Beschreibung
Frontend-Modul mit geringer Einfügedämpfung
Die Erfindung betrifft ein Frontend-Modul mit einem Sendepfad und einem Empfangspfad, die mit einem Antennenanschluß verbunden sind, umfassend ein Vielschichtsubstrat mit mehreren dielektrischen Schichten und Metallisierungsebenen, die zwischen den dielektrischen Schichten angeordnet und elektrisch miteinander sowie mit auf der Substratoberseite angeordneten Anschlußflächen und auf der Substratunterseite angeordneten Außenkontakten verbunden sind, wobei im Sendepfad ein Sendefilter und im Empfangspfad ausgangsseitig ein Empfangsfilter angeordnet ist. Die Filter sind jeweils mit den Anschlußflä- chen des Vielschichtsubstrats elektrisch verbunden. Im Empfangs- und/oder Sendepfad ist antennenseitig ein Anpassungsnetzwerk angeordnet, das eine Verzögerungsleitung umfaßt. Ein solches Frontend-Modul ist z. B. aus der Druckschrift DE 19621353 bekannt.
Die mit dem gemeinsamen Antennenanschluß verbundene Filter bilden einen Duplexer.
Ein Duplexer ist eine Frequenzweiche zur Trennung der Emp- fangs- und Sendesignale eines bestimmten Frequenzbandes eines Datenübertragungssystems, wobei die Datenübertragung in beide Richtungen über eine gemeinsame Antenne erfolgt. Ein Duplexer weist in jedem Signalpfad i. d. R. ein Bandpaßfilter, z. B. ein mit akustischen Wellen arbeitendes Filter oder ein Fil- ter, das aus mehreren elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen dielektrischen Resonatoren besteht. Der Duplexer gewährleistet dabei, daß sich die Pfade wechselseitig nicht beeinflussen und beispielsweise ein Sendesignal nicht in den Empfangspfad hineinkoppelt .
Bekannt sind z. B. aus der Druckschrift DE 19621353 AI Duplexer, die auf der Basis von Oberflächenwellen-Komponenten und
eines mehrlagigen Vielschichtsubstrats mit integrierten Schaltungen aufgebaut sind. Die Oberflächenwellen-Komponenten haben jedoch den Nachteil, daß deren Herstellung kostspielige Materialien und einen hohen Aufwand erfordert und daß sie bei hohen Sendeleistungen eine geringe Lebensdauer haben.
Ferner ist aus der Druckschrift US 5534829 ein Duplexer bekannt, der auf einer Basisplatte aufgebaut ist. Dabei sind die Bandpaßfilter jeweils aus mehreren zusammengefügten ein- zelnen koaxialen Resonatoren, u. a. Mikrowellenkeramik- Resonatoren, aufgebaut.
Ein bekanntes Mikrowellenkeramik-Filter besteht aus zumindest einem Resonator, der in einem dielektrischen keramischen Grundkörper ausgebildet ist . Dazu weist der Grundkδrper eine zentrale Bohrung auf, deren Innenwände metallisiert sind. Auch die Außenwände des keramischen Grundkörpers sind mit Ausnahme einer Stirnfläche metallisiert und an der Kurzschlußseite, die der nicht metallisierten Stirnfläche ge- genüberliegt , mit der metallisierten Bohrung kontaktiert.
Galvanisch von der Außenmetallisierung getrennt befinden sich an einer Seitenfläche elektrische Anschlußflächen, die zur kapazitiven Ankopplung an die metallisierte Bohrung, die den eigentlichen Resonator darstellt, dienen.
Die Mikrowellenkeramik-Filter haben den Vorteil, daß sie vergleichsweise einfach entworfen und günstig hergestellt werden können. Darüber hinaus weisen sie eine geringe Einfügedämpfung auf .
Aus US 5 686 873 ist ein sogenannter monolithischer Duplexer bekannt. Bei monolithischen Duplexern ist ein einziger Keramikkörper vorgesehen, in welchem ein Sendezweig und ein Empfangszweig aus jeweils mehreren gekoppelten Resonatoren ange- ordnet ist. Der Vorteil eines solchen monolithischen Duplexers liegt in dessen Herstellung: es braucht nur ein Keramik-
kδrper in einem Stück gepreßt zu werden, was die Fertigung erheblich gegenüber der Herstellung von zwei Keramikkörpern vereinfacht. Ein nicht zu unterschätzender Nachteil liegt a- ber darin, daß die Keramikkörper solcher monolithischer Duplexer wegen ihrer Größe schwer zu löten sind, wobei überdies oft entsprechende mechanische Spannungen auf den jeweiligen Unterlagen bzw. "Boards" entstehen, da die Keramikfilter selbst nicht flexibel sind. Außerdem ist bei monolithischen Duplexern das Oberwellenverhalten tendenziell gegenüber Duplexern aus getrennten Filtern schlechter, da die grundsätzlich immer auftretenden Rechteckhohlleitermoden schon bei niedrigen Frequenzen ausbreitungsfähig werden, was sich bei einem monolithischen Duplexer besonders nachteilhaft auswirkt .
Weiterhin ist in der genannten Druckschrift ein Duplexer beschrieben, der aus zwei keramischen Filtern mit je zwei gekoppelten Resonatoren besteht, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind und über Leitungsstrukturen auf dieser Leiter- platte verbunden sind.
Bei einer anderen Art von Duplexern, die beispielsweise aus US 5 789 998 bekannt sind, werden zu verkoppelnde Keramikfilter bzw. keramische Leitungsresonatoren auf einem Viel- schichtsubstrat montiert. Die KoppelStrukturen zwischen den
Keramikfiltern sind entweder im Vielschichtsubstrat enthalten oder durch zusätzlich vorgesehene Spulen und Kondensatoren gegeben. Ein wesentlicher Nachteil dieser Art von Duplexern liegt in dem hohen Aufwand für die KoppelStrukturen. Auch ist eine Reduzierung der Bauhöhe wegen des zusätzlichen Vielschichtsubstrats nur auf Kosten einer Verschlechterung der elektrischen Parameter, wie insbesondere der Einfügungsdämpfung, zu realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Frontend-Modul anzugeben, das einfach und kostengünstig herzustellen ist und dabei eine niedrige Einfügedämpfung und einen geringen Platz- bedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Frontend-Modul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu ent- nehmen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch den kompakten odularen Aufbau des Bauelements auf einem mehrlagigen Viel- schichtsubstrat mit integrierten passiven Elementen der Frontendschaltung und die Verwendung in einem solchen Modul verlustarmer Mikrowellenkeramik-Filter niedrige Signalverluste zu erzielen.
Ein erfindungsgemäßes Frontend-Modul weist einen Sendepfad und einen Empfangspfad auf, die mit einem gemeinsamen Antennenanschluß verbunden sind. Das Frontend-Modul umfaßt insbesondere ein Vielschichtsubstrat mit mehreren dielektrischen Schichten und Metallisierungsebenen, welche zwischen den dielektrischen Schichten angeordnet und elektrisch miteinander sowie mit auf der Substratoberseite angeordneten Anschlußflächen und auf der Substratunterseite angeordneten Außenkontakten verbunden sind.
Im Sendepfad ist ein Sendefilter und im Empfangspfad (vor- zugsweise ausgangsseitig, d. h. auf der dem Antennenanschluß gegenüberliegenden Seite des Empfangspfades) ein Empfangsfilter angeordnet. Die Filter sind jeweils auf dem Vielschichtsubstrat angeordnet und mit dessen Anschlußflächen elektrisch verbunden .
Im Empfangspfad und/oder Sendepfad ist antennenseitig ein Anpassungsnetzwerk angeordnet, das eine Verzögerungsleitung um-
faßt, die zur Entkopplung des Empfangspfades im Bereich der Sendefrequenz dient und - bei Anordnung im Empfangspfad - vorzugsweise eine Länge von λ/4 hat. Die Verzögerungsleitung ist zumindest teilweise im Vielschichtsubstrat angeordnet.
Das Sendefilter und das Empfangsfilter (die als Mikrowellenkeramik-Filter ausgebildet sind) sind gemeinsam in einem einzigen monolithischen Mikrowellenkeramik-Bauelement realisiert oder jeweils als ein monolithisches Mikrowellenkeramik- Bauelement ausgebildet.
Das Mikrowellenkeramik-Filter besteht aus einem keramischen Grundkörper, der mehrere metallisierte Bohrungen aufweist. Die Außenflächen des Grundkδrpers weisen eine geschlossene Außenmetallisierung auf, wobei eine Stirnfläche von Metallisierung frei ist und wobei auf der Unterseite des Grundkörpers Aussparungen vorgesehen sind. In den Aussparungen sind von der Außenmetallisierung isolierte elektrische Kontakte angeordnet, die mit den entsprechenden Anschlußflächen auf der Oberseite des Vielschichtsubstrats kontaktiert sind.
Die Außenmetallisierung und die Anschlußflächen werden vorzugsweise in einem Verfahrensschritt als eine gemeinsame großflächige Metallisierung erzeugt und in einem späteren Verfahrensschritt z. B. durch einen Schliff voneinander isoliert .
Die dielektrischen Schichten können z. B. als dünne Keramikoder Laminatschichten (z. B. aus FR4) ausgebildet sein. Die Verzögerungsleitung oder auch weitere passive Schaltungselemente (z. B. Widerstand, Kapazität, Induktivität, Leitungsabschnitt) oder Schaltungen (z. B. Impedanzwandler, Balun, Tiefpaßfilter, Anpassungsnetzwerk) können teilweise oder komplett in zumindest einer der Metallisierungsebenen des Viel- schichtSubstrats oder auf seiner Ober- und/oder Unterseite ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die
genannten Komponenten als Leiterbahnen auf dem Grundkörper in weiteren Aussparungen der Außenmetallisierung auszubilden.
Die Gesamtdicke des Vielschichtsubstrats ist vorzugsweise < 300 Mikrometer.
Die Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats sind miteinander sowie mit auf der Substratoberseite angeordneten Anschlußflächen und auf der Substratunterseite angeordneten Außenkontakten mittels Durchkontaktierungen verbunden, die vorzugsweise als metallisierte Bohrungen ausgebildet sind.
Die Rückseite des Frontend-Moduls, die zur Oberseite der Filter hin zeigt, kann bei getrennt ausgebildeten Filtern in ei- nem der späteren Verfahrensschritte (nach der Anordnung der Filter auf dem Vielschichtsübstrat) planarisiert sein. Das Modul ist inklusive Filter planarisiert, z. B. durch Verguß oder durch Anordnung einer (vorzugsweise elektrisch nicht leitenden) Platte auf der Rückseite der Filter. Diese Platte kann z. B. die Bezeichnung des Bauelements aufweisen. Eine
Platte aus einem leitfähigen Material kann als Abschirmung oder zur Einstellung der Filtereigenschaften des Bauelements (z. B. Selektion im Sperrbereich) benutzt werden.
Das erfindungsgemäße Frontend-Modul verbindet in vorteilhafter Weise einerseits die Vorzüge einer vertikalen Integration passiver Bauelementstrukturen und andererseits die Vorteile eines modularen Aufbaus, wobei Teile des Moduls nur in geringem Maße die elektrischen Eigenschaften gegenseitig beein- flussen, weshalb beim Entwurf des Gesamtmoduls ein Teil des
Moduls je nach Bedarf leicht ersetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Kombination der Modularität (durch Verwendung von in einem einzigen Grundkörper ausgebildeten Mikrowellenkeramik-Filter) und der Integrität (durch Realisierung weiterer passiver Schaltungen im Vielschichtsübstrat) erzielt daher erstmalig die in den bisher bekannten Bauelementen nicht erreichbaren Vorteile.
Für die vorteilhafte Flexibilität beim Entwurf des gesamten Frontend-Moduls spielt eine besondere Rolle der Einsatz von Mikrowellenkeramik-Filtern, deren elektrische Eigenschaften - im Gegensatz zu elektroakustischen Filtern - besonders einfach modelliert und realisiert werden können.
Auf der Oberseite des Vielschichtsubstrats ist in einer Weiterbildung der Erfindung zumindest ein weiteres diskretes Bauelement angeordnet, das beispielsweise aus einem Chip- Bauelement, einem Transistor, einer Diode, einem Widerstand, einem Kondensator oder einer Spule ausgewählt ist .
In dem als Chip-Bauelement ausgebildeten weiteren diskreten Bauelement kann auch eine Schaltung, ausgewählt aus Anpassungsnetzwerk, Impedanzwandler, Tiefpaßfilter, MEMS (Micro Electromechanical System) , Diplexer oder Balun, realisiert sein.
Das weitere diskrete Bauelement kann als Halbleiterchip-
Bauelement ausgebildet sein und z. B. einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker oder einen Diodenschalter umfassen.
Auf der Stirnfläche können in einer Variante der Erfindung planar oder in Vertiefungen aufgebrachte metallische Strukturen vorgesehen sein. Diese ermöglichen es in einfacherer Weise, mit Hilfe des zusätzlichen Freiheitsgrades eine gewünschte Kapazität einzustellen. Die Größe der Kapazität ist dabei überwiegend durch die Tiefe und Anordnung der metallischen
Strukturen bestimmt .
Verkoppelt man zwei Resonatoren geeignet, so entsteht ein Filterverhalten. Zur Einstellung gewünschter Spezifikationen sind also zumindest zwei Resonatorbohrungen erforderlich. Als AnkoppelStrukturen ausgebildete metallische Strukturen bilden dabei eine Kapazität zu einer oder mehreren Resonatorbohrun-
gen. Dies bedeutet, daß als AnkoppelStrukturen verwendete metallische Strukturen in die Nähe einer Resonatorbohrung geführt sind, aber in definiertem Abstand und galvanisch getrennt zu dieser ausgeführt sind.
Zusätzlich zu den Ankoppelkapazitäten können in einem - in dieser Ausführungsform in einem einzigen Grundkδrper ausgebildeten - Duplexer zusätzliche metallische Strukturen zur Entkopplung der beiden Filter (Sende- bzw. Empfangsfilter) vorgesehen sein. Auch diese metallischen Entkopplungs- Strukturen sind wie die genannten AnkoppelStrukturen als metallisierte Vertiefungen in der Stirnfläche ausgebildet. Die zur Entkopplung dienenden metallischen Strukturen können galvanisch isoliert sein oder mit den metallisierten Bohrungen (Resonatorbohrungen) eines Teilfilters verbunden sein. Die
Entkoppelstrukturen dienen dazu, die Eigenimpedanz eines Filters zu beeinflussen und somit die Phasenlage in geeigneter Weise zu verändern. Dies geschieht in einem Spezialfall im Smith Chart, indem man versucht, das Empfangs- und Sendefil- ter jeweils in den Leerlauf zu drehen, was einer Entkopplung der beiden Pfade entspricht. Durch geeignete Wahl der Eingangsimpedanzen kann somit erreicht werden, daß sich die des Empfangs- und Sendepfads nicht mehr gegenseitig beeinflussen. Dies entspricht einer Drehung im Smith Chart und dient dazu, das Empfangs- und das Sendefilter zu entkoppeln, so daß sie gegenseitig von ihren Signalen nicht beeinflußt werden. Die Entkopplungsstrukturen können an beiden Filtern angebracht werden.
Während die Resonatorbohrung eines erfindungsgemäßen Filters in der Regel über die gesamte Höhe des Grundkörpers verläuft, reicht die Vertiefung für die erfindungsgemäßen metallischen Strukturen nur bis eine Tiefe, die zirka 1 bis 20 % der gesamten Höhe des Grundkörpers aufweist. Ein Frontend-Filter, das für im Mobilfunk verwendete Frequenzen im GHz-Bereich ausgelegt ist, weist daher metallisierte Vertiefungen in der Stirnfläche auf, die eine Tiefe von 0,1 bis 1 mm besitzen.
Die Tiefe der Vertiefungen in der Stirnfläche, die die räumliche Dimension der Ankoppelkapazität darstellt, läßt sich in einfacher Weise bei erfindungsgemäßen Filtern für die Einstellung der Größe der Ankoppelkapazitäten ausnutzen. Mit größerer Tiefe der Vertiefungen läßt sich eine höhere Kapazität einstellen. Bei ansonsten gleichbleibendem Flächenbedarf, bezogen auf die Stirnseite, weist eine erfindungsgemäß in Vertiefungen angeordnete Metallisierung (metallische Struktur) eine entsprechend höhere Kapazität auf, bzw. bildet eine entsprechend höhere Kapazität zu den Resonatorbohrungen aus.
Eine zweite erfinderische Idee liegt darin, das Vielschichtsübstrat zwischen dem Sende- und Empfangsfilter anzuordnen und es mechanisch fest mit diesen zu verbinden.
Die Filter sind jeweils als ein monolithisches Mikrowellenkeramik-Bauelement ausgebildet, das einen keramischen Grundkörper mit mehreren metallisierten Bohrungen aufweist, wobei der Grundkörper eine geschlossene Außenmetallisierung aufweist, welche, mit Ausnahme einer Stirnfläche und Aussparungen auf der Unterseite und der zum Vielschichtsübstrat gewandten Seitenfläche des Grundkörpers, auf allen Außenflächen des Grundkörpers angeordnet ist.
Das Vielschichtsübstrat weist auf seinen einander gegenüberliegenden und den Filtern zugewandten Seitenflächen Anschlußflächen auf. Das Vielschichtsübstrat ist ansonsten wie oben erläutert aufgebaut. Insbesondere ist im Vielschichtsübstrat die' Verzögerungsleitung oder auch weitere Schaltungselemente oder Schaltungen verborgen. Das Vielschichtsübstrat ist vorzugsweise großflächig metallisiert, wobei in dieser Metallisierung die schon genannten Anschlußflächen ausgebildet werden, indem sie z. B. durch Schliffe elektrisch vom Rest der großflächigen Metallisierung isoliert werden.
Die Anschlußflächen des jeweiligen Filters sind elektrisch mit diesen verbunden und dienen gleichzeitig als Außenkontakte des Gesamtmoduls.
Diese Ausführungsform der Erfindung hat zusätzlich den Vorteil, daß sich auf diese Weise die Gesamthöhe des Frontend- Moduls reduzieren läßt .
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt schematisch eine bekannte Duplexer-Schaltung
Figur 2 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Frontend- Moduls im schematischen Querschnitt
Figur 3 zeigt links in perspektivischer Draufsicht und rechts in schematischer Draufsicht von unten ein monolithisches Mikrowellenkeramik-Filter, das in einem erfindungsgemäßen Frontend-Modul eingesetzt wird
Figur 4a zeigt in schematischer Draufsicht die Oberseite des Vielschichtsubstrats
Figur 4b zeigt in schematischer Draufsicht von oben eine der
Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats mit einer darin ausgebildeten Verzögerungsleitung
Figur 4c zeigt in schematischer Draufsicht von oben die Un- terseite des Vielschichtsubstrats mit elektrischen
Außenkontakten des Frontend-Moduls
Figur 5a zeigt in perspektivischer Draufsicht ein monolithisch ausgebildetes Mikrowellenkeramik-Filter mit einer integrierten Schirmstruktur
Figur 5b zeigt in schematischer Draufsicht eine Stirnseite des Grundkörpers eines monolithisch ausgebildeten Mikrowellenkeramik-Filters mit auf dieser Stirnseite angeordneten AnkoppelStrukturen und einer Verzögerungsleitung
Figur 6 zeigt in schematischer Draufsicht eine Stirnseite eines monolithisch ausgebildeten Mikrowellenkera- mik-Duplexers, der in einem erfindungsgemäßen Frontend-Modul eingesetzt wird
Figur 7a zeigt in perspektivischer Draufsicht auf die Stirnseite eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Frontend-Moduls mit einem zwischen den Filtern angeordneten Vielschichtsübstrat
Figur 7b zeigt in schematischer Draufsicht auf die Stirnseite das Frontend-Modul gemäß Figur 7a
Figur 8a zeigt in schematischer Draufsicht die rechte Sei- tenflache des Vielschichtsubstrats gemäß Figur 7a
Figur 8b zeigt in schematischer Draufsicht von rechts eine der Metallisierungsebenen des Vielschichtsubstrats gemäß Figur 7a mit einer darin ausgebildeten Verzö- gerungsleitung
Figur 8c zeigt in schematischer Draufsicht von rechts die linke Seitenfläche des Vielschichtsubstrats gemäß Figur 7a
Figur 9' zeigt ein im erfindungsgemäßen Frontend-Modul verwendetes Filter in räumlicher Darstellung
Figur 9a zeigt einen Ausschnitt aus Figur 9
In Figur 1 ist eine bekannte Duplexer-Schaltung gezeigt. E p- fangspfad RX und Sendepfad TX sind jeweils mit einem Antennenanschluß ANT verbunden. Im Sendepfad TX ist zwischen dem Antennenanschluß ANT und einem Sendeeingang TX-IN ein Sendefilter TXF angeordnet . Im Empfangspfad RX ist auf der Seite des Empfangsausgangs RX-OUT ein Empfangsfilter RXF angeordnet. Antennenseitig ist im Empfangspfad RX eine Verzögerungsleitung TL angeordnet .
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Frontend-Modul DU. Auf einem Vielschichtsübstrat VS mit mehreren dielektrischen Schichten DS und dazwischen angeordneten Metallisierungsebenen ME ist ein Empfangsfilter RXF und ein Sendefilter TXF eingeordnet. Die Filter TXF, RXF sind in dieser Variante jeweils als ein monolithisches Bauelement mit einem Mikrowel- lenkeramik-Grundkδrper GK ausgeführt. Der Aufbau des monolit- hischen Mikrowellenkeramik-Filters ist in Figur 3 näher erläutert .
Das Sendefilter TXF weist einen Signaleingang TX-IN'" und einen Signalausgang TX-OUT" auf, die jeweils elektrisch mit den entsprechenden auf der Oberseite des Vielschichtsubstrats VS bereitgestellten Anschlußflächen TX-IN" und TX-OUT" verbunden sind. Analog ist ein Signaleingang RX-IN"" und ein Signalausgang RX-OUT"" des Empfangsfilters RXF entsprechend mit den auf der Oberseite des Vielschichtsubstrats VS bereit- gestellten Anschlußflächen RX-IN" und RX-OUT" elektrisch leitend verbunden.
Die Anschlußfläche TX-IN" ist elektrisch über Durc kontaktie- rungen DK, die vorzugsweise als metallisierte Bohrungen in den dielektrischen Schichten DS des Vielschichtsubstrats VS ausgebildet sind, mit Sendeeingang TX-IN des Frontend-Moduls verbunden. Analog ist die Anschlußfläche TX-OUT" elektrisch
über Durchkontaktierungen mit Antennenanschluß ANT verbunden. Die Anschlußfläche RX-OUT" ist ebenfalls elektrisch über Durchkontaktierungen mit Empfangsausgang RX-OUT des Frontend- Moduls verbunden.
Die Anschlußfläche RX-IN" ist über eine Durchkontaktierung DK", die ein Sackloch darstellt (d. h. mit dem Footprint des Frontend-Moduls nicht verbunden ist) , mit einem Ende einer Verzögerungsleitung TL verbunden, die vorzugsweise als ein Abschnitt der Länge λ/4 (entsprechend der elektrischen Wellenlänge) einer Streifenleitung ausgebildet ist. Das gegenüberliegende Ende der Verzögerungsleitung TL ist nach unten elektrisch mit dem Antennenanschluß ANT verbunden.
Die Länge der Verzögerungsleitung TL ist so gewählt, daß der Eingang RX-IN"" des Empfangsfilters RXF durch die Phasendrehung (des Signals in der Leitung TL) im Paßband des Sendefilters TXF annähernd im Leerlauf liegt (wobei zwischen dem Ausgang TX-OUT"" des Sendefilters TXF und dem Eingang RX-IN'" des Empfangsfilters RXF bei Sendefrequenz eine Phasendrehung des Signals vorzugsweise um 180° erreicht wird) . Dabei kann die Leitungslänge von λ/4 abweichen, da die tatsächliche Phasendrehung durch die Durchkontaktierungen und parasitäre Kopplungen beeinflußt wird.
Die Verzögerungsleitung TL kann wie in Figur 2 dargestellt in einer der Metallisierungsebenen ME im Vielschichtsübstrat VS ausgebildet bzw. verborgen sein. Alternativ kann die Verzögerungsleitung TL auf der Oberseite oder der Unterseite des Vielschichtsubstrats VS ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verzögerungsleitung TL zumindest teilweise auf zumindest einer der freiliegenden Oberflächen des Grundkörpers GK (des Empfangsfilters RXF und/oder des Sendefilters TXF) auszubilden, siehe z. B. Figur 5b.
Es ist möglich, in den Metallisierungsebenen ME des Vielschichtsubstrats VS und auf seiner Ober- bzw. Unterseite wei-
tere Schaltungselemente (Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten, Leitungsabschnitte) auszubilden. Die Schaltungselemente können teilweise oder vollständig folgende Schaltungen bilden: Diplexer, Tiefpaßfilter, Anpassungsnetzwerk.
Das Vielschichtsübstrat dient u. a. zur Anpassung der Außenanschlüsse TX-IN, ANT, RX-OUT des Frontend-Moduls an die im Endgerät erforderliche Anordnung elektrischer Anschlüsse. Dabei sind die Verbindungsleitungen vorzugsweise im Viel- schichtsubstrat verborgen. Dies gestattet eine beliebige Anordnung der Modulkomponenten auf der Substratoberseite und daher hohe Flexibilität beim Entwurf des gesamten Frontend- Moduls .
Der Aufbau des Filters TXF (oder RXF) ist in Figur 3 in perspektivischer Draufsicht (links) und in schematischer Draufsicht (rechts) jeweils von unten gezeigt. Der Grundkörper GK weist mehrere Resonatorbohrungen R auf, die zwischen seinen Stirnseiten angeordnet und vorzugsweise durchgehend sind. Die hier nicht dargestellte, der Stirnfläche SF gegenüberliegende Fläche, die Oberseite und beide Seitenflächen sind großflächig metallisiert und bilden die Außenmetallisierung AM. Die Außenmetallisierung AM ist teilweise auch auf der Unterseite US des Grundkδrpers GK angeordnet. Die Anschlußflächen sig- nalführender Anschlüsse (Eingang TX-IN"" und Ausgang TX-OUT"" des Sendefilters TXF, Eingang RX-IN"" und Ausgang RX-OUT"" des Empfangsfilters RXF) auf der Unterseite US des Grundkörpers GK sind in einer in der Außenmetallisierung AM vorgesehenen Aussparung AU angeordnet und elektrisch von der Außen- metallisierung AM isoliert. Die Anschlußfläche GND eines Masseanschlusses des Filters TXF ist elektrisch mit dem entsprechenden Masseanschluß des hier nicht dargestellten Vielschichtsubstrats VS verbunden. Die Anschlußfläche GND kann elektrisch mit der Außenmetallisierung AM verbunden oder wie in Figur 3 angedeutet in der Aussparung AU angeordnet sein.
Die durch die Metallisierung in Bohrungen gebildeten sogenannten λ/4 Resonatoren (wobei die Bohrung nicht mit Metall gefüllt ist) sind auf der Stirnfläche im Leerlauf, auf der gegenüberliegenden in der Figur 1 nicht dargestellten Stirn- fläche dagegen mit der Außenmetallisierung kurzgeschlossen. Über die Länge der Resonatorbohrungen bzw. über die Höhe des keramischen Grundkörpers läßt sich in einfacher Weise die Resonanzfrequenz der Resonatoren einstellen.
Obwohl in dieser Figur nur der Aufbau des Sendefilters gezeigt ist, ist das Empfangsfilter im Wesentlichen ähnlich aufgebaut. Dies betrifft alle in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen .
In weiterer Ausgestaltung können die Filter in an sich bekannter Weise weiter modifiziert werden, beispielsweise indem die Resonatorbohrungen mit nicht geradlinig durchgehender Bohrung ausgeführt werden. Möglich ist es auch, die Resonatorbohrungen so auszuführen, daß sie in verschiedenen Ab- schnitten unterschiedliche Querschnittsflächen oder Querschnittsformen aufweisen. Möglich ist es auch, eine Unstetig- keit im keramischen Grundkörper zu erzeugen und den Grundkörper quer zu den Resonatorbohrungen aufgeteilt aus zwei keramischen Teilkδrpern herzustellen. Die Teilkörper werden aus zwei keramischen Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante hergestellt.
An der Kante der Stirnfläche SF, die an die Unterseite US grenzt, ist eine Einkerbung oder Fase F ausgebildet. Es ist auch möglich, solche Einkerbungen auf der gegenüberliegenden
Kante der Stirnfläche SF oder an anderen Kanten des Grundkörpers GK auszubilden.
In Figuren 4a, 4b und 4c ist jeweils in schematischer Ansicht von oben die Oberseite (Figur 4a) , die im Vielschichtsübstrat VS verborgene Metallisierungsebene ME (Figur 4b) und die Unterseite des Vielschichtsubstrats VS, welche den Footprint
(Figur 4c) bildet, gezeigt. Die Figur 4c entspricht einer Ansicht des Footprints von oben durch das Substrats VS hindurch. Die signalführenden Anschlüsse, die mit dem Eingang und Ausgang des Filters TXF (bzw. RXF) elektrisch verbunden sind, sind in den jeweiligen Ebenen in Ausnehmungen der Masseflächen GND1, GND21, GND3 (bzw. GND22) angeordnet und so (durch die dazwischen liegenden Teile der Masseflächen) voneinander abgeschirmt. Die Massefläche GND23 in Figur 4b gewährleistet zusammen mit der Leitung TL die vorgegebene Impe- danz am jeweiligen Port des Bauelements und entkoppelt die
Anschlüsse, die an den einander gegenüberliegenden Enden der Verzögerungsleitung TL angeordnet und entsprechend elektrisch mit dem Eingang RX-IN"" des Empfangsfilters bzw. mit dem Antennenanschluß ANT verbunden sind. Die überkreuzte Kreise stellen das „dead end" einer als Sackloch ausgebildeten
Durchkontaktierung DK" dar. Die Massefläche GND23 dient auch zur elektrischen Verbindung der mit Masse verbundenen Durchkontaktierungen DK, DK" in der verborgenen Metallisierungsebene ME .
Figur 5a zeigt in perspektivischer Draufsicht ein monolithisch ausgebildetes Filter, z. B. das Sendefilter TXF, mit zwei im Grundkörper GK z . B. durch ein Preßverfahren ausgeführten Bohrungen R und einer auf der Stirnfläche SF ausge- bildeten metallisierten Vertiefung, in der eine integrierte
Schirmungsstruktur IS1 realisiert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die integrierte SchirmungsStruktur IS1 galvanisch mit der Außenmetallisierung AM bzw. mit Bezugspotential verbunden .
Eine metallisierte Vertiefung kann z. B. im folgenden Verfahren hergestellt werden. Zunächst werden die Resonatorbohrungen R ebenso wie die Vertiefungen in dem Grundkörper GK hineingepreßt. Nach dem Sintern des Grundkörpers GK werden alle seine freiliegenden Oberflächen metallisiert. Eine geeignete Mindestschichtdicke für die Metallisierung beträgt beispielsweise 5 - 20 μm. Eine zu hohe Schichtdicke wird jedoch ver-
mieden, da sie für die Bauelementeigenschaften nachteilig ist. Anschließend erfolgt ein mechanisches Abschleifen der Außenmetallisierung AM im Bereich der Stirnfläche SF, wobei die Metallisierung in den Vertiefungen verbleibt.
Figur 5b zeigt in schematischer Draufsicht auf die Stirnfläche SF eines weiteren Ausführungsbeispiels die Anordnung von AnkoppelStrukturen AK, AK" und Resonatorbohrungen Rl bis R3 eines Filters, hier des Empfangsfilters RXF. Dieses weist die Anschlußflächen RX-OUT", RX-IN" der signalführenden Anschlüsse und eine mit der Außenmetallisierung AM oder mit Masse' des Vielschichtsubstrats verbundene Anschlußfläche GND auf .
Die Anschlußfläche RX-IN" des Filter-Eingangs ist mit der
Resonatorbohrung R3 über eine Verzögerungsleitung TL' (welche beispielsweise einen Teil der Verzögerungsleitung TL bildet) und die AnkoppelStruktur AK kapazitiv verkoppelt. Die Anschlußfläche RX-OUT"" des Filter-Ausgangs ist kapazitiv ü- ber eine AnkoppelStruktur AK" mit der Resonatorbohrung Rl verkoppelt .
Durch geeignete Ausbildung von AnkoppelStrukturen AK, Lage, Durchmesser und Länge der damit verkoppelten Resonatorbohrung können Phasenlage und Eingangsimpedanz des Filters vorteilhaft beeinflußt werden. Die Resonatorbohrung kann dazu dienen, einen Pol in der Übertragungskurve des Filters bereitzustellen, an dem das Filter eine besonders gute Dämpfung aufweist .
Eine in der Nähe einer Resonatorbohrung angeordnete metallische Struktur kann auch als eine Entkopplungsstruktur ausgebildet sein. Eine Entkopplungsstruktur ist mit der Innenmetallisierung einer Resonatorbohrung galvanisch verbunden. Dies kann vorteilhaft sein, um das Filter an eine gegebene Schaltungsumgebung bezüglich der Impedanz anzupassen.
Figur 6 zeigt ausschnittsweise in schematischer Draufsicht auf eine Stirnfläche SF einen Grundkörper GK, in dem sowohl das Sendefilter TXF als auch das Empfangsfilter RXF ausgebildet sind (ein monolithischer Mikrowellenkeramik-Duplexer) . Die Verzögerungsleitung TL ist dabei vorzugsweise in dem hier nicht dargestellten Vielschichtsübstrat VS verborgen. Das Vielschichtsübstrat dient in dieser Variante der Erfindung auch dazu, das Footprint des Duplexer-Moduls (auf der Unterseite des Vielschichtsubstrats VS) beliebig zu gestalten.
In Figuren 7a, 7b ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Duplexers in perspektivischer Ansicht auf die getrennt voneinander dargestellten Einzelteile (Figur 7a) und in Draufsicht auf die Stirnfläche SF (Figur 7b) gezeigt. Ein Vielschichtsübstrat VS, das die Verzögerungsleitung TL oder auch andere Anpassungselemente umfaßt, ist zwischen den Seitenflächen der Filter TXF und RXF angeordnet. Das Vielschichtsübstrat VS weist eine geschlossene Außenmetallisierung AM" auf, welche, mit Ausnahme der Aussparungen AU auf den den Filtern TXF bzw. RXF zugewandten Seitenflächen des
Vielschichtsubstrats VS, vorzugsweise auf allen Außenflächen des Vielschichtsubstrats VS (allenfalls auf den zu dem jeweiligen Filter gewandten Außenflächen) angeordnet ist.
In der dem Empfangsfilter RXF zugewandten Aussparung AU ist die Anschlußfläche RX-IN" angeordnet, die elektrisch mit der Anschlußfläche RX-IN"" des Empfangsfilter-Eingangs verbunden ist. In der dem Sendefilter TXF zugewandten, hier nicht dargestellten Aussparung ist die Anschlußfläche TX-OUT" angeord- net, die im fertigen Duplexer elektrisch mit der Anschlußfläche TX-OUT"" des Sendefilter-Ausgangs verbunden ist.
Die Außenmetallisierung AM" des Vielschichtsubstrats VS ist vorzugsweise elektrisch mit der Außenmetallisierung AM des jeweiligen Filters verbunden.
Im Gegensatz zu bisher vorgestellten Varianten der Erfindung dienen hier die Anschlußflächen TX-IN"", TX-OUT"" des Sendefilters TXF und die Anschlußflächen RX-IN"", RX-OUT"" des Empfangsfilters RXF gleichzeitig als Außenkontakte des Gesamtmoduls. Die mit den Anschlüssen der beiden Filter ver- schaltbaren Anschlußflächen TX-OUT", RX-IN" des Vielschichtsubstrats VS sind nicht auf nur einer Oberfläche, sondern auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen bzw. Seitenflächen des Vielschichtsubstrats VS angeordnet.
Für diese Variante der Erfindung ist es wesentlich, daß die Anschlußflächen TX-IN"", TX-OUT"", RX-IN"", RX-OUT"' der Filter TXF bzw. RXF zumindest teilweise auf der jeweils zum Vielschichtsübstrat VS gewandten Seitenfläche ausgebildet sind.
Figur 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau des in Figur 7a, 7b vorgestellten Vielschichtsubstrats VS in schematischer Draufsicht von rechts, bzw. von der Seite des RX Filters RXF her gesehen. Figur 8a zeigt die zum Empfangsfilter RXF gewandte
(rechte) Seitenfläche des Vielschichtsubstrats VS . Figur 8b zeigt aus der gleichen Blickrichtung eine im Vielschichtsübstrat VS verborgene Metallisierungsebene (ME) , in der die Verzögerungsleitung TL und eine Massefläche GND23 ausgebildet ist. Die Verbindung der Leitung TL mit den Anschlußflächen
TX-OUT", RX-IN" des Vielschichtsubstrats VS über die Elemente DK, DK" ist in Figur 4b schon erläutert. Figur 8c zeigt aus der gleichen Blickrichtung (durch das Substrat hindurch) die zum Sendefilter TXF gewandte (linke) Seitenfläche des Viel- schichtsubstrats VS .
In allen Varianten der Erfindung können auch weitere passive Schaltungskomponenten (z. B. Induktivitäten, Kapazitäten) o- der Schaltungen (z. B. Balun, Anpassungsnetzwerk) im Viel- Schichtsubstrat VS ausgebildet sein.
Figur 9 zeigt in dreidimensionaler Darstellung ein monolithisches Mikrowellenkeramik-Filter, das im erfindungsgemäßen Frontend-Modul verwendet wird. Dieses ist aus einem dielektrischen, keramischen Grundkörper GK aufgebaut. Annähernd parallel zueinander sind Resonatorbohrungen R so im keramischen Grundkörper angeordnet, daß sie die beiden Stirnflächen SF miteinander verbinden. Der Querschnitt der Resonatorbohrungen kann beliebig gewählt werden, beispielsweise rund oder rechteckig. Vorzugsweise weisen die Resonatorbohrungen R bei der Erfindung einen sich stufenartig ändernden Querschnitt auf. In einem unteren Bereich ist der Querschnitt z.B. rund, in einem oberen Teil dagegen rechteckig. Damit wird ein Impedanzsprung erzeugt, der die Charakteristik des Filters weiter verbessert. Vorzugsweise sind die Mittelachsen von rundem und rechteckigem Querschnittsbereich nicht deckungsgleich sondern gegeneinander versetzt, was weitere Vorteile für die Filtereigenschaften mit sich bringt . Insbesondere wird der untere Teil der Resonatorbohrung durch den Versatz des oberen Bohrungsabschnitts teilweise abgedeckt bzw. hinterschnitten.
Auf allen Außenflächen mit Ausnahme der dargestellten Stirnfläche SF ist eine Außenmetallisierung AM aufgebracht. Auch die Resonatorbohrungen R sind in ihrem Inneren metallisiert, jedoch nicht mit Metall gefüllt. Auf der Stirnfläche SF sind weiterhin Vertiefungen V angeordnet, deren Innenflächen ebenfalls metallisiert sind. Auf der dem Betrachter zugewandten Vorderseite des Grundkδrpers GK sind elektrische Anschlußflächen AF vorgesehen, die mit Hilfe eines Isolierstreifens IS, in dem die Außenmetallisierung AM entfernt ist, galvanisch von der Außenmetallisierung getrennt sind. Die Anschlußflächen AF sind mit der Metallisierung in den Vertiefungen V galvanisch verbunden.
Figur 9a zeigt in vergrößerter Darstellung eine solche Ver- tiefung V in der Stirnfläche SF des keramischen Grundkörpers GK. Die in der Figur 9 dargestellte metallische Struktur in der Stirnfläche ist als kapazitive AnkoppelStruktur AK ausge-
bildet, deren Metallisierung eine Kapazität zu dem in der Figur linken Resonator bzw. zu der Metallisierung in der linken Resonatorbohrung R ausbildet. Die z.B. durch Schleifen erzeugten bzw. von der Außenmetallisierung befreiten Isolier- streifen IS können wie dargestellt teilweise abgeschrägt eingeschliffen werden. Über die beiden Anschlußflächen AF wird das Filter kontaktiert. Dazu wird das Filter mit seinen Anschlußflächen AF in geeigneter Weise auf einer Platine befestigt. An vorderer und hinterer Kante der oberen Stirnflä- ehe SF ist ein Fase F vorgesehen, die "im Inneren", also auf allen unter dem Niveau der Stirnfläche liegenden Flächen metallisiert ist.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte An- zahl möglicher Strukturen auf der Stirnfläche erfindungsgemäßer Filter beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist möglich, AnkoppelStrukturen, EntkoppelStrukturen und weitere metallische Strukturen auf der Oberfläche in beliebiger Anzahl und Formgebung herzustel- len, um die Eigenschaften des Filters in einer gewünschten Weise zu verändern. Ein erfindungsgemäßes Filter ist auch nicht auf die angegebenen Materialien, auf die Anzahl der dargestellten Bohrungen oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt .