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Diese
Erfindung bezieht sich auf Filter, und insbesondere auf Filter,
die unter Verwendung von Körperschallwellenresonatoren
(akustischen Ganzkörper-Wellenresonatoren)
aufgebaut sind. Solche Filter können
in Kommunikationsgeräten
als Bandpassfilter verwendet werden, die die Auswahl eines Frequenzbandes
erlauben, in dem sich Übertragungskanäle befinden,
und unter Abweisung von Frequenzen außerhalb des interessierenden
Bandes. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Kommunikationsgerät (z. B.
einen Hochfrequenzempfänger
und/oder -sender), das solche Filter enthält.
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Hochleistungs-Hochfrequenz-(HF)-Filter verwenden
typischerweise Keramikresonatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante
oder Oberflächenschallwellenresonatoren.
Die ersteren Vorrichtungen sind ziemlich unförmig, während die letzteren kleiner sind,
jedoch eine höhere
Einfügungsdämpfung (im Allgemeinen > 3 dB) und im Allgemeinen
ziemlich schwache Stoppbänder
aufweisen. Folglich bietet keine eine ideale Lösung für die Kanalbandauswahl in kleinen
Kommunikationsvorrichtungen, wie z. B. Mobiltelephonen. Filter für solche
Anwendungen erfordern tiefe Stoppbänder, um unerwünschte Signale abzuweisen,
sowie eine geringe Durchlassband-Einfügungsdämpfung (typischerweise < 2 dB), um einen angemessenen
Störabstand
zu erreichen. Es besteht daher Bedarf an sehr kleinen Resonatoren
mit hohem Q-Faktor (typischerweise > 500). Um dieses Ziel zu erreichen, wurden
mit der Möglichkeit
zur Integration auf Silicium Dünnschicht-Körperschallwellen-(BAW)-Resonatoren
(BAW, bulk acoustic wave = Körperschallwelle,
akustische Ganzkörperwelle)
vorgeschlagen. Diese sind auf den Frequenzbereich von 0,5 bis 10
GHz anwendbar und daher für
den Mobiltelephoniestandard der dritten Generation geeignet, sowie
für bereits
bestehende Funkstandards, wie z. B. GSM, W-CDMA, Bluetooth, HomeRF,
DECT und GPS.
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Die
Notwendigkeit einer geringen Einfügungsdämpfung und einer hohen Stoppband-Dämpfung kann
nicht mit einem einzelnen Resonator erfüllt werden. Filter sind daher
typischerweise aus einer Anzahl von Resonatoren gebildet, wobei
eine herkömmliche
Dünnschicht-BAW-Filterkonfiguration eine
Leiterkonstruktion ist, die in 1 in vereinfachter
schematischer Form gezeigt ist. Diese weist alternierende Reihenabschnitte 2 und
Shunt-Abschnitte 4 auf, die jeweils ein einzelner Resonator
oder einer oder mehrere Resonatoren auf derselben Frequenz, die
in Reihe oder parallel verbunden sind (was elektrisch äquivalent
ist), sein können.
Die Anti-Resonanzfrequenz des Shunt-Elements ist so gewählt, dass
sie gleich der Resonanzfrequenz der Reihenelemente ist, um eine
minimale Einfügungsdämpfung bei
dieser Frequenz zu bewirken.
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Die
individuellen Resonatoren sind typischerweise als sogenannte festmontierte
Resonatoren (SMRs) angeordnet, von denen ein Beispiel in 2 dargestellt
ist. Die benötigte
Umsetzung zwischen elektrischer und mechanischer Energie wird mittels
einer Schicht eines piezoelektrischen Materials 10 (z.
B. Zinkoxid, Aluminiumnitrit, PZT, PLZT) zwischen zwei Metallschichten 12, 14,
in denen Elektroden ausgebildet sind, erreicht. Das piezoelektrische
Material 10 ist über
einer oder mehreren akustisch fehlangepassten Schichten 16 vorgesehen,
die auf einem isolierenden Substrat 18, wie z. B. Glas, montiert
sind. Die akustisch fehlangepassten Schichten bewirken eine Reflexion
der Schallwelle, die aus einer Resonanz der piezoelektrischen Schicht 10 bei der
Resonanzfrequenz resultiert.
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In 2 sind
eine Anzahl von Hochimpedanzschichten 16a und Niedrigimpedanzschichten 16b gezeigt.
Für die
Niedrigimpedanzschichten 16b kann poröses Siliciumoxid (Aerogel)
verwendet werden, wobei eine einzelne Schicht tatsächlich angemessen
sein kann, um ein ausreichend hohes Q zu erzielen, aufgrund der
sehr niedrigen akustischen Impedanz dieses Materials. Die Hochimpedanzschichten 16a können Wolfram
umfassen.
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In 2 definiert
die obere Metallschicht 12 beide Anschlüsse 12a, 12b des
Resonators, wobei die untere Metallschicht 14 effektiv
als Zwischenelektrode zwischen zwei in Reihe verbundenen Resonatoren
dient. Dies vermeidet die Notwendigkeit zur Herstellung eines elektrischen
Kontakts zur unteren Metallschicht 14 durch die piezoelektrische
Schicht 10. Ein einzelnes Paar von in Reihe verbundenen Resonatoren
dient dann als Grundbaustein des Filters und kann als Grundresonatorelement
betrachtet werden. 2 zeigt ferner eine Draufsicht,
bei der Kontaktfelder 20 den Eingang und den Ausgang der Vorrichtung
bereitstellen.
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Leiterfilteranordnungen,
wie sie in 1 gezeigt sind, weisen eine
nachgewiesene gute Leistungsfähigkeit
auf, z. B. weniger als 2 dB Einfügungsdämpfung und
ein sehr niedriges Niveau einer Störantwort. Es gibt jedoch auch
einige Nachteile, die anhand einer elektrischen Näherungsäquivalenzschaltung
des Resonators, die in 3 gezeigt ist, verstanden werden
können.
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Co ist eine (unerwünschte) statische Kapazität des Resonators,
während
Cm, Lm und Rm die mechanische Resonanz kennzeichnen.
Diese sind jeweils die Bewegungskapazität, die Bewegungsinduktivität und der
Bewegungswiderstand des Resonators. Der Resonator erscheint bei
Frequenzen weit ab von der Resonanz als reiner Kondensator Co (mit Ausnahme bei anderen signifikanten
mechanischen Resonanzen, wie z. B. Oberschwingungen, die in diesem
einfachen Modell nicht berücksichtigt
werden). In bis heute berichteten Entwürfen weisen die Shunt- und
Reihenresonatoren ähnliche
Flächen
und somit ähnliche
statische Kapazitäten
auf. Dies ergibt pro Kombination von Reihen- und Shunt-Abschnitten
nur etwa 6 dB Dämpfung
in den Frequenzbändern,
die durch das Filter abgewiesen werden sollen (das "Stoppband"). Dies ist das Ergebnis
der statischen Kapazität
jedes Resonators. Ein T-Abschnitt, der zwei in Reihe verbundene
Resonatoren und einen Zwischen-Shunt-Resonator umfasst, kann als Grundbaustein
eines Leiterfilters betrachtet werden. Ein einzelnes Resonatorelement 2i, 2o (1)
befindet sich dann am Eingang 6 und am Ausgang 8 des Filters,
wobei die Zwischen-Reihen-Resonatorelemente 2b jeweils
zwei in Reihe verbundene Resonatorelemente umfassen.
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Um
die erwünschte
niedrige Durchlassband-Einfügungsdämpfung und
die hohe Stoppband-Einfügungsdämpfung zu
erreichen, sollte jeder individuelle Baustein diese zwei Anforderungen
erfüllen.
Obwohl eine Erhöhung
der Anzahl der Abschnitte zur Stoppband-Dämpfung beiträgt (nach
Bedarf), erhöht
dies auch die Durchlassband-Dämpfung
(und somit die Gesamtfiltergröße). Die
Durchlassband- und Stoppband-Anforderungen stehen daher einander
entgegen. Typischerweise sind mehrere solcher Bausteine für sogar
eine mäßige Stoppband-Abweisung erforderlich.
Folglich nehmen sowohl die beanspruchte Fläche als auch die Einfügungsdämpfung im
Durchlassband zu, ohne die Filterselektivität zu verbessern.
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Es
wurde z. B. in
US 5 471 178 erkannt,
dass die Stoppband-Leistungsfähigkeit
für ein
Leiterfilter zum Teil durch das statische Kapazitätsverhältnis zwischen
den Reihen- und Shunt-Resonatoren bestimmt wird, wenn die Resonatoren
bei Frequenzen fernab von den Resonanzfrequenzen als kapazitive Spannungsteiler
wirken.
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US 5 077 544 offenbart ein
piezoelektrisches Leiterfilter mit Reihen- und Shunt-Resonatoren, das dafür ausgelegt
ist, die Einfügungsdämpfung zu
reduzieren und die Gruppenlaufzeiteigenschaften zu verbessern. Die
Shunt-Resonatoren weisen eine höhere
Kapazität
auf als die Reihenresonatoren.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Leiterfilter wie in Anspruch 1 beansprucht geschaffen.
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Das
Leiterfilter der Erfindung bietet eine erhöhte Shunt-Resonatorkapazität (im Vergleich
zu herkömmlichen
Bauformen, in denen die Reihen- und Shunt-Resonatoren im Wesentlichen dieselbe Fläche aufweisen).
Dies reduziert die effektive Kopplung über den Abschnitt, um somit
zu ermöglichen, eine
kleinere Anzahl von Reihen-Shunt-Filterabschnitten zu verwenden,
um eine gute Stoppband-Abweisung zu erzielen, während weiterhin eine gute Leistungsfähigkeit
im Durchlassband geboten wird. Das Filter der Erfindung kann sowohl
an die Eingangs- als auch an die Ausgangsimpedanzen der Filterimpedanz
angepasst sein, um somit die Durchlassband-Einfügungsdämpfung zu minimieren. Die erhöhte Shunt-Kapazität reduziert
jedoch nicht die Filterbandbreite, wobei die Erfindung auf der Erkenntnis
beruht, dass die Filterbandbreite für eine verbesserte Außer-Band-Abweisung
geopfert werden kann.
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Die
Bauform der Reihen- und Shunt-Resonatoren ermöglicht, dass das Filter an
eine gewünschte
Eingangs- und Ausgangsimpedanz angepasst wird, um eine niedrige
Durchlassbanddämpfung
zu erzielen. Je größer der
Wert von m ist, desto größer ist
die Abweisung im Stoppband, die von jeder Resonatorstufe erreicht
wird. Die Wahl des Verhältnisses
m gibt die Kapazität
der Serien- und Shunt-Resonatoren
vor, wobei die Flächen
dieser Komponenten über
dem Substrat dementsprechend gewählt
werden können.
Es besteht jedoch eine praktische Obergrenze für m, die vom Koppelfaktor K des
piezoelektrischen Films, dem Resonatorqualitätsfaktor Q und der benötigten Bandbreite
abhängt. Der
Wert von m ist gemäß der Erfindung
größer oder gleich
2 und kann einen Wert zwischen 2 und 32 annehmen.
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Die
Reihenresonatoren können
ferner einen oder mehrere Zwischen-Reihenresonatoren umfassen, die eine
statische Kapazität
aufweisen, die etwa gleich der Hälfte
der statischen Kapazität
der Eingangs- oder Ausgangs-Reihenresonatoren
ist. Auf diese Weise kann das Leiterfilter aus identischem T-Abschnitt-Bausteinen
gebildet werden. Für
gleiche Eingangs- und Ausgangsimpedanzen weisen die Eingangs- und
Ausgangs-Reihenresonatoren vorzugsweise dieselbe statische Kapazität auf.
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Jeder
Körperschallwellenresonator
umfasst vorzugsweise eine Schicht aus piezoelektrischem Material,
das sandwich-artig zwischen zwei Metallschichten angeordnet ist,
in denen Elektroden ausgebildet sind, wobei das piezoelektrische
Material über einer
Vielzahl akustisch fehlangepasster Schichten vorgesehen ist, die
auf einem isolierenden Substrat montiert sind. Das piezoelektrische
Material kann PZT umfassen.
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Das
Leiterfilter kann verwendet werden, um ein Bandpassfilter mit einer
Mittenfrequenz im Bandpassbereich zu definieren, wobei die Reihen-
und Shunt-Resonatoren
so abgestimmt sind, dass die Reihenresonatoren ein Impedanzminimum
bei der Mittenfrequenz aufweisen und die Shunt-Resonatoren ein Impedanzmaximum
bei der Mittenfrequenz aufweisen. Dies ergibt eine maximale Kopplung
zwischen dem Eingang und dem Ausgang bei der Resonanzfrequenz.
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Die
Erfindung schafft ferner ein Hochfrequenz-Bandpassfilter, das ein
Leiterfilter der Erfindung umfasst. Ein Hochfrequenzempfänger und/oder -sender
kann ein solches Bandpassfilter verwenden.
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Beispiele
der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben, in welchen:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, das ein Leiterfilter mit fünf Reihen-
und vier Shunt-Resonatoren zeigt;
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2 den
Aufbau eines bekannten festmontierten Körperschallwellen-(BAW)-Resonators zeigt;
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3 eine
elektrische Äquivalenzschaltung für einen
einzelnen BAW-Resonator zeigt;
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4 die
Frequenzantwort für
eine erste Reihe von Beispielen des Leiterfilters der Erfindung mit
einem einzelnen T-Abschnitt zeigt;
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5 die
Frequenzantwort für
eine zweite Reihe von Beispielen des Leiterfilters der Erfindung mit
einem einzelnen T-Abschnitt zeigt;
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6 und 7 die
Frequenzantwort einer dritten Reihe von Beispielen des Leiterfilters
der Erfindung mit einem einzelnen T-Abschnitt zeigen; und
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8 die
Frequenzantwort für
ein Beispiel eines Leiterfilters der Erfindung unter Verwendung von
mehr als einem T-Abschnitt zeigt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine verbesserte Leistungsfähigkeit
erreicht kann, indem die relativen Flächen der Reihen- und Shunt-Resonatoren über dem
Substrat angepasst werden, um somit eine Auswahl der statischen
Kapazitätswerte
zu ermöglichen.
Genauer ist eine erhöhte Shunt-Resonatorkapazität vorgesehen,
um die effektive Kopplung über
den Abschnitt zu reduzieren, und somit zu ermöglichen, eine kleinere Anzahl
von Reihen-Shunt-Filterabschnitten
zu verwenden.
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Der
Zielkonflikt besteht darin, dass dann die Filterbandbreite verengt
wird. Wenn jedoch ein sehr starkes piezoelektrisches Material, wie
z. B. PZT, verwendet wird, um die Schicht 10 zu bilden,
ist die verfügbare
Bandbreite größer als
diejenige, die in vielen Anwendungen erforderlich ist, weshalb die
zusätzliche
Bandbreite zugunsten eines tieferen Stoppband-Niveaus geopfert werden
kann.
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Diese
Beziehung wird wie folgt erläutert. Eine
geringe Durchlassband-Einfügungsdämpfung in einem
individuellen T-Abschnitt erfordert (a) Resonatoren mit hohem Q-Faktor,
und (b) eine gute elektrische Anpassung an seinen Anschlüssen (entweder am
Filteranschluss oder am benachbarten T-Abschnitt). Resonatoren mit
hohem Q-Faktor können mit
einer geeigneten Dünnschichttechnik
erzielt werden. Die Erfindung nutzt die zweite Bedingung und ermöglicht die
Auswahl von relativen statischen Kapazitätswerten in den Reihen- und
Shunt-Abschnitten
eines Leiterfilteraufbaus (wie z. B. in 1 gezeigt
ist), während
eine elektrische Anpassung der Filterabschnitte sichergestellt wird,
so dass diese gewünschte
Eingangs- und Ausgangsimpedanzen aufweisen.
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Die
Anwendung der "Abbildungsparameter"-Theorie zeigt, dass
ein T-Abschnitt, der zwei identische Reihenresonatoren und einen
Zwischen-Shunt-Resonator umfasst, perfekt an eine realwertige Abschlussimpedanz
Ro (typischerweise 50 Ω) angepasst ist, wenn gilt: Creihe = (√2ωshunt)/(ωreihe 2Ro m) Cshunt =
(√2ωshunt m)/(ωreihe 2Ro)wobei
Creihe die statische Kapazität eines
jeden der zwei identischen Reihenresonatoren ist, Cshunt die statische
Kapazität
des Shunt-Resonators ist, ωreihe und ωshunt die
(Winkel)-Resonanzfrequenzen jeweils der Reihen- und Shunt-Resonatoren sind,
und m ein Parameter ist, der gleich der Quadratwurzel des Verhältnisses
der Shunt-zu-Reihe-Statikkapazität
ist.
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Die
obige Impedanzanpassungsbedingung liefert die niedrigstmögliche Durchlassbanddämpfung und
ist für
alle Werte von m erfüllt.
Um jedoch das niedrigste Stoppband-Niveau zu erreichen, sollte m
möglichst
hoch sein. Es besteht jedoch eine praktische Obergrenze für m, die
vom Koppelfaktor K des piezoelektrischen Films, dem Resonatorqualitätsfaktor
Q und der erforderlichen Bandbreite abhängt. Das Erhöhen von
m reduziert die effektive Kopplung über den Abschnitt und somit
auch die Filterbandbreite. Die wichtige Beziehung besteht darin,
dass diese Bandbreite für
eine verbesserte Außer-Band-Abweisung
geopfert werden kann. Für
starke piezoelektrische Materialien ist die von der Erfindung gebotene Flexibilität beträchtlich.
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Beispiele – allgemein
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Die
Entwurfsparameter für
Filter, die gemäß der Erfindung
gestaltet sind, sind m, Q, K und die Anzahl N von T-Abschnitten.
Hier werden Beispiele angegeben, um die Beziehungen zwischen diesen
Größen zu erläutern. Diese
Beispiele beruhen auf der in 3 gezeigten
Resonatoräquivalenzschaltung.
Nur zum Zweck des Beispiels wird angenommen, dass die gewünschte Mittenfrequenz
und das Abschlussimpedanzniveau bei 1 GHz bzw. 50 Ω liegen.
Die Komponentenwerte in der Äquivalenzschaltung
werden daher so gewählt,
dass die obigen zwei Gleichungen für Ro =
50 Ω erfüllt sind,
wobei die Reihen- und Shunt-Resonatoren jedes T-Abschnitts jeweils ihre
Resonanz-(Impedanzminimum)- und Anti-Resonanz-(Impedanzmaximum)-Frequenzen
bei 1 GHz haben.
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In
jedem Beispiel ist die Einfügungsdämpfung (Absolutwert
des Streuparameters S21) als Funktion der Frequenz graphisch dargestellt,
wobei Darstellungen für
m = 0,25, 0,5, 1,0, 2,0, 4,0, 8,0 und 16,0 gegeben sind. Die Pfeile 30 in
den 4, 5, 6 und 7 zeigen
die Wirkung der Erhöhung des
Wertes von m.
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Beispiel 1
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4 zeigt
die Ergebnisse für
einen Resonatorentwurf mit N = 1 (ein einzelner T-Abschnitt) und unendlichem
Q (d. h. verlustlose Resonatoren). K wird mit 0,6 angenommen, was
mittels PZT-Dünnschichten
erreicht werden kann. Die Impedanzanpassung im Mittelband zeigt
sich für
alle Werte von m perfekt (d. h. 0 dB Dämpfung). Das Stoppband-Niveau
nimmt mit m zu, bis zu einem Wert > 60
dB für einen
einzelnen T-Abschnitt mit m = 16. Die Bandbreite des Durchlassbandes
nimmt mit steigendem m ab, ist jedoch immer noch größer als
2% für
den Fall m = 16.
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Aus
der Tatsache, dass die tiefen Nullstellen unabhängig von m sind, wird deutlich,
dass die Bandbreite einen bestimmten Grundwert nicht überschreiten
kann. Diese maximale Bandbreite hängt vom piezoelektrischen Koppelkoeffizienten
K ab.
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Beispiel 2
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5 zeigt
einen vergrößerten Abschnitt des
Bandpassbereichs für
einen Filterentwurf äquivalent
zu Beispiel 1, jedoch unter der Annahme von Q = 500, was in der
Praxis erreichbar ist. Resonatoren mit endlichem Q schleppen eine
gewisse Dämpfung
ein, die auf etwa 1,5 dB im Mittelband für den Fall der schmalsten Bandbreite
ansteigt (d. h. den höchsten
Wert von m bei m = 16). Der Kompromiss zwischen Bandbreite, Einfügungsdämpfung und Stoppband-Niveau
ist offensichtlich.
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Beispiel 3
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Die 6 und 7 zeigen
graphische Darstellungen für
ein Beispiel, in welchem K = 0,25 gilt, was ein Wert ist, der unter
Verwendung von Aluminiumnitrit-(AlN)-Piezoelektrikfilmen erzielt werden kann.
Der Qualitätsfaktor
von 500 wird wieder für
einen einzelnen T-Abschnitt (N = 1) angenommen. Der geringere Koppelkoeffizient
bedeutet in diesem Fall, dass die maximal erreichbare Bandbreite
nur etwa 5% beträgt.
Es besteht daher sehr viel weniger Spielraum für die Opferung überschüssiger Bandbreite
zugunsten anderer Entwurfsparameter. Die Erfindung ist daher für stärkere piezoelektrische
Materialien, wie z. B. PZT, am nützlichsten.
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Um
die Wirkung der Verwendung der T-Abschnitte in einem Leiterfilterentwurf
zu erläutern, zeigt 8 die
Frequenzantwort zweier kaskadierter T-Abschnitte mit m = B. Hier
werden PZT-Resonatoren mit K = 0,6 und Q = 500 angenommen. Das obige Modell
zeigt etwa 1,3 dB Mittelband-Einfügungsdämpfung, > 15 dB Rückwärtsdämpfung (Absolutwert des Streuparameters
S11), etwa 5% normierte Bandbreite und > 80 dB äußerstes Stoppband.
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Die
Filter der Erfindung sind auf den Frequenzbereich 0,5 GHz bis 10
GHz anwendbar. Einige der wichtigsten Funkstandards sind in diesem
Bereich enthalten, meist im Bereich von 2 GHz, was eine sehr natürliche Frequenz
für diese
Technik ist. Viele Anwendungen, die auf diesen Standards basieren,
erfordern hochselektive Front-End-Filter mit geringer Dämpfung.
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Wie
aus den Beispielen und der obigen Beschreibung deutlich wird, kann
das Leiterfilter der Erfindung unter Verwendung einer Vielfalt von
Resonatorentwürfen
und Materialien innerhalb dieser Resonatorentwürfe implementiert werden. Um
das gewählte
Statikkapazitätsverhältnis zu
implementieren, muss einfach die Fläche des fraglichen Resonators entsprechend
gewählt
werden. Dies kann einfach dadurch erreicht werden, dass die obere
Elektrodenschicht 12 für
den in 2 gezeigten Resonatorentwurf geeignet gemustert
wird. Es gibt jedoch andere Möglichkeiten
der Änderung
der statischen Kapazität,
die eine andere Dicke der piezoelektrischen Schicht verwenden können, vorausgesetzt,
die gewünschten
Resonanzfrequenzen können
erzielt werden.
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Wie
oben erwähnt
worden ist, sind die Reihen- und Shunt-Resonatoren auf leicht unterschiedliche
Frequenzen abgestimmt. Dies kann erreicht werden durch Vorsehen
zusätzlicher
Schichten über
der Elektrodenschicht, oder erneut durch Ändern der Dicke oder der Zusammensetzung
der piezoelektrischen Schicht für
unterschiedliche Resonatortypen.
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In
dieser Anmeldung wurden festmontierte BAWs genauer beschrieben.
Die Erfindung kann jedoch gleichermaßen auf Oberflächenmembranresonatoren
angewendet werden.
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Die
obigen spezifischen Beispiele wurden gewählt, um einen einfachen Vergleich
zu ermöglichen,
wobei aus diesem Grund alle Beispiele auf Filter zielen, die auf
1 GHz zentriert sind und eine gewünschte Ausgangsimpedanz von
50 Ohm aufweisen. Diese Parameter werden selbstverständlich unter
Berücksichtigung
der spezifischen Anwendung des Filters ausgewählt.
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Verschiedene
andere Modifikationen sind für Fachleute
offensichtlich.