DE69932558T2

DE69932558T2 - Monolithische Filter mit Benützung von Dünnfilmvorrichtungen mit akustischen Volumenwellen und mit einem Minimum an passiven Komponenten zur Kontrolle der Form und Breite im Durchlassbereich

Info

Publication number: DE69932558T2
Application number: DE69932558T
Authority: DE
Inventors: Juha Ella
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: DE69932558D1; US6081171A; JP4326063B2; JPH11346140A; EP0949756B1; EP0949756A2; EP0949756A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Filter und insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Filter, die Volumenwellen-(BAW)-Resonatoren, gestapelte Kristallfilter-(SCF)-Vorrichtungen und passive Komponenten für das Steuern der Durchlassbandeigenschaften der Filter einschließen.
Es ist bekannt, monolithische Filter herzustellen, die Volumenwellen-(BAW)-Resonatorvorrichtungen einschließen (die aus dem Stand der Technik auch als Dünnfilm-Volumenwellenresonatoren (Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators (FBARs) bekannt sind). Aktuell gibt es primär zwei bekannte Typen von Volumenwellenvorrichtungen, nämlich BAW-Resonatoren und gestapelte Quarzfilter (Stacked Crystal Filters, SCFs). Ein Unterschied zwischen den BAW-Resonatoren und den SCFs ist die Anzahl der Schichten, die in die Strukturen der jeweiligen Vorrichtungen eingefügt sind. Beispielsweise umfassen BAW-Resonatoren typischerweise zwei Elektroden und eine einzige piezoelektrische Schicht, die zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist. Eine oder mehrere Membranschichten können auch zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Substrat der jeweiligen Vorrichtungen verwendet werden. SCF-Vorrichtungen umfassen im Gegensatz dazu typischerweise zwei piezoelektrische Schichten und drei Elektroden. In den SCF-Vorrichtungen ist eine erste der zwei piezoelektrischen Schichten zwischen einer ersten unteren der drei Elektroden und einer zweiten, mittleren der drei Elektroden angeordnet, und eine zweite Schicht der piezoelektrischen Schichten ist zwischen der mittleren Elektrode und der dritten, obersten der drei Elektroden angeordnet. Die mittlere Elektrode wird im allgemeinen als erdende Elektrode verwendet.
BAW-Resonatoren ergeben parallele und serielle Resonanzen bei Frequenzen, die sich um eine Größe unterscheiden, die eine Funktion eines piezoelektrischen Koeffizienten des piezoelektrischen Materials ist, das verwendet wird, um die Vorrichtungen zu konstruieren (zusätzlich zu anderen Faktoren, die die Typen der Schichten und andere Materialien, die in der Vorrichtung verwendet werden, einschließen). Beispielsweise ist bei einem BAW-Resonator, bei dem es ein großes Verhältnis zwischen einer Dicke einer Membranschicht des Resonators zu einer Dicke einer piezoelektrischen Schicht des Resonators gibt, die Frequenzdifferenz zwischen den parallelen und seriellen Resonanzen des Resonators klein. Bei BAW-Resonatoren, die Elektroden und eine piezoelektrische Schicht einschließen, die aber keine Membranschichten einschließen, ist die Frequenzdifferenz zwischen den seriellen und parallelen Resonanzen der Vorrichtungen groß. Die Frequenzdifferenz zwischen den seriellen und parallelen Resonanzen eines BAW-Resonators hängt auch von der verwendeten Betriebsfrequenz ab. Wenn es beispielsweise eine Frequenzdifferenz von 30 MHz zwischen den parallelen und seriellen Resonanzen eines Resonators gibt, der bei 1 GHz betrieben wird, würde es eine Frequenzdifferenz von 60 MHz zwischen diesen Resonanzen geben, wenn der Resonator bei 2 GHz betrieben wird (wenn man annimmt, dass die relative Dicke der Resonatorschichten in jedem Fall gleich ist).
BAW-Resonatoren werden oft in Bandpassfiltern verwendet, die verschiedene Topologien aufweisen. Beispielsweise werden Filtern, die BAW-Resonatoren einschließen, oft so konstruiert, dass sie Abzweigtopologien (ladder topologies) aufweisen. Für die Zwecke dieser Beschreibung werden Abzweigfilter, die primär aus BAW-Resonatoren konstruiert sind, auch als "BAW-Abzweigfilter" bezeichnet. Die Gestalt von Abzweigfiltern ist in einer Publikation beschrieben mit dem Titel "Thin Film Bulk Acoustic Wave Filters for GPS", von K.M. Lakin et al. (Lakin), IEEE Ultrasonic Symposium 1992, Seiten 471–476. Wie in dieser Publikation beschrieben ist, werden BAW-Abzweigfilter typischerweise so konstruiert, dass ein oder mehrere BAW-Resonatoren in Serie innerhalb der Filter verbunden sind, und eine oder mehrere BAW-Resonatoren parallel in den Filtern verbunden sind. Ein beispielhaftes BAW-Abzweigfilter 41, das zwei BAW-Resonatoren 42 und 43 einschließt, ist in 8d gezeigt. Ein anderes beispielhaftes (einzelnes) BAW-Abzweigfilter 44, das zwei in Serie verbundene BAW-Resonatoren 43 und 45 und zwei parallel verbundene BAW-Resonatoren 42 und 46 aufweist, ist in 8f gezeigt. Eine Ersatzschaltung des BAW-Filters 44 ist in 8h gezeigt. Eine nochmals anderes beispielhaftes BAW-Abzweigfilter 47 ist in 8i gezeigt. Dieses Filter 47 weist eine "ausgeglichene" Topologie auf, und ist ähnlich dem Filter 44 der 8f, aber umfasst auch einen BAW-Resonator 48 und einen BAW-Resonator 49. Eine Ersatzschaltung dieses Filters 47 ist in 8j gezeigt.
BAW-Abzweigfilter sind typischerweise so konstruiert, dass die in Serie verbundenen Resonatoren (die auch als "Serienresonatoren" bezeichnet werden) eine Serienresonanz bei einer Frequenz ergeben, die ungefähr gleich der gewünschten (das ist "konstruierte") Mittenfrequenz der jeweiligen Filter ist oder nahe an diese heran kommt. In ähnlicher Weise sind die BAW-Abzweigfilter so gestaltet, dass die parallel verbundenen Resonatoren (auch als Shunt-Resonatoren oder "Parallelresonatoren" bezeichnet) eine parallele Resonanz bei einer Frequenz ergeben, die ungefähr gleich der gewünschten Mittenfrequenz der jeweiligen Filter ist oder nahe an diese heran kommt.
BAW-Abzweigfilter ergeben Durchlassbänder mit Bandbreiten, die eine Funktion von beispielsweise den Typen der Materialien, die verwendet werden, um die piezoelektrischen Schichten der BAW-Resonatoren zu formen, und der jeweiligen Dicken der Schichtenstapel der BAW-Resonatoren sind. Typischerweise werden die in Serie verbundenen BAW-Resonatoren der BAW-Abzweigfilter so hergestellt, dass sie dünnere Schichtenstapel als die parallel verbundenen Resonatoren der Filter haben. Somit treten die seriellen und parallelen Resonanzen, die sich bei in Serie verbundenen BAW-Resonatoren ergeben, bei etwas höheren Frequenzen auf als die seriellen und parallelen Resonanzfrequenzen, die sich bei parallel verbundenen BAW-Resonatoren ergeben (obwohl die Serienresonanz jedes in Serie verbundenen BAW-Resonators dennoch an einer Frequenz auftritt, die nahe der gewünschten Filtermittenfrequenz des Frequenzspektrums liegt). In einem BAW-Abzweigfilter bewirken die parallelen Resonanzen, die sich durch die in Serie verbundenen BAW-Resonatoren ergeben, dass das Filter eine Einbuchtung (notch) oberhalb des oberen Randes oder Randgebiets des Durchlassbands des Filters zeigen, und die Serienresonanzen, die sich durch die parallel verbundenen BAW-Resonatoren ergeben, bewirken, dass das Filter eine Einbuchtung unterhalb des unteren Rands des Filterdurchlassbands zeigt. Diese Einbuchtungen weisen "Tiefen" auf, die eine Funktion von akustischen und elektrischen Verlusten der in Serie verbundenen und der parallel verbundenen BAW-Resonatoren sind (das heißt die Einbuchtungstiefen sind eine Funktion der Gütefaktoren der parallelen und seriellen BAW-Resonatoren).
Der Unterschied in der Dicke der Schichtenstapel der in Serie verbundenen und der parallel verbundenen BAW-Resonatoren kann während der Herstellung der Vorrichtungen erzielt werden. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem die BAW-Resonatoren eine oder mehrere Membranschichten einschließen, eine zusätzliche Schicht eines geeignetes Materials und einer geeignete Dicke zu den Membranschichten der parallel verbundenen Vorrichtungen während der Herstellung hinzugefügt werden, so dass, nachdem die Vorrichtungen vollständig hergestellt sind, die parallel verbundenen Vorrichtungen dickere Schichtenstapel als die seriell verbundenen Resonatoren aufweisen. In einem anderen Beispiel können die Serienresonatoren so hergestellt werden, dass sie eine dünnere piezoelektrische Schicht als die Parallelresonatoren aufweisen, und/oder die Dicken der oberen Elektroden der Serienresonatoren können nach dem Abscheiden der oberen Elektrodenschichten unter Verwendung einer geeigneten Technik um einen gewählten Betrag reduziert werden. Diese Schritte erfordern die Verwendung von Maskierungsschichten. Dadurch dass eine Parallelresonanz, die sich durch einen in Serie verbundenen BAW-Resonator eines BAW-Abzweigfilters ergibt, bewirkt, dass das Filter eine Einbuchtung oberhalb des oberen Rands oder Randbereichs des Durchlassbands des Filters zeigt, und die Serienresonanz, die sich durch einen parallel verbundenen BAW-Resonator des BAW-Abzweigfilters ergibt, bewirkt, dass das Filter eine Einbuchtung unterhalb des unteren Rands des Durchlassbands des Filters zeigt, kann man erkennen, dass die maximal erzielbare Bandbreite des Filters durch die Frequenzdifferenz zwischen der parallelen Resonanzfrequenz des in Serie verbundenen Resonators und der Serienresonanzfrequenz des parallel verbundenen Resonators definiert wird. Man betrachte beispielsweise ein BAW-Abzweigfilter, das einen in Serie verbundenen BAW-Resonator und einen parallel verbundenen BAW-Resonator einschließt. Es wird angenommen, dass der in Serie verbundene BAW-Resonator eine Serienresonanzfrequenz von 947 MHz und eine Parallelresonanzfrequenz von 980 MHz aufweist, und es wird angenommen, dass der parallel verbundene BAW-Resonator eine Parallelresonanzfrequenz von 947 MHz und eine Serienresonanzfrequenz von 914 MHz aufweist. In diesem Beispiel wird die Bandbreite des BAW-Abzweigfilters durch die Differenz zwischen den Frequenzen 980 MHz und 914 MHz definiert.
Die Leistung eines BAW-Abzweigfilters kann weiter in Anbetracht der Ersatzschaltung konzentrierter Elemente eines BAW-Resonators, die in 4b gezeigt ist, verstanden werden. Die Ersatzschaltung umfasst eine Ersatzinduktivität (Lm), eine Ersatzkapazität (Cm) und einen Ersatzwiderstand (R), die in Serie verbunden sind, und eine parallele parasitäre Kapazität (C_o). Die Serienresonanz des BAW-Resonators wird durch die Ersatzinduktivität (Lm) und die Ersatzkapazität (Cm) verursacht. Bei der Serienresonanzfrequenz des BAW-Resonators ist die Impedanz des BAW-Resonators niedrig (das heißt in einem idealen Fall, bei dem es keine Verluste in der Vorrichtung gibt, funktioniert der BAW-Resonator wie ein Kurzschluss). Bei Frequenzen, die niedriger als diese Serienresonanzfrequenz sind, ist die Impedanz des BAW-Resonators kapazitiv. Bei Frequenzen, die höher als die Serienresonanzfrequenz des BAW-Resonators sind, aber die niedriger als die Parallelresonanzfrequenz der Vorrichtung (die Parallelresonanz ergibt sich aus der Ersatzkapazität (C_o)) sind, ist die Impedanz des BAW-Resonators induktiv. Auch bei höheren Frequenzen als die Parallelresonanzfrequenz des BAW-Resonators ist die Impedanz der Vorrichtung wieder kapazitiv, und bei der Parallelresonanzfrequenz der Vorrichtung ist die Impedanz des BAW-Resonators hoch (das heißt in einem idealen Fall ist die Impedanz unendlich, und die Schaltung ähnelt einer offenen Schaltung bei der Parallelresonanzfrequenz).
Bei einem beispielhaften Fall, bei dem zwei BAW-Resonatoren (beispielsweise ein paralleler BAW-Resonator und ein Serien-BAW-Resonator), die Ersatzschaltungen aufweisen, die ähnlich der in 4b gezeigten sind, in einem BAW-Abzweigfilter verwendet werden, ist die niedrigste Resonanzfrequenz des Filters eine, bei dem die Serienresonanz des parallelen BAW-Resonators auftritt. Bei dieser Frequenz wird eine Eingabe des BAW-Abzweigfilters wirksam zur Erde kurzgeschlossen, und somit zeigt die Frequenzantwort des BAW-Abzweigfilters eine tiefe Einbuchtung unterhalb des Durchlassbands des Filters. Die nächst höheren Resonanzfrequenzen des BAW-Abzweigfilters sind die Serienresonanzfrequenz des Serien-BAW-Resonators und die Parallelresonanzfrequenz des Parallel-BAW-Resonators. Diese Resonanzfrequenzen liegen innerhalb der Durchlassbandfrequenzen des BAW-Abzweigfilters und sind bei oder nahe der gewünschten Mittenfrequenz des BAW-Abzweigfilters auf dem Frequenzspektrum angeordnet. Bei der Parallelresonanzfrequenz des Parallel-BAW-Resonators verhält sich der Parallel-BAW-Resonator wie eine offene Schaltung, und bei der Serienresonanzfrequenz des Serien-BAW-Resonators verhält sich der Serien-BAW-Resonator wie ein Kurzschluss (und liefert somit eine Verbindung mit niedrigem Verlust zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des BAW-Abzweigfilters). Somit erfährt in einem Fall, in welchem ein Signal, das eine Frequenz aufweist, die ungefähr gleich der Mittenfrequenz des BAW-Abzweigfilters ist, auf den Eingang des BAW-Abzweigfilters angewandt wird, das Signal einen minimalen Einfügungsverlust (das heißt es stößt auf wenig Verluste), wenn es die Filterschaltung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filters durchquert.
Die höchste Resonanzfrequenz des BAW-Abzweigfilters ist die, bei der der in Serie verbundene BAW-Resonator eine Parallelresonanz ergibt. Bei dieser Frequenz verhält sich der Serien-BAW-Resonator wie eine offene Schaltung, und der Parallel-BAW-Resonator verhält sich wie ein Kondensator. Somit sind der Eingang und der Ausgang des Filters wirksam voneinander entkoppelt, und die Frequenzantwort des Filters umfasst eine tiefe Einbuchtung oberhalb des Durchlassbandes des Filters.
Das Frequenzverhalten eines BAW-Abzweigfilters, das keine Abstimmelemente einschließt, weist typischerweise tiefe Einbuchtungen und steilflankige obere und untere Durchlassbandränder (das sind Randbereiche) auf. Unglücklicherweise neigen diese Typen von Abzweigfiltern dazu, eine schlechte Sperrbereichsdämpfung (das ist eine Zurückweisung außerhalb des Bandes) zu liefern. Ein Beispiel eines gemessenen Frequenzverhaltens eines BAW-Abzweigfilters (wie das Filter 44a der 8f), das tiefe Einbuchtungen, steilflankige Durchlassbandränder und eine schlechte Sperrbereichsdämpfung zeigt und das vier BAW-Resonatoren und keine Abstimmelemente einschließt, ist in 9 gezeigt.
Ein anderes beispielhaftes Frequenzverhalten ist in 8e für das BAW-Abzweigfilter 41 der 8d gezeigt. Das BAW-Abzweigfilter 41 ergibt das Frequenzverhalten der 8e, wenn man annimmt, dass 1) die Resonatoren 43 und 43 die Schichten einschließen, die in den jeweiligen Tabellen 1 und 2 unten aufgeführt sind, 2) die Schichten der Resonatoren 43 und 42 Dicken aufweisen und Materialien umfassen, die in den jeweiligen Tabellen 1 und 2 aufgeführt sind, 3) das Filter 41 zwischen 50 Ohm Anschlüssen verbunden ist, und 4) das Filter 41 keine Abstimmelemente einschließt.
Wie man aus den Tabellen 1 und 2 sehen kann, umfasst der BAW-Resonator 42 zwei Membranschichten, und der BAW-Resonator 43 umfasst nur eine einzige Membranschicht. Die Verwendung der zwei Membranschichten im Resonator 42 bewirkt, dass die Resonanzfrequenzen, die sich aus dem Resonator 42 ergeben, niedriger sind als solche die sich vom in Serie verbundenen Resonator 43 ergeben, wie das oben beschrieben wurde.
Das Niveau der Sperrbereichsdämpfung durch ein BAW-Abzweigfilter kann durch das Hinzufügen zusätzlicher BAW-Abzweigfilters in das Filter und/oder durch das Konstruieren des Filters so, dass das Verhältnis der Flächen der parallel verbundenen BAW-Resonatoren des Filters zu den Flächen der in Serie verbundenen BAW-Resonatoren des Filters erhöht wird, erhöht werden. 8g zeigt eine beispielhaftes "simuliertes" Frequenzverhalten des Filters 44 (das eine größere Anzahl von Resonatoren als das Filter 41 einschließt), wenn man annimmt, dass 1) die Resonatoren 43 und 45 die Schichten einschließen, die die Dicken und Materialien aufweisen, wie sie in Tabelle 1 aufgelistet sind, 2) die Resonatoren 42 und 46 Schichten einschließen, die die Dicken und Materialien aufweisen, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, und 3) das Filter 44 keine Abstimmelemente einschließt.
Wie man aus den 8e und 8g sehen kann, wird der Grad der Dämpfung, der durch das Filter 44 bei Außer-Band-Frequenzen geliefert wird, etwas gegenüber dem Dämpfungspegel, der durch das Filter 41, das nur zwei BAW-Resonatoren einschließt, verbessert. Unglücklicherweise erhöht jedoch die Verwendung zusätzlicher BAW-Resonatoren in einem Filter die Gesamtgröße des Filters und kann eine unerwünschte Zunahme der Einfügedämpfung des Filters verursachen. Dies gilt auch in Fällen, in denen die parallel verbundenen BAW-Resonatoren des Filters so hergestellt werden, dass sie größere Flächen als die Serienresonatoren aufweisen. Darüber hinaus kann, sogar wenn solche Maßnahmen ergriffen werden in einem Versuch, das Frequenzverhalten des Durchlassbands des Filters zu verbessern, der Pegel der Sperrbanddämpfung, der durch das Filter geliefert wird, für gewisse Anwendungen ungenügend sein.
Wie in den 8e und 8g gezeigt ist, sind die Mittenfrequenzen der Durchlassbänder der jeweiligen Filter 41 und 44 bei ungefähr 947,5 MHz des Frequenzspektrums angeordnet, und die minimale Durchlassbandbandbreite, die von jedem der Filter 41 und 44 erreicht wird, beträgt ungefähr 25 MHz. Wie Fachleute erkennen werden, werden diese Frequenzverhaltenseigenschaften von Filtern gefordert, die in GSM-Empfängern verwendet werden.
Ein anderer Typ eines Filters, in dem BAW-Resonatoren oft verwendet werden, ist das Multipolfilter. Multipolfilter umfassen typischerweise entweder in Serie verbundene BAW-Resonatoren oder parallel verbundene BAW-Resonatoren, obwohl andere geeignete Typen von Resonatoren auch verwendet werden können, wie beispielsweise Resonatoren in Form eines diskreten Bauteils oder Quarzkristallresonatoren. Multipolfilter, die in Serie verbundene Resonatoren einschließen, schließen typischerweise passive Elemente ein, insbesondere impedanzinvertierende Elemente, die zwischen benachbarten Resonatoren gekoppelt sind. Im Gegensatz dazu umfassen Multipolfilter, die parallel verbundene Resonatoren aufweisen, oft admittanzinvertierende Elemente, die zwischen benachbarten Resonatoren gekoppelt sind.
Ein impedanzinvertierendes Element transformiert eine Abschlussimpedanz Z_b einer Schaltung in eine Impedanz Z_a, wobei
und wobei K einen Inversionsparameter für das impedanzinvertierende Element darstellt.
Ein admittanzinvertierendes Element transformiert eine Abschlusskonduktanz Y_b einer Schaltung in eine Konduktanz Y_a, wobei
und wobei J einen Inversionsparameter für das admittanzinvertierende Element darstellt.
In Mikrowellenschaltungen können verschiedene Komponenten als impedanzinvertierende Elemente verwendet werden. Beispielsweise kann ein einfaches impedanzinvertierendes Element durch das Verwenden einer viertel Wellenlänge einer Übertragungsleitung (bei einer Mittenfrequenz der Übertragungsleitung) verwirklicht werden. Für diese Vorrichtung ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung der Inversionsparameter der Vorrichtung.
In einer Publikation mit dem Titel "Recent Advances in Monolithic Film Resonator Technology", Ultrasonic Symposium, 1986, Seiten 365–369 von M. M. Driscoll et al. (Driscoll) ist ein Multipolfilter beschrieben, das BAW-Resonatoren umfasst, die in einer Serienkonfiguration verbunden sind, und eine Anzahl von impedanzinvertierenden Elementen, insbesondere Induktoren, die jeweils zwischen Erde und einem jeweiligen Knoten, der zwischen einem jeweiligen Paar von BAW-Resonatoren angeordnet ist, verbunden sind.
Ein Beispiel eines Multipolfilters 52 ist in 10a gezeigt. Das Filter 52 umfasst Resonatoren X1, X2 und X3 und impedanzinvertierende Schaltungen 51a–51d. Die Resonatoren X1, X2 und X3 haben jeweilige Impedanzen, die durch X₁(ω), X₂(ω) und X₃(ω) dargestellt werden, wobei X_j(ω) = ωL_j – 1/ωC_j, wobei L_j eine Ersatzinduktanz des jeweiligen Resonators darstellt, C_j eine Eratzkapazität des jeweiligen Resonators darstellt, und ω = 2 πf. Das Filter 52 weist auch Abschlussimpedanzen auf, die durch R_a und R_b dargestellt sind.
Der Impedanzinversionsparameter der impedanzinvertierenden Schaltung 51a ist gleich K₀₁, wobei K₀₁ durch Gleichung (1) dargestellt wird:
Die Impedanzinversionsparameter der impedanzinvertierenden Schaltungen 51b und 51c sind gleich K_j,j+1, wobei K_j,j+1 durch Gleichung (2) dargestellt wird
In ähnlicher Weise ist der Impedanzinversionsparameter der impedanzinvertierenden Schaltung 51d gleich K_n,n+1, wobei K_n,n+1 durch Gleichung (3) dargestellt wird:
In jeder der obigen Gleichungen (1–3) definiert die Variable Rsp einen Reaktanzneigungsparameter eines einzelnen Resonators X1, X2 und X3. Beispielsweise kann ein Reaktanzneigungsparameter (Rsp)_j eines Resonators durch Gleichung (4) dargestellt werden:
In den vorangehenden Gleichungen (1–4) stellt der Ausdruck ω eine Winkelfrequenzvariable dar, der Ausdruck ω₀ stellt eine spezielle Winkelfrequenz dar, der Ausdruck w1 stellt eine Bruchteilsbandbreite dar, die Ausdrücke g_n, g_n+1, g₀, g₁, g_nj und g_j+1 stellen normierte Kapazitäts- oder Induktivitätswerte der impedanzinvertierenden Schaltungen 51a–51d des Filters 52 dar, R_a und R_b stellen Abschlussimpedanzen des Filters 52 dar, und der Ausdruck
ist eine Reaktanzneigung eines Resonators (das ist eine Ableitung der Impedanz des Resonators bei der Mittenfrequenz des Resonators (ω₀ = 2πf₀) relativ zur Frequenz ω = 2πf.
Die impedanzinvertierenden Schaltungen 51a–51d können jeweils impedanzinvertierende Elemente einschließen, die ähnlich denen sind, die beispielsweise in den Schaltungen 53 und 54 der 11a beziehungsweise 11b eingeschlossen sind. Das heißt, jede der impedanzinvertierenden Schaltungen 51a–51d kann Induktoren L1–L3 umfassen, wie die, die in 11a gezeigt sind, oder Kondensatoren C1–C3, wie die, die in 11b gezeigt sind. In der Schaltung 53 der 11a weist jeder der Induktoren L1–L3 vorzugsweise denselben (absoluten) Induktanzwert auf, obwohl die Induktanzwerte (dargestellt durch –L) jedes Serieninduktors L1 und L2 vorzugsweise negativ sind, wohingegen der Induktanzwert des Parallelinduktors L3 vorzugsweise positiv ist (dargestellt durch +L). Wenn mehr als eine der Schaltungen in einem Filter verwendet wird, können sich die Induktanzwerte der Induktoren L1–L3 der einen Schaltung 53 von solchen der Induktoren L1– L3 der anderen Schaltung 53, die im Filter eingeschlossen sind, unterscheiden. Induktanzwerte (L) für die Induktoren L1–L3 können berechnet werden unter Verwendung der Formel K = ωL, wobei K einen Impedanzinversionsparameter für die Schaltung 53 darstellt.
In der Schaltung 54 der 11b weist jeder der Kondensatoren C1–C3 vorzugsweise denselben (absoluten) Kapazitätswert auf, obwohl die Kapazitätswerte (dargestellt durch –C) jeder der Serienkondensatoren C1 und C2 vorzugsweise negativ sind, wohingegen der Kapazitätswert des Parallelkondensators C3 vorzugsweise positiv ist (dargestellt durch +C). Wenn mehr als eine einzelne der Schaltungen 54 in einem Filter verwendet wird, so können sich die Kapazitätswerte der Kondensatoren C1–C3 einer der Schaltungen 54 von solchen der Kondensatoren C1–C3 der anderen der Schaltungen 54, die im Filter eingeschlossen sind, unterscheiden. Die Kapazitätswerte (C) für die Kondensatoren C1–C3 können unter Verwendung der Formel K1 = 1/ωC berechnet werden, wobei K1 einen Impedanzinversionsparameter für die Schaltung 54 darstellt.
In Fällen, bei denen die Schaltung 53 in den impedanzinvertierenden Schaltungen 51a–51d des Multipolfilters 52 der 10a verwendet wird, arbeitet die Schaltung 52 als ob die Induktoren L1 und L2 (die negative Induktanzwerte (–L) aufweisen) wirksam in den Resonatoren X1– X3 "eingeschlossen" sind. Für Fälle, in denen die Schaltung 54 in jedem der impedanzinvertierenden Schaltungen 51a–51d des Filters 52 verwendet wird, arbeitet die Schaltung 52, als ob die Kondensatoren C1 und C3 (die negative Kapazitätswerte (–C) aufweisen) wirksam in den Resonatoren X1–X3 "eingeschlossen" sind. Der "wirksame Einschluss" der Induktoren oder Kondensatoren in Resonatoren eines Multipolfilters wird nachfolgend weiter beschrieben in Bezug auf die Diskussion eines Multipolfilters 52', das in 10b gezeigt ist.
Betrachtet man nun die 10b, so ist dort das Multipolfilter 52' gezeigt. Das Filter 52' ist ähnlich dem Filter 52 der 10a mit der Ausnahme, dass die Resonatoren X1 und X2 (aus praktischen Gründen ist der Resonator X3 in 10b nicht gezeigt) so gezeigt sind, dass sie Induktoren und Kondensatoren einschließen. Insbesondere ist der Resonator X1 gezeigt, dass er den Induktor L1' und den Kondensator C1' einschließt, und der Resonator X2 ist gezeigt, dass er den Induktor L2' und den Kondensator C2' einschließt.
In Fällen, bei denen die Schaltung 53 als impedanzinvertierende Schaltungen 51a–51d für das Multipolfilter 52' der 10b verwendet wird, arbeitet das Filter 52', als ob die Induktoren L1 und L2 der Schaltung 53 (diese Induktoren haben negative Induktanzwerte (–L)) wirksam in die Resonatoren des Filters 52' "eingefügt" sind. Insbesondere und als ein Beispiel bewirkt die Verwendung der Schaltung 53 für die impedanzinvertierenden Schaltungen 51a und 51b, verbunden mit dem Resonator X2 im Filter 52', dass eine Ersatzinduktanz erzeugt wird, die eine Kombination der Induktanzwerte des Induktors L1' des Resonators X1 und der Induktanzwerte der Induktoren L1 und L2 der impedanzinvertierenden Schaltungen 51b und 51a ist. Die Ersatzinduktanz weist einen Wert L_eqv auf, wobei L_eqv = L_L1 – L – L ist, wobei L_L1 den Induktanzwert des Induktors L1' darstellt, und –L den Induktanzwert der einzelnen Induktoren L1 und L2 darstellt. Diese Beziehung kann auch durch die Gleichung L_eqv = L_L1 – ω/K₀₁ – ω/K₁₂ gekennzeichnet werden, wobei ω die Frequenz darstellt, K₀₁ einen Impedanzinversionsparameter für die Schaltung 51a darstellt, und K₁₂ einen Impedanzinversionsparameter für die Schaltung 51b darstellt.
In Fällen, bei denen die Resonatoren eines Filters so hergestellt werden, dass sie ähnliche Resonanzfrequenzen zeigen, kann das Einschließen der impedanzinvertierenden Schaltungen, wie der Schaltungen 51a–51d, im Filter bewirken, dass die Resonatoren etwas unterschiedliche Resonanzfrequenzen zeigen.
Eine Kurve (CV1), die eine Reaktanz X(ω) eines Serienresonators darstellt, der einen Induktor und einen Kondensator aufweist (wie die Resonatoren X1–X3), ist in 11c gezeigt. Die Kurve (CV2) stellt die Reaktanz eines ähnlichen Resonators dar, der mit einem Parallelkondensator gekoppelt ist. Die Serienresonanz des Resonators für jeden Fall wird durch (SR) dargestellt, und die Parallelresonanz des Resonators, der mit dem Parallelkondensator gekoppelt ist, wird durch (PR) dargestellt. Wie man in der 11c sehen kann, ähneln sich die Reaktanzkurven für den Serienresonator und den Serienresonator, der mit einem Parallelkondensator gekoppelt ist, bei ungefähr den Frequenzen der Serienresonanzen der Resonatoren. In Filtern, die ähnlich dem Filter 52' sind, aber die BAW-Resonatoren für die Resonatoren X1, X2 und X3 der 10b einschließen, kann dies bewirken, dass der Filter nur eine schmale Durchlassbandbreite erhält. Dies gilt insbesondere, wenn keine externe Spule im Filter verwendet wird, um die Wirkungen des Parallelkondensators nahe der Mittenfrequenz des Filters zu löschen (was bewirkt, dass die Parallelresonanzfrequenz des Resonators erhöht wird).
In Fällen, bei denen die Schaltung 54 als impedanzinvertierende Schaltungen 51a–51d für das Multipolfilter 52' der 10b verwendet wird, sind Ersatzkapazitäten im Filter 52' vorgesehen, die sich aus einer Kombination der Kapazitätswerte (–C) der Kondensatoren C1 und C3 der Schaltung 54 und der Kapazitätswerte der verschiedenen Kondensatoren der Kondensatoren C1', C2' etc. des Filters 52' ergeben. Beispielsweise bewirkt die Verwendung der Schaltung 54 für die impedanzinvertierenden Schaltungen 51a und 51b, die mit dem Resonator X2 im Filter 52' verbunden sind, dass eine Ersatzkapazität geliefert wird, die eine Kombination des Kapazitätswertes des Kondensators C1' des Resonators X1 und der Kapazitätswerte (–C) der Kondensatoren C1 und C3 der impedanzinvertierenden Schaltungen 51b beziehungsweise 51a ist. Diese Ersatzkapazität weist einen Wert C_eqv auf, wobei C_eqv = C_C1 – C – C ist, wobei C_C1 einen Kapazitätswert des Kondensators C1' darstellt, und –C den Kapazitätswert der einzelnen Kondensatoren C1 und C2 darstellt. Diese Beziehung kann auch durch die Gleichung C_eqv = C_C1 – ω/K₀₁ – ω/K₁₂ gekennzeichnet werden, wobei ω die Frequenz darstellt, K₀₁ einen Impedanzinversionsparameter für die Schaltung 51a darstellt, und K₁₂ einen Impedanzinversionsparameter für die Schaltung 51b darstellt.
Filter, so wie sie in 10b dargestellt sind, werden vorzugsweise konstruiert, indem erst die Dicken und die Flächen für die Schichten der Resonatoren der Filter ausgewählt werden. Diese Dicken und Flächen werden so ausgewählt, dass die Resonatoren bei gewünschten Frequenzen in Resonanz geraten. Danach werden die Ersatzschaltungselementwerte (beispielsweise Lm, Cm und C_o) berechnet, wie es für die Werte (beispielsweise K_j, K_j+1) für die Impedanzinversionsparameter des Filters gilt. Da diese Impedanzinversionsparameterwerte die Ersatzkapazitätswerte und/oder Ersatzinduktanzwerte, die im Filter vorgesehen sind, beeinflussen, so kann es sein, dass die berechneten Werte der Ersatzschaltungselemente (beispielsweise Lm, Cm und C_o) als auch die Dicken/Flächen der Resonatorschichten etwas modifiziert werden müssen, um es den Resonatoren zu ermöglichen, an den gewünschten Frequenzen in Resonanz zu treten.
Ein Beispiel eines Multipolfilters 55, das in Serie verbundene BAW-Resonatoren 56–58 einschließt, und das auch Kondensatoren C01, C12, C23 und C34 einschließt, die als impedanzinvertierende Elemente dienen, ist in 12 gezeigt. Die Kondensatoren C01, C12, C23 und C34 sind parallel innerhalb der Schaltung 55 verbunden. Die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren C01, C12, C23 und C34 können ausgewählt werden unter Verwendung bekannter Filtersyntheseverfahren, um es dem Filter 55 zu ermöglichen, ein gewünschtes Frequenzverhalten zu produzieren (das beispielsweise ein Verhalten ähnlich dem eines Butterworth- oder Chebyshev-Filters einschließt).
Multipolfilter, wie das, das in 12 gezeigt ist (diese Filter werden auch als "BAW-Resonator-Multipolfilter" bezeichnet), liefern typischerweise schmale Bandbreiten des Durchlassbandes. Nur als Beispiel liefern in Fällen, bei denen diese Typen von Filtern bei Frequenzen im Gigaherzbereich betrieben werden, diese Filter eine Bandbreite des Durchlassbandes von nur einigen wenigen Megaherz. Typischerweise sind die BAW-Resonatoren dieser Typen von Filtern so gestaltet, dass sie eine Serienresonanz bei der Mittenfrequenz des Durchlassbandes dieser Filter aufweisen, und die Bandbreiten des Durchlassbandes dieser Filter sind schmaler als das Band der Frequenzen, die die Parallel- und Serienresonanzen jedes einzelnen BAW-Resonators trennt.
Die Bandbreite des Durchlassbandes von Multipolfiltern, die BAW-Resonatoren einschließen, kann durch das Verbinden anderer passiver Elemente ("Abstimmelemente"), wie Induktoren parallel zu diesen BAW-Resonatoren erhöht werden, wie das in der Publikation von Driscoll beschrieben ist. Die hinzugefügten Induktoren bewirken normalerweise, dass die Ersatzparallelkapazität C_o (siehe beispielsweise 4b) der einzelnen BAW-Resonatoren bei den Mittenfrequenzen der einzelnen Filter gelöscht wird, und auch dass die Frequenzdifferenz zwischen den Parallel- und Serienresonanzfrequenzen der jeweiligen Resonatoren erhöht wird. Unglücklicherweise können diese Induktoren nicht immer bei Außerband-Frequenzen wirksam sein, und das Hinzufügen von mehr als einigen dieser Induktoren zu einem Filter kann eine unterwünschte Komplexität und Größe der gesamten Filterstruktur bewirken.
Ein Beispiel eines Filters 59, das Induktoren einschließt, die parallel mit den BAW-Resonatoren verbunden sind, ist in 13 gezeigt. Das Filter 59 umfasst BAW-Resonatoren (BAW1), (BAW2) und (BAW3), Induktoren L₀₁, L₀₂ und L₀₃, die parallel mit den jeweiligen BAW-Resonatoren (BAW1), (BAW2) und (BAW3) verbunden sind, und Kondensatoren C01, C12, C23 und C34, die als impedanzinvertierende Elemente verwendet werden. Jeder der Induktoren L₀₁, L₀₂ und L₀₃ weist einen Induktanzwert von L₀₀ auf, wobei L₀₀ = 1/(C₀ω₀ ²), C₀ stellt die Ersatzparallelkapazität der einzelnen Resonatoren (BAW1), (BAW2) und (BAW3) dar, und ω₀ stellt eine Mittenfrequenz des Filters 59 dar. Das Filter 59 zeigt ein Frequenzverhalten, das drei Pole aufweist.
Der Einschluss der Induktoren L₀₁, L₀₂ und L₀₃ in das Filter ermöglicht es dem Filter 59, eine erhöhte Bandbreite des Durchlassbandes relativ zum Filter 55 der 12 zu liefern. Unglücklicherweise bewirkt jedoch der Einschluss der Induktoren L₀₁, L₀₂ und L₀₃ in das Filter 59, dass das Filter 59 eine schlechte Sperrbereichsdämpfung bei niedrigen Frequenzen liefert. Dies kann man in den 14a und 14b sehen, die ein beispielhaftes Frequenzverhalten des Filters 59 zeigen, wenn man annimmt, dass 1) die BAW-Resonatoren (BAW1), (BAW2) und (BAW3) Schichten einschließen, die die Materialien und Dicken aufweisen, die in Tabelle 3 gezeigt sind, 2) die Kondensatoren C01, C12, C23 und C34 Kapazitätswerte aufweisen, die ähnlich denen sind, die in Tabelle 3 gezeigt sind, und 3) die Induktoren L₀₁, L₀₂ und L₀₃ Induktanzwerte aufweisen, die ähnlich denen sind, die in Tabelle 3 gezeigt sind.
Tabelle 3
Betrachtet man die 14a, so kann man sehen, dass das Filter 59 eine schlechte Sperrbereichsdämpfung bei Frequenzen unterhalb von 800 MHz zeigt.
Es wird nun Bezug genommen auf anderen Typen von Multipolfiltern, nämlich Multipolfilter, die primär aus gestapelten Quarzfiltervorrichtungen (SCF) (die auch als "SCF-Mehrpolfilter" bezeichnet werden) bestehen. Es ist bekannt, einen oder mehrere SCF-Vorrichtungen in einem Bandpassfilter zu verwenden. Ein Vorteil der Verwendung von SCF-Vorrichtungen in Bandpassfiltern ist die bessere Sperrbereichsdämpfung, die von diesen Filtern allgemein geliefert wird, im Vergleich zu der Sperrbereichsdämpfung typischer BAW-Abzweigfilter (ein beispielhaftes Frequenzverhalten eines SCF ist in 8c gezeigt).
Eine beispielhafte Ersatzschaltung mit konzentrierten Elementen eines SCF ist in 8b gezeigt. Die Ersatzschaltung umfasst eine Ersatzinduktivität (2Lm), eine Ersatzkapazität (Cm/2), einen Ersatzwiderstand (2R) und parallele (parasitäre) Ersatzkapazitäten (C_o). Wie man aus 8b sehen kann, kann das SCF so angesehen werden, als ob es ein LC-Resonator ist, der Parallelkapazitäten (C₀) aufweist, die mit Erde verbunden sind. Durch diese Parallelkapazitäten (C₀) sind SCF-Vorrichtungen gut geeignet, um in Multipolfiltern verwendet zu werden. Beispielweise wird ein ideales Multipolfilter, das SCF-Vorrichtungen aufweist, vorzugsweise so konstruiert, dass die Parallelkapazitäten C₀ der Vorrichtungen als impedanzinvertierende Elemente fungieren. Die Verwendung dieser Kapazitäten C₀ als impedanzinvertierende Elemente vermeidet die Notwendigkeit, externe diskrete Komponenten als impedanzinvertierende Elemente für das Filter zu verwenden.
In einer SCF-Vorrichtung ist die maximale Bandbreite des Durchlassbandes, die vorgesehen werden kann, eine Funktion des Verhältnisses der Ersatzserienkapazität Cm der SCF-Vorrichtung zur Ersatzparallelkapazität Co der SCF-Vorrichtung. Dieses Verhältnis hängt vom Niveau der piezoelektrischen Kopplung, das durch die piezoelektrischen Schichten der SCF-Vorrichtung geliefert wird, ab. Beispielsweise führt eine Reduktion in den Dicken einer piezoelektrischen Schicht und eine entsprechende Zunahme in eine Dicke einer anderen Schicht (beispielsweise einer Stützschicht oder einer Elektrodenschicht) einer SCF-Vorrichtung (um zu bewirken, dass die Vorrichtung dieselbe Resonanzfrequenz ergibt) zu dem Ergebnis, dass die Vorrichtung entsprechend schmalere Bandbreiten des Durchlassbandes ergibt (und verminderte Kopplungsniveaus). So kann das Niveau der vorgesehenen Kopplung durch das Ändern der relativen Dicken dieser Schichten erniedrigt werden. In einem idealen Fall kann eine maximale Bandbreite des Durchlassbandes durch eine SCF-Vorrichtung geliefert werden, die nur piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten einschließt, obwohl eine solche Struktur im allgemeinen in der Praxis nicht verwendet wird.
Im allgemeinen wird eine maximale Bandbreite des Durchlassbandes eines Filters, das hauptsächlich aus SCFs und keinen zusätzlichen diskreten Elementen besteht, erzielt, wo eine Kombination der Kapazitätswerte (2·C₀) der zwei in Serie verbundenen SCFs des Filters gleich einem gewünschten Wert einer impedanzinvertierenden Kapazität für das Filter ist (in einem solchen Filter wird die Impedanzinversion durch die Kombination der Kapazitätswerte der in Serie verbundenen SCFs geliefert). Eine nochmals breitere Bandbreite eines Durchlassbandes kann erzielt werden durch das Verbinden eines externen passiven Elements in diesen Filtern, wie einem Induktor, zwischen die zwei SCF-Vorrichtungen, um so zumindest einige der inhärenten Parallelkapazitäten (Co) der SCFs bei den Durchlassbandfrequenzen zu löschen. Ein solches Filter ist im US-Patent 5,382,930 beschrieben. Typischerweise ist die Anzahl der Induktoren, die in diesen Typen von Filtern verwendet werden, um eines kleiner als die Anzahl der SCF-Vorrichtungen, die in diesen Filtern verwendet werden, obwohl zusätzlich Induktoren über den Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen der Filter verwendet werden können, um einen höheren Grad der Anpassung und reduzierte Welligkeitspegel bei den Durchlassbandfrequenzen zu liefern.
Ein beispielhaftes Multipolfilter 56, das SCF-Vorrichtungen einschließt, ist in 15a gezeigt. Das Multipolfilter 56 umfasst drei SCF-Vorrichtungen, nämlich SCFs 57, 58 und 59 und umfasst weiter parallel verbundene Induktoren L_p1 und L_p2. 15b zeigt ein beispielhaftes Frequenzverhalten des Filters 56 der 15a, wobei angenommen wird, dass 1) die SCF-Vorrichtungen 57–59 des Filters 56 Schichten einschließen, die die Materialien und Dicken aufweisen, die in Tabelle 4 gezeigt sind, 2) jede der SCF-Vorrichtungen 57–59 konstruiert ist, um eine zweite harmonische Resonanz bei der Mittenfrequenz des Durchlassbandes des Filters 56 zu ergeben, und 3) die Induktanzen L_p1 und L_p2 jeweils Induktanzwerte aufweisen, wie sie in Tabelle 4 gezeigt sind.
Tabelle 4
Die fundamentale Resonanz jeder SCF-Vorrichtung 57–59 erscheint als ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei ungefähr 500 MHz. Auch die Parallelresonanzen der parallel verbundenen Induktoren L_p1 und L_p2 und die Ersatzparallelkapazitäten C₀ der SCF-Vorrichtungen 57–59 bewirken, dass das Filter 56 ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei ungefähr 640 MHz zeigt. Dieses Ansprechen auf Nebenfrequenzen ist unerwünscht, da es bewirkt, dass das Filter 56 eine schlechte Dämpfung des Sperrbereichs bei Frequenzen zeigt, die niedriger als die Frequenzen des Durchlassbandes sind. 15c zeigt einen Teil (nämlich das Durchlassband) des Frequenzverhaltens der 15b detaillierter, zwischen den Frequenzen von 925 MHz und 970 MHz. Es sollte angemerkt werden, dass die SCF-Vorrichtungen 57–59 des Filters 56 auch konstruiert sein können, um ihre fundamentalen Resonanzen bei der Mittenfrequenz des Durchlassbandes des Filters 56 zu erzielen. Wenn man dies annimmt, kann das Filter 56 ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei Frequenzen zeigen, die höher als die Frequenzen des Durchlassbandes des Filters 56 sind (es kann beispielsweise ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei ungefähr 2 GHz auftreten). Dieses Verhalten ist auch unerwünscht.
In Anbetracht der obigen Beschreibung kann man erkennen, dass es wünschenswert wäre, ein Filter zu liefern, das eine Topologie aufweist, die es dem Filter ermöglicht, ein wünschenswertes Frequenzverhalten im Durchlassband zu liefern, wie eine große Bandbreite des Durchlassbandes und einen hohen Grad der Dämpfung des Sperrbereichs, während es eine reduzierte Anzahl passiver Komponenten verwendet (das sind diskrete parallele Induktoren und diskrete impedanzinvertierende Elemente) relativ zur Anzahl der passiven Komponenten, die in Multipolfilter des Stands der Technik enthalten sind. Es würde auch wünschenswert sein, dass das Filter ein besseres Frequenzverhalten liefert als es durch die oben beschriebenen Multipolfilter geliefert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Filter zu liefern, das ein verbessertes Frequenzverhalten in Bezug auf solche, die von konventionellen BAW-Resonator-Multipolfiltern und konventionellen SCF-Multipolfiltern geliefert werden, zeigt.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Bandpassfilter zu liefern, das ein verbessertes Frequenzverhalten liefert im Vergleich zu dem, das durch konventionelle Multipolfilter geliefert wird, während es eine reduzierte Anzahl passiver Komponenten im Verhältnis zur Anzahl solcher Komponenten, die in konventionellen Multipolfiltern verwendet werden, verwendet.
Die obigen Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein BAW-Filter, wie es in Anspruch 1 definiert ist, gelöst.
Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden aus der Betrachtung der Zeichnungen und der folgenden Beschreibung deutlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Multipol-BAWR-SCF-Schaltung vier Anschlüsse, eine erste Leitung, die zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse verbunden ist, und eine zweite Leitung, die zwischen einem dritten und einem vierten der Anschlüsse verbunden ist. Die Multipol-BAWR-SCF-Schaltung umfasst auch mindestens einen BAW-Resonator, der in Serie mit der ersten Leitung verbunden ist, und mindestens ein gestapeltes Quarzfilter (SCF). Das SCF weist erste und zweite Kontakte auf, die mit der ersten Leitung verbunden sind, und einen dritten Kontakt, der mit der zweiten Leitung verbunden ist. Die Multipol-BAWR-SCF-Schaltung umfasst ferner eine Vielzahl von impedanzinvertierenden Elementen und mindestens ein induktives Element: jedes einzelne der impedanzinvertierenden Elemente ist über den ersten und zweiten Leitungen gekoppelt, und das mindestens eine induktive Element ist parallel mit dem mindestens einen BAW-Resonator verbunden. Die zweite Leitung ist vorzugsweise während des Gebrauchs mit Erde verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der mindestens eine BAW-Resonator einen ersten BAW-Resonator und einen zweiten BAW-Resonator, die Vielzahl der impedanzinvertierenden Elemente umfassen ein erstes impedanzinvertierendes Element und ein zweites impedanzinvertierendes Element, und das mindestens eine induktive Element umfasst ein erstes induktives Element und ein zweites induktives Element. Der erste BAW-Resonator und das erste impedanzinvertierende Element weisen jeweils einen ersten Kontakt auf, der mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist. Der erste BAW-Resonator weist auch einen zweiten Kontakt auf, der mit dem ersten Kontakt des SCF gekoppelt ist, und der zweite BAW-Resonator weist einen ersten Kontakt auf, der mit dem zweiten Kontakt des SCF gekoppelt ist. Zusätzlich weist der zweite BAW-Resonator einen zweiten Kontakt auf, der mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, das zweite impedanzinvertierende Element weist einen ersten Kontakt auf, der mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, das erste induktive Element ist parallel mit dem ersten BAW-Resonator verbunden, und das zweite induktive Element ist parallel mit dem zweiten BAW-Resonator verbunden.
In dieser Ausführungsform der Erfindung weist das erste induktive Element auch ein erstes Ende auf, das mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist, und das erste induktive Element weist ein zweites Ende auf, das mit der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt des ersten BAW-Resonators und dem ersten Kontakt des SCF verbunden ist. Darüber hinaus weist das zweite induktive Element ein jeweiliges erste Ende auf, das mit der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt des SCF und dem ersten Kontakt des zweiten BAW-Resonators verbunden ist, und weist auch ein entsprechendes zweites Ende auf, das mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Auch weist das erste impedanzinvertierende Element einen zweiten Kontakt auf, der mit dem dritten Anschluss gekoppelt ist, und das zweite impedanzinvertierende Element weist einen zweiten Kontakt auf, der mit dem vierten Anschluss gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Multipol-BAWR-SCF-Schaltung vorgesehen, die ähnlich der der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist, mit der Ausnahme, dass die Schaltung zwei SCF-Vorrichtungen, einen einzigen BAW-Resonator, ein induktives Element, das parallel mit dem BAW-Resonator verbunden ist, und zwei parallel verbundene impedanzinvertierende Elemente umfasst. Der BAW-Resonator ist zwisschen den zwei SCF-Vorrichtungen angeordnet. Eine erste der SCF-Vorrichtungen weist einen Kontakt auf, der mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist, einen Kontakt, der mit einem Kontakt des BAW-Resonators gekoppelt ist, und einen anderen Kontakt, der mit der zweiten Leitung gekoppelt ist. Eine zweite der SCF-Vorrichtungen weist einen Kontakt auf, der mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, einen Kontakt, der mit dem anderen Kontakt des BAW-Resonators gekoppelt ist, und einen Kontakt, der mit der zweiten Leitung gekoppelt ist. Ein erstes der zwei impedanzinvertierenden Elemente weist ein erstes Ende auf, das mit der ersten Leitung zwischen der ersten SCF-Vorrichtung und dem BAW-Resonator gekoppelt ist, und auch ein zweites Ende, das mit der zweiten Leitung gekoppelt ist. Darüber hinaus weist ein zweites der impedanzinvertierenden Elemente ein erstes Ende auf, das mit der ersten Leitung zwischen dem BAW-Resonator und der zweiten SCF-Vorrichtung gekoppelt ist, und auch ein zweites Ende, das mit der zweiten Leitung gekoppelt ist.
Gemäß der Erfindung wird durch das Verwenden der BAW-Resonatoren, der SCFs, der impedanzinvertierenden Elemente und der induktiven Elemente in einer einzigen Schaltung, wie den Schaltungen der Erfindung, wie sie oben beschrieben sind, ein Frequenzverhalten durch die Schaltung geliefert, das eine breitere Bandbreite des Durchlassbandes hat und einen höheren Grad der Dämpfung des Sperrbereichs. Gemäß der Erfindung fungiert auch die Ersatzparallelkapazität Co der SCFs als weiteres impedanzinvertierendes Element.
Die Anzahl der diskreten Elemente (beispielsweise parallele Induktoren und impedanzinvertierende Elemente), die in den Schaltungen der Erfindung verwendet werden, wird in Bezug auf die Anzahl solcher Elemente, die in mindestens einigen der konventionellen Multipolfilter verwendet werden, reduziert, und die Schaltungen der Erfindungen liefern nichtsdestotrotz breite Bandbreiten des Durchlassbandes. Die Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen der Erfindung liefern im allgemeinen verbesserte Frequenzverhalten im Vergleich zu solchen, die beispielsweise von konventionellen BAW-Resonator-Multipolfiltern und konventionellen SCF-Multipolfiltern, wie sie oben beschrieben sind, gezeigt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können die SCFs (die Serienresonanzen ergeben) jeder Multipol-BAWR-SCF-Schaltung hergestellt werden, um einen Schichtenstapel einer Dicke aufzuweisen, der es den SCFs ermöglicht, entweder eine fundamentale Resonanzfrequenz oder eine zweite harmonische Resonanzfrequenz bei oder nahe der gewünschten ("vorgesehenen") Mittenfrequenz der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung zu erzielen. Vorzugsweise sind die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung so konstruiert, dass die SCFs eine zweite harmonische Resonanz statt einer fundamentalen Resonanz bei der "vorgesehenen" Mittenfrequenz der jeweiligen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen ergeben. Das ist deswegen, weil die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen in diesem Fall leichter herzustellen sind.
Die Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen können alle geeigneten Typen von BAW-Resonatoren und SCFs einschließen, die beispielsweise fest montiert (solidly mounted) BAW-Resonatoren (das sind akustische Spiegelstrukturen) umfassen. Die Verwendung von akustischen Spiegeln in Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen liefert eine Anzahl von Vorteilen gegenüber der Verwendung von Strukturen anderen Typs. Ein Vorteil ist der, dass die akustischen Spiegelstrukturen unempfindlicher als andere Typen von Vorrichtungen sind. Ein anderer Vorteil ist der, dass bei Anwendungen hoher Leistung jegliche Wärme, die durch Verluste in den Vorrichtungen erzeugt werden kann, wirksam zu den Substraten der jeweiligen Vorrichtungen über die akustischen Spiegel abgeführt wird. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von akustischen Spiegelvorrichtungen in den Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung besteht darin, dass die akustischen Spiegel helfen können, unerwünschte harmonische Frequenzen, die in den Vorrichtungen auftreten können, zu dämpfen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die induktiven Elemente und die impedanzinvertierenden Elemente der oben beschriebenen Schaltungen auf einem Substrat hergestellt, und der BAW-Resonator und die SCF-Komponenten der Schaltungen werden auf einem anderen Substrat hergestellt. Diese Elemente werden dann zusammengekoppelt, um eine Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung gemäß der Erfindung auszubilden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Multipol-Volumenwellen-(BAW)-Filter bereit gestellt, das umfasst: ein erstes Paar von Anschlüssen, ein zweites Paar von Anschlüssen, eine erste Leitung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss des ersten Paars der Anschlüsse gekoppelt ist; eine zweite Leitung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss des zweiten Paars der Anschlüsse gekoppelt ist; mindestens einen BAW-Resonator, der in Serie mit der ersten Leitung gekoppelt ist; mindestens ein erstes gestapeltes Quarzfilter (SCF), wobei das SCF erste und zweite Kontakte aufweist, die mit der ersten Leitung gekoppelt sind; wobei das SCF auch einen dritten Kontakt aufweist, der mit der zweiten Leitung verbunden ist; eine Vielzahl von impedanzinvertierenden Elementen, wobei jedes einzelne Element der Vielzahl der impedanzinvertierenden Elemente über den ersten und zweiten Leitungen gekoppelt ist; und mindestens ein induktives Element, wobei das mindestens eine induktive Element parallel mit dem mindestens einen BAW-Resonator gekoppelt ist, wobei das Multipol-BAW-Filter ein Durchlassbandfrequenzverhalten ergibt, das eine Mittenfrequenz f_c aufweist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Volumenwellen-(BAW)-Filter bereitgestellt, das umfasst: ein erstes Substrat; eine erste leitende Schicht, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; eine erste Kontaktfläche, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; eine zweite Kontaktfläche, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; mindestens einen BAW-Resonator, der auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei der mindestens eine BAW-Resonator seriell zwischen den ersten und zweiten Kontaktflächen gekoppelt ist; mindestens ein gestapeltes Quarzfilter (SCF), das auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei das mindestens eine SCF seriell zwischen den ersten und zweiten Kontaktflächen gekoppelt ist, wobei das mindestens eine SCF einen ersten Kontakt aufweist, der mit der ersten leitenden Schicht gekoppelt ist; ein zweites Substrat; eine zweite leitende Schicht, die auf dem zweiten Substrat angeordnet ist und mit der ersten leitenden Schicht gekoppelt ist; mindestens einen Induktor, der auf dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei der mindestens eine Induktor parallel mit dem mindestens einen BAW-Resonator gekoppelt ist; und mindestens ein impedanzinvertierendes Element, das einen ersten Kontakt aufweist, der seriell zwischen den ersten und zweiten Kontaktflächen gekoppelt ist, wobei das mindestens eine impedanzinvertierende Element auch einen zweiten Kontakt aufweist, der mit der zweiten leitenden Schicht gekoppelt ist.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Volumenwellen-(BAW)-Filter bereit gestellt, das umfasst: ein erstes Substrat; eine erste leitenden Schicht, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; eine erste Kontaktfläche, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; eine zweite Kontaktfläche, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; mindestens einen BAW-Resonator, der auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei der mindestens eine BAW-Resonator seriell zwischen den ersten und zweiten Kontaktflächen gekoppelt ist; und mindestens ein gestapeltes Quarzfilter (SCF), das auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei das mindestens eine SCF seriell zwischen den ersten und zweiten Kontaktflächen gekoppelt ist, wobei das mindestens eine SCF auch einen ersten Kontakt aufweist, der mit der ersten leitenden Schicht gekoppelt ist.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Volumenwellen-(BAW)-Filter bereit gestellt, das umfasst: ein erstes Substrat, eine erste leitende Schicht, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; eine Vielzahl von Induktoren, die auf dem ersten Substrat angeordnet sind, wobei jeder der Induktoren jeweilige erste und zweite Kontaktenden aufweist; und eine Vielzahl von impedanzinvertierenden Elementen, die auf dem ersten Substrat angeordnet sind, wobei jedes der impedanzinvertierenden Elemente jeweilige erste und zweite Kontakte aufweist, wobei der erste Kontakt von jedem der jeweiligen impedanzinvertierenden Elemente mit dem ersten Kontaktende eines jeweiligen einen der Induktoren gekoppelt ist, und wobei der zweite Kontakt jedes impedanzinvertierenden Elements mit der ersten leitenden Schicht gekoppelt ist.
Gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Multipol-Volumenwellen-(BAW)-Filter bereit gestellt, das umfasst: ein erstes Paar von Anschlüssen; ein zweites Paar von Anschlüssen; mindestens einen BAW-Resonator, der zwischen dem ersten Paar von Anschlüssen gekoppelt ist; mindestens ein gestapeltes Quarzfilter (SCF), das zwischen dem ersten Paar von Anschlüssen gekoppelt ist, wobei das mindestens eine SCF einen Kontakt aufweist, der zwischen dem zweiten Paar von Anschlüssen gekoppelt ist, wobei das mindestens eine SCF auch mindestens ein dem zusammengestellten Element äquivalente Komponente aufweist; mindestens ein impedanzinvertierendes Mittel, wobei jedes der mindestens einen impedanzinvertierenden Mittel ein erstes Ende aufweist, das zwischen dem ersten Paar von Anschlüssen gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das zwischen dem zweiten Paar von Anschlüssen gekoppelt ist; und mindestens ein Abstimmelement, wobei das mindestens eine Abstimmelement parallel mit dem mindestens einen BAW-Resonator gekoppelt ist, wobei das mindestens eine Abstimmelement eine Resonanz ungefähr bei einer Mittenfrequenz f_c des Multipol-BAW-Filters ergibt, um zu bewirken, dass ein Durchlassband des Multipol-BAW-Filters eine erhöhte Bandbreite relativ zu einer Bandbreite eines Durchlassbandes eines anderen Filters aufweist, das nicht das mindestens eine Abstimmelement einschließt; wobei die mindestens eine dem zusammengestellten Element äquivalente Komponente und das mindestens eine impedanzinvertierende Mittel funktionieren, um eine Abschlussimpedanz des Multipol-(BAW)-Filters von einer ersten Impedanz zu einer zweiten Impedanz zu transformieren.
Die oben angegebenen und anderen Merkmale der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen gelesen wird, deutlicher.
1 zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften Volumenwellen-(BAW)-Resonators, der eine Membran und einen Luftspalt einschließt;
1b zeigt eine Aufsicht auf einen Teil des BAW-Resonators der 1a;
2 zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften BAW-Resonators, der eine Opferschicht einschließt;
3a zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften festmontierten BAW-Resonators, der einen akustischen Spiegel einschließt;
3b zeigt eine Aufsicht auf einen Teil des BAW-Resonators der 3a, der eine Schutzschicht 38a und Elektroden 24 und 26 einschließt;
4a zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften BAW-Resonators, der ein Substrat einschließt, das ein Kontaktloch aufweist;
4b zeigt eine Ersatzschaltung eines BAW-Resonators aus konzentrierten Elementen;
5a zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften gestapelten Quarzfilters (SCF), das eine Membran und einen Luftspalt einschließt;
5b zeigt eine Aufsicht auf einen Teil des SCF der 5a;
6 zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften SCF, das eine Opferschicht aufweist;
7a zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften fest montierten SCF, der einen akustischen Spiegel einschließt;
7b zeigt eine Aufsicht auf einen Teil des SCF der 7a;
8a zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften SCF, das ein Substrat einschließt, das ein Kontaktloch besitzt;
8b zeigt eine Ersatzschaltung eines SCF mit konzentrierten Elementen;
8c zeigt das Frequenzverhaltens eines SCF;
8d zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften BAW-Abzweigfilters, das zwei BAW-Resonatoren einschließt, und das gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist;
8e zeigt ein beispielhaftes Frequenzverhalten des BAW-Abzweigfilters der 8d;
8f zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften BAW-Abzweigfilters, das vier BAW-Resonatoren einschließt, und das gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist;
8g zeigt ein beispielhaftes Frequenzverhalten des BAW-Abzweigfilters der 8f;
8h zeigt eine Ersatzschaltung des BAW-Abzweigfilters der 8f mit konzentrierten Elementen;
8i zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften "ausgeglichenen" Abzweigfilters, das gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist;
8j zeigt eine Ersatzschaltung des ausgeglichen Abzweigfilters der 8i mit konzentrierten Elementen;
9 zeigt ein beispielhaftes Frequenzverhalten eines Abzweigfilters, das vier BAW-Resonatoren und keine Abstimmelemente einschließt, gemäß dem Stand der Technik;
10a zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften Multipolfilters, das Resonatoren X1, X2 und X3, impedanzinvertierende Schaltungen 51a–51d, und Abschlussimpedanzen R_a und R_b einschließt, wobei das Filter gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist;
10b zeigt ein Schaltungsdiagramm eines anderen Multipolfilters, das gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist;
11a zeigt eine beispielhafte impedanzinvertierende Schaltung, die Induktoren L1–L3 einschließt;
11b zeigt eine beispielhafte impedanzinvertierende Schaltung, die Kondensatoren C1–C3 einschließt;
11c zeigt beispielhafte Resonatorreaktanzkurven;
12 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines konventionellen Multipolfilters, das BAW-Resonatoren 56, 57 und 58, impedanzinvertierende Kondensatoren C01, C12, C23 und C34 einschließt;
13 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines anderen konventionellen Multipolfilters des Stands der Technik, wobei das Filter ähnlich dem in 12 ist, aber auch Induktoren L₀₁, L₀₂ und L₀₃ einschließt;
14a zeigt ein Frequenzverhalten des Multipolfilters der 13;
14b zeigt einen Teil des Frequenzverhaltens der 14a über einen Frequenzbereich zwischen 925 MHz und 970 MHz;
15a zeigt ein Schaltungsdiagramm eines weiteren beispielhaften Multipolfilters, das gemäß dem Stand der Technik konstruiert ist, wobei das Filter SCF-Vorrichtungen 57, 58 und 59 und parallel verbundene Induktoren L_p1 und L_p2 einschließt;
15b zeigt ein Frequenzverhaltens des Multipolfilters der 15a;
15c zeigt einen Teil des Frequenzverhaltens der 15b über einen Frequenzbereich zwischen 925 MHz und 970 MHz;
16 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Multipol-Volumenwellen-Resonator-gestapelten Quarzfilters (BAWR-SCF), das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
16b zeigt eine Ersatzschaltung der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung der 16a mit konzentrierten Elementen;
17a zeigt eine Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung, die gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
17b zeigt eine beispielhafte Ersatzschaltung der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung der 17a mit konzentrierten Elementen;
18a zeigt eine beispielhaftes Frequenzverhalten der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung der 16a;
18b zeigt einen Teil des Frequenzverhaltens der 18a über einen Frequenzbereich zwischen 925 MHz und 970 MHz;
19a zeigt ein beispielhaftes Frequenzverhalten der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung der 17a;
19b zeigt einen Teil des Frequenzverhaltens der 19a über einen Frequenzbereich zwischen 925 MHz und 970 MHz;
20a und 20b zeigen jeweilige Teile 100' und 100'' einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 100''', die in 20c gezeigt ist, wobei die Vorrichtung 100''' gemäß der Erfindung konstruiert ist;
20c zeigt die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 100''', die gemäß der Erfindung konstruiert ist;
21a und 21b zeigen jeweilige Teile 116 und 117 einer Vorrichtung 118, die in 21c gezeigt ist, wobei die Vorrichtung 118 gemäß der Erfindung konstruiert ist; und
21c zeigt die Vorrichtung 118, die gemäß der Erfindung konstruiert ist.
Identisch bezeichnete Elemente, die in verschiedenen Figuren auftreten, beziehen sich auf dasselbe Element, aber es kann sein, dass auf sie nicht in der Beschreibung aller Figuren eingegangen wird.
Bevor die aktuell bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben werden, wird zuerst kurz Bezug genommen auf die Volumenwellen-(BAW)-Vorrichtungen, die in den 1a–4a gezeigt sind, und auf die gestapelten Quarzfilter (SCFs), die in den 5a–8a gezeigt sind. Die Volumenwellen-(BAW)-Vorrichtungen, die in den 1a–4a gezeigt sind, sind weiter beschrieben in einer gemeinsamen, akzeptierten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/720,696 mit dem Titel "A Device Incorporating a Tunable Thin Film Bulk Acoustic Resonator for Performing Amplitude and Phase Modulation", eingereicht am 2. Oktober 1996 und erfunden von Juha Ellä. Die gestapelten Quarzfilter (SCFs), die in den 5a–8a gezeigt sind, als auch die Volumenwellen-(BAW)-Vorrichtungen, die in den 1a–4a. gezeigt sind, sind auch beschrieben in der gemeinsamen, anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer: 08/861,216 mit dem Titel "Filters Utilizing Thin Film Stacked Crystal Filter Structures and Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators", eingereicht am 21. Mai 1997 und erfunden von Juha Ellä.
In den 1a und 1b sind eine Seitenansicht eines Querschnitts beziehungsweise eine Aufsicht auf einen Querschnitt eines BAW-Resonators 20, der eine Membran- oder Brückenstruktur 28 aufweist, gezeigt. Der BAW-Resonator 20 umfasst eine piezoelektrische Schicht 22, eine Schicht 38b, eine Schutzschicht 38a (beispielsweise Polyimid), eine erste untere Elektrode 24, eine zweite obere Elektrode 26, die Membran 28, Ätzfenster 40a und 40b, einen Luftspalt 34 und ein Substrat 36. Die piezoelektrische Schicht 22 umfasst beispielsweise ein piezoelektrisches Material, das als ein Dünnfilm hergestellt werden kann, wie beispielsweise Zinkoxid (ZnO), Zinksulfat (ZnS) oder Aluminiumnitrid (AIN). Die Membran 28 umfasst zwei Schichten, nämlich eine obere Schicht 30 und eine untere Schicht 32, obwohl auch nur eine einzelne Membranschicht verwendet werden kann. Die obere Schicht 30 besteht beispielsweise aus Silizium (Si), Siliziumdioxid (SiO₂), Polysilizium (Poly-Si) oder Aluminiumnitrid (AIN), und die untere Schicht 32 besteht beispielsweise aus Silizium, Siliziumdioxid (SiO₂), oder Galliumarsenid (GaAs). Die Schicht 38b besteht auch beispielsweise aus SiO₂ oder GaAs. Die untere Elektrode 24 kann beispielsweise aus Gold (Au), Molybdän (Mo) oder Aluminium (Al) bestehen, wobei aber vorzugsweise Gold verwendet wird, da es größere Vorteile als andere Materialien beim Wachsen der piezoelektrischen Schicht 22 liefert. Die obere Elektrode 26 kann auch aus beispielsweise Gold (Au), Molybdän (Mo) oder Aluminium (Al) bestehen, obwohl vorzugsweise Aluminium verwendet wird, da es weniger elektrische Verluste als die anderen Materialien aufweist. Während der Herstellung der Vorrichtung 20 werden die Schichten 38b und 32 gleichzeitig und als eine einzige Schicht über dem Substrat 36 der Vorrichtung 20 abgelagert. Die Ätzfenster 40a und 40b werden durch ein Ätzen durch diese einzelne Schicht und die Schicht 38a ausgebildet (als Ergebnis werden die getrennt bezeichneten Schichten 38b und 32 geliefert). Das Substrat 36 besteht aus einem Material, wie beispielsweise Silizium (Si), SiO₂, GaAs oder Glas. Durch die Ätzfenster 40a und 40b wird ein Teil des Substrats 36 geätzt, um den Luftspalt 34 auszubilden, nachdem die Membranschichten auf dem Substrat 36 abgelagert wurden.
Betrachtet man die 2, so ist dort ein BAW-Resonator gezeigt. Der BAW-Resonator 21 ist ähnlich dem in 1a dargestellten, mit dem Zusatz einer Opferschicht 39. Während der Herstellung des Resonators 21 wird die Opferschicht 39 über dem Substrat 36 vor der Ablagerung der Membran 28 abgelagert. Nachdem alle Resonatorschichten ausgebildet sind, wird die Opferschicht 39 durch Ätzfenster 40a und 40b entfernt, um einen Luftspalt 34 zu formen. Die Schicht 32 bietet einen Schutz für die piezoelektrische Schicht 22 während des Entfernens der Opferschicht 39.
Für beide Resonatoren 20 und 21 erzeugt die piezoelektrische Schicht 22 Vibrationen in Erwiderung auf eine Spannung, die über den Elektroden 24 und 26 angelegt wird. Die Vibrationen, die die Schnittstelle zwischen der Membran 28 und dem Luftspalt 34 erreichen, werden durch diese Schnittstelle zurück in die Membran 28 reflektiert. Auf diese Weise isoliert der Luftspalt 34 Vibrationen, die durch die piezoelektrische Schicht 22 erzeugt werden, vom Substrat 36.
Die 3a und 3b zeigen eine Seitenansicht eines Querschnitts beziehungsweise eine Aufsicht auf einen Querschnitt einer anderen Vorrichtung, nämlich eines fest montierten BAW-Resonators 23a. Der BAW-Resonator 23a weist eine ähnliche Struktur wie der BAW-Resonator 20 der 1a auf, mit der Ausnahme, dass keine Schicht 38b vorgesehen ist, und die Membran 28 und der Luftspalt 34 durch einen akustischen Spiegel 70 ersetzt sind, der Vibrationen, die durch die piezoelektrische Schicht 22 erzeugt werden, vom Substrat 36 akustisch isoliert. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine Membran oder eine Abstimmschicht (nicht gezeigt) auch zwischen dem akustischen Spiegel 70 und der Elektrode 24 vorgesehen werden können, wenn es notwendig ist, die Vorrichtung 23a abzustimmen, um es ihr zu ermöglichen, das gewünschte Frequenzverhalten zu zeigen.
Der akustische Spiegel 70 kann eine ungerade Anzahl von Schichten umfassen (beispielsweise drei bis neun Schichten). Der in 3a gezeigte akustische Spiegel 70 umfasst drei Schichten, nämlich eine obere Schicht 70a, eine mittlere Schicht 70b und eine untere Schicht 70c. Jede Schicht 70a, 70b und 70c weist eine Dicke auf, die beispielsweise ungefähr gleich einer viertel Wellenlänge bei der Mittenfrequenz der Vorrichtung ist. Die obere Schicht 70a und die untere Schicht 70c bestehen aus Materialien, die niedrige akustische Impedanzen aufweisen, wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumdioxid (SiO₂), Poly-Silizium, Aluminium (Al) oder ein Polymer. Auch die mittlere Schicht 70b besteht aus einem Material, das eine hohe akustische Impedanz hat, wie beispielsweise Gold (Au), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) (Wolfram wird bevorzugt). Ein Verhältnis der akustischen Impedanzen der aufeinander folgenden Schichten ist groß genug, damit die Impedanz des Substrats auf einen niedrigeren Wert transformiert werden kann. Wenn die piezoelektrische Schicht 22 vibriert, werden die Vibrationen, die sie produziert, im wesentlichen durch die Schichten 70a, 70b und 70c vom Substrat 36 isoliert. Da die Vibrationen auf diese Weise isoliert werden, und da kein Ätzen des Substrats 36 während der Herstellung des BAW-Resonators 23 notwendig ist, kann das Substrat aus verschiedenen Materialien bestehen, die niedrige oder hohe akustische Impedanzen aufweisen, wie beispielsweise Si, SiO₂, GaAs, Glas oder ein keramisches Material (beispielweise Aluminiumoxid). Auch kann für jede der dielektrischen Schichten hoher Impedanz, die oben beschrieben sind, Tantaldioxid statt der oben erwähnten Materialien verwendet werden.
In 4a ist ein Querschnitt eines anderen Typs eines BAW-Resonators 80 gezeigt. Der Resonator 80 umfasst eine piezoelektrische Schicht 22, eine erste untere Elektrode 24, eine zweite obere Elektrode 26, eine Membran 88 und ein Substrat 90, das ein Kontaktloch 92 aufweist. Die piezoelektrische Schicht 22, die ersten und zweiten Elektroden 24 und 26 und die Membran 88 bilden eine Stapel, der vorzugsweise eine Dicke von beispielsweise 2 μm bis 10 μm aufweist, und das Substrat 90 weist vorzugsweise eine Dicke von beispielsweise 0,3 mm bis 1 mm auf. Ein Teil des Kontaktlochs 92, der direkt unterhalb der Membran 88 angeordnet ist, weist vorzugsweise eine Länge von beispielsweise 100 μm bis 400 μm auf. Das Substrat 90 kann beispielsweise Si oder GaAs umfassen. Der Resonator 80 funktioniert in ähnlicher Weise wie der oben beschriebene Resonator 20, dadurch dass diese Vorrichtungen eine Luftschnittstelle verwenden, um akustische Vibrationen zu reflektieren, die von den piezoelektrischen Schichten 22 der jeweiligen Vorrichtungen produziert werden. Ein primärer Unterschied zwischen diesen Resonatoren 20 und 80 besteht jedoch im Verfahren, das für das Herstellen der jeweiligen Vorrichtungen verwendet wird. Beispielsweise wird für den Resonator 80, nachdem alle Schichten 22, 24, 26 und 88 ausgebildet sind, ein Teil des Substrats dann von unterhalb des Substrats 90 weggeätzt, um das Kontaktloch 92 zu bilden.
Jeder der oben beschriebenen BAW-Resonatoren kann unter Verwendung einer Dünnfilmtechnik hergestellt werden, die beispielsweise Schritte des Sputterns und der chemischen Dampfphasenabscheidung einschließt. BAW-Resonatoren zeigen Serien- und Parallelresonanzen, die ähnlich denen von beispielsweise Quarzresonatoren sind. Die Resonanzfrequenzen von BAW-Resonatoren können in Abhängigkeit von der Schichtendicke der Vorrichtungen typischerweise im Bereich von ungefähr 0,5 GHz bis 5 GHz liegen. Auch die Impedanzpegel der BAW-Resonatoren sind eine Funktion der horizontalen Abmessungen der Vorrichtungen.
Es wird nun Bezug genommen auf die 5a–8a, die verschiedene Ausführungsformen eines anderen Typs einer BAW-Vorrichtung zeigen, nämlich ein gestapeltes Quarzfilter (SCF). Die 5a und 5b zeigen ein gestapeltes Quarzfilter 20'. Das SCF 20' ist aus Schichten 36, 32, 30, 24, 22, 38a und 38b, einem Luftspalt 34 und Ätzfenstern 40a und 40b, die ähnlich solchen des oben beschriebenen BAW-Resonators 20 sind, aufgebaut. Zusätzlich zu diesen Schichten umfasst das gestapelte Quarzfilter 20' auch eine zweite mittlere Elektrode 26', die ähnlich der Elektrode 26 des oben beschriebenen BAW-Resonators 20 ist, und die als Erdelektrode verwendet wird. Das SCF 20' umfasst auch eine zusätzliche piezoelektrische Schicht 23, die über der Elektrode 26' und über Teilen der piezoelektrischen Schicht 22 abgelagert ist. Das SCF 20' umfasst weiter eine dritte obere Elektrode 25, die über einen oberen Teil der piezoelektrischen Schicht 23 abgelagert ist. Die Elektroden 25 und 26' können ähnliche Materialien wie die Elektroden 24 und 26 des BAW-Resonators 20 aufweisen, und die piezoelektrischen Schichten 22 und 23 können ähnliche Materialien wie die piezoelektrische Schicht 22 des BAW-Resonators 20 aufweisen. Auch kann man aus den 5a und 5b erkennen, dass die Schutzschicht 38a Teile der piezoelektrischen Schicht 23 und der Elektrode 25 zusätzlich zum Abdecken von Teilen der anderen Schichten des SCF 20' abdeckt. Für die Zwecke dieser Beschreibung werden die piezoelektrischen Schichten 22 und 23 des SCF 20' auch als eine erste untere piezoelektrische Schicht 22 und eine zweite, obere piezoelektrische Schicht 23 bezeichnet.
6 zeigt ein gestapeltes Quarzfilter 21', das ähnlich dem der 5a und 5b ist, mit dem Zusatz einer Opferschicht 39. Die Opferschicht 39 wird verwendet, um einen Luftspalt auszuformen (in 6 nicht gezeigt), in einer ähnlichen Weise, wie das oben in Bezug auf 2 beschrieben wurde. Die Schicht 32 liefert einen Schutz für die piezoelektrische Schicht 22 während des Entfernes der Opferschicht 39.
7a zeigt ein fest montiertes gestapeltes Quarzfilter 23', das Schichten 36, 70, 70a, 70b, 70c, 23, 22 und 38a umfasst, die ähnlich denen des BAW-Resonators 23a der 3a und 3b sind. Das SCF 23' umfasst auch eine zusätzliche piezoelektrische Schicht 23, eine zweite, mittlere Elektrode 26' und eine dritte, obere Elektrode 25. Die Elektroden 25 und 26' können ähnliche Materialien wie die Elektroden 24 und 26 des BAW-Resonators 23a umfassen, und die piezoelektrischen Schichten 22 und 23 können ähnliche Materialien, wie die piezoelektrische Schicht 22 des BAW-Resonators 23a umfassen. Die piezoelektrische Schicht 23 ist über Teilen der Elektrode 26' und der piezoelektrischen Schicht 22 angeordnet, und die Elektrode 25 ist über einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 23 angeordnet. Die Elektrode 26' des SCF 23' dient als eine Erdelektrode und bedeckt Teile des akustischen Spiegels 70 und der piezoelektrischen Schicht 22. Die Schutzschicht 38a bedeckt Teile der Schichten 23, 25 und 26' zusätzlich zu anderen Teilen des SCF 23'. 7b zeigt einen oberen Teil des SCF 23', der die Elektroden 24, 25 und 26' einschließt, und einen Teil der Schutzschicht 38a. Für die Zwecke dieser Beschreibung werden die piezoelektrischen Schichten 22 und 23 des SCF 23' auch als eine erste, untere piezoelektrische Schicht 22, und eine zweite, obere piezoelektrische 23 bezeichnet. Es sollt angemerkt werden, dass eine Membran oder eine Abstimmschicht (nicht gezeigt) auch zwischen dem akustischen Spiegel 70 und der Elektrode 24 der Vorrichtung 23' vorgesehen werden können, wenn das für das Abstimmen der Vorrichtung 23' notwendig ist, um es ihr zu ermöglichen, das gewünschte Frequenzverhalten zu liefern.
8a zeigt ein gestapeltes Quarzfilter 80', das aus einem Substrat 90, einer Membran 88, einer ersten unteren Elektrode 24, einer ersten unteren piezoelektrischen Schicht 22 und einem Kontaktloch 92 besteht, die ähnlich denen des oben beschriebenen BAW-Resonators 80 sind. Zusätzlich zu diesen Komponenten umfasst das SCF 80' auch eine zweite, obere piezoelektrische Schicht 23, eine zweite mittlere Elektrode 26' und eine dritte, obere Elektrode 25, die ähnliche Materialien aufweisen, wie sie oben beschrieben wurden. Die mittlere Elektrode 26' ist über Teilen der piezoelektrischen Schicht 22 und der Membran 88 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 23 ist über Teilen der mittleren Elektrode 26' und der piezoelektrischen Schicht 22 angeordnet, und die dritte Elektrode 25 ist über der piezoelektrischen Schicht 23 angeordnet. Die zweite Elektrode 26' dieser Vorrichtung dient als Erdelektrode.
Jeder der in den 5a–8a gezeigten gestapelten Quarzfilter kann unter Verwendung derselben Substratmaterialien und Ablagerungsverfahren hergestellt werden, die verwendet wurden, um die BAW-Resonatoren der 1a–4a herzustellen. Wie oben angegeben ist, ist eine Ersatzschaltung des SCF in 8b gezeigt. Auch sind, wie das oben beschrieben wurde, die SCF-Vorrichtungen mit zwei Anschlüssen, die gleiche Kapazitäten (Co) aufweisen (siehe 8b) und die ähnlich wie LC-Resonanzkreise arbeiten, versehen. Die SCFs zeigen eine Serienresonanz. Wie die oben beschriebenen BAW-Resonatoren sind die Impedanzpegel der gestapelten Quarzfilter eine Funktion der horizontalen Abmessungen der Vorrichtungen. Auch ist, wie bei den oben beschriebenen BAW-Resonatoren, die fundamentale (Serien-)Resonanzfrequenz jedes SCF eine Funktion der Dicke des Schichtenstapels (der beispielsweise die Dicken der Elektroden, der piezoelektrischen Schichten und, sofern vorhanden, der Membran(e) einschließt), der über dem Substrat der Vorrichtung abgesetzt ist.
Wie vorher beschrieben wurde, können konventionelle BAW-Resonator-Multipol-Filter und SCF-Multipol-Filter im allgemeinen nur begrenzte Bandbreiten des Durchlassbandes bieten. Wie vorher beschrieben wurde, kann die Bandbreite des Durchlassbandes eines Multipolfilters zu einem Grad erhöht werden durch das Verbinden verschiedener passiver "Abstimmkomponenten" innerhalb des Filters. Dies Komponenten können beispielsweise diskrete induktive Elemente, wie monolithische spiralförmige Spulen, diskrete Induktoren oder Übertragungsleitungen einschließen, die parallel mit den Resonatoren des Filters verbunden werden. Wie vorher beschrieben wurde, umfassen konventionelle Multipolfilter, die in Serie verbundene Resonatoren einschließen, im allgemeinen impedanzinvertierende Komponenten wie die, die in den 11a und 11b gezeigt sind. Der Einschluss dieser Typen von passiven Elementen in ein Filter kann zu dem Erhöhen der Gesamtgröße und der Komplexität des Filters führen, und die geringen Q-Werte der induktiven Abstimmelemente können zu einer Zunahme des Einfügeverlust des Filters führen. Auch der Einschluss diskreter Induktoren in einem Filter kann bewirken, dass das Filter ein unerwünschtes Ansprechen auf Nebenfrequenzen zeigt, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Wie man erkennt, würde es wünschenswert sein, ein Multipol-Filter zu liefern, das eine reduzierte Anzahl von passiven Elementen im Vergleich zur Anzahl der passiven Elemente, die zumindest in einigen konventionellen Multipolfiltern eingeschlossen sind, einschließt, und das ein besseres Frequenzverhalten liefert als das durch diese konventionellen Multipolfilter geliefert wird.
Unter Berücksichtigung dieser Betrachtungen hat der Erfinder bestimmt, dass durch das Vorsehen von BAW-Resonatoren, SCFs und passiven Komponenten (wie (a) impedanzinvertierende Elemente und (b) induktive Elemente, die parallel mit den BAW-Resonatoren verbunden sind) in einer einzigen Schaltung ein gewünschtes Frequenzverhalten geliefert werden kann, während einige der Nachteile, die mit der Verwendung der BAW-Resonator-Multipol-Filter des Stands der Technik und der SCF-Multipol-Filter des Stands der Technik, die oben beschrieben wurden, verbunden sind, vermieden werden. Insbesondere hat der Erfinder monolithische Filter entwickelt, die aus in Serie verbunden BAW-Resonatoren und gestapelten Quarzfiltern bestehen, und die auch eine reduzierte Anzahl von induktiven Abstimmelementen und impedanzinvertierenden Elementen im Vergleich zur Anzahl dieser Elemente, die in mindestens einigen der konventionellen Multipol-Filter verwendet werden, aufweisen. Durch das Einfügen von SCF-Vorrichtungen in die Filter hat der Erfinder die äquivalente Parallelkapazität C₀ der SCF-Vorrichtungen zu dem Vorteil ausgebeutet, dass die Filter der Erfindung so konstruiert sind, dass die Parallelkapazitäten Co als impedanzinvertierende Komponenten zwischen den Resonatoren der Filter funktionieren, um somit die Anzahl der diskreten impedanzinvertierenden Elemente, die in diesen Filtern verwendet werden müssen, zu reduzieren. Diese Parallelkapazitäten funktionieren in Verbindung mit diskreten impedanzinvertierenden Elementen in den Filtern für das Transformieren einer Abschlussimpedanz der jeweiligen Filter von einer ersten Impedanz zu einer zweiten Impedanz.
Die Filter der Erfindung liefern eine breite Bandbreite des Durchlassbandes und einen hohen Grad der Dämpfung des Sperrbereichs und als solche auch ein verbessertes Frequenzverhalten im Vergleich zu solchen, die beispielsweise durch BAW-Resonator-Multipol-Filter und SCF-Multipol-Filter des Stands der Technik geliefert werden. Die Filter der Erfindung werden hier nachher als Multipol-Volumenwellen-Resonator-gestapelte Quarzfilter-(BAWR-SCF)-Vorrichtungen oder Schaltungen (oder FBAR-SCF-Vorrichtungen) bezeichnet und können gemäß verschiedenen Topologien ausgebildet werden, wie das nachfolgend beschrieben wird. Die BAW-Resonatoren der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen können ähnlich denen, die oben beschrieben und in den 1a–4a gezeigt wurden, sein, und die SCFs der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen können ähnlich denen, die oben beschrieben und in den 5a–8a gezeigt wurden, sein.
Bevor die verschiedenen Ausführungsformen der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung beschrieben werden, wird Bezug genommen auf Aspekte der Erfindung, die die Basistopologie, die Herstellung und die Leistung dieser Vorrichtung betreffen. Die Basistopologie der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung umfasst eine Vielzahl von in Serie verbundenen BAW-Resonatoren und SCF-Vorrichtungen, induktive Elemente, die parallel mit den BAW-Resonatoren verbunden sind, und parallel verbundene impedanzinvertierende Elemente. Die Anzahl der BAW-Resonatoren und der SCF-Vorrichtungen, die in den Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung eingeschlossen sind, hängt beispielsweise vom Frequenzverhalten (beispielsweise die Anzahl der Pole, die Bandbreite/Form des Durchlassbandes (das ist Butterworth oder Chebyshev), die Größe der Welligkeit des Durchlassbandes, etc.) und den Abschlussimpedanzpegeln, die vorgesehen werden sollen, ab. Beispielsweise veranlasst jeder BAW-Resonator und jede SCF-Vorrichtung, die in den Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen enthalten sind, die Vorrichtungen, einen entsprechenden Pol auszubilden. Auch die Anzahl der induktiven Elemente, die in den Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen verwendet werden, ist dieselbe wie die Anzahl der BAW-Resonatoren, die in diesen Vorrichtungen verwendet werden.
Während der Konstruktion der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung werden die Abmessungen für die Dicken und die Flächen der BAW-Resonatorschichten und der SCF-Schichten der Vorrichtungen vorzugsweise so gewählt, dass die BAW-Resonatoren und die SCFs bei den gewünschten Frequenzen in Resonanz gelangen. Nachdem diese Flächen und Dicken ausgewählt sind, werden Elementwerte der Ersatzschaltung (beispielsweise Lm, Cm und C₀) für die BAW-Resonatoren und die SCFs als auch Werte für die impedanzinvertierenden Komponenten (induktiv oder kapazitiv) bestimmt (beispielsweise wird der Wert der äquivalenten Kapazität C₀ der Vorrichtungen vorzugsweise so gewählt, dass eine Resonanz bei der Mittenfrequenz des Filters auftritt). Auch Werte für die induktiven Elemente (die parallel mit den BAW-Resonatoren verbunden sind) werden ausgewählt, die Induktivitätswerte der induktiven Elemente (das sind Abstimmelemente), die in den Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung verwendet werden, hängen beispielweise von den Resonanzfrequenzen und somit den Dicken der piezoelektrischen Schichten der BAW-Resonatoren ab, mit denen die induktiven Elemente parallel verbunden sind. Beispielsweise werden die Werte der induktiven Elemente, die in einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung verwendet werden, vorzugsweise so ausgewählt, dass jedes induktive Element eine Parallelresonanzfrequenz aufweist, die ähnlich der der äquivalenten Parallelkapazität Co des BAW-Resonators ist, mit dem das induktive Element parallel verbunden ist. Diese Frequenz ist die Mittenfrequenz des BAW-Resonators und die Mittenfrequenz des Durchlassbandes der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung. Auf diese Weise kann jedes induktive Element bewirken, dass die äquivalente Parallelkapazität Co an der Mittenfrequenz der Resonatorvorrichtung gelöscht wird, und kann auch bewirken, dass die Parallel- und Seriellresonanzfrequenzen der Resonatorvorrichtung durch ein breiteres Frequenzband voneinander getrennt werden, als das ohne das induktive Element der Fall wäre. Somit wird die Bandbreite des Durchlassbandes des Multipol-BAWR-SCF-Filters relativ zu der, die durch das Filter ohne solche induktiven Abstimmelemente geliefert wird, erhöht.
Die Bestimmung der passenden Werte für die Schichtendicke/Schichtenfläche des BAW-Resonators und des SCF als auch die Bestimmung der Werte der verschiedenen induktiven und kapazitiven Komponenten kann gemäß jeder geeigneten bekannten Filtergestaltungstechnik durchgeführt werden.
Die Impedanzinversionsparameterwerte (das sind K_j, K_j+1 etc.) für die impedanzinvertierenden Elemente, die in den BAWR-SCF-Vorrichtungen verwendet werden, können auch unter Verwendung der oben angegebenen Gleichungen (1–4) berechnet werden, wenn man annimmt, dass die gewünschte Anzahl der Pole für die Vorrichtungen und die Werte für passende Variablen in den Gleichungen (beispielsweise Werte für die Abschlussimpedanzen R_a und R_a, die Bruchteilbandbreite w, etc.) ausgewählt wurden.
Da diese Impedanzinversionsparameterwerte die gesamten äquivalenten Kapazitäten und/oder Induktivitäten, die im Filter vorgesehen sind, beeinflussen, und da sie unterschiedlich für unterschiedliche impedanzinvertierende Elemente innerhalb des Filters sein können, kann es sein, dass die berechneten Werte der Ersatzschaltungselemente (beispielsweise Lm, Cm und C₀) als auch die Dicken/Flächen der Resonatorschichten nach der Herstellung etwas modifiziert werden müssen, um es den BAW-Resonatoren und den SCF-Komponenten zu ermöglichen, an den gewünschten Frequenzen in Resonanz zu kommen, und um zu bewirken, dass die parasitären Kapazitäten gewünschte Werte annehmen. Somit können mindestens einige der Resonatorkomponenten der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen sich unterscheidende Schichtenstapeldicken und entsprechend unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Beispielsweise wird angenommen, dass es gewünscht wird, eine Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung zu liefern, die n aufeinander folgende Resonatorkomponenten (die BAW-Resonatoren und SCFs einschließen) aufweist, wobei die Vorrichtung entweder ein Frequenzverhalten des Chebyshev-Typs, das eine ungerade Anzahl von Polen aufweist, oder ein Frequenzverhalten des Butterworth-Typs ergibt, und wobei die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Vorrichtung ähnliche Abschlussimpedanzen aufweisen. In diesem Fall kann eine erste der Resonatorkomponenten und eine n-te der Resonatorkomponenten ähnliche Schichtenstapeldicken und Resonanzfrequenzen aufweisen. Diese Dicken und Resonanzfrequenzen können sich jedoch von solchen der anderen der Resonatorkomponenten der Vorrichtung unterscheiden, wie der zweiten und einer (n – 1)-ten der Resonatorkomponenten der Vorrichtung, die beide ähnliche Schichtenstapeldicken und Resonanzfrequenzen aufweisen können, etc. In einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung, die konstruiert ist, um 5 oder 6 Pole zu haben, kann es beispielsweise drei unterschiedliche Frequenzen geben, bei denen die verschiedenen Resonatoren in Resonanz kommen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können die SCFs jeder Multipol-BAWR-SCF-Schaltung so hergestellt werden, dass sie Schichtenstapel aufweisen, die Dicken besitzen, die es den SCFs ermöglichen, entweder eine fundamentale (Serien-)Resonanzfrequenz oder eine zweite harmonische (Serien-)Resonanzfrequenz bei oder nahe der "vorgesehenen" Mittenfrequenz der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung zu ergeben. Wie man erkennt, werden die Schichtenstapeldicken der SCFs sich in jedem Fall unterscheiden. Dieser Unterschied in den Schichtenstapeldicken wird vorzugsweise durch einen Unterschied in den Dicken der piezoelektrischen Schichten der Stapel geliefert, obwohl der Unterschied auch durch Unterschiede in den Dicken der verbleibenden Schichten der Stapel geliefert werden kann. Welche dieser "Schichtendickenunterschiede" verwendet wird, kann jedoch von verschiedenen Betrachtungen abhängen, wie anwendbaren Konstruktionserfordernissen, die relative Leichtigkeit der Herstellung der Vorrichtung für jeden Fall (beispielsweise wird es bevorzugt, dass die Herstellung der Vorrichtung so einfach wie möglich ist), etc.
Vorzugsweise sind die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung so konstruiert, dass die SCFs eine zweite harmonische Resonanz ergeben, statt eine fundamentale Resonanz bei ungefähr der Mittenfrequenz der jeweiligen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen. Dies ergibt sich deswegen, weil die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen leichter herzustellen sind in dem Fall, bei dem die SCFs die zweite harmonische Resonanz bei ungefähr der Mittenfrequenz der jeweiligen Vorrichtungen ergeben. Es sollte angemerkt werden, dass, sofern gewünscht, die Mulitpol-BAWR-SCF-Schaltungen auch so hergestellt werden können, dass die SCFs andere harmonische Resonanzfrequenzen neben der fundamentalen und der zweiten harmonischen Resonanzfrequenz zeigen, bei ungefähr der "gewünschten" Mittenfrequenz der jeweiligen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen in einer Weise konstruiert werden, dass eine minimale Anzahl von Kontaktlöchern in die Strukturen der jeweiligen Vorrichtungen eingefügt sind. Dieser Aspekt der Erfindung als auch der Aspekt der Erfindung, der sich auf den Betrieb der SCFs entweder bei der fundamentalen Resonanzfrequenz oder der zweiten harmonischen Resonanzfrequenz bezieht, ist weiter beschrieben in der gemeinsamen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/861,216. Die Beschreibung dieser US-Patentanmeldung wird durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen.
Eine Ausführungsform einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung gemäß dieser Erfindung wird nun beschrieben. Betrachtet man die 16a, so ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung gezeigt, die eine Basistopologie einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung besitzt, die gemäß dieser Erfindung konstruiert ist. Die Schaltung, nämlich eine Multipol-BAWR-SCF-Schaltung (oder Vorrichtung) 1, umfasst die BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2), ein gestapeltes Quarzfilter 4, impedanzinvertierende Elemente, die als Kondensatoren C01 und C34 und Induktoren L₀₁ und L₀₂ ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung ein Vierpol und umfasst Anschlüsse (oder Knoten) (P1) und (P2) und Anschlüsse (O1) und (O2). Die Anschlüsse (P1) und (P2) sind beispielsweise 50 Ohm Anschlüsse, und die Anschlüsse (O1) und (O2) sind beispielsweise auch 50 Ohm Anschlüsse. Die Anschlüsse (P2) und (Q2) sind während der Verwendung vorzugsweise mit Erde verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 ist der impedanzinvertierende Kondensator C01 über den Anschlüssen (P1) und (P2) verbunden, der impedanzinvertierende Kondensator C34 ist über den Anschlüssen (O1) und (O2) verbunden, der Induktor L₀₁ ist parallel mit dem BAW-Resonator (BAW1) verbunden, und der Induktor L₀₂ ist parallel mit dem BAW-Resonator (BAW2) verbunden. Genauer gesagt ist ein erster Kontakt C01' des impedanzinvertierenden Kondensators C01 mit dem Anschluss (P2) gekoppelt, und ein zweiter Kontakt C01'' des impedanzinvertierenden Kondensators C01 ist mit dem Anschluss (P1) gekoppelt. Ein erster Kontakt C34' des impedanzinvertierenden Kondensators C34 ist mit dem Anschluss (O2) gekoppelt, und ein zweiter Kontakt C34'' des impedanzinvertierenden Kondensators C34 ist mit dem Anschluss (O1) gekoppelt. Auch ist eine Elektrode 21a des BAW-Resonators (BAW1) mit dem Anschluss (P1) gekoppelt, und eine Elektrode 21b des BAW-Resonators (BAW1) ist mit einer Elektrode 4a des SCF 4 gekoppelt. Eine Elektrode 4b des SCF 4 ist mit einer Elektrode 21a' des BAW-Resonators (BAW2) gekoppelt, und eine Elektrode 20 des SCF 4 ist mit einem Knoten (G1) verbunden (der während der Verwendung vorzugsweise mit Erde gekoppelt ist). Darüber hinaus ist eine Elektrode 21b' des BAW-Resonators (BAW2) mit dem Anschluss (O1) gekoppelt.
16a zeigt auch piezoelektrische Schichten 21c und 21c' der BAW-Resonatoren (BAW1) beziehungsweise (BAW2), und piezoelektrische Schichten 4c und 4d des SCF 4. Zur Klarheit sind die andere Schichten der Vorrichtungen 4 (BAW1) und (BAW2) neben den Elektroden und den piezoelektrischen Schichten in 16a nicht gezeigt.
Die Multipol-BAWR-SCF-Schaltung 1 ist eine Dreipolvorrichtung und weist eine Ersatzschaltung in Form konzentrierter Elemente auf, die ähnlich der ist, die in 16b gezeigt ist. Gemäß dieser Erfindung funktionieren die äquivalenten Parallelkapazitäten C_0(SCF) des SCF4 als auch die Komponenten C01 und C34 als impedanzinvertierende Elemente, wie man das aus 16b erkennen kann. Da die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 der Erfindung diese äquivalenten Parallelkapazitäten C_0(SCF) einschließt und sie als impedanzinvertierende Elemente verwendet statt zusätzliche diskrete impedanzinvertierende Elemente zu verwenden, wie die Komponenten C12 und C23 des Filters 59 des Stands der Technik, das oben beschrieben wurde, ist die Vorrichtung 1 strukturell weniger komplex und kompakter als dieser Filter 59.
Die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 ergibt ein verbessertes Frequenzverhalten relativ zu einem solchen, das beispielsweise durch das Filter 59 der 13 erhalten wird. Es wird beispielsweise nun Bezug auf die 18a und 18b genommen, die ein beispielhaftes Frequenzverhalten der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung 1 über Frequenzbereiche von 400 MHz–1,2 GHz beziehungsweise 925 MHz–970 MHz zeigen. Für dieses beispielhafte Frequenzverhalten wird angenommen, dass 1) die Vorrichtung 1 so konstruiert ist, dass sie ein Durchlassband ergibt, das eine Bandbreite von ungefähr 25 MHz und eine Mittenfrequenz von ungefähr 947,5 MHz aufweist (diese Werte werden typischerweise in GSM-Empfangsbandanwendungen verwendet), 2) das SCF 4 so konstruiert ist, dass es eine zweite harmonische Frequenz bei der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der Vorrichtung 1 ergibt, 3) die Induktoren L₀₁ und L₀₂ jeweils Induktivitätswerte aufweisen, wie sie in Tabelle 5 gezeigt sind, 4) die Kondensatoren C01 und C34 jeweils Kapazitätswerte besitzen, wie sie in Tabelle 5 gezeigt sind, 5) die einzelnen BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2) und das SCF 4 Schichten einschließen, die die Materialien und Dicken aufweisen, wie sie in Tabelle 5 gezeigt sind, und 6) die Elektroden der Resonatoren (BAW1) und (BAW2), und die Elektroden des SCF4 Flächen aufweisen, wie sie in Tabelle 5 gezeigt sind.
Tabelle 5
Den Grad der Verbesserung des Frequenzverhaltens der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 relativ zum Frequenzverhalten, das vom Filter 59 der 13 gezeigt wird (das im Gegensatz zur Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 kein SCF 4 umfasst) kann man sehen, indem man die 18a und 18b mit den 14a und 14b vergleicht (die das Frequenzverhalten und Durchlassbandverhalten des Filters 59 zeigen, wenn man annimmt, dass die Komponenten des Filters 59 gemäß der Information von Tabelle 3, die oben beschrieben wurde, konstruiert sind). Wie man aus diesen Figuren sieht, sind die Formen des Durchlassbandes, das sich durch die jeweiligen Vorrichtungen 1 und 59 ergibt, ähnlich, aber das Niveau der Dämpfung des Sperrbereichs, das von der Vorrichtung 1 geliefert wird, bei Frequenzen, die niedriger als die Frequenzen des Durchlassbandes sind, ist wesentlich größer als das, das durch die Vorrichtung 59 bei ähnlichen Frequenzen geliefert wird, was durch das Einfügen des SCF 4 in die Vorrichtung 1 bewirkt wird. Das Niveau der Außer-Band-Zurückweisung, das durch die Vorrichtung 1 geliefert wird, beträgt mindestens 27 dB. Ein anderer Vorteil, der von der Vorrichtung 1 der Erfindung geliefert wird, ist der, dass die Vorrichtung 1 eine geringere Anzahl von Induktoren L₀₁ und L₀₂ als das Filter 59 der 13 umfasst.
Es sollte angemerkt werden, dass in Abhängigkeit von den Anforderungen für eine interessierende Anwendung jedes der Paare der Anschlüsse (P1) und (P2) und (O1) und (O2) als Eingangsanschlüsse oder Ausgangsanschlüsse für die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 verwendet werden kann, da die Übertragung von Energie in der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 entweder in der Richtung von den Anschlüssen (P1) und (P2) zu den Anschlüssen (O1) und (O2) oder in der Richtung von den Anschlüssen (O1) und (O2) zu den Anschlüssen (P1) und (P2) geliefert werden kann. Da die Energie in der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 in jeder Richtung übertragen werden kann, funktioniert die Vorrichtung 1 ähnlich und ergibt dieselben Leistungseigenschaften (oben beschrieben) in jedem Fall.
Eine andere Ausführungsform einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung gemäß dieser Erfindung wird nun beschrieben. Betrachtet man die 17a, so ist ein schematisches Diagramm einer Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung (oder Schaltung) 3 gezeigt, die gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. Die Vorrichtung 3 umfasst einen BAW-Resonator (BAW1), gestapelte Quarzfilter 6 und 8, impedanzinvertierende Elemente, die vorzugsweise Kondensatoren C12 und C23 umfassen, und einen Induktor L₀. Vorzugsweise ist auch die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 ein Vierpol und umfasst Anschlüsse (oder Knoten) (P1) und (P2) und Anschlüsse (O1) und (O2). Die Anschlüsse (P1) und (P2) sind beispielsweise 50 Ohm Anschlüsse, und die Anschlüsse (O1) und (O2) sind auch beispielsweise 50 Ohm Anschlüsse. Die Anschlüsse (P2) und (O2) sind während des Gebrauchs vorzugsweise mit Erde gekoppelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 sind das SCF 6, der BAW-Resonator (BAW1) und das SCF 8 in Serie verbunden. In der Vorrichtung 3 ist eine Elektrode 6a des SCF 6 mit dem Anschluss (P1) gekoppelt, eine mittlere Elektrode 20 des SCF 6 ist mit einem Knoten (G1) gekoppelt, und eine Elektrode 6b des SCF 6 ist mit einem Knoten (I1) gekoppelt. Auch eine Elektrode 8b des SCF 8 ist mit dem Anschluss (O1) gekoppelt, eine mittlere Elektrode 20 des SCF 8 ist mit einem Knoten (G4) verbunden und eine Elektrode 8a des SCF 8 ist mit einem Knoten (I2) verbunden. Ein Kontakt C12' des Kondensators C12 ist mit dem Konten (I1) gekoppelt, und ein Kontakt C12'' des Kondensators C12 ist mit einem Knoten (G2) gekoppelt. Ein Kontakt C23' des Kondensators C23 ist mit dem Konten (I2) gekoppelt, und ein Kontakt C23'' des Kondensators C23 ist mit dem Knoten (G3) gekoppelt. Der BAW-Resonator (BAW1) besitzt eine Elektrode 21a, die mit dem Knoten (I1) gekoppelt ist, und auch eine Elektrode 21b, die mit dem Knoten (I2) gekoppelt ist. Somit ist der BAW-Resonator (BAW1) zwischen den SCFs 6 und 8 gekoppelt. Der Induktor L₀ ist parallel mit dem BAW-Resonator (BAW1) verbunden. Die Knoten (G1)–(G4) sind während des Gebrauchs vorzugsweise mit Erde gekoppelt. Wie die oben beschriebene Vorrichtung 1 ist die Multipol-BAWR-SCF-Schaltung 3 eine Dreipolvorrichtung.
17a zeigt auch piezoelektrische Schichten 6c und 6d des SCF 6, piezoelektrische Schichten 8c und 8d des SCF 8 und eine piezoelektrische Schicht 21c des BAW-Resonators (BAW1). Zur Klarheit sind die andere Schichten der Vorrichtungen 6, 8 und (BAW1) neben den Elektroden und den piezoelektrischen Schichten in 17a nicht gezeigt.
Gemäß dieser Erfindung funktionieren die äquivalenten Parallelkapazitäten C_0(SCF) des SCF4 als auch die Komponenten C12 und C23 als impedanzinvertierende Elemente, wie man das aus 17b erkennen kann, die ein Ersatzschaltung in Form konzentrierter Elemente der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung 3 zeigt.
Die 19a und 19b zeigen ein Frequenzverhalten der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung 3 über Frequenzbereiche von 400 MHz–1,2 GHz beziehungsweise 925 MHz–970 MHz für einen beispielhaften Fall, in dem 1) die Vorrichtung 3 so konstruiert ist, dass sie ein Durchlassband ergibt, das eine Bandbreite von ungefähr 25 MHz und eine Mittenfrequenz von ungefähr 947,5 MHz aufweist (diese Werte werden typischerweise in GSM-Empfangsbandanwendungen verwendet), 2) die SCFs 6 und 8 so konstruiert sind, dass sie eine zweite harmonische Frequenz bei der Mittenfrequenz des Durchlassbandes ergeben, 3) der Induktor L₀ einen Induktivitätswert aufweist, wie er in Tabelle 6 gezeigt ist, 4) die Kondensatoren C12 und C23 jeweils Kapazitätswerte besitzen, wie sie in Tabelle 6 gezeigt sind, 5) der BAW-Resonator (BAW1) und die einzelnen SCFs 6 und 8 Schichten einschließen, die die Materialien und Dicken aufweisen, wie sie in Tabelle 6 gezeigt sind, und 6) die Elektroden des Resonators (BAW1) und der SCFs 6 und 8 Flächen aufweisen, wie sie in Tabelle 6 gezeigt sind.
Tabelle 6
Die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 zeigt ein verbessertes Frequenzverhalten relativ zu dem, das beispielsweise das Filter 56 der 15a zeigt (das im Gegensatz zur Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 keinen BAW-Resonator (BAW1) einschließt), wenn man annimmt, dass die Komponenten des Filters 56 gemäß der Information von der oben gezeigten Tabelle 4 konstruiert wurden. Dis kann man sehen, indem man die 19a und 19b, die das Frequenzverhalten und das Durchlassbandverhalten der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 zeigen, mit den 15b und 15c vergleicht, die das Frequenzverhalten und das Verhalten des Durchlassbandes des Filters 56 zeigen. Wie man aus diesen Figuren sieht, sind die Formen des Durchlassbandes der jeweiligen Vorrichtungen 3 und 56 ähnlich. Die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 liefert jedoch bessere Dämpfungseigenschaften des Sperrbereichs als sie von der Vorrichtung 56 geliefert werden, insbesondere bei ungefähr der Frequenz (ungefähr 500 MHz) der fundamentalen Resonanzen der SCFs 6 und 8. Das Filter 56 zeigt ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei ungefähr 640 MHz. Dieses Ansprechen auf Nebenfrequenzen wird durch Parallelresonanzen der parallel verbundenen Induktoren L_p1 und L_p2 und die äquivalenten Parallelkapazitäten (C₀) der SCFs 57–59 des Filters 56 verursacht. Die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 der Erfindung ergibt andererseits ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei ungefähr 740 MHz. Dieses Ansprechen auf Nebenfrequenzen wird durch die Serienresonanz des BAW-Resonators (BAW1) in Kombination mit dem Induktor L₀ und den SCFs 6 und 8 verursacht, wobei der Induktor L₀ bei ungefähr 740 MHz induktiv ist, und die SCFs 6 und 8 bei dieser Frequenz kapazitiv sind.
Zusätzlich zu einem verbesserten Frequenzverhalten relativ zu der des Filters 56 weist die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 der Erfindung einen anderen Vorteil gegenüber dem Filter 56 aus, dadurch dass die Vorrichtung 3 nur einen einzigen diskreten Induktor L₀ einschließt. Das Filter 56 umfasst im Gegensatz dazu zwei diskrete Induktoren, nämlich die Induktoren L_p1 und L_p2.
Es sollte angemerkt werden, das in einigen Anwendungen, wenn es erforderlich ist, dass die Vorrichtung 3 ein noch besseres Frequenzverhalten zeigt, wie beispielweise einen reduzierten Welligkeitspegel und/oder wenn es gewünscht wird, einen besseren Grad einer Komponentenanpassung für die Vorrichtung 3 zu haben, zusätzliche parallele Induktorelemente (nicht gezeigt) in die Vorrichtung 3 eingefügt werden können und zwischen die Anschlüsse (P1) und (P2) und zwischen die Anschlüsse (O1) und (O2) gekoppelt werden können.
Wie für die oben beschriebene BAWR-SCF-Vorrichtung 1, sollte angemerkt werden, dass in Abhängigkeit von den anwendbaren Leistungskriterien jedes der Paare der Anschlüsse (P1) und (P2) und (O1) und (O2) der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 als Eingangsanschlüsse oder Ausgangsanschlüsse verwendet werden kann, da die Übertragung von Energie in der Vorrichtung 3 entweder in der Richtung von den Anschlüssen (P1) und (P2) zu den Anschlüssen (O1) und (O2) oder in der Richtung von den Anschlüssen (O1) und (O2) zu den Anschlüssen (P1) und (P2) geliefert werden kann. Da die Energie in der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 3 in jeder Richtung übertragen werden kann, funktioniert die Vorrichtung 3 ähnlich in jedem Fall und ergibt dieselben Leistungseigenschaften (oben beschrieben) in jedem Fall.
Die oben beschriebenen Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen 1 und 3 können als monolithische integrierte Schaltungen hergestellt werden oder sie können jeweils hergestellt werden, um einen BAW-Resonator und die SCF-Komponenten auf jeweils getrennten Wafern auszubilden. Auch, und wie das oben beschrieben wurde, können die Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen 1 und 3 irgend einen der verschiedenen Typen von BAW-Resonatoren, die oben beschrieben und in den 1a–4a gezeigt sind, und irgend einen der verschiedenen Typen der SCFs, die oben beschrieben und in den 5a–8a gezeigt sind, einschließen. Beispielsweise kann jeder BAW-Resonator und SCF "Brückenstrukturen" (das sind eine oder mehrere Membranschichten) wie der BAW-Resonator 20 der 1a und der SCF 20' der 5a umfassen. Beispielsweise können auch jeder BAW-Resonator und das SCF eine fest montierte Vorrichtung (eine Vorrichtung, die einen akustischen Spiegel einschließt) sein ähnlich denen, die in den 3a beziehungsweise 7a gezeigt sind.
Die Verwendung von akustischen Spiegelstrukturen in den BAW-Resonatoren und den SCFs der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber der Verwendung anderer Typen von Strukturen (wie beispielsweise Brückenstrukturen) im BAW-Resonator und den SCF-Komponenten der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen. Ein Vorteil ist der, dass akustische Spiegelvorrichtung strukturell unempfindlicher als die meisten anderen Typen von Vorrichtungen sind. Ein anderer Vorteil ist der, dass bei Anwendungen mit höherer Leistung jegliche Wärme, die durch die Verluste in den Vorrichtungen erzeugt werden mag, wirksam zu den Substraten der jeweiligen Vorrichtungen über die akustischen Spiegel abgeführt wird.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von akustischen Spiegelstrukturen in den Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen der Erfindung ist der, dass die akustischen Spiegel helfen können, unerwünschte harmonische Antworten, die innerhalb der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen erzeugt werden können, zu dämpfen. Dies kann man weiter verstehen anhand des folgenden Beispiels. In diesem Beispiel wird angenommen, dass in den oben beschriebenen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen die piezoelektrischen Schichten jedes SCF jeweils eine Dicke aufweisen, die gleich der Dicke der einzelnen piezoelektrischen Schicht der jeweiligen BAW-Resonatoren ist, und dass als ein Ergebnis jeder SCF eine zweite harmonische Resonanz an einer Mittenfrequenz der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung zeigt. Es wird auch angenommen, dass die BAW-Resonatoren und die SCFs der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen akustische Spiegelschichten enthalten, und dass jede akustische Spiegelschicht eine Dicke von einer viertel Wellenlänge (beispielsweise λ/4) bei der Mittenfrequenz der jeweiligen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung besitzt. In diesem Fall zeigt jeder SCF eine fundamentale Resonanz bei einer Frequenz, die ungefähr gleich einer Hälfte der Mittenfrequenz der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung ist, und kann so ein Ansprechen auf Nebenfrequenzen bei dieser Frequenz verursachen. Bei der fundamentalen Resonanzfrequenz des SCF beträgt die Dicke jeder akustischen Spiegelschicht λ/8. Wie Fachleute erkennen werden, ist bei dieser Frequenz die Menge der akustischen Energie, die zurück zur unteren piezoelektrischen Schicht des SCF durch die Zwischenschicht zwischen der oberen Schicht des akustischen Spiegels und der unteren Elektrode des SCF reflektiert wird, klein. Somit wird die Ansprechen auf Nebenfrequenzen des SCF bei seiner fundamentalen Resonanzfrequenz gedämpft. Es sollte angemerkt werden, dass in Fällen, in welchen eine Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung so hergestellt wird, dass sie Strukturen des "Brückentyps" statt akustische Spiegelstrukturen umfasst, eine externe Anpassungsschaltung verwendet werden kann, um jegliches Ansprechen auf Nebenfrequenzen zu dämpfen, das bei der fundamentalen Resonanzfrequenz des SCF auftreten kann, wobei aber zumindest eine gewisse Dämpfung auch von den BAW-Resonatoren der Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung geliefert wird.
Als ein anderes Beispiel wird angenommen, dass jede piezoelektrische Schicht des SCF eine Dicke hat, die gleich der Hälfte der Dicke jeder einzelnen piezoelektrischen Schicht der BAW-Resonatoren ist, und dass als ein Ergebnis das SCF eine fundamentale Resonanz bei der Mittenfrequenz der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung zeigt. In diesem Fall können harmonische Resonanzen des SCF und der BAW-Resonatoren der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung ein Falschansprechen verursachen, obwohl kein Falschansprechen bei Frequenzen auftreten kann, die niedriger als die Mittenfrequenz der Multipol-BAWR-SCF-Schaltung sind. Beispielsweise kann ein Falschansprechen auftreten bei den zweiten harmonischen Resonanzfrequenzen des SCF und der BAW-Resonatoren. Bei der zweiten harmonischen Resonanzfrequenz des SCF haben die Schichten des akustischen Spiegels des SCF eine Dicke, die gleich λ/2 ist, und keine Impedanztransformation des Substrats der Vorrichtung tritt an der Schnittstelle zwischen der oberen akustischen Spiegelschicht und der unteren Elektrode auf. Somit wird akustische Energie durch diese Schnittstelle nicht weg vom Substrat und zurück zu den piezoelektrischen Schichten reflektiert, sondern breitet sich stattdessen im Substrat aus. Dies bewirkt, dass das Falschansprechen des SCF bei seiner zweiten harmonischen Resonanzfrequenz gedämpft wird.
Ein anderer Aspekt der Erfindung wird nun beschrieben. Die induktiven Elemente L₀, L₀₁ und L₀₂ der oben beschriebenen Vorrichtungen 1 und 3 können jeweils jeden geeigneten Typ einer induktiven Vorrichtung, wie beispielsweise eine spiralförmige Spule, umfassen. Auch die impedanzinvertierenden Kondensatorelemente C01, C34, C12 und C23 der Vorrichtungen 1 und 3 können jeden geeigneten Typ der Kondensatorvorrichtung für das Liefern einer Impedanzinversion, wie beispielsweise einen Mikrostreifenleiter oder einen konzentrierten Elementkondensator umfassen. Die induktiven Elemente L₀, L₀₁ und L₀₂ und die impedanzinvertierenden Elemente C01, C34, C12 und C23 der Vorrichtungen 1 und 3 können auf demselben Substrat wie die BAW-Resonatoren und die SCF-Vorrichtungen, die in diesen jeweiligen Vorrichtungen 1 und 3 eingeschlossen sind, ausgebildet werden. Auch in Fällen, bei denen es notwendig ist, dass diese Vorrichtungen 1 und 3 auf Leiterplatten montiert werden, ist es vorteilhaft, dass die verschiedenen induktiven Abstimmelemente und die impedanzinvertierenden Elemente der jeweiligen Vorrichtungen 1 und 3 auf einem Leiterplattensubstrat hergestellt werden. Beispielsweise zeigt die 20a eine perspektivische Ansicht einer Struktur 100', die ein Substrat 100 einschließt (das aus beispielsweise Si, GaAs, Glas oder einem keramischen Material bestehen kann), das die induktiven Elemente L₀₁ und L₀₂ und die impedanzinvertierenden Elemente C01 und C34, die darauf montiert sind, umfasst. Die Struktur 101' stellt einen strukturellen Teil der oben beschriebenen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 dar. Das Substrat 100 ist in 20a so gezeigt, als ob es um 180 Grad um eine Achse (z) gedreht wurde (das heißt, das Substrat 10 ist gezeigt, wie es von einer perspektivischen Ansicht, die auf einen hinteren Teil des Substrats 100 herab schaut, betrachtet wird) und es wird angenommen, dass eine hintere Fläche und zwei Seitenflächen entfernt wurden.
Vorzugsweise umfassen die induktiven Elemente L₀₁ und L₀₂ Spiralspulen und werden während der Herstellung optimiert, um geringe Verluste und hohe Q-Werte zu liefern. Die impedanzinvertierenden Elemente C01 und C34 umfassen vorzugsweise konzentrierte Elementkondensatoren. Wie man aus 20a sehen kann, ist in der Struktur 100' das induktive Element L₀₁ an einem Ende mit dem Kontakt C01'' des impedanzinvertierenden Elements C01 durch eine Kontaktfläche 100a gekoppelt, und das induktive Element L₀₂ ist an einem seiner Enden mit dem Kontakt C34'' des impedanzinvertierenden Elements C34 durch eine Kontaktfläche 100d verbunden. Die Kontakte 101a und 101d sind auch gezeigt, wie sie mit den Kontaktflächen 100a beziehungsweise 100d verbunden sind. Darüber hinaus sind Lötkontakthügel (SB1–SB4) unterhalb den jeweiligen Kontaktflächen 100a–100d vorgesehen, um die verschiedenen Komponenten L₀₁, L₀₂, C01 und C34 mit den Komponenten eines anderen Vorrichtungsteils zu verbinden, wie das nachfolgend in Bezug auf 20c beschrieben wird. Die Kontakte C01' und C34' der jeweiligen impedanzinvertierenden Elemente C01 und C34 sind mit einem Lötring (SR) verbunden, der nahe einem Umfang des Substrats 100 angeordnet ist, wie man in 20a sehen kann. Es sind auch Kontakte 101b, 101c, 101e und 101f für das Verbinden der Struktur 100' mit Erde vorhanden. Die Kontakte 101b und 101c stellen die Anschlüsse (P2) beziehungsweise (O2) der Vorrichtung 1, die oben beschrieben ist, dar. Auch die Kontakte 101a und 101d stellen die Anschlüsse (P1) und (O1) der oben beschriebenen Vorrichtung 1 dar. Diese Kontakte 101a und 101d sind vorgesehen, um es der Struktur 100' zu ermöglichen, mit einer externen Schaltung verbunden zu werden. Die Kontakte 101a–101f sind vorzugsweise in Kontaktlöchern der Struktur 100' eingefügt (in 20a nicht gezeigt). Die verschiedenen elektrischen Komponenten der Struktur 100' werden vorzugsweise auf dem Substrat 100 hergestellt.
20b zeigt eine Struktur 100'', die einen anderen strukturellen Teil der oben beschriebenen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 darstellt. Die Struktur 100'' umfasst ein Substrat 103, das aus einem ähnlichen Material wie das Substrat 100 des strukturellen Teils 100' bestehen kann, obwohl in anderen Ausführungsformen das Substrat 103 ein anderes geeignetes Material einschließen kann, das in das Substrat 100 eingefügt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Materialien, die die Substrate 100 und 103 bilden, ähnliche oder nahezu gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten, so dass wenn die Strukturen 100'' und 100' miteinander verbunden und verlötet werden, die Lötverbindungen keine wesentliche mechanische Belastung erfahren, die auftreten kann, wenn die kombinierten Strukturen wesentlichen Variationen der Umgebungstemperatur unterworfen werden.
Die Vorrichtung 100'' umfasst auch BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2), SCF 4, Kontaktflächen (CP1–CP4) und einen Lötring 102. Die Elektrode 4a des SCF 4 ist mit einer Elektrode 21b des BAW-Resonators (BAW1) durch die Kontaktfläche (CP2) verbunden, und eine Elektrode 4b des SCF4 ist mit einer Elektrode 21a' des BAW-Resonators (BAW2) durch die Kontaktfläche (CP3) verbunden. Die Elektrode 20 des SCF 4 ist mit dem Lötring 102 verbunden. Die Elektroden 21a und 21b' der jeweiligen BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2) sind mit den jeweiligen Kontaktflächen (CP1) und (CP4) verbunden. Wie beim Lötring (SR) der Struktur 100' der 20a ist der Lötring 102 nahe einem Umfang des Substrats 103 angeordnet, wie man aus 20b sehen kann. Die Kontaktflächen (CP1–CP4) sind für eine Verbindung mit den Lötkontakthügeln (SB1–SB4) der oben beschriebenen Struktur 100' vorgesehen.
Betrachtet man die 20c, so sind gemäß der Erfindung die Strukturen 100' und 100'' verbunden, um eine Vorrichtung 100''' auszubilden (die eine Struktur der oben beschriebenen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtung 1 darstellt). Vorzugsweise werden die Strukturen 100' und 100'' unter Verwendung einer Flip-Chip-Technologie verbunden. Die Strukturen 100' und 100'' werden vorzugsweise so verbunden, dass der Lötring (SR) der Struktur 100' mit dem Lötring 102 der Struktur 100'' verbunden ist (beispielsweise durch Löten), und so dass die Lötkontakthügel (SB1–SB4) der Struktur 100' mit den Kontaktflächen (CP1–CP4) der Struktur 100'' verbunden sind. Diese Art der Verbindung der Strukturen 100' und 100'' führt dazu, dass die induktiven Elemente L₀₁ und L₀₂ parallel zu den BAW-Resonatoren (BAW1) beziehungsweise (BAW2) verbunden sind, und führt auch dazu, dass die impedanzinvertierenden Elemente C01 und C34 an ihren jeweiligen Kontakten C01'' und C34'' mit den jeweiligen Kontakten 21a und 21b' der jeweiligen BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2) verbunden sind. Die verschiedenen Komponentenverbindungen der verbundenen Strukturen 100' und 100'' sind ähnlich denen, die in 16a gezeigt sind. Es sollte auch angemerkt werden, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Schichten der verschiedenen BAW-Resonator- und SCF-Vorrichtungen in den 20a–20c gezeigt sind, da angenommen wird, dass diese Vorrichtungen ähnlich den oben beschriebenen sind.
Wie man aus 20c sehen kann, sind, da die induktiven Elemente L₀₁ und L₀₂ vorzugsweise als spiralförmige Spulen in der Vorrichtung 100''' ausgebildet sind, diese Elemente L₀₁ und L₀₂ oberhalb den jeweiligen BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2) angeordnet. Auch sind die Komponenten C01 und C34 jeweils in einer Ebene angeordnet, die oberhalb den jeweiligen BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2) liegt. Diese Merkmale ermöglichen es der Vorrichtung 100''' im Vergleich zu beispielsweise einer Halbleitervorrichtung, die elektrische Komponenten aufweist, die nebeneinander auf einer Substratfläche angeordnet sind, eine kompaktere Gesamtkonstruktion anzunehmen. Es sollte auch angemerkt werden, dass zusätzlich zum Vorsehen einer Erdung, während die Verbindungselemente 101b, 101c, 101e und 101f mit einer externen Erde verbunden sind, die Lötringe (SR) und 102 zusammen mit den Komponenten 100 und 103 eine hermetische Abdichtung liefern, um die verschiedenen elektrischen Komponenten der Vorrichtung 100''' davor zu schützen, um beispielsweise mit externen Kontaminationen in Berührung zu kommen.
Als ein Beispiel wird nun Bezug genommen, auf die 21a–21c, wo Strukturen 116, 117 und 118 gezeigt sind (in einer Seitenansicht). Diese Strukturen 116, 117 und 118 sind ähnlich den jeweiligen Strukturen 100', 100'' und 100''', wie sie oben beschrieben wurden, obwohl aus Gründen der Übersichtlichkeit verschiedene der elektrischen Komponenten (beispielsweise Induktoren), die oben beschrieben sind, in den 21a–21c nicht gezeigt sind.
Die Struktur 116 ist gezeigt, wie sie ein Substrat 119, einen Kontakt 105, der in einem Kontaktloch 119 angeordnet ist, einen Kondensator 112, der Schichten 108, 110 und 111 einschließt, und einen Lötkontakthügel 109, der mit der Schicht 108 verbunden ist, einschließt. Eine elektrisch leitende Schicht 106' ist mit dem Kontakt 105 verbunden, und ein Lötkontakthügel 107' ist mit der Schicht 106' verbunden. Die Struktur 116 umfasst auch eine elektrisch leitende Schicht 106 und einen Lötkontakthügel 107, der mit der Schicht 106 verbunden ist. Die Komponenten 106, 107, 106' und 107' bilden eine Lötringstruktur für die Struktur 116.
Die Struktur 117 der 21b ist gezeigt, wie sie elektrisch leitende Schichten 113 (die einen Lötring für die Struktur 117 bilden), ein Substrat 120 und einen BAW-Resonator (BAW4), der Schichten 114, 115 und 116 einschließt, umfasst.
Die Struktur 118 der 21c zeigt die Strukturen 116 und 117, die miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die Komponenten 107' und 107 der Struktur 116 mit den Schichten 113 der Struktur 117 verbunden. Wie man aus 21c sehen kann, umgeben die Komponenten 119, 120, 106', 107', 113, 106 und 107 der Struktur 118 gemeinsam ein Gebiet der Struktur 118, das die elektrischen Komponenten 109, 116, 112 und (BAW4) einschließt, und schließen es ein. Somit werden diese elektrischen Komponenten 109, 116, 112 und (BAW4) dagegen geschützt, in Kontakt mit äußeren umgebungsbedingten Kontaminationen zu gelangen. In einer ähnliche Weise schützen die Lötringe (SR) und 102 in Verbindung mit den Strukturen 100 und 103 die verschiedenen elektrischen Komponenten (beispielsweise Kontaktflächen (CP1–CP4), BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2), SCF 4, Induktoren L₀₁ und L₀₂, etc.) der Vorrichtung 100''' (oben beschrieben) dagegen, in Kontakt mit äußeren umgebungsbedingten Kontaminationen zu gelangen.
Wenn man wieder die 20c betrachtet, bietet die Konstruktion der Vorrichtung 100''' eine Anzahl von Vorteilen. Ein Vorteil ist der, dass jedes geeignete Material in das Substrat der Struktur 100' eingefügt werden kann, um es den passiven Komponenten der Struktur 100' zu erlauben, eine optimale Leistung zu liefern. Ein preisgünstiges Material kann für das Substrat 100 verwendet werden, um die Gesamtherstellungskosten für die Vorrichtung 100''' zu reduzieren. Auch liefert die Konfiguration der Vorrichtung 100''' eine effiziente Verwendung der Oberflächengebiete der Vorrichtung und, wie das vorher beschrieben wurde, liefern die Lötringe (SR), (102) in Verbindung mit den Substraten 100 und 103 eine hermetische Abdichtung, in der elektrische Komponenten der Vorrichtung 100''' dagegen geschützt sind, in Kontakt mit umgebungsbedingten Kontaminationen, wie Staub, Feuchtigkeit, etc. zu gelangen. Da die Vorrichtung 100''' die elektrischen Komponenten in dieser Weise schützt, ist kein äußeres Schutzgehäuse (beispielsweise ein keramisches Gehäuse, das teuerer ist und das keine passiven Komponenten einschließt) notwendig. Auch haben die Lötkontakthügel (SB1–SB4) und der Lötring (SR) vorzugsweise Dicken (wie 30 μm bis 200 μm), die ähnlich denen von Lötkontakthügeln sind, die typischerweise in der Flip-Chip-Technologie verwendet werden, und sie weisen eine größere Dicke als die Resonatoren auf (die vorzugsweise Gesamtdicken von nur einen wenigen Mikrometern bis 10 μm aufweisen), die in der Vorrichtung 100''' enthalten sind, was ein Verbinden während der Ausführung der Flip-Chip-Technologie ermöglicht, und was es ferner den induktiven Elementen L₀₁ und L₀₂ erlaubt, über den BAW-Resonatoren (BAW1) und (BAW2) angeordnet zu werden.
Jede der verschiedenen Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen der Erfindung, die oben beschrieben sind, kann bei Frequenzen arbeiten, die von ungefähr 500 MHz bis 5 GHz reichen. Vorzugsweise arbeiten die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen im Längsmodus, da dies eine leichtere Herstellung der piezoelektrischen Schichten der Vorrichtungen ermöglicht. Im Längsmodus sind die Achsen der Kristalle innerhalb der piezoelektrischen Schichten der Vorrichtungen (das heißt, die piezoelektrische Schichten umfassen Polykristalline und werden vorzugsweise mittels Sputtern abgeschieden) im wesentlichen rechtwinklig zu oberen (und unteren) Oberflächen der piezoelektrischen Schichten (und zu oberen und unteren Oberflächen der anderen Schichten der Vorrichtungen). In anderen Ausführungsformen können die Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen jedoch in einem Schermodus betrieben werden, wenn die Schichtenabmessungen passend gewählt werden. Im Schermodus sind die Achsen der Kristalle innerhalb der piezoelektrischen Schichten im wesentlichen parallel zu den oberen und unteren Schichtflächen der Vorrichtungen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf die Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen, die die oben beschriebenen Topologien aufweisen, beschränkt sein soll, und dass Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen, die andere Topologien aufweisen, auch vorgesehen werden können. Beispielsweise können in Abhängigkeit von den anwendbaren Leistungskriterien Multipol-BAWR-SCF-Schaltungen vorgesehen werden, die zusätzliche BAW-Resonatoren und/oder SCFs einschließen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen, die kleinere Flächen einer Resonatorkomponente (beispielsweise BAW-Resonatoren und SCFs) aufweisen, kleinere Einfügeverluste aufweisen, als Multipol-BAWR-SCF-Vorrichtungen, die größere Flächen einer Resonatorkomponente besitzen. Auch die Abmessungen der BAW-Resonatoren und der SCFs, die in den obigen Tabellen beschrieben sind, sollen beispielhaft sein, und die BAW-Resonatoren und die SCFs können mit anderen geeigneten Abmessungen vorgesehen werden, die das gewünschte Frequenzverhalten (beispielsweise Bandbreite des Durchlassbandes, Mittenfrequenz, Größe des Einfügeverlusts, etc.) liefern.
Während die Erfindung speziell in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass Änderungen in der Form und den Details vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Multipol-Volumenwellen(BAW)-Filter, umfassend: – ein erstes Anschlusspaar (P1, O1); – ein zweites Anschlusspaar (P2, O2); – eine erste Leitung, die zwischen einem ersten und zweiten des ersten Anschlusspaars gekoppelt ist; – eine zweite Leitung, die zwischen einem ersten und zweiten des zweiten Anschlusspaars gekoppelt ist; – mindestens einen ersten gestapelten Quarzfilter (SCF) (4; 6; 8), wobei der erste SCF erste und zweite Kontakte (41, 4b, 6a, 6b) aufweist, die in der ersten Leitung gekoppelt sind, wobei der erste SCF auch einen dritten Kontakt aufweist, der an die zweiten Leitung gekoppelt ist; – mehrere impedanzinvertierende Elemente (CO1, C34; C12, C23), wobei jedes einzelne der mehreren impedanzinvertierenden Elemente, die über die erste und zweite Leitung gekoppelt sind; dadurch gekennzeichnet, dass der Multipol-BAW-Filter weiter umfasst: – mindestens einen BAW-Resonator (BAW1, BAW2, BAW1), der in Serie an die erste Leitung gekoppelt ist; und – mindestens ein induktives Element (L₀₁, L₀₂; L₀), wobei das mindestens eine induktive Element parallel zu dem mindestens einen BAW-Resonator gekoppelt ist, wobei der Multipol-BAW-Filter eine Passband-Antwort liefert, die eine Mittenfrequenz f_c hat.
Multipol-BAW-Filter wie in Anspruch 1 dargelegt, wobei der mindestens eine BAW-Resonator (BAW1, BAW2) einen ersten BAW-Resonator (BAW1) und einen zweiten BAW-Resonator (BAW2) einschließt, wobei die impedanzinvertierenden Elemente (CO1, C34) ein erstes impedanzinvertierendes Element (CO1) und ein zweites impedanzinvertierendes Element (C34) einschließen, und wobei das mindestens eine induktive Element (I₀₁, I₀₂) ein erstes induktives Element (I₀₁) und ein zweites induktives Element (L₀₂) einschließt, wobei sowohl der erste BAW-Resonator als auch das erste impedanzinvertierende Element einen entsprechenden ersten Kontakt (21a) aufweisen, der an den ersten Anschluss (P1) des ersten Anschlusspaars gekoppelt ist, wobei der erste BAW-Resonator ebenfalls einen zweiten Kontakt (21b) aufweist, der an den ersten Kontakt (4a) des ersten SCF (4) gekoppelt ist, wobei der zweite BAW-Resonator einen ersten Kontakt (21a') aufweist, der an den zweiten Kontakt (21a') des ersten SCF gekoppelt ist, wobei der zweite BAW-Resonator auch einen zweiten Kontakt (21b') aufweist, der an den zweiten Anschluss (O1) des ersten Anschlusspaares gekoppelt ist, wobei das zweite impedanzinvertierende Element einen ersten Kontakt (C34'') aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaars gekoppelt ist, wobei das erste induktive Element parallel zu dem ersten BAW-Resonator verbunden ist, und wobei das zweite induktive Element parallel zu dem zweiten BAW-Resonator verbunden ist.
Multipol-BAW-Filter wie in Anspruch 2 dargelegt, wobei das erste induktive Element (L₀₁) ein erstes Ende hat, das an dem ersten Anschluss (P1) des ersten Anschlusspaares gekoppelt ist, wobei das erste induktive Element auch ein zweites Ende aufweist, das in der erste Leitung zwischen dem zweiten Kontakt (21b) des BAW-Resonators (BWA1) und dem ersten Kontakt (4a) des ersten SCF (4) gekoppelt ist, wobei das zweite induktive Element (L₀₂) ein entsprechendes erstes Ende aufweist, das in der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt (4b) des ersten SCF und dem ersten Kontakt (21a') des zweiten BAW-Resonators (BAW2) gekoppelt ist, wobei das zweite induktive Element auch ein entsprechendes zweites Ende aufweist, das mit dem zweiten Anschluss (O1) des ersten Anschlusspaares gekoppelt ist, wobei das erste impedanzinvertierende Element (CO1) einen zweiten Kontakt (C01') aufweist, der mit dem ersten (P2) des zweiten Anschlusspaares gekoppelt ist, und wobei das zweite impedanzinvertierende Element (C34) einen zweiten Kontakt (C34') aufweist, der mit dem zweiten (O2) des zweiten Anschlusspaares gekoppelt ist.
Multipol-BAW-Filter wie in Anspruch 2 oder 3 dargelegt, wobei das erste SCF (4) äquivalente parallele Kapazitanzen (C₀) aufweist, die als weitere impedanzinvertierende Elemente dienen.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei der erste Kontakt (6a) des ersten SCF (6) mit dem ersten Anschluss (P1) des ersten Anschlusspaares gekoppelt ist, der dritte Kontakt (20) des ersten SCF mit einem ersten Knoten (G1) in der zweiten Leitung gekoppelt ist, der zweite Kontakt (6b) des ersten SCF mit einem ersten Kontakt (21a) des mindestens einem BAW-Resonator (BAW1) gekoppelt ist, wobei der Multipol-BAW-Filter weiter einen zweiten SCF (8) umfasst, wobei der zweite SCF einen ersten Kontakt (8a) aufweist, der mit einem zweiten Kontakt des mindestens einen BAW-Resonators gekoppelt ist, wobei der zweite SCF einen zweiten Kontakt (8b) aufweist, der mit dem zweiten Anschluss (O1) des ersten Anschlusspaares gekoppelt ist, wobei der zweite SCF ebenfalls einen dritten Kontakt (20) aufweist, der mit einem zweiten Knoten (G4) in der zweiten Leitung gekoppelt ist, wobei das mindestens eine impedanzinvertierende Element (C12, C23) ein erstes impedanzinvertierendes Element (C12) und ein zweites impedanzinvertierendes Element (C23) einschließt, wobei das erste impedanzinvertierende Element einen ersten Kontakt (C12') aufweist, der mit der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt des ersten SCF und dem ersten Kontakt des mindestens einen BAW-Resonators gekoppelt ist, wobei das zweite impedanzinvertierendes Element einen ersten Kontakt (C23') aufweist, der mit der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt des mindestens einen BAW-Resonators und dem ersten Kontakt des zweiten SCF gekoppelt ist.
Multipol-BAW-Filter wie in Anspruch 5 dargelegt, wobei das mindestens eine induktive Element (L₀) ein erstes Ende aufweist, das mit der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt (6b) des ersten SCF und dem ersten Kontakt (21a) des mindestens einen BAW-Resonators (BAW1) gekoppelt ist, wobei das mindestens eine induktive Element auch ein zweites Ende aufweist, das in der ersten Leitung zwischen dem zweiten Kontakt (21b) des mindestens einen BAW-Resonators und dem ersten Kontakt (8a) des zweiten SCF (8) gekoppelt ist, wobei das erste impedanzinvertierende Element (C12) einen zweiten Kontakt (C12'') aufweist, der mit einem dritten Knoten (G2) in der zweiten Leitung gekoppelt ist, wobei der dritte Knoten zwischen dem ersten und zweiten Knoten (G1, G3) zwischengeschaltet ist, und wobei das zweite impedanzinvertierende Element (C23) einen zweiten Kontakt aufweist (C23''), der zwischen dem dritten Knoten (G2) und dem zweiten Knoten (G4) in der zweiten Leitung gekoppelt ist.
Multipol-BAW-Filter wie in Anspruch 5 oder 6 dargelegt, wobei jeder der ersten oder zweiten SCFs (6, 8) äquivalente parallele Kapazitanzen (Co) aufweisen, die als weitere impedanzinvertierende Elemente dienen.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei der erste SCF (4; 6) abgestimmt ist, ein zweite harmonische Resonanz bei einer Frequenz zu ergeben, die näherungsweise gleich der Mittenfrequenz f_c ist.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei sowohl der mindestens eine BAW-Resonator (BAW1, BAW2, BAW1) als auch der erste SCF (4; 6) eine akustische Nebenstruktur einschließt.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei der erste SCF (4; 6) äquivalente parallele Kapazitanzen aufweist, die als impedanzinvertierende Komponenten dienen.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂; L₀) eine Resonanz an der Mittenfrequenz f_c des Multipol-BAW-Filters ergibt, und dazu dient, zu bewirken, dass die Passband-Antwort eine erhöhte Bandbreite relativ zur Bandbreite eines Filters aufweist, der das mindestens eine induktive Element nicht einschließt.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei jedes der mehreren impedanzinvertierenden Elemente (CO1, C34; C12, C23) einen Kondensator einschließt.
Multipol-BAW-Filter wie in einem der vorangegangenen Ansprüche dargelegt, wobei der mindestens eine SCF (4) mindestens ein einem zusammengestellten Element äquivalente Komponente (Co) aufweist, wobei das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂) bewirkt, dass ein Passband eines Multipol-BAW-Filters eine erhöhte Bandbreite relativ zur Bandbreite eines anderen Filters (59) aufweist, der das mindestens eine induktive Element nicht einschließt, und die einem konzentrierten Element äquivalente Komponente und das mindestens eine Impedanzinversions-Element dienen, um eine Abschluss-Impedanz des Multipol-BAW-Filters von einer ersten Impedanz zu einer zweiten Impedanz umzuwandeln.
Multipol-BAW-Filter wie in Anspruch 13 dargelegt, einschließend eine verringerte Anzahl von impedanzinvertierenden Elementen und Abstimmungselementen relativ zu der Anzahl solcher Komponenten, die die anderen Filter einschließt.
BAW-Filer gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend: – ein erstes Substrat (103) – eine erste leitende Schicht (102), die auf dem ersten Substrat angeordnet ist; – eine erste Kontaktfläche (CP1), die auf dem erste Substrat angeordnet ist; – eine zweite Kontaktfläche (CP4), die auf dem erste Substrat angeordnet ist; – den mindestens einen BAW-Resonator (BAW1, BAW2), der auf dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei der mindestens eine BAW-Resonator seriell zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche gekoppelt ist; und – den mindestens einen gestapelten Quarzfilter (SCF) (4), der auf dem erste Substrat angeordnet ist, wobei der mindestens eine SCF seriell zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche gekoppelt ist, wobei der mindestens eine SCF einen ersten Kontakt (20) aufweist, der an die erste leitende Schicht gekoppelt ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 15 dargelegt, weiter umfassend: – ein zweites Substrat (100) – eine zweite leitende Schicht (SR), die auf dem ersten Substrat angeordnet und an die erste leitende Schicht (102) gekoppelt ist; – das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂), das auf dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei das mindestens eine induktive Element parallel zu den mindestens einen BAW-Resonator (BAW1, BAW2) gekoppelt ist; und – das mindestens eine impedanzinvertierende Element (CO1, C34), das auf dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei das mindestens eine impedanzinvertierende Element einen ersten Kontakt (CO1'') aufweist, der seriell zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche (CP1, CP4) gekoppelt ist, wobei das mindestens eine impedanzinvertierende Element ebenfalls einen zweiten Kontakt (CO1') aufweist, der an der zweiten leitenden Schicht gekoppelt ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 dargelegt, wobei das zweite Substrat (100) über dem ersten Substrat (103) angeordnet ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 oder 17 dargelegt, wobei der mindestens eine BAW-Resonator (BAW1, BAW2) einen ersten BAW-Resonator (BAW1) und einen zweiten BAW-Resonator (BAW2) einschließt, das mindestens eine impedanzinvertierende Element (CO1, C34) ein erstes impedanzinvertierendes Element (CO1) und ein zweites impedanzinvertierendes Element (C34) einschließt, und das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂) ein erstes induktives Element (L₀₁) und ein zweites induktives Element (L₀₂) einschließt, wobei sowohl der erste BAW-Resonator (BAW1) als auch das erste impedanzinvertierende Element (CO1) einen entsprechenden ersten Kontakt (21a) aufweisen, der an die ersten Kontaktfläche (CP1) gekoppelt ist, wobei der erste BAW-Resonator auch einen zweiten Kontakt (21b) aufweist, der mit einem zweiten Kontakt (4a) des mindestens einen SCF gekoppelt ist, wobei der zweite BAW-Resonator (BAW2) einen ersten Kontakt (21a') aufweist, der mit einem dritten Kontakt (4b) des mindestens einen SCF (4) gekoppelt ist, wobei der zweite BAW-Resonator auch einen zweiten Kontakt (21b) aufweist, der mit der zweiten Kontaktfläche (CP4) gekoppelt ist, wobei das zweite impedanzinvertierende Element einen ersten Kontakt (C34'') aufweist, der an die zweite Kontaktfläche (CP4) gekoppelt ist, wobei das erste induktive Element mit dem ersten BAW-Resonator parallel verbunden ist, und wobei der zweite Induktor mit dem zweiten BAW-Resonator parallel verbunden ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 18 dargelegt, wobei das mindestens eine impedanzinvertierende Element (CO1, C23) einen Kondensator einschließt.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 19 dargelegt, weiter umfassend mehrere elektrisch leitende Kontaktstellen (101b, 101c, 101e, 101f), die an die zweite leitende Schicht (SR) gekoppelt sind, wobei mehrere Kontaktstellen bereitgestellt sind, um die zweite leitende Schicht an die Masse koppeln, und wobei die erste und zweite Kontaktfläche (CP1, CP4) bereitgestellt sind, um an eine externe Schaltung gekoppelt zu werden.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 20 dargelegt, wobei die erste leitenden Schicht (102) mindestens teilweise die erste Kontaktfläche (CP1), die zweite Kontaktfläche (CP4), den mindestens einen BAW-Resonator (BAW1, BAW2) und den mindestens einen SCF (4) umschließt.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 21 dargelegt, wobei die zweite leitenden Schicht (SR) mindestens teilweise das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂) und das mindestens eine impedanzinvertierende Element (CO1, C23) umschließt.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 22 dargelegt, wobei die erste und zweite leitenden Schicht (102, SR) und das erste und zweite Substrat (103, 100) verhindert, dass umgebungsbedingte Kontaminationen mit dem mindestens einen BAW-Resonator (BAW1, BAW2), dem mindestens einen SCF (4), den ersten und zweiten Kontaktflächen (CP1, CP4), dem mindestens einen induktiven Element (L₀₁, L₀₂) und dem mindestens einen impedanzinvertierenden Element (CO1, C23) in Kontakt treten.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 23 dargelegt, wobei das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂) mit dem mindestens einen BAW-Resonator (BAW1, BAW2) durch Lötkontakthügel (SB1, SB2, SB3, SB4) gekoppelt ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 24 dargelegt, wobei mindestens das erste oder das zweite Substrats (103, 100) ein Si, GaAs, Glass oder ein Keramikmaterial umfasst.
BAW-Filter wie in Anspruch 18 bis 24 dargelegt, wobei mindestens ein Abschnitt des ersten induktiven Elements (L₀₁) über dem ersten BAW-Resonator (BAW1) gelegen ist und mindestens ein Abschnitt des zweiten induktiven Elements (L₀₂) über dem zweiten BAW-Resonator (BAW2) gelegen ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 26 dargelegt, wobei das erste impedanzinvertierende Element (CO1) in einer Ebene angeordnet ist, die über einer Ebene liegt, in welcher der erste BAW-Resonator (BAW1) angeordnet ist, und das zweite impedanzinvertierende Element (C23) in einer Ebene angeordnet liegt, die über einer Ebene ist, in welcher der zweite BAW-Resonator (BAW2) angeordnet ist.
BAW-Filter wie in Anspruch 16 bis 27 dargelegt, wobei das mindestens eine induktive Element (L₀₁, L₀₂) eine gewundene Spule ist.