenden) Platte auf der Rückseite
der Filter. Diese Platte kann z. B. die Bezeichnung des Bauelements aufweisen.
Eine Platte aus einem leitfähigen
Material kann als Abschirmung oder zur Einstellung der Filtereigenschaften
des Bauelements (z. B. Selektion im Sperrbereich) benutzt werden.
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Das
erfindungsgemäße Frontend-Modul
verbindet in vorteilhafter Weise einerseits die Vorzüge einer
vertikalen Integration passiver Bauelementstrukturen und andererseits
die Vorteile eines modularen Aufbaus, wobei Teile des Moduls nur
in geringem Maße
die elektrischen Eigenschaften gegenseitig beeinflussen, weshalb
beim Entwurf des Gesamtmoduls ein Teil des Moduls je nach Bedarf
leicht ersetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Kombination der Modularität (durch
Verwendung von in einem einzigen Grundkörper ausgebildeten Mikrowellenkeramik-Filter)
und der Integrität
(durch Realisierung weiterer passiver Schaltungen im Vielschichtsubstrat)
erzielt daher erstmalig die in den bisher bekannten Bauelementen
nicht erreichbaren Vorteile.
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Für die vorteilhafte
Flexibilität
beim Entwurf des gesamten Frontend-Moduls spielt eine besondere
Rolle der Einsatz von Mikrowellenkeramik-Filtern, deren elektrische
Eigenschaften – im
Gegensatz zu elektroakustischen Filtern – besonders einfach modelliert
und realisiert werden können.
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Auf
der Oberseite des Vielschichtsubstrats ist in einer Weiterbildung
der Erfindung zumindest ein weiteres diskretes Bauelement angeordnet,
das beispielsweise aus einem Chip-Bauelement, einem Transistor, einer
Diode, einem Widerstand, einem Kondensator oder einer Spule ausgewählt ist.
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In
dem als Chip-Bauelement ausgebildeten weiteren diskreten Bauelement
kann auch eine Schaltung, ausgewählt
aus Anpassungsnetzwerk, Impedanzwandler, Tiefpaßfilter, MEMS (Micro Electromechanical
System), Diplexer oder Balun, realisiert sein.
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Das
weitere diskrete Bauelement kann als Halbleiterchip-Bauelement ausgebildet
sein und z. B. einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker oder
einen Diodenschalter umfassen.
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Auf
der Stirnfläche
können
in einer Variante der Erfindung planar oder in Vertiefungen aufgebrachte
metallische Strukturen vorgesehen sein. Diese ermöglichen
es in einfacherer Weise, mit Hilfe des zusätzlichen Freiheitsgrades eine
gewünschte
Kapazität
einzustellen. Die Größe der Kapazität ist dabei überwiegend
durch die Tiefe und Anordnung der metallischen Strukturen bestimmt.
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Verkoppelt
man zwei Resonatoren geeignet, so entsteht ein Filterverhalten.
Zur Einstellung gewünschter
Spezifikationen sind also zumindest zwei Resonatorbohrungen erforderlich.
Als Ankoppelstrukturen ausgebildete metallische Strukturen bilden dabei
eine Kapazität
zu einer oder mehreren Resonatorbohrun gen. Dies bedeutet, daß als Ankoppelstrukturen
verwendete metallische Strukturen in die Nähe einer Resonatorbohrung geführt sind,
aber in definiertem Abstand und galvanisch getrennt zu dieser ausgeführt sind.
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Zusätzlich zu
den Ankoppelkapazitäten
können
in einem – in
dieser Ausführungsform
in einem einzigen Grundkörper
ausgebildeten – Duplexer
zusätzliche
metallische Strukturen zur Entkopplung der beiden Filter (Sende-
bzw. Empfangsfilter) vorgesehen sein. Auch diese metallischen Entkopplungs-Strukturen sind wie
die genannten Ankoppelstrukturen als metallisierte Vertiefungen
in der Stirnfläche
ausgebildet. Die zur Entkopplung dienenden metallischen Strukturen
können
galvanisch isoliert sein oder mit den metallisierten Bohrungen (Resonatorbohrungen)
eines Teilfilters verbunden sein. Die Entkoppelstrukturen dienen
dazu, die Eigenimpedanz eines Filters zu beeinflussen und somit
die Phasenlage in geeigneter Weise zu verändern. Dies geschieht in einem
Spezialfall im Smith Chart, indem man versucht, das Empfangs- und
Sendefilter jeweils in den Leerlauf zu drehen, was einer Entkopplung
der beiden Pfade entspricht. Durch geeignete Wahl der Eingangsimpedanzen
kann somit erreicht werden, daß sich
die des Empfangs- und Sendepfads nicht mehr gegenseitig beeinflussen.
Dies entspricht einer Drehung im Smith Chart und dient dazu, das
Empfangs- und das Sendefilter zu entkoppeln, so daß sie gegenseitig
von ihren Signalen nicht beeinflußt werden. Die Entkopplungsstrukturen
können
an beiden Filtern angebracht werden.
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Während die
Resonatorbohrung eines erfindungsgemäßen Filters in der Regel über die
gesamte Höhe
des Grundkörpers
verläuft,
reicht die Vertiefung für
die erfindungsgemäßen metallischen
Strukturen nur bis eine Tiefe, die zirka 1 bis 20 % der gesamten Höhe des Grundkörpers aufweist.
Ein Frontend-Filter, das für
im Mobilfunk verwendete Frequenzen im GHz-Bereich ausgelegt ist,
weist daher metallisierte Vertiefungen in der Stirnfläche auf,
die eine Tiefe von 0,1 bis 1 mm besitzen.
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Die
Tiefe der Vertiefungen in der Stirnfläche, die die räumliche
Dimension der Ankoppelkapazität darstellt,
läßt sich
in einfacher Weise bei erfindungsgemäßen Filtern für die Einstellung
der Größe der Ankoppelkapazitäten ausnutzen.
Mit größerer Tiefe der
Vertiefungen läßt sich
eine höhere
Kapazität
einstellen. Bei ansonsten gleichbleibendem Flächenbedarf, bezogen auf die
Stirnseite, weist eine erfindungsgemäß in Vertiefungen angeordnete
Metallisierung (metallische Struktur) eine entsprechend höhere Kapazität auf, bzw.
bildet eine entsprechend höhere
Kapazität
zu den Resonatorbohrungen aus.
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Eine
zweite erfinderische Idee liegt darin, das Vielschichtsubstrat zwischen
dem Sende- und Empfangsfilter anzuordnen und es mechanisch fest mit
diesen zu verbinden.
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Die
Filter sind jeweils als ein monolithisches Mikrowellenkeramik-Bauelement
ausgebildet, das einen keramischen Grundkörper mit mehreren metallisierten
Bohrungen aufweist, wobei der Grundkörper eine geschlossene Außenmetallisierung
aufweist, welche, mit Ausnahme einer Stirnfläche und Aussparungen auf der
Unterseite und der zum Vielschichtsubstrat gewandten Seitenfläche des
Grundkörpers, auf
allen Außenflächen des
Grundkörpers
angeordnet ist.
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Das
Vielschichtsubstrat weist auf seinen einander gegenüberliegenden
und den Filtern zugewandten Seitenflächen Anschlußflächen auf.
Das Vielschichtsubstrat ist ansonsten wie oben erläutert aufgebaut.
Insbesondere ist im Vielschichtsubstrat die Verzögerungsleitung oder auch weitere
Schaltungselemente oder Schaltungen verborgen. Das Vielschichtsubstrat
ist vorzugsweise großflächig metallisiert,
wobei in dieser Metallisierung die schon genannten Anschlußflächen ausgebildet
werden, indem sie z. B. durch Schliffe elektrisch vom Rest der großflächigen Metallisierung
isoliert werden.
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Die
Anschlußflächen des
jeweiligen Filters sind elektrisch mit diesen verbunden und dienen gleichzeitig
als Außenkontakte
des Gesamtmoduls.
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Diese
Ausführungsform
der Erfindung hat zusätzlich
den Vorteil, daß sich
auf diese Weise die Gesamthöhe
des Frontend-Moduls
reduzieren läßt.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 zeigt schematisch eine
bekannte Duplexer-Schaltung
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2 zeigt den Aufbau eines
erfindungsgemäßen Frontend-Moduls im schematischen
Querschnitt
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3 zeigt links in perspektivischer
Draufsicht und rechts in schematischer Draufsicht von unten ein
monolithisches Mikrowellenkeramik-Filter, das in einem erfindungsgemäßen Frontend-Modul eingesetzt
wird
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4a zeigt in schematischer
Draufsicht die Oberseite des Vielschichtsubstrats
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4b zeigt in schematischer
Draufsicht von oben eine der Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats
mit einer darin ausgebildeten Verzögerungsleitung
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4c zeigt in schematischer
Draufsicht von oben die Unterseite des Vielschichtsubstrats mit elektrischen
Außenkontakten
des Frontend-Moduls
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5a zeigt in perspektivischer
Draufsicht ein monolithisch ausgebildetes Mikrowellenkeramik-Filter
mit einer integrierten Schirmstruktur
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5b zeigt in schematischer
Draufsicht eine Stirnseite des Grundkörpers eines monolithisch ausgebildeten
Mikrowellenkeramik-Filters mit auf dieser Stirnseite angeordneten
Ankoppelstrukturen und einer Verzögerungsleitung
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6 zeigt in schematischer
Draufsicht eine Stirnseite eines monolithisch ausgebildeten Mikrowellenkeramik-Duplexers,
der in einem erfindungsgemäßen Frontend-Modul
eingesetzt wird
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7a zeigt in perspektivischer
Draufsicht auf die Stirnseite eine vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Frontend-Moduls
mit einem zwischen den Filtern angeordneten Vielschichtsubstrat
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7b zeigt in schematischer
Draufsicht auf die Stirnseite das Frontend-Modul gemäß 7a
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8a zeigt in schematischer
Draufsicht die rechte Seitenfläche
des Vielschichtsubstrats gemäß 7a
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8b zeigt in schematischer
Draufsicht von rechts eine der Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats
gemäß 7a mit einer darin ausgebildeten
Verzögerungsleitung
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8c zeigt in schematischer
Draufsicht von rechts die linke Seitenfläche des Vielschichtsubstrats gemäß 7a
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9 zeigt ein im erfindungsgemäßen Frontend-Modul
verwendetes Filter in räumlicher
Darstellung
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9a zeigt einen Ausschnitt
aus 9
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In 1 ist eine bekannte Duplexer-Schaltung
gezeigt. Empfangspfad RX und Sendepfad TX sind jeweils mit einem
Antennenanschluß ANT
verbunden. Im Sendepfad TX ist zwischen dem Antennenanschluß ANT und
einem Sendeeingang TX-IN ein Sendefilter TXF angeordnet. Im Empfangspfad RX
ist auf der Seite des Empfangsausgangs RX-OUT ein Empfangsfilter
RXF angeordnet. Antennenseitig ist im Empfangspfad RX eine Verzögerungsleitung TL
angeordnet.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Frontend-Modul
DU. Auf einem Vielschichtsubstrat VS mit mehreren dielektrischen
Schichten DS und dazwischen angeordneten Metallisierungsebenen ME
ist ein Empfangsfilter RXF und ein Sendefilter TXF eingeordnet.
Die Filter TXF, RXF sind in dieser Variante jeweils als ein monolithisches
Bauelement mit einem Mikrowellenkeramik-Grundkörper GK ausgeführt. Der
Aufbau des monolithischen Mikrowellenkeramik-Filters ist in 3 näher erläutert.
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Das
Sendefilter TXF weist einen Signaleingang TX-IN'' und
einen Signalausgang TX-OUT'' auf, die jeweils
elektrisch mit den entsprechenden auf der Oberseite des Vielschichtsubstrats
VS bereitgestellten Anschlußflächen TX-IN' und TX-OUT' verbunden sind.
Analog ist ein Signaleingang RX-IN'' und
ein Signalausgang RX-OUT'' des Empfangsfilters
RXF entsprechend mit den auf der Oberseite des Vielschichtsubstrats
VS bereitgestellten Anschlußflächen RX-IN' und RX-OUT' elektrisch leitend
verbunden.
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Die
Anschlußfläche TX-IN' ist elektrisch über Durchkontaktierungen
DK, die vorzugsweise als metallisierte Bohrungen in den dielektrischen
Schichten DS des Vielschichtsubstrats VS ausgebildet sind, mit Sendeeingang
TX-IN des Frontend-Moduls verbunden. Analog ist die Anschlußfläche TX-OUT' elektrisch über Durchkontaktierungen
mit Antennenanschluß ANT
verbunden. Die Anschlußfläche RX-OUT' ist ebenfalls elektrisch über Durchkontaktierungen
mit Empfangsausgang RX-OUT des Frontend-Moduls verbunden.
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Die
Anschlußfläche RX-IN' ist über eine Durchkontaktierung
DK', die ein Sackloch
darstellt (d. h. mit dem Footprint des Frontend-Moduls nicht verbunden
ist), mit einem Ende einer Verzögerungsleitung
TL verbunden, die vorzugsweise als ein Abschnitt der Länge λ/4 (entsprechend
der elektrischen Wellenlänge)
einer Streifenleitung ausgebildet ist. Das gegenüberliegende Ende der Verzögerungsleitung
TL ist nach unten elektrisch mit dem Antennenanschluß ANT verbunden.
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Die
Länge der
Verzögerungsleitung
TL ist so gewählt,
daß der
Eingang RX-IN'' des Empfangsfilters
RXF durch die Phasendrehung (des Signals in der Leitung TL) im Paßband des
Sendefilters TXF annähernd
im Leerlauf liegt (wobei zwischen dem Ausgang TX-OUT'' des Sendefilters TXF und dem Eingang
RX-IN'' des Empfangsfilters
RXF bei Sendefrequenz eine Phasendrehung des Signals vorzugsweise
um 180° erreicht
wird). Dabei kann die Leitungslänge
von λ/4
abweichen, da die tatsächliche
Phasendrehung durch die Durchkontaktierungen und parasitäre Kopplungen
beeinflußt
wird.
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Die
Verzögerungsleitung
TL kann wie in 2 dargestellt
in einer der Metallisierungsebenen ME im Vielschichtsubstrat VS
ausgebildet bzw. verborgen sein. Alternativ kann die Verzögerungsleitung TL
auf der Oberseite oder der Unterseite des Vielschichtsubstrats VS
ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Verzögerungsleitung TL
zumindest teilweise auf zumindest einer der freiliegenden Oberflächen des
Grundkörpers
GK (des Empfangsfilters RXF und/oder des Sendefilters TXF) auszubilden,
siehe z. B. 5b.
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Es
ist möglich,
in den Metallisierungsebenen ME des Vielschichtsubstrats VS und
auf seiner Ober- bzw. Unterseite wei tere Schaltungselemente (Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten, Leitungsabschnitte)
auszubilden. Die Schaltungselemente können teilweise oder vollständig folgende
Schaltungen bilden: Diplexer, Tiefpaßfilter, Anpassungsnetzwerk.
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Das
Vielschichtsubstrat dient u. a. zur Anpassung der Außenanschlüsse TX-IN,
ANT, RX-OUT des Frontend-Moduls an die im Endgerät erforderliche Anordnung elektrischer
Anschlüsse.
Dabei sind die Verbindungsleitungen vorzugsweise im Vielschichtsubstrat
verborgen. Dies gestattet eine beliebige Anordnung der Modulkomponenten
auf der Substratoberseite und daher hohe Flexibilität beim Entwurf
des gesamten Frontend-Moduls.
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Der
Aufbau des Filters TXF (oder RXF) ist in 3 in perspektivischer Draufsicht (links)
und in schematischer Draufsicht (rechts) jeweils von unten gezeigt.
Der Grundkörper
GK weist mehrere Resonatorbohrungen R auf, die zwischen seinen Stirnseiten angeordnet
und vorzugsweise durchgehend sind. Die hier nicht dargestellte,
der Stirnfläche
SF gegenüberliegende
Fläche,
die Oberseite und beide Seitenflächen
sind großflächig metallisiert
und bilden die Außenmetallisierung
AM. Die Außenmetallisierung AM
ist teilweise auch auf der Unterseite US des Grundkörpers GK
angeordnet. Die Anschlußflächen signalführender
Anschlüsse
(Eingang TX-IN'' und Ausgang TX-OUT'' des Sendefilters TXF, Eingang RX-IN'' und Ausgang RX-OUT'' des Empfangsfilters RXF)
auf der Unterseite US des Grundkörpers
GK sind in einer in der Außenmetallisierung
AM vorgesehenen Aussparung AU angeordnet und elektrisch von der
Außenmetallisierung
AM isoliert. Die Anschlußfläche GND
eines Masseanschlusses des Filters TXF ist elektrisch mit dem entsprechenden
Masseanschluß des
hier nicht dargestellten Vielschichtsubstrats VS verbunden. Die
Anschlußfläche GND kann
elektrisch mit der Außenmetallisierung
AM verbunden oder wie in 3 angedeutet
in der Aussparung AU angeordnet sein.
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Die
durch die Metallisierung in Bohrungen gebildeten sogenannten λ/4 Resonatoren
(wobei die Bohrung nicht mit Metall gefüllt ist) sind auf der Stirnfläche im Leerlauf,
auf der gegenüberliegenden
in der 1 nicht dargestellten
Stirnfläche
dagegen mit der Außenmetallisierung
kurzgeschlossen. Über
die Länge
der Resonatorbohrungen bzw. über
die Höhe
des keramischen Grundkörpers
läßt sich
in einfacher Weise die Resonanzfrequenz der Resonatoren einstellen.
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Obwohl
in dieser Figur nur der Aufbau des Sendefilters gezeigt ist, ist
das Empfangsfilter im Wesentlichen ähnlich aufgebaut. Dies betrifft
alle in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen.
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In
weiterer Ausgestaltung können
die Filter in an sich bekannter Weise weiter modifiziert werden, beispielsweise
indem die Resonatorbohrungen mit nicht geradlinig durchgehender
Bohrung ausgeführt werden.
Möglich
ist es auch, die Resonatorbohrungen so auszuführen, daß sie in verschiedenen Abschnitten
unterschiedliche Querschnittsflächen
oder Querschnittsformen aufweisen. Möglich ist es auch, eine Unstetigkeit
im keramischen Grundkörper
zu erzeugen und den Grundkörper
quer zu den Resonatorbohrungen aufgeteilt aus zwei keramischen Teilkörpern herzustellen.
Die Teilkörper
werden aus zwei keramischen Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante
hergestellt.
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An
der Kante der Stirnfläche
SF, die an die Unterseite US grenzt, ist eine Einkerbung oder Fase F
ausgebildet. Es ist auch möglich,
solche Einkerbungen auf der gegenüberliegenden Kante der Stirnfläche SF oder
an anderen Kanten des Grundkörpers GK
auszubilden.
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In 4a, 4b und 4c ist
jeweils in schematischer Ansicht von oben die Oberseite (4a), die im Vielschichtsubstrat
VS verborgene Metallisierungsebene ME (4b) und die Unterseite des Vielschichtsubstrats
VS, welche den Footprint (4c) bildet,
gezeigt. Die 4c entspricht
einer Ansicht des Footprints von oben durch das Substrats VS hindurch.
Die signalführenden
Anschlüsse,
die mit dem Eingang und Ausgang des Filters TXF (bzw. RXF) elektrisch
verbunden sind, sind in den jeweiligen Ebenen in Ausnehmungen der
Masseflächen
GND1, GND21, GND3 (bzw. GND22) angeordnet und so (durch die dazwischen
liegenden Teile der Masseflächen)
voneinander abgeschirmt. Die Massefläche GND23 in 4b gewährleistet zusammen mit der Leitung
TL die vorgegebene Impedanz am jeweiligen Port des Bauelements und
entkoppelt die Anschlüsse,
die an den einander gegenüberliegenden
Enden der Verzögerungsleitung
TL angeordnet und entsprechend elektrisch mit dem Eingang RX-IN'' des Empfangsfilters bzw. mit dem Antennenanschluß ANT verbunden
sind. Die überkreuzte
Kreise stellen das „dead
end" einer als Sackloch
ausgebildeten Durchkontaktierung DK' dar. Die Massefläche GND23 dient auch zur elektrischen
Verbindung der mit Masse verbundenen Durchkontaktierungen DK, DK' in der verborgenen
Metallisierungsebene ME.
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5a zeigt in perspektivischer
Draufsicht ein monolithisch ausgebildetes Filter, z. B. das Sendefilter
TXF, mit zwei im Grundkörper
GK z. B. durch ein Preßverfahren
ausgeführten
Bohrungen R und einer auf der Stirnfläche SF ausgebildeten metallisierten
Vertiefung, in der eine integrierte Schirmungsstruktur IS1 realisiert
ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die integrierte Schirmungsstruktur IS1 galvanisch mit der Außenmetallisierung
AM bzw. mit Bezugspotential verbunden.
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Eine
metallisierte Vertiefung kann z. B. im folgenden Verfahren hergestellt
werden. Zunächst
werden die Resonatorbohrungen R ebenso wie die Vertiefungen in dem
Grundkörper
GK hineingepreßt. Nach
dem Sintern des Grundkörpers
GK werden alle seine freiliegenden Oberflächen metallisiert. Eine geeignete
Mindestschichtdicke für
die Metallisierung beträgt
beispielsweise 5 – 20 μm. Eine zu
hohe Schichtdicke wird jedoch ver mieden, da sie für die Bauelementeigenschaften
nachteilig ist. Anschließend
erfolgt ein mechanisches Abschleifen der Außenmetallisierung AM im Bereich
der Stirnfläche
SF, wobei die Metallisierung in den Vertiefungen verbleibt.
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5b zeigt in schematischer
Draufsicht auf die Stirnfläche
SF eines weiteren Ausführungsbeispiels
die Anordnung von Ankoppelstrukturen AK, AK' und Resonatorbohrungen R1 bis R3 eines
Filters, hier des Empfangsfilters RXF. Dieses weist die Anschlußflächen RX-OUT'', RX-IN'' der
signalführenden
Anschlüsse
und eine mit der Außenmetallisierung
AM oder mit Masse des Vielschichtsubstrats verbundene Anschlußfläche GND
auf.
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Die
Anschlußfläche RX-IN'' des Filter-Eingangs ist mit der Resonatorbohrung
R3 über
eine Verzögerungsleitung
TL' (welche beispielsweise
einen Teil der Verzögerungsleitung
TL bildet) und die Ankoppelstruktur AK kapazitiv verkoppelt. Die
Anschlußfläche RX-OUT'' des Filter-Ausgangs ist kapazitiv über eine
Ankoppelstruktur AK' mit
der Resonatorbohrung R1 verkoppelt.
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Durch
geeignete Ausbildung von Ankoppelstrukturen AK, Lage, Durchmesser
und Länge
der damit verkoppelten Resonatorbohrung können Phasenlage und Eingangsimpedanz
des Filters vorteilhaft beeinflußt werden. Die Resonatorbohrung
kann dazu dienen, einen Pol in der Übertragungskurve des Filters
bereitzustellen, an dem das Filter eine besonders gute Dämpfung aufweist.
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Eine
in der Nähe
einer Resonatorbohrung angeordnete metallische Struktur kann auch
als eine Entkopplungsstruktur ausgebildet sein. Eine Entkopplungsstruktur
ist mit der Innenmetallisierung einer Resonatorbohrung galvanisch
verbunden. Dies kann vorteilhaft sein, um das Filter an eine gegebene Schaltungsumgebung
bezüglich
der Impedanz anzupassen.
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6 zeigt ausschnittsweise
in schematischer Draufsicht auf eine Stirnfläche SF einen Grundkörper GK,
in dem sowohl das Sendefilter TXF als auch das Empfangsfilter RXF
ausgebildet sind (ein monolithischer Mikrowellenkeramik-Duplexer).
Die Verzögerungsleitung
TL ist dabei vorzugsweise in dem hier nicht dargestellten Vielschichtsubstrat
VS verborgen. Das Vielschichtsubstrat dient in dieser Variante der
Erfindung auch dazu, das Footprint des Duplexer-Moduls (auf der
Unterseite des Vielschichtsubstrats VS) beliebig zu gestalten.
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In 7a, 7b ist eine vorteilhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Duplexers
in perspektivischer Ansicht auf die getrennt voneinander dargestellten
Einzelteile (7a) und
in Draufsicht auf die Stirnfläche
SF (7b) gezeigt. Ein
Vielschichtsubstrat VS, das die Verzögerungsleitung TL oder auch
andere Anpassungselemente umfaßt,
ist zwischen den Seitenflächen
der Filter TXF und RXF angeordnet. Das Vielschichtsubstrat VS weist
eine geschlossene Außenmetallisierung
AM' auf, welche, mit
Ausnahme der Aussparungen AU auf den den Filtern TXF bzw. RXF zugewandten
Seitenflächen
des Vielschichtsubstrats VS, vorzugsweise auf allen Außenflächen des
Vielschichtsubstrats VS (allenfalls auf den zu dem jeweiligen Filter
gewandten Außenflächen) angeordnet
ist.
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In
der dem Empfangsfilter RXF zugewandten Aussparung AU ist die Anschlußfläche RX-IN' angeordnet, die
elektrisch mit der Anschlußfläche RX-IN'' des Empfangsfilter-Eingangs verbunden
ist. In der dem Sendefilter TXF zugewandten, hier nicht dargestellten
Aussparung ist die Anschlußfläche TX-OUT' angeordnet, die
im fertigen Duplexer elektrisch mit der Anschlußfläche TX-OUT'' des
Sendefilter-Ausgangs verbunden ist.
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Die
Außenmetallisierung
AM' des Vielschichtsubstrats
VS ist vorzugsweise elektrisch mit der Außenmetallisierung AM des jeweiligen
Filters verbunden.
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Im
Gegensatz zu bisher vorgestellten Varianten der Erfindung dienen
hier die Anschlußflächen TX-IN'', TX-OUT'' des
Sendefilters TXF und die Anschlußflächen RX-IN'',
RX-OUT'' des Empfangsfilters RXF
gleichzeitig als Außenkontakte
des Gesamtmoduls. Die mit den Anschlüssen der beiden Filter verschaltbaren
Anschlußflächen TX-OUT', RX-IN' des Vielschichtsubstrats
VS sind nicht auf nur einer Oberfläche, sondern auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen bzw.
Seitenflächen
des Vielschichtsubstrats VS angeordnet.
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Für diese
Variante der Erfindung ist es wesentlich, daß die Anschlußflächen TX-IN'', TX-OUT'', RX-IN'', RX-OUT'' der
Filter TXF bzw. RXF zumindest teilweise auf der jeweils zum Vielschichtsubstrat
VS gewandten Seitenfläche
ausgebildet sind.
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8 zeigt einen beispielhaften
Aufbau des in 7a, 7b vorgestellten Vielschichtsubstrats
VS in schematischer Draufsicht von rechts, bzw. von der Seite des
RX Filters RXF her gesehen. 8a zeigt die
zum Empfangsfilter RXF gewandte (rechte) Seitenfläche des
Vielschichtsubstrats VS. 8b zeigt aus
der gleichen Blickrichtung eine im Vielschichtsubstrat VS verborgene
Metallisierungsebene (ME), in der die Verzögerungsleitung TL und eine
Massefläche
GND23 ausgebildet ist. Die Verbindung der Leitung TL mit den Anschlußflächen TX-OUT', RX-IN' des Vielschichtsubstrats
VS über
die Elemente DK, DK' ist
in 4b schon erläutert. 8c zeigt aus der gleichen
Blickrichtung (durch das Substrat hindurch) die zum Sendefilter
TXF gewandte (linke) Seitenfläche
des Vielschichtsubstrats VS.
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In
allen Varianten der Erfindung können
auch weitere passive Schaltungskomponenten (z. B. Induktivitäten, Kapazitäten) oder
Schaltungen (z. B. Balun, Anpassungsnetzwerk) im Vielschichtsubstrat VS
ausgebildet sein.
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9 zeigt in dreidimensionaler
Darstellung ein monolithisches Mikrowellenkeramik-Filter, das im erfindungsgemäßen Frontend-Modul
verwendet wird. Dieses ist aus einem dielektrischen, keramischen
Grundkörper
GK aufgebaut. Annähernd
parallel zueinander sind Resonatorbohrungen R so im keramischen
Grundkörper
angeordnet, daß sie
die beiden Stirnflächen
SF miteinander verbinden. Der Querschnitt der Resonatorbohrungen
kann beliebig gewählt
werden, beispielsweise rund oder rechteckig. Vorzugsweise weisen
die Resonatorbohrungen R bei der Erfindung einen sich stufenartig ändernden Querschnitt
auf. In einem unteren Bereich ist der Querschnitt z.B. rund, in
einem oberen Teil dagegen rechteckig. Damit wird ein Impedanzsprung
erzeugt, der die Charakteristik des Filters weiter verbessert. Vorzugsweise
sind die Mittelachsen von rundem und rechteckigem Querschnittsbereich
nicht deckungsgleich sondern gegeneinander versetzt, was weitere Vorteile
für die
Filtereigenschaften mit sich bringt. Insbesondere wird der untere
Teil der Resonatorbohrung durch den Versatz des oberen Bohrungsabschnitts
teilweise abgedeckt bzw. hinterschnitten.
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Auf
allen Außenflächen mit
Ausnahme der dargestellten Stirnfläche SF ist eine Außenmetallisierung
AM aufgebracht. Auch die Resonatorbohrungen R sind in ihrem Inneren
metallisiert, jedoch nicht mit Metall gefüllt. Auf der Stirnfläche SF sind
weiterhin Vertiefungen V angeordnet, deren Innenflächen ebenfalls
metallisiert sind. Auf der dem Betrachter zugewandten Vorderseite
des Grundkörpers
GK sind elektrische Anschlußflächen AF
vorgesehen, die mit Hilfe eines Isolierstreifens IS, in dem die
Außenmetallisierung
AM entfernt ist, galvanisch von der Außenmetallisierung getrennt sind. Die Anschlußflächen AF
sind mit der Metallisierung in den Vertiefungen V galvanisch verbunden.
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9a zeigt in vergrößerter Darstellung
eine solche Vertiefung V in der Stirnfläche SF des keramischen Grundkörpers GK.
Die in der 9 dargestellte
metallische Struktur in der Stirnfläche ist als kapazitive Ankoppelstruktur
AK ausge bildet, deren Metallisierung eine Kapazität zu dem
in der Figur linken Resonator bzw. zu der Metallisierung in der
linken Resonatorbohrung R ausbildet. Die z.B. durch Schleifen erzeugten
bzw. von der Außenmetallisierung
befreiten Isolierstreifen IS können
wie dargestellt teilweise abgeschrägt eingeschliffen werden. Über die
beiden Anschlußflächen AF
wird das Filter kontaktiert. Dazu wird das Filter mit seinen Anschlußflächen AF
in geeigneter Weise auf einer Platine befestigt. An vorderer und
hinterer Kante der oberen Stirnfläche SF ist ein Fase F vorgesehen,
die "im Inneren", also auf allen
unter dem Niveau der Stirnfläche
liegenden Flächen
metallisiert ist.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen
nur eine beschränkte
Anzahl möglicher
Strukturen auf der Stirnfläche
erfindungsgemäßer Filter
beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es
ist möglich,
Ankoppelstrukturen, Entkoppelstrukturen und weitere metallische
Strukturen auf der Oberfläche
in beliebiger Anzahl und Formgebung herzustellen, um die Eigenschaften
des Filters in einer gewünschten
Weise zu verändern.
Ein erfindungsgemäßes Filter
ist auch nicht auf die angegebenen Materialien, auf die Anzahl der
dargestellten Bohrungen oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.
-
- DU
- Frontend-Modul
- TX
- Sendepfad
- RX
- Empfangspfad
- ANT
- Antennenanschluß
- RX-OUT
- Empfangsausgang
- TX-IN
- Sendeeingang
(ANT, RX-OUT, TX-IN – Außenkontakte)
- RX-OUT', RX-IN', TX-IN', TX-OUT'
- auf
dem Vielschichtsub
-
- strat
-
- angeordnete
Anschlußflächen
- RX-OUT'', RX-IN'', TX-IN'', TX-OUT''
- auf
der Unterseite
-
- des
GK angeordnete elektrische Kontakte
- VS
- Vielschichtsubstrat
- ME
- (im
VS verborgene) Metallisierungsebene
- DS
- Dielektrische
Schicht
- DK
- Durchkontaktierung
- DK'
- Sackloch
- GND1
bis GND3
- Masseflächen im
Vielschichtsubstrat
- AU
- Aussparung
- AM
- Außenmetallisierung
des Grundkörpers
- AK,
AK'
- Ankoppelstrukturen
- GK
- Grundkörper
- TXF
- Sendefilter
- RXF
- Empfangsfilter
- TL
- Verzögerungsleitung
- TL'
- Teil
der Verzögerungsleitung TL
- R
- Bohrung
- US
- Unterseite
des Grundkörpers eines
Filter
- V
- Vertiefung
- AM'
- Außenmetallisierung
des Vielschichtsubstrats
- GND
- Anschlußfläche für einen Masseanschluß
- IS
- Isolierstreifen
- F
- Fase
(Einkerbung)