WO2011009868A1 - Filterschaltung mit verbesserter filtercharakteristik - Google Patents

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WO2011009868A1
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filter circuit
inductive element
series
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resonator
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Gerhard Maurer
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Epcos Ag
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    • H03H9/725—Duplexers

Definitions

  • RF filters are used to frequency selectively selectively desired signals that propagate in a signal line, if possible
  • duplexers are used to pass a transmit signal from the transmit signal path to the antenna and a receive signal from the antenna to the receive path.
  • HF filter which only permeable to signals and to a
  • Duplexer are interconnected, allow a mobile
  • Frequency bands to send and receive RF signals Frequency bands to send and receive RF signals.
  • Frequency bands to send and receive RF signals Frequency bands to send and receive RF signals.
  • a major challenge for the filters in the duplexer are, on the one hand, to obtain the lowest possible insertion loss of the desired signals and, on the other hand, in the
  • Respective signal path to suppress unwanted signals as much as possible ie to obtain a good Sperr Schlsunterd Wegung.
  • a measure of the performance of a duplexer is the scattering matrix S.
  • the amount of the matrix element S12, I S12 I the frequency-dependent attenuation (insertion loss) of RF signals, which are passed from the transmission signal path to the antenna to.
  • the magnitude of the matrix element S23, I S23 I denotes the frequency-dependent attenuation (insertion loss) of RF signals which are conducted by the antenna into the reception path.
  • denotes the frequency-dependent attenuation (isolation) between the transmission signal path and the reception signal path. That is, S13 indicates that frequency-dependent power which, generally undesirably, is coupled from the transmit signal path directly into the receive signal path. A high isolation, ie a strong attenuation of these signals is desirable.
  • Ladder type filter circuits consist of series-connected base elements.
  • the individual basic elements each comprise a series resonator and a parallel resonator.
  • series and parallel resonators adjacent basic elements be summarized.
  • the series resonators of all basic elements are connected in series in a signal path, while the parallel resonators to the corresponding
  • the invention comprises a ladder-type-like filter circuit having a first basic element, a second one
  • the Basic member a first inductive element and a second inductive element.
  • the first basic member has a first one
  • the second basic element has one second series resonator, which is connected in the signal path in series with the first series resonator, and a second parallel resonator, which connects the signal path to ground.
  • the first inductive element is connected between the first parallel resonator and ground.
  • the second inductive element is connected between the second parallel resonator and ground.
  • the first and second inductive elements are designed so that they can couple electromagnetically with one another.
  • the electromagnetic coupling between the first and the second inductive element can by a suitable
  • the basic elements with the coupled inductors need not be directly adjacent in the filter circuit.
  • the filter circuit further comprises at least one further base member whose series resonator is also connected in the signal path, in series with the first series resonator and in series with the second series resonator.
  • the parallel resonator of the at least one further basic element is connected to ground via an inductive element.
  • Further series resonators of further basic elements can also be connected in series with the other series resonators in the signal path. Then the other parallel resonators are connected in accordance with between the signal path and ground.
  • coupling inductive elements may be arranged on the input side or arranged on the output side elements. Also, the input-side inductive element with the be coupled output side element.
  • the first inductive element and the second inductive element comprise conductor sections, which are arranged parallel to one another and coupled to one another.
  • the degree of coupling of the line sections of the inductive elements is z. B. by the length of these conductor sections, by the distance of the conductor sections and by the phase relationship of the RF signals, which in the
  • the conductor sections of the inductive elements may be rectilinear, but they may also follow a curved track and in particular an arbitrarily shaped trajectory. In particular, the conductor sections of the inductive elements may follow segments of a circle or an oval or a rectangle with curved corners.
  • Odd number of turns can be realized by conductor sections, which are not modeled on a full circle, but only a corresponding circular arc segment.
  • the windings of a coil element can be arranged in a plane. However, they can also be distributed on different levels - for example of a ceramic - multi-layer substrate. It is essential that the magnetic flux, which is generated by one of the two coil elements, interacts with the respective other coil element.
  • the strength of the electromagnetic coupling is influenced essentially by the spatial orientation of the coils, by the inductance of the coils and by the spacing of the coils.
  • inductive element 12 1.6 nH.
  • the inductance of the second inductive element 12 is three times the inductance of the first inductive element II.
  • the first inductive element and the second inductive element each comprise coupled conductor sections, which are arranged as structured metallizations in a multi-layer substrate.
  • a multi-layer substrate which generally has a plurality of dielectric and z.
  • a metallization level may comprise conductor sections of an inductive element. Parts of the windings may be formed spirally. The end points of the coils forming a coil may be contacted by vias (VIAS) from an overlying or underlying plane.
  • VIP vias
  • Metallization level find space; At the same time they have the disadvantage that the size, i. H. the diameter or circumference of each coil turn is different.
  • a multilayer substrate and coil elements may be accommodated, whose turns have the same cross-sectional area. These coil turns are then arranged one above the other in different metallization layers of the substrate.
  • Each winding is interconnected at one end by a via connection to an overlying winding and at the other end by a via connection to an underlying winding.
  • the multi-layer substrate comprises dielectric layers selected from HTCC (High Temperature Cofired Ceramics), LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) and laminate. Between these dielectric layers are the structured metallizations
  • At least one of the series or parallel resonators is a surface acoustic wave or bulk acoustic wave resonator. It is possible that only one of the resonators is an acoustic wave resonator. It is also possible that all of the series and parallel resonators work with acoustic waves. It is advantageous if both all series resonators and all parallel resonators work either with surface acoustic waves or with bulk acoustic waves.
  • the filter circuit adjusts
  • Reception filter in the receive path of a mobile communication device.
  • the requirements for receive filter are higher and thus more difficult to implement than those in
  • a filter circuit according to the invention in which the insulation is thereby improved in a simple manner by the electromagnetic coupling of inductive elements and the influence of poles, thus represents a suitable filter circuit for interconnection as a reception filter in a mobile communication device.
  • the filter circuit is connected as a receive filter of a duplexer circuit in the receive path of a mobile communication device.
  • the filter circuit comprises four series-connected base elements in the signal path, wherein that inductive element, via which a first of the two outer parallel resonators is connected to ground, as well as that inductive element, via which the other outer
  • Parallel resonator is connected to ground, electromagnetically couple with each other.
  • external parallel resonators the parallel resonators of those basic elements of a filter circuit are referred to, which directly with the
  • FIG. 1 shows a basic form of the filter circuit
  • FIG. 2 shows the arrangement of two coupling conductor sections
  • FIG. 3a shows a possible arrangement of coupling windings
  • Figure 3b shows a coil element with an odd number
  • Figure 4 is a perspective view of
  • FIG. 5 shows an embodiment of the filter circuit with a plurality of base elements
  • FIG. 6 shows a schematic connection of the ladder-type filter circuit in a duplexer circuit
  • FIG. 7 shows the frequency profile of the matrix elements
  • Figure 8 shows the frequency-dependent course of
  • FIG. 1 illustrates schematically a filter circuit with electromagnetically coupling inductive elements.
  • the ladder type similar filter circuit LF includes a
  • Signal path SP in which a first series resonator SRI and a second series resonator SR3 are connected in series. Together with the series resonator SRI, a parallel resonator PR1 forms the first basic element of this ladder-type-like filter circuit.
  • the parallel resonator PR1 is connected via an inductive element CIEl to ground GND.
  • the second series resonator SR2 and the second parallel resonator PR2 form the second basic element of the ladder-type-like filter circuit.
  • the parallel resonator PR2 is also connected via an inductive element CIE2 to ground GND.
  • the inductive elements CIE1 and CIE2 which are the first
  • Parallel resonator PRl or the second parallel resonator PR2 connect to ground, couple electromagnetically with each other, symbolized by the two vertical lines between the elements.
  • FIG. 2 illustrates two electromagnetically coupling
  • FIG. 3a illustrates the spatial arrangement of two
  • Electromagnetically coupling conductor sections CSl and CS2 another embodiment.
  • the coupling conductor sections of both inductive elements consist essentially of rectilinearly guided conductor sections; The number of turns of the segments is a little less than one. Both line sections thus represent coil-like coupling elements and are each arranged in different mutually parallel planes Ll, L2.
  • hatched area OL illustrates the overlapping area of the cross-sectional areas of coupling windings, which, together with the spacing of the winding elements, are decisive for the windings
  • the respective conductor sections CS1 and CS2 can, independently of one another, form further turns, arranged in other planes, of coils which can contribute to the coupling.
  • Figure 3b illustrates an inductive element with a
  • Winding number of about 0.75 which consists of a structured metallization.
  • the width c of the metallization is approximately between 50 and 200 .mu.m, preferably 100 .mu.m.
  • Both a and b are between 300 and 400 microns, preferably both are about 350 microns.
  • Figure 4 illustrates a possible course inductive
  • Horizontally oriented structures can be embodied, for example, as metallizations in a multilayer substrate.
  • Vertically oriented structures may include vias through one or more planes.
  • Element CIE1 essentially has a winding number of 0.75, while the second inductive element CIE2 has a winding number of about 2. One of the windings is above the three-quarter turn of the first inductive
  • FIG. 5 illustrates an embodiment of the ladder-type-like filter circuit LF, in which four basic elements of a ladder-type circuit are connected in series. Between the first series resonator SRI and the second series resonator SR2, two further series resonators SR are connected in the signal path. To the other series resonators belonging parallel resonators PR interconnect the corresponding
  • the first inductive element CIE1 which is the first
  • First and second parallel resonator are each an external parallel resonator.
  • Laddertype-like filter circuit LF as a bandpass filter BPFl in a mobile communication device.
  • the ladder-type similar filter circuit LF is connected in a signal path SP.
  • the signal path SP is still with a
  • the first bandpass filter BPF1 is preferably the reception filter connected in the received signal path.
  • S12 I is the frequency-dependent
  • S13 represents the isolation between received signal path and Sendesignalpfad.
  • FIG. 7 illustrates the frequency-dependent profile of FIG
  • the matrix elements are shown in a frequency range around the transmission frequency range Tx and in the reception frequency range Rx
  • the oval denotes the frequency range in the transmission frequency range which requires special attention, since transmission signals Figure 8 illustrates the calculated ("sim") and measured ("exp") course of the isolation curve
  • the critical (transmit) frequency range it can be seen that the measured curve, the one embodiment with electromagnetic indicating coupling inductive elements, compared with the calculated comparison curve, in which the coupling of the inductive elements is not taken into account, is significantly improved. In particular, the attenuation of the pole is improved from -60 dB to -80 dB.
  • FIG. 9 illustrates the dependence of the frequency position and the attenuation of poles Pi, P 2 , P 3 , P 4 in the course of time
  • a filter circuit is not limited to one of the described embodiments. Variations which, for example, further resonators, reactance elements or any combinations thereof in the signal path or in
  • A, B, C length, width of an inductive element, thickness of the conductor section
  • BPF2 second bandpass filter
  • TX transmission frequency range
  • Pl, 2, 3, 4 pole of a first, second, third,
  • L1, L2 planes in which inductive elements are arranged

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Abstract

Es wird eine laddertype-ähnliche Filterschaltung angegeben, in welcher induktive Elemente, welche parallele Resonatoren mit Masse verschalten elektromagnetisch miteinander verkoppelt sind, wodurch das Filterverhalten verbessert ist.

Description

Beschreibung
Filterschaltung mit verbesserter Filtercharakteristik Die Erfindung betrifft HF-Filterschaltungen, welche
beispielsweise in mobilen Kommunikationsgeräten verschaltet sein können und eine verbesserte Filtercharakteristik
aufweisen. Es wird insbesondere eine Filterschaltung
angegeben, welche als Teil einer Duplexerschaltung Verwendung finden kann.
In mobilen Kommunikationsgeräten werden HF-Filter dazu verwendet, um frequenzabhängig selektiv erwünschte Signale, welche in einer Signalleitung propagieren, möglichst
unverändert passieren zu lassen und um unerwünschte Signale an der Ausbreitung im Signalpfad zu hindern. In einem
Duplexer beispielsweise dienen HF-Filter dazu, ein Sendesignal vom Sendesignalpfad zur Antenne und ein Empfangssignal von der Antenne zum Empfangspfad passieren zu lassen. HF- Filter, welche nur für Signale durchlässig und zu einem
Duplexer verschaltet sind, ermöglichen es einem mobilen
Kommunikationsgerät, gleichzeitig in den verschiedenen
Frequenzbändern HF-Signale zu senden und zu empfangen. Dafür sind dann im Duplexer jeweils ein Sendefilter zwischen
Sendesignalpfad und Antenne sowie ein Empfangsfilter zwischen Antenne und Empfangspfad verschaltet.
Eine große Herausforderungen für die Filter im Duplexer sind dabei einerseits eine möglichst geringe Einfügedämpfung der gewünschten Signale zu erhalten und andererseits im
jeweiligen Signalpfad unerwünschte Signale möglichst stark zu unterdrücken, d.h. eine gute Sperrbereichsunterdrückung zu erhalten. Gleichzeitig soll eine gute Isolation zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad sichergestellt sein. Ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Duplexers ist dabei die Streumatrix S. Dabei gibt der Betrag des Matrixelements S12, I S12 I , die frequenzabhängige Dämpfung (Einfügedämpfung) von HF-Signalen, welche von dem Sendesignalpfad zur Antenne geleitet werden, an. Der Betrag des Matrixelements S23, I S23 I , bezeichnet die frequenzabhängige Dämpfung (Einfügedämpfung) von HF-Signalen, welche von der Antenne in den Empfangspfad geleitet werden. Der Betrag des Matrixelements S13, I S13 | , bezeichnet die frequenzabhängige Dämpfung (Isolation) zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad. Das heißt, S13 gibt diejenige frequenzabhängige Leistung an, die - im Allgemeinen unerwünschterweise - aus dem Sendesignalpfad direkt in den Empfangssignalpfad eingekoppelt wird. Eine hohe Isolation, d. h. eine starke Dämpfung dieser Signale ist wünschenswert .
Der Trend zu immer weitergehender Miniaturisierung von HF- Schaltungen und insbesondere von mobilen Kommunikations- geraten stellt die Entwickler dieser Geräte vor die
Herausforderung, trotz Verkleinerung der Komponenten ein ausreichendes Verhältnis (Selektion) aus geringer
Einfügedämpfung im Durchlassbereich und starker Dämpfung im Sperrbereich zu erhalten. Gleichzeitig soll auch eine
ausreichende Isolation zwischen einem Sendepfad und einem Empfangspfad im Duplexer zur Verfügung gestellt sein.
Aus der Druckschrift US 7,116,187 B2 ist eine laddertype- ähnliche Filterschaltung für HF-Signale bekannt. Laddertype- Filterschaltungen bestehen aus hintereinander geschalteten Grundgliedern. Die einzeln Grundglieder umfassen je einen Serienresonator und einen Parallelresonator. Dabei können Serien- und Parallelresonatoren benachbarter Grundglieder zusammengefasst sein. Die Serienresonatoren aller Grundglieder sind dabei in einem Signalpfad in Serie geschaltet, während die Parallelresonatoren den zum entsprechenden
Serienresonator des Grundglieds gehörigen Abschnitt des
Signalpfads mit Masse verschalten. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, die Masseanbindungen der
Parallelresonatoren über ein gemeinsam genutztes induktives Element auszuführen. Nachteilig an einem solchen Schaltungsentwurf ist, dass ein zusätzliches induktives Element bei ohnehin schon knapp bemessenen Bauraum vorgesehen und
untergebracht werden muss.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine HF-Filterschaltung anzugeben, welche eine hohe Selektion, d. h. eine gute Sperrbereichsunterdrückung und eine geringe Einfügedämpfung aufweist und welche möglichst wenige
zusätzliche Schaltungselemente umfasst. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filterschaltung anzugeben, welche Verwendung in einer Duplexerschaltung mit verbesserter Selektion und verbesserter Isolation finden kann .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Filterschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst eine laddertype-ähnliche Filterschaltung mit einem ersten Grundglied, einem zweiten
Grundglied, einem ersten induktiven Element und einem zweiten induktiven Element. Das erste Grundglied hat einen ersten
Serienresonator, welcher in einem Signalpfad verschaltet ist, sowie einen ersten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet. Das zweite Grundglied hat einen zweiten Serienresonator, der im Signalpfad in Serie zum ersten Serienresonator verschaltet ist, sowie einen zweiten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet. Das erste induktive Element ist zwischen dem ersten Parallelresonator und Masse verschaltet. Das zweite induktive Element ist zwischen dem zweiten Parallelresonator und Masse verschaltet. Das erste und das zweite induktive Element sind so ausgelegt, dass sie elektromagnetisch miteinander koppeln können .
Dadurch, dass das erste induktive Element und das zweite induktive Element elektromagnetisch miteinander koppeln, wird die Durchlasscharakteristik der Filterschaltung verbessert. Die Frequenzen sogenannter Polstellen, welche durch die
"Saugwirkungen" der Parallelresonatoren durch Ableitung des HF-Signals nach Masse eine besonders hohe Sperrbereichs- unterdrückung darstellen, können durch die Kopplung
verschoben werden ohne, dass zusätzliche Elemente in den Schaltungsentwurf eingefügt werden müssen.
Die elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten induktiven Element kann durch eine geeignete
Anordnung derjenigen leitenden Strukturen, welche die
induktiven Elemente repräsentieren, erreicht werden. Eine solche für eine bessere Durchlasscharakteristik des Filters geeignete Anordnung dieser leitenden Strukturen läuft zwar im Allgemeinen Bemühungen zur Verkleinerung der entsprechenden Bauelemente zuwider. Jedoch kann der Verzicht auf weitere Schaltungselemente, der durch diese Anordnung erreicht wird, diese Erhöhung des Platzbedarfs mehr als kompensieren. So wird insgesamt eine Schaltung erhalten, welche eine
verbesserte Filtercharakteristik bei nur geringfügig
gestiegenem Platzbedarf erhalten wird. Die Grundglieder mit den verkoppelten Induktivitäten müssen in der Filterschaltung nicht direkt benachbart sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Filterschaltung weiterhin mindestens ein weiteres Grundglied, dessen Serienresonator ebenfalls im Signalpfad, und zwar in Serie zum ersten Serienresonator und in Serie zum zweiten Serienresonator verschaltet ist. Der Parallelresonator des mindestens einen weiteren Grundglieds ist über ein induktives Element mit Masse verschaltet. Weitere Serienresonatoren weiterer Grundglieder können ebenfalls in Serie zu den übrigen Serienresonatoren im Signalpfad verschaltet sein. Dann sind die weiteren Parallelresonatoren entsprechend zwischen dem Signalpfad und Masse verschaltet.
Dadurch, dass prinzipiell beliebig viele Grundglieder, z. B. 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr als 7, in Serie in der Filterschaltung verschaltet sein können, kann die Sperrbereichs- unterdrückung und die Isolation weiter verbessert sein. Der Verwendung vieler Grundglieder der Laddertype-Schaltung steht jedoch der erhöhte Platzbedarf entgegen. Vorteilhaft bei der Verwendung mehrerer Grundglieder ist dabei das Vorhandensein jeweils eines Pols im Sperrfrequenzbereich pro Parallelresonator sowie die erhöhte Anzahl an Kombinationsmöglich- keiten der elektromagnetischen Verkopplung der zwischen den jeweiligen Parallelresonatoren und Masse verschalteten induktiven Elemente. So ist es möglich, bei der Verwendung einer Filterschaltung mit drei (oder mehr) Parallelpfaden mit induktiven Elementen zwei oder sogar alle drei (oder mehr) induktiven Elemente elektromagnetisch zu koppeln. Die
koppelnden induktiven Elemente können die eingangsseitig angeordneten oder die ausgangsseitig angeordneten Elemente sein. Auch kann das eingangsseitige induktive Element mit dem ausgangsseitigen Element verkoppelt sein. Bei einer Verwendung von vier oder mehr Grundgliedern in der Laddertype- Schaltung können zwei Verschaltungen jeweils zweier
induktiver Elemente vorgesehen sein.
In einer Ausgestaltung umfassen das erste induktive Element und das zweite induktive Elemente Leiterabschnitte, welche parallel zueinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind. Der Grad der Kopplung der Leitungsabschnitte der induktiven Elemente wird dabei z. B. durch die Länge dieser Leiterabschnitte, durch den Abstand der Leiterabschnitte und durch die Phasenbeziehung der HF-Signale, welche in den
Leiterabschnitten propagieren, sowie durch Materialkonstanten, der die Leiterabschnitte umgebenden Materialien bestimmt. Die Leiterabschnitte der induktiven Elemente können geradlinig ausgeführt sein, sie können jedoch auch einer gekrümmten Spur und insbesondere einer beliebig geformten Trajektorie folgen. Insbesondere können die Leiterabschnitte der induktiven Elemente Segmenten eines Kreises oder eines Ovals oder eine Rechtecks mit gekrümmten Ecken folgen.
In einer Ausgestaltung der Filterschaltung umfassen die
Leiterabschnitte jedoch geradlinig geformte Metallisierungen. Aus zumindest stückweise geradlinig verlaufenden Metalli- sierungen können nahezu beliebig geformte Vielecke mit prinzipiell beliebiger Länge ausgestaltet sein. Mäanderförmig ausgeführte Metallisierungen ermöglichen beispielsweise lange Leiterabschnitte bei vergleichsweise geringem Platzbedarf. In einer Ausgestaltung der Filterschaltung umfasst das erste induktive Element ein Spulenelement mit einer Windungszahl wl im Intervall 0,5 <= Wl <= 2 und das zweite induktive Element, ein Spulenelement, mit einer Windungszahl W2 im Intervall 0,5 <= W2 <= 5, wobei beide Spulenelemente parallel
angeordnet sind und zumindest teilweise überlappen. Ungeradzahlige Windungszahlen können dabei durch Leiterabschnitte realisiert sein, welche nicht einem vollen Kreis, sondern lediglich einem entsprechenden Kreisbogensegment nachempfunden sind. Die Wicklungen eines Spulenelements können dabei in einer Ebene angeordnet sein. Sie können jedoch auch auf verschiedene Ebenen - zum Beispiel eines keramischen - Mehrlagensubstrats verteilt sein. Wesentlich ist, dass der magnetische Fluss, welcher von einem der beiden Spulenelemente erzeugt wird, mit dem jeweils anderen Spulenelement wechselwirkt. Die Stärke der elektromagnetischen Kopplung wird dabei im Wesentlichen durch die räumliche Orientierung der Spulen, durch die Induktivität der Spulen und durch den Abstand der Spulen beeinflusst.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform beträgt die Windungszahl Wl des ersten induktiven Elements 0,75 und die Induktivität Il des ersten induktiven Elements 0,3 nH <= Il <= 0,9 nH. Die Windungszahl w2 des zweiten induktiven Elements beträgt 2,5 und die Induktivität 12 des zweiten induktiven Elements beträgt 1,0 nH <= 12 <= 2,0 nH.
In einer Ausgestaltung beträgt die Induktivität des ersten induktiven Elements Il = 0,6 nH und die des zweiten
induktiven Elements 12 = 1,6 nH.
In einer Ausgestaltung beträgt die Induktivität des zweiten induktiven Elements 12 das Dreifache der Induktivität des ersten induktiven Elements II.
In einer Ausführungsform umfassen das erste induktive Element und das zweite induktive Element jeweils gekoppelte Leiter- abschnitte, welche als strukturierte Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat angeordnet sind. Ein Mehrlagensubstrat, welches im Allgemeinen eine Vielzahl an übereinander angeordneten dielektrischen und z. B. keramischen Lagen umfasst, zwischen denen Metallisierungsebenen
angeordnet sind, in denen strukturierte Leiterabschnitte angeordnet sind, eignet sich sehr gut, um Impedanzelemente aufzunehmen. Neben kapazitiven Elementen, welche als übereinander liegende metallisierte Flächen strukturiert sein können, kann eine Metallisierungsebene Leiterabschnitte eines induktiven Elements umfassen. Teile der Wicklungen können spiralförmig ausgebildet sein. Die Endpunkte der eine Spule bildenden Windungen können durch Durchkontaktierungen (VIAS) aus einer darüber liegenden oder darunter liegenden Ebene kontaktiert sein.
Induktive Elements aus spiralförmig angeordneten Spulenelementen haben den Vorteil, dass sie in einer einzigen
Metallisierungsebene Platz finden; sie haben aber gleich- zeitig den Nachteil, dass die Größe, d. h. der Durchmesser oder der Umfang, jeder einzelnen Spulenwindung verschieden ist. Im Gegensatz dazu, können in einem Mehrlagensubstrat auch Spulenelemente untergebracht sein, deren Windungen die gleiche Querschnittsfläche aufweisen. Diese Spulenwindungen sind dann übereinander in verschiedenen Metallisierungslagen des Substrats angeordnet. Jede Wicklung ist an einem Ende per Durchkontaktierung mit einer darüber liegenden Wicklung und am anderen Ende per Durchkontaktierung mit einer darunter liegenden Windung verschaltet.
In einer Ausführungsform umfasst das Mehrlagensubstrat dielektrische Schichten, welche ausgewählt sind aus HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) , LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) und Laminat. Zwischen diesen dielektrischen Schichten sind die strukturierten Metallisierungen
angeordnet, welche die Spulenelemente ausbilden. In einer Ausführungsform ist zumindest einer der Serien- oder der Parallelresonatoren ein mit akustischen Oberflächenwellen oder mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator. Es ist möglich, dass lediglich einer der Resonatoren ein mit akustischen Wellen arbeitender Resonator ist. Es ist eben- falls möglich, dass alle der Serien- und Parallelresonatoren mit akustischen Wellen arbeiten. Es ist vorteilhaft, wenn sowohl alle Serien- als auch alle Parallelresonatoren entweder mit akustischen Oberflächenwellen oder mit akustischen Volumenwellen arbeiten.
In einer Ausführungsform stellt die Filterschaltung ein
Empfangsfilter im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts dar. Im Allgemeinen sind die Anforderungen an Empfangsfilter höher und damit schwieriger zu realisieren als diejenigen in
Sendefiltern, da die Empfangsfilter im Empfangspfad
verschaltete elektronische Komponenten, zum Beispiel
rauscharme Verstärker, vor der hohen HF-Leistung der im
Sendepfad propagierenden HF-Signale schützen sollen. Mit anderen Worten: Besonders hohe Isolationsanforderungen zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad betreffen daher das Empfangsfilter. Eine erfindungsgemäße Filterschaltung, in der die Isolation durch die elektromagnetische Verkopplung von induktiven Elementen und die Beeinflussung von Polstellen dadurch auf einfache Weise verbessert ist, stellt somit einen geeignete Filterschaltung zur Verschaltung als Empfangsfilter in einem mobilen Kommunikationsgerät dar. Die gleiche Argumentation gilt auch für eine Duplexer- schaltung: In einer Ausführungsform ist die Filterschaltung als Empfangsfilter einer Duplexerschaltung im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Filterschaltung vier in Serie verschaltete Grundglieder im Signalpfad, wobei dasjenige induktive Element, über das ein erster der beiden äußeren Parallelresonatoren mit Masse verschaltet ist, sowie dasjenige induktive Element, über das der andere äußere
Parallelresonator mit Masse verschaltet ist, elektromagnetisch miteinander koppeln. Als "äußere" Parallelresonatoren sind die Parallelresonatoren derjenigen Grundglieder einer Filterschaltung bezeichnet, welche unmittelbar mit dem
Ausgang beziehungsweise mit dem Eingang der Filterschaltung verschaltet sind.
Im Folgenden wird die Filterschaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Grundform der Filterschaltung,
Figur 2 die Anordnung zweier koppelnder Leiterabschnitte,
Figur 3a eine mögliche Anordnung von koppelnden Windungen,
Figur 3b ein Spulenelement mit einer ungeradzahligen
Windungszahl,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht von
verkoppelnden induktiven Elementen, Figur 5 eine Ausführungsform der Filterschaltung mit mehreren Grundgliedern,
Figur 6 eine schematische Verschaltung der Laddertype- Filterschaltung in einer Duplexerschaltung,
Figur 7 den Frequenzverlauf der Matrixelemente | S12 I und
I S13 I , einer Rechnung und einer Messung, Figur 8 den frequenzabhängigen Verlauf des
Matrixelements | S131 (berechnet und gemessen) ,
Figur 9 unterschiedliche Isolationskurven unterschiedlicher
Ausgestaltungen der verkoppelnden induktiven
Elemente.
Figur 1 illustriert schematisch eine Filterschaltung mit elektromagnetisch koppelnden induktiven Elementen. Die laddertype-ähnliche Filterschaltung LF umfasst einen
Signalpfad SP, in welchem ein erster Serienresonator SRI und ein zweiter Serienresonator SR3 in Serie verschaltet sind. Zusammen mit dem Serienresonator SRI bildet ein Parallelresonator PRl das erste Grundglied dieser laddertype- ähnlichen Filterschaltung. Der Parallelresonator PRl ist über ein induktives Element CIEl mit Masse GND verschaltet. Der zweite Serienresonator SR2 und der zweite Parallelresonator PR2 bilden das zweite Grundglied der laddertype-ähnlichen Filterschaltung. Der Parallelresonator PR2 ist ebenfalls über ein induktives Element CIE2 mit Masse GND verschaltet. Die induktiven Elemente CIEl und CIE2, welche den ersten
Parallelresonator PRl bzw. den zweiten Parallelresonator PR2 mit Masse verschalten, koppeln elektromagnetisch miteinander, symbolisiert durch die zwei vertikalen Striche zwischen den Elementen .
Figur 2 illustriert zwei elektromagnetisch koppelnde
Leiterabschnitte CSl und CS2. Diese sind in einer Ebene angeordnet und verlaufen abschnittsweise parallel. Das Maß der elektromagnetischen Kopplung wird u. A. durch die Länge und den Abstand der parallelen Leiterabschnitte bestimmt. Figur 3a illustriert die räumliche Anordnung zweier
elektromagnetisch koppelnder Leiterabschnitte CSl und CS2 einer weiteren Ausführungsform. Die koppelnden Leiterabschnitte beider induktiver Elemente bestehen im Wesentlichen aus geradlinig geführten Leiterabschnitten; die Windungs- zahlen der Segmente betragen etwas weniger als eins. Beide Leitungsabschnitte stellen somit spulenähnliche Koppelelemente dar und sind jeweils in verschiedenen parallel zueinander angeordneten Ebenen Ll, L2 angeordnet. Die
schraffierte Fläche OL illustriert die Überlappungsfläche der Querschnittsflächen koppelnder Windungen, welche zusammen mit dem Abstand der Windungselemente maßgeblich für die
elektromagnetische Kopplung ist. Die jeweiligen Leiterabschnitte CSl und CS2 können unabhängig voneinander noch weitere, in anderen Ebenen angeordnete, Windungen von Spulen ausbilden, die zur Kopplung beitragen können.
Figur 3b illustriert ein induktives Element mit einer
Windungszahl von etwa 0,75, welches aus einer strukturierten Metallisierung besteht. Die Breite c der Metallisierung beträgt etwa zwischen 50 und 200 μm, vorzugsweise 100 μm. Im vorliegenden Fall ist das Aspektverhältnis, d. h. das
Verhältnis aus Breite zu Länge a/c der 3/4 Wicklung im Wesentlichen eins. Sowohl a als auch b betragen zwischen 300 und 400 μm, vorzugsweise betragen beide etwa 350 μm.
Figur 4 illustriert einen möglichen Verlauf induktive
Elemente CIEl, CIE2 bildender metallischer Strukturen.
Horizontal ausgerichtete Strukturen können beispielsweise als Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat ausgeführt sein. Vertikal ausgerichtete Strukturen können Durchkontaktierungen durch eine oder mehrere Ebenen umfassen. Das induktive
Element CIEl weist im Wesentlichen eine Windungszahl von 0,75 auf, während das zweite induktive Element CIE2 eine Windungszahl von etwa 2 aufweist. Eine der Windungen ist dabei oberhalb der Dreiviertelwindung des ersten induktiven
Elements CIEl angeordnet; die andere Windung ist dabei unter- halb der Windung des ersten induktiven Elements angeordnet.
Figur 5 illustriert eine Ausgestaltung der laddertype- ähnlichen Filterschaltung LF, in der vier Grundglieder einer Laddertype-Schaltung in Serie verschaltet sind. Zwischen dem ersten Serienresonator SRI und dem zweiten Serienresonator SR2 sind im Signalpfad zwei weitere Serienresonatoren SR verschaltet. Zu den weiteren Serienresonatoren gehörende Parallelresonatoren PR verschalten den entsprechenden
Abschnitt des Signalpfads über induktive Elemente IE mit Masse. Das erste induktive Element CIEl, welches den ersten
Parallelresonator PRl mit Masse verschaltet, sowie das zweite induktive Element CIE2, welches den zweiten Parallelresonator PR2 mit Masse verschaltet, koppeln untereinander elektromagnetisch. Erster und zweiter Parallelresonator sind jeweils ein äußerer Parallelresonator.
Figur 6 illustriert eine mögliche Verschaltung der
laddertype-ähnlichen Filterschaltung LF als Bandpassfilter BPFl in einem mobilen Kommunikationsgerät. Die laddertype- ähnliche Filterschaltung LF ist in einem Signalpfad SP verschaltet. Der Signalpfad SP ist weiterhin mit einer
Antenne An und einem induktiven Element IE, welches die
Antenne mit Masse verschaltet, verschaltet. Ferner ist der Signalpfad mit einem weiteren Bandpassfilter BPF2
verschaltet, welches beispielsweise ein Sendesignalfilter sein kann. Dann ist das erste Bandpassfilter BPFl vorzugsweise das im Empfangssignalpfad verschaltete Empfangsfilter. Das Matrixelement | S12 I gibt dabei die frequenzabhängige
Durchlässigkeit von Empfangssignalen von der Antenne in den Empfangspfad Rx an, während das Matrixelement | S23 I die frequenzabhängige Durchlässigkeit für HF-Signale aus dem Sendepfad Tx zur Antenne angibt. Das Matrixelement | S13 stellt dabei die Isolation zwischen Empfangssignalpfad und Sendesignalpfad dar.
Figur 7 illustriert den frequenzabhängigen Verlauf der
Matrixelemente | S12 I und | S23 I einer erfindungsgemäßen
Duplexerschaltung sowohl für Berechnungen (mit „sim"
gekennzeichnet) als auch in Form experimentell gemessener Kurven (mit „exp" gekennzeichnet) . Die Matrixelemente sind in einem Frequenzbereich um den Sendefrequenzbereich Tx und im Empfangsfrequenzbereich Rx gezeigt. Das Oval bezeichnet denjenigen Frequenzbereich im Sendefrequenzbereich, welcher besonderer Aufmerksamkeit bedarf, da Sende-Signale mit voller Sendeleistung am Empfangsfiltereingang anliegen und das Empfangsfilter nicht passieren dürfen. Figur 8 illustriert den berechneten („sim") und gemessenen („exp") Verlauf der Isolationskurve | S13 | . Im kritischen (Sende-) Frequenzbereich ist zu sehen, dass die gemessene Kurve, die ein Ausführungsbeispiel mit elektromagnetisch koppelnden induktiven Elementen anzeigt, gegenüber der berechneten Vergleichskurve, in welcher die Verkuppelung der induktiven Elemente nicht berücksichtigt ist, deutlich verbessert ist. Insbesondere wird die Dämpfung der Polstelle von -60 dB auf -80 dB verbessert.
Figur 9 illustriert die Abhängigkeit der Frequenzlage und der Dämpfung von Polstellen Pi, P2, P3, P4 im Verlauf der
Isolationskurve eines Duplexers mit erfindungsgemäßer
Filterschaltung. Verschiedene Kurven sind gezeigt, welche auf verschiedene geometrische Ausgestaltungen der verkoppelnden Induktivitäten zurückzuführen sind. Daraus ist klar
ersichtlich, dass ohnehin auftretende parasitäre Kopplungen zwischen induktiven Elementen nicht geeignet sind, um die Isolation zu verbessern. Es bedarf also nichttrivialer
Ausgestaltungen, um die Isolation tatsächlich zu verbessern.
Eine Filterschaltung ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen, welche zum Beispiel noch weitere Resonatoren, Reaktanzelemente oder beliebige Kombinationen daraus im Signalpfad oder in
beschriebenen oder zusätzlichen Parallelpfaden umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugszeichenliste
LF: laddertype-ähnliche Filterschaltung
SRI : erster Serienresonator
SR2 : zweiter Serienresonator
SP: Signalpfad
PRl: erster Parallelresonator
PR2 : zweiter Parallelresonator
CIEl: erstes induktives Element
CIE2 : zweites induktives Element
GND: Masse
CSl, CS2 : erster, zweiter gekoppelter Leiterabschnitt
A, B, C: Länge, Breite eines induktiven Elements, Dicke des Leiterabschnitts
IE: induktives Element
AN: Antenne
BPFl: erstes Bandpassfilter
BPF2 : zweites Bandpassfilter
S12, S23, S31: Matrixelemente der Streumatrix S
TX: Sendefrequenzbereich
RX: Empfangsfrequenzbereich
EXP: gemessener Verlauf eines S-Matrixelements
SIM: berechneter Verlauf eines S-Matrixelements
Pl, 2, 3, 4: Polstelle einer ersten, zweiten, dritten,
vierten Ausgestaltung verkoppelter induktiven
Elemente
Ll, L2 : Ebenen, in denen induktive Elemente angeordnet sind
OL: Überlappungsfläche zweier induktiver Elemente

Claims

Patentansprüche
1. Laddertypeähnliche Filterschaltung, umfassend
- einen Signalpfad
- darin angeordnet ein erstes Grundglied mit einem ersten Serienresonator und einem ersten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet,
- ein zweites Grundglied mit einem zweiten
Serienresonator, der im Signalpfad in Serie zum ersten Serienresonator verschaltet ist, und einem zweiten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet,
- ein erstes induktives Element, welches zwischen dem ersten Parallelresonator und Masse verschaltet ist, - ein zweites induktives Element, welches zwischen dem zweiten Parallelresonator und Masse verschaltet ist, wobei
das erste und das zweite induktive Element
elektromagnetisch miteinander koppeln.
2. Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch,
umfassend mindestens ein weiteres Grundglied, dessen Serienresonator im Signalpfad in Serie zum ersten
Serienresonator und in Serie zum zweiten Serienresonator verschaltet ist und dessen Parallelresonator über ein induktives Element mit Masse verschaltet ist.
3. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Leiterabschnitte des ersten induktiven Elements und Leiterabschnitte des zweiten induktive Elements parallel zueinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind.
4. Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leiterabschnitte geradlinig geformte Metallisierungen umfassen . 5. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste induktive Element ein Spulenelement mit einer Windungszahl 0,5 <= Wl <= 2 und das zweite
induktive Element ein Spulenelement mit einer
Windungszahl 0,
5 <= W2 <= 5 umfasst und wobei beide Spulenelemente parallel angeordnet sind und zumindest teilweise überlappen.
6. Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste induktive Element die Windungszahl Wl = 0,75 und eine Induktivität 0,3 nH <= Il <= 0,9 nH und das zweite induktive Element die Windungszahl W2 = 2,5 und eine Induktivität 1,0 nH <= 12 <= 2,0 nH aufweist.
7. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste induktive Element und das zweite
induktive Element jeweils gekoppelte Leiterabschnitte umfassen und wobei diese Leiterabschnitte als
strukturierte Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat angeordnet sind.
8. Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Mehrlagensubstrat dielektrische Schichten umfasst, welche ausgewählt sind aus HTCC, LTCC und Laminat, und welche zwischen den strukturierten Metallisierungen angeordnet sind.
9. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Serien- oder Parallelresonatoren ausgewählt sind aus mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Resonatoren und mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonatoren .
10. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Empfangsfilter im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet ist.
11. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Empfangsfilter einer Duplexerschaltung im
Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts
verschaltet ist.
12. Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - im Signalpfad vier Grundglieder in Serie verschaltet sind und
- die Parallelresonatoren des ersten und des vierten
Grundglieds über je ein äußeres induktives Element mit Masse verschaltet sind,
- die beiden äußeren induktiven Element elektromagnetisch miteinander koppeln.
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