WO2006032366A1 - Integriertes filter - Google Patents

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WO2006032366A1
WO2006032366A1 PCT/EP2005/009610 EP2005009610W WO2006032366A1 WO 2006032366 A1 WO2006032366 A1 WO 2006032366A1 EP 2005009610 W EP2005009610 W EP 2005009610W WO 2006032366 A1 WO2006032366 A1 WO 2006032366A1
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WO
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filter
resonator
resonators
base
filter according
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Application number
PCT/EP2005/009610
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English (en)
French (fr)
Inventor
Patric Heide
Thomas Metzger
Denys Orlenko
Edgar Schmidhammer
Georgiy Sevskiy
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/542—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material including passive elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks
    • H03H7/0115—Frequency selective two-port networks comprising only inductors and capacitors
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    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks
    • H03H7/17—Structural details of sub-circuits of frequency selective networks
    • H03H7/1741—Comprising typical LC combinations, irrespective of presence and location of additional resistors
    • H03H7/1758—Series LC in shunt or branch path
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    • H03H7/1741—Comprising typical LC combinations, irrespective of presence and location of additional resistors
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    • H03H1/00—Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network
    • H03H2001/0021—Constructional details
    • H03H2001/0085—Multilayer, e.g. LTCC, HTCC, green sheets

Definitions

  • passband filters are required to separate the frequency bands assigned to different bands or standards, which suppress disturbing signals.
  • the bandwidth of such a filter must be suitable for detecting all frequencies of the given frequency range of a transmission standard or a transmission system with the aid of a filter or for transmitting them as undamped as possible.
  • bandwidths of 2 to 5%, based on the midband frequency are required.
  • the bandwidths can also be higher.
  • bandpass filters for the frequency bands of Bluetooth applications (2.40 to 2.50 GHz) or for wireless LAN (2.40 to 2.50 GHz and 4.90 to 5.90 GHz) is required.
  • the filters must fulfill the properties required by the respective data transmission standard, in particular with regard to frequency, bandwidth, insertion attenuation, stopband suppression and edge steepness of the passband.
  • different filter technologies can be used or required.
  • microwave waveguide filters For applications at frequencies above 2 GHz, microwave waveguide filters (MWK filters) are frequently used which have coaxial resonators embedded in monolithic ceramic bodies.
  • the filters are narrow-band and have good selection properties in the near and far range.
  • the insertion loss that determines the losses of the filter is at MWK filters relatively low and is about 1 dB.
  • Nach ⁇ part of the MWK filter is their relatively large size and in particular the high height, which precludes integration of these filters in modules.
  • only pass bands up to about 5% bandwidth can be realized with these filters without major increase.
  • SAW filters For frequencies up to approx. 2 GHz, SAW filters can be used, which, with their very small size, have very good selection characteristics.
  • a disadvantage of SAW filters is their relatively high insertion loss of currently about 2.5 to 3 dB and their relatively high production costs.
  • a high-resolution photolithography is required for the production, which is currently not yet available inexpensively.
  • the relative bandwidth of SAW filters is limited to about 5%.
  • FBAR filters Thin Film Buick Acoustic Wave Resonator
  • FBAR filter s nd nd z. B. from the document US 5,760,663 known. They can be used up to very high frequencies of currently about 10 GHz, but have only a moderate remote selection, which can only be improved by accepting higher losses. Bandpass filters with higher bandwidths can not currently be realized with FBAR technology.
  • Object of the present invention is to provide an improved filter with good near and distant selection, which is inexpensive, compact and with a large bandwidth to realisie ⁇ Ren.
  • the invention consists in using a known low-cost filter as the basic filter, which provides a simple filter function with a broad passband (or with a band-stop band-stopband).
  • This filter is now connected according to the invention with high-quality resonators so that the filter properties are improved at crucial points so that the filter can meet higher-quality requirements for data transmission applications.
  • the basic In this case, the filter is integrated into a multilayer substrate and realized by metallic structures which are formed in metallization planes between the dielectric layers of the multilayer substrate.
  • the base filter comprises LC elements, ie capacitors formed from the metal structures and coils or inductors and / or stripline resonators, which can likewise be realized from the metal structures.
  • the high-quality resonator is arranged as a discrete component on the multilayer substrate and electrically connected to the base filter.
  • the quality of the resonator is higher than that of the base filter and has, for example, two to five times the value. In this way it is possible, for example, to tax the flanks of the passband in the case of a base filter designed as a passband. As a result, in particular the subsequent selection is improved. With the use of the high-quality resonators, it is also possible to compensate for the manufacturing tolerances to be accepted in the manufacture of the multilayer substrate or to stabilize the frequencies and filter properties of the overall filter.
  • the basic filter can also be used as a band-stop filter with a stopband. , Low or high pass be formed.
  • a filter according to the invention comprises one or more resonators, which are electrically connected in series or in parallel with the base filter.
  • the resonant frequency of the resonators is always away from a reference frequency, preferably the center frequency of the base filter, wherein the resonators in a variant also do not form an independent bandpass filter.
  • the inventively used high-quality resonator can be manufactured in different technologies. It is possible to use this as a SAW resonator, as an FBAR resonator, as a MEMS resonator or as a high-quality coil. In particular, designed as a SAW resonator or FBAR resonator, a compact low-height filter is obtained.
  • a filter according to the invention With an FBAR resonator, a filter according to the invention is obtained whose insertion loss is lower than that of a filter produced exclusively from FBAR resonators and only slightly higher than that of an integrated filter produced only from LC elements.
  • the basic filter of the filter according to the invention is inexpensive.
  • the filter requires only one or a few extra resonators, so the overall cost of the filter is low.
  • the filter can be realized with a bandwidth of up to approximately 20% and, as such, has the known good remote selection properties of integrated LC filters. Substantially improved over known LC filters, however, are the close selection, which is achieved via the steeper passband edges, as well as the frequency stability, which is achieved by the low manufacturing tolerances of FBAR resonators.
  • a filter according to the invention can have a plurality of resonators, which can be used in serial and / or parallel connection to the filter.
  • multilayer substrates such as those used, for example, for multilayer printed circuit boards, are suitable. Due to the better dielectric properties, however, ceramic multilayer substrates are preferred. These are, for example, HTCC and LTCC substrates, with the latter being preferred because of the possibility of integrating a multiplicity of passive components, the lower production temperature and the more favorable materials.
  • Base filters formed in LTCC ceramic can be realized in a very compact design of currently, for example, up to 2.0 * 1.25 mm 2 , in particular, the low height of currently achievable 0, 8 mm is to be mentioned as a particular advantage. Remote selection is better than 40 dB. Together with the discrete resonator component, which can also be implemented as a SAW resonator or FBAR resonator in a low construction height, a compact filter with a low overall height and a small area is also obtained overall.
  • the multilayer substrate as a substrate for a module in which, in addition to further components and functions, the filter according to the invention is integrated.
  • the module can integrate further circuit components into the multilayer substrate, for example matching elements such as inductors and capacitors. Further discrete components can be arranged on the surface of the multilayer substrate, for example further high-quality resonators or also integrated semiconductor components in which switching or amplifier functions of the Module can be realized. ICs arranged as discrete components on the multilayer substrate can also be used for further signal generation or processing or, for example, only amplify the signal.
  • Such a "parallel" resonator generates at its resonant frequency a pole in the transmission behavior of the overall filter, where the signal is attenuated particularly well, the width of such a pole being determined by the bandwidth or the coupling of the resonator.
  • a resonator arranged serially in the signal path of the filter can be used in particular for shaping the passband edge, so that its resonant frequency is selected in the region of the passband edge of the filter according to the invention. It is possible to screw both flanks of the passband.
  • a particularly broadband suppression of certain frequencies is achieved by using a plurality of resonators each having different but directly adjacent resonant frequencies around the interference frequency to be filtered out and switching them parallel to the signal band path to ground.
  • Several resonators can advantageously be arranged on the same substrate.
  • the FBAR resonators may each have a tuning layer, which is preferably formed as the uppermost layer of the FBAR resonator. With the help of a different thickness of voting It is possible to set or readjust the resonance frequency of different FBAR resonators on a common substrate differently within certain limits.
  • An FBAR resonator is preferably produced in thin-film technology over a substrate, comprising at least one piezoelectric.
  • Layer which is arranged between two electrode layers, and may in principle be formed in membrane technology, in which the active surface of the resonator oscillates on both sides against air, or as an SMR-type resonator (solidly mounted resonator), which is arranged on a firm surface and therefore requires an acoustic mirror to hold the acoustic energy within the resonator.
  • the acoustic mirror usually comprises an alternating sequence of layers with high and low acoustic impedance. The thickness of the mirror layers is approximately 1 A of the length of the acoustic wave in this mirror layer.
  • the piezoelectric layer usually has a layer thickness of ⁇ / 2 and determines the resonance frequency of the resonator via its layer thickness.
  • the at least one discrete component can be mounted on the surface of the multilayer substrate in different techniques. It is possible, for example, to attach them as bare die on the chip and stick it to the back, for example. The contacting then takes place via wire bonding on the upper side (face up). However, flip-chip arrangements (face down) which are particularly advantageous for acoustic components are also possible. Discrete components applied using flip-chip technology can be covered in a simple manner with a film which rests on the discrete components and terminates on all sides with the surface of the multi-layer substrate.
  • a metal layer can be arranged.
  • a particularly dense hermetic closure of the components or a good seal is achieved.
  • the metal layer it is possible to realize an RF shield for the component or an RF shield of the component.
  • a multilayer substrate may have a plurality of filter components, that is, at least one further base filter and at least one resonator connected thereto. In this way it is possible to realize on a single multilayer substrate a module comprising a plurality of filters, a duplexer or a duplexer.
  • FIG. 1 shows the transmission behavior of a known LC filter on LTCC
  • FIG. 2 shows the associated equivalent circuit diagram
  • Fig. 3 shows the transmission curve of this filter
  • FIG. 4 shows a second filter according to the invention in the equivalent circuit diagram
  • Fig. 5 shows the transmission curve of this filter
  • FIG. 6 shows a component according to the invention in schematic cross-section
  • FIG. 7 shows a component according to the invention with encapsulation on the basis of a schematic cross section.
  • FIG. 1 shows the transmission curve of a known LC filter realized in an LTCC substrate, which here has a pass band between 5000 and 5400 MHz, corresponding to 8% relative bandwidth.
  • the distance selection is better than 40 dB, but in the near range, only a moderate close selection is to be observed due to a flat-band passband edge.
  • the insertion loss is about 1.5 dB. It is apparent that this known filter has a selection of mar 20 dB at a frequency of 4.5 GHz, ie approximately 10% below the passband edge.
  • Such a filter is now varied according to the invention in that it is connected with at least one serial and / or parallel FBAR resonator to form a filter according to the invention.
  • FIG. 2 shows a simple embodiment of a filter according to the invention, consisting of a basic filter BF, which is realized by metallic structures within an LTCC multilayer substrate.
  • This basic filter comprises three se ⁇ rial capacitances Cl, C2 and C3, as well as two shunt branches to ground, which are ange ⁇ between C1 and C2 and between C2 and C3 ange ⁇ .
  • a further capacitance C4, C5 is arranged in the transverse branches.
  • two more shunt branches are connected to ground, in which an inductance and a capacitance (Ll, C6, L2, C7) are connected in series.
  • a first FBAR resonator R1 is connected in series. After this resonator branching off to the ground, a second FBAR resonator R2 is connected in a shunt branch, wherein a further inductance is connected in parallel to this FBAR resonator as a second matching element AE2.
  • All of the LC elements of the base filter BF and the two matching elements AE1, AE2 are implemented as metallic structures within the LTCC ceramic, that is to say within the multilayer substrate ML, which is denoted by the dashed line with the reference symbol ML in the FIGURE is indicated.
  • the two FBAR resonators Rl and R2 are designed as discrete components, which are z. B. on the surface of the multi-layer substrate and are electrically connected to the base filter BF.
  • the underlying basic filter is designed as a two-terminal LC filter for a passband from 2.40 to 2.50 GHz.
  • the FBAR resonators connected in accordance with the invention at the input and / or output of the base filter BF via adaptation elements AE are dimensioned such that the left flank of the passband can be taxed.
  • two FBAR resonators R1, R2 two additional pole locations (notches) are generated at approx. 2.17 GHz. These poles are close to each other but at different frequencies, so that the total filter has a broadband suppression over both poles.
  • FIG. 3 shows the Durct ⁇ lasskurve 1 of this first embodiment, which is contrasted in the figure, the transmission curve 2 of zugrun ⁇ denier Basisfilte-rs BF. Clear recognizable are the two PolstelILen Nl, N2 in the curve 1, which originate from the two FBAR resonators Rl, R2. To the right of the poles, the filter curve 1 is thereby significantly taxed with respect to the filter curve 2 of the base filter.
  • the filter according to the invention exhibits a suppression increased to -27 dB in the same interval however, from a slightly increased value of -1.9 dB at the passband edge.
  • Nahbe ⁇ rich selection there is a significant improvement in Nahbe ⁇ rich selection with only slightly increased insertion loss.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment, which is extended starting from a two-pole LC base filter BF by connecting FBAR resonators and matching elements.
  • the basic filter is designed for a passband of 4.9 to 5.9 GHz.
  • the control of the left-hand passband edge is achieved by adding three FBAR resonators R 1 to R 3 to the input or output of the base filter, the resonators R 1 and R 3 being arranged as serial resonators in the serial branch, the resonator R 2 in contrast, in a parallel branch is switched to ground.
  • a serial inductance AEl Between Basisfil ⁇ ter BF and the first FBAR resonator Rl is connected as a matching element, a serial inductance AEl.
  • a further matching element AE2 is connected in the form of a further inductance.
  • a third matching element AE3 is likewise embodied as an inductance and connected downstream of the FBAR resonator R3 in series with this.
  • the basic filter consists of two oscillating circuits SK1, SK2, in which a respective capacitance C1, C5 and an inductance L1, L3 are connected in parallel to ground. Between the two Oscillating circuits is a further parallel branch ge switched to ground, in which a second inductance L2 is connected in series with ei ⁇ ner capacitance C4. Between each two of the three parallel branches, a respective capacitance C2, C3 is arranged in the serial branch.
  • All LC elements of the base filter BF and the A.npass electrode AEl to AE3 are in the form of metallic structures in the Me ⁇ metallization levels of an LTCC ceramic formed, which realizes the multi-layer substrate.
  • the three FBAR resonators are formed as discrete components, and e.g. arranged on the Ober ⁇ surface of the multi-layer substrate and electrically connected to the base filter.
  • the FBAR resonators R can be realized as three different elements, but are preferably arranged on a single substrate, for example an adaptation layer on two of the resonators for a difference in the resonant frequency between all three FBAR resonators Rl to R3 sortrgt.
  • FIG. 5 shows the transmission curve of the filter according to the invention shown in FIG. 4, which in turn is compared with theurring curve 2 of the basic filter used (without FBAR resonators).
  • three frequency traps (notes) are generated at approx. 4.5 GHz, which increase the selection to approx. 30 dB at frequencies of approx. 10% below the left (lower) passband edge.
  • the pass band of the filter according to the invention which is unchanged from the base filter BF, exhibits a very high relative band width. The additional insertion loss increases from approx. - 2.25 to approx.
  • FIG. 6 shows, on the basis of a schematic cross section through a multilayer substrate ML and the resonator R arranged thereon and formed inside or on a chip, the geometric construction of a filter according to the invention.
  • the multilayer substrate ML comprises a plurality of dielectric layers DL, three of which are shown in the figure.
  • Two respective adjacent dielectric layers DL are provided with metallic structures MS, the connection being made between different metallization levels or between the structures in different metallization levels via plated-through holes through dielectric layers.
  • the only schematically indicated metallic structures MS form the capacitances and inductances required in the base filter BF.
  • the metal structures MS can form stripline resonators, for example in the form of two parallel .: conduction paths of an electrical length of ⁇ / 4.
  • the resonator denoted by R in FIG. 1 here comprises a component in which, however, a plurality of resonators can be realized, as here also indicated by the number of four electrical contacts to the base filter.
  • Several resonators can also be realized on a plurality of substrates.
  • At the underside of the multi-layer substrate ML are the A. ⁇ touch- contacts AK of the filter, via which it can be contacted electrically.
  • the middle external contact AK2 can be provided, for example, as a mass connection.
  • FIG. 7 shows, in an even more schematic representation, a cross section through a further embodiment of a filter according to the invention, in which the construction of the metal structures MS between the two dielectric layers DL1, DL2 is only indicated.
  • the bump compounds used simultaneously represent electrical and mechanical connections of Re ⁇ resonators R.
  • a cover film AF is applied over the rear side of the resonators R and laminated, for example.
  • This can be an optionally multi-layered plastic film whose lamination process can be assisted by elevated temperature and pressure and optionally negative pressure between the multi-layer substrate and the cover film AF.
  • a metal layer SM is applied over the cover film AF, for example by sputtering, vapor deposition or other suitable processes.
  • the metal layer MS also terminates on all sides with the surface of the multi-layer substrate ML and forms a hermetically sealed encapsulation of the resonators due to the firm connection of the metal layer SM to the surface of the LTCC ceramic.
  • the two resonators R1, R2 can be connected to a single base filter BF be. However, it is also possible to realize a plurality of base filters in the multilayer substrate ML and to connect each of these basic filters with one or more resonators to form a filter according to the invention, which are constructed overall on a single common multilayer substrate.
  • the FBAR resonators can be used as "bare die", which represents a cost-effective design possibility.
  • the encapsulation shown in Figure 7 has the further advantage that it increases the height of the filter only insignificantly
  • the metal layer can via corresponding contacts on the top of the multilayer substrate and the vias and metallic structures connected thereto a ground terminal, which is formed as an external contact AK on the underside of the multilayer substrate ML, be electrically conductively connected.
  • the resonators carry sensitive structures on the surface, which in a flip-chip arrangement points towards the multilayer substrate, the interspace between the resonator and the surface of the multilayer substrate in the edge region of the resonators can be sealed with an underfiller. It is also possible, of course, to set up prefabricated housing parts in the form of cover caps via the resonators and to connect them firmly to the surface of the multilayer substrate.

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Abstract

Es wird ein neuartiges kompaktes Filter für mobile drahtlose Datenübertragung vorgeschlagen, welches ein Basisfilter (BF) und mit diesem verschaltete hochgütige Resonatoren (R1, R2) umfasst. Das Basisfilter ist in einem Mehrlagensubstrat (M2) in Form von darin integrierten metallischen Strukturen (MS) ausgebildet, während die Resonatoren als diskrete Komponenten auf der Oberfläche des Mehrlagensubstrats angeordnet sind. Das erfindungsgemässe Filter kombiniert die Vorteile des LC-Basisfilters mit den hochgütigen und frequenzgenauen Eigenschaften von Resonatoren. Es werden kompakte und kostengünstige Filter mit wahlweise großer Bandbreite und niedriger Bauhöhe erhalten.

Description

Beschreibung
Integriertes Filter
Für Anwendungen in der mobilen Datenübertragung, insbesondere im Bereich der mobilen Kommunikation, sind zur Trennung der unterschiedlichen Bändern oder Standards zugeordneten Fre¬ quenzbereiche Passbandfilter erforderlich, die störende Sig¬ nale unterdrücken. Die Bandbreite eines solchen Filters muss geeignet sein, sämtliche Frequenzen gegebenen Frequenzbe¬ reichs eines Übertragungsstandards oder eines Übertragungs- Systems mit Hilfe eines Filters zu erfassen bzw. möglichst ungedämpft durchzulassen. Im Bereich der mobilen Kommunikati¬ on sind Bandbreiten von 2 bis 5 % bezogen auf die Bandmitten¬ frequenz erforderlich. Für andere DatenübertragungsSysteme, beispielsweise WLAN, können die Bandbreiten auch höher sein.
Neben dem Mobilfunk werden beispielsweise Bandpassfilter für die Frequenzbänder von Bluetooth-Applikationen (2,40 bis 2,50 GHz) oder für Wireless-LAN (2,40 bis 2,50 GHz und 4,90 bis 5,90 GHz) benötigt. Die Filter müssen dabei die durch den je¬ weiligen Datenübertragungsstandard geforderten Eigenschaften erfüllen, insbesondere bezüglich Frequenz, Bandbreite, Einfü¬ gedämpfung, Stoppbandunterdrückung und Flankensteilheit des Passbandes . Je nach Anforderung sind dafür unterschiedliche Filtertechnologien einsetzbar bzw. erforderlich.
Für Anwendungen bei Frequenzen über 2 GHz werden häufig Mik¬ rowellenkeramikfilter (MWK-Filter) eingesetzt, die in mono¬ lithische Keramikkörpern eingebettete koaxiale Resonatoren aufweisen. Die Filter sind schmalbandig und weisen gute Se¬ lektionseigenschaften im Nah- und Fernbereich auf. Auch die Einfügedämpfung, die die Verluste des Filters bestimmt, ist bei MWK-Filtern relativ gering und liegt bei ca. 1 dB. Nach¬ teil der MWK-Filter ist deren vergleichsweise große Bauform und insbesondere die große Bauhöhe, die einer Integration dieser Filter in Module entgegensteht. Darüber hinaus sind mit diesen Filtern ohne größeren Aufwa.nd nur Passbänder bis ca. 5 % Bandbreite realisierbar.
Für Frequenzen bis ca. 2 GHz sind SAW- Filter einsetzbar, die bei sehr kleiner Baugröße sehr gute Na.hselektionseigensch.af- ten aufweisen. Nachteilig bei SAW-FiItern ist deren relative hohe Einfügedämpfung von momentan ca. 2,5 bis 3 dB und deren relativ hohe Herstellungskosten. Darüber hinaus ist für Fre¬ quenzen > 2 GHz eine hoch auflösende Fotolithographie zur Herstellung erforderlich, die derzeit noch nicht kostengüns¬ tig verfügbar ist. Auch ist die relative Bandbreite von SAW- Filtern auf etwa 5 % begrenzt .
Möglich ist es auch, ein Bandpassfilter unter Verwendung von LC-Resonatoren auszubilden, die als strukturierte metallische Strukturen in mehrlagige Substrate uncd insbesondere in Kera¬ miksubstrate eingebettet sind. Diese !FiIter haben den Vor¬ teil, dass sie in sehr kompakter Bauweise zu realisieren sind. Nachteilig ist jedoch die geringe Güte der Filter, und die Tatsache, dass mit diesen Filtern weder eine genaue Reso¬ nanzfrequenz noch steile Passbandflanlken realisiert werden können. Über die in Kauf zu nehmenden. Toleranzen während der Herstellung der Mehrlagenkeramik, die sich in einem Lagenver¬ satz von einer Lagendickentoleranz äu_ßern kann, ergeben sich fertigungsbedingt außerdem FrequenzverSchiebungen der Filter¬ kurven in der Größenordnung bis zu einigen Prozent. Vorteil¬ haft sind bei diesen Filtern jedoch eieren geringe Herstell¬ kosten, die große erzielbare relative Bandbreite von ca. 5 bis 20 % sowie eine gute Fernabselektion, während die Nahse- lektion nur moderat ist. Die Einfügedämpfungen sind mit 1 bis 2 dB in der Regel höher als bei MWK-Filtern, jedoch geringer als bei SAW-Filtern.
FBAR-Filter (FBAR = Thin Film BuIk Acoustic Wave Resonator) sind als Dünnschichtbauelemente aufgebaute Volumenwellenreso¬ natoren, die kompakt und schmalbandig sind und ausgezeichnete Nahselektionseigenschaften aufweisen. FBAR-Filter s±nd z. B. aus der Druckschrift US 5,760,663 bekannt. Sie können bis hin zu sehr hohen Frequenzen von momentan ca. 10 GHz eingesetzt werden, besitzen allerdings eine nur moderate Fern¬ abselektion, die sich nur unter Inkaufnahme höherer Verluste verbessern lässt. Bandpassfilter mit höheren Bandbreiten las¬ sen sich mit FBAR-Technologie derzeit nicht realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Filter mit guter Nah- und Fernselektion anzugeben, welches kostengünstig, kompakt und mit großer Bandbreite zu realisie¬ ren ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filter- mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausges¬ taltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entneh¬ men.
Die Erfindung besteht darin, ein bekanntes Low-Cost-Filter als Basisfilter zu verwenden, welches eine einfache Filter¬ funktion mit einem breiten Passband (oder bei einer: Bandsper¬ re Sperrband) zur Verfügung stellt. Dieses Filter wird nun erfindungsgemäß mit hochgütigen Resonatoren so verschaltet, dass die Filtereigenschaften an entscheidenden Stellen so verbessert werden, dass die Filter höherwertige Anforderungen für Datenübertragungsanwendungen erfüllen können. Das Basis- filter ist dabei in ein Mehrlagensubstrat integriert und durch metallische Strukturen realisiert, die in Metallisie¬ rungsebenen zwischen den dielektrischen Schichten des Mehrla¬ gensubstrats ausgebildet sind. Das Basisfilter umfasst LC- Glieder, also aus den Metallstrukturen ausgebildete Kondensa¬ toren und Spulen bzw. Induktivitäten und/oder Streifenlei¬ tungsresonatoren, die ebenfalls aus den Metallstrukturen rea¬ lisiert werden können. Der hochgütige Resonator ist als dis¬ krete Komponente auf dem Mehrlagensubstrat angeordnet und e- lektrisch mit dem Basisfilter verschaltet.
Die Güte des Resonators ist höher als die des Basisfilters und weist beispielsweise den zwei- bis fünffachen Wert auf. Auf diese Weise gelingt es, beispielsweise bei einem als Passband ausgebildeten Basisfilter die Flanken des Passbandes zu versteuern. Dadurch wird insbesondere die Nachselektion verbessert. Mit dem Einsatz der hochgütigen Resonatoren ge¬ lingt es außerdem, die bei der Herstellung des Mehrlagensub¬ strats in Kauf zu nehmenden Fertigungstoleranzen auszuglei¬ chen bzw. die Frequenzen und Filtereigenschaften des Gesamt¬ filters zu stabilisieren.
Das Basisfilter kann auch als Bandsperre mit einem Sperrband. , Tief- oder Hochpass ausgebildet sein.
Die Resonatoren werden genau an den Stellen im Frequenzband eingesetzt, an denen das Basisfilter die gewünschten Spezifi¬ kationen für einen Datenübertragungsstandard oder für ein Ü— bertragungsband nicht erfüllt. Solche Stellen können bei¬ spielsweise konkrete zu unterdrückende Störfrequenzen sein, beispielsweise ein benachbartes Übertragungsband oder auch Oberwellen, die im System zu unerwünschten Effekten führen können. Ein erfindungsgemäßes Filter umfasst einen oder mehrere Reso¬ natoren, die elektrisch seriell oder parallel mit dem Basis¬ filter verschaltet sind. Die Resonanzfrequenz der Resonatoren liegt stets abseits einer Bezugsfrequenz, vorzugsweise der Mittenfrequenz des Basisfilters, wobei die Resonatoren in ei¬ ner Variante auch kein eigenständiges Bandpassfilter ausbil¬ den.
Der erfindungsgemäß eingesetzte hochgütige Resonator kann in unterschiedlichen Technologien gefertigt werden. Möglich ist es, diesen als SAW-Resonator, als FBAR-Resonator, als MEMS- Resonator oder als hochgütige Spule auszuführen. Insbesondere als SAW-Resonator oder als FBAR-Resonator ausgebildet wird ein kompaktes Filter geringer Bauhöhe erhalten.
Mit einem FBAR-Resonator wird ein erfindungsgemäßes Filter erhalten, dessen Einfügedämpfung niedriger ist als die eines ausschließlich aus FBAR-Resonatoren hergestellten Filters und nur leicht höher ist als die eines nur aus LC-Gliedern herge¬ stellten integrierten Filters. Das Basisfilter des erfin¬ dungsgemäßen Filters ist kostengünstig. Das Filter benötigt nur einen oder wenige zusätzliche Resonatoren, sodass auch die Gesamtkosten des Filters niedrig sind. Das Filter lässt sich mit einer Bandbreite bis ca. 20 % realisieren und be¬ sitzt an sich die bekannten guten Fernabselektionseigenschaf- ten integrierter LC-Filter. Wesentlich verbessert gegenüber bekannten LC-Filtern sind jedoch die Nahselektion, die über die steileren Passbandflanken erreicht wird, sowie die Fre¬ quenzstabilität, die durch die geringen Fertigungstoleranzen von FBAR-Resonatoren erreicht wird. Ein erfindungsgemäßes Filter kann mehrere Resonatoren aufwei¬ sen, die in serieller und/oder paralleler Schaltung zum Ba¬ sisfilter eingesetzt werden können.
Für das Mehrlagensubstrat können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Geeignet sind beispielsweise Mehrlagenla¬ minate, wie sie beispielsweise für mehrlagige Leiterplatten eingesetzt werden. Aufgrund der besseren dielektrischen Ei¬ genschaften sind jedoch keramische Mehrlagensubstrate bevor¬ zugt. Dies sind beispielsweise HTCC- und LTCC-Substrate, wo¬ bei Letztere aufgrund der Möglichkeit, eine Vielzahl passiver Bauelemente zu integrieren, der niedrigeren Herstellungstem¬ peratur und der günstigeren Materialien bevorzugt sind. In LTCC-Keramik ausgebildete Basisfilter lassen sich in sehr kompakter Bauweise von derzeit beispielsweise bis zu 2,0 * 1,25 mm2 realisieren, wobei insbesondere die geringe Bauhöhe von derzeit erreichbaren 0, 8 mm als besonderer Vorteil zu nennen ist. Die Fernabselektion ist besser als 40 dB. Zusam¬ men mit der diskreten Resonatorkomponente, die als SAW- Resonator oder FBAR-Resonator ebenfalls in geringer Bauhδhe ausführbar ist, wird auch insgesamt ein kompaktes Filter ge¬ ringer Bauhöhe und geringer Fläche erhalten.
Besonders vorteilhaft ist es möglich, das Mehrlagensubstrat als Substrat für ein Modul zu verwenden, in das neben weite¬ ren Komponenten und Funktionen das erfindungsgemäße Filter integriert ist. Das Modul kann in das Mehrlagensubstrat in¬ tegriert weitere Schaltungskomponenten umfassen, beispiels¬ weise Anpassungselemente wie Induktivitäten und Kapazitäten. Auf der Oberfläche des Mehrlagensubstrats können weiter dis¬ krete Komponenten angeordnet sein, beispielsweise weitere hochgütige Resonatoren oder auch integrierte Halbleiter- Bauelemente, in denen Schalt- oder Verstärker funktionen des Moduls verwirklicht sein können. Als diskrete Komponenten auf dem Mehrlagensubstrat angeordnete ICs können auch zur weite¬ ren Signalerzeugung oder -Verarbeitung eingesetzt werden oder beispielsweise auch nur das Signal verstärken.
Die erfindungsgemäß eingesetzten hochgütigen Resonatoren kön¬ nen zur Erzeugung von Polstellen (= Frequenzfalle, Notch) in einem gegen Masse geschalteten Parallelzweig angeordnet wer¬ den. Ein solcher „paralleler" Resonator erzeugt bei seiner Resonanzfrequenz eine Polstelle im Übertragungsverhalten des Gesamtfilters. Dort wird das Signal besonders gut gedämpft. Die Breite einer solchen Polstelle ist von der Bandbreite bzw. der Kopplung des Resonators bestimmt.
Ein im Signalpfad des Filters seriell angeordneter Resonator kann insbesondere zur Formung der Passbandflanke eingesetzt werden, so dass dessen Resonanzfrequenz dazu im Bereich der Passbandflanke des erfindungsgemäßen Filters ausgewählt ist. Dabei ist es möglich, beide Flanken des Passbandes zu vers¬ teuern.
Eine besonders breitbandige Unterdrückung bestimmter Frequen¬ zen wird erreicht, indem mehrere Resonatoren mit jeweils un¬ terschiedlichen, jedoch einander direkt benachbarten Reso¬ nanzfrequenzen rund um die auszufilternde Störfrequenz einge¬ setzt und parallel zum Signalbandpfad gegen Masse geschaltet werden. Mehrere Resonatoren können vorteilhaft auf demselben Substrat angeordnet sein. Um für unterschiedliche FBAR- Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat unterschiedliche Resonanzfrequenzen zu ermöglichen, können die FBAR- Resonatoren jeweils eine Abstimmschicht aufweisen, die vor¬ zugsweise als oberste Schicht des FBAR-Resonators ausgebildet ist. Mit Hilfe einer unterschiedlich dick gewählten Abstimm- schicht gelingt es, die Resonanzfrequenz von unterschiedli¬ chen FBAR-Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat inner¬ halb gewisser Grenzen unterschiedlich einzustellen bzw. nach- zujustieren.
Ein FBAR-Resonator wird vorzugsweise in Dünnschichttechnik über einem Substrat erzeugt, umfasst zumindest eine piezo¬ elektrische. Schicht, die zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet ist, und kann prinzipiell in Membrantechnologie, bei der die aktive Fläche des Resonators beiderseits gegen Luft schwingt, oder als SMR-Typ-Resonator (solidly mounted resonator) ausgebildet sein, der auf festem Untergrund ange¬ ordnet ist und daher einen akustischen Spiegel erfordert, um die akustische Energie innerhalb des Resonators zu halten. Der akustische Spiegel umfasst üblicherweise eine alternie¬ rende Abfolge von Schichten mit hoher und niedriger akusti¬ scher Impedanz. Die Dicke der Spiegelschichten beträgt dabei ca. 1A der Lange der akustischen Welle in dieser Spiegel- schicht. Die piezoelektrische Schicht dagegen weist üblicher¬ weise eine Schichtdicke von λ/2 auf und bestimmt über ihre Schichtdicke die Resonanzfrequenz des Resonators .
Durch entsprechendes Einstellen der Spiegelschicht ist es auch möglich, in einem solchen FBAR-Resonator einen höheren Schwingungsmodus anzuregen und parallel dazu den Grundmodus zu unterdrücken. Bei gleichbleibender Dicke der piezoelektri¬ schen Schicht können so höhere Resonanzfrequenzen erzielt werden. Dies gelingt, indem die Spiegelschichten auf die Fre¬ quenz des höheren gewünschten anzuregenden Modus abgestimmt werden, sodass der akustische Spiegel für Schwingungen in der Grundmode durchlässig wird, sodass sich hier keine Resonanz ausbilden kann. it einem derart ausgestalteten FBAR-Resonator gelingt es, die maximal erreichbare Resonanzfrequenz nochmals wesentlich zu steigern, ohne dass dazu die Schichtdicken des Resonators selbst modifiziert werden müssen. Dies ist insbesondere für hochfrequente Anwendungen > 5 GHz von Vorteil, wobei mit die¬ ser Methode die bislang erreichbare maximale Resonanzfrequenz noch einmal zumindest verdoppelt werden kann, ohne die Schichtdicken wesentlich zu reduzieren.
Die zumindest eine diskrete Komponente kann auf der Oberflä¬ che des Mehrlagensubstrats in unterschiedlichen Techniken montiert sein. Möglich ist es beispielsweise, sie als Bare Die auf dem Chip zu befestigen und beispielsweise mit der Rückseite aufzukleben. Die Kontaktierung erfolgt dann über Drahtbonden auf der oben liegenden Vorderseite (face up) . Möglich sind jedoch auch Flip-Chip-Anordnungen (face down) , die für akustische Komponenten besonders vorteilhaft sind. Mit Flip-Chip-Technologie aufgebrachte diskrete Komponenten können in einfacher Weise mit einer Folie abgedeckt werden, die über den diskreten Komponenten aufliegt und allseits mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats abschließt.
Auf dieser Folie kann in einer weiteren Ausgestaltung der Er¬ findung noch eine Metallschicht angeordnet werden. Auf diese Weise wird ein besonders dichter hermetischer Verschluss der Komponenten bzw. eine gute Abdichtung erzielt. Zusätzlich ge¬ lingt es mit der Metallschicht, eine HF-Abschirmung für das Bauelement bzw. eine HF-Abschirmung des Bauelements zu reali¬ sieren. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Metallschicht mit einem Masseanschluss des Filters elektrisch leitend zu verbinden. Dies gelingt in einfacher Weise, indem die Metall¬ schicht, die dicht mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats abschließt, an einer Stelle Kontakt mit einer Metallisierung besitzt, deren Metallstruktur durch das Innere des Mehrlagen¬ substrats hindurch mit einem Masseanschluss des Filters auf der Unterseite des Mehrlagensubstrats verbunden ist.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Mehrlagensubstrat mehrere Filterkomponenten aufweisen, also zumindest ein weiteres Basisfilter und zumindest einen damit verbundenen Resonator. Auf diese Weise gelingt es, auf einem einzigen Mehrlagensubstrat ein mehrere Filter umfassen¬ des Modul, einen Duplexer oder einen Duplexer zu realisie¬ ren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuiren dienen zur Veranschaulichung der Erfindung und sind dahex teils nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausge¬ führt. Aus den Figuren lassen sich daher weder absolute noch relative Maßangaben entnehmen.
Figur 1 zeigt das Durchlassverhalten eines bekannten LC- Filters auf LTCC,
Figur 2 zeigt das dazugehörige Ersatzschaltbild ,
Figu.r 3 zeigt die Durchlasskurve dieses Filters,
Figur 4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Filter im Ersatz¬ schaltbild,
Figiαr 5 zeigt die Durchlasskurve dieses Filters,
Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im schemati¬ schen Querschnitt, Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement mit Verkapse- lung anhand eines schematisehen Querschnitts.
Figur 1 zeigt die Durchlasskurve eines bekannten, in einem LTCC-Substrat realisierten LC-Filters, welches hier ein Pass¬ band zwischen 5000 und 5400 MHz aufweist, entsprechend 8 % relativer Bandbreite. Die Fernabselektion ist besser als 40 dB, im Nahbereich ist jedoch aufgrund einer nur flach abfal¬ lenden Passbandkante eine nur moderate Nahselektion zu beo¬ bachten. Die Einfügedämpfung liegt bei ca. 1,5 dB. Es ist er¬ sichtlich, dass dieses bekannte Filter bei einer Frequenz von 4,5 GHz, also ca. 10 % unterhalb der Passbandkante eine Se¬ lektion von mar 20 dB aufweist.
Ein derartiges Filter wird nun erfindungsgemäß dadurch vari¬ iert, dass es mit zumindest einem seriellen und/oder paralle¬ len FBAR-Resonator zu einem erfindungsgemäßen Filter ver¬ schaltet wird..
Figur 2 zeigt eine einfache Ausführung eines erfindungsgemä¬ ßen Filters, bestehend aus einem Basisfilter BF, das durch metallische Strukturen innerhalb eines LTCC-Mehrlagensub- strats realisiert ist. Dieses Basisfilter umfasst drei se¬ rielle Kapazitäten Cl, C2 und C3, sowie zwei Querzweige zur Masse, die zwischen Cl und C2 sowie zwischen C2 und C3 ange¬ ordnet sind. In den Querzweige ist jeweils eine weitere Kapa¬ zität C4, C5 angeordnet. An den gleichen Verzweigungsstellen sind zwei weitere Querzweige zur Masse geschaltet, in denen seriell eine Induktivität und eine Kapazität (Ll, C6; L2, C7) geschaltet sind. Hinter ein Anpasselement AEl, welches ebenfalls in dem Mehr¬ lagensubstrat als serielle Induktivität verwirklicht ist, ist in Serie ein erster FBAR-Resonator Rl geschaltet. Nach diesem Resonator zur Masse abzweigend ist in einem Querzweig ein zweiter FBAR-Resonator R2 geschaltet, wobei parallel zu die¬ sem FBAR-Resonator als zweites Anpasselement AE2 eine weitere Induktivität geschaltet ist.
Sämtliche LC-Glieder des Basisfilters BF sowie die beiden An¬ passelemente AEl, AE2 sind als metallische Strukturen inner¬ halb der LTCC-Keramik, also innerhalb des Mehrlagensubstrats ML, verwirklicht, was in der Figur durch die gestrichelte Li¬ nie mit dem Bezugszeichen ML angedeutet ist. Die beiden FBAR- Resonatoren Rl und R2 sind als diskrete Komponenten ausge¬ führt, die z. B. auf de:r Oberfläche des Mehrlagensubstrats angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter BF verbunden sind.
Das zugrunde liegende Basisfilter ist als Zweipol-LC-Filter für ein Passband von 2,40 bis 2,50 GHz ausgelegt. Die erfin¬ dungsgemäß am Eingang und/oder Ausgang des Basisfilters BF über Anpassungselemente AE geschalteten FBAR-Resonatoren wer¬ den so dimensioniert, dass die linke Flanke des Passbandes versteuert werden kann. Dazu werden mit Hilfe der zwei FBAR- Resonatoren Rl, R2 zwei, zusätzliche Polstellen (Notches) bei ca. 2,17 GHz erzeugt. Diese Polstellen liegen nahe beieinan¬ der aber bei unterschiedlichen Frequenzen, sodass das Gesamt¬ filter eine breitbandigere Unterdrückung über beide Polstel¬ len hinweg aufweist.
Figur 3 zeigt die Durctαlasskurve 1 dieses ersten Ausführungs- beispiels, die in der Figur der Durchlasskurve 2 des zugrun¬ deliegenden Basisfilte-rs BF gegenübergestellt ist. Deutlich erkennbar sind die beiden PolstelILen Nl, N2 in der Kurve 1, die von den beiden FBAR-Resonatoren Rl, R2 herrühren. Rechts der Polstellen ist die Filterkurve 1 dadurch gegenüber der Filterkurve 2 des Basisfilters wesentlich versteuert. Wäh¬ rend die Durchlasskurve 2 des Basάsfilters von der Passband¬ kante bei ca. 2,40 GHz ab von -1,4 dB auf nur -11 dB abfällt, zeigt das erfindungsgemäße Filter im selben Intervall eine auf -27 dB gestiegene Unterdrückung, ausgehend allerdings von einem leicht erhöhten Wert von -1,9 dB an der Passbandkante. Es ergibt sich also eine signifikiante Verbesserung der Nahbe¬ reichsselektion bei nur geringfügig erhöhter Einfügedämpfung.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausfühirungsbeispiel, welches ausge¬ hend von einem Zweipol-LC-Basisfd-lter BF durch Zuschaltung von FBAR-Resonatoren und Anpassungselementen erweitert ist. Das Basisfilter ist auf ein Passfc>and von 4,9 bis 5,9 GHz aus¬ gelegt. Die Versteuerung der linken Passbandkante wird er¬ reicht, indem an Ein- bzw. Ausgang des Basisfilters insgesamt drei FBAR-Resonatoren Rl bis R3 dazugeschaltet werden, wobei die Resonatoren Rl und R3 als serielle Resonatoren im seriel¬ len Zweig angeordnet sind, der Resonator R2 dagegen in einem Parallelzweig gegen Masse geschaltet wird. Zwischen Basisfil¬ ter BF und dem ersten FBAR-Resonator Rl ist als Anpasselement eine serielle Induktivität AEl geschaltet. Parallel zum Reso¬ nator R2 im Parallelzweig ist ein weiteres Anpasselement AE2 in Form einer weiteren Induktivität geschaltet. Ein drittes Anpasselement AE3 ist ebenfalls als Induktivität ausgebildet und hinter den FBAR-Resonator R3 in Serie zu diesem geschal¬ tet.
Das Basisfilter besteht aus zwei Schwingkreisen SKl, SK2, in denen jeweils eine Kapazität Cl, C5 und eine Induktivität Ll, L3 parallel gegen Masse geschaltet sind. Zwischen den beiden Schwingkreisen ist ein weiterer Parallelzweig gegen Masse ge¬ schaltet, in dem eine zweite Induktivität L2 in Serie mit ei¬ ner Kapazität C4 geschaltet ist. Zwischen jeweils zwei der drei Parallelzweige ist noch je eine Kapazität C2 , C3 im se¬ riellen Zweig angeordnet .
Alle LC-Glieder des Basisfilters BF sowie die A.npasselemente AEl bis AE3 sind in Form metallischer Strukturen in den Me¬ tallisierungsebenen einer LTCC-Keramik ausgebildet, die das Mehrlagensubstrat realisiert. Die drei FBAR-Resonatoren sind als diskrete Komponenten ausgebildet und z.B. auf der Ober¬ fläche des Mehrlagensubstrats angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter verbunden. Die FBAR-Resonatoren R können als drei unterschiedliche Elemente realisiert werden, sind vor¬ zugsweise jedoch auf einem einzigen Substrat angeordnet, wo¬ bei beispielsweise eine Anpassungsschicht auf zweien der Re¬ sonatoren für einen Unterschied in der Resonanzfrequenz zwi¬ schen allen drei FBAR-Resonatoren Rl bis R3 sortrgt .
Figur 5 zeigt die Durchlasskurve des in Figur «4 dargestellten erfindungsgemäßen Filters, die wiederum der Durrchlasskurve 2 des eingesetzten Basisfilters (ohne FBAR-Resonatoren) gegen¬ übergestellt ist. Mit Hilfe der drei FBAR-Resonatoren werden drei Frequenzfallen (Noten) bei ca. 4,5 GHz erzeugt, die bei Frequenzen von ca. 10 % unterhalb der linken (-unteren) Pass- bandkante die Selektion auf ca. 30 dB erhöhen. Gleichzeitig zeigt das gegenüber dem Basisfilter BF unveränderte Passband des erfindungsgemäßen Filters eine sehr hohe .relative Band¬ breite. Die zusätzliche Einfügedämpfung erhöht sich von ca. - 2,25 auf ca.
-3,4 dB. Dieses erfindungsgemäße Filter zeichnet sich daher durch ein breites Passband und eine hervorragende Nahselekti¬ on bei gleichzeitig moderater Einfügedämpfung aus . Figur 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch ein Mehrlagensubstrat ML und den darauf angeordneten und in¬ nerhalb oder auf einem Chip ausgebildeten Resonator R den ge¬ ometrischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filters. Das Mehr¬ lagensubstrat ML umfasst eine Mehrzahl dielektrischer SchLich- ten DL, von denen in der Figur drei dargestellt sind. Zwi - sehen jeweils zwei benachbarten dielektrischen Schichten DL sind metallische Strukturen MS angeordnet, wobei die Verbin¬ dung zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen bzw. zwischen den Strukturen in unterschiedlichen Metallisierumgs- ebenen über Durchkontaktierungen durch dielektrische Schi-ch- ten vorgenommen ist. Die nur schematisch angedeuteten metal¬ lischen Strukturen MS bilden die im Basisfilter BF benötigten Kapazitäten und Induktivitäten aus. Alternativ ist es auch möglich, dass die Metallstrukturen MS Streifenleitungsresona¬ toren ausbilden, beispielsweise in Form zweier parallelen.: Leitungsbahnen einer elektrischen Länge von λ/4. Der in cier Figur mit R bezeichnete Resonator umfasst hier ein Bauele¬ ment, in dem jedoch auch mehrere Resonatoren realisiert sein können, wie hier auch durch die Anzahl von vier elektrischen Kontakten zum Basisfilter angedeutet ist . Mehrere Resonatoren können auch auf mehreren Substraten realisiert sein. An <der Unterseite des Mehrlagensubstrats ML befinden sich die A.ταßen- kontakte AK des Filters, über die es elektrisch kontaktiert werden kann. Der mittlere Außenkontakt AK2 kann beispielswei¬ se als Massenanschluss vorgesehen sein.
Figur 7 zeigt in noch schematischerer Darstellung einen Quer¬ schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsge- mäßen Filters, bei der der Aufbau der Metallstrukturen MS zwischen den beiden dielektrischen Schichten DLl, DL2 nuir an¬ gedeutet ist. Auf dem Mehrlagensubstrat ML sind hier zv/esi diskrete Komponenten, nämlich die beiden Resonatoren Rl und R2 , vorzugsweise als Chip Bauelemente, angeordnet und bei¬ spielsweise über Flip-Chip-Technologie mit dem Mehrlagensub¬ strat verbunden, wobei die eingesetzten Bumpverbindungen gleichzeitig elektrische und mechanische Anbindungen der Re¬ sonatoren R darstellen. Allseitig mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats ML abschließend ist über die Rückseite der Resonatoren R eine Abdeckfolie AF aufgebracht und beispiels¬ weise auflaminiert. Dies kann eine gegebenenfalls mehrschich¬ tige Kunststofffolie sein, deren Auflaminierprozess durch er¬ höhte Temperatur und Druck und gegebenenfalls Unterdruck zwi¬ schen Mehrlagensubstrat und Abdeckfolie AF unterstützt werden kann. Über der Abdeckfolie AF wiederum ist eine MetallSchicht SM aufgebracht, beispielsweise durch Aufsputtern, Aufdampfen oder andere geeignete Prozesse. Auch die Metallschicht MS schließt allseitig mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats ML ab und stellt durch die feste Verbindung der Metallschicht SM mit der Oberfläche der LTCC-Keramik eine hermetisch dichte Verkapselung der Resonatoren dar. Die beiden Resonatoren Rl, R2 können mit einem einzigen Basisfilter BF verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Basisfilter im Mehrlagen¬ substrat ML zu realisieren und jedes dieser Basisfilter mit einem oder mehreren Resonatoren zu einem erfindungsgemäßen Filter zu verbinden, die insgesamt auf einem einzigen gemein¬ samen Mehrlagensubstrat aufgebaut sind.
Die FBAR-Resonatoren können als „Bare Die" eingesetzt werden, was eine kostengünstige Ausführungsmöglichkeit darstellt. Die in der Figur 7 dargestellte Verkapselung hat weiterhin den Vorteil, dass sie die Bauhöhe des Filters nur unwesentlich erhöht. Die Metallschicht kann über entsprechende Kontakte auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats und die damit ver¬ bundenen Durchkontaktierungen und metallischen Strukturen mit einem Masseanschluss, der als Außenkontakt AK auf der Unter¬ seite des Mehrlagensubstrats ML ausgebildet ist, elektrisch leitend verbunden sein.
Neben der dargestellten Verkapselung über Folien ist es auch möglich, diese zusätzlich oder alternativ mit einer umspritz¬ ten Abdeckung oder mit einer vergossenen Abdeckung zu verse¬ hen. Sofern die Resonatoren empfindliche Strukturen auf der Oberfläche tragen, die bei einer Flip-Chip-Anordnung hin zum Mehrlagensubstrat weist, kann der Zwischenraum zwischen Reso¬ nator und Oberfläche des Mehrlagensubstrats im Randgebiet der Resonatoren mit einem Underfiller abgedichtet sein. Möglich ist es natürlich auch, über die Resonatoren vorgefertigte Ge¬ häuseteile in Form von Abdeckkappen aufzusetzen und fest mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats zu verbinden.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Varia¬ tionen ergeben sich insbesondere in der genauen Ausführung des Basisfilters, in der Anzahl und der Verschaltung der Re¬ sonatoren sowie im Aufbau des Mehrlagensubstrats, welches keinesfalls auf die genannte LTCC-Keramik beschränkt ist. Sämtliche Metallisierungen können aus einem beliebigen Metall ausgeführt sein, welches lediglich bei aus Keramik ausgeführ¬ ten Mehrlagensubstraten den Sinterbedingungen gegenüber be¬ ständig sein sollte. Nicht dargestellt wurden auch höher in¬ tegrierte Module, die neben dem Basisfilter, den Resonatoren und den Anpasselementen weitere Schaltungselemente aufweisen, die als integrierte Elemente im Mehrlagensubstrat integriert oder als diskrete Komponenten auf der Oberfläche des Mehrla¬ gensubstrats angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Filter für mobile drahtlose Datenübertragung mit einem Mehrlagensubstrat (ML) , welches dielektrische Schichten (DL) und darauf oder dazwischen angeordnete, metallische Strukturen (MS) umfassende Metallisierungs¬ ebenen aufweist, mit einem Basisfilter (BF) , aufgebaut als Filter aus LC Gliedern und/oder Streifenleitungsresonatoren, die durch die metallischen Strukturen innerhalb des Mehrlagensub¬ strats realisiert sind, mit einem ersten Resonator (Rl) , der als diskrete Kompo¬ nente auf dem Mehrlagensubstrat angeordnet ist und eine höhere Güte aufweist als das Basisfilter, wobei der Resonator elektrisch seriell oder parallel mit dem Basisfilter verschaltet ist wobei die Resonanzfrequenz des Resonators abseits der Mittenfrequenz des Basisfilters liegt.
2. Filter nach Anspruch 1, bei dem der erste Resonator (R, Rl) ein hochgütiger Resonator ist, ausgewählt aus SAW Resonator, FBAR Resonator und hochgü¬ tiger Spule.
3. Filter nach Anspruch 1.oder 2 , mit einem als Bandpassfilter aufgebauten Basisfilter (BF) , bei dem die Resonanzfrequenz des ersten Resonators (Rl) im
Bereich der Passbandflanken des Basisfilters (BF) angeordnet ist.
4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest ein weiterer Resonator (R2 , R3) seriell o- der parallel mit dem Basisfilter (BF) verschaltet ist, dessen Resonanzfrequenz von der des ersten Resonators (Rl) verschie¬ den ist, wobei die Resonanzfrequenz des weiteren Resonators (R2, R3) abseits der Mittenfrequenz des Basisfilters liegt.
5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Resonanzfrequenz des oder der Resonatoren (Rl, R2, R3) zumindest 5% bis ca. 10% abseits der Mittenfrequenz dieses Basisfilters (BF) liegt.
6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Mehrlagensubstrat (ML) eine LTCC Keramik, eine HTCC Keramik oder ein organisches Mehrlagenlaminat ist .
7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem einer der Resonatoren (Rl, R2, R3) in einem Parallel- zweig zum Basisfilter (BF) angeordnet und gegen Masse ge¬ schaltet ist, wobei dessen Resonanzfrequenz bei einer Ober¬ wellenfrequenz des Basisfilters liegt.
8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , bei dem mehrere als FBAR Resonatoren ausgebildete Resona¬ toren (Rl, R2, R3) mit dem Basisfilter (BF) verschaltet sind, bei dem alle FBAR Resonatoren auf einem gemeinsamen Sub¬ strat ausgebildet sind, bei dem alle FBAR Resonatoren eine jeweils unterschiedli¬ che Abstimmschicht aufweisen und darüber hinaus den glei¬ chen Aufbau besitzen.
9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der als FBAR ausgebildeter Resonator (R, Rl, R2, R3) über einem akustischen Spiegel angeordnet ist, wobei die Re- flektivität des akustischen Spiegels so ausgebildet ist, dass eine höhere Mode des Resonators unterstützt, die Grundmode aber unterdrückt wird.
10. Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem weitere Einzelkomponenten zur Anpassung des Filters auf dem Mehrlagensubstrat (ML) angeordnet oder in das Mehrla¬ gensubstrat integriert sind.
11. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Resonator (R, Rl, R2, R3) mit einer Folie (AF) abgedeckt ist, die allseitig dicht mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats (ML) abschließt .
12. Filter nach Anspruch 11, bei dem auf der Folie (AF) eine Metallschicht (SM) angeordnet ist, die mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats (ML) ab¬ schließt über die metallischen Strukturen (MS) im Innern des Mehrlagensubstrats mit einem Masseanschluss (AK) des Filters elektrisch leitend verbunden ist.
13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12/ bei dem ein weiteres Basisfilter (BF) und zumindest ein wei¬ terer damit elektrisch verbundener Resonator (R, Rl, R2,, R3) vorgesehen sind, die zusammen mit dem durch das erste Basis- filter und den ersten Resonator ausgebildete Filter einen Duplexer oder einen Diplexer bilden.
14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, aufgebaut auf einem Mehrlagensubstrat (ML) aus LTCC und mit mindestens einem FBAR Resonator (R) , der als SMR Resonator ausgebildet ist.
15. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der oder die Resonatoren (Rl, R2 , R3) in Flip-Chip Technik auf dem Mehrlagensubstrat (ML) montiert sind.
16. Anwendung eines Filter nach einem der vorangehenden An¬ sprüche für Filteranwendungen im Bereich von 1 bis 10 GHz.
17. Anwendung nach Anspruch 16 für Filteranwendungeri im Be¬ reich von über 2, 2 GHz.
18. Filter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 15, mit einem als Bandsperre aufgebauten Basisfilter (BF) .
19. Filter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 15, mit einem als Tief- oder Hochpass aufgebauten Basisfilter (BF) .
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