WO2007006375A1 - Hf-filter mit verbesserter gegenbandunterdrückung - Google Patents

Hf-filter mit verbesserter gegenbandunterdrückung Download PDF

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WO2007006375A1
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parallel
filter according
sub
resonator
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PCT/EP2006/005270
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Thomas Bauer
Christian Math
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Epcos Ag
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    • H03H9/6489—Compensation of undesirable effects
    • H03H9/6493—Side lobe suppression

Definitions

  • RF filters are needed especially in mobile communication terminals. Most of them are designed for use in mobile radio systems that transmit and receive in different but closely spaced frequency bands.
  • the receive filters are usually designed as a bandpass whose passband corresponds at least to the bandwidth of the RX band. It is usually necessary that the frequencies of the associated TX band are suppressed.
  • Dielectric filters are made from discrete L and C elements and require a variety of discrete elements to provide the required filter characteristics.
  • Microwave ceramic filters are inexpensive to produce, have a low insertion loss and are usually too large for installation in miniaturized terminals.
  • Good electrical properties are offered by filters based on bulk wave resonators or surface acoustic wave devices. Particularly preferred are SAW or surface acoustic wave devices which are characterized by a small size and a large variety with respect to the electrical parameters to be set
  • SAW-based RF filters may be constructed as a DMS (dual-mode SAW) filter or as a reactance filter of a plurality of resonators interconnected in a serial and parallel branches in the form of a ladder-type arrangement or a lattice arrangement ,
  • DMS dual-mode SAW
  • reactance filter of a plurality of resonators interconnected in a serial and parallel branches in the form of a ladder-type arrangement or a lattice arrangement
  • a given bandwidth is required for an HF filter, wherein the pass band should fall to the stop band with a steep slope.
  • the insertion loss in the passband should be minimal in order to minimize the energy losses.
  • an RF filter should be power-compatible and, even with high input or output power, should not permanently damage the electrode structures.
  • a pure reactance filter requires too large a number of base elements to achieve sufficient backbone rejection, with each fundamental element being composed of a series resonator and a parallel resonator.
  • each fundamental element being composed of a series resonator and a parallel resonator.
  • the insertion loss of such filters deteriorates.
  • an RF filter having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention can be found in further claims. It is proposed an RF filter, which is composed of a first and a second sub-filter.
  • the first sub-filter is designed as a reactance filter and has at least two parallel resonators and a series resonator.
  • the second sub-filter is designed as a DMS filter and has at least three interdigital transducers.
  • this filter is incorporated into a specially designed housing in which the ground terminals of the first parallel resonator and the second sub-filter are routed separately and fed to separate outer housing contacts.
  • First and second sub-filter can be constructed on a common piezoelectric substrate and interconnected there.
  • the first sub-filter is preferably connected to the input.
  • This has the advantage that the more powerful reactance filter as the first sub-filter absorbs part of the power of the received signal, so that the second sub-filter, so the DMS filter is loaded with a lower signal level.
  • the reactance filter absorbs most of the power. This makes the proposed RF filter more power-efficient overall. With the proposed filter, a good Schmidt- suppression and a high edge steepness is achieved.
  • the good Nah Schl.sunterdrückung a reactance filter is used, which can be well adjusted by suitable frequency position of the poles, in particular by a suitable choice of the resonant frequency of the parallel resonators.
  • Good far-range rejection is provided by the DMS filter.
  • the advantageous properties of the different filter types are added in the combined RF filter.
  • the housing of the filter may include a base plate having at least one dielectric layer that is substantially electrically nonconductive.
  • a metallization plane can be arranged in each case between two layers.
  • printed conductors or in general an interconnection are structured.
  • plated-through is understood to be a hole leading through one or more dielectric layers and filled with a conductive material or at least conductive coated.
  • the inner housing contacts serve to connect the substrate contacts of the first and second sub-filters, while the outer housing contacts serve to connect the filter to an external circuit environment.
  • the ground terminal of the first parallel resonator closest to the filter input is separately and separately routed from other lines through the housing and in particular through the base plate and directly to a first one connected external housing contact. This ensures that galvanic coupling effects with the first parallel branch are only caused by possible impedances in the external circuit environment.
  • the external ground contacts are very well connected to the ground of the circuit environment, so that galvanic coupling effects in the form of electrical crosstalk are minimized.
  • connection between the ground terminal of the first parallel resonator and the first outer housing contact is rectilinear and formed exclusively as a via. This ensures that for a given thickness of the housing or the base plate of the housing, the inductance associated with this line is minimized. As a result, an increase in the PoI zero pitch of the resonator is avoided and a greater steepness of the left flank can be achieved. The attenuation at very high frequencies is thereby improved.
  • This with respect to the galvanic coupling optimized line through the base plate is particularly advantageous for the first parallel branch, since its high power consumption and thus high current flow, due to the location at the filter inlet and a high potential for Having couplings with other lines and metallizations.
  • the ground terminal of the second parallel resonator separated from other feedthroughs through the housing and to connect it to an outer housing contact, for example the housing contact of the first parallel resonator.
  • an outer housing contact for example the housing contact of the first parallel resonator.
  • a third parallel resonator can be provided.
  • the ground terminal of the third parallel resonator is preferably connected to a second outer housing contact, which is not identical to the first housing contact.
  • a suitable filter function is achieved when the second sub-filter has a DMS track with five transducers.
  • the resonator area must be increased, which for the entire resonator, for example in a two-cascade, means a quadrupling of the resonator area compared to an unsplit resonator. This can be achieved by increasing the number of fingers and / or increasing the aperture become. Together with the now low voltage applied to each of the series-connected sub-resonators, this results in a significant improvement in the power compatibility of the cascaded resonator.
  • the RF filter may have an unbalanced input and an unbalanced output.
  • the housing has four outer housing contacts. If, however, the output is switched symmetrically, then a further housing contact is required, so that at least five outer housing contacts must be present.
  • an odd number of external case contacts can be increased by one to the next even number.
  • the adjacent terminal electrode fingers of different transducers are both hot or both cold connected. This means that the both adjacent electrode fingers of different transducers are to be connected to either a signal line or both to a ground terminal.
  • a shielded and leaktight improved housing is obtained when the substrate with the subfilters in the housing is placed between the baseplate and a lid in which the lid comprises at least one electrically conductive layer.
  • the cover is electrically conductively connected to the ground connection within the base plate and further connected to a ground terminal of the filter or to a connected to ground outer housing contact of the RF filter.
  • the electrically conductive cover of the housing can be connected via several points to the ground connection within or on the base plate.
  • different ground terminals of the filter can be connected to each other via the cover, which are separated in the base plate or on the substrate.
  • the lid is connected unbalanced to the interconnection.
  • an input side improved ground connection of the lid which is made over more parallel and switched vias as the output side.
  • the number of ground terminals present on the substrate for the two sub-filters exceeds the number of outer housing contacts. It is therefore proposed to provide inside the housing and in particular inside the base plate at least two electrically mutually insulated inner ground surfaces, each connecting a plurality of ground terminals of the first and second sub-filter with each other. The inner ground surfaces are in turn connected to the outer housing contacts via through-connections. In this case, it is possible to use a plurality of plated-through holes for connecting the inner ground areas to the outer housing contacts, as a result of which the inductance lying in the common ground branch is reduced. This reduces the galvanic coupling of the mass branches connected in this way and thus improves the selection behavior of the filter.
  • a further improvement of the passband and in particular a steeper left flank can be obtained if capacitors are connected in parallel to the parallel resonators.
  • Such parallel capacitances are known to reduce the pole-zero spacing of the resonators and thus to improve the edge steepness.
  • These can be advantageously realized in the form of metallic structures on the substrate surface. It is possible, for example, to design the capacities as interdigital structures. In order to achieve that these interdigital structures act as pure capacitance as possible and produce no losses in the form of radiated waves, it is advantageous to select a finger period for them which is significantly smaller than the finger period of the transducers of the first and second sub-filters.
  • Another possibility for preventing the emission of acoustic waves from the capacities realized as an interdigital structure consists of rotating the interdigital structure and aligning it along a crystal axis of the substrate in which no waves are excited. If, for example, a substrate made of lithium tantalate (LT) is used, this can be achieved with a rotation of 90 degrees.
  • the capacities can also be realized by using differently designed metallic structures.
  • the proposed RF filter will be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments and the associated figures. These are purely schematic and therefore not true to scale.
  • FIG. 1 shows a first possible electrode structure for first and second sub-filters
  • FIG. 2 shows three metallization levels of a two-layer base plate
  • FIG. 3 shows different schematic cross sections through housings with one-layer and two-layer base plates
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of a possible interconnection of the filter elements
  • FIG. 5 shows a second electrode structure for first and second sub-filters
  • FIG. 6 different possibilities for the realization of parallel capacities
  • FIG. 7 shows the transmission curve of a filter according to the invention in comparison with the prior art
  • FIGS. 8 and 9 compare the transfer curve of proposed filters with test structures in which inner masses in the housing are connected to one another
  • FIG. 10 shows the effect of a symmetrical connection of the housing cover in comparison to an asymmetrical connection
  • Figure 11 shows two ways to split a resonator in two sub-resonators.
  • Advantageous topologies for the first sub-filter consist of three to five basic elements, which can be realized in a resonator sequence PSPSP or PSPSPS viewed from the filter input, where P stands for a parallel resonator and S stands for a series resonator.
  • Figure 1 shows the metallization structure on the piezoelectric substrate for the first and second sub-filters, wherein for the first sub-filter six resonators S, P are used, which are connected in the order PSPSPS and form five basic elements.
  • the first parallel resonator Pl is arranged in a first parallel branch, which is connected directly to the input IN. Also directly connected to the input IN is the first series resonator Sl. Between each two series resonators, a parallel branch is arranged with a parallel resonator.
  • the third series resonator S3, which terminates in the first sub-filter is connected to the input of the second sub-filter.
  • the second sub-filter TF2 consists of five interdigital transducers, wherein three transducers are connected to the input side or to the output of the first sub-filter and two transducers to the output OUT. Transducers connected to the input and output are arranged alternately.
  • the finger arrangement of the individual transducers is designed in the second sub-filter TF2 in single-ended operation, that is to say in the case of unbalanced operation on both sides, such that a terminal electric motor the fingers of an input transducer and the directly adjacent terminal electrode fingers of an output transducer are here each at a hot potential.
  • Each transducer consists of two intermeshing comb-like electrode structures, also called interdigital structure. In each case several of electrode fingers are connected to a common busbar.
  • the other busbar of the same converter is in each case connected to a ground connection MA.
  • the three input transducers are connected in parallel and connected with their hot busbars to the output of the third series resonator.
  • the two hot busbars of the two output converters connected in parallel are connected to the output OUT.
  • the illustrated filter is therefore asymmetrically operated on both sides, so that on the input and output side only one signal-carrying line is needed. Basically, as with practically all HF filters, it is possible to swap input and output of the filter.
  • the first sub-filter TFl has a ground connection for each of the three parallel resonators, while the second sub-filter TF2 has a ground connection for each of the five transducers.
  • FIG. 2 shows, in a schematic embodiment, a possible embodiment of an interconnection to be implemented within the housing on the basis of three metallization levels.
  • Figure 2a shows the surface of the base plate GP of the housing corresponding to one of the number of terminals of the filter Number of inner housing contacts GK 1 has. Based on the embodiment shown in Figure 1, this would be ten contacts.
  • the three ground connections MA shown below in FIG. 1 are already connected to one another on the substrate.
  • the two connections connected to the output transducers are led separately to the inner housing contacts GKi, so that nine inner housing contacts are required for connecting the connections on the substrate.
  • FIG. 2a shows a tenth connection, which is introduced solely for reasons of symmetry and serves for the stability of the housing.
  • cover contact connection surfaces DK are arranged on the surface of the base plate shown in FIG. 2a and are electrically connected both to the housing cover and to the ground connections in the interior of the baseplate. Accordingly, these cover contact terminal areas are arranged outside the area provided for the substrate SU, which is identified by a dashed line in FIG. 2a.
  • FIG. 2b shows the metallization of the central metallization plane, which is separated from the metallization plane illustrated in FIG. 2c by a dielectric layer DL1 from that shown in FIG. 2a and by a further dielectric layer DL2.
  • the dielectric layers are preferably made of ceramic, but may be made of other materials and in particular plastic material or glass.
  • two ground surfaces C2 and C4 are provided in the middle metallization plane according to FIG. 2b.
  • the plated-through holes to the upper metallization level are marked by crosses. Accordingly, it follows that the ground plane C2 has five inner housing contacts of the upper metallization level and, accordingly, five ground terminals of the filter connected is. Furthermore, the inner ground surface C2 is connected to a cap contact terminal L3 on the first metallization level.
  • the second ground plane C4 is connected to only one inner housing contact (G2) for a ground connection and to two cover contact terminals L1, L2.
  • a conductor track structure C3 represents an electrical connection between the two terminals of the output transducers of the second sub-filter TF2.
  • a further insulated track conductor C1 is connected to the internal housing contact II provided for the input IN.
  • Another contact C5 of the middle metallization level is connected to an inner housing contact provided for a ground connection G1.
  • Figure 2c shows the lower metallization, which is formed by four outer housing contacts GK a .
  • the through contacts to the middle metallization level are again marked by crosses. It follows that the first outer housing contact El via a via with the conductor track Cl and this is connected via a via with the input of the first sub-filter.
  • a third external housing contact E3 is connected via a through-connection with the conductor track C3 and this in turn is connected to the two terminals of the two output transducers of the second sub-filter.
  • the inner ground surface C2 is connected via three plated-through holes with the second outer housing contact E2.
  • the fourth outer housing contact E4 is connected via two vias to the inner ground plane C4 and via a via to the terminal C5 on the central metallization level.
  • FIG. 3A shows a cross section along the section line AA 'indicated in FIG. 2 through the base plate, substrate and cover of the housing. From the figure shows that the Substrate SU is connected here via bumps BU designed as solder joints with the inner housing contacts on the surface of the base GP. Also on the base GP sits on the housing cover D, which covers the substrate SU below.
  • the housing cover D is formed as a metallized film which is laminated on the substrate on the surface of the base plate GP.
  • the lid D can also be rigid and placed on the base plate. It is also possible to close the gap between the substrate SU and the surface of the base plate GP at the edge of the substrate and to produce the lid by direct metallization of the surfaces.
  • the baseplate GP here comprises a first and second dielectric layer DL1, DL2 having a first metallization level on the surface of the baseplate, a second metallization level between first and second dielectric layer, and a third metallization level on the underside.
  • the electrical connections between the metallization levels are made via vias made, for example, as metallized holes through the dielectric layers.
  • the metallization within the via can close the holes or even cover only the edges of the corresponding holes.
  • the metallizations of the metallization levels are, for example, printed or produced in a thin or thick-film process.
  • a base metallization can be applied structured and galvanically reinforced.
  • FIG. 3A also shows that the inner housing contact G1, which is connected to the ground terminal of the first parallel resonator P1, is connected directly to the outer housing contact E4 through two plated-through holes arranged through the two ceramic layers.
  • the metallized cover is connected to a cover contact connection surface L2 via a through-connection with the metallization surface C4 of the middle metallization level and via another through-connection to the outer housing contact E4.
  • FIG. 3B shows a schematic cross-section of a filter in which the substrate SU is glued into a housing consisting of a base plate GP and a lid D and contacted with bonding wire connections.
  • the through contacts to the outer housing contacts are not shown in the figure.
  • FIG. 3C shows, in a schematic cross section, a filter in which a lower housing part is formed from a single-layer base plate GP and a frame on which the substrate SU is seated as a cover.
  • the connections of the substrate SU to the inner housing contacts are e.g. via metallic structures, in particular via bumps possible.
  • FIG. 4 shows a schematic equivalent circuit diagram of the filter including the connections provided in the base plate and their parasitic inductances (feedthrough inductances).
  • the various filter elements are separated according to the place or their origin. Differences are therefore from top to bottom, the level of the filter structures on the substrate, the level of the inner housing contacts, the plane of the first dielectric layer DL1, which manifests itself only in the form ofêtsinduktterrorismen, the central metallization MM, the second dielectric layer DL2 with their bushing inductances and finally the level of the outer housing contacts GK a .
  • the inductances on the substrate are neglected.
  • the inner housing contacts GK 1 are found in the uppermost metallization level, the contact Il being connected to the input, Gl to the first parallel resonator P1, G2 to the second parallel resonator P2, G3 to the third parallel resonator P3.
  • the ground contacts of the second sub-filter TF2 on the side of the output terminals are already connected to one another at the level of the substrate metallization SM and to a single inner housing contact G7. With the housing contacts G4 and G5, the other two ground terminals of the second sub-filter are connected. The two outputs are connected to housing contacts Ol and 02.
  • the ground connection scheme shown in FIG. 4 is optimized for the exemplary embodiment selected and illustrated in FIG. 1 and exhibits optimum properties with regard to selection and counterband suppression. If more outer housing contacts are available, it is possible to additionally separate the ground connections for the first and second parallel resonator and to supply them to separate outer housing contacts. In the next step, the ground contact for the third parallel resonator could still be fed its own external housing contact. Separation of the ground connections of the second sub-filter with respect to the input and output transducers would further improve selection and counterband suppression.
  • the housing or the base plate realized here as a multi-layer structure is optimized in such a way that the feedthrough inductances are minimal. This is achieved in particular with short vias or with a small thickness of the dielectric layers, but also via parallel feedthroughs. Furthermore, the inductance can still be influenced by the geometric configuration of the via. With low inductance values of the plated-through holes, a passband with steep flanks is achieved.
  • this last common via is particularly critical with respect to their inductance value and affects the coupling of the ground connections particularly strong. It may therefore be useful to make the second dielectric layer thinner than the first dielectric layer.
  • high-impedance connections with which the housing contacts G1, G2, G7 and G3 or the connections connected to them are connected to one another on the substrate in order to dissipate charges arising from the pyroelectric behavior of the substrate harmlessly for the component. These can occur in particular in the case of temperature changes and, in the event of flashovers, damage or even destroy the metallization structure or the substrate.
  • FIG. 6 shows capacitors connected in parallel with the parallel resonators with which the edge steepness of the filter can be improved, in particular the left flank of the passband.
  • the capacitances are advantageously realized on the substrate surface in the form of pads or as interdigital structures.
  • FIG. 6a shows such a capacitance in the schematic equivalent circuit diagram.
  • FIG. 6b shows an embodiment as adjacent metallization surfaces, between which the capacitor CA can form.
  • FIG. 6c shows a capacitance designed as an interdigital structure, which has a shorter finger period than the converter of the parallel resonator.
  • Figure 6d also shows an interdigital structure rotated 90 degrees in orientation on the substrate from the orientation of the parallel resonator.
  • the finger period may be even smaller than that of the interdigital transducer.
  • FIG. 7 shows a transfer function S21 obtained with a filter according to the invention (see curve a) in comparison with the transfer function of a filter according to the prior art (curve b), which comprises two series-connected 3-transducer DMS structures and additionally one parallel resonator each at input and output contains. It can be seen that the proposed filter is significantly improved in terms of both edge steepness and backbone suppression.
  • FIG. 8 again shows, with reference to two exemplary transfer curves S21, the effect of the separated masses on the filter behavior.
  • the transmission curves S21 of two filters are compared, namely a filter designed as shown in FIG. 4 (see curve a) with a similar filter in which the ground surfaces C2 and C4 of the middle metallization plane MM are directly connected to one another (see curve b).
  • curve a a filter designed as shown in FIG. 4
  • FIG. 9 also shows the advantage of separate grounding by comparing the transmission curve of a filter according to the invention (see curve a) with the transmission curve of a filter in which the ground connections corresponding to points C4 and C5 in the middle metallization level MM the first two parallel resonators are interconnected (see curve b). Again, the improvement in selection and, in particular, improved suppression of backbone, are evident.
  • FIG. 10 shows an effect which results from the electrical connection of the cover as proposed is effected.
  • the transmission curve a of a connected as in Figure 2 lid which is connected via an inner housing contact L3 and a via to the ground plane C2 and via the inner housing contacts Ll and L2 and one through-connection to the ground C4.
  • This filter is compared with a symmetrically connected cover, in which an equal number of plated-through holes is guided to the ground surfaces C2 and C4. (Curve b). It can be seen that the asymmetrical cover connection also achieves a positive effect with regard to selection and, in particular, counterband suppression.
  • FIG. 11 shows a resonator which is divided into two series-connected partial resonators TRI and TR2.
  • the finger arrangement in FIG. IIb is such that the phase of the acoustic wave coincides in the two partial resonators.
  • the phase of the acoustic wave in the two partial resonators is offset by 180 °.
  • a resonator divided into sub-resonators can be used as a series resonator and as a parallel resonator and improves the power compatibility of the corresponding resonators.
  • the proposed filter is not limited to the exemplary embodiments and can be varied depending on the number of available outer housing contacts within the scope of the invention.
  • the housing may be constructed from only one or from further dielectric layers and further metallization levels. Also with regard to the materials deviations from the proposed ones are possible.
  • the first sub-filter may also be arranged on a separate second substrate or constructed of other than SAW resonators, for example, resonators working with bulk acoustic waves BAW. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Gl to G5 inner body contacts for ground

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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

Es wird ein HF Filter vorgeschlagen mit einem ersten Teilfilter (TF1) , umfassend einen Serienresonator (S1) und zumindest zwei in je einem Parallelzweig angeordnete Parallelresonatoren (P1, P2) , einem als DMS Filter ausgebildeten zweiten Teilfilter (TF2) , einem Gehäuse mit einer Anzahl innerer Gehäusekontakte (GKi) auf einer Grundplatte, die mit Anschlussflächen auf dem Substrat (SU) verbunden sind, und mit einer demgegenüber geringeren Anzahl äußerer Gehäusekontakte (GKa) , die über innerhalb der Grundplatte geführte Leitungen (DL1, DL2) mit den inneren Gehäusekontakten (GKi) verbunden sind, mit zumindest zwei in oder auf der Grundplatte getrennt voneinander geführten Leitungen für Masseanschlüsse des ersten Parallelresonators (P1) und des zweiten Teilfilters (TF2) , die mit zumindest zwei unterschiedlichen äußeren Gehäusekontakten (E4, E2) verbunden sind.

Description

Beschreibung
HF-Filter mit verbesserter Gegenbandunterdrückung
HF-Filter werden insbesondere in Endgeräten der mobilen Kommunikation benötigt. Meist sind sie zum Einsatz in Mobilfunksystemen ausgelegt, die in unterschiedlichen aber nahe beieinander liegenden Frequenzbändern senden und empfangen. Die Empfangsfilter sind üblicherweise als Bandpass ausgebildet, deren Durchlassbereich zumindest der Bandbreite des RX-Bandes entspricht. Erforderlich ist dabei meist, dass die Frequenzen des dazugehörigen TX-Bandes unterdrückt werden.
Zur Herstellung von HF-Filtern sind unterschiedliche Technologien geeignet . Dielektrische Filter werden aus diskreten L- und C-Elementen hergestellt und benötigen eine Vielzahl diskreter Elemente, um die geforderten Filtereigenschaften bereitzustellen. Mikrowellenkeramikfilter sind kostengünstig herzustellen, haben eine niedrige Einfügedämpfung und sind aber für den Einbau in miniaturisierte Endgeräte üblicherweise zu groß. Gute elektrische Eigenschaften bieten Filter, die auf der Basis von Volumenwellenresonatoren oder von Ober- flächenwellenbauelementen aufgebaut sind. Besonders bevorzugt sind SAW oder Oberflächenwellenbauelemente, die sich durch eine geringe Größe und eine große Vielzahl bezüglich der einzustellenden elektrischen Parameter auszeichnen^
HF-Filter auf SAW-Basis können als DMS-Filter (Dual mode SAW) oder als Reaktanzfilter aus einer Vielzahl von Resonatoren aufgebaut sein, die in einem seriellen und dazu parallelen Zweigen in Form einer Laddertype-Anordnung oder einer Lattice-Anordnung miteinander verschaltet sind. Neben der geringen Größe und der einfachen Herstellbarkeit wird für ein HF-Filter eine gegebene Bandbreite gefordert, wobei das Passband zum Sperrbereich hin mit einer steilen Flanke abfallen soll. Die Einfügedämpfung im Durchlassbereich soll minimal sein, um die energetischen Verluste zu minimieren. Andererseits soll ein HF-Filter leistungsverträglich sein und selbst bei hoher Ein- oder Ausgangsleistung auf Dauer keine Beschädigungen der Elektrodenstrukturen aufweisen.
Zur Verbesserung der Gegenbandunterdrückung, bei einem RX- Filter beispielsweise zur Unterdrückung der TX-Frequenzen wurde bereits vorgeschlagen, ein Zweispur-Dreiwandler-DMS- Filter am Ein- und Ausgang mit Parallelresonatoren zu verschalten. Eine solche Struktur erweist sich jedoch als nicht ausreichend leistungsfest und weist eine relativ große Einfügedämpfung auf .
Ein reines Reaktanzfilter benötigt zum Erreichen einer ausreichenden Gegenbandunterdrückung eine zu große Anzahl aus Grundgliedern, wobei jedes Grundglied sich aus einem Serienresonator und einem Parallelresonator zusammensetzt. Mit zunehmender Anzahl an Grundgliedern verschlechtert sich jedoch die Einfügedämpfung solcher Filter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein HF- Filter anzugeben, das eine gute Gegenbandunterdrückung aufweist und diese mit anderen vorteilhaften Eigenschaften kombiniert .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein HF-Filter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen. Es wird ein HF-Filter vorgeschlagen, welches aus einem ersten und einem zweiten Teilfilter zusammengesetzt ist. Das erste Teilfilter ist als Reaktanzfilter ausgelegt und weist zumindest zwei Parallelresonatoren und einen Serienresonator auf. Das zweite Teilfilter ist als DMS-Filter ausgebildet und weist zumindest drei interdigitale Wandler auf. Zum Erzielen einer ausreichenden Gegenbandunterdrückung ist dieses Filter in ein speziell ausgelegtes Gehäuse eingebaut, in dem die Masseanschlüsse von erstem Parallelresonator und zweitem Teilfilter getrennt voneinander geführt und getrennten äußeren Gehäusekontakten zugeleitet werden.
Es zeigt sich, dass mit diesen getrennten Masseleitungen die galvanische Kopplung zwischen den unterschiedlichen Filterelementen reduziert wird, die andernfalls zu unerwünschten Signalen am Ausgang führt. Diese unerwünschten Signale können je nach ihrer Natur den Durchlassbereich beeinträchtigen, zu unerwünschten Peaks im Sperrband führen oder ganz allgemein das Nutzsignal mit zu unterdrückenden Signalen verfälschen.
Erstes und zweites Teilfilter können auf einem gemeinsamen piezoelektrischen Substrat aufgebaut und dort miteinander verschaltet sein. Das erste Teilfilter ist vorzugsweise mit dem Eingang verbunden. Dies hat den Vorteil, dass das leistungsfestere Reaktanzfilter als erstes Teilfilter einen Teil der Leistung des empfangenen Signals aufnimmt, sodass das zweite Teilfilter, also das DMS-Filter mit einem geringeren Signalpegel belastet wird. Insbesondere im Gegenband nimmt das Reaktanzfilter den größten Teil der Leistung auf. Damit wird das vorgeschlagene HF-Filter insgesamt leistungsverträglicher. Mit dem vorgeschlagenen Filter wird auch eine gute Gegenband- unterdrückung und eine hohe Flankensteilheit erreicht . Dabei wird die gute Nahbereichsunterdrückung eines Reaktanzfilters genutzt, die sich durch geeignete Frequenzlage der Pole, insbesondere durch geeignete Wahl der Resonanzfrequenz der Parallelresonatoren gut einstellen lässt. Eine gute Fernbereichsunterdrückung wird dagegen von dem DMS-Filter bereitgestellt. In Kombination der beiden Teilfilter werden die vorteilhaften Eigenschaften der unterschiedlichen Filtertypen im kombinierten HF-Filter addiert.
Das Gehäuse des Filters kann eine Grundplatte umfassen, die zumindest eine dielektrische Lage aufweist, die im Wesentlichen elektrisch nicht leitfähig ist. Bei mehreren dielektrischen Lagen kann jeweils zwischen zwei Lagen eine Metallisierungsebene angeordnet sein. In der Metallisierungsebene sind Leiterbahnen oder allgemein eine Verschaltung strukturiert. Über Durchkontaktierungen durch die dielektrischen Lagen sind die Leiterbahnen und Schaltungselemente der zumindest einen Metallisierungsebene mit inneren und äußeren Gehäusekontakten verbunden. Unter Durchkontaktierung ist dabei eine durch eine oder mehrere dielektrische Lagen führende und mit einem leitfähigen Material gefüllte oder zumindest leitfähig beschichtete Bohrung zu verstehen.
Die inneren Gehäusekontakte dienen zum Anschluss der Substratkontakte von erstem und zweitem Teilfilter, während die äußeren Gehäusekontakte zum Anschluss des Filters an eine äußere Schaltungsumgebung dienen. Vorzugsweise ist der Masseanschluss des ersten Parallelresonators, der dem Filtereingang am nächsten gelegen ist, separat und getrennt von anderen Leitungen durch das Gehäuse und insbesondere durch die Grundplatte geführt und direkt mit einem ersten äußeren Gehäusekontakt verbunden. Dadurch wird erreicht, dass galvanische Kopplungseffekte mit dem ersten Parallelzweig nur noch durch eventuelle Impedanzen in der äußeren Schaltungs- umgebung verursacht erden. Gewöhnlich sind die äußeren Masse- kontakte aber sehr gut an die Masse der Schaltungsumgebung angeschlossen, so dass galvanische Kopplungseffekte in Form von elektrischem Übersprechen minimiert sind.
Die Verbindung zwischen dem Masseanschluss des ersten Parallelresonators und dem ersten äußeren Gehäusekontakt ist geradlinig geführt und ausschließlich als Durchkontaktierung ausgebildet. Dies gewährleistet, dass bei einer gegebenen Dicke des Gehäuses beziehungsweise der Grundplatte des Gehäuses die mit dieser Leitung verbundene Induktivität minimiert ist. Dadurch wird eine Vergrößerung des PoI- Nullstellenabstands des Resonators vermieden und es kann eine größere Steilheit der linken Flanke erreicht werden. Auch die Dämpfung bei sehr hohen Frequenzen wird dadurch verbessert .. Diese bezüglich der galvanischen Kopplung optimierte Leitung durch die Grundplatte ist für den ersten Parallelzweig besonders vorteilhaft, da dessen hohe Leistungsaufnahme und damit hoher Stromfluss, bedingt durch die Lage am Filtereingang auch ein hohes Potenzial für Kopplungen mit anderen Leitungen und Metallisierungen aufweist.
Vorteilhaft ist es außerdem, den Masseanschluss des zweiten Parallelresonators getrennt von anderen Durchleitungen durch das Gehäuse zu führen und mit einem äußeren Gehäusekontakt, beispielsweise dem Gehäusekontakt des ersten Parallel - resonators zu verbinden. Damit erfolgt eine Verbindung der beiden Massenanschlüsse des ersten und zweiten Parallelresonators erst auf der Ebene des äußeren Gehäusekontakts, der in der Regel eine gute Masse darstellt, oder mit einer guten Masse verbunden ist, sodass allein aus diesem Grund die galvanische Kopplung zwischen den beiden Masseleitungen minimiert ist .
Zur weiteren Verbesserung der Gegenbandunterdrückung kann ein zweiter Serienresonator und in einem dritten Parallelzweig ein dritter Parallelresonator vorgesehen werden. Der Massean- schluss des dritten Parallelresonators ist vorzugsweise mit einem zweiten äußeren Gehäusekontakt verbunden, der nicht mit dem ersten Gehäusekontakt identisch ist.
Damit wird die Kopplung von erstem und drittem Parallelzweig beziehungsweise von deren Masseanschlüssen vermindert .
Eine geeignete Filterfunktion wird erzielt, wenn das zweite Teilfilter eine DMS-Spur mit fünf Wandlern aufweist. Alternativ ist es auch möglich, das zweite Teilfilter mit zwei elektrisch parallel geschalteten DMS-Spuren mit je drei Wandlern auszuführen. Dadurch werden die Verlusteigenschaften gegenüber einer Einspur-Dreiwandler-DMS-Anordnung weiter verbessert .
Zur Leistungsverbesserung des Reaktanzfilters wird vorgeschlagen, zumindest den ersten Serienresonator, vorzugsweise auch den ersten Parallelresonator und gegebenenfalls weitere Serienresonatoren zu kaskadieren, das heißt in zwei in Serie geschaltete Teilresonatoren aufzuspalten. Um die Impedanz eines kaskadierten Resonators beizubehalten, muss im Gegenzug die Resonatorfläche vergrößert werden, was für den gesamten Resonator zum Beispiel bei einer Zweierkaskade eine Vervierfachung der Resonatorfläche gegenüber einem ungesplitteten Resonator bedeutet. Dies kann durch eine Erhöhung der Fingeranzahl und/oder eine Vergrößerung der Apertur erzielt werden. Zusammen mit der nun geringen Spannung, die an jedem der in Serie geschalteten Teilresonatoren anliegt, ergibt dies eine deutliche Verbesserung der Leistungsverträglichkeit des kaskadierten Resonators .
Das HF-Filter kann einen unsymmetrischen Eingang und einen unsymmetrischen Ausgang aufweisen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn das Gehäuse vier äußere Gehäusekontakte aufweist. Wird dagegen der Ausgang symmetrisch geschaltet, so ist ein weiterer Gehäusekontakt erforderlich, sodass zumindest fünf äußere Gehäusekontakte vorliegen müssen. Möglich ist es jedoch stets, eine größere Anzahl von äußeren Gehäusekontakten vorzusehen, die bezüglich ihres Platzbedarfs und des erhöhten Schaltungsaufwands beim Verbinden des Filters mit einer äußeren Schaltungsumgebung in der Regel jedoch nachteilig sind. Ohne großen zusätzlichen Aufwand kann jedoch eine ungerade Anzahl an äußeren Gehäusekontakte um eins auf die nächste gerade Anzahl erhöht werden.
Um Beschädigungen des Filters durch einen Überschlag von aufgrund des pyroelektrischen Effekts entstehender elektrischer Ladungen zu vermeiden ist es sinnvoll, die auf der Grundplatte getrennten Massen auf dem Substrat hochohmig (beispielsweise mit zumindest einem Kiloohm) zu verbinden. Dies kann zum Beispiel durch metallische mäanderförmige Strukturen auf der Substratoberfläche realisiert werden. Durch eine solch hochohmige Verbindung wird das Übersprechen und damit die Gegenbandunterdrückung nicht beeinflusst .
Eine verbesserte Flankensteilheit kann erzielt werden, wenn im zweiten Teilfilter die einander benachbarten endständigen Elektrodenfinger von unterschiedlichen Wandlern beide heiß oder beide kalt angeschlossen werden. Dies bedeutet, dass die beiden benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler entweder beide mit einer Signalleitung oder beide mit einem Masseanschluss zu verbinden sind.
Ein bezüglich der Abschirmung und Dichtigkeit verbessertes Gehäuse wird erhalten, wenn das Substrat mit den Teilfiltern im Gehäuse zwischen der Grundplatte und einem Deckel angeordnet wird, bei dem der Deckel zumindest eine elektrisch leitende Schicht umfasst . Zur Verbesserung der Abschirmung ist der Deckel elektrisch leitend mit der Masseanbindung innerhalb der Grundplatte und weiter mit einem Masseanschluss des Filters beziehungsweise mit einem mit Masse verbundenem äußeren Gehäusekontakt des HF-Filters verbunden. Der elektrisch leitende Deckel des Gehäuses kann über mehrere Punkte mit der Masseanbindung innerhalb oder auf der Grundplatte verbunden sein. So können über den Deckel unterschiedliche Masseanschlüsse des Filters miteinander verbunden sein, die in der Grundplatte oder auf dem Substrat getrennt sind. Vorzugsweise ist der Deckel unsymmetrisch an die Verschaltung angeschlossen. Vorteilhaft ist eine eingangsseitige verbesserte Masseanbindung des Deckels, die über mehr parallel geführte und geschaltete Durchkontaktierungen als die Ausgangsseite vorgenommen ist.
Üblicherweise übersteigt die Anzahl der auf dem Substrat vorliegenden Masseanschlüsse für die beiden Teilfilter die Anzahl der äußeren Gehäusekontakte. Daher wird vorgeschlagen, im Inneren des Gehäuses und insbesondere im Inneren der Grundplatte zumindest zwei elektrisch gegeneinander isolierte innere Masseflächen vorzusehen, die jeweils mehrere Masseanschlüsse von erstem und zweitem Teilfilter miteinander verbinden. Die inneren Masseflächen wiederum sind über Durchkon- taktierungen mit den äußeren Gehäusekontakten verbunden. Dabei ist es möglich, mehrere Durchkontaktierungen zum Anschluss der inneren Masseflächen an die äußeren Gehäusekontakte zu verwenden, wodurch die im gemeinsamen Massezweig liegende Induktivität reduziert wird. Dies verringert die galvanische Verkopplung der so verbundenen Massezweige und verbessert somit das Selektionsverhalten des Filters.
Eine weitere Verbesserung des Passbandes und insbesondere eine steilere linke Flanke kann erhalten werden, wenn parallel zu den Parallelresonatoren Kapazitäten geschaltet werden. Solche Parallelkapazitäten sind bekannt dafür, den Pol-Nullstellenabstand der Resonatoren zu verringern und somit die Flankensteilheit zu verbessern. Diese können vorteilhaft in Form metallischer Strukturen auf der Substratoberfläche realisiert werden. Möglich ist es beispielsweise, die Kapazitäten als Interdigitalstrukturen auszubilden. Um zu erreichen, dass diese Interdigitalstrukturen möglichst als reine Kapazität wirken und keine Verluste in Form von abgestrahlten Wellen erzeugen, ist es vorteilhaft, für diese eine Fingerperiode zu wählen, die deutlich kleiner ist als die Fingerperiode der Wandler von erstem und zweiten Teilfilter.
Eine weitere Möglichkeit, die Abstrahlung von akustischen Wellen aus dem als Interdigitalstruktur realisierten Kapazitäten zu verhindern besteht darin, die Interdigitalstruktur zu drehen und entlang einer Kristallachse des Substrats auszurichten, in dem keine Wellen angeregt werden. Wird beispielsweise ein Substrat aus Lithiumtantalat (LT) verwendet, so kann dies mit einer Drehung um 90 Grad erreicht werden. Die Kapazitäten können jedoch auch mithilfe anders gestalteter metallischer Strukturen realisiert werden. Im Folgenden wird das vorgeschlagene HF-Filter anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Diese sind rein schematisch und daher nicht maßstabsgetreu ausgeführt .
Es zeigen:
Figur 1 eine erste mögliche Elektrodenstruktur für erstes und zweites Teilfilter,
Figur 2 zeigt drei Metallisierungsebenen einer zweilagigen Grundplatte,
Figur 3 verschiedene schematische Querschnitte durch Gehäuse mit ein- und zweilagigen Grundplatten,
Figur 4 ein Ersatzschaltbild einer möglichen Verschaltung der Filterelemente,
Figur 5 eine zweite Elektrodenstruktur für erstes und zweites Teilfilter,
Figur 6 verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung paralleler Kapazitäten,
Figur 7 die Übertragungskurve eines erfindungsgemäßen Filters im Vergleich mit dem Stand der Technik,
Figuren 8 und 9 vergleichen die Übertragungskurve vorgeschlagener Filter mit Teststrukturen, bei denen innere Massen im Gehäuse miteinander verbunden sind, Figur 10 den Effekt einer symmetrischen Anbindung des Gehäusedeckels im Vergleich zu einer unsymmetrischen Anbindung,
Figur 11 zwei Möglichkeiten, einen Resonator in zwei Teilresonatoren aufzusplitten.
Vorteilhafte Topologien für das erste Teilfilter bestehen aus drei bis fünf Grundgliedern, die vom Filtereingang her gesehen in einer Resonatorreihenfolge PSPSP beziehungsweise PSPSPS realisiert werden können, wobei P für einen Parallelresonator und S für einen Serienresonator steht. Figur 1 zeigt die Metallisierungsstruktur auf dem piezoelektrischen Substrat für erstes und zweites Teilfilter, wobei für das erste Teilfilter sechs Resonatoren S, P verwendet werden, die in der Reihenfolge PSPSPS geschaltet sind und fünf Grundglieder bilden. Der erste Parallelresonator Pl ist in einem ersten Parallelzweig angeordnet, der direkt mit dem Eingang IN verbunden ist. Ebenfalls direkt mit dem Eingang IN verbunden ist der erste Serienresonator Sl. Zwischen je zwei Serienresonatoren ist ein Parallelzweig mit einem Parallelresonator angeordnet. Der im ersten Teilfilter endständige dritte Serienresonator S3 ist mit dem Eingang des zweiten Teilfilters verbunden.
Das zweite Teilfilter TF2 besteht aus fünf Interdigitalwand- lern, wobei drei Wandler mit der Eingangsseite beziehungsweise mit dem Ausgang des ersten Teilfilters und zwei Wandler mit dem Ausgang OUT verbunden sind. Mit dem Ein- und Ausgang verbundene Wandler sind alternierend angeordnet. Die Fingeranordnung der einzelnen Wandler ist im zweiten Teilfilter TF2 bei Single-Ended-Betrieb, also bei beidseitig unsymmetrischer Betriebsweise so ausgebildet, dass ein endständiger Elektro- denfinger eines Eingangswandlers und der direkt benachbarte endständige Elektrodenfinger eines Ausgangswandlers hier jeweils auf heißem Potenzial angeordnet sind. Jeder Wandler besteht aus zwei ineinander greifenden kammartigen Elektrodenstrukturen, auch Interdigitalstruktur genannt. Jeweils mehrere von Elektrodenfinger sind an eine gemeinsame Sammelschiene (Busbar) angeschlossen. Während ein Busbar mit dem Signal beaufschlagt ist, ist der andere Busbar desselben Wandlers jeweils mit einem Masseanschluss MA verbunden. Im zweiten Teilfilter TF2 sind die drei Eingangswandler parallel geschaltet und mit ihren heißen Busbars mit dem Ausgang des dritten Serienresonators verbunden. Ebenso sind die beiden heißen Busbars der beiden parallel geschalteten Ausgangswandler mit dem Ausgang OUT verbunden. Das dargestellte Filter ist also beidseitig unsymmetrisch zu betreiben, sodass ein- und ausgangsseitig nur eine signalführende Leitung benötigt wird. Grundsätzlich ist es hier ebenso wie bei praktisch allen HF Filtern möglich, Ein- und Ausgang des Filters zu vertauschen.
An weiteren Anschlüssen hat das erste Teilfilter TFl je einen Masseanschluss für jeden der drei Parallelresonatoren, während das zweite Teilfilter TF2 je einen Masseanschluss für jeden der fünf Wandler aufweist. Dies bedeutet in der Summe acht Masseanschlüsse, einen Eingang und einen Ausgang, die auf der Oberfläche des Substrats als Anschlusspads oder als lötbare metallisierte Flächen ausgebildet sind.
Figur 2 zeigt in schematischer Ausführung eine mögliche Ausgestaltung einer innerhalb des Gehäuses zu realisierenden Verschaltung anhand von drei Metallisierungsebenen. Figur 2a zeigt die Oberfläche der Grundplatte GP des Gehäuses, die eine der Anzahl der Anschlüsse des Filters entsprechende Anzahl von inneren Gehäusekontakten GK1 aufweist. Bezogen auf das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel wären dies zehn Kontakte. Im gewählten Ausführungsbeispiel werden jedoch die drei in der Figur 1 unten dargestellten Masseanschlüsse MA bereits auf dem Substrat miteinander verbunden. Dafür werden die beiden mit den Ausgangswandlern verbundenen Anschlüsse getrennt zu den inneren Gehäusekontakten GKi geführt, so- dass neun innere Gehäusekontakte zum Anbinden der Anschlüsse auf dem Substrat erforderlich sind. In der Figur 2a ist ein zehnter Anschluss dargestellt, der allein aus Symmetriegründen eingeführt ist und der Stabilität des Gehäuses dient . Weiter sind auf der Oberfläche der in Figur 2a dargestellten Grundplatte Deckelkontaktanschlussflachen DK angeordnet, die elektrisch sowohl mit dem Gehäusedeckel als auch mit den Masseanbindungen im inneren der Grundplatte verbunden sind. Dementsprechend sind diese Deckelkontaktanschlussflachen außerhalb der für das Substrat SU vorgesehenen Fläche angeordnet, die in Figur 2a durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist .
Figur 2b zeigt die Metallisierung der mittleren Metallisierungsebene, die durch eine dielektrische Lage DLl von der in Figur 2a und durch eine weitere dielektrische Lage DL2 von der in Figur 2c dargestellten Metallisierungsebene getrennt ist. Die dielektrischen Lagen sind vorzugsweise aus Keramik, können jedoch aus anderen Materialien und insbesondere Kunststoffmaterial oder Glas bestehen. In der mittleren Metallisierungsebene gemäß Figur 2b sind zwei Masseflächen C2 und C4 vorgesehen. Die Durchkontaktierungen zur oberen Metallisierungsebene sind durch Kreuze gekennzeichnet. Dementsprechend ergibt sich, dass die Massefläche C2 mit fünf inneren Gehäusekontakten der oberen Metallisierungsebene und dementsprechend mit fünf Masseanschlüssen des Filters verbunden ist. Des weiteren ist die innere Massefläche C2 mit einem Deckelkontaktanschluss L3 auf der ersten Metallisierungsebene verbunden. Die zweite Massefläche C4 ist mit nur einem inneren Gehäusekontakt (G2) für einen Masseanschluss sowie mit zwei Deckelkontaktanschlüssen Ll, L2 verbunden. Eine Leiterbahnstruktur C3 stellt eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen der Ausgangswandler des zweiten Teilfilters TF2 dar. Eine weitere dagegen isolierte Leiterbahn Cl ist mit dem für den Eingang IN vorgesehenen inneren Gehäusekontakt Il verbunden. Ein weiterer Kontakt C5 der mittleren Metallisierungsebene ist mit einem für einen Masseanschluss Gl vorgesehenen inneren Gehäusekontakt verbunden.
Figur 2c zeigt die untere Metallisierungsebene, die von vier äußeren Gehäusekontakten GKa gebildet ist. Die Durchkontak- tierungen zur mittleren Metallisierungsebene sind wiederum durch Kreuze gekennzeichnet . Daraus ergibt sich, dass der erste äußere Gehäusekontakt El über eine Durchkontaktierung mit der Leiterbahn Cl und diese über eine Durchkontaktierung mit dem Eingang des ersten Teilfilters verbunden ist. Ein dritter äußerer Gehäusekontakt E3 ist über eine Durchkontak- tierung mit der Leiterbahn C3 und diese wiederum mit den beiden Anschlüssen der beiden Ausgangswandler des zweiten Teilfilters verbunden. Die innere Massefläche C2 ist über drei Durchkontaktierungen mit dem zweiten äußeren Gehäusekontakt E2 verbunden. Der vierte äußere Gehäusekontakt E4 ist über zwei Durchkontaktierungen mit der inneren Massefläche C4 und über eine Durchkontaktierung mit dem Anschluss C5 auf der mittleren Metallisierungsebene verbunden.
Figur 3A zeigt einen Querschnitt entlang der in Figur 2 angedeuteten Schnittlinie A-A' durch Grundplatte, Substrat und Deckel des Gehäuses. Aus der Figur geht hervor, dass das Substrat SU über hier als Bumps BU ausgeführte Lötverbindungen mit den inneren Gehäusekontakten auf der Oberfläche der Grundplatte GP verbunden ist. Ebenfalls auf der Grundplatte GP sitzt der Gehäusedeckel D auf, der das Substrat SU unter sich abdeckt. Beispielsweise ist der Gehäusedeckel D als metallisierte Folie ausgebildet, die über das Substrat auf die Oberfläche der Grundplatte GP laminiert ist. Der Deckel D kann jedoch auch starr ausgeführt und auf der Grundplatte aufgesetzt sein. Möglich ist es auch, den Zwischenraum zwischen Substrat SU und Oberfläche der Grundplatte GP am Rand des Substrats zu verschließen und den Deckel durch direkte Metallisierung der Oberflächen herzustellen.
Entsprechend dem in Figur 2 dargestellten Metallisierungsmuster umfasst die Grundplatte GP hier eine erste und zweite dielektrische Lage DLl, DL2 mit einer ersten Metallisierungsebene auf der Oberfläche der Grundplatte, einer zweiten Metallisierungsebene zwischen erster und zweiter dielektrischer Lage und einer dritten Metallisierungsebene auf der Unterseite. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Metallisierungsebenen werden über Durchkontaktierungen hergestellt, die beispielsweise als metallisierte Löcher durch die dielektrischen Lagen ausgeführt sind. Die Metallisierung innerhalb der Durchkontaktierung kann die Bohrungen verschließen oder auch nur die Ränder der entsprechenden Bohrungen bedecken.
Die Metallisierungen der Metallisierungsebenen sind beispielsweise aufgedruckt oder in einem Dünn- oder Dickschicht- verfahren hergestellt.
Möglich ist es auch, die Metallisierungen durch eine Kombination von Dünn- und Dickschichttechniken auszuführen. Beispielsweise kann eine Grundmetallisierung strukturiert aufgebracht und galvanisch verstärkt werden.
Aus der Figur 3A geht auch hervor, dass der innere Gehäuse- kontakt Gl, der mit dem Masseanschluss des ersten Parallel - resonators Pl verbunden ist, durch zwei übereinander angeordnete Durchkontaktierungen durch die beiden keramischen Lagen direkt mit dem äußeren Gehäusekontakt E4 verbunden ist. Die inneren Gehäusekontakte G2 und Jl, die mit Metallisierungen C4 und Cl in der zweiten Metallisierungsebene verbunden sind, sind erst in der Ebene versetzt mit entsprechenden äußeren Gehäusekontakten verbunden. Der metallisierte Deckel ist mit eine Deckelkontaktanschlussflache L2 über eine Durchkontak- tierung mit der Metallisierungsfläche C4 der mittleren Metallisierungsebene und über eine weitere Durchkontaktierung mit dem äußeren Gehäusekontakt E4 verbunden.
Figur 3B zeigt im schematischen Querschnitt ein Filter, bei dem das Substrat SU in ein Gehäuse, bestehend aus einer Grundplatte GP und einem Deckel D eingeklebt und mit Bonddrahtverbindungen kontaktiert ist. Die Durchkontak- tierungen zu den äußeren Gehäusekontakten sind in der Figur nicht dargestellt.
Figur 3C zeigt im schematischen Querschnitt ein Filter, bei dem in ein Gehäuseunterteil aus einer einlagigen Grundplatte GP und einem Rahmen gebildet wird, auf dem das Substrat SU als Deckel aufsitzt. Die Verbindungen des Substrats SU zu den inneren Gehäusekontakten sind z.B. über metallische Strukturen, insbesondere über Bumps möglich.
Figur 4 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des Filters inklusive der in der Grundplatte vorgesehenen Verbindungen und ihrer parasitären Induktivitäten (Durchführungsinduktivi- täten) . In der Figur sind die verschiedenen Filterelemente nach dem Ort bzw. ihrer Herkunft getrennt. Unterschieden werden daher von oben nach unten die Ebene der Filterstrukturen auf dem Substrat, die Ebene der inneren Gehäusekontakte, die Ebene der ersten dielektrischen Lage DLl, die sich nur in Form von Durchführungsinduktivitäten bemerkbar macht, die mittlere Metallisierungsebene MM, die zweite dielektrische Lage DL2 mit ihren Durchführungsinduktivitäten und schließlich die Ebene der äußeren Gehäusekontakte GKa. Die Induktivitäten auf dem Substrat sind vernachlässigt. In der obersten Metallisierungsebene finden sich die inneren Gehäusekontakte GK1, wobei der Kontakt Il mit dem Eingang, Gl mit dem ersten Parallelresonator Pl, G2 mit dem zweiten Parallelresonator P2 , G3 mit dem dritten Parallelresonator P3 verbunden ist. Die Massekontakte des zweiten Teilfilters TF2 auf der Seite der Ausgangsanschlüsse sind bereits auf der Ebene der Substratmetallisierung SM miteinander und mit einem einzigen inneren Gehäusekontakt G7 verbunden. Mit den Gehäusekontakten G4 und G5 sind die übrigen beiden Masseanschlüsse des zweiten Teilfilters verbunden. Die beiden Ausgänge sind mit Gehäusekontakten Ol und 02 verbunden.
Aus der Figur ist gut zu erkennen, dass die Masseanschlüsse der ersten beiden Parallelresonatoren Pl und P2 getrennt voneinander durch die Grundplatte des Gehäuses geführt und erst auf der untersten Metallisierungsebene mit dem äußeren Gehäusekontakt E4 verbunden sind. Dadurch sind die beiden Parallelresonatoren gut voneinander entkoppelt. Die beiden Ausgänge des zweiten Teilfilters werden getrennt voneinander bis zur mittleren Metallisierungsebene MM geführt und erst dort über die Metallisierung C3 verbunden. Die Masseanschlüsse des dritten Parallelresonators sowie sämtliche Massean- Schlüsse des zweiten Teilfilters werden mit der Metallisierungsfläche C2 auf der mittleren Metallisierungsebene MM verbunden und von dort aus über drei parallele Durchkontak- tierungen mit dem äußeren Gehäusekontakt E2 , der einen Masseanschluss darstellt, verbunden.
Das in Figur 4 dargestellte Masseanbindungsschema ist auf das gewählte und in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel optimiert und zeigt bezüglich Selektion und Gegenbandunterdrückung optimale Eigenschaften. Stehen mehr äußere Gehäusekontakte zur Verfügung, so ist es möglich, zusätzlich die Masseanschlüsse für ersten und zweiten Parallelresonator zu trennen und getrennten äußeren Gehäusekontakten zuzuführen. Im nächsten Schritt könnte noch der Massekontakt für den dritten Parallelresonator einen eigenen äußeren Gehäusekontakt zugeleitet werden. Auch eine Auftrennung der Masseanschlüsse des zweiten Teilfilters bezüglich der Ein- und Ausgangswandler würde Selektion und Gegenbandunterdrückung weiter verbessern.
Das Gehäuse beziehungsweise die hier als Mehrlagenaufbau realisierte Grundplatte ist dahingehend optimiert, dass die Durchführungsinduktivitäten minimal sind. Dies wird insbesondere mit kurzen Durchkontaktierungen beziehungsweise mit einer geringen Dicke der dielektrischen Lagen erreicht, aber auch über parallel geschaltete Durchführungen. Weiter lässt sich die Induktivität noch über die geometrische Ausgestaltung der Durchkontaktierung beeinflussen. Mit geringen Induktivitätswerten der Durchkontaktierungen wird ein Passband mit steilen Flanken erzielt. Werden mehrere Masseanschlüsse auf der mittleren Metallisierungsebene MM vereinigt und mittels einer einzigen Durchkontaktierung einem äußeren Gehäusekontakt zugeführt, beispielsweise der Durchkontak- tierung, die die innere Metallfläche C2 mit dem Gehäusekontakt E2 verbindet, so ist diese letzte gemeinsame Durchkontaktierung bezüglich ihres Induktivitätswertes besonders kritisch und beeinflusst die Verkopplung der Masseanschlüsse besonders stark. Es kann daher sinnvoll sein, die zweite dielektrische Lage dünner zu gestalten als die erste dielektrische Lage.
In einer Variation des in Figur 4 dargestellten beispielhaften Filters ist es möglich, die mit den inneren Gehäusekontakten G3 und G7 verbundenen Masseanschlüsse bereits auf dem Substrat miteinander zu verbinden, wobei sich sogar eine etwas höhere Selektion ergibt. In der Figur 4 nicht dargestellt ist die Anbindung des Gehäusedeckels D, über den die Masseflächen C2 und C4 indirekt verbunden sind. Weil sowohl C2 als auch C4 direkt mit den guten Massen E2 und E4 verbunden sind, ist der Einfluss des Deckels zwar minimiert, aber immer noch deutliche vorhanden, wie später Figur 10 zeigt.
Im Ersatzschaltbild auch nicht dargestellt sind hochohmige Verbindungen, mit denen die Gehäusekontakte Gl, G2 , G7 und G3 beziehungsweise die mit ihnen verbundenen Anschlüsse auf dem Substrat miteinander verbunden werden, um durch das pyroelek- trische Verhalten des Substrats entstehende Ladungen unschädlich für das Bauelement abzuleiten. Diese können insbesondere bei Temperaturänderungen auftreten und bei Überschlägen die Metallisierungsstruktur oder das Substrat beschädigen oder gar zerstören.
In Figur 5 ist das in Figur 1 dargestellte Metallisierungsschema für die beiden Teilfilter dahingehend variiert, dass nun ein symmetrischer Betrieb am Ausgang ermöglicht wird. Dazu ist die Elektrodenstruktur des einen (rechten) Ausgangs- wandlers im Vergleich zum anderen Ausgangswandler gespiegelt, sodass an den beiden Ausgangsanschlüssen nun zwei um 180 Grad unterschiedliche beziehungsweise phasenverschobene Signale erhalten werden. Für das zusätzliche Signal ist daher ein zusätzlicher äußerer Gehäusekontakt erforderlich. In Abwandlung von der in Figur 4 dargestellten Verschaltung werden bei einem am Ausgang symmetrisch betriebenen Filter die beiden Ausgangsanschlüsse getrennt voneinander durch die Grundplatte geführt und mit getrennten äußeren Gehäuse- kontakten verbunden. Entsprechend erhöht sich die Anzahl der minimal erforderlichen äußeren Gehäusekontakte auf fünf.
Figur 6 zeigt parallel zu den Parallelresonatoren geschaltete Kapazitäten, mit denen sich die Flankensteilheit des Filters verbessern lässt, und zwar insbesondere die linke Flanke des Passbands. Die Kapazitäten werden günstigerweise auf der Substratoberfläche in Form von Anschlussflächen oder als Interdigitalstrukturen realisiert. Figur 6a zeigt eine solche Kapazität im schematischen Ersatzschaltbild. Figur 6b zeigt eine Ausgestaltung als einander benachbarte Metallisierungsflächen, zwischen denen sich die Kapazität CA ausbilden kann. Figur 6c zeigt eine als Interdigitalstruktur ausgebildete Kapazität, die eine geringere Fingerperiode als der Wandler des Parallelresonators aufweist. Figur 6d zeigt ebenfalls eine Interdigitalstruktur, die in der Ausrichtung auf dem Substrat gegenüber der Ausrichtung des Parallelresonators um 90 Grad gedreht ist. Zusätzlich kann die Fingerperiode noch kleiner als die des Interdigitalwandlers sein. Mit parallel zu Serienresonatoren geschalteten Kapazitäten CA kann auch die Steilheit der rechten Flanke des Passbands verbessert werden . Figur 7 zeigt eine mit einem erfindungsgemäßen Filter erhaltene Übertragungsfunktion S21 (siehe Kurve a) im Vergleich mit der Übertragungsfunktion eines Filters nach dem Stand der Technik (Kurve b) , welches zwei in Serie geschaltete 3- Wandler DMS Strukturen und zusätzlich je einen Parallel - resonator an Ein- und Ausgang enthält. Es zeigt sich, dass das vorgeschlagene Filter sowohl bezüglich der Flankensteilheit als auch bezüglich Gegenbandunterdrückung deutlich verbessert ist.
In Figur 8 ist anhand zweier beispielhafter Übertragungskurven S21 noch einmal dargestellt, welchen Effekt die getrennten Massen auf das Filterverhalten zeigen. Es werden die Durchlasskurven S21 von zwei Filtern verglichen, und zwar eines wie vorgeschlagen nach Figur 4 ausgebildetes Filter (siehe Kurve a) mit einem ähnlichen Filter, bei dem die Masseflächen C2 und C4 der mittleren Metallisierungsebene MM direkt miteinander verbunden sind (siehe Kurve b) . Klar zeigt sich der deutliche Effekt bezüglich der Flankensteilheit (der linken Flanke) und der Gegenbandunterdrückung.
Auch die Figur 9 zeigt den Vorteil der getrennten Masseführung, indem dort die Durchlasskurve eines erfindungsgemäß gemäß Figur 4 ausgebildeten Filters (siehe Kurve a) mit der Durchlasskurve eines Filters verglichen wird, bei dem in der mittleren Metallisierungsebene MM die den Punkten C4 und C5 entsprechenden Masseanschlüssen der ersten beiden Parallel- resonatoren miteinander verbunden sind (siehe Kurve b) . Auch hier zeigt sich die Verbesserung der Selektion und insbesondere die verbesserte Gegenbandunterdrückung.
In Figur 10 ist ein Effekt dargestellt, der durch die wie vorgeschlagen vorgenommene elektrische Anbindung des Deckels bewirkt wird. Verglichen wird hier die Durchlasskurve a eines wie in Figur 2 angebundenen Deckels, der über einen inneren Gehäusekontakt L3 und eine Durchkontaktierung mit der Masse- fläche C2 sowie über die inneren Gehäusekontakte Ll und L2 und jeweils eine Durchkontaktierung mit der Masse C4 verbunden ist. Verglichen wird dieses Filter mit einem symmetrisch angebundenen Deckel, bei dem eine gleiche Anzahl von Durchkontaktierungen zu den Masseflächen C2 und C4 geführt ist. (Kurve b) . Es zeigt sich, dass mit der unsymmetrischen Deckelanbindung ebenfalls ein positiver Effekt bezüglich Selektion und insbesondere Gegenbandunterdrückung erzielt wird.
Figur 11 zeigt einen Resonator, der in zwei in Serie geschaltete Teilresonatoren TRI und TR2 aufgeteilt ist. Die Fingeranordnung ist in Figur IIb so, dass in den beiden Teilresonatoren die Phase der akustischen Welle übereinstimmt. In Figur IIa dagegen ist die Phase der akustischen Welle in den beiden Teilresonatoren um 180° versetzt. Ein in Teilresonatoren aufgeteilter Resonator kann als Serien- und als Parallelresonator eingesetzt werden und verbessert die Leistungsverträglichkeit der entsprechenden Resonatoren.
Das vorgeschlagene Filter ist nicht auf die Ausführungs- beispiele beschränkt und kann in Abhängigkeit von der Zahl der zur Verfügung stehenden äußeren Gehäusekontakte im Rahmen der Erfindung variiert werden. Das Gehäuse kann aus nur einer oder auch aus weiteren dielektrischen Lagen und weiteren Metallisierungsebenen aufgebaut sein. Auch bezüglich der Materialien sind Abweichungen von den vorgeschlagenen möglich. Das erste Teilfilter kann auch auf einem getrennten zweiten Substrat angeordnet sein oder aus anderen als SAW Resonatoren aufgebaut sein, beispielsweise aus mit akustischen Volumenwellen BAW arbeitenden Resonatoren. Bezugszeichenliste
SU Substrat
TFl erstes Teilfilter
Sl, S2, S3 Serienresonator
Pl, P2, P3 Parallelresonator
TF2 zweites Teilfilter
GKi innerer Gehäusekontakt
GKa äußerer Gehäusekontakt
GP Grundplatte
DLl, DL2 dielektrische Lage
TRI, TR2 Teilresonator
D Deckel
Gl bis G5 innere Gehäusekontakte für Masse
Ll, L2 , L3 Deckelkontaktanschlussflachen
I innere Gehäusekontakte für Eingang
O innere Gehäusekontakte für Ausgang
Cl bis C5 inner Metallisierungsflächen
MM Mittlere Metallisierungsebene
CA Kapazität
MA Masseanschluss
El bis E4 äußere Gehäusekontakte
VI Durchkontaktierung
BU Bump
IN Eingang
OUT Ausgang

Claims

Patentansprüche
1 . HF Filter
- mit zumindest einem Substrat (SU) ,
- mit einem darauf angeordneten ersten Teilfilter
(TFl) , umfassend einen Serienresonator (S) und zwei in je einem Parallelzweig angeordnete Parallelresonatoren (P) ,
- mit einem als DMS Filter ausgebildeten zweiten Teilfilter (TF2) ,
- mit einem Gehäuse, umfassend eine Grundplatte (GP) mit zumindest einer dielektrischen oder nichtleitenden Lage (DL) , eine Anzahl innerer Gehäusekontakte (I, G, O) auf der Grundplatte, die mit Anschlussflächen auf dem Substrat verbunden sind, und mit einer demgegenüber geringeren Anzahl äußerer Gehäusekontakte (GKa) auf der Unterseite der Grundplatte, die über innerhalb des Gehäuses geführte Leitungen mit den inneren Gehäusekontakten verbunden sind,
- mit zumindest zwei in oder auf der Grundplatte getrennt voneinander geführten Leitungen für Masseanschlüsse des ersten Parallelresonators und des zweiten Teilfilters, die mit zumindest zwei unterschiedlichen äußeren Gehäusekontakten verbunden sind.
2. Filter nach Anspruch 1, bei dem die Grundplatte (GP) zumindest zwei dielektrische Lagen (DLl, DL2) und eine dazwischen angeordnete zu einer Verschaltung strukturierte Metallisierungsebene aufweist, die über Durchkontaktierungen (VI) mit den inneren (GKi) und äußeren Gehäusekontakten (GKa) verbunden ist .
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Masseanschluss des ersten Parallelresonators (Pl) über Durchkontaktierungen direkt ohne weitere Verschaltung mit dem ersten äußeren Gehäusekontakt (E4) verbunden ist .
4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Masseanschlüsse des ersten und zweiten Parallelresonators (Pl, P2) getrennt voneinander geführt werden und beide mit dem ersten äußeren Gehäusekontakt (E4) verbunden sind.
5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein zweiter Serienresonator (S2) und in einem dritten Parallelzweig ein dritter Parallelresonator (P3) vorgesehen sind, bei dem der Masseanschluss des dritten Parallelresonators mit dem zweiten äußeren Gehäusekontakt verbunden ist .
6. Filter nach Anspruch 4, bei dem zusätzlich ein dritter Serienresonator (S3) zwischen dem zweiten Serienresonator (S2)und dem DMS Filter (DMS) vorgesehen ist.
7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das DMS Filter (DMS) eine Spur mit fünf Wandlern oder zwei parallel geschaltete Spuren mit je drei Wandlern umfasst .
8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zumindest der erste oder der erste und der zweite Serienresonator (S) kaskadiert sind, so dass er in zwei in Serie geschaltete Teilresonatoren (TR1,TR2) aufgeteilt ist.
9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest der erste oder der erste und der zweite Parallelresonator (P) kaskadiert sind, so dass er in zwei in Serie geschaltete Teilresonatoren (TR1,TR2) aufgeteilt ist.
10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das erste Teilfilter (TFl) einen unsymmetrischen Eingang und das zweite Teilfilter (TF2) einen unsymmetrischen Ausgang aufweist, bei dem das Gehäuse vier oder fünf äußere Gehäusekontakte (GKa) aufweist .
11. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das erste Teilfilter (TFl) inen unsymmetrischen Eingang und das zweite Teilfilter (TF2) einen symmetrischen Ausgang aufweist, bei dem das Gehäuse fünf oder sechs äußere Gehäusekontakte (GKa) aufweist.
12. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Masseanschlüsse auf dem Substrat (SU) hochohmig miteinander verbunden sind.
13. Filter nach Anspruch 12, bei dem die Masseanschlüsse über eine Mäanderstruktur miteinander verbunden sind, die einen Widerstand von mehr als lkΩ aufweist.
14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem im zweiten Teilfilter (TF2) für je zwei einander benachbarte endständige Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler gilt, dass entweder beide mit der Signalleitung oder beide mit einem Masseanschluss verbunden sind.
15. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Substrat (SU) im Gehäuse zwischen der Grundplatte (GP) und einem Deckel (D) angeordnet ist, bei dem der Deckel zumindest eine elektrisch leitende Schicht umfasst, bei dem der Deckel mit der Verschaltung in der Grundplatte elektrisch leitend verbunden ist und dabei die Masseanschlüsse des Filters miteinander verbindet .
16. Filter nach Anspruch 15, bei dem der Deckel (D) unsymmetrisch an die Verschaltung angebunden ist .
17. Filter nach Anspruch 16, bei dem der Deckel (D) mit den äußeren Gehäusekontakten (GKa) über Durchkontaktierungen (VI) verbunden ist, wobei die Verbindung zum eingangsseitigen Masseanschluss mehr parallel geschaltete Durchkontaktierungen umfasst als die Verbindung zum ausgangsseitigen Masseanschluss.
18. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem in der Grundplatte (GP) zwei getrennte innere
Masseflächen (C2,C4) vorgesehen sind, die mit mehreren
Masseanschlüssen von erstem und zweiten Teilfilter (TFl, TF2) verbunden sind.
19. Filter nach Anspruch 18, bei dem eine der inneren Masseflächen (C2,C4) über mehrere parallele Durchkontaktierungen (VI) mit einem äußeren Gehäusekontakt (GKa) verbunden ist.
20. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem zwischen dem zweiten Teilfilter (TF2) und dem Ausgang (OUT) ein drittes Teilfilter geschaltet ist, das aus zumindest einem Parallelresonator und zumindest einem Serienresonator besteht .
21. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem parallel zu den Parallelresonatoren (P) Kapazitäten (CA) geschaltet sind.
22. Filter nach Anspruch 21, bei dem die Kapazitäten (CA) in Form von Metallisierungen auf dem Substrat SU) realisiert sind.
23. Filter nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die Kapazitäten (CA) als Interdigitalstruktur ausgebildet sind.
24. Filter nach Anspruch 18, bei dem die Interdigitalstrukturen der Kapazitäten (CA) gegenüber den Interdigitalstrukturen der Parallelresonatoren (P) verdreht sind.
25. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem Eingang (IN) und Ausgang (OUT) vertauscht sind.
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