WO2003056699A1

WO2003056699A1 - Symmetrisch arbeitendes reaktanzfilter

Info

Publication number: WO2003056699A1
Application number: PCT/DE2002/004464
Authority: WO
Inventors: Michael Unterberger; Pasi Tikka
Original assignee: Epcos Ag
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2003-07-10
Also published as: DE10163462A1; US20050068125A1; JP2005513944A

Abstract

Für ein symmetrisch arbeitendes Reaktanzfilter mit steilen Flanken, geringem Passbandrippel und guter Nah- und Fernselektion wird vorgeschlagen, Schaltungsteilstrukturen (A,B) von symmetrisch arbeitenden Ladder Type Filtern und symmetrisch arbeitenden Lattice Type Filtern in einem neuen Filter zu kombinieren. Dabei können Reaktanzelemente verwendet werden, die in unterschiedlichsten Techniken wie beispielsweise SAW-Technik oder als BAW-Resonatoren ausgeführt sind.

Description

Beschreibung

Symmetrisch arbeitendes Reaktanzfilter

Reaktanzfilter, auch Abzweigfilter genannt, werden als Netzwerk von Reaktanz- oder Impedanzelementen ausgeführt. Üblicherweise werden dazu Reaktanzelemente in Abzweigschaltungen angeordnet, bei denen mindestens ein serieller Zweig der Schaltung leiterartig mit mindestens einem parallelen Zweig verbunden ist. Die Reaktanzelemente sind sowohl in den seriellen als auch in den parallelen Zweigen angeordnet.

Zur Ausbildung eines solchen Filters mit symmetrischem Ein- und Ausgang existieren zwei prinzipielle Möglichkeiten. Bei einem symmetrischen Ladder Type Filter werden die Reaktanzelemente in zwei seriellen Zweigen angeordnet, welche leiterartig mit parallelen Zweigen überbrückt sind. Bei einem symmetrischen Lattice Filter werden die Reaktanzelemente in zwei seriellen Zweigen angeordnet, welche kreuzförmig mit pa- rallelen Zweigen überbrückt sind. Jeder dieser beiden grundsätzlichen Filtertypen zeigt spezifische Filtereigenschaften. Das Ladder Type Filter weist als besonderen Vorteil steile Flanken im Übergangsbereich und tiefreichende Polstellen (Notches) auf, während ein Lattice Type Filter als besondere Vorteile eine niedrigere Einfügedämpfung und ein geringes Passband Ripple verbunden mit extrem hoher Stoppbandunterdrückung besitzt.

Reaktanzfilter können unabhängig von beiden grundsätzlichen Typen in verschiedenen Techniken ausgeführt sein. Beispielsweise ist es möglich, die Reaktanzelemente in Form elektrischer Schwingkreise (L, C-Glieder) , als Kristallresonatoren, als Oberflächenwellenresonatoren oder als BAW- (Bulk Acoustic ave) Resonatoren (auch als FBARs (Thin Film Bulk Acoustic Resonators) oder TFR (Thin film resonator) bezeichnet) auszubilden. Dabei sind lediglich die Reaktanzelemente unterschiedlich ausgeführt, während die Verschaltungsweise für al- le Filtertechniken gleich sein kann. Symmetrische Ladder Type Filter mit BAW-Resonatoren als Impedanzelementen sind beispielsweise aus der US -A 5 910 756 bekannt. Symmetrische Lattice Filter mit BAW-Resonatoren sind beispielsweise aus einem Artikel von K. M. Lakin et al . : "Development of minia- ture filters for wireless applications" , Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S international 1995, Seiten 883-886 bekannt .

Mobile KommunikationsSysteme benötigen oft Filter, die eine gute Nahselektion im Abstand von ca. 20 bis 100 MHz von den Kanten des Passbandes aufweisen, um das jeweilige Referenzband des Systems zu unterdrücken. Für ein RX-Filter (Empfangsfilter) ist beispielsweise eine hohe Nahselektion im Be- reich des TX-Bandes erforderlich, während ein TX-Filter (Sendefilter) eine hohe Unterdrückung des korrespondierenden Empfangsbandes (RX-Band) erforder . Für das EGSM-Mobilfunksystem liegt das TX-Band beispielsweise im Abstand von nur 10 MHz vom Passband. Zusätzlich erfordert dieses System eine hohe Fernabselektion im Abstand von 100 bis 4000 MHz vom Passband, um störenden Wellenanteile anderer mobiler Kommunikationssysteme, harmonische Schwingungen und Interferenzen zu unterdrücken. Zur Erfüllung dieser Anforderungen ist ein Filter nötig, welches steile Flanken, eine hohe Stoppbandunterdrük- kung über einen breiten Frequenzbereich und eine niedrige

Einfügedämpfung aufweist. Momentan kann jedoch keines der bekannten symmetrischen Reaktanzfilter sämtliche der genannten Anforderungen erfüllen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Reaktanzfilter anzugeben, welches eine niedrige Einfügedämpfung, ein Passband mit steilen Flanken und niedrigem Ripple, eine hohe Stoppbandunterdrückung und eine gute Fernabselektion aufweist .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Reaktanzfilter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.

Mit der Erfindung wird erstmals ein Reaktanzfilter angegeben, welches die Vorteile von Ladder Type und Lattice Type Filtern vereint. Ein erfindungsgemäßes Filter weist dazu sowohl Komponenten von Ladder Type Filtern als auch Komponenten von Lattice Type Filtern auf, die miteinander in einem Filter kombiniert sind. Zwischen den beiden als Ein- und Ausgang dienenden Toren mit jeweils zwei symmetrisch betreibbaren Anschlüssen sind zwei Schaltungszweige angeordnet, die jeweils einen Anschluß von erstem und zweitem Tor miteinander verbinden. In beiden Schaltungszweigen existieren Verzweigungsstel- len, zwischen denen Verbindungszweige geschaltet sind, die die beiden Schaltungszweige verbinden. In jedem Verbindungszweig ist ein zweites Reaktanzelement angeordnet. In den beiden Schaltungszweigen sind in zueinander symmetrischer Anordnung erste Reaktanzelemente in Serie verschaltet angeordnet .

Es sind erste Verbindungszweige vorgesehen, die einander symmetrisch zugeordnete Verzweigungsstellen miteinander verbinden. Daneben sind auch zweite Verbindungszweige vorgesehen, die paarweise jeweils zwei aufeinanderfolgende Verzweigungs- stellen im ersten Schaltungszweig mit jeweils zwei aufeinanderfolgenden Verzweigungsstellen im zweiten Schaltungszweig miteinander verbinden. Die aufeinanderfolgenden Verzweigungs- stellen im ersten und zweiten Schaltungszweig sind einander zwar symmetrisch zugeordnet, jedoch erfolgt die Verbindung über die Verbindungszweige über Kreuz. Zwischen den aufeinanderfolgenden Verzweigungsstellen ist dabei in beiden Schaltungszweigen jeweils ein erstes Reaktanzelement angeordnet.

Da wie gesagt die Funktionsfähigkeit und die Eigenschaften eines Reaktanzfilters unabhängig von der Art der Reaktanzelemente sind, können diese in unterschiedlichen Techniken ausgeführt sein. Beispielsweise ist es möglich, die Reaktanzele- mente als mit akustischen Wellen arbeitende Resonatoren auszuführen, beispielsweise als Oberflächenwellenbauelemente (SAW-Resonatoren) , als BAW-Resonatoren, als FBAR Resonatoren oder als Stacked Crystal Resonatoren (gestapelte Resonato- ren) . Für die Resonatoren gilt dabei stets, daß die Resonanzfrequenz der in den beiden Schaltungszweigen angeordneten ersten Reaktanzelemente höher ist als diejenige der in den Verbindungszweigen angeordneten zweiten Reaktanzelemente. Vorzugsweise werden die Resonanzfrequenzen der Reaktanzelemente so eingestellt, daß die Resonanzfrequenz der ersten Reaktanzelemente ungefähr gleich bei der Antiresonanzfrequenz der zweiten Reaktanzelemente liegt. Dies kann bei SAW-Resonatoren durch entsprechend unterschiedliche Fingerperioden, bei BAW Resonatoren durch entsprechende Variation der Schichtdicke der den Resonator bildenden Materialschichten eingestellt werden. Da der Unterschied der Resonanzfrequenzen zwischen ersten und zweiten Reaktanzelementen (Resonatoren) im erfindungsgemäßen Filter gering ist, können unterschiedliche Resonanzfrequenzen bei BAW-Resonatoren in einfacher Weise durch Trimmen der Schichtdicken eingestellt werden. Das Trimmen kann dabei das Entfernen von MaterialSchichtbereichen oder nachträgliches Abscheiden zusätzlicher Materialschichtbereiche umfassen. Möglich ist es auch, unterschiedliche Resonanzfrequenzen bei ggf. gleichbleibender Schichtdicke mit unter- schiedlichen Materialien zu erzielen, sofern die Materialien unterschiedliche akustische Eigenschaften besitzen.

Ein BAW-Resonator besteht gemäß einer einfachen Ausführungs- form aus einem dünnen Film eines piezoelektrischen Materials, der auf der Ober- und Unterseite jeweils mit einer Elektrode versehen ist. Idealerweise ist diese Struktur auf beiden Elektrodenseiten von Luft umgeben. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden wirkt ein elektrisches Feld auf die piezoelektrische Schicht ein, in Folge dessen das piezoelektrische Material einen Teil der elektrischen

Energie in mechanische Energie in Form von akustischen Wellen umwandelt. Diese breiten sich parallel zur Feldrichtung als sogenannte Volumenwellen aus und werden an den Grenzflächen Elektrode/Luft reflektiert. Bei einer bestimmten, von der Dicke der piezoelektrischen Schicht bzw. von der Dicke des Volumenschwingers abhängigen Frequenz f_r zeigt der Resonator eine Resonanz und verhält sich damit wie ein elektrischer Resonator.

Eine weitere Ausführungsform eines BAW-Resonators, die auch in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern eingesetzt werden kann, weist vorzugsweise einen Mehrschichtaufbau auf. Dabei sind über einem Substrat ein akustischer Spiegel, eine erste Elektrodenschicht, eine piezo-elektrische Schicht und schließlich eine zweite Elektrodenschicht ganzflächig übereinander angeordnet. Der akustische Spiegel weist dazu alternierend Schichten niedriger und hoher akustischer Impedanz auf, wobei die Schichten in Abhängigkeit von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in dem genannten Schichtmaterial eine Dicke von λ/4 aufweisen. Zur ausreichenden Reflexion der akustischen Wellen sind in den akustischen Spiegeln von BAW-Resonatoren zumeist zwei bis zehn Paare von λ/ -Schichten von unterschiedlicher Impedanz erforderlich.

Materialien für Schichten mit niedriger akustischer Impedanz sind insbesondere Si0₂, während als Material für die Schich- ten hoher akustischer Impedanz vorzugsweise Wolfram gewählt wird. Prinzipiell ist es jedoch möglich, auch andere Materialkombinationen mit insbesondere maximalem Unterschied an akustischer Impedanz für den akustischen Spiegel in BAW- Resonatoren im erfindungsgemäßen Filter zu verwenden.

Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes, aus BAW- oder FBAR- Resonatoren aufgebautes Reaktanzfilter auf einem einzigen gemeinsamen Substrat realisiert. Dazu werden sämtliche Schichten in entsprechenden geeigneten Dünnschichtverfahren über- einander erzeugt und gegebenenfalls einzeln zur Herausbildung der einzelnen Resonatoren und der sie verbindenden Metallisierungen strukturiert . Das Substrat muß dazu nur mechanische Trägerfunktion besitzen und dient als Grundlage zur Abscheidung der das Filter bildenden Materialschichten. Vorzugsweise ist das Substrat an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der darüber angeordneten Schichtmaterialien angepaßt. Noch vorteilhafter ist das Substrat ein Halbleitermaterial, in welches Schaltungen zum Betrieb des Reaktanzfilters integriert sein können. Möglich ist es auch, ein mehrschichtiges Substrat zu verwenden, wobei die Verschaltung einzelner Filterelemente (Reaktanzelemente) innerhalb des Substrats, also zwischen zwei Teilschichten eines mehrschichtigen Substrats, erfolgen kann. Solche Teilschichten können dabei auch organische oder keramische Schichten umfassen. Das Substrat kann auch eine LTCC Keramik sein, in die ggf. erforderliche passive Komponenten des erfindungsgemäßen Filters integriert sein können. Solche passive Komponenten können ein Anpassungsnetzwerk für das Filter ausbilden, das beispielsweise zur Impedanz-, Kapazitäts- oder Phasenanpassung dienen kann.

Als Elektrodenschichten für BAW-Resonatoren sind Aluminium, Molybdän, Wolfram oder Gold geeignet, die sich in einfacher Weise ebenfalls in Dünnschichtverfahren abscheiden lassen. Bevorzugte Materialien für die piezoelektrische Schicht, die auch in einem Dünnschichtverfahren aufgebracht werden kann, sind beispielsweise Aluminiumnitrid oder Zinkoxid.

Die Dicke des Resonatorkörpers legt die Resonanzfrequenz des Resonators fest. Je nach der sich einstellenden Schwingungsmode, die in gewissen Grenzen durch geeignete Maßnahmen beeinflußt sein kann, besitzt der Resonatorkörper dazu eine Schichtdicke, die ein Mehrfaches von λ/2 beträgt. Vorzugsweise wird für die Resonatorgesamtdicke ohne akustischen Spiegel λ/2 gewählt .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter in sche- matischer Darstellung.

Figur 2 zeigt verschiedene Unterstrukturen eines erfin- dungsgemäßen Reaktanzfilters.

Figur 3a zeigt eine Schaltungsanordnung erfindungsgemäßer Reaktanzfilter .

Figuren 3b, 3c zeigen einen in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbaren Resonator mit zwei akustisch gekoppelten Teilresonatoren in schematischer Darstellung.

Figuren 4 bis 6 zeigen verschiedene Schaltungsanordnungen erfindungsgemäßer Reaktanzfilter.

Figur 7 zeigt die Durchlaßkurve eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters .

Figur 8a zeigt einen in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbaren Oberflächenwellenresonator (Eintor-Resonator) .

Figur 8b zeigt ein in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbares DMS-Filter.

Figur 8c zeigt ein weiteres in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbares Reaktanzelement.

Figuren 9a, 9b zeigen einen an sich bekannten, in erfindungs- gemäßen Reaktanzfiltern einsetzbaren BAW-Resonator .

Figur 9c zeigt einen an sich bekannten, in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbaren Stacked Crystal Resonator.

Figur 9d zeigt einen weiteren an sich bekannten, in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbaren Stacked Crystal Resonator. Figur 10 zeigt ein auf einem gemeinsamen .Substrat realisiertes, in BAW-Resonatortechnik ausgeführtes Reaktanzfilter in schematischer Draufsicht.

Figur 11 zeigt die Durchlaßkurve eines bekannten Lattice Type Filters.

Figur 12 zeigt die Durchlaßkurve eines bekannten Ladder Type Filters.

Figur 1 zeigt die einfachste Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Das erfindungsgemäße Reaktanzfilter besteht aus zwei symmetrisch ansteuerbaren, als Ein- und Ausgang des Filters verwendbaren Toren mit den Anschlüssen Tl, Tl' und T2, T2 ' . Zwischen je zwei Anschlüssen T1/T2 und Tl ' /T2 ' ist je ein Schaltungszweig SZ, SZ' angeordnet, der den Eingang mit dem Ausgang bzw. das eine Tor mit dem anderen verbindet . Ein erfindungsgemäßes Filter besteht nun aus zu- mindest einer Schaltungsstruktur A und einer Schaltungsstruktur B, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse für die Schaltungszweig SZ, SZ' und zwei Ausgänge zur Verbindung mit der nächsten Schaltungsstruktur aufweist . Die SchaltungsStruktur A umfaßt dabei ein Grundelement eines Lattice Type Filters, die Schaltungsstruktur B zumindest ein Grundelement eines Ladder Type Filters.

Die Figuren 2A bis 2E geben verschiedene Schaltungsstrukturen für A und B an, die im erfindungsgemäßen Filter gemäß Figur 1 eingesetzt werden können. Das für die Reaktanzelemente Rl und

R2 verwendete Schaltungssymbol entspricht dabei dem von Resonatoren, die aber in unterschiedlicher Technik ausgeführt sein können. Figur 2A zeigt eine Schaltungsstruktur A, die dem einfachsten Lattice Type Filter entspricht. Zwei zueinan- der parallele Schaltungszweige SZ, SZ' sind mit zwei Verbindungszweigen VZ, VZ ' überbrückt. Die Verbindungszweige VZ verbinden dabei jeweils eine Verzweigungsstelle VS in jedem der beiden Schaltungszweige SZ, SZ ' . Die beiden Verbindungszweige VZ verbinden einander zugeordnete Paare von Verzweigungsstellen VS in den beiden Schaltungszweigen SZ in sich überkreuzender Anordnung, so daß eine erste Verzweigungsstel- le VS1 im ersten Schaltungszweig SZ mit einer zweiten Verzweigungsstelle VS2 ' im zweiten Schaltungszweig SZ' verbunden ist, eine Verzweigungsstelle VS2 im ersten Schaltungszweig SZ mit einer Verzweigungsstelle VS1 ' im zweiten Schaltungszweig SZ'. In jedem Schaltungszweig SZ sind zwischen den beiden Verzweigungsstellen VS erste Reaktanzelemente Rl angeordnet. Zwischen den Verzweigungsstellen sind in den Verbindungszweigen VZ zwei Reaktanzelemente R2 in Serie zum Verbindungszweig geschaltet .

Figur 2B gibt eine einfache Schaltungsstruktur Bl vom Ladder Type Typ an. Diese besteht aus zwei Schaltungszweigen SZ, SZ', in denen jeweils ein erstes Reaktanzelement Rl ' in Serie geschaltet ist. Zwischen zwei Verzweigungsstellen VS, VS ' ist ein Verbindungszweig VZ ' geschaltet, in dem ein zweites Reak- tanzelement R2 ' angeordnet ist.

In Figur 2C ist die Schaltungsstruktur Bl aus Figur 2B um einen weiteren Verbindungszweig VZ erweitert, der zwei weitere Verzweigungsstellen VS1, VS2 rechts der ersten Reaktanzele- mente in den beiden Schaltungszweigen SZ verbindet.

Figur 2D gibt eine Schaltungsstruktur B2 an, die sich zu der Schaltungsstruktur Bl aus Figur 2B wie Bild und Spiegelbild verhält .

In Figur 2E ist eine Schaltungsstruktur B3 dargestellt, in der die Schaltungsstruktur B2 aus Figur 2D im jeweiligen Schaltungszweig SZ um jeweils ein erstes Reaktanzelement Rl, Rl ' erweitert ist, das jeweils rechts von der Verzweigungs- stelle VS des Verbindungszweiges VZ angeordnet ist. Ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter kann nun aus beliebigen Kombinationen der Schaltungsstrukturen A und B (Bl bis B4) bestehen. Dabei können auch gleiche Schaltungsstrukturen hintereinander angeordnet sein. Voraussetzung ist jedoch, daß die an sich bekannten für Ladder Type oder Lattice Type Filter geltenden Designregeln beachtet werden. Dies betrifft insbesondere die Bedingung des gleichen Impedanzabschlusses, wonach zwischen der Verbindungsstellen zweier Schaltungsstrukturen die gleiche Anschlußimpedanz gegeben sein muß. Ein Design, das dieser Regel streng folgt, wird als Imageparameterdesign bezeichnet.

Beim Hintereinanderschalten unterschiedlicher oder gleicher Schaltungsstrukturen vom Typ B kann es zu Anordnungen kommen, bei denen entweder zwei erste Reaktanzelemente in einem Schaltungszweig direkt nebeneinander in Serie geschaltet sind, ohne daß da zwischen Verbindungszweige liegen, oder bei denen zwei Verbindungszweige mit je einem zweiten Reaktanzelement unmittelbar benachbart sind, ohne daß zwischen deren Verzweigungsstellen VZ erste Reaktanzelemente liegen. Solche Strukturen serieller erster Reaktanzelemente bzw. paralleler zweiter Reaktanzelemente können dabei stets zusammengefaßt werden, wobei die statische Kapazität eines sich aus der Kombination zweier serieller erster Resonatoren Rl ergebenden Additionselements halbiert wird, während die statische Kapazität eines Kombinationselements aus zwei parallelen zweiten Resonatoren R2 verdoppelt wird.

Figur 3a zeigt eine konkrete Schaltungsstruktur eines in Fi- gur 1 nur schematisch angegebenen erfindungsgemäßen Reaktanzfilters. Dieses umfaßt eine erste Schaltungsstruktur A und eine zweite Schaltungsstruktur Bl, wie sie bereits in den Figuren 2A und 2B dargestellt wurden. Die Kombination dieser beiden Schaltungsstrukturen A und Bl ist zwischen den beiden durch die Anschlüsse Tl, Tl ' und T2 , T2 ' gebildeten Tore in Serie geschaltet. Figur 3b zeigt in schematischer Darstellung einen an sich bekannten, in erfindungsgemäßen Reaktanzfiltern einsetzbaren Resonator Rl mit (hier zwei) akustisch gekoppelten Teilresonatoren, der z. B. als ein Stacked Crystal Resonator oder als akustisch gekoppelte, in einer akustischen Spur (wie z. B. in einem DMS-Filter) angeordnete Interdigitalwandler ausgestaltet sein kann. Der Resonator Rl weist zwei miteinander akustisch gekoppelte Teilresonatoren Rll und R12 auf. In Figur 3c ist eine weitere Ausgestaltung des Resonators Rl gezeigt, bei dem die akustisch gekoppelten Teilresonatoren an die Masse angeschlossen sind.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die der Verschaltung der Schaltungsstruktur A und B2 entspricht.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, entsprechend einer seriellen Verschaltung der Schaltungsteilstrukturen A und B4.

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die einer Verschaltung der Schaltungsteilstrukturen A und B3 entspricht .

Die in den Figuren 3a, 3b, 4 bis 6 dargestellten Ausführungs- beispiele stellen zwar bereits komplette Filter dar, können jedoch durch Serienverschaltung mit beliebigen weiteren SchaltungsteilStrukturen vom Typ A oder B kombiniert bzw. in Serie verschaltet und damit erweitert werden.

Figur 7 zeigt die aus einer Simulationsrechnung erhaltene

Durchlaßkurve eines in Figur 6 dargestellten erfindungsgemäßen Reaktanzfilters. Es zeigt sich, daß der erfindungsgemäße Filter zum einen die steilen Flanken und die tiefreichenden Polstellen (Notches) aufweist, die typisch für ein symmetri- sches Ladder Type Filter sind. Auf der anderen Seite zeigt das erfindungsgemäße Filter zusätzlich die sehr gute Fernabselektion, die typisch für einen Lattice Type Filter ist. Fi- gur 7A zeigt dabei zur Verdeutlichung der Fernabselektion die gesamte Durchlaßkurve, während in Figur 7B das Passband vergrößert dargestellt ist, so daß die steilen Flanken des Passbandes gut zu erkennen sind.

Figur 8a zeigt eine Möglichkeit, wie ein Reaktanzelement eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters als Eintor-Resonator in Oberflächenwellentechnik ausgeführt werden kann. Angegeben ist die Metallisierungsstruktur eines Eintor-Resonators, wel- eher einen Interdigitalwandler IDT aufweist, der zwischen zwei Reflektoren RFl, RF2 angeordnet ist. Die Anschlüsse des Eintor-Resonators liegen am Interdigitalwandler IDT an und sind mit T3 und T4 bezeichnet . Rechts der konkreten Struktur ist das dafür einsetzbare Schaltungssymbol für einen (allge- meinen) Resonator dargestellt, wie es auch in den Figuren 2 bis 6 verwendet wird.

Figur 8b zeigt eine Möglichkeit, wie ein Reaktanzelement eines erfindungsgemäßen Reaktanzfilters als DMS-Filter (DMS = Double Moded Surface Acoustic Wave) in Oberflächenwellentechnik ausgeführt werden kann. Die Metallisierungsstruktur des DMS-Filters weist einen Interdigitalwandler IDT1 auf, die mit einem weiteren Interdigitalwandler IDT2 akustisch gekoppelt ist. Die beiden Interdigitalwandler sind beidseitig durch die Reflektoren RFl, RF2 begrenzt. Die Anschlüsse des DMS-Filters sind mit T3 und T4 bezeichnet . Rechts der konkreten Struktur ist das dafür einsetzbare Schaltungssymbol für zwei gekoppelte Teilresonatoren dargestellt, das dem in der Figur 3c dargestellten Resonator entspricht.

Figur 8c zeigt ein weiteres Reaktanzelement, das in einem erfindungsgemäßen Reaktanzfilter eingesetzt werden kann. Das Reaktanzelement weist in dieser Ausgestaltung zwei akustisch gekoppelte Interdigitalwandler IDT1 und IDT2 auf, die zwi- sehen den Anschlüssen T3 und T4 in Reihe geschaltet sind. Rechts der konkreten Struktur ist das dafür einsetzbare Schaltungssymbol für zwei gekoppelte Teilresonatoren darge- stellt, das dem in der Figur 3b dargestellten Resonator entspricht .

Figuren 9a, 9b zeigen Ausführungsformen an sich bekannter BAW- bzw. FBAR-Resonatoren. In Figur 9a ist ein solcher Resonator, bestehend aus einer ersten Elektrodenschicht El, einer piezo-elektrischen Schicht P und einer zweiten Elektrodenschicht E2 über einem akustischen Spiegel AS angeordnet, welcher wiederum auf einem Substrat S aufgebracht ist. Der aku- stische Spiegel AS kann dabei eine unterschiedliche Anzahl von λ/4-Schichten alternierend hoher und niedriger Impedanz aufweisen. Für das Substrat sind die bereits genannten Materialien geeignet, ebenso wie für die funktioneilen Schichten E und P des Resonators geeignete Materialien bereits angege- ben wurden.

Figur 9b zeigt eine weitere Variante eines Dünnschichtresonators, der hier frei tragend auf zwei Auflagepunkten eines Substrats aufliegt. Der Freiraum unterhalb des Resonators, der auch als Air Gap oder Luftspalt bezeichnet wird, dient dazu, die akustische Energie innerhalb des Resonators zu erhalten. Der Impedanzunterschied an der Phasengrenze zwischen Elektrodenschicht bzw. Membranschicht und Luft ist so hoch, daß es zu einer vollständigen Reflexion der akustischen Welle an der Grenzschicht zur Luft kommt. Der Luftspalt übernimmt hier die Rolle des akustischen Spiegels.

Ein beispielhafter Aufbau eines an sich bekannten Stacked Crystal Resonators ist in Figuren 9c und 9d gezeigt . Ein er- ster Teilresonator ist in beiden Figuren durch eine erste

Elektrode El, eine piezoelektrische Schicht P und eine zweite Elektrode E2 gebildet. Ein zweiter Teilresonator ist in Figur 9c durch die erste Elektrode El, eine piezoelektrische Schicht Pl und eine dritte Elektrode E3 gebildet. In dem in Figur 9d gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zweite Teilresonator durch eine vierte Elektrode E4 , die piezoelektrische Schicht Pl und die dritte Elektrode E3 gebildet. Die akusti- sehe Kopplung der aufeinander gestapelten Teilresonatoren erfolgt mittels einer gemeinsamen Elektrode (El in Figur 9c) bzw. mittels einer zwischen den einander zugewandten Elektroden El und E4 angeordneten Koppelschicht KS (siehe Figur 9d) . Die Elektroden El, E4 können wie in Figuren 9c, 9d angedeutet an die Masse angeschlossen sein. Diese Verschaltung ist in Figur 3c schematisch dargestellt.

Figur 10 zeigt eine Möglichkeit, wie ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter aus BAW-Resonatoren aufgebaut werden kann und wie diese Resonatoren auf einem einzigen Substrat integriert werden können. Jeder Resonator kann dabei beispielsweise gemäß Figur 9A ausgebildet sein. Die Verschaltung erfolgt durch integrierten Aufbau, bei dem durch zwischenzeitliche Struktu- rierungsschritte Leiterbahnen zwischen einzelnen Elektrodenschichten El, E2 von benachbarten bzw. miteinander zu verschaltenden Reaktanzelementen herausgebildet werden können. Die Verschaltung erfolgt über Metallisierungen, die in Form von Metallisierungsbahnen die einzelnen Elektrodenschichten benachbarter bzw. zu verschaltender Resonatoren miteinander verbinden. Die mit dickeren Linien dargestellten Metallisierungsbahnen MB sollen dabei in der Zeichenebene unten liegende Elektrodenschichten miteinander verbinden, während die mit normalen bzw. dünneren Strichen dargestellten Metallisie- rungsbahnen MB dagegen die in der Zeichnungsebene oben liegenden Elektrodenschichten E2 angeben. Die Resonatoren sind dabei als Vierecke dargestellt, entsprechend der bevorzugten Grundfläche von BAW-Resonatoren.

Die in der Figur 10 dargestellte reale Struktur für ein erfindungsgemäßes Reaktanzfilter entspricht der allgemeinen Schaltungsstruktur, die in Figur 6 dargestellt ist. Es ist lediglich die Schaltungsteilstruktur A mit der Schaltungsteilstruktur B3 vertauscht. Die Anschlüsse Tl, Tl ' und T2 , T2 ' entsprechen dabei den auf dem Substrat oder einer anderen Oberflächenschicht des Substrats aufgebrachten Metallisie- rungsflachen, an die externe Verschaltungen angelötet oder sonst wie angeschlossen werden können.

Figur 11 zeigt die Durchlaßkurve eines bekannten Lattice Type Filters, hier der Schaltungsteilstruktur A aus Figur 2A. Gut zu erkennen ist die niedrige Einfügedämpfung und die gute Nahselektion ebenso wie die nicht allzu steilen Flanken des Durchlaßbands .

Figur 12 dagegen zeigt die Durchlaßkurve eines an sich bekannten Ladder Type Filters, beispielsweise der in SAW- Technik realisierten SchaltungsteilStruktur B4 (siehe Figur 2C) . Gut zu erkennen sind hier die steilen Flanken und die tiefen Polstellen ebenso wie das nachteilige Passbandrippeln und die vergleichsweise schlechtere Fernabselektion im Stoppband.

Bei Vergleich der Durchlaßkurven bekannter Ladder Type und Lattice Type Filter mit der in Figur 7 dargestellten Durch- laßkurve erfindungsgemäßer Filter zeigt sich, daß die Erfindung in überraschender Weise ausschließlich die vorteilhaften Eigenschaften der beiden bekannten Filtertypen in sich vereint, ohne daß dabei gleichzeitig deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Mit den erfindungsgemäßen Filtern kön- nen daher erstmals die hohen Anforderungen von Mobilfunksy- stemen mit nahe beieinanderliegender Referenzbänder für RX- und TX-Filter erfüllt werden, beispielsweise die des bereits weiter oben erwähnten EGSM-Standards .

Obwohl die Erfindung nur anhand einiger weniger Ausführungs- beispiele erläutert werden konnte, sind weitere Variationen in der Struktur erfindungsgemäßer Reaktanzfilter denkbar. Neben den mit akustischen Wellen arbeitenden Resonatoren ist die Erfindung außerdem mit weiteren Reaktanzelementen aus- führbar, beispielsweise mit LC-Gliedern oder mit Kristallresonatoren. Auch die angegebenen Materialien für BAW- Resonatoren sind nicht einschränkend für die Erfindung, da die Reaktanzelemente bzw. die Resonatoren auch anders verwirklicht werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Reaktanzfilter

- mit einem ersten und einem zweiten Tor mit jeweils zwei Anschlüssen (T1,T1'; T2,T2') mit einem ersten und einem zweiten Schaltungszweig (SZ,SZ'), die jeweils einen Anschluß des ersten Tors mit einem Anschluß des zweiten Tors verbinden mit zumindest je zwei ersten Reaktanzelementen (R2) , die im ersten und im zweiten Schaltungszweig in zueinander symmetrischer Anordnung jeweils in Serie geschaltet sind

- mit zumindest einem ersten Verbindungszweig (VZ) und zumindest einem Paar von zweiten Verbindungszweigen

(VS,VS'), wobei die Verbindungszweige jeweils eine Ver- zweigungsstelle des ersten mit einer Verzweigungsstelle des zweiten Schaltungszweigs verbinden und in jedem Verbindungszweig je ein zweites Reaktanzelement (R2) angeordnet ist

- wobei jeder erste Verbindungszweig (VZ) einander symme- trisch zugeordnete Verzweigungsstellen (VS) verbindet wobei jedes Paar der zweiten Verbindungszweige jeweils zwei aufeinanderfolgende Verzweigungsstellen im ersten Schaltungszweig (SZ) mit jeweils zwei aufeinanderfolgenden Verzweigungsstellen im zweiten Schaltungszweig (SZ¹) über Kreuz verbindet, wobei zwischen den beiden genannten aufeinanderfolgenden Verzweigungsstellen in beiden Schaltungszweigen jeweils eines von zwei einander symmetrisch zugeordneter erster Reaktanzelemente angeordnet ist.

2. Reaktanzfilter nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Reaktanzelemente (R1,R2) mit akustischen Wellen arbeitende Resonatoren sind.

3. Reaktanzfilter nach Anspruch 2, bei dem die Resonanzfrequenz der ersten Reaktanzelemente (Rl) höher ist als diejenige der zweiten Reaktanzelemente (R2) .

4. Reaktanzfilter nach Anspruch 3, bei dem die Resonanzfrequenz der ersten Reaktanzelemente (Rl) ungefähr gleich der Antiresonanzfrequenz der zweiten Reaktanzelemente (R2) ist.

5. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 -4, bei dem die ersten und zweiten Reaktanzelemente (Rl, R2) BAW Resonatoren sind.

6. Reaktanzfilter nach Anspruch 5, bei dem die BAW Resonatoren (R1,R2) jeweils einen Mehrschichtaufbau aufweisen, bei dem aufeinanderfolgend ein Substrat (S) , ein akustischer Spiegel (AS) , eine erste Elektrode (El) , eine piezoelektrische Schicht (P) und eine zweite Elek- trode (E2) ganzflächig übereinander angeordnet sind.

7. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 6, bei dem neben jeder Verzweigungsstelle (VS) der ersten Verbindungszweige in jedem Schaltungszweig (SZ) eines der ersten Reaktanzelemente (Rl) angeordnet ist.

8. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 7, bei dem mehrere erste Verbindungszweige (VZ) vorgesehen sind, zwischen deren Verzweigungsstellen (VS) je Schaltungszweig zumindest ein erstes Reaktanzelement (Rl) angeordnet ist.

9. Reaktanzfilter nach Anspruch 7 oder 8, bei dem in jedem Schaltungszweig (SZ) beiderseits neben jeder Verzweigungsstelle (VS) der ersten Verbindungszweige (VZ) je ein erstes Reaktanzelement (Rl) angeordnet ist.

10.Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 9, bei dem in einer Richtung vom ersten zum zweiten Tor gesehen direkt aufeinanderfolgend ein Paar sich überkreuzender zwei- ter Verbindungszweige (VZ2) , ein erster Verbindungszweig

(VZ1) und schließlich in beiden Schaltungszweigen (SZ) je ein erstes Reaktanzelement (Rl) angeordnet ist.

11.Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 9, bei dem in einer Richtung vom ersten zum zweiten Tor gesehen direkt aufeinanderfolgend ein Paar sich überkreuzender zwei- ter Verbindungszweige (VZ2) , in beiden Schaltungszweigen (SZ) je ein erstes Reaktanzelement (Rl) und schließlich ein erster Verbindungszweig (VZ1) angeordnet ist.

12.Reaktanzfilter nach Anspruch 11, bei dem nach dem zweiten Verbindungszweig (VZ) in beiden

Schaltungszweigen (SZ) je ein weiteres erstes Reaktanzelement (Rl) angeordnet ist.

13.Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 12, bei dem mehr als ein Paar von sich überkreuzenden zweiten Verbindungszweigen (VZ2) vorgesehen ist.

14.Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 13, bei dem sämtliche erste und zweite Reaktanzelemente (Rl) als BAW Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat (S) aufgebaut sind.

15.Reaktanzfilter nach Anspruch 14, bei dem ein gemeinsamer gegebenenfalls strukturierter akusti- scher Spiegel (AS) für sämtliche Reaktanzelemente (R1,R2) verwendet wird und wobei die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen von ersten und zweiten Reaktanzelementen durch Trimmen eines Typs aus ersten und zweiten Reaktanzelementen eingestellt ist.

16. Reaktanzfilter nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei dem die ersten und zweiten Reaktanzelemente (Rl, R2) Stacked Crystal Resonatoren oder miteinander akustisch gekoppelte Teilresonatoren eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Resonators oder DMS-Filters sind.