DE69329495T2 - Piezoelektrische keramische filterschaltung und piezoelektrisches keramisches filter - Google Patents

Piezoelektrische keramische filterschaltung und piezoelektrisches keramisches filter

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Description

    GEBIET DER GEWERBLICHEN ANWENDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Keramikfilterschaltung und ein piezoelektrisches Keramikfilter bzw. Piezokeramikfilter.
    • STAND DER TECHNIK
  • Piezoelektrische Keramikfilter dieses Typs werden beispielsweise als IF-Filter in verschiedenen mobilen Kommunikationseinrichtungen und FM-Schallmultiplexempfängern verwendet. Bisher sind die folgenden Typen von piezoelektrischen Keramikfilterschaltungen gut bekannt: Piezoelektrische Keramikfilterschaltungen vom Mehrstufentyp und Keramikfilter mit etwa die gleichen Mittenfrequenzen aufweisenden, in Kaskade bzw. Reihe geschalteten piezoelektrischen Resonatoren mehrfacher Modi vom "Trapped- Energy"-Typ.
  • Die Einfügungsdämpfung bzw. der Einfügungsverlust und die Gruppenlaufzeitkennlinie bzw. Gruppenverzögerungseigenschaften sind wichtige Faktoren in piezoelektrischen Keramikfilterschaltungen und piezoelektrischen Keramikfiltern. Der Einfügungsverlust muß auf einem niedrigen Pegel gehalten werden, um eine Signalabschwächung durch Filterung niedrig zu halten. Es ist günstig, wenn die Gruppenlaufzeitkennlinie innerhalb des Durchlaßbandes möglichst eben ist, so daß bei der Signalübertragung innerhalb des Durchlaßbandes keine Übertragungszeitdifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz erzeugt wird. Da piezoelektrische Keramikfilter Vorrichtungen mit minimaler Phasenverschiebung sind, können die Amplitudeneigenschaften und die Gruppenverzögerungseigenschaften nicht unabhängig voneinander gesteuert werden. Frühere Versuche zur Verbesserung der Gruppenverzögerungseigenschaften waren daher darauf beschränkt, den mechanischen Gütefaktor Q des piezoelektrischen Resonators möglichst niedrig zu halten.
    • GEMÄSS DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Nach dem Stand der Technik, bei dem die Gruppenverzögerungseigenschaften durch Niedrighalten des mechanischen Gütefaktors Q des piezoelektrischen Resonators verbessert werden, werden jedoch die Amplitudeneigenschaften schlechter und der Einfügungsverlust äußerst groß, was zu einer verringerten Filterübertragungseffizienz führt. Um den Einfügungsverlust zu verringern, muß Q hoch sein, wodurch die Gruppenverzögerungseigenschaften verschlechtert werden. Mit anderen Worten war es beim Stand der Technik schwierig, den Einfügungsverlust und die Gruppenverzögerungseigenschaften gleichzeitig zu verbessern.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer piezoelektrischen Keramikfilterschaltung und eines piezoelektrischen Keramikfilters, bei denen ein verringerter Einfügungsverlust und verbesserte Gruppenverzögerungseigenschaften gleichzeitig realisiert werden können.
    • MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
  • Um die im vorhergehenden genannte Aufgabe zu lösen, umfaßt die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikfilterschaltung eine Mehrzahl von miteinander in Reihe bzw. Kaskade geschalteten piezoelektrischen Keramikfilterelementen, wobei mindestens zwei piezoelektrische Keramikfilterelemente unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen und der Bedingung 0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8 genügen.
  • Hierbei ist dF&sub0; der Absolutwert der Frequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen der piezoelektrischen Keramikfilterelemente und BW&sub3; die Durchlaßbandbreite, innerhalb der der Amplitudenverlust bzw. der Amplitudenabfall 3dB oder weniger beträgt.
  • Ferner besitzt das erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikfilter eine Mehrzahl von Filterelementen vom "Trapped- Energy"-Typ auf dem gleichen piezoelektrischen Keramiksubstrat. Mindestens zwei dieser Filterelemente vom TTTrapped-Energy"-Typ besitzen unterschiedliche Mittenfrequenzen, sind in Reihe geschaltet und genügen der Bedingung 0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8.
  • Hierbei ist dF&sub0; der Absolutwert der Frequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen der Keramikfilterelemente vom "Trapped-Energy"-Typ und BW&sub3; die Durchlaßbandbreite, innerhalb der der Amplitudenabfall 3dB oder weniger beträgt.
    • ARBEITSWEISE
  • Da mindestens zwei der piezoelektrischen Keramikfilterelemente unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen und da sie miteinander in Reihe geschaltet sind, können in Abhängigkeit von den gewählten Mittenfrequenzen die Gruppenverzögerungseigenschaften der piezoelektrischen Keramikfilterschaltung vom Mehrfachtyp synthetisiert werden und Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien, die innerhalb des Durchlaßbandes eben sind, erhalten werden.
  • Insbesondere sind bei einer piezoelektrischen Keramikfilterschaltung, die der Bedingung 0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8, wobei dF&sub0; der Absolutwert der Frequenzdifferenz dFo zwischen den Mittenfrequenzen der piezoelektrischen Keramikfilterelemente ist und BW&sub3; die Durchlaßbandbreite ist, bei der die Amplitudenabnahme 3dB oder weniger beträgt, genügt, die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien im Durchlaßband stark abgeflacht.
  • Außerdem erhöht, im Gegensatz zu dem Verfahren des Standes der Technik zur Steuerung der Gruppenverzögerungseigenschaften durch Niedrighalten des mechanischen Gütefaktors Q, die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikfilterschaltung den Einfügungsverlust nicht.
  • Wenn das im vorhergehenden genannte Konzept der vorliegenden Erfindung auf ein piezoelektrisches Keramikfilter, das Filterelemente vom "Trapped-Energy"-Typ auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat besitzt, angewandt wird, kann das Filter kompakter als eine piezoelektrische Keramikfilterschaltung, die getrennte piezoelektrische Keramikfilter verwendet, gemacht werden.
  • Darüber hinaus kann ein piezoelektrisches Keramikfilter erhalten werden, bei dem die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien innerhalb des Durchlaßbands sehr flach sind, ohne daß der Einfügungsverlust zunimmt.
    • AUSFÜHRUNGSFORM
  • Fig. 1 zeigt die piezoelektrische Keramikfilterschaltung, die zwei piezoelektrische Keramikfilterelemente (1) und (2) umfaßt, die über einen Kopplungskondensator (3) in Reihe geschaltet sind. Die piezoelektrischen Keramikfilterelemente (1) und (2) weisen unterschiedliche Mittenfrequenzen F&sub0;&sub1; bzw. F02 auf und genügen der Bedingung 0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8.
  • Hierbei ist dF&sub0; der Absolutwert der Mittenfrequenzdifferenz dFo zwischen den Mittenfrequenzen F&sub0;&sub1; und F&sub0;&sub2;, d. h. dF&sub0; = F&sub0;&sub2; - F&sub0;&sub1; und BW&sub3; die Durchlaßbandbreite, innerhalb der der Amplitudenabfall 3dB oder weniger beträgt.
  • Wie im vorhergehenden erwähnt, können, da die piezoelektrischen Kermamikfilterelemente (1) und (2) unterschiedliche Mittenfrequenzen F&sub0;&sub1; bzw. F&sub0;&sub2; aufweisen und da sie miteinander in Reihe geschaltet sind, die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien der piezoelektrischen Keramikfilterschaltung innerhalb des Durchlaßbandes, wie in Fig. 2 gezeigt, durch die Wahl der Mittenfrequenzen abgeflacht werden.
  • Genauer gesagt ergeben, wenn sich der Absolutwert dF&sub0; der Frequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen durch 0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8 darstellen läßt, die Gruppenlaufzeitkennlinien der in Reihe geschalteten und miteinander kombinierten piezoelektrischen Keramikfilterelemente (1) und (2) extrem flache Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien innerhalb der Durchlaßbandbreite.
  • Darüber hinaus erhöht im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren des Standes der Technik zur Steuerung der Gruppenverzögerungseigenschaften durch Niedrighalten des mechanischen Gütefaktors Q die erfindungsgemäße Technik den Einfügungsverlust nicht.
  • Fig. 2 erläutert, daß die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien der piezoelektrischen Keramikfilterschaltung flach werden, wenn eine spezielle Mittenfrequenzdifferenz gewählt wird. In der Abbildung stellt die horizontale Achse die Frequenz (MHz), die linke vertikale Achse die Amplitude (dB) und die rechte vertikale Achse die G. D. T. (Gruppenlaufzeit) (us) dar.
  • Wie angegeben, werden die Gruppenlaufzeitkennlinie GDT&sub1; 1 eines piezoelektrischen Keramikfilterelements, bei dem die Mittenfrequenz F&sub0;&sub1; beträgt, und die Gruppenlaufzeitkennlinie GDT&sub2; eines piezoelektrischen Keramikfilterelements, bei dem die Mittenfrequenz F&sub0;&sub2; beträgt, kombiniert, so daß sich ihre Wellenformen überlagern. Deshalb kann die flache Gruppenlaufzeitkennlinie GTD erhalten werden. BW&sub3; bezeichnet die Frequenzbandbreite, die innerhalb von 3dB vom Maximalwert der Amplitudendämpfungskennlinie (G) der piezoelektrischen Keramikfilterschaltung liegt. Im folgenden wird eine weitere Erklärung durch Angabe von tatsächlich gemessenen Daten gegeben.
  • Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen Frequenz und Amplitude und die Gruppenlaufzeitkennlinien, wenn die Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen F&sub0;&sub1; und F&sub0;&sub2; der piezoelektrischen Keramikfilterelemente (1) bzw. (2) auf 0, 20, 40, 60, 80 und 100 (kHz) eingestellt ist. Die horizontale Achse stellt die Frequenz (MHz), die linke vertikale Achse die Amplitude (dB) und die rechte vertikale Achse G. D. T. die (Gruppenlaufzeit) (us) dar.
  • Es ist ersichtlich, daß im Falle einer Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; von 60 kHz ( dF&sub0; / BW&sub3; = 0,33) die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinie GDT abgeflachter als im Falle einer Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; von 0 kHz ( dF&sub0; / BW&sub3; = 0) ist. Des weiteren ist im Falle einer Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; von 100 (kHz) ( dF&sub0; / BW&sub3; = 0,55) die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinie noch abgeflachter als im Falle einer Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; von 60 kHz. Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der Gruppenverzögerungseigenschaften, das den mechanischen Gütefaktor Q niedrig hält, nimmt der Einfügungsverlust mit der vorliegenden Erfindung nicht zu.
  • Fig. 4 zeigt in der Aufsicht eine Darstellung eines piezoelektrischen Keramikfilters vom "Trapped-Energy"-Typ, das ein auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat ausgebildetes Paar von piezoelektrischen Keramikfilterelementen umfaßt.
  • Fig. 5 zeigt von unten eine Darstellung des in Fig. 4 gezeigten piezoelektrischen Keramikfilters. In diesen Abbildungen bezeichnen (10) ein piezoelektrisches keramisches Substrat, (11) eine aus einem isolierenden Harz hergestellte Umhüllung, (20) und (30) Filterelemente, (21) und (31) Anschlußelektroden (22), (32), (23) und (33) Treiberelektroden (Drive electrodes), (24) und (34) Sammelelektroden (common electrodes), (25) eine Kondensatorelektrode, (26) eine Erdungselektrode und (40), (41) und (42) Leitungsanschlüsse. Die Filterelemente (20) und (30) besitzen unterschiedliche Mittenfrequenzen F&sub0;&sub1; bzw. F&sub0;&sub2;, sind miteinander in Reihe geschaltet und genügen der Bedingung 0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8.
  • Hierbei ist dF&sub0; der Absolutwert der Frequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen und BW&sub3; die Bandbreite, innerhalb der der Amplitudenabfall 3dB oder weniger beträgt.
  • Wenn das im vorhergehenden genannte Konzept der vorliegenden Erfindung auf ein piezoelektrisches Keramikfilter, das auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat Filterelemente von "Trapped-Energy"-Typ besitzt, angewandt wird, kann das Filter kompakter als eine piezoelektrische Keramikfilterschaltung, die getrennte piezoelektrische Keramikfilter verwendet, gemacht werden. Darüber hinaus kann die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinie innerhalb des Durchlaßbandes sehr flach sein, ohne daß der Einfügungsverlust zunimmt.
  • Fig. 6 zeigt das piezoelektrische Keramikfilter, in dem eines der Filterelemente mit einer isolierenden Substanz überzogen ist. Die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 4 und 5 bezeichnen die gemeinsamen Bauteile. Die Bezugsziffer (100) ist eine isolierende Substanz.
  • Wie gezeigt, besitzt ein mit der isolierenden Substanz (100) überzogenes Filterelement (20) aufgrund der Massenlast eine verringerte Mittenfrequenz F&sub0;&sub1;. Deshalb wird die Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; zwischen der Mittenfrequenz F&sub0;&sub1; des Filterelements (20) und der Mittenfrequenz F&sub0;&sub2; eines weiteren Filterelements (30), das im Gegensatz zu Filterelement (20) nicht mit der isolierenden Substanz überzogen ist, erzeugt. Deshalb wird durch Wählen der Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; auf der Basis der Differenz der Massenbelastungen die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinie GDT abgeflacht.
  • Fig. 7 zeigt ein piezoelektrisches Keramikfilter vom 2- Elemente-Typ, bei dem eine Massenlast durch Schaffung einer Differenz bezüglich der Elektrodenfilmdicke bzw. Elektrodenschichtdicke zwischen den Filterelementen aufgebracht wird.
  • Es ist ersichtlich, daß das Filterelement (20) mit den dickere Filme bzw. Schichten aufweisenden Treiberelektroden (22) und (23) einer stärkeren Massenlast als das Filterelement (30) mit den dünnere Filme aufweisenden Treiberelektroden (32) und (33) ausgesetzt ist, was zu einer niedrigeren Mittenfrequenz F&sub0;&sub1; führt. Deshalb wird die Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; zwischen dem Filterelement (20) mit dickere Filme aufweisenden Treiberelektroden (22) und (23) und dem Filterelement (30) mit dünnere Filme aufweisenden Treiberelektroden (32) und (33) erzeugt. Durch Wahl der Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; können die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinien GDT abgeflacht werden.
  • Fig. 8 zeigt ein piezoelektrisches Keramikfilter, bei dem die Dicke des piezoelektrischen Keramiksubstrats bei den zwei Filterelementen unterschiedlich ist. Da die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Keramiksubstrats umgekehrt proportional zu dessen Dicke ist, wird die Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; zwischen der Mittenfrequenz F01 des Filterelements (20), bei dem das piezoelektrische Keramiksubstrat dünn ist, und der Mittenfrequenz F&sub0;&sub2; des Filterelements (30), bei dem das piezoelektrische Keramiksubstrat dick ist, erzeugt. In Abhängigkeit von der gewählten Mittenfrequenzdifferenz dF&sub0; auf der Basis dieser Differenz bezüglich der Dicke wird die Gesamtstufengruppenlaufzeitkennlinie GDT abgeflacht.
    • WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Wie im vorhergehenden beschrieben, können mit der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen erreicht werden:
  • (a) Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der Gruppenverzögerungseigenschaften, die ein Niedrighalten des mechanischen Gütefaktors Q erfordern, ist durch die vorliegende Erfindung die Bereitstellung einer piezoelektrischen keramischen Filterschaltung möglich, bei der die Gruppenlaufzeitkennlinien innerhalb des Durchlaßbands abgeflacht werden können, ohne daß der Einfügungsverlust · zunimmt.
  • (b) Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines kompakteren piezoelektrischen Keramikfilters als das des Standes der Technik, bei dem eine piezoelektrische Keramikfilterschaltung durch Verwendung getrennter piezoelektrischer Keramikfilter aufgebaut ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches elektrisches Diagramm der piezoelektrischen Keramikfilterschaltung der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Frequenz und der Gruppenlaufzeit und die Beziehung zwischen der Frequenz und der Amplitudendämpfung in der piezoelektrischen Keramikfilterschaltung.
  • Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Beziehungen zwischen den Frequenzen einer piezoelektrischen Keramikfilterschaltung, den Gruppenlaufzeitkennlinien (wobei die Frequenzdifferenz dF&sub0; als Parameter verwendet wird und der Amplitudenabfall.
  • Fig. 4 ist eine Darstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikfilters vom "Trapped-Energy"-Typ in der Aufsicht.
  • Fig. 5 ist die Darstellung des in Fig. 4 gezeigten piezoelektrischen Keramikfilters von unten.
  • Fig. 6 ist eine Darstellung einer unterschiedlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikfilters in der Aufsicht.
  • Fig. 7 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikfilters in der Aufsicht.
  • Fig. 8 ist eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikfilters.
    • ERKLÄRUNG DER BEZUGSZAHLEN
  • 1, 2 Piezoelektrische Keramikfilterelemente 3 Kopplungskondensator
  • 10 Piezoelektrisches Keramiksubstrat
  • 20, 30 Filterelemente
  • 21, 31 Anschlußelektroden
  • 22, 23, 32, 33 Treiberelektroden
  • 24, 34 Sammelelektroden
  • 25 Kondensatorelektrode
  • 26 Erdungselektrode
  • 40, 41, 42 Leitungsanschlüsse

Claims (7)

1. Eine piezoelektrische Keramikfilterschaltung mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikfilterelementen, wobei mindestens zwei der piezoelektrischen Keramikfilterelemente voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen und
in einer Kaskade miteinander verbunden sind und die Bedingung
0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8
erfüllen,
wobei dF&sub0; der Absolutwert der Frequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen der piezoelektrischen Keramikfilterelemente und BW&sub3; die Durchlaßbandbreite ist, bei der der Amplitudenverlust 3dB oder weniger ist, um die Gruppenverzögerungseigenschaften innerhalb des Durchlaßbandes ohne Erhöhen des Einfügungsverlustes abzuflachen.
2. Die piezoelektrische Keramikfilterschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die piezoelektrischen Keramikfilterelemente auf dem gleichen piezoelektrischen Keramiksubstrat gebildet sind.
3. Ein piezoelektrisches Keramikfilter mit einer Mehrzahl von Keramikfilterelementen vom Trapped-Energy-Typ auf dem gleichen piezoelektrischen Keramiksubstrat, wobei mindestens zwei der Keramikfilterelemente vom Trapped-Energy-Typ voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen und in einer Kaskade miteinander verbunden sind und die Bedingung
0 < dF&sub0; / BW&sub3; < 0,8
erfüllen,
wobei dF&sub0; der Absolutwert der Frequenzdifferenz dF&sub0; zwischen den Mittenfrequenzen der piezoelektrischen Keramikfilterelemente vom Trapped-Energy-Typ und BW&sub3; die Durchlaßbandbreite ist, bei der der Amplitudenverlust 3dB oder weniger ist, um die Gruppenverzögerungseigenschaften innerhalb des Durchlaßbandes ohne Erhöhen des Einfügungsverlustes abzuflachen.
4. Das piezoelektrische Keramikfilter gemäß Anspruch 3, wobei die Keramikfilterelemente vom Trapped-Energy-Typ voneinander unterschiedliche Massenbelastungen aufweisen.
5. Das piezoelektrische Keramikfilter gemäß Anspruch 4, wobei die Massenbelastungen an den Keramikfilterelementen vom Trapped-Energy-Typ einen Überzug einer isolierenden Substanz umfassen.
6. Das piezoelektrische Keramikfilter gemäß Anspruch 4, wobei die Massenbelastungen an den Keramikfilterelementen vom Trapped-Energy-Typ durch eine Differenz der Filmdicke der Elektroden bewirkt werden.
7. Das piezoelektrische Keramikfilter gemäß Anspruch 3, wobei die Dicke des piezoelektrischen Keramiksubstrats für jedes der Keramikfilterelemente vom Trapped-Energy-Typ unterschiedlich ist.
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