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Diese
Erfindung betrifft allgemein elektrische Filter und betrifft insbesondere
Filtergeräte
und ein Verfahren zum Herstellen von sogenannten keramischen Filtern
und Duplexern.
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Hintergrund
der Erfindung
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RF-Keramikfilter
sind in dem Stand der Technik wohl bekannt. Sie werden aus Blöcken aus
keramischem Material gebaut, die typischerweise mittels separater
Leitungen, Kabel und Kontakte, die an leitende Anschlußpunkte
an Außenflächen der
Blöcke gekoppelt
sind, an andere elektronische Schaltkreise gekoppelt sind. Außerdem werden
sie verwendet, um Duplexer und sonstige elektronische Komponenten zu
bauen.
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Keramikblockfilter
werden in Produkten für drahtlose
Kommunikation verwendet. Drei wichtige Verfahrensschritte bei der
Herstellung dieser Filter sind: (1) die Erzeugung von Mustern der
kapazitiven Elemente, (2) Erzeugung von E/A-Pads und (3) Abstimmung
des Filters auf die richtige Betriebsfrequenz. Das Muster des kapazitiven
Elements auf dem Filter dient der Annäherung an das vom Kunden geforderte
RF-Ansprechverhalten. Die Herstellung des E/A-Pads dient dazu, die
Schnittstelle zwischen dem Filter und dem Produkt für drahtlose
Kommunikation zu schaffen. Das Abstimmen dient dem abschließenden Anpassen
dieses angenäherten RF-Ansprechverhaltens,
um den exakten Kundenanforderungen für das gewünschte Ansprechverhalten gerecht
zu werden.
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In
dem Stand der Technik wird ein Keramikblock gesintert, und anschließend wird
an allen Seiten des Blocks eine Metallpaste aus Silber aufgetragen,
AUSSER an jenen Seiten, die eine definierte elektrische Schaltung
erfordern, wie zum Beispiel ein Muster eines kapazitiven Elements
oder Eingangs-/Ausgangs (E/A)-Pads. An jenen Seiten wird die Metallpaste
aus Silber in der Form und Gestalt des gewünschten Musters und der E/A-Pads
auf den Keramikblock aufgetragen (durch ein wohl bekanntes Siebdruckverfahren
oder Abrasionsverfahren). Ein Wärmeverfahren
bewirkt, daß sich
die Metallpaste im Allgemeinen an der richtigen Stelle mit dem bzw.
den Muster(n) und/oder den E/A-Pads verfestigt.
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Dieses
Siebdruckverfahren hat jedoch nicht die Genauigkeit, die beim Aufbringen
des Filtermusters des kapazitiven Elements und anderer Filterelemente
erwünscht
ist. Die Genauigkeit des Filtermusters des kapazitiven Elements
auf den Keramikblockfiltern muß bei
1,8 GHz vier Mal (4×)
so genau sein wie bei 900 MHz.
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Zur
Fertigstellung des Produkts muß daher das
Filtermuster des kapazitiven Elements weiter abgestimmt werden,
um genauen Kundenanforderungen gerecht zu werden. Dies kann erfolgen,
indem man an benachbarten Features des Schaltkreismusters eine größere Menge
Metallpaste aufträgt
und dann irgendein Verfahren anwendet, um die Metallpaste zu sintern
und dadurch einen integralen Anbau an dem Muster oder den Pads herzustellen,
oder man kann in manchen Fällen
zum Abstimmen Material entfernen. Durch das Anlegen eines Signals
an den Eingang und die Kontrolle des Ausgangssignals während dieses
Verfahrens kann der Bediener die Materialzugabe an den Pads oder
Anschlüssen
beenden, wenn das Ausgangssignal anzeigt, daß die richtige Abstimmung erreicht
ist.
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So
wird in dem US-Patent 5,198,788 die Feinabstimmung von metallischen
Anschlüssen
oder Pads von Keramikfiltern offenbart. In diesem Patent wird der
Keramikblock an allen Seiten mit Ausnahme von einer (und vielleicht
einem Teil einer benachbarten Seite) beshichtet, und an der nicht
beschichteten Seite (und dem Teil) wird eine Metallpaste aus Silber in
der allgemeinen Form der gewünschten
elektronischen Anschlüsse,
Muster oder Pads hergestellt. Die Metallpaste aus Silber wird wärmebehandelt,
um eine starre Beschichtung zu bilden. Dann wird daneben und unter
elektrischem Kontakt mit den ausgebildeten Anschlüssen oder
Pads zusätzlich
Metallpaste aus Silber aufgetragen, und es wird, während ein
Eingangssignal an dem Ausgangsanschluß kontrolliert wird, ein Laserstrahl
zum Abtasten der Metallpaste aus Silber verwendet, um sie zu sintern
und einen festen Anbau an dem Anschluß oder Pad auszubilden, bis
die geeigneten elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung erreicht
sind. Dieses Patent betrifft also die Zugabe von Metall zu den im
Großen
und Ganzen bereits ausgebildeten Anschlüssen, Mustern oder Pads, um
den Schaltkreis abzustimmen.
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In
dem US-Patent 5,769,988 wird ein Verfahren zur Herstellung eines
keramischen elektronischen Bauteils offenbart, auf dem sich eine
dielektrische Keramik und ein Leiter befinden, die als Hauptkomponente
Silber enthalten. Durch Wärmebehandlung
der Vorrichtung, wie zum Beispiel ein mittels dieses Verfahrens
hergestellter dielektrischer Resonator, wird der "Q"-Wert des Resonators erhöht. In dem Wärmebehandlungsverfahren
der Vorrichtung wird offenbart, daß die Vorrichtung einer Wärmebehandlung
bei 400°C
oder mehr in einer Atmosphäre
mit einem Volumenanteil an Sauerstoff von 10 % oder weniger unterzogen
wird. Des Weiteren offenbaren Kagata et al. (
US 5,769,988 ) „die Herstellung der leitenden
Paste ... in einem Muster von Elektroden" auf dem gesinterten dielektrischen
keramischen Substrat.
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Ferner
betrifft das US-Patent 5,162,760 elektrische Filter, die aus Keramikblöcken unter
Verwendung von Schleif- oder Fräsverfahren
zum Abtragen von Metallbelägen
hergestellt werden, oder die Verwendung von verschiedenen Siebdruckverfahren zum
Auftragen von leitenden Materialien auf die verschiedenen Oberflächen der
Keramikblöcke.
In dem US-Patent
5,162,760 wird eine Schicht aus leitendem Material auf die Oberfläche des
Blocks aufgetragen, und nach dem erfolgreichen Aushärten der Schicht
werden Teile der leitenden Schicht mittels einer beliebigen geeigneten
Fräsmaschine
abgetragen, so daß das
gewünschte
Leiterbild auf der Oberfläche
verbleibt. Sowohl das leitende Material, mit dem der Block beschichtet
ist, als auch das dielektrische Material werden in den Bereichen,
die gefräst werden,
von dem Block entfernt. Die Genauigkeit oder Präzision dieser Vorrichtung werden
durch die Maße
der Elektrode beschränkt,
die mit einer Fräsmaschine
hergestellt werden kann.
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In
dem US-Patent 5,379,011 wird ein keramisches Bandpaßfilter
mit verbesserter Eingangs-/Ausgangs-Isolierung beschrieben, bei
dem leitendes Material von dem Metallbelag des Blocks abgetragen wird
und die E/A-Pads in jenen Bereichen angebracht werden, in denen
das leitende Material abgetragen wurde. Auch in diesem Patent werden
alle sechs Seiten des Keramikblocks metallbeschichtet, mit Ausnahme
von der Deckfläche
oder Oberseite und einem Teil der Seitenfläche. Zwischen den angebrachten Eingangs-/Ausgangs-Pads und
benachbartem Metall entstehen Schlitze in dem Keramikmaterial, und
dadurch ändert
sich die Dielektrik zwischen den Eingangs-/Ausgangs-Pads, wenn keine
Beschichtung erfolgt.
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Es
wäre wünschenswert,
ein solches Filter mit guter Isolierung zwischen leitenden Bereichen und
einer größeren Genauigkeit
des Filtermusters und der E/A-Pads zu haben, als jene, die der derzeitige
Stand der Technik bieten kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
dem Verfahren wird der Keramikblock in der herkömmlichen Weise hergestellt.
Er hat wenigstens eine ebene Oberfläche. Dann wird, anstatt nur jene
Seiten zu beschichten, wo nicht das Muster oder die E/A-Pads ausgebildet
werden sollen, der GESAMTE Keramikblock mit einem leitenden metallischen
Material beschichtet. Ein Beispiel für eine solche metallische Beschichtung
ist eine Paste, die in dem Stand der Technik wohl bekannt ist und
ein elektrisch leitendes Metall enthält (wie etwa Silber, nur um
ein Beispiel zu nennen), und die dann der erforderlichen Wärmebehandlung
unterzogen wird, um das Metall zu verfestigen. Weitere Beispiele
für leitende
Beschichtungen beinhalten das Beschichten der Keramikblöcke mit
einem leitenden Metall und dergleichen.
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Um
unerwünschtes
metallisches Material von wenigstens einer ebenen Oberfläche abzutragen und
somit das gewünschte
Filtermuster des kapazitiven Elements herzustellen, wird ein ablatives
Verfahren angewendet, wie zum Beispiel die Verwendung eines abtastenden
Laserstrahls. Dieses unterscheidet sich von dem Schleifverfahren
des Stands der Technik oder dem Siebdruckverfahren des Stands der
Technik. Der Laserstrahl trägt
sowohl den Metallbelag als auch einen Teil des Keramikblocks ab
und bildet dadurch Einschnitte, die Komponenten des Metallfilters
umgeben und das Muster in der gewünschten Form herstellen. Die
Tiefe und Breite der Einschnitte bestimmen die Kopplungskapazität des Filters
und bestimmen somit seine Betriebsfrequenz. Die Präzision und
Wiederholbarkeit der Herstellung der Einschnitte mit dem Laserverfahren
erlaubt eine größere Genauigkeit
und Wiederholbarkeit des Filtermusters des kapazitiven Elements
und der anderen Filterkomponenten. Die genaueren Muster erlauben höhere Abstimmungsgrade,
höhere
Produktionsleistungen und mehr Planungsspielraum für die Produktgestalter.
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Das
Abtragungsverfahren verursacht jedoch ein wohl bekanntes Problem.
Während
des Laserverfahrens wird das keramische Material in Mitleidenschaft
gezogen, und der "Q"-Wert des keramischen Materials
sinkt auf einen Wert, der das Filter kommerziell wertlos macht.
Daher ist nach dem Lasern ein Hochtemperaturwärmeverfahren erforderlich,
um den keramischen "Q"-Wert auf seinen
ungefähren
ursprünglichen
Wert zurückzubringen.
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Da
während
des Abtragungsverfahrens die Muster des kapazitiven Elements und
andere Filterkomponenten ausgebildet werden, kann ein Signal nicht
mit dem Eingangs-Pad verbunden werden, um an dem Ausgangs-Pad zu
kontrollieren, ob die Muster des kapazitiven Elements und die anderen
Filterkomponenten, die ausgebildet werden, richtig dimensioniert
sind. Nach der Herstellung der Filter können solche Signale nicht angelegt
und nach der Produktspezifikation bemessen werden, da der Keramikblock
einen derart reduzierten "Q"-Wert hat, daß sie nur
eine generalisierte Darstellung der Signale sind, die man in einem
fertigen Produkt finden würde.
Daher wird für
eine vorgegebene Produktspezifikation ein Abtragungsverfahren gemäß der Versuch-und-Irrtum-Methode
angewendet, indem man fortfährt,
metallbeschichtete Blöcke
mit unterschiedlich bemessenen Leiterbildern herzustellen, bis Signale
entstehen, welche den richtigen RF-Ansprechbereich darstellen, um
einen "Referenz"-Keramikblock zu
bilden. Da das Laserverfahren äußerst präzise und
wiederholbar ist, kann dann eine große Anzahl der Referenzvorrichtung
hergestellt werden, und dann wird ein Hochtemperaturwärmeverfahren
angewendet, um das richtige RF-Ansprechverhalten
zu liefern, sobald die passenden Muster geschaffen wurden.
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Es
ist also ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu bieten, elektrisch
leitende Metallisierungsmuster auf einem Keramikblock herzustellen,
die durch ein Muster aus dielektrischem Material elektrisch voneinander
isoliert sind.
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Des
Weiteren ist es ein Ziel der Erfindung, einen Keramikblock zu bieten,
dessen gesamte Oberfläche
mit einem leitenden Material beschichtet ist, und einen abtastenden
Laserstrahl zu verwenden, um ablativ unerwünschtes metallisches Material
und zugehöriges
keramisches Material von dem Keramikblock wegzuätzen und Einschnitte zu schaffen,
die wenigstens einen Teil des Musters aus dielektrischem Material
bilden, welches das gewünschte
Metallisierungsbild begründet.
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Ferner
ist es ein Ziel der Erfindung, auf eine derartige Weise ablativ
unerwünschtes
metallisches Material wegzuätzen,
daß auch
ein Teil des Keramikblocks abgetragen wird, der ausreicht, um Einschnitte
auszubilden, die benachbarte, durch das ablative Ätzen entstehende
metallische Bereiche elektrisch isolieren.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ablativ unerwünschtes
metallisches Material von einem bestimmten Oberflächenbereich
des Keramikblocks wegzuätzen,
um Einschnitte aus dielektrischem Material herzustellen, die ein
gewünschtes
Metallisierungsmuster schaffen, das Eingangs- und Ausgangsanschlüsse enthält.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, Testsignale nach dem Lasern
und vor dem Erwärmen an
den Eingangsanschluß eines
Keramikfilters anzulegen und das Ausgangssignal zu kontrollieren,
um durch die Versuch-und-Irrtum-Methode zu bestimmen, wann man ein
Filter mit den gewünschten
elektrischen Eigenschaften erhalten hat.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den einem ablativen Ätzverfahren
unterzogenen Keramikblock in einer Umgebungsatmosphäre zu erwärmen, um
den "Q"-Wert des keramischen
Materials wiederherzustellen.
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Ein
Filter und ein Duplexer gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 beziehungsweise 6 sind aus der Patentschrift US-A-4,742,562
bekannt.
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Die
Erfindung betrifft also ein RF-Filter mit:
- – einem
Block aus einem dielektrischen Material mit mehreren Oberflächen, einschließlich mindestens
einer ebenen Oberfläche;
- – einer
Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, die an sämtlichen
der mehreren Oberflächen
des Blocks aus dielektrischem Material haftet;
- – einer
Erdungsebene, welche mittels mindestens einer der elektrisch leitenden
Oberflächen
gebildet ist;
gekennzeichnet durch
- – ein
elektrisches Filterschaltkreismuster aus mehreren leitenden Elementen
in der Schicht aus elektrisch leitendem Material auf der wenigstens einen
ebenen Oberfläche,
gebildet durch
- – ausgesparte
Bereiche, die jedes der leitenden Elemente zumindest teilweise umgeben,
sich durch das leitende Material und in zugehöriges dielektrisches Material
erstrecken und eine vorbestimmte Form aufweisen, welche die Kopplungskapazität zwischen
den leitenden Elementen und der Erdungsebene bestimmt, wobei die
Kopplungskapazität
ein Betriebsmerkmal des Filters bestimmt.
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Die
vorbestimmte Form der ausgesparten Bereiche umfaßt vorzugsweise vorbestimmte
Tiefen und Breiten der ausgesparten Bereiche.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen RF-Filters
werden die ausgesparten Bereiche mittels ablativen Abtragens des
leitenden Materials und des zugehörigen dielektrischen Materials
bis zu den vorbestimmten Tiefen und Breiten gebildet. Insbesondere
wird das ablative Abtragen mittels eines Laserstrahls ausgeführt. Noch spezieller
wird das ablative Abtragen mittels Ätzen ausgeführt.
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Außerdem betrifft
die Erfindung einen Duplexer für
eine RF-Empfangs-/Sende-Einheit mit:
- – einem
Block aus einem dielektrischen Material mit mehreren Oberflächen, einschließlich mindestens
einer ebenen Oberfläche;
- – einer
Schicht aus einem metallischen Material, die sämtliche der mehreren Oberflächen des Blocks
aus dielektrischem Material bedeckt;
- – einer
Erdungsebene, welche mittels mindestens einiger der metallischen
Oberflächen
gebildet ist;
gekennzeichnet durch
- – ein
RF-Empfangs-Filterschaltkreismuster in einem ersten Bereich der
mindestens einen ebenen Oberfläche,
mit:
mehreren ersten leitenden Elementen, welche mittels erster
ausgesparter Bereiche gebildet sind, die zumindest einige der leitenden
Elemente vollständig
umgeben, um sie elektrisch zu isolieren, wobei die ausgesparten
Bereiche eine vorbestimmte Tiefe und Breite aufweisen und sich durch
das metallische Material und in das zugehörige dielektrische Material
erstrecken; und
- – einer
ersten kapazitiven Kopplung zwischen den mehreren ersten leitenden
Elementen und der Erdungsebene, die durch die Tiefe und die Breite der
ausgesparten Bereiche bestimmt ist, wobei die erste kapazitive Kopplung
die Betriebsfrequenz des RF-Empfangsfilters
bestimmt;
- – ein
RF-Sende-Filterschaltkreismuster in einem zweiten anderen Bereich
der mindestens einen ebenen Oberfläche mit:
mehreren zweiten
leitenden Elementen, welche mittels zweiter ausgesparter Bereiche
gebildet sind, die zumindest einige der mehreren zweiten leitenden
Elementen vollständig
umgeben, um sie elektrisch zu isolieren, wobei die zweiten ausgesparten
Bereiche eine zweite vorbestimmte Tiefe und Breite aufweisen und
sich durch das metallische Material und in das zugehörige dielektrische Material
erstrecken; und
- – einer
zweiten kapazitiven Kopplung zwischen den mehreren zweiten leitenden
Elementen und der Erdungsebene, die durch die zweite vorbestimmte
Tiefe und Breite der zweiten ausgesparten Bereiche bestimmt ist,
wobei die zweite kapazitive Kopplung die Betriebsfrequenz des Sendefilters
bestimmt;
- – erste
und zweite Anschlüsse,
die auf wenigstens einer Oberfläche
des beschichteten dielektrischen Blocks ausgebildet sind, um RF-Signale
zu entsprechenden der Empfangsfilter und der Sendefilter zu koppeln;
und
- – einen
dritten Anschluß zum
Aufnehmen einer Antennenverbindung, wobei der dritte Anschluß mit dem
Empfangsfilter und dem Sendefilter elektrisch gekoppelt ist, um
RF-Signale zwischen der Antenne und dem RF-Empfänger und dem RF-Sender zu übertragen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen RF-Duplexers
werden die ersten und zweiten ausgesparten Bereiche mittels ablativen
Abtragens des metallischen Materials und des zugehörigen dielektrischen
Materials bis zu den vorbestimmten Tiefen und Breiten gebildet.
Insbesondere wird das ablative Abtragen mittels eines Laserstrahls
ausgeführt.
Noch spezieller wird das ablative Abtragen mittels Ätzen ausgeführt.
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Außerdem betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines RF-Keramikblockfilters,
das die folgenden Schritte umfaßt:
- (1) Beschichten des gesamten äußeren Oberflächenbereichs
eines keramischen dielektrischen Blocks mit einem leitenden Metall;
- (2) Bewirken einer Haftung des leitenden Metalls an dem keramischen
Block; und
- (3) ablatives Abtragen eines Teils des keramischen Blocks und
des zugehörigen
leitenden Metalls, um gewünschte
metallische Filterschaltkreismuster und ausgesparte Bereiche zu
bilden, welche eine vorbestimmte Tiefe und Breite aufweisen, die
ausreichen, um wenigstens einige leitende metallische Bereiche,
benachbart zu den Filterschaltkreismustern, effektiv zu isolieren,
und um eine vorbestimmte kapazitive Kopplung zwischen angrenzenden
metallischen Bereichen zu bilden; und
- (4) Bilden von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen auf einem Oberflächenbereich
des beschichteten keramischen Blocks, um elektrische Signale mit
den gewünschten
metallischen Schaltkreismustern zu koppeln.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung umfaßt
das Verfahren ferner den Schritt der Wärmebehandlung des gemusterten Blocks
(40) bis zu einer Temperatur, die ausreicht, um den Filter-Einfügungsverlust
zu reduzieren.
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfaßt
der Schritt des Beschichtens des Blocks (40) mit einer
leitenden Schicht das Kontaktieren des Blocks (40) mit
einer Silberpaste.
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird der Schritt des ablativen Abtragens des Blocks
(40) mittels eines Laserstrahls, insbesondere eines abtastenden
Lasers, ausgeführt.
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfaßt
der Schritt zum Bewirken der Haftung des leitenden Metalls an dem
keramischen Block eine Wärmebehandlung
des keramischen Blocks vor dem ablativen Abtragen eines Teils des
Keramikblocks.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren einer Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines keramischen Bandpaßfilters des Stands der Technik, das
sich für
eine Abstimmung durch Materialzugabe eignet;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Keramikblocks der Erfindung, der vollständig mit
einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel eine Metallpaste, überzogen
ist;
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3 eine
Draufsicht eines Duplexers, der mittels des Verfahrens der Erfindung
hergestellt ist;
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4 eine
Seitenansicht des Duplexers von 3, welche
die leitenden Pads oder Anschlüsse, die
an diesem ausgebildet sind, und die rund um die leitenden Filterelemente
ausgebildeten Einschnitte darstellt;
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5 ein
Ablaufdiagramm, das die neuartigen Schritte der Erfindung veranschaulicht;
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6 ein
Kurvenbild, das den Frequenzgang von mehreren in 1 gezeigten
Filtern des Stands der Technik darstellt;
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7 ein
Kurvenbild, das den Frequenzgang von mehreren Filtern, die mittels
des Verfahrens der Erfindung hergestellt sind, nach dem Lasern,
aber vor der Hochtemperaturwärmebehandlung
darstellt; und
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8 ein
Kurvenbild, das den Frequenzgang von mehreren Filtern, die mittels
des Verfahrens der Erfindung hergestellt sind, nach dem Brennen
zum Wiederherstellen des "Q"-Werts der Keramik
darstellt.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines keramischen Bandpaßfilters
des Stands der Technik. Das Filter 10 wird von einem Keramikblock
gebildet, wobei einige der Oberflächen eine leitende Metallplatte
haben, und es beinhaltet eine Oberseite 12, eine Unterseite 14,
Seitenflächen 16 und 18 sowie Stirnflächen 20 und 22.
Ferner umfaßt
das Filter 10 parallele zylinderförmige Bohrungen 24 und 26,
die sich offen zwischen der Oberseite 12 und der Unterseite 14 erstrecken.
Bereiche der Oberflächen
des Keramikblocks, wie zum Beispiel die obere Fläche oder Oberseite 12,
sind auf wohl bekannte Weise mit leitendem metallischen Material,
zum Beispiel eine Silberpaste, siebgedruckt, um metallische Elemente des
Filters zu bilden, wobei zwischen den Filterelementen das blanke
keramische Oberflächenmaterial des
Keramikblocks verbleibt. Die gedruckten Elemente 36 und 38 erheben
sich über
die Oberseite der ebenen Oberfläche 12 des
Keramikblocks und beinhalten ein Eingangspad 28 und ein
Ausgangspad 30, die mit Umgriff zwischen der Oberseite 12 und
der Seitenfläche 16 angeordnet
sein können.
Die Umgriffs-Konfiguration eignet sich insbesondere für oberflächenmontierte
Verbindungen, wenn ein Filter nachträglich in eine Elektronikbaugruppe
eingebaut wird. Die Seitenflächen 16 und 18,
die Unterseite 14, sowie die Stirnseiten 20 und 22 sind
mit einer durchgängigen
Metallplatte bedeckt, die ein Erdungselement 32 bildet.
An der Seitenfläche 16 ist
die Erdungsplatte 32 durch blanke keramische Bereiche 34 und 35 von
dem Eingangspad 28 und dem Ausgangspad 30 getrennt,
um Kurzschlüsse
zu verhindern. Diese blanken keramischen Bereiche 34 und 35 entstehen,
wenn die E/A-Pads auf den keramischen Substraten siebgedruckt werden.
Die Durchgangsbohrungen 24 und 26 sind mit leitendem
Metall beschichtet, das sich auf der Oberseite 12 erstreckt,
um die Resonatorpads 36 und 38 einzuschließen, die von
einer blanken keramischen Oberfläche
umgeben sind. Dem Stand der Technik entsprechend beinhalten die
Pads 36 und 38 Einschnitte 40 und 42 für die Feinabstimmung
des Filters.
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Auf
den Hauptoberflächen,
mit Ausnahme der Flächen 12 und 16,
und auch auf den Durchgangsbohrungen oder Kavitäten 24 und 26 des
in 1 gezeigten Filters des Stands der Technik ist mittels
Spritzbeschichtung, Siebdruck oder eines anderen wohl bekannten
Verfahrens eine dicke Schicht aus einer Metallpaste aufgetragen.
Die Schicht aus leitender Paste wird im Siebdruckverfahren in dem gewünschten
Muster auf die Oberseite 12 und die Seitenfläche 16 aufgetragen.
Das Filter kann, wie es in dem US-Patent 5,198,788 vollständiger beschrieben
wird, abgestimmt werden.
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In
dem Stand der Technik wird also ein Keramikblock gesintert, und
dann wird an allen Seiten des Blocks mit Ausnahme von jenen Seiten,
die ein definiertes Muster des kapazitiven Elements oder Eingangs-/Ausgangs-Pads
erfordern, eine Metallpaste aus Silber aufgetragen. An jenen Seiten
wird die Metallpaste aus Silber in der Form und Gestalt des gewünschten
Musters und der Pads auf den Keramikblock aufgetragen (durch ein
wohl bekanntes Siebdruckverfahren), wodurch leitende Oberflächen entstehen,
die über
der ebenen Oberfläche 12 des
Keramikblocks liegen. Ein Wärmeverfahren
bewirkt, daß sich
die Metallpaste im Allgemeinen an den richtigen Stellen mit den
Mustern und/oder E/A-Pads verfestigt. Dieses Siebdruckverfahren
hat jedoch nicht die Maßgenauigkeit,
die beim Aufbringen des Filtermusters des kapazitiven Elements erwünscht ist.
Die Maßgenauigkeit
des Filtermusters des kapazitiven Elements auf den Keramikblockfiltern
muß bei
1,8 GHz vier Mal (4×)
größer sein
als bei 900 MHz. Die Maßgenauigkeit
des Siebdruckverfahrens ist in der Lage, akzeptable 900 MHz-Filter
herzustellen. Über 900
MHz verschlechtert sich jedoch das Frequenzverhalten kontinuierlich,
so daß eine
immer kleinere Anzahl oder Menge von Filtern mit einem akzeptablen
Frequenzverhalten produziert wird. Zur Fertigstellung des Produkts
muß daher
das Filtermuster des kapazitiven Elements weiter abgestimmt werden,
um genauen Kundenanforderungen gerecht zu werden. Dies kann erfolgen,
indem man an benachbarten Features des Musters (z. B. die Schlitze 40 und 42 in 1)
eine größere Menge
Metallpaste anbringt und dann irgendein Verfahren anwendet, um die
Metallpaste zu sintern und dadurch einen integralen Anbau aus Metall
an dem Muster oder den Pads zu bilden. Durch das Anlegen eines Signals
an den Eingangsanschluß und
die Kontrolle des Ausgangssignals an dem Ausgangsanschluß kann der
Bediener die Materialzugabe an den Pads oder Anschlüssen beenden, wenn
das Ausgangssignal anzeigt, daß die
richtige Abstimmung erreicht ist. Siehe das US-Patent Nr. 5,198,788.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Keramikblocks der Erfindung,
der vollständig
mit einem leitenden Material überzogen
ist. Das leitende Metall kann darauf aufgetragen werden oder mit
einer elektrisch leitenden Metallpaste gebildet werden, die erhitzt wurde,
um sie zu verfestigen. Der Block 40 hat ein keramisches
Innenteil 39, das auf all seinen Außenseiten, einschließlich der
kapazitiven einstellenden Durchgangsbohrungen 43 und 45,
mit dem leitenden Metall überzogen
ist. Es sind zwar nur zwei Durchgangsbohrungen gezeigt, aber es
können selbstverständlich,
wie in 3 gezeigt, mehr angebracht werden. Anstatt alle
Seiten, außer
den Seiten, an denen die Muster oder E/A-Pads ausgebildet werden,
zu beschichten, wird also der gesamte Keramikblock mit einem leitenden
Metall überzogen,
wie etwa, nur um ein Beispiel zu nennen, eine elektrisch leitende
Metallpaste (in dem Stand der Technik wohl bekannt), das einer Wärmebehandlung
unterzogen wird, um das Metall zu verfestigen.
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In 3 ist
ein Duplexer 42 abgebildet, der Filter verwendet, die mittels
des Verfahrens der Erfindung hergestellt sind. Er umfaßt ein Sendeteil 44 und ein
Empfangsteil 46. Er beinhaltet ein E/A-Pad 48 für den Sender
(nicht abgebildet), ein Antennen-Pad 50 zum Koppeln von
Signalen an und von dem Sendeteil 44 und dem Empfangsteil 46,
und ein E/A-Pad 52 zum Verbinden von Signalen mit dem Empfänger (nicht
abgebildet). Das Sendeteil 44 des Duplexers 42 beinhaltet
Resonatoren und zugehörige
Schaltkreiselemente 53, 54, 55, 56 und 58,
während
das Empfangsteil 46 Resonatoren und zugehörige Elemente 60, 62, 64, 66 und 68 verwendet. 3 sieht, bevor
die Schaltkreiselemente darauf ausgebildet werden, wie der Block
in 2 aus, und von der Oberfläche 41 sind Metall
und zugehörige
Keramik ablativ abgetragen worden, um ein Muster aus dielektrischem
Material zu schaffen, das die Schaltkreiselemente 53, 54, 55, 56, 58, 60, 62, 64, 66 und 68 bildet
und elektrisch isoliert. Es sei angemerkt, daß der Begriff "elektrisch isoliert" hier die Bedeutung "keine direkte elektrische
Verbindung" hat.
Das heißt, es
besteht kein Stromdurchgang beziehungsweise keine elektrische Verbindung
mehr zwischen "isolierten" leitenden Elementen.
Es kann jedoch mittels einer elektromechanischen Kopplung (ein piezoelektrischer
Effekt) oder einer Wechselstromkopplung (AC) wie durch einen kapazitiven
Effekt eine elektrische "Kopplung" zwischen benachbarten
Elementen bestehen. Es sei darauf hingewiesen, daß in den
Bereichen 70, 72, 74 und 78 das
Metall und ein zugehöriger
Teil des keramischen Materials mittels eines ablativen Verfahrens
abgetragen wurde. Dieses ablative Verfahren, das vorzugsweise mit
einem abtastenden Laserstrahl ausgeführt wird, entfernt nicht nur das
leitende Metall, sondern auch einen zugehörigen Teil des dielektrischen
Blocks, um "Einschnitte" oder ausgesparte
Bereiche 70, 72, 74, 76 und 78 zu
bilden. Diese Einschnitte haben eine Tiefe und eine Breite in einem
beliebigen vorgegebenen Teil des Filtermusters, welche die Kopplungskapazität zwischen benachbarten
metallischen Oberflächen
in einer wohl bekannten Weise beeinflussen und dadurch elektrische
Eigenschaften der Filter beeinflussen, wie zum Beispiel die Betriebsfrequenz
und die Impedanz. Falls gewünscht,
könnten
natürlich
einige der leitenden Elemente mittels des Siebdruckverfahrens, ein Verfahren
des Stands der Technik, ausgebildet und ihre Außenkanten durch einen Laserstrahl
gemäß der vorliegenden
Erfindung getrimmt werden, um die leitenden Elemente genau zu steuern.
Die übrigen der
Muster aus dielektrischem Material könnten mittels des neuartigen
Verfahrens ausgebildet werden. In solchen Fällen bildet jedoch der Einschnitt
wenigstens 10 % und vorzugsweise im Bereich von etwa 70 % bis etwa
90 % des Musters aus dielektrischem Material, das die Elemente des
elektrischen Schaltkreismusters elektrisch isoliert.
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Daher
ist er im Fall des in 3 gezeigten Duplexers 42 aus
einem Block aus dielektrischem Material hergestellt, der mehrere
Oberflächen
aufweist, einschließlich
mindestens einer ebenen Oberfläche,
wie zum Beispiel der in 2 abgebildete Block. Außerdem hat
er eine Schicht aus metallischem Material, die sämtliche Seiten der mehreren Oberflächen des
Blocks aus dielektrischem Material bedeckt, wie es ebenfalls in 2 gezeigt
wird. Eine Erdungsebene 80 wird von wenigstens einigen
der metallischen Oberflächen,
wie in 3 dargestellt, durch leitendes Material 82 gebildet.
In einem ersten Bereich der mindestens einen ebenen Oberfläche des
Blocks aus dielektrischem Material ist ein Empfangsfilter 46 ausgebildet,
das mehre erste leitende Elemente 60, 62, 64, 66 und 68 beinhaltet.
Ein Einschnitt oder ausgesparter Bereich 74, 76 und 78 umgibt
jedes der leitende Elemente, um sie elektrisch zu isolieren, und
er ist bis zu einer vorbestimmten Tiefe eingeschnitten und hat eine
vorbestimmte Breite, um eine kapazitive Kopplung zwischen den leitenden Elementen
und der Erdungsebene herbeizuführen, die
ein Betriebsmerkmal des Empfangsfilters bestimmt, wie zum Beispiel
die Betriebsfrequenz.
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In
der gleichen Weise wird das Sendefilter 44 in einem zweiten
anderen Bereich der mindestens einen ebenen Oberfläche des
in 2 gezeigten dielektrischen Blocks gebildet und
beinhaltet mehrere zweite leitende Elemente 53, 54, 55, 56 und 58 mit den
Einschnitten 70, 72 und 74, die jedes
der mehreren leitenden Elemente umgeben, die das Sendefilter 44 bilden.
Auch hier werden diese Einschnitte ablativ abgetragen und erstrecken
sich durch das leitende metallische Material und in das zugehörige dielektrische
Material. Dadurch entsteht eine zweite kapazitive Kopplung zwischen
den leitenden Elementen des Senders 44 und der Erdungsebene,
die wiederum eine kapazitive Kopplung schafft, die durch die Tiefe und
Breite der Einschnitte oder ausgesparten Bereiche bestimmt ist und
die Betriebsfrequenz des Sendefilters bestimmt. Auf der Oberseite
und der Seitenfläche
des beschichteten dielektrischen Blocks sind erste und zweite Anschlüsse 48 und 52 für den Sender
beziehungsweise den Empfänger
ausgebildet, wie es in 1 und in den 3 und 4 gezeigt wird.
Ein dritter Anschluß 50 nimmt
eine Antennenverbindung auf und ist elektrisch in einer wohl bekannten
Weise an das Empfangsfilter und das Sendefilter gekoppelt. Es überträgt die RF-Signale
zwischen der Antenne und dem RF-Empfänger und dem RF-Sender.
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Eine
oder mehr Durchgangsbohrungen wie zum Beispiel 43 und 45,
in dem Stand der Technik wohl bekannt, sind mit leitendem Material überzogen, um
mitschwingende Schaltkreiselemente herzustellen.
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Wird
eine Feinabstimmung des Filters gewünscht, kann von Bereichen wie 88, 90, 92 und 94, nur
um ein Beispiel zu nennen, Metall ablativ abgetragen werden, um
eine Feinabstimmung des Senders vorzunehmen. Der Empfänger 46 kann
auf die gleiche Weise abgestimmt werden. In diesem Fall wird wiederum
durch ablatives Ätzen
sowohl die Metallplatte als auch die Keramik bis zu einer gewünschten
Tiefe abgetragen.
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4 ist
eine Seitenansicht des Duplexers von 3. Sämtliche
darin gezeigten Elemente sind vergrößert und stehen in keinem Größenverhältnis. Man
kann in 4 jedoch sehen, daß sich der
Sendeanschluß 48 auf
der Seite 82 an der Seite des Blocks nach unten erstreckt,
und ein Bereich des leitenden Metalls 82, unter 84 gezeigt,
rund um den Anschluß 48 abgetragen
ist, so daß die
Keramik 86 frei liegt. Auf die gleiche Weise wurden die
leitenden Elemente 53, 54, 55, 57 und 58,
die auf der Oberseite der Keramik zu sehen sind, durch die Ausbildung
der Einschnitte oder Aussparungen hergestellt, wie es in der Erörterung
von 3 dargelegt wurde.
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Die
gleiche Konstruktion kann bezogen auf den dritten Anschluß 50 und
den zweiten Anschluß 52 gezeigt
werden.
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Beachtenswert
ist hierbei die wichtige Tatsache, daß der Block vollständig mit
einem leitenden Metall beschichtet wurde und daß die Muster auf der Oberfläche durch
ablatives Wegätzen
von unerwünschtem
Material bis zu einer gewünschten
Tiefe und Breite hergestellt wurden, um die geeigneten Betriebseigenschaften
des Filters zu schaffen. Aus 4 ist ersichtlich,
daß die
Oberflächen
der leitenden Elemente auf derselben Höhe sind wie die Oberfläche 41 von 2 und 4.
Mit anderen Worten, es werden keine leitenden Ele mente auf der Oberseite
der Keramik ausgebildet, sondern es werden vielmehr unter Anwendung
des ablativen Verfahrens sowohl Metall als auch der Keramikblock
entfernt. Dies ist vollkommen anders als bei Filterelementen des Stands
der Technik, die auf der Oberseite und über der Oberfläche des
dielektrischen Blocks ausgebildet sind, und die Anschlüsse auf
der Seite des Blocks werden mittels Siebdruck ausgebildet.
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Wie
zuvor dargelegt, kann jedoch ein Teil des leitenden metallischen
Materials wie in dem Stand der Technik mittels Siebdruck hergestellt
werden, und die übrigen
der leitenden metallischen Schaltkreismuster können dann, wie vordem beschrieben, mittels
ablativen Ätzens
hergestellt werden.
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5 offenbart
ein Ablaufdiagramm, das die neuartigen Schritte der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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In
Schritt (A) wird die gesamte Oberfläche des Keramikblocks mit einem
leitenden Metall beschichtet, vorzugsweise mit einer Metallpaste.
In Schritt (B) wird das leitende Metall zu einem metallischen Material
verfestigt, zum Beispiel durch Erhitzen der Metallpaste, um zu bewirken,
daß es
an dem zugehörigen
Keramikblock anhaftet. In Schritt (C) wird unerwünschtes metallisches Material
und ein Teil des zugehörigen
Keramikblocks ablativ weggeätzt,
um auf dem Block das gewünschte
metallische Muster auszubilden, einschließlich der E/A-Anschlüsse. Natürlich könnten auch
durch irgendein anderes Verfahren seitlich E/A-Anschlüsse hinzugefügt werden,
zum Beispiel, wie zuvor erklärt,
durch Siebdruck, die dann elektrisch an die metallischen Muster gekoppelt
werden könnten,
die auf der Oberseite mittels ablativen Ätzens ausgebildet werden.
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In
den Schritten (D) und (E) wird das Prototyp-Filter elektrisch überprüft. In Schritt
(D) wird ein Eingangssignal mit dem Eingangsanschluß verbunden,
und in Schritt (E) wird ein Ausgangssignal an dem Ausgangsanschluß kontrolliert,
um die elektrische Eigenschaft des abgetragenen Keramikblocks zu
bestimmen.
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In
Schritt (F) werden die Schritte (A) bis (E) wiederholt, bis man
einen Keramikblock mit ungefähr den
gewünschten
elektrischen Eigenschaften erhält. Zu
diesem Zeitpunkt können
die Keramikblockfilter in Massenproduktion hergestellt werden und
in Schritt (G) in einer Umgebungsatmosphäre erwärmt werden, um ihren "Q"-Wert zu vergrößern. Natürlich könnte ein abgetragener Keramikblock
erwärmt
werden, um den "Q"-Wert wiederherzustellen,
und dann, wenn das richtige Ansprechverhalten des Filters gefunden
wurde, könn ten
die Keramikblockfilter in Massenproduktion hergestellt, erwärmt und
eine Qualitätskontrolle
durchgeführt
werden, um sicherzustellen, daß die
Filter die gewünschten
Eigenschaften aufweisen.
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6 ist
ein Kurvenbild des Frequenzgangs von mehreren Filtern, die mittels
des Verfahrens des Stands der Technik hergestellt sind, bei dem
der Schaltkreis auf die Oberfläche
des Keramikblocks aufgedruckt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der größte Einfügungsverlust –1,2 dB
beträgt,
und daß die
Standardabweichung der Frequenz 2,63 MHz beträgt. Man kann sehen, daß es an
jedem Ende der Kurve viele Abweichungen und Reaktionen unter den Filtern
gibt, wodurch sich die Bandbreite der Vorrichtungen ändert.
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7 ist
ein Kurvenbild von mehreren Filtern, die mittels des Verfahrens
der Erfindung hergestellt wurden. Es sei darauf hingewiesen, wie
genau sie alle über
das gesamte Kurvenbild hinweg und insbesondere über die Bandbreite oben hinweg
ansprechen. Dieses Kurvenbild veranschaulicht den Frequenzgang von
mehreren Vorrichtungen nach dem Laserverfahren zur Herstellung der
Filterschaltkreiselemente, aber vor ihrem Erwärmen zur Wiederherstellung
des "Q"-Werts. Es sei daher
darauf hingewiesen, daß der
größte Einfügungsverlust
5,4 dB beträgt.
Die Mittenfrequenzabweichung wurde jedoch auf 0,85 MHz verringert.
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8 ist
ein Kurvenbild derselben keramischen Filter, die mit dem Verfahren
der Erfindung hergestellt wurden und in 7 gezeigt
sind, nach ihrem Erwärmen
zur Wiederherstellung des "Q"-Werts. Auch hier
sei darauf hingewiesen, wie genau sie sich replizieren, und daß der größte Einfügungsverlust nun
auf –1,2
dB verkleinert wurde und die Standardabweichung der Mittenfrequenz
0,75 MHz beträgt.
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Man
kann also sehen, daß mittels
des Verfahrens der Erfindung eine erhebliche Verbesserung im Betrieb
der Filter erzielt wird.
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Es
wurden also ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung
offenbart, wobei das Verfahren zwei Hauptschritte umfaßt. Der
erste ist, daß sämtliche
der Oberflächen
des Keramikblocks mit einem Metallüberzug versehen sind, und der
zweite, daß wenigstens
einige der gewünschten
Filterschaltkreismuster erzeugt werden, indem man von einer oder
von einem Teil einer zweiten Oberfläche des beschichteten keramischen
Blocks unerwünschtes
Material ablativ wegätzt,
wobei sowohl das Metall als auch die darunter liegende Keramik abgetragen
werden.
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Der
erste neuartige Schritt unterscheidet sich dadurch von dem Stand
der Technik, daß in
dem Stand der Technik eine oder mehr Oberflächen unbeschichtet bleiben
und die Muster dann darauf aufgetragen werden, so daß die obere
Fläche
der Muster über
die obere Fläche
des Keramikblocks hinausragt. In der Patentanmeldung erfordert die
Abstimmung nur das Abtragen von zusätzlichem Metall von den metallischen
Schaltkreismustern, da die Metalloberflächen der ausgebildeten Muster
mit der anderen Metalloberfläche,
die nicht von dem Block abgetragen wurde, koplanar sind. Des Weiteren
wird bei dem zum Abtragen des Metalls angewendeten ablativen Verfahren
auch ein Teil der Dielektrik abgetragen, wodurch ein Einschnitt
beziehungsweise ausgesparter Bereich rund um jedes der leitenden
Elemente des Filterschaltkreismusters entsteht, um diese elektrisch
zu isolieren. Die Breite und Tiefe dieser ausgesparten Bereiche
bestimmen die Betriebsparameter des Filters, wie zum Beispiel die
Betriebsfrequenz.
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Der
zweite Schritt des ablativen Wegätzens von
unerwünschtem
Material und Dielektrik, der nicht nur dem Herstellen der metallischen
Filterschaltkreismuster, sondern auch dem Bestimmen des Frequenzgangs
des Filters dient, ist neuartig, da in dem Stand der Technik ein
Laser nur verwendet wurde, um Metall hinzuzufügen und dadurch die Filterschaltkreise
abzustimmen.