-
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 A1 bekannt.
-
Die mit dem gemeinsamen Antennenanschluß verbundene Filter bilden einen Duplexer.
-
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.
-
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.
-
Ferner ist aus der Druckschrift
US 5534829 A 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. Jedes Filter besteht aus mehreren Resonatoren, die jeweils als separate Keramikkörper realisiert sind. Ferner sind auf dem Substrat diskrete Anpassungselemente ausgebildet. Kapazitäten sind als Chipkondensatoren und Induktivitäten durch strukturierte Leiterbahnen auf dem dielektrischen Substrat realisiert.
-
Aus
EP 0 877 436 A1 ist ein dielektrischer Duplexer bekannt, der frontseitig an der offenen Resonatorseite mit einem mehrschichtigen Laminat verbunden und mit diesem zusammen auf Kontaktflächen eines Substrats montiert ist.
-
Aus
US 6351195 B1 ist ein auf ein Substrat montierter aus dielektrischen Resonatoren bestehender Duplexer bekannt, bei dem die Resonanzfrequenz der Resonatoren mittels PIN Dioden veränderbar ist. Auf dem Substrat sind neben den Dioden weitere diskrete passive Elemente wie Spulen und Kondensatoren montiert.
-
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.
-
Die Mikrowellenkeramik-Filter haben den Vorteil, daß sie vergleichsweise einfach entworfen und günstig hergestellt werden können. Darüber hinaus weisen sie eine geringe Einfügedämpfung auf.
-
Aus
US 5 686 873 A 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 Keramikkörper 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.
-
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.
-
Bei einer anderen Art von Duplexern, die beispielsweise aus
US 5 789 998 A 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.
-
Aus der Patentschrift
US 5,572,175 A sind Mikrowellenkeramikresonatoren bekannt, welche Filterelemente einer Duplexerschaltung darstellen können. Damit zwei Filter (welche Beispielsweise TX- und RX-Filter sein können) mit spulenförmigen Metallisierungen eines Montagesubstrats verschaltet sein können, sind die Filter direkt nebeneinander auf dem Montagesubstrat angeordnet.
-
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.
-
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.
-
Die erfinderische Idee liegt darin, das Vielschichtsubstrat zwischen dem Sende- und Empfangsfilter anzuordnen und es mechanisch fest mit diesen zu verbinden.
-
Diesem 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.
-
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.
-
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.
-
Im Empfangspfad und/oder Sendepfad ist antennenseitig ein Anpassungsnetzwerk angeordnet, das eine Verzögerungsleitung umfaßt, 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die Gesamtdicke des Vielschichtsubstrats ist vorzugsweise ≤ 300 Mikrometer.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Das weitere diskrete Bauelement kann als Halbleiterchip-Bauelement ausgebildet sein und z. B. einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker oder einen Diodenschalter umfassen.
-
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.
-
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 Resonatorbohrungen. 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Das Vielschichtsubstrat weist auf seinen einander gegenüberliegenden und den Filtern zugewandten Seitenflächen Anschlußflächen auf. Das Vielschichtsubstrat ist ansonsten wie oben erläutert aufgebaut. Insbesondere sind 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.
-
Die Anschlußflächen des jeweiligen Filters sind elektrisch mit diesen verbunden und dienen gleichzeitig als Außenkontakte des Gesamtmoduls.
-
Diese Ausführungsform der Erfindung hat zusätzlich den Vorteil, daß sich auf diese Weise die Gesamthöhe des Frontend-Moduls reduzieren läßt.
-
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.
-
1 zeigt schematisch eine bekannte Duplexer-Schaltung
-
2 zeigt den Aufbau eines Frontend-Moduls im schematischen Querschnitt gemäß Stand der Technik
-
3 zeigt links in perspektivischer Draufsicht und rechts in schematischer Draufsicht von unten ein monolithisches Mikrowellenkeramik-Filter, das in einem Frontend-Modul eingesetzt wird
-
4a zeigt in schematischer Draufsicht die Oberseite des Vielschichtsubstrats
-
4b zeigt in schematischer Draufsicht von oben eine der Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats mit einer darin ausgebildeten Verzögerungsleitung
-
4c zeigt in schematischer Draufsicht von oben die Unterseite des Vielschichtsubstrats mit elektrischen Außenkontakten des Frontend-Moduls
-
5a zeigt in perspektivischer Draufsicht ein monolithisch ausgebildetes Mikrowellenkeramik-Filter mit einer integrierten Schirmstruktur
-
5b zeigt in schematischer Draufsicht eine Stirnseite des Grundkörpers eines monolithisch ausgebildeten Mikrowellenkeramik-Filters mit auf dieser Stirnseite angeordneten Ankoppelstrukturen und einer Verzögerungsleitung
-
6 zeigt in schematischer Draufsicht eine Stirnseite eines monolithisch ausgebildeten Mikrowellenkeramik-Duplexers, der in einem Frontend-Modul gemäß Stand der Technik eingesetzt wird
-
7a zeigt in perspektivischer Draufsicht auf die Stirnseite des erfindungsgemäßen Frontend-Moduls mit einem zwischen den Filtern angeordneten Vielschichtsubstrat
-
7b zeigt in schematischer Draufsicht auf die Stirnseite das Frontend-Modul gemäß 7a
-
8a zeigt in schematischer Draufsicht die rechte Seitenfläche des Vielschichtsubstrats gemäß 7a
-
8b zeigt in schematischer Draufsicht von rechts eine der Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats gemäß 7a mit einer darin ausgebildeten Verzögerungsleitung
-
8c zeigt in schematischer Draufsicht von rechts die linke Seitenfläche des Vielschichtsubstrats gemäß 7a
-
9 zeigt ein im erfindungsgemäßen Frontend-Modul verwendetes Filter in räumlicher Darstellung
-
9a zeigt einen Ausschnitt aus 9
-
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.
-
2 zeigt ein Frontend-Modul DU gemäß Stand der Technik. 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Es ist möglich, in den Metallisierungsebenen ME des Vielschichtsubstrats VS und auf seiner Ober- bzw. Unterseite weitere Schaltungselemente (Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten, Leitungsabschnitte) auszubilden. Die Schaltungselemente können teilweise oder vollständig folgende Schaltungen bilden: Diplexer, Tiefpaßfilter, Anpassungsnetzwerk.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 vermieden, 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 auch dazu, das Footprint des Duplexer-Moduls (auf der Unterseite des Vielschichtsubstrats VS) beliebig zu gestalten.
-
In 7a, 7b ist die erfindungsgemäße Ausführungsform eines 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.
-
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.
-
Die Außenmetallisierung AM' des Vielschichtsubstrats VS ist vorzugsweise elektrisch mit der Außenmetallisierung AM des jeweiligen Filters verbunden.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 ausgebildet, 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.
-
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 herzustellen, um die Eigenschaften des Filters in einer gewünschten Weise zu verändern.
-
Bezugszeichen
-
-
- 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 Vielschichtsubstrat
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)
