DE60214948T2

DE60214948T2 - Filteranordnung mit piezoelektrischen Resonatoren

Info

Publication number: DE60214948T2
Application number: DE60214948T
Authority: DE
Inventors: Juha Ellä
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: EP1292026A2; FI20011678A0; EP1292026B1; FI118400B; US20030042995A1; FI20011678A; US6741146B2; DE60214948D1; EP1292026A3

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Hochfrequenzfilter. Insbesondere betrifft sie Filterstrukturen, welche piezoelektrische Schwinger, normalerweise Dünnfilmschwinger für akustische Volumenwellen (BAW), umfassen. (Im Folgenden wird der Begriff „Schwinger" als Synonym für „Resonator" verwendet.)
Die Entwicklung der mobilen Telekommunikationstechnik geht weiter zu immer noch kleineren und noch komplizierteren Handeinheiten. Die Entwicklung führt zu steigenden Anforderungen an die Miniaturisierung der Komponenten und Strukturen, die in den Mobilkommunikationsmitteln verwendet werden. Diese Entwicklung betrifft auch Hochfrequenz- oder HF-Filterstrukturen, welche trotz der zunehmenden Miniaturisierung imstande sein sollten, erheblichen Leistungspegeln standzuhalten und sehr steile Durchlassbandkanten und geringe Verluste aufzuweisen.
Die HF-Filter, die in Mobiltelefonen des Standes der Technik verwendet werden, sind üblicherweise Filter für diskrete akustische Oberflächenwellen (SAW für engl. surface acoustic wave) oder keramische Filter. Schwinger für akustische Oberflächenwellen (SAW) weisen normalerweise eine Struktur auf, die jener ähnelt, die in 1 dargestellt ist. Akustische Oberflächenschwinger verwenden akustische Oberflächenschwingungsarten einer Feststoffoberfläche, in welchen Arten die Schwingung auf die Oberfläche des Feststoffs beschränkt ist und von der Oberfläche weg schnell abklingt. Ein SAW-Schwinger umfasst normalerweise eine piezoelektrische Schicht 100 und zwei Elektroden 122, 124. Diese Elektroden bilden einen Interdigitalwandler (IDT). Die Form der Elektroden 122, 124 gleicht normalerweise dem Buchstaben E oder einem Kamm, und die Elektroden sind derart angeordnet, dass die Finger einer ersten Elektrode parallel zu den Fingern einer zweiten Elektrode und zwischen ihnen sind. Die Frequenz eines SAW-Schwingers hängt größtenteils von der Distanz zwischen den Fingern und auch von der Breite der Finger ab. Die Impedanz eines SAW-Schwingers hängt größtenteils von der Anzahl der Finger und von der Länge der Finger ab. Zusätzlich zum IDT weist ein SAW-Schwinger normalerweise zwei Reflektoren, einen auf jeder Seite des IDTs, zum Zurückwerfen der akustischen Oberflächenwelle, die durch den IDT induziert wird und in einer Richtung normal auf die Richtung der Finger des IDTs verläuft, auf.
Verschiedene Schwingerstrukturen, wie beispielsweise Filter, werden mit SAW-Schwingern erzeugt. Ein SAW-Schwinger hat zwar den Vorteil, dass er eine sehr kleine Größe aufweist, aber unglücklicherweise kann ein SAW-Schwinger hohen Leistungspegeln nicht standhalten.
Es ist bekannt, Dünnfilmschwinger für akustische Volumenwellen auf Halbleiterscheiben, wie beispielsweise Halbleiterscheiben aus Silicium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs), zu bilden. Zum Beispiel wird in einem Artikel mit dem Titel „Acoustic Bulk Wave Composite Resonators", Applied Physics Letters, Bd. 38, Nr. 3, ff. 125–127, 1. Feb. 1981, von K. M. Lakin und J. S. Wang, ein akustischer Volumenwellenschwinger offenbart, welcher eine piezoelektrische Dünnfilmschicht aus Zinkoxid (ZnO) umfasst, die über eine dünne Membran von Silicium (Si) aufgesputtert ist. Außerdem wird in einem Artikel mit dem Titel „An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator", 15 Proc. 39th Annual Symp. Freq. Control, ff. 361–366, 1985, von Hiroaki Satoh, Yasuo Ebata, Hitoshi Suzuki und Choji Narahara, ein akustischer Volumenwellenschwinger mit einer Brückenstruktur offenbart.
2 stellt ein Beispiel für einen akustischen Volumenwellenschwinger mit einer Brückenstruktur dar. Die Struktur umfasst eine Membran 130, die auf ein Substrat 200 aufgetragen ist. Der Schwinger umfasst ferner eine untere Elektrode 110 auf der Membran, eine piezoelektrische Schicht 100 und eine obere Elektrode 120. Ein Spalt 210 ist zwischen der Membran und dem Substrat durch Wegätzen von etwas des Substrats von der Oberseite ausgebildet. Der Spalt dient als ein akustischer Isolator, der die schwingende Schwingerstruktur im Wesentlichen vom Substrat isoliert.
Im Folgenden werden zuerst bestimmte Arten von BAW-Schwingern beschrieben. Schwinger für akustische Volumenwellen (BAW für engl. bulk acoustic wave) werden normalerweise auf Substraten aus Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Glas oder Keramik hergestellt. Eine weitere Keramiksubstratart, die verwendet wird, ist Aluminiumoxid. Die BAW-Bausteine werden normalerweise unter Verwendung verschiedener Dünnfilmherstellungstechniken, wie beispielsweise Sputtern, Vakuumbedampfung oder chemische Aufdampfung, hergestellt. BAW-Bausteine verwenden eine piezoelektrische Dünnfilmschicht zum Erzeugen der akustischen Volumenwellen. Die Resonanzfrequenzen von typischen BAW-Bausteinen reichen in Abhängigkeit von der Größe und den Materialien des Bausteins von 0,5 GHz bis 5 GHz. BAW-Schwinger weisen die typischen Reihen- und Parallelresonanzen von Quarzschwingern auf. Die Resonanzfrequenzen werden hauptsächlich durch das Material des Schwingers und die Abmessungen der Schichten des Schwingers bestimmt.
Ein typischer BAW-Schwinger besteht aus drei Grundelementen:

– einer akustisch aktiven piezoelektrischen Schicht,
– Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Schicht, und
– einer akustischen Isolation vom Substrat.

Die piezoelektrische Schicht kann zum Beispiel ZnO, AIN, ZnS oder jedes andere piezoelektrische Material sein, das als ein Dünnfilm hergestellt werden kann. Als ein weiteres Beispiel kann auch ferroelektrische Keramik als das piezoelektrische Material verwendet werden. Zum Beispiel können PbTiO₃ und Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ und andere Mitglieder der so genannten Bleilanthan-Zirconattitanat-Familie verwendet werden.
Das Material, das verwendet wird, um die Elektrodenschichten zu bilden, ist ein elektrisch leitendes Material. Die Elektroden können zum Beispiel aus jedem geeigneten Metall, wie beispielsweise Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Titan (Ti), Niob (Nb), Silber (Ag), Gold (Au) und Tantal (Ta), bestehen. Das Substrat besteht normalerweise zum Beispiel aus Si, SiO₂, GaAs, Glas oder Keramikmaterialien.
Die akustische Isolation kann zum Beispiel mit den folgenden Techniken erzeugt werden:

– mit einem Substratkontaktloch,
– mit einer mikromechanischen Brückenstruktur oder
– mit einer akustischen Spiegelstruktur.

In der Kontaktloch- und in der Brückenstruktur sind die akustischen Reflexionsflächen die Luftschnittstellen unter und über den Bausteinen. Die Brückenstruktur wird normalerweise unter Verwendung einer Opferschicht hergestellt, welche weggeätzt wird, um eine freistehende Struktur zu erzeugen. Die Verwendung einer Opferschicht macht es möglich, eine große Vielfalt von Substratmaterialien zu verwenden, da das Substrat nicht sehr stark modifiziert zu werden braucht wie in der Kontaktlochstruktur. Eine Brückenstruktur kann auch unter Verwendung einer Ätzgrübchenstruktur erzeugt werden, in welchem Fall ein Grübchen in das Substrat oder die Materialschicht unter dem BAW-Schwinger geätzt werden muss, um die freistehende Brückenstruktur zu erzeugen.
3 veranschaulicht ein Beispiel von verschiedenen Möglichkeiten zur Herstellung einer Brückenstruktur. Vor dem Auftrag anderer Schichten der BAW-Struktur wird zuerst eine Opferschicht 135 aufgetragen und gemustert. Der Rest der BAW-Struktur wird teilweise auf die Oberseite der Opferschicht 135 aufgetragen und gemustert. Sobald der Rest der BAW-Struktur fertig gestellt ist, wird die Opferschicht 135 weggeätzt. 3 stellt auch das Substrat 200, eine Membranschicht 130, die untere Elektrode 110, die piezoelektrische Schicht 100 und die obere Elektrode 120 dar. Die Opferschicht kann zum Beispiel unter Verwendung eines keramischen, metallischen oder polymeren Materials realisiert werden.
In der Kontaktlochstruktur wird der Schwinger durch Wegätzen des Substrats von unter einem Hauptteil der BAW-Schwingerstruktur akustisch vom Substrat isoliert. 4 stellt eine Kontaktlochstruktur eines BAW-Schwingers dar. 4 stellt das Substrat 200, eine Membranschicht 130, die untere Elektrode 110, die piezoelektrische Schicht 100 und die obere Elektrode 120 dar. Ein Kontaktloch 211 wurde durch das ganze Substrat geätzt. Infolge des erforderlichen Ätzens werden Kontaktlochstrukturen im Allgemeinen nur mit Si- oder GaAs-Substraten realisiert.
Eine weitere Möglichkeit, einen BAW-Schwinger vom Substrat zu isolieren, ist durch Verwenden einer akustischen Spiegelstruktur. Die akustische Spiegelstruktur führt die Isolation durch Zurückwerfen der akustischen Welle auf die Schwingerstruktur durch. Ein akustischer Spiegel umfasst normalerweise mehrere Schichten mit einer Dicke von einer Viertelwellenlänge auf der mittleren Frequenz, wobei abwechselnde Schichten unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen. Die Anzahl von Schichten in einem akustischen Spiegel reicht normalerweise von drei bis neun. Das Verhältnis der akustischen Impedanz von zwei aufeinander folgenden Schichten sollte groß sein, um eine so niedrige akustische Impedanz als möglich für den BAW-Schwinger anstelle der verhältnismäßig hohen Impedanz des Substratmaterials zu bilden. Im Falle einer piezoelektrischen Schicht, die ein Viertel der Wellenlänge dick ist, werden die Spiegelschichten so gewählt, dass sie eine so hohe akustische Impedanz als möglich für den Schwinger gebildet wird. Dies wird in der US-Patentschrift 5,373,268 offenbart. Das Material der Schichten mit hoher Impedanz kann zum Beispiel Gold (Au), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) sein, und das Material der Schichten niedriger Impedanz kann zum Beispiel Silicium (Si), Polysilicium (Poly-Si), Siliciumdioxid (SiO₂), Aluminium (Al) oder ein Polymer sein. Da in Strukturen, welche eine akustische Spiegelstruktur verwenden, der Schwinger vom Substrat isoliert wird und das Substrat nicht sehr stark modifiziert wird, kann eine große Vielfalt von Materialien als ein Substrat verwendet werden. Die Polymerschicht kann aus jedem Polymermaterial mit einer niedrigen Verlustcharakteristik und einer niedrigen akustischen Impedanz bestehen. Vorzugsweise ist das Polymermaterial derart, dass es Temperaturen von wenigstens 350°C standhalten kann, da verhältnismäßig hohe Temperaturen während des Auftrags anderer Schichten der akustischen Spiegelstruktur und anderer Strukturen gebraucht werden. Die Polymerschicht kann zum Beispiel aus Polyimid, Cycloten, einem kohlenstoffbasierten Material, einem siliciumbasierten Material und jedem anderen geeigneten Material bestehen.
5 stellt ein Beispiel eines BAW-Schwingers auf der Oberseite einer akustischen Spiegelstruktur dar. 5 stellt das Substrat 200, die untere Elektrode 110, die piezoelektrische Schicht 100 und die obere Elektrode 120 dar. Die akustische Spiegelstruktur 150 umfasst in diesem Beispiel drei Schichten 150a, 150b. Zwei der Schichten 150a sind aus einem ersten Material gebildet, und die dritte Schicht 150b zwischen den beiden Schichten ist aus einem zweiten Material gebildet. Das erste und das zweite Material weisen unterschiedliche akustische Impedanzen auf, wie bereits erwähnt. Die Reihenfolge der Materialien kann variieren. Zum Beispiel kann das Material mit einer hohen akustischen Impedanz in der Mitte und das Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz auf beiden Seiten des mittleren Materials oder umgekehrt sein. Die untere Elektrode kann auch als eine Schicht des akustischen Spiegels verwendet werden.
6 stellt ein weiteres Beispiel einer BAW-Schwingerstruktur dar. Der BAW-Schwinger, der in 6 veranschaulicht ist, ist eine gestapelte Schwingerstruktur mit zwei piezoelektrischen Schichten 100. Zusätzlich zur unteren 110 und zur oberen 120 Elektrode benötigt eine gestapelte Struktur eine mittlere Elektrode 115, welche an Erdpotenzial gelegt ist. 6 stellt ferner die Membranschicht 130, das Substrat 200 und das Ätzgrübchen 210, das die Struktur vom Substrat isoliert, dar.
Es können zum Beispiel Hochfrequenzfilter gebildet werden, welche piezoelektrische Schwinger verwenden. Die Resonanzfrequenzen von SAW-Schwingern und von BAW-Dünnfilmschwingern sind derart, dass es vorteilhaft ist, sie in Filtern zu verwenden, welche so ausgelegt sind, dass sie auf einem bestimmten Frequenzband in einem Frequenzbereich von 1 GHz bis einigen GHz funktionieren. 7a stellt als ein Beispiel ein Abzweigfilter 700 mit drei ähnlichen Abzweigabschnitten 710 dar, wobei jeder Abzweigabschnitt 710 aus einem Schwinger 701, der in Reihe geschaltet ist, und einem zweiten Schwinger 702, der parallel geschaltet ist, besteht. Die Reihenresonanzfrequenz f_ss des Reihenschwingers 701 und die Parallelfrequenz f_pp des Parallelschwingers 702 sind normalerweise auf oder nahe der mittleren Frequenz des Abzweigfilters 700. Wenn ein Filter unter Verwendung von BAW-Schwingern gebildet wird, wird der Unterschied in den Resonanzfrequenzen der Reihenschwinger 701 und der Parallelschwinger 702 normalerweise durch Hinzufügen einer dünnen Materialschicht zu den Parallelschwingern 702 erreicht. Diese zusätzliche Schicht vergrößert die Schwingerdicke und senkt die Resonanzfrequenz.
Ein Abzweigfilter wird normalerweise durch Hintereinanderschalten einer bestimmten Anzahl von Abzweigfilterabschnitten 710 zum Erreichen der gewünschten Charakteristiken des Filters gebildet. Abzweigfilter weisen normalerweise eine ziemlich gute Leistung im Durchlassband auf, aber um eine gute Dämpfung außerhalb des Bandes zu erreichen, bedarf es vieler Filterstufen, das heißt, Abzweigabschnitte, in Reihe geschaltet. Mobiltelefonanwendungen zum Beispiel benötigen wenigstens drei Stufen in einem Abzweigfilter, um die gewünschte Außerbanddämpfung zu erreichen. 7b veranschaulicht den elektrischen Frequenzgang eines bestimmten Abzweigfilters mit der in 7a spezifizierten Struktur, wobei die Schwinger BAW-Schwinger sind und die Reihenresonanzfrequenz f_ss des Reihenschwingers 701 nahe an der Parallelresonanzfrequenz f_pp des Parallelschwingers 702 ist. Die elektrischen Frequenzgänge in 7b sind berechnet. Die untere Kurve entspricht einem Abzweigfilter, bei dem die Kapazitanz (oder Fläche) des Parallelschwingers zweimal die eines Reihenschwingers ist, d.h. das Verhältnis von Kapazitanzen der Parallel- und Reihenschwinger 2 ist. Die obere Kurve entspricht einem Abzweigfilter, bei dem die Kapazitanzen (Flächen) der Reihen- und Parallelschwinger gleich sind, d.h. das Verhältnis 1 ist.
8a stellt ein Beispiel einer Brückenfilterstruktur 800 mit zwei Brückenabschnitten 810, die in Reihe geschaltet sind, dar; in jedem Brückeabschnitt 810 weisen Schwinger 801a und 801b eine höhere Resonanzfrequenz auf als Schwinger 802a und 802b. Brückenfilter weisen normalerweise eine gute Außerbanddämpfung weit entfernt vom Durchlassband auf, aber die Dämpfung in der Nähe des Durchlassbandes ist nicht sehr gut. Um eine gewünschte Dämpfung nahe dem Durchlassband zu erhalten, weisen Brückenfilter normalerweise etliche Brückenabschnitte in Reihe geschaltet auf. 8b veranschaulicht den elektrischen Frequenzgang eines bestimmten zweistufigen Brückenfilters, das heißt eines Filters mit der in 8a. spezifizierten Struktur. Außerdem weisen die BAW-Reihen- und -Parallelschwinger des Brückenfilters, deren berechneter elektrischer Frequenzgang in 8b veranschaulicht ist, gleiche Kapazitanzen (Flächen) auf. Die BAW-Schwinger 701, 702 dieses Abzweigfilters 700 und die BAW-Schwinger 801, 802 dieses Brückenfilters 800, deren elektrische Frequenzgänge in 7b (obere Kurve) und 8b dargestellt sind, sind identisch, und die Parallelresonanzfrequenz f_pp der Schwinger 702/802 ist nahe der Reihenresonanzfrequenz f_ss der Reihenschwinger 701/801. 7b und 8b zeigen deutlich, dass die Dämpfung nahe dem Durchlassband in einem Abzweigfilter viel besser ist und die Dämpfung weit entfernt vom Durchlassband in einem Brückenfilter viel besser ist. Wenn gewünscht wird, ähnliche Dämpfungsstufen nahe der Durchlassbandkante (z.B. über und unter dem Durchlassband) zu haben, wie im Falle eines Abzweigfilters, dann sollten die Schwinger eines Brückenfilters ein Flächenverhältnis von weniger als eins aufweisen (das heißt, die Fläche der Schwinger, deren Reihenresonanz nahe der mittleren Frequenz ist, sollte die größere Fläche aufweisen), was wiederum die Außerbanddämpfung weit entfernt vom Durchlassband senkt. Diese Erscheinung wird zum Beispiel in den Patentanmeldungen EP 1017170 und FI 982824 erörtert. Ein Problem bei der Verwendung von Abzweigfiltern und Brückenfiltern ist, dass etliche Abzweigabschnitte oder Brückenabschnitte erforderlich sind, um eine gute Dämpfung außerhalb des Bandes zu erreichen. Solche Filter mit vielen Filterabschnitten weisen eine ziemlich große Anzahl von Schwingern auf. Brückenfilter, welche eine symmetrische Struktur aufweisen, benötigen außerdem symmetrische Eingangs- und Ausgangsports. Eine Antenne stellt normalerweise einen unsymmetrischen Ausgang bereit. Wenn daher ein Brückenfilter in aktuellen Mobiltelefonanwendungen verwendet wird, erfordert das Anordnen eines symmetrischen Eingangs weitere Komponenten und verursacht normalerweise weitere Verluste.
Ein weiteres Problem bei Abzweigfiltern ist, dass sie einen ziemlich begrenzten Bereich von relativen Bandbreiten aufweisen. Die maximale Bandbreite wird durch den Kopplungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials begrenzt, das in den piezoelektrischen Schwingern verwendet wird. Die Bandbreite eines Abzweigfilters kann durch unterabstimmen von BAW-Schwingern verringert werden, aber der Frequenzgang beginnt ziemlich bald, sich zu verschlechtern, da das Stehwellenverhältnis groß wird und ein Einfügungsverlust zunimmt. In einem optimalen Abzweigfilter ist die Parallelresonanzfrequenz f_pp eines Parallelschwingers gleich der Reihenresonanzfrequenz f_ss eines Reihenschwingers. Wenn gewünscht wird, das Durchlassband zu erweitern, wird die Frequenz f_pp gesenkt und die Frequenz f_ss erhöht; dies bewirkt jedoch normalerweise, dass die Einbeulung in der Mitte des elektrischen Frequenzgangs vertieft wird. Alternativerweise ist es möglich, das Durchlassband durch Querabstimmen der Reihen- und Parallelschwinger zu verringern, d.h. die Frequenz f_ss zu senken und/oder die Frequenz f_pp zu erhöhen. Auch in diesem Fall verschlechtert sich der elektrische Frequenzgang normalerweise.
Die Publikation US 5,093,638 offenbart ein unsymmetrisches SAW-Schwinger-Filter, das eine vorbestimmte Länge einer unsymmetrischen Übertragungsleitung und zwei SAW-Schwinger mit ersten beziehungsweise zweiten Resonanzfrequenzen umfasst. Die Übertragungsleitung ist geerdet und weist eine elektrische Länge auf, die eine Hälfte der Wellenlänge der durchschnittlichen Resonanzfrequenz der beiden SAW-Schwinger ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Filterstruktur zu darzulegen, die unsymmetrische Eingangs- und Ausgangsports aufweist und gute Imband- und Außerbandcharakteristiken ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Filterstruktur zu darzulegen, die eine kleine Anzahl von Komponenten aufweist.
Die Aufgaben der Erfindung werden mit einem neuartigen Filterabschnitt erreicht, der entweder eine Filterstruktur oder einen Teil einer Filterstruktur bildet. Die Erfindung wird im unabhängigen Anspruch 1 definiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Anordnung zum Senden und Empfangen eines Hochfrequenzsignals erste Verstärkungsmittel zum Verstärken eines ersten Signals, zweite Verstärkungsmittel zum Verstärken eines zweiten Signals und eine Filterstruktur, welche einen ersten Filterzweig zum Filtern des ersten Signals und einen zweiten Filterzweig zum Filtern des zweiten Signals umfasst, wobei der erste Filterzweig einen ersten Eingangsleiter und einen ersten Ausgangsleiter aufweist und der zweite Filterzweig einen zweiten Eingangsleiter und einen zweiten Ausgangsleiter aufweist, der erste Ausgangsleiter mit dem zweiten Eingangsleiter verbunden ist, der erste Eingangsleiter mit einem Ausgang der ersten Verstärkungsmittel gekoppelt ist und der zweite Ausgangsleiter mit einem Eingang der zweiten Verstärkungsmittel gekoppelt ist, und wenigstens einer des ersten und des zweiten Filterzweigs einen Filterabschnitt mit wenigstens zwei Zweigen umfasst, die parallel geschaltet sind, wobei ein erster Zweig der wenigstens zwei Zweige eine erste Anzahl von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, umfasst, die piezoelektrischen Schwinger, die zur ersten Anzahl gehören, eine erste Resonanzfrequenz aufweisen, und ein zweiter Zweig der wenigstens zwei Zweige eine zweite Anzahl von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Phasenverschiebungsmittel so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen, und die piezoelektrischen Schwinger, die zur zweiten Anzahl gehören, eine zweite Resonanzfrequenz aufweisen, wobei die zweite Resonanzfrequenz sich von der ersten Resonanzfrequenz unterscheidet, wobei die Schwinger akustische Volumenwellen- oder BAW-Schwinger (BAW für engl. Bulk Acoustic Wave) sind, die eine piezoelektrische Schicht und eine Anzahl von Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht umfassen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Anordnung zum Senden eines Hochfrequenzsignals eine einseitige Filterstruktur, die einen Port bereitstellt, um eine Antenne daran zu anzukoppeln, und Verstärkungsmittel, die mit der Filterstruktur verbunden sind, zum Verstärken eines zu sendenden Signals vor dem Filtern des Signals, und die Filterstruktur umfasst einen Filterabschnitt mit wenigstens zwei Zweigen, die parallel geschaltet sind, wobei ein erster Zweig der wenigstens zwei Zweige eine erste Anzahl von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, umfasst, die piezoelektrischen Schwinger, die zur ersten Anzahl gehören, eine erste Resonanzfrequenz aufweisen, und ein zweiter Zweig der wenigstens zwei Zweige eine zweite Anzahl von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Phasenverschiebungsmittel so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen, und die piezoelektrischen Schwinger, die zur zweiten Anzahl gehören, eine zweite Resonanzfrequenz aufweisen, wobei die zweite Resonanzfrequenz sich von der ersten Resonanzfrequenz unterscheidet, wobei die Schwinger akustische Volumenwellen- oder BAW-Schwinger (BAW für engl. Bulk Acoustic Wave) sind, die eine piezoelektrische Schicht und eine Anzahl von Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Anordnung zum Empfangen eines Hochfrequenzsignals eine Filterstruktur, die einen Port bereitstellt, um eine Antenne daran zu anzukoppeln, und Verstärkungsmittel, die mit der Filterstruktur verbunden sind, zum Verstärken eines gefilterten Signals, und die Filterstruktur umfasst einen Filterabschnitt mit wenigstens zwei Zweigen, die parallel geschaltet sind, wobei ein erster Zweig der wenigstens zwei Zweige eine erste Anzahl von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, umfasst, die piezoelektrischen Schwinger, die zur ersten Anzahl gehören, eine erste Resonanzfrequenz aufweisen, und ein zweiter Zweig der wenigstens zwei Zweige eine zweite Anzahl von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Phasenverschiebungsmittel so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen, und die piezoelektrischen Schwinger, die zur zweiten Anzahl gehören, eine zweite Resonanzfrequenz aufweisen, wobei die zweite Resonanzfrequenz sich von der ersten Resonanzfrequenz unterscheidet, wobei die Schwinger akustische Volumenwellen- oder BAW-Schwinger (BAW für engl. Bulk Acoustic Wave) sind, die eine piezoelektrische Schicht und eine Anzahl von Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht umfassen.
Die beiliegenden abhängigen Ansprüche beschreiben einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Es wird ein Filterabschnitt mit wenigstens zwei parallelen Zweigen hierin beschrieben. Ein erster Zweig des Filterabschnitts weist eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingern auf, die in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl von Schwingern in dieser Mehrzahl ist mindestens eins. Ein zweiter Zweig des Filterabschnitts weist eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel, die eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen, auf, die in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl von Schwingern in dieser Mehrzahl ist mindestens eins. Normalerweise weisen die Zweige keine weiteren Komponenten auf, derart dass der erste Zweig aus der ersten Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingern besteht, die in Reihe geschaltet sind, und der zweite Zweig aus der zweiten Mehrzahl von Schwingern und Phasenverschiebungsmitteln besteht, die in Reihe geschaltet sind. Der einfachste Filterabschnitt gemäß dieser Erfindung umfasst demnach zwei piezoelektrische Schwinger – einen Reihenschwinger und einen Parallelschwinger – und geeignete Phasenverschiebungsmittel, die mit dem Parallelschwinger in Reihe geschaltet sind. Die piezoelektrischen Schwinger können akustische Volumenwellenschwinger sein, die zum Beispiel irgendeine Struktur aufweisen, die zuvor beschrieben wurde. Sie können alternativerweise akustische Oberflächenwellenschwinger sein.
Der elektrische Frequenzgang eines Filterabschnitts mit der spezifizierten Struktur ist praktisch ähnlich dem eines Brückenfilterabschnitts mit ähnlichen piezoelektrischen Schwingern, aber die Anzahl von Schwingern ist die Hälfte der Anzahl von Schwingern in einem Brückenfilterabschnitt. Daher wird der spezifizierte Filterabschnitt in dieser Beschreibung im Folgenden Halbbrückenfilterabschnitt genannt. Die Anzahl von Komponenten in einem Filter, die erforderlich ist, um einen gewünschten elektrischen Frequenzgang zu erzeugen, kann unter Verwendung eines Halbbrückenfilterabschnitts demnach beträchtlich verringert werden. Dies ist ein Vorteil der Erfindung. Außerdem ist der Halbbrückenfilterabschnitt einseitig und kann zum Beispiel in Mobiltelefonanwendungen leicht verwendet werden.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, den Halbbrückenfilterabschnitt mit Abzweigfilterabschnitt(en) zu kombinieren. Auf diese Weise ist es möglich, einseitige Filter zu entwerfen und zu konstruieren, welche eine kleine Anzahl von Komponenten aufweisen, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. Der elektrische Frequenzgang solch eines Filters weist normalerweise die guten Außerbandeigenschaften eines Brückenfilters, steile Übergänge vom Durchlassband zum Sperrband ähnlich jenen eines Abzweigfilters und die guten Imbandeigenschaften eines Abzweig- und eines Brückenfilters auf. Außerdem ist möglicherweise ein weiterer Bereich von verwendbaren relativen Bandbreiten verfügbar.
Einige Beispiele, in welchen eine Filterstruktur gemäß der Erfindung verwendet werden kann, sind Funksender, Funkempfänger und Funksendeempfänger (insbesondere Mobiltelefone). Ein Halbbrückenfilterabschnitt gemäß der Erfindung kann einen Teil eines Duplexfilters bilden, der in einem Sendeempfänger verwendet wird; sowohl der Empfänger- als auch der Senderzweig solch eines Duplexfilters können Halbbrückenfilterabschnitte umfassen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele und die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei
1 einen akustischen Oberflächenschwinger gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht,
2 einen akustischen Volumenwellenschwinger gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht,
3 eine andere akustische Volumenwellenschwingerstruktur mit einer Brückenstruktur darstellt,
4 einen akustischen Volumenwellenschwinger mit einer Kontaktlochstruktur veranschaulicht,
5 einen akustischen Volumenwellenschwinger veranschaulicht, der durch eine akustische Spiegelstruktur vom Substrat isoliert ist,
6 einen gestapelten akustischen Volumenwellenschwinger veranschaulicht,
7 ein Beispiel einer Abzweigfilterstruktur des Standes der Technik und ihres elektrischen Frequenzgangs veranschaulicht,
8 ein Beispiel einer Brückenfilterstruktur des Standes der Technik und ihres elektrischen Frequenzgangs veranschaulicht,
9 ein Beispiel eines Halbbrückenfilterabschnitts gemäß der Erfindung veranschaulicht,
10 einige Beispiele von Basishalbbrückenfilterabschnitten gemäß der Erfindung veranschaulicht,
11 ein Beispiel des elektrischen Frequenzgangs eines Basishalbbrückenfilterabschnitts veranschaulicht,
12 den elektrischen Frequenzgang eines Basishalbbrückenfilterabschnitts und den eines dreistufigen Abzweigfilters vergleicht,
13 ein Beispiel einer Filterstruktur gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
14 ein Beispiel einer Filterstruktur gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
15 den elektrischen Frequenzgang einer Filterstruktur gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, und
16 eine Empfänger-, eine Sender- und eine Sendeempfängeranordnung gemäß der Erfindung veranschaulicht.
Zuvor wurde in Verbindung mit der Beschreibung des Standes der Technik auf 1 bis 8 Bezug genommen. Es werden dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile in den Figuren verwendet.
9 veranschaulicht einen Halbbrückenfilterabschnitt 900, bei welchem es einen ersten Zweig 901 mit einer ersten Mehrzahl 921 von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, gibt. Ferner gibt es, parallel zu diesem ersten Zweig 901 geschaltet, einen zweiten Zweig 902, der eine zweite Mehrzahl 922 von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel 910, welche eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen, aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Die piezoelektrischen Schwinger 701, die zur ersten Mehrzahl 921 gehören, weisen normalerweise eine Reihenresonanzfrequenz nahe der mittleren Frequenz des Halbbrückenfilterabschnitts auf, und die piezoelektrischen Schwinger 702, die zur zweiten Mehrzahl 922 gehören, weisen eine Parallelresonanzfrequenz nahe der mittleren Frequenz des Halbbrückenfilterabschnitts auf. Normalerweise beträgt die Anzahl von piezoelektrischen Schwingern in den Mehrheiten 921, 922 eins, aber in manchen Anwendungen können mehr als ein piezoelektrischer Schwinger in Reihe geschaltet vorteilhaft sein. Die Phasenverschiebung, welche durch die Phasenverschiebungsmittel 910 bereitgestellt wird, ist vorteilhafterweise 180 Grad, aber zum Beispiel in Abhängigkeit vom Impedanzniveau und der gewünschten Breite des Durchlassbandes eines Filters ist eine Phasenverschiebung von nahe an 180 Grad anwendbar. Normalerweise liegt die Phasenverschiebung, die durch die Phasenverschiebungsmittel 910 bereitgestellt wird, zwischen 150 und 210 Grad. Diese Phasenverschiebung kann auf verschiedene Arten und Weisen realisiert werden, welche den Fachleuten bekannt sind. Einige bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden dargelegt.
10A veranschaulicht als ein Beispiel von Basishalbbrückenfilterabschnitten einen Basishalbbrückenfilterabschnitt mit nur einem Reihenschwinger 701 und einem Parallelschwinger 702. 10B, 10C und 10D veranschaulichen verschiedene Beispiele von Phasenverschiebungsmitteln, die in einem Halbbrückenfilterabschnitt anwendbar sind. In 10B wird die Phasenverschiebung unter Verwendung eines Transformators 911 mit einem Kopplungsfaktor 1: –1 angeordnet. Wie 10B veranschaulicht, sind die anderen Enden der Schaltungen des Transformators 911 an den Erdpegel gelegt. In 10C wird die Phasenverschiebung unter Verwendung einer Übertragungsleitung 912 mit einer Länge, die einer Phasenverschiebung von 180 Grad (d.h. einer halben Wellenlänge auf der mittleren Frequenz des Filterabschnitts) entspricht, angeordnet. Die erforderliche Phasenverschiebung kann in zwei oder mehr Schritten realisiert werden. 10D veranschaulicht ein Beispiel, wobei eine Anzahl von Phasenverschiebungskomponenten verwendet wird, um eine Gesamtphasenverschiebung von 180 Grad bereitzustellen: zwei Übertragungsleitungen 913a, b, stellen jeweils eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 45 Grad bereit. Ein weiteres Beispiel für Phasenverschiebungsmittel ist eine Phasenverschiebungsschaltungsanordnung mit konzentrierten Schaltelementen, die eine Mehrzahl von Kondensatoren und Spulen aufweist, die entsprechend verbunden sind. Solch eine Phasenverschiebungsschaltungsanordnung mit konzentrierten Schaltelementen ist einem Fachmann bekannt. Die Phasenverschiebungselemente oder -komponenten können auf einem Filterchip als monolithische Elemente realisiert sein, oder sie können auch Hilfskomponenten sein, die außerhalb des Chips angeordnet sind. Die bevorzugte Option ist häufig eine monolithische Implementierung.
11A und 11B veranschaulichen ein Beispiel des elektrischen Frequenzgangs eines Basishalbbrückenfilterabschnitts, der in 10A dargestellt ist. Der elektrische Frequenzgang ist berechnet, und die Resonanzfrequenzen der piezoelektrischen Schwinger 701 und 702 im Basishalbbrückenfilterabschnitt sind mit jenen der piezoelektrischen Schwinger 701/801 und 702/802 in den Filtern 700 und 800 identisch. Demnach ist f_ss gleich f_pp in diesem Basishalbbrückenfilterabschnitt, dessen berechneter elektrischer Frequenzgang in 11 veranschaulicht ist. Die Kapazitanzen (Flächen) der (BAW-Schwinger 701 und 702 sind im Halbbrückenfilter gleich, dessen elektrischer Frequenzgang in 11 veranschaulicht ist. Die mittlere Frequenz des Basishalbbrückenfilterabschnitts ist demnach dieselbe wie in 7B und 8B dargestellt. Der elektrische Frequenzgang eines Basishalbbrückenfilterabschnitts ist ähnlich dem eines Brückenfilterabschnitts (vergleiche 8B und 11A). Vorteile des Halbbrückenfilterabschnitts sind, dass die Anzahl von piezoelektrischen Schwingern darin die Hälfte der Anzahl von piezoelektrischen Schwingern in einem einfachen Brückenfilterabschnitt ist und der Halbbrückenfilterabschnitt einseitig ist.
Ein Vergleich der 7B und 11A zeigt, dass die Trennschärfe eines Basishalbbrückenfilterabschnitts nicht so gut wie die eines typischen dreistufigen Abzweigfilters ist. Die Anzahl von Elementen in einem Basishalbbrückenfilterabschnitt beträgt jedoch weniger als die Hälfte eines typischen dreistufigen Abzweigfilters, und die Außerbanddämpfung weit entfernt vom Durchlassband ist klar besser als die eines Abzweigfilters.
12 vergleicht den berechneten elektrischen Frequenzgang eines Basishalbbrückenfilterabschnitts und den eines dreistufigen Abzweigfilters. Man vergleiche zuerst den elektrischen Frequenzgang dieses dreistufigen Abzweigfilters (breitere Kurve in 12B) mit dem elektrischen Frequenzgang eines anderen dreistufigen Abzweigfilters, das in 7B veranschaulicht ist. Das Durchlassband, das in 12 veranschaulicht ist, ist erheblich schmaler; die Breite des Durchlassbandes bei –3 dB beträgt etwa 40 MHz in 7B, wohingegen sie in 12B etwa 25 MHz beträgt. Die Zahlen, welche hier angegeben werden, sind spezifisch für diese beiden dreistufigen Abzweigfilter. Die Wirkung eines bestimmten Paares von Filtern hängt zum Beispiel von den Einzelheiten der Filterstrukturen und dem piezoelektrischen Material ab. Die Verringerung der Breite des Durchlassbandes wird durch Querabstimmen der Frequenzen f_pp und f_ss erhalten. Im dreistufigen Abzweigfilter in Bezug auf 7B ist f_ss nahe bei f_pp, aber im dreistufigen Abzweigfilter in Bezug auf 12 ist f_ss niedriger als f_pp. 12 veranschaulicht ein so schmales Durchlassband, wie es mit einem dreistufigen Abzweigfilter auf einer mittleren Frequenz von etwa 942 MHz zu erhalten praktisch möglich ist. Wenn die Resonanzfrequenz f_ss weiter herabgesetzt oder f_pp weiter erhöht wird, nimmt die Dämpfung der Filterstruktur schnell zu. Die Werte 25 MHz. und 40 MHz, welche zuvor als Breiten des Durchlassbandes erwähnt wurden, sind Beispiele; die Wirkung des Querabstimmens auf dem Durchlassband hängt zum Beispiel von der Filterstruktur und dem piezoelektrischen Material ab.
Man betrachte als Nächstes den elektrischen Frequenzgang des Basishalbbrückenfilters, das in 12B veranschaulicht ist. wie 12B veranschaulicht, ist die Breite des Durchlassbandes des Basishalbbrückenfilters (15 MHz in 12) beträchtlich schmaler als die des querabgestimmten dreistufigen Filters (25 MHz in 12). Die Frequenz f_pp ist höher und die Frequenz f_ss ist niedriger im Basishalbbrückenfilter in Bezug auf 12 als im Abzweigfilter in Bezug auf 12. 12 veranschaulicht demnach deutlich, dass ein (Basis-) Halbbrückenfilterabschnitt den Entwurf und die Konstruktion von einseitigen Filtern ermöglicht, welche ein schmaleres Durchlassband als Abzweigfilter aufweisen.
Die Breite des Durchlassbandes eines Basishalbbrückenfilterabschnitts kann innerhalb eines ziemlich breiten Bereichs. gewählt werden, ohne die Dämpfung zu verstärken oder die Form des elektrischen Frequenzgangs radikal zu verschlechtern. Dies ist aus 12B und 11B ersichtlich. Die Trennschärfe eines Filters, welches einen Halbbrückenfilterabschnitt aufweist, nahe dem Durchlassband kann durch Hinzufügen einer zweiten Stufe ähnlich der ersten verbessert werden. 13 veranschaulicht ein Beispiel solch einer Filterstruktur gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Filterstruktur 1300 weist zwei Basishalbbrückenfilterabschnitte 900a, 900b auf, die in Reihe geschaltet sind.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, wenigstens einen Abzweigfilterabschnitt mit einem Halbbrückenfilterabschnitt zu kombinieren. 14 veranschaulicht eine Filterstruktur 1400 gemäß der Erfindung. Diese Filterstruktur 1400 weist zwei Filterabschnitte auf: einen Basishalbbrückenfilterabschnitt 900 und einen Abzweigfilterabschnitt 710, die in Reihe geschaltet sind. In einer Filterstruktur, welche zum Beispiel mit einer Antenne verbunden ist, kann jeder der Filterabschnitte 710, 900 an den Antennenport angeschlossen werden. Das Phasenverschiebungsmittel in der Filterstruktur 1400 ist als ein Beispiel ein Transformator 911. In der Filterstruktur 1400 sind die Resonanzfrequenzen der piezoelektrischen Schwinger 701a und 701b praktisch identisch, ähnlich wie jene der piezoelektrischen Schwinger 702a und 702b. Es ist möglich, dass die piezoelektrischen Schwinger 701b und 702b im Abzweigfilterabschnitt 700 in der Filterstruktur 1300 durch Mehrzahlen von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, ersetzt werden. Ähnlich braucht der Halbbrückenfilterabschnitt der Filterstruktur 1400 kein Basishalbbrückenfilterabschnitt zu sein.
Es ist möglich, dass die Resonanzfrequenzen der Reihenschwinger 701 (und jene der Parallelschwinger 702) in einem ersten Filterabschnitt und in einem zweiten Filterabschnitt einer Filterstruktur nicht gleich sind, obwohl die mittleren Frequenzen dieser Filterabschnitte gleich sind. Das Aufweisen von verschiedenen Resonanzfrequenzen in den Reihen/Parallelschwingern von zwei Filterabschnitten kann einige Vorteile bei der Entwicklung der Form des elektrischen Frequenzgangs nahe der Kante des Durchlassbandes bieten. Da die piezoelektrischen Schwinger in der Filterstruktur BAW-Dünnfilmschwinger sind, sollte der Herstellungsprozess normalerweise einige zusätzliche Schritte zum Ermöglichen der Konstruktion von BAW-Schwingern verschiedener Dicke aufweisen. Normalerweise sind die Resonanzfrequenzen der Reihenschwinger 701 in Filterabschnitten einer Filterstruktur gleich, ähnlich wie die Resonanzfrequenzen der Parallelschwinger 702. 15A und 15B veranschaulichen den elektrischen Frequenzgang einer Filterstruktur 1400. In 15A und 15B ist der elektrische Frequenzgang eines Basishalbbrückenfilterabschnitts, der eines Abzweigfilterabschnitts und der der Filterstruktur 1400 dargestellt. In 15B ist die Frequenzkurve ganz links die der Filterstruktur 1400, und die Frequenzkurve ganz rechts ist die eines Abzweigfilterabschnitts. Die Frequenzkurven in diesen und anderen Figuren dieser Beschreibung sind berechnet.
15 zeigt deutlich, dass der elektrische Frequenzgang einer Filterstruktur mit wenigstens einem Halbbrückenfilterabschnitt und wenigstens einem Abzweigfilterabschnitt, die in Reihe geschaltet sind, die Vorteile von Abzweig- und Brückenfiltern vereint: er weist die gute Trennschärfe, die für ein Abzweigfilter typisch ist, und die gute Außerbandcharakteristiken eines Brückenfilters auf. Auf dem Durchlassband sind die elektrischen Frequenzgänge dieser Filter gut und in der Tat ziemlich ähnlich, wie 15B veranschaulicht. Der elektrische Frequenzgang des Basishalbbrückenfilterabschnitts ist die oberste Kurve in 15B. Die Kurve mit den beiden Einbuchtungen bei den Frequenzen 927 MHz und 958 MHz entspricht dem Abzweigfilter, und die Kurve mit einer Einbuchtung bei 940 MHz ist das Filter mit einem Halbbrückenfilterabschnitt und einem Abzweigfilterabschnitt.
16 veranschaulicht einige Beispiele, in welchen eine Filterstruktur mit einem Halbbrückenfilterabschnitt verwendet werden kann. 16A veranschaulicht eine Senderanordnung 1600. Die Senderanordnung 1600 weist eine Senderschaltungsanordnung 1603, die normalerweise wenigstens einen Modulator, einen Überlagerungsoszillator und einen Mischer zum Kombinieren der Signale vom Modulator und vom Überlagerungsoszillator aufweist; einen Leistungsverstärker 1602 zum Verstärken des zu sendenden Hochfrequenzsignals und ein Filter 1601 zum Durchlassen von Frequenzen in einem gewünschten Frequenzbereich oder gewünschten Frequenzbereichen auf. Das Filter 1601 weist einen Halbbrückenfilterabschnitt 900 gemäß der Erfindung auf. Ein Filter 1601 in einer Senderanordnung kann aus BAW-Schwingern gebildet sein. Es kann vorteilhaft sein, BAW-Spiegelschwinger zu verwenden, wenn die Wärmeübertragung weg von den BAW-Schwingern entscheidend ist. In vielen Anwendungen kann das Filter 1601 BAW-Schwinger mit irgendeiner Struktur aufweisen, die zuvor in Verbindung mit den BAW-Schwingern des Standes der Technik beschrieben wurden. Das Filter 1601 stellt einen Ausgangsport zum Anschließen/Ankoppeln der Senderanordnung an eine Antenne bereit.
16B veranschaulicht eine Empfängeranordnung 1610. Die Empfängeranordnung 1610 weist ein Filter 1611 auf, das einen Eingangsport zum Anschließen/Ankoppeln einer Antenne an die Empfängeranordnung bereitstellt. Das Filter 1611 weist einen Halbbrückenfilterabschnitt 900 gemäß der Erfindung auf, und der elektrische Frequenzgang des Filters ist derart, dass Frequenzen außerhalb gewünschter Frequenzbereich(e) weggefiltert werden. Der Ausgangsport des Filters 1611 ist mit einem rauscharmen Verstärker 1612 verbunden, welcher wiederum mit einer geeigneten Empfängerschaltungsanordnung 1613 verbunden ist.
Die Senderanordnung 1600 und die Empfängeranordnung 1611 können einen Teil irgendeines Hochfrequenzsenders oder – empfängers bilden. Als ein Beispiel kann ein Mobiltelefon oder ein anderes Kommunikationsgerät eine oder beide dieser Anordnungen aufweisen. Die Halbbrückenfilterabschnitte in den Filtern 1601 und 1611 brauchen keine Basishalbbrückenfilterabschnitte zu sein; sie können eine Mehrzahl von Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, anstelle eines oder beider der einzelnen Reihen/Parallelschwinger, die in 16A und 16B veranschaulicht sind, aufweisen. Außerdem können Filter in Sender- und Empfängeranordnungen Filterstrukturen gemäß den zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sein.
In vielen Zellularsystemen zum Beispiel erfolgen die Sendung und der Empfang eines Signals auf verschiedenen Frequenzen. Wenn die Sendung auf einem ersten Frequenzband erfolgt und der Empfang auf einem zweiten Frequenzband erfolgt, wird ein Duplexgerät verwendet, um die gesendeten und empfangenen Signale voneinander zu trennen. Das Duplexgerät kann ein Duplexfilter sein. Ein Duplexfilter weist zwei Filterzweige auf, und die Durchlassbänder der Filterzweige sind verschieden. Ein Duplexfilter, das mit einer Antenne verbunden ist, ermöglicht demnach die Sendung von Signalen auf einem ersten Frequenzband und den Empfang von Signalen auf einem zweiten Frequenzband. Außerdem ist es möglich, dass die Sendung und/oder der Empfang von Signalen auf verschiedenen Frequenzbändern und nicht nur unter Verwendung eines Frequenzbandes erfolgt. Es ist möglich, ein Filter zu entwickeln, das die Sendung und den Empfang von Signalen auch in diesem Fall ermöglicht.
16C veranschaulicht schematisch eine Duplexfilterstruktur 1630. Diese Filterstruktur 1630 wird normalerweise in Funksendeempfängern verwendet, und 16C zeigt, wie sie mit einer Antenne verbunden ist. Die Filterstruktur 1630 umfasst einen ersten Filterzweig 1601 zum Filtern von zu senden Signalen und einen zweiten Filterzweig 1611 zum Filtern von Signalen, die empfangen werden. Der Ausgang des ersten Filterzweigs 1601 ist normalerweise zusammen mit dem Eingang des zweiten Filterzweigs 1611, und er wird üblicherweise Antennenport genannt.
Das Durchlassband oder die Durchlassbänder des ersten Filterzweigs 1601 ist/sind verschieden von jenem/jenen des zweiten Filterzweigs 1611, und eine Filterstruktur 1630 trennt daher gesendete von empfangenen Signalen. Der zweite Filterzweig scheint einen hohen Reflexionskoeffizienten auf der Sendefrequenz aufzuweisen, und der erste Filterzweig scheint einen hohen Reflexionskoeffizienten auf der Empfangsfrequenz aufzuweisen. Üblicherweise scheinen die Filterzweige eine hohe Impedanz auf diesen Frequenzen aufzuweisen, und zu sendende Signale zum Beispiel, deren Frequenzband sich von dem empfangener Signale unterscheidet, erfahren den zweiten Filterzweig 1611 als eine hohe Impedanz und treten nicht in den zweiten Filterzweig 1611 ein. In Zellularsystemen kann die Leistung eines gesendeten Signals zum Beispiel höchstens 2 W sein. Die Leistung von empfangenen Signalen andererseits kann im Bereich von –100 dBm sein. Ähnlich erfährt ein empfangenes Signal den ersten Filterzweig 1601 als eine hohe Impedanz und tritt in den zweiten Filterzweig 1611 ein. Auf diese Weise tritt praktisch die gesamte empfangene Signalleistung in die Empfängerschaltungsanordnung ein.
16D veranschaulicht als ein Beispiel ein Duplexfilter 1630 in einer Senderanordnung 1635. Das Duplexfilter 1630 weist einen ersten Filterzweig 1601, in dem ein Basishalbbrückenfilterabschnitt 900a ist, und einen zweiten Filterzweig 1611, in dem ein Basishalbbrückenabschnitt 900b ist, auf. Es ist möglich, dass die Filterzweige 1601, 1611 weitere Filterabschnitte, wie beispielsweise Abzweigfilterabschnitte, umfassen, die mit den Halbbrückenfilterabschnitten in Reihe geschaltet sind. Außerdem können die Basishalbbrückenfilterabschnitte, die in 16D veranschaulicht sind, durch Halbbrückenfilterabschnitte ersetzt werden, welche anstelle der einzelnen piezoelektrischen Schwinger, die in 16D veranschaulicht sind, mehr als einen Reihen- oder Parallelschwinger in Reihe geschaltet aufweisen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass nur einer der Filterzweige 1601, 1611 einen Halbbrückenfilterabschnitt aufweist, aber normalerweise weisen sowohl der Empfänger- als auch der Senderzweig einen Halbbrückenfilterabschnitt auf, wenn ein Duplexfilter unter Verwendung von Halbbrückenfilterabschnitten realisiert ist.
Ein Duplexfilter 1630 wird durch Aufweisen beider Filterzweige 1601, 1611, sowie der Phasenverschiebungsmittel in den Filterabschnitten 900a, 900b auf einem einzigen Chip vorzugsweise monolithisch realisiert. Dies erfordert eine zusätzliche Schicht auf den TX-Schwingern (in der Annahme, dass die TX-Frequenz unter der RX-Frequenz ist), um die Frequenz des TX-Filterzweigs nach unten zu verschieben. Die Phasenverschiebungsmittel könnten monolithische Transformatoren sein, die mit integrierten passiven Elementen (L und C) implementiert sind. Es gibt auch eine Menge anderer durchführbarer Varianten: das Packungssubstrat könnte zum Beispiel Übertragungsleitungen aufweisen, welche die Phasenverschiebung durchführen. In einigen Fällen ist es möglicherweise wünschenswert, die Phasenverschiebung mit externen Komponenten zu realisieren. Normalerweise ist einer der Filterzweige RX oder TX über Phasenverschiebungsmittel 1631, die so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90 Grad bereitstellen, um die Abstimmung am Antennenport zu verbessern, an den Antennenport angekoppelt. In 16D ist dieses Phasenverschiebungsmittel 1631 als ein Beispiel ein Teil des TX-Filterzweigs 1601.
Der Begriff akustischer Volumenschwinger in den beiliegenden Ansprüchen und in dieser Beschreibung bezieht sich auf eine Struktur mit einer piezoelektrischen Schicht und einer ersten Elektrode auf einer Seite der piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite der piezoelektrischen Schicht. Die Struktur kann ferner zum Beispiel zusätzliche piezoelektrische Schichten und zusätzliche Elektroden aufweisen.
Der Begriff akustischer Oberflächenwellenschwinger in den beiliegenden Ansprüchen und in dieser Beschreibung bezieht sich auf eine Struktur mit wenigstens zwei Elektroden auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Materials, wobei das piezoelektrische Material normalerweise ein piezoelektrischer Einkristall ist.
Der Begriff „verbinden" und Derivate davon in den beiliegenden Ansprüchen und in dieser Beschreibung beziehen sich auf eine galvanische Verbindung. Der Begriff „koppeln" und Derivate davon in den beiliegenden Ansprüchen und in dieser Beschreibung beziehen auf elektrisches – und nicht unbedingt galvanisches – Koppeln. Zum Beispiel können zwei Komponenten, welche aneinander gekoppelt sind, jeweils mit einer dazwischen liegenden elektrischen Komponente galvanisch verbunden sein.
Angesichts der vorstehenden Beschreibung ist für einen Fachmann zu erkennen, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung vorgenommen werden können. Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass viele Modifikationen und Änderungen daran möglich sind.

Claims

Filterstruktur (900, 1200, 1300, 1610), umfassend piezoelektrische Schwinger, wobei die Struktur einen Filterabschnitt (900) mit wenigstens zwei Zweigen (901, 902) umfasst, die parallel geschaltet sind, ein erster Zweig (901) der wenigstens zwei Zweige eine erste Anzahl (921, 701) von piezoelektrischen Schwinger, die in Reihe geschaltet sind, umfasst, die piezoelektrischen Schwinger, die zur ersten Anzahl gehören, eine erste Resonanzfrequenz aufweisen, und ein zweiter Zweig (902) der wenigstens zwei Zweige eine zweite Anzahl (922, 702) von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel (910) umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Phasenverschiebungsmittel so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen, und die piezoelektrischen Schwinger, die zur zweiten Anzahl gehören, eine zweite Resonanzfrequenz aufweisen, wobei die zweite Resonanzfrequenz sich von der ersten Resonanzfrequenz unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner, mit dem Filterabschnitt (900) in Reihe geschaltet, einen zweiten Filterabschnitt (710) mit einer dritten Anzahl (701b) von piezoelektrischen Schwingern umfasst, die mit dem Filterabschnitt (900) in Reihe geschaltet sind, gefolgt, parallel zu einem Signalweg, von einer vierten Anzahl (702b) von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Schwinger akustische Volumenwellenschwinger sind, die eine piezoelektrische Schicht und eine Anzahl von Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht umfassen.
Filterstruktur (1300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner, mit dem Filterabschnitt (900a) in Reihe geschaltet, einen dritten Filterabschnitt (900b) mit wenigstens zwei Zweigen, die parallel geschaltet sind, umfasst, wobei ein erster Zweig der wenigstens zwei Zweige eine fünfte Anzahl (701b) von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, umfasst und ein zweiter Zweig der wenigstens zwei Zweige eine sechste Anzahl (702b) von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel (910b) umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Phasenverschiebungsmittel so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen.
Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Duplexfilter (1630) mit einem Empfängerfilterzweig (1611) und einem Senderfilterzweig (1601) handelt, das mit einem Leiter gekoppelt ist, der einen gemeinsamen Port für den Empfängerfilterzweig und den Senderfilterzweig bildet, wobei der Filterabschnitt (900) entweder einen Teil des Empfängerfilterzweigs oder des Senderfilterzweigs bildet und das Durchlassband des Empfängerfilterzweigs sich vom Durchlassband des Senderfilterzweigs unterscheidet.
Filterstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder des Empfängerfilterzweigs und des Senderfilterzweigs einen Filterabschnitt (900a, 900b) mit wenigstens zwei Zweigen umfasst, die parallel geschaltet sind, wobei ein erster Zweig der wenigstens zwei Zweige eine erste Anzahl von piezoelektrischen Schwingern, die in Reihe geschaltet sind, umfasst und ein zweiter Zweig der wenigstens zwei Zweige eine zweite Anzahl von piezoelektrischen Schwingern und Phasenverschiebungsmittel umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Phasenverschiebungsmittel so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 180 Grad bereitstellen.
Filterstruktur nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Phasenverschiebungsmittel umfasst, die so ausgelegt sind, dass sie eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90 Grad bereitstellen und entweder den Empfängerfilterzweig oder den Senderfilterzweig mit dem Leiter verbinden, der den gemeinsamen Port bildet.
Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungsmittel aus einem Phasenverschiebungselement besteht.
Filterstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungselement ein Transformator (911) ist.
Filterstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungselement eine im Wesentlichen halbwellenlängenlange Übertragungsleitung (912) ist.
Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungsmittel eine Phasenverschiebungsschaltungsanordnung mit konzentrierten Schaltelementen bestehend aus Kondensatoren und Spulen umfasst.
Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungsmittel aus mehreren Phasenverschiebungselementen besteht, wobei die Summe der Phasenverschiebung, welche durch die mehreren Phasenverschiebungselemente bereitgestellt werden soll, so vorgesehen ist, dass sie im Wesentlichen 180 Grad beträgt.
Filterstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Phasenverschiebungselemente aus mehreren Übertragungsleitungen (913a, 913b) bestehen.
Filterstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitungen aus zwei im Wesentlichen viertelwellenlängenlangen Übertragungsleitungen (913a, 913b) bestehen.
Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anzahl von piezoelektrischen Schwingern aus einem piezoelektrischen Schwinger besteht und die zweite Anzahl von piezoelektrischen Schwingern aus einem piezoelektrischen Schwinger besteht.
Filterstruktur nach Anspruch 13 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Anzahl von piezoelektrischen Schwingern aus einem piezoelektrischen Schwinger besteht und die sechste Anzahl von piezoelektrischen Schwingern aus einem piezoelektrischen Schwinger besteht.
Filterstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Anzahl von piezoelektrischen Schwingern aus einem piezoelektrischen Schwinger besteht und die vierte Anzahl von piezoelektrischen Schwingern aus einem piezoelektrischen Schwinger besteht.
Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenresonanzfrequenz der piezoelektrischen Schwinger, die zur ersten Anzahl gehören, im Wesentlichen gleich der Parallelresonanzfrequenz der piezoelektrischen Schwinger ist, die zur zweiten Anzahl gehören.
Filterstruktur nach Anspruch 16 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenresonanzfrequenz der piezoelektrischen Schwinger, die zur fünften Anzahl gehören, im Wesentlichen gleich der Parallelresonanzfrequenz der piezoelektrischen Schwinger ist, die zur sechsten Anzahl gehören.
Filterstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenresonanzfrequenz der piezoelektrischen Schwinger, die zur dritten Anzahl gehören, im Wesentlichen gleich der Parallelresonanzfrequenz der piezoelektrischen Schwinger ist, die zur vierten Anzahl gehören.
Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinger genau eine piezoelektrische Schicht mit zwei Elektroden, eine auf jeder Seite davon, umfassen.
Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der ersten, zweiten, dritten oder vierten Anzahl von Schwingern mehr als einen piezoelektrischen Schwinger umfasst.
Anordnung (1635) zum Senden und Empfangen eines Hochfrequenzsignals, umfassend: – erste Verstärkungsmittel (1602) zum Verstärken eines ersten Signals, – zweite Verstärkungsmittel (1612) zum Verstärken eines zweiten Signals und – eine Filterstruktur (1630), umfassend einen ersten Filterzweig (1601) zum Filtern des ersten Signals und einen zweiten Filterzweig (1611) zum Filtern des zweiten Signals, wobei der erste Filterzweig einen ersten Eingangsleiter und einen ersten Ausgangsleiter aufweist und der zweite Filterzweig einen zweiten Eingangsleiter und einen zweiten Ausgangsleiter aufweist, der erste Ausgangsleiter mit dem zweiten Eingansleiter verbunden ist, der erste Eingangsleiter mit einem Ausgang der ersten Verstärkungsmittel gekoppelt ist und der zweite Ausgangsleiter mit einem Eingang der zweiten Verstärkungsmittel gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer des ersten und des zweiten Filterzweigs eine Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfasst.
Anordnung (1600) zum Senden eines Hochfrequenzsignals, umfassend: – eine einseitige Filterstruktur (1601), die einen Port bereitstellt, um eine Antenne daran zu anzukoppeln, und – Verstärkungsmittel (1602), die mit der Filterstruktur verbunden sind, zum Verstärken eines zu sendenden Signals vor dem Filtern des Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur durch einen der Ansprüche 1 bis 20 definiert ist.
Anordnung (1610) zum Empfangen eines Hochfrequenzsignals, umfassend: – eine Filterstruktur (1611), die einen Port bereitstellt, um eine Antenne daran zu anzukoppeln, und – Verstärkungsmittel (1612), die mit der Filterstruktur verbunden sind, zum Verstärken eines gefilterten Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur durch einen der Ansprüche 1 bis 20 definiert ist.
Hochfrequenzmodul, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfasst.
Duplexgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfasst.
Mobiles Endgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Filterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfasst.