NO323325B1 - Elektronisk filter - Google Patents

Abstract

Et radiofilter har et båndpassfilter for å slippe gjennom et ønsket bånd av signalfrekvenser og et båndstoppfilter for å dempe gjennomgangen av uønskede signalfrekvenser. Filteret omfatter en inngangsterminal, en utgangsterminal og et filter som har flere transmisjonslinjer anbrakt mellom nevnte inngangs- og utgangsterminaler som filtrere inngangssignalene gjennom nevnte inngangsterminal for å slippe gjennom signaler ved et gitt frekvensbånd. En jord er koplet til nevnte transmisjonslinjer ved første ender av nevnte flere transmisjonslinjer og akustiske impedanselementer er koplet mellom nevnte jordsjikt og andre ender av nevnte flere transmisjonslinjer for å gi en stoppbåndfilterfunksjon for inngangssignalene, og der inngangssignalet etter båndpassfiltrering og stoppbåndfiltrering forsynes ved nevnte utgangsterminal.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt området radiofrekvensapparatur, spesielt radiofrekvensfiltre og enda mer spesielt radiofrekvensfiltre som benytter akustiske bølgeinnretninger.

Vanligvis benyttes en kombinasjon av spoler (L) og kondensatorer (C) i elektroniske kretser for å oppnå et antall funksjoner. Lavpassifltrering er en av disse anvendelsene som oppnås ved hjelp av LC-filterkretser.

Alle komponenter i en krets har fysiske begrensninger. Slike begrensninger kan relateres til størrelse og form, men kan også være relatert til stabilitet og støyegenskaper.

Ved radiofrekvens (RF) kommunikasjon er det ofte ønskelig å slippe gjennom et bånd av signalfrekvenser mens andre frekvenser blokkeres. Filtre bygget av en kjede av kondensatorer og spoler er velkjent på fagområdet. Filtreringsfunksjoner, slik som lavpass, båndpass, båndstopp og høypass oppnås. US-patent nr. 4,963,843 beskriver ett eksempel på et båndbølgelederfilter (eng.: stripline) med kamlinjeresonatorer (eng.: combline) som har et antall ledende linjer.

I høyfrekvenskommunikasjonssystemer (RF, UHF eller VHF) er vanligvis noen filtre utformet for å filtrere ett bånd av frekvenser fra alle andre signalfrekvenser. I mange anvendelser er det også inkludert smalbånds/hakkfiltre (eng.: notch filter) eller båndstoppfiltre for å dempe signaler i enkelte smale frekvensbånd, for eksempel bærefrekvenssignaler eller harmoniske eller mikseprodukter av bærebølge, lokaloscillator eller mellomfrekvenssignaler for å unngå uønsket interferens i den etterfølgende prosessering av det ønskede bånd av frekvenser.

Båndpassfiltre av høy kvalitet med en smalbånds/hakk(eng.: notch)funksjon er følgeig ønskelig, som eksemplifisert ved US-patent nr. 6,879,224 B2.

Det har blitt vist at hakk i responsen til slike filtre kan oppnås ved bruk av akustiske resonatorer i stedet for kondensatorer. US-patent nr. 6,879,224 B2 beskriver et eksempel på et integrert filter og impedanstilpasningsnettverk som benytter akustiske resonatorer. Det er forklart hvorledes akustiske resonatorer oppfører seg lik en kondensator utenfor dens resonansfrekvens og slik ikke innvirker på funksjonen til nettverket i hvilket den blir benyttet utenfor dens resonansfrekvens. Ved resonansfrekvensen går resonatoren over fra kondensator til kortslutning til åpen krets og tilbake til kondensator.

Derved er det resulterende LC-filter en struktur med et tilleggsvist hakk, et hakk med karakteristikkene gitt av en høykvalitetsresonator. På grunn av den høye Q-faktoren til den akustiske resonatoren, vil hakket i frekvensresponsen være skarpt og resonatorkarakteristikken kan utformes slik at hakket er nokså nært passbåndet.

En annen tilnærmingsmåte for å oppnå hakkfiltre basert på akustisk overflatebølge (SAW) irinretninger har blitt forklart i US-patent nr. 4,126,837.

I en litt annen retning er det i den tidligere kjente teknikk, eksempelvis i US-patent nr. 6,696,903 Bl beskrevet et laminert dielektrisk filter og kommunikasjonsutstyr som benytter filteret. Filteret gir mulighet for kontroll med dempningspoler utenfor et passbånd.

Ved svært høye frekvenser vil de nødvendige kapasitans- og induktansverdier være små. Ved høye frekvenser er det imidlertid svært vanskelig å tilveiebringe induktanselementer som gir en svært reproduserbar induktansverdi for det monterte elementet. Selv monteringsforholdene og parametrene kan innvirke på induktansen, for eksempel ved å resultere i en varierende induktiv kopling mellom induktorelementet og dets omgivelser, fra innretning til innretning.

Det er således et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et filter med en kombinasjon av båndpassegenskaper og hakk- eller båndstoppegenskaper for anvendelser ved høye frekvenser som har god reproduserbarhet i en produksjonsprosess. Det er også et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et filter med en kombinasjon av båndpassegenskaper og hakk(eng.: notch) eller båndstoppegenskaper for høyfrekvensanvendelser som minimaliserer det fysiske rom som kreves for en slik anordning.

Formålene ovenfor oppnås ved et radiofilter som har et båndpassfilter for å slippe gjennom et ønsket bånd av signalfrekvenser og et stoppbåndfilter for å redusere gjennomslippet av et bånd av uønskede signalfrekvenser. Filteret omfatter en mputterminal, en outputterminal og et filter som har flere koplede transmisjonslinjer arrangert mellom nevnte input- og outputterminaler, som filtrerer inputsignaler gjennom nevnte inputterminal til å slippe gjennom signaler av et gitt frekvensbånd. En jord er koblet til nevnte transmisjonslinjer ved første ender av nevnte flere transmisjonslinjer og et akustisk impedanselement er koplet mellom nevnte jord og andre ender av nevnte flere transmisjonslinjer for å gi en stoppbåndfilterfunksjon for inputsignalene, og hvorved inputsignalene etter båndpassfiltrering og stoppbåndfiltrering er forsynt ved nevnte outputterminal.

I en utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen er inputterminalen, outputterminalen og filteret en del av et filterlag.

I en andre utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen er nevnte jord et jordsjikt.

I en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter filterlaget koblede transmisjonslinjer i en kamlinjestruktur.

En alternativ utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter mikrostirplinjer.

Nok en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter et akustisk overflatebølge (SAW) impedanselement. SAW-elementet er koplet mellom nevnte jordsjikt og én av nevnte andre ender av nevnte flere transmisjonslinjer.

Enda en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter et film volum akustisk resonator element (eng.: film bulk acoustic resonator - FBAR). FBAR-elementet er koblet mellom nevnte jordsjikt og en av nevnte andre ender av nevnte flere transmisj onslinj er.

Nok en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter flere fysisk atskilte akustiske overflatebølge (SAW) innretninger.

Nok enda en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter ett enkelt piezo-elektrisk krystall der atskilte områder og atskilte transdusere gir flere akustiske overflatebølge (SAW) innretninger i en enkelt krystallbasert integrert komponent.

Enda en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen omfatter flere transmisjonslinjer anbrakt i en kamlmjestruktur.

I nok enda en ytterligere utførelsesform av radiofilteret ifølge oppfinnelsen er de akustiske resonatorene og transmisjonslinjene anbrakt på et enkelt piezoelektrisk substrat.

I det følgende vil radiofilteret ifølge oppfinnelsen bli beskrevet i noe mer detalj med henvisninger til de vedføyde tegninger der;

FIG. 1 illustrerer en utførelsesform av filteret ifølge oppfinnelsen.

FIG. 2 illustrerer en alternativ utførelsesform av filteret ifølge oppfinnelsen.

FIG. 3 A-B illustrerer typiske eksempler på frekvensresponser oppnådd med utførelsesformer av et filter ifølge oppfinnelsen. FIG. 4 illustrerer en frekvenskonvertering og signalfiltreringsprosess ifølge løsninger fra den tidligere kjente teknikk. FIG. 5 illustrerer en frekvenskonvertering og signalfiltreringsprosess som benytter en radiofilteranordning ifølge oppfinnelsen. FIG. 6 illustrerer et plasseringsarrangement i et hus der kamlinjeelementet og de akustiske impedanselementene er plassert atskilt.

Det vises til Figur 1 som illustrerer en utførelsesform av filteret ifølge oppfinnelsen som omfatter et filtersjikt 101 og et jordsjikt 102. Filtersjiktet 101 er forsynt med koplede transiru^jonslinjestrukturer, i dette tilfellet tre mikrostriplinjer 103a-c. I alternative utførelsesformer av filteret ifølge oppfinnelsen kunne transmisjonslinjen i prinsippet være en hvilken som helst type koblet elektromagnetisk transmisjonslinjearkitektur kjent for en person med kunnskap på området, for eksempel basert på striplinjer utført i et passende substrat eller andre bølgelederstrukturer, slik som platelinjer (eng.: slab line) i en passende mekanisk konstruksjon, i seg selv kjent for en person med kunnskap på fagområdet.

Hver miloostriplinje 103a-c er ved en første ende 104a-c koplet til jordsjiktet 102, for eksempel ved bruk av et første sett av via-hull 105a-c. Hver mikrostriplinje 103a-c er ved en andre ende 106a-c koplet til en første terminal 107a-c av et akustisk impedanselement 108a-c, for eksempel et resonatorelement slik som en akustisk overflatebølge (SAW) resonatoririnretning eller en film volum bølge resonator (FBAR) innretning. Den andre terminalen 109a-c av hvert akustisk impedanselement (for eksempel SA W- eller FBAR-innretning) er koplet til jordsjiktet 102, ved hjelp av, for eksempel, et andre sett av via-hull 110a-c. Den koblede transmisjonslinjestrukturen kunne være basert på TEM (Transvers Elektromagnetisk Modus) eller kvasi-TEM bølgeledere. Volumbølgeledere så vel som planare bølgeledere kan benyttes, så lenge bølgelederstrukturen gir elektromagnetisk kopling mellom strukturens resonatorer.

I denne tekstens sammenheng skal et SAW-impedanselement forstås å inkludere anordninger som benytter akustiske bølger lokalisert i hovedsak ved eller nær overflaten, slik som Rayleigh-bølger og akustiske pseudo-overflatebølger.

En første mikrostriplinje 103a er koplet til en inputterminal 111, ved hvilken terminal et signal som skal filtreres tilføres. En andre mikrostriplinje 103c er koplet til en outputterminal 112, ved hvilken terminal en filtrert versjon av signalet tilført ved inputterminalen vil være tilgjengelig for videre prosessering, for eksempel ved tilleggsvise kretser eksternt til filteranordningen beskrevet her.

Mikrostriplinj ene kan utføres på et keramisk substrat slik som et alumiimimsubstrat. Aluminiumsubstrater har vanligvis en høy temperaturstabilitet, lav utgassing, og lave tapsegenskaper. Aluminiumsubstrater er foretrukket i en bred rekke anvendelser på grunn av de ovenfor nevnte egenskapene. Substrater laget av andre materialer, slik som kvartsglass, krystallinsk kvarts eller aluminiumnitrid kunne også bli benyttet, dersom dette foretrekkes i den angjeldende anvendelsen. Andre vanlige materialer for trykte kretskort, slik som Teflon®-baserte materialer, polyamid, Thermount® kunne også bli benyttet.

Mikrostirplinjene produseres vanligvis ved sputring eller pådamping av et metallag på substratet og utetsing av linjene ved bruk av vanlige fotolitografiske teknikker ved hjelp av en maske, stråling, og etsetrinn. Mikrostirplinjene kan også være produsert i en hvilken som helst annen prosess kjent for de med ferdigheter på fagområdet.

Lengden, bredden og antallet mikrostriplinjer er designparametre som kan variere avhengig av frekvensen, materialet, substrattykkelsen og ønskede filteregenskaper. Lengden og bredden av linjene og avstanden mellom et hvilket som helst linjepar kan også variere i en enkelt komponent. Vanlige anvendelser av dette filteret vil være ved signalfrekvenser i området 200 MHz - 2 GHz. I prinsippet kan det oppflnneriske konseptet også bli benyttet i anvendelser utenfor dette frekvensområdet, men nevnte frekvensområde er spesielt attraktivt. Ved en frekvens på, la oss si 1.3 GHz, vil linjebredden vanligvis være i området 1-2 millimeter og linjelengden vil vanligvis være noen millimeter. Antallet linjer kan være avhengig av filtreringskravene, men anordninger med 2-6 linjeseksjoner foretrekkes. Linjene har fortrinnsvis lik lengde for å forenkle implementeringen (fabrikasjonsprosessen). Videre, dersom linjene har lik lengde er den mest effektive benyttelse av substratarealet mulig og anvendelsen av en enkelt akustisk anordning som bærer alle de akustiske resonatorene er muliggjort, ettersom forbindelsespunktene ligger i hovedsak langs en enkelt linje.

En SAW-resonator omfatter vanligvis en interdigital transduser med akustiske reflektorer på begge sider av nevnte tranduser. Transduseren omfatter vanligvis et antall fingre koblet til elektrodene 202a-c, 203a-c.

Det vises så til Figur 2 der det er vist en alternativ utførelsesform av filteret ifølge oppfinnelsen der tre SAW-resonatoranordninger er integrert i én komponent 201, ved bruk av for eksempel ett enkelt felles piezoelektrisk substrat som har tre sett av resonatorelektroder 202a-c, 203a-c som definerer atskilte resonatorarealer eller volumer 204a-c i resonatorelementet.

For tilfellet der det benyttes SAW-resonatorer kan disse være laget av et piezoelektrisk krystall, spesielt kvarts for smalbånds(notch)anvendelser og LiNb03 for båndstoppanvendelser. For anvendelser i disse oppfinnelsene, er det viktig å være i stand til å variere og velge designparametre for SAW-anordningen for anvendelsen og ønskede filterfunksjoner. Dermed vil SAW-anordningene vanligvis ikke være hyllevare, men heller produsert på en kundetilpasset måte for hver anvendelse, system.

SAW-anordningen er vanligvis produsert fra et separat substrat. Den separate SAW-anordningen anbringes så på substratet med kamlinjestruktur, eller alternativt SAW-anordningen og kamlinjestrukturen kan være montert separat i et passende hus, som illustrert på Figur 6 som viser et perspektiv ovenfra inn i et åpent hus.

SAW-anordningen kan i noen versjoner av oppfinnelsen bli montert i et separat, lukket hus der forbindelsene eksternt til huset gir elektriske forbindelser til kamlinjefilteret. I andre versjoner av filteret ifølge oppfinnelsen for anvendelse i høyfrekvensenden av spekteret, anbringes SAW-anordningen og kamlinjestrukturen på et felles substrat eller monteringsoverflate, og et felles hus er forsynt for innkapsling og beskyttelse av det kombinerte filteret.

Kamlinjestrukturen kan bli festet til en monteringsoverflate ved bruk av elektrisk ledende lim for å gi et godt jordplan. Den akustiske resonatorinnretningen kan derimot bli festet ved hjelp av en hvilken som helst type klebemiddel, ettersom det ikke er viktig å forbinde denne innretningen til jord.

Det er også mulig å integrere kamlinjestrukturen på det samme piezoelektriske substratet der SAW-resonatorene er plassert ved metallisering av det piezoelektriske substratet. Derved er det frembrakt et enkeltchipfilter.

I bruk gir kamlinjestrukturen et radiofilter som velger inputsignålet i et gitt frekvensbånd som vil bli levert til utgangsterminalen. Det gitte frekvensbåndet vil være gitt av lengden og oppholdsrommet mellom mikrostriplinjene og kapasitansen til den akustiske resonatorinnretningen utenfor resonansfrekvensen til den akustiske resonatoren. Nært eller innenfor passbåndet til anordningen vil det være et frekvenshakk ved resonansfrekvensen for den akustiske resonatorinnretningen, på grunn av kortslutnings-/åpenkrets egenskapene for den akustiske resonatoririnretningen ved resonatorbåndet.

På bakgrunn av vanlig tankegang ville ikke en person med alminnelige ferdigheter på fagområdet normalt anse et kamlinjefilter som spesielt attraktivt i en ruterkonfigurasjon som beskrevet i denne oppfinnelsen fordi flankene på passbåndet i et slikt filter ikke er tilstrekkelig bratte til å gi gode passbåndsegenskaper og tilstrekkelig dempning utenfor passbåndet. Herværende oppfinnere har imidlertid erkjent at egenskapene til karnlinjestrukturen kan aksepteres i en filterstruktur ifølge denne oppfinnelsen, fordi de akustiske resonatorene gir hack i frekvensresponsen som demper spesielt uønskede frekvenser, slik som bærebølgefrekvensen eller uønskede mikseprodukter.

Med andre ord, ved å benytte akustiske resonatorer kan kravene til egenskapene for passbåndet reduseres i en grad som tillater bruk av en kamlinjestruktur i en kombinert filterstruktur ifølge oppfinnelsen. Ved å åpne for bruk av en kamlinjestruktur på denne måten, kan forbedrede høyfrekvensanordninger oppnås, fordi en kamlinjestruktur gir forbedret repoduserbarhet/utbytte og forutsigbare egenskaper ved høyere frekvenser, derved reduserende behovet for filteravstemming.

Ved å velge egenskaper for den akustiske resonatorinnretningen, kan hakkbåndet 315 bli utformet til å ligge på lavfrekvenshellingen av passbåndet 316 for filteret som illustrert på Figur 3 A. Alternativt, kan egenskapene for anordningen velges slik at hakkbåndet ligger under eller over frekvensområdet for passbåndet for filteret. Figur 3B viser et eksempel der hakkbåndet 315 for filteret er i midten av passbåndet 316. En slik karakteristikk er anvendelig i homodyn-oppkonvertering, der lokaloscillator (LO) signalet slutter i midten av signalbåndet, og må fjernes.

Figur 4 illustrerer en vanlig løsning fra den tidligere kjente teknikk for å filtrere ut et enkelt sidebånd 405 som resulterer fra oppkonverteringen av et signalbånd omkring en mellomfrekvens (IF) 403 til en betydelig høyere frekvens ved å blande IF-signalet med et lokaloscillatorsignal (LO) i mikseinnretning 401. Et resulterende miksesignal omfatter vanligvis et lavere sideband 406 og et høyere sideband 405 og en gjenværende bærebølgekomponent 407. For å spare båndbredde men beholde informasjonsinnholdet filtreres bare ett av sidebåndene ut, i dette eksemplet det høyere sidebåndet 405, ved bruk av et høypassfilter (Ftrad) som har et passbånd som indikert av tallet 408.

Ved å bruke et filter ifølge denne oppfinnelsen er den tilsvarende prosessen illustrert i

Figur 5, der det tradisjonelle filteret (Ftrad) har blitt erstattet av et filter ifølge denne oppfinnelsen (Fjnv). Som i Figur 4 viser en øvre innfelling på figuren miksingen 501 av et mellomfrekvensbånd (IF) 503 med en lokaloscillator (LO) for å oppkonvertere et signal ved mellomfrekvensbåndet til en betydelig høyere frekvens. Resultatet er et bærebølgesignal 507 ved frekvensen til lokaloscillatoren (LO) og et lavere sidebånd 506 og et høyere sidebånd 505. Dette resulterende miksesignalet tilføres et filter (FjnV) ifølge oppfinnelsen som har passbåndegenskaper henvist til ved tallet 508. På Figur 5 er det gjenværende bærebølgesignalet 507 vist å ligge nær kanten av maksimalnivået for filterpassbåndet, dvs. godt oppe på én av hellingene til filterets passbånd. Den gjenværende bærebølgen vil imidlertid være betydelig dempet ved hakkbåndet 509, ettesom hakkbåndet kan være designet til å være sentrert eller ha sitt senter nært lokaloscillator (LO) bærebølgerfekvensen.

På Figur 6 er det illustrert ett mulig plasseringsarrangement for dette filteret i ett enkelt hus 601. Det akustiske resonatorelementet 602 er anbrakt atskilt fra, men elektrisk koplet til kamlinjeelementet 603.

En betydelig fordel ved filteret ifølge oppfinnelsen er at et båndpassfilter som har et håndhakk kan realiseres uten å bruke enkeltspoler. Dette gir en mye mer reproduserbar utforming, spesielt i høyfrekvensenden av frekvensområdet under betraktning. Ved svært høye frekvenser er det svært vanskelig å realisere enkeltspoler med de ønskede egenskaper på en reproduserbar måte. Anvendelsen av en kamlinjestruktur gir imidlertid en stabil og reproduserbar løsning.

En annen fordel ved foreliggende oppfinnelse er at kamlmjestrukturen erstatter de diskrete induktorene i forannevnte løsninger. Anvendelsen av en kamlinjestruktur reduserer området som er nødvendig sammenlignet med løsninger med diskrete passive elementer.

Som allerede nevnt, gir anvendelsen av et kamlinjefilterelement en måte å utforme høykvalitetsbåndpassfiltre for svært høye signalfrekvenser benyttet i et antall anvendelser, for eksempel kommunikasjonsanvendelser innen romfart.

Vanlige eksempler på anvendelser av filteret beskrevet her er således i radiosendere benyttet til oppkonvertering av et signal fra en inngangsbasebånd/IF-frekvens til en RF-utgangsfrekvens. Slike radiosendere benyttes i anvendelser slik som kommunikasjons-og navigasjonssystemer.

Claims (11)

1. Et radiofilter som har et båndpassfilter for å slippe gjennom et ønsket bånd av signalfrekvenser og et stoppfilter for å redusere gjennomgangen av et bånd av uønskede signalfrekvenser der nevnte filter omfatter - en inngangsterminal; - en utgangsterminal; - et filter som har flere koblede transmisjonslinjer anbrakt mellom nevnte inngangs- og utgangsterminal, som filtrerer inngangssignalene gjennom nevnte inngangsterminal for å slippe gjennom signaler i et gitt frekvensbånd; - en jord koplet til nevnte transmisjonslinjer ved første ender av nevnte flere transmisjonslinjer, og - et akustisk impedanselement er koplet mellom nevnte jord og andre ender av nevnte flere transmisjonslinjer for å gi en stoppbåndfilterfunksjon for inngangssignalene, og hvorved inngangssignalet etter båndpassifltrering og stoppbåndifltrering forsynes ved nevnte utgangsterminal.

2. Et radiofilter ifølge krav 1, der inngangsterminalen, utgangsterminalen og filteret er del av et filter sjikt.

3. Et radiofilter ifølge krav 1, der nevnte jord er et jordsjikt.

4. Et radiofilter ifølge krav 1, der filterlaget omfatter koplede transmisjonslinjer i en kamlinjestruktur.

5. Et radiofilter ifølge krav 4, omfattende koplede mikrostirplinjer.

6. Et radiofilter ifølge krav 1, omfattende et akustisk overflatebølge (SAW) impedanselement, der SAW-elementet er koplet mellom nevnte jordlag og en av nevnte andre ender av nevnte flere transmisjonslinjer.

7. Et radiofilter ifølge krav 1, omfattende et filmvolum akustisk resonator (FBAR) element, der FBAR-elementet er koplet mellom nevnte jordlag og en av nevnte andre ender av nevnte flere transmisjonslinjer.

8. Et radiofilter ifølge krav 1, omfattende flere fysisk atskilte overflatebølge (SAW) innretninger.

9. Et radiofilter ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, omfattende et enkelt piezoelektrisk krystall der atskilte områder og atskilte transdusere gir flere akustiske overflate (SAW) innretninger i en enkelt krystallbasert integrert komponent.

10. Et radiofilter ifølge hvilke som helst av de foregående kravene der nevnte transmisjonslinjer er mikrostriplinjer.

11. Et radiofilter ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene der de akustiske resonatorene og transmisjonslinjene er lokalisert på et enkelt piezoelektrisk substrat.