DE102017129473A1

DE102017129473A1 - Breitbandiges HF-Filter, Multiband-HF-Filter und HF-Filterbauelement

Info

Publication number: DE102017129473A1
Application number: DE102017129473.2A
Authority: DE
Inventors: Oleksandr Gavryliuk; Petro Komakha; Wai San Wong; Alexander Chernyakov
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Europe GmbH
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2019115072A1

Abstract

Es werden ein breitbandiges und/oder ein Multiband-HF-Filter vorgesehen. Das Filter umfasst zwei oder mehr elektromagnetisch gekoppelte Resonatoren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft breitbandige HF-Filter und Multiband-HF-Filter zum Beispiel für drahtlose Kommunikationssysteme.
HF-Filter in Einrichtungen für drahtlose Kommunikationssysteme können verwendet werden, um HF-Nutzsignale von HF-Störsignalen zu trennen. Solche Filter können Bandpassfilter oder Bandsperrfilter mit einer niedrigen Einfügungsdämpfung innerhalb eines Durchlassbandes und einer hohen Außerbandsperrung für Frequenzen außerhalb eines oder mehrerer Durchlassbänder sein.
Der andauernde Trend zu höheren Signalübertragungsraten macht Anforderungen hinsichtlich Filtercharakteristika strenger.
HF-Filter sind aus US 8,031,035 B2 bekannt.
Die Leistung von aktuellen Filtertopologien und Filtertechnologien ist jedoch beschränkt. Was gewünscht ist, ist ein HF-Filter, das eine vergrößerte Breite von Durchlassbändern, eine reduzierte Einfügungsdämpfung, steilere Durchlassbandflanken gestattet, die Gesamtfilterlösung reduziert und bevorzugt eine Verbesserung bei mehr als einer von solchen Charakteristika gleichzeitig darstellt.
Dazu werden HF-Filter und HF- Filterbauelemente gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.
Das breitbandige HF-Filter umfasst einen ersten Port und einen zweiten Port. Weiterhin umfasst das Filter einen ersten elektroakustischen Resonator, der an den ersten Port gekoppelt ist, und einen zweiten elektroakustischen Resonator, der an den zweiten Port gekoppelt ist. Der erste elektroakustische Resonator ist elektromagnetisch an den zweiten elektroakustischen Resonator gekoppelt.
Zusätzlich oder als eine Alternative ist es möglich, dass das breitbandige HF-Filter einen ersten Port und einen zweiten Port umfasst. Weiterhin umfasst das Filter einen ersten elektroakustischen Resonator, der an den ersten Port gekoppelt ist, und einen zweiten elektroakustischen Resonator, der an den zweiten Port gekoppelt ist. Außerdem umfasst der Resonator ein erstes Koppelelement, das elektrisch mit dem ersten Resonator verbunden ist, und ein zweites Koppelelement, das elektrisch mit dem zweiten Resonator verbunden ist. Das erste Koppelelement ist an das zweite Koppelelement gekoppelt.
Somit werden HF-Filter bereitgestellt, bei denen elektroakustische Resonatoren gekoppelt sind. Die Kopplung zwischen den Resonatoren kann eine direkte Kopplung zwischen den Resonatoren oder eine indirekte Kopplung über zusätzliche Koppelelemente sein. Eine elektromagnetische Kopplung ist ein bevorzugter Kopplungstyp.
Elektroakustische Resonatoren können Elektrodenstrukturen umfassen, die mit einem piezoelektrischen Material verbunden sind. Über den piezoelektrischen Materialeffekt wandelt ein Resonator zwischen HF-Signalen und Schallwellen um. Der Resonator kann ein BAW-Resonator (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle), ein SAW-Resonator (SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) oder ein GBAW-Resonator (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle) sein. In BAW-Resonatoren ist ein piezoelektrisches Material zwischen eine Bodenelektrode und eine Deckelektrode geschichtet. Bei SAW-Resonatoren besitzen die Elektroden eine kammartige Form und Elektrodenfinger, die beieinander angeordnet und elektrisch mit entgegengesetzten Elektroden verbunden sind, regen akustische Wellen an, die sich an der Oberseite des piezoelektrischen Materials ausbreiten können.
Aufgrund der intrinsischen Verbindung zwischen HF-Signalen und akustischen Wellen in elektroakustischen Resonatoren ist es möglich, solche Resonatoren akustisch zu koppeln, um Verbesserungen der Filtercharakteristik eines solche Resonatoren umfassenden HF-Filters zu erzielen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass solche Resonatoren auch elektromagnetisch gekoppelt werden können, um den Bereich vorteilhafter Effekte von solchen Kopplungen zu erweitern. Das Herstellen einer elektromagnetischen Kopplung zwischen elektroakustischen Resonatoren verlangt jedoch die Vorkehrung von speziellen Filterelementen. Der Übersichtlichkeit halber werden einige der möglichen Koppelelemente unten beschrieben.
Dementsprechend ist es möglich, dass das erste Koppelelement elektromagnetisch an das zweite Koppelelement gekoppelt wird. Das erste Element und das zweite Koppelelement koppeln den ersten elektroakustischen Resonator an den zweiten elektroakustischen Resonator.
Es ist möglich, dass der erste elektroakustische Resonator und der zweite elektroakustische Resonator über eine oder mehrere LC-Schaltungen oder eine oder mehrere Übertragungsleitungen umfassende Koppelschaltung gekoppelt werden.
LC-Elemente und Übertragungsleitungen können als elektroakustisch aktive Elemente realisiert werden, wenn sie einem HF-Signal ausgesetzt werden. Es ist möglich, solche Elemente in der Nähe von einem oder dem anderen derart zu konstruieren und anzuordnen, dass von einem Element emittierte HF-Signale von einem anderen Element empfangen werden können. Beispielsweise können Elektroden eines kapazitiven Elements in der Nähe einer Elektrode eines anderen kapazitiven Elements angeordnet werden, um kapazitive Elemente elektromagnetisch zu koppeln. Außerdem ist es möglich, ein induktives Element in der Form einer spulenartigen Struktur zu realisieren, wobei mindestens ein Leitersegment der Spule oder eine Wicklung oder mehrere Wicklungen der Spule in der Nähe von und relativ zu einem anderen induktiven Element derart angeordnet sind, dass ein HF-Signal von dem ersten induktiven Element zu dem zweiten induktiven Element übertragen werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine elektromagnetische Kopplung durch Gestatten einer Kopplung zwischen mit zwei kapazitiven Elementen assoziierten elektrischen Feldkomponenten oder Gestatten einer elektromagnetischen Kopplung durch Nutzen einer magnetischen Interferenz zwischen induktiven Elementen zu realisieren.
Dazu ist es möglich, ein oder mehrere kapazitive Elemente und ein oder mehrere induktive Elemente in einer mehrschichtigen Struktur, die dielektrische Schichten und metallisierte Strukturen umfasst, anzuordnen. Die kapazitiven Elemente (C) und die induktiven Elemente (L) werden dann als Metallisierungsstrukturen in den Metallisierungsschichten zwischen den dielektrischen Schichten realisiert. Metallisierungsstrukturen von unterschiedlichen Schichten können über Durchgangslöcher durch die dielektrischen Schichten elektrisch verbunden werden.
Außerdem ist es möglich, eine elektromagnetische Kopplung unter Nutzung von Übertragungsleitungen herzustellen. Übertragungsleitungen können als streifenförmige Leitersegmente realisiert werden. Die Länge der Leitersegmente kann einer Viertelwellenlänge oder Mehrfachen einer Viertelwellenlänge des entsprechenden HF-Signals entsprechen. Die streifenförmigen Leitersegmente können auch als strukturierte Metallisierungen auf einer dielektrischen Schicht oder zwischen dielektrischen Schichten in einem mehrschichtigen Bauelement realisiert werden.
Wenn Übertragungsleitungen verwendet werden, wird bevorzugt, dass die streifenförmigen Leitersegmente von verschiedenen Übertragungsleitungen hauptsächlich parallel, aber galvanisch voneinander getrennt, angeordnet werden.
Der Trend zur Miniaturisierung verlangt nach elektrischen Komponenten wie etwa elektrischen Filterbauelemente mit kleineren räumlichen Abmessungen. Um die Länge einer Übertragungsleitung zu reduzieren, ist es möglich, die entsprechende Übertragungsleitung elektrisch in Reihe mit einem kapazitiven Element zu schalten.
Es ist möglich, dass das HF-Filter eine Vielzahl von zwei oder mehr Basiskoppelsektionen umfasst, die zum Beispiel elektromagnetisch zwischen den ersten Port und den zweiten Port gekoppelt sind, zum Beispiel in Reihe zu anderen Schaltungselementen.
Es ist möglich, dass jede Basiskoppelsektion einen elektroakustischen Resonator und ein Koppelelement umfasst.
Somit sind die Anzahl der elektroakustischen Resonatoren und die Anzahl der Koppelelemente nicht auf zwei beschränkt. HF-Filter mit drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Basiskoppelsektionen mit jeweils einem elektroakustischen Resonator sind möglich.
Es ist möglich, den elektroakustischen Resonator einer Basiskoppelsektion elektromagnetisch an einen, an zwei oder an mehr elektroakustische Resonatoren zu koppeln. Dazu ist es möglich, das entsprechende Koppelelement, das elektrisch mit dem elektroakustischen Resonator verbunden werden kann, in der Nähe des entsprechenden Koppelelements der jeweiligen assoziierten Basiskoppelsektion anzuordnen. Dementsprechend ist es möglich, dass der erste Port elektrisch mit einer den ersten elektroakustischen Resonator umfassenden ersten Basiskoppelsektion verbunden wird. Die erste Basiskoppelsektion wird elektromagnetisch oder elektrisch mit einer anderen Basiskoppelsektion verbunden, das heißt einer den zweiten elektroakustischen Resonator umfassenden zweiten Basiskoppelsektion. Die zweite Basiskoppelsektion kann auch elektromagnetisch an einen dritten elektroakustischen Resonator gekoppelt werden. Somit wird das zweite Basiskoppelelement elektromagnetisch an zwei andere Basiskoppelsektionen gekoppelt.
Die Basiskoppelsektionen können iterativ ähnlich den Sprossen einer Leiter angeordnet werden, bis die letzte Basiskoppelsektion elektromagnetisch nur an ihren Vorgänger und elektrisch mit dem zweiten Port verbunden ist.
Wenn Übertragungsleitungen als elektromagnetische Koppelelemente verwendet werden, um verschiedene elektroakustische Resonatoren zu koppeln, dann kann eine Elektrode des entsprechenden elektroakustischen Resonators elektrisch zwischen ein distales Ende des Leiterfelds der Übertragungsleitung gekoppelt werden, während die jeweilige andere Elektrode des Resonators an Masse gekoppelt wird.
Das jeweilige andere distale Ende jedes Leitersegments einer Übertragungsleitung kann auch elektrisch mit Masse verbunden oder daran gekoppelt werden.
Die elektrische Verbindung der Übertragungsleitung der ersten Basiskoppelsektion und des ersten Ports kann derart angeordnet werden, dass der erste Port das entsprechende Leiterfeld an einem distalen Ende oder zwischen distalen Enden verbindet.
Entsprechend kann der zweite Port mit der letzten Basiskoppelsektion derart verbunden sein, dass der Port direkt mit einem distalen Ende oder zwischen distalen Enden des entsprechenden Leiterfelds verbunden ist.
Die Konfiguration, die elektromagnetisch aktive Elemente und elektroakustisch aktive Elemente umfasst, vergrößert die Anzahl der Freiheitsgrade für einen Designer bei der Nutzung akustischer Resonanzen und elektromagnetischer Resonanzen, um die Frequenzcharakteristika eines Filters zu steigern. Die Längen und die Positionen der Leitersegmente von Übertragungsleitungen beispielsweise können derart gewählt werden, dass eine breitbandige Banddurchlassfilterstruktur erhalten wird. Außerdem können charakteristische Frequenzen der elektroakustischen Resonatoren, zum Beispiel Resonanzfrequenzen oder Antiresonanzfrequenzen, zum Vergrößern der Steilheit von Filterflanken verwendet werden.
Eine Konfiguration, bei der ein elektroakustischer Resonator ein elektromagnetisches Koppelelement elektrisch mit Masse verbindet, erzeugt die Möglichkeit des Leitens von HF-Leistung eines Störfrequenzbereichs direkt zu Masse, insbesondere wenn der Störfrequenzbereich mit einer Resonanzfrequenz des elektroakustischen Resonators zusammenfällt. Somit wird bevorzugt, dass der Resonator derart abgestimmt wird, dass seine Resonanzfrequenz mit HF-Frequenzen zusammenfällt, für die der hohe Unterdrückungsgrad erwünscht ist oder bei denen eine sehr steile Filterflanke gewünscht ist.
Das ursprüngliche Übertragungsleitungsfilterdesign besteht aus elektromagnetisch gekoppelten Übertragungsleitungen. Ein distales Ende jeder Übertragungsleitung ist mit einem Erdungskondensator Csh verbunden, die die elektrische Länge der jeweiligen Übertragungsleitung verkürzen. Indem Csh durch einen elektroakustischen Resonator ersetzt wird, der eine statische Kapazität Cstatic gleich Csh besitzt (üblicherweise 0,5 Csh < Cstatic < 1,5 Csh), kann die gleiche Filterbandbreite erzielt werden. Durch Abstimmen der Resonanzfrequenz des elektroakustischen Resonators innerhalb des Durchlassbands wird innerhalb des Durchlassbands eine Kerbe erzeugt. Die Breite der Kerbe wird durch die Anzahl der Basissektionen bestimmt.
Es ist weiterhin möglich, dass das Filter einen zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port angeordneten Signalpfad besitzt. Der Signalpfad ist vorgesehen, um ein HF-Signal von einem der Ports zu dem anderen jeweiligen Port zu übertragen. Der Signalpfad umfasst galvanisch getrennte Sektionen. Somit ist es möglich, ein HF-Signal von dem ersten Port zu dem zweiten Port oder von dem zweiten Port zu dem ersten Port zu leiten. Somit kann der erste Port ein Eingangsport sein, und der zweite Port kann ein Ausgangsport sein, oder der zweite Port kann ein Eingangsport sein und der erste Port kann ein Ausgangsport sein.
Die Anwesenheit des Signalpfads bedeutet nicht notwendigerweise, dass eine galvanische Verbindung zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port vorliegt. Der Signalpfad kann Pfadsegmente besitzen, in denen sich das HF-Signal unter Nutzung elektrischer Ströme in einem Leitermaterial ausbreitet, und andere Segmente, in denen sich das HF-Signal als elektromagnetische Signale außerhalb eines elektrischen Leiters ausbreitet.
Es ist möglich, dass der erste elektroakustische Resonator und der zweite elektroakustische Resonator an Masse gekoppelt werden. Wenn mehr als zwei elektroakustische Resonatoren vorliegen, zum Beispiel in weiteren Basiskoppelsektionen, dann können natürlich die zusätzlichen elektroakustischen Resonatoren von zusätzlichen Basiskoppelsektionen ebenfalls an Masse gekoppelt werden.
Außerdem ist es möglich, dass die elektroakustischen Resonatoren direkt mit einer ihrer Elektroden mit einem Massepotential verbunden werden. Die jeweilige andere Elektrode kann an ein distales Ende einer Übertragungsleitung oder an ein entsprechendes elektromagnetisches Koppelelement, zum Beispiel eine LC-Schaltung, gekoppelt oder direkt mit ihm verbunden werden.
Es ist möglich, das das Filter weiterhin einen Reihenresonator oder einen Reihenkondensator umfasst, der elektrisch zwischen den ersten Port und den zweiten Port geschaltet ist.
Der oben erörterte elektroakustische Resonator kann zum Leiten von HF-Störleistung zu Masse verwendet werden und kann als Nebenschlussresonatoren bezeichnet werden. Im Gegensatz dazu ist ein Reihenresonator oder - kondensator zwischen den ersten Port und den zweiten Port geschaltet und stellt einen Teil des Signalpfads her oder stellt einen Nebenschlusspfad parallel zu dem Signalpfad oder parallel zu einer Hauptsektion des Signalpfads her.
Ein derartiger Reihenresonator oder -kondensator kann ein Schaltungselement oder einen Teil eines Schaltungselements einer Basiskoppelsektion elektrisch mit einem Schaltungselement oder einem Teil eines Schaltungselements der entsprechenden Basiskoppelsektion, die mit dem zweiten Port assoziiert ist, verbinden. Es ist möglich, dass der Reihenresonator ein distales Ende einer mit dem ersten Port assoziierten Übertragungsleitung mit einem distalen Ende einer mit dem zweiten Port assoziierten Übertragungsleitung elektrisch verbindet. Es ist möglich, dass der Reihenresonator die entsprechenden distalen Enden, die mit dem entsprechenden ersten und zweiten Port verbunden sind, elektrisch verbindet. Es ist jedoch möglich, dass der Reihenresonator oder -kondensator die mit dem ersten Port assoziierte eine Basissektion elektrisch mit einer anderen, mit dem zweiten Port zwischen den distalen Enden jeder jeweiligen Übertragungsleitung assoziierten Basissektion verbindet.
Weiterhin ist es möglich, dass das HF-Filter einen zweiten der mehr als einen weiteren Reihenresonator oder -kondensator umfasst, der elektrisch zwischen ausgewählte Basiskoppelsektionen geschaltet ist. Somit ist es möglich, dass ein Reihenresonator oder -kondensator eine unter der ersten, der zweiten, der dritten, der vierten, der fünften, der sechsten, der siebten, der achten Basiskoppelsektion ausgewählte Basiskoppelsektion mit einer unter der ersten, der zweiten, der dritten, der vierten, der fünften, der sechsten, der siebten, der achten Basiskoppelsektion ausgewählten Koppelsektion verbindet.
Es ist möglich, dass die Resonanzfrequenz des ersten und/oder des zweiten elektroakustischen Resonators so vorgesehen wird, dass eine oder mehrere Kerben in einer Übertragungsfunktion des Filters erzeugt werden.
Wie bereits oben beschrieben, wird es bevorzugt, eine Resonanz eines elektroakustischen Resonators zu verwenden, um eine Kerbe zu erzeugen oder die Steilheit einer Durchlassbandflanke zu steigern, und eine statische Kapazität eines elektroakustischen Resonators zu verwenden, um die elektrische Länge einer Übertragungsleitung zu reduzieren.
Die oben beschriebene Topologie gestattet Durchlassbandfilter mit einer vergrößerten Durchlassbandbreite, während sie gleichzeitig ultrasteile Filterflanken besitzen. Durch Variieren der Anzahl von Basiskoppelsektionen kann die Breite des Durchlassbands an eine spezifische Anforderung angepasst werden. Die Vorkehrung von elektroakustischen Resonatoren mit entsprechenden charakteristischen Frequenzen kann verwendet werden, um steile Durchlassbandflanken oder Kerben an bevorzugten Positionen innerhalb eines Durchlassbands bereitzustellen. Somit ist es möglich, Kerben zu verwenden, um ein Durchlassband in zwei oder mehr Frequenzsektionen zu unterteilen. Die Kerbenbreite hängt von der Anzahl von Basissektionen und der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Basissektionen ab.
Ein Beispiel besteht in dem Bereitstellen eines Durchlassbandfilters, der mit den Anforderungen von Frequenzblöcken eines Sub-Sechs-5G-Spektrums kompatibel ist. Insbesondere ist es möglich, ein Durchlassband vorzusehen, das eine geringe Einfügungsdämpfung zwischen 3,3 GHz und 3,8 GHz und zwischen 4,4 GHz und 4,99 GHz und zwischen 5,15 GHz und 5,925 GHz besitzt, was mit gegenwärtiger Filtertechnologie und Designmethodik nicht möglich ist.
Es ist möglich, dass das Filter ein Multiband-HF-Filter ist. Das heißt, das vorgesehene Durchlassband ist so breit, dass mehr als ein nutzbares Frequenzband, zum Beispiel von einem oder mehreren Kommunikationssystemen, darin platziert werden können.
Innerhalb des Bands können keine oder eine oder mehrere künstliche Kerben solche Bänder trennen.
Es ist möglich, dass die oben beschriebene Topologie als eine HF-Filterbauelement realisiert wird. Das Filterbauelement kann ein mehrschichtiges Trägersubstrat besitzen. Das mehrschichtige Trägersubstrat kann zwei oder mehr dielektrische Schichten besitzen. Die zwei oder mehr elektroakustischen Resonatoren sind an der Oberseite des Trägersubstrats und/oder in einem in das Trägersubstrat eingebetteten Hohlraum angeordnet. Das eine oder die mehreren Koppelelemente für das elektromagnetische Koppeln der elektroakustischen Resonatoren sind als metallisierte Strukturen in Metallisierungsschichten zwischen dielektrischen Schichten realisiert.
Es ist möglich, dass das HF-Bauelement weiterhin eine integrierte passive Einrichtung (IPD - Integrated Passive Device) und ein piezoelektrisches Material umfasst. Die elektroakustischen Resonatoren und die Koppelelemente sind auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat angeordnet.
Das piezoelektrische Substrat kann das piezoelektrische Material umfassen oder daraus bestehen. Das piezoelektrische Material kann zum Beispiel LiTaO₃ (Lithiumtantalat), LiNbO₃ (Lithiumniobat) oder ein anderes typisches Material für BAW- oder GBAW-Bauelemente sein. Entsprechend können die Resonatoren vom SAW-Typ, vom BAW-Typ und/oder vom GBAW-Typ sein.
Es ist möglich, dass das Trägersubstrat ein LTCC-Substrat (LTCC = Low Temperature Co-Fired Ceramics) oder ein HTCC-Substrat (HTCC = High Temperature Co-Fired Ceramics) ist. Weiterhin ist es möglich, dass das Trägersubstrat laminiertes Material umfasst, das ein Polymermaterial, eine IPD (Integrated Passive Device) umfassen kann oder auf einem piezoelektrischen Material, zum Beispiel LiTaO₃, LiNbO₃, BAW oder GBAW, implementiert werden kann.
Ausgewählte Aspekte und Details von ausgewählten Ausführungsformen werden anhand der beiliegenden Schemazeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine mögliche Konfiguration des HF-Filters,
2 ein HF-Filter unter Verwendung von Koppelelementen,
3 die Möglichkeit des Verwendens von LC-Elementen,
4 die Möglichkeit des Verwendens von Übertragungsleitungen,
5 die Möglichkeit des Bereitstellens von mehreren Basiskoppelsektionen,
6 die Möglichkeit von Reihenresonatoren,
7 die Möglichkeit von Reihenresonatoren oder Reihenkondensatoren,
8 die Möglichkeit des Bereitstellens eines Durchlassbands,
9 die Möglichkeit des Bereitstellens von zwei Durchlassbändern, die durch ein Frequenzgebiet mit einer großen Außerbandunterdrückung getrennt sind,
10 die Möglichkeit des Bereitstellens von zwei Durchlassbändern, die durch ein Frequenzgebiet mit einer großen Außerbandunterdrückung getrennt sind, und einer sehr steilen linken Flanke im ersten Durchlassband und einer sehr steilen rechten Flanke im zweiten Durchlassband.

1 zeigt eine mögliche Anordnung eines breitbandigen HF-Filters F. Das Filter F umfasst einen ersten Port P1 und einen zweiten Port P2. Weiterhin umfasst das Filter F einen ersten Resonator R1 und einen zweiten Resonator R2. Der erste Resonator R1 und der zweite Resonator R2 sind elektroakustische Resonatoren, die mit Schallwellen arbeiten. Eine elektromagnetische Kopplungs-EMV existiert zwischen den beiden elektroakustischen Resonatoren.
Der erste Port P1 kann zum Empfangen von HF-Signalen von einer externen Schaltungsumgebung verwendet werden, und der zweite Port P2 kann zum Liefern gefilterter HF-Signale an eine zusätzliche externe Schaltungsumgebung verwendet werden.
Die Verwendung von beiden: elektroakustische Effekte und elektromagnetische Effekte liefern eine vergrößerte Anzahl von Möglichkeiten und eine erhöhte Anzahl von Freiheitsgraden, um Frequenzcharakteristika von HF-Filtern zu steigern.
2 zeigt eine breitbandige HF-Filterkonfiguration F unter Verwendung eines ersten Koppelelements CE1 und eines zweiten Koppelelements CE2, um die elektromagnetische Kopplung EMV zwischen dem ersten elektroakustischen Resonator R1 und dem zweiten elektroakustischen Resonator R2 herzustellen.
Das erste Koppelelement CE1 und das zweite Koppelelement CE2 sind nicht auf spezifische Typen von Koppelelementen beschränkt. Die beiden Koppelelemente können von einem beliebigen Typ sein, der eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen ihnen gestattet. Das erste Koppelelement CE1 kann vom gleichen Typ wie das zweite Koppelelement CE2 sein. Es ist jedoch möglich, dass die Typen von Koppelelementen für das erste Koppelelement CE1 und das zweite Koppelelement CE2 verschieden sind.
3 zeigt die Möglichkeit des Verwendens von kapazitiven (C) Elementen und/oder induktiven (L) Elementen, um die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Resonatoren herzustellen. Jedes der LC-Elemente kann als ein strahlendes „Antennenelement“ für das jeweilige assoziierte Element der entsprechenden Koppelschaltung CC wirken. Kapazitive Elemente und induktive Elemente können elektrisch parallel geschaltet werden, um eine LC-Parallelschaltung herzustellen, oder können elektrisch in Reihe geschaltet werden, um eine LC-Reihenschaltung herzustellen.
4 zeigt die Möglichkeit des Verwendens einer Übertragungsleitung TL in einer gekoppelten Schaltung CC. Die Übertragungsleitungen TL umfassen Leiterfelder, die parallel und beieinander angeordnet sein können, um die elektromagnetische Kopplung zwischen den Übertragungsleitungen zu steigern. Der erste Port P1 bzw. der zweite Port P2 können elektrisch an ein distales Ende oder zwischen distale Enden der Übertragungsleitungen TL angeschlossen sein. Die jeweiligen anderen distalen Enden der Übertragungsleitungen TL können über die akustischen Resonatoren R1, R2 elektrisch mit Masse verbunden sein.
Eine Eigenschaft eines elektroakustischen Resonators besteht darin, dass er eine statische Kapazität besitzt, die gestattet, die geometrische Länge der Übertragungsleitung TL, mit der der Resonator verbunden ist, zu reduzieren. Somit liefert eine Kombination aus einer Übertragungsleitung und einem elektroakustischen Resonator nicht nur die Möglichkeit, die akustische Resonanz zu verwenden und die elektroakustische Resonanz bereitzustellen, sondern sie unterstützt auch, die räumlichen Abmessungen der entsprechenden Filterbauelemente zu reduzieren.
5 veranschaulicht die Möglichkeit, mehr als zwei Basiskoppelsektionen zu haben. Jede Basissektion ist an den Rest der Basissektionen des Filters mit dem Koppelfaktor gekoppelt, der durch die Leitungslänge, die Dicke und die dielektrische Konstante des dielektrischen Substrats, die Distanz zwischen jeder Leitung, die Breite der Leitung, die Dicke der Leitung, Verbindung mit Masse und elektrische Eigenschaft der Masse (wie etwa Induktanz der Masse) bestimmt wird.
Das Filter F kann eine erste Basiskoppelsektion BCS1, eine zweite Basiskoppelsektion BCS2 und eine n-te Basiskoppelsektion BCSn besitzen. Die Zahl n kann 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr betragen. Die erste Basiskoppelsektion BCS1 und die n-te Basiskoppelsektion BCSn sind elektromagnetisch nur an eine weitere Basiskoppelsektion gekoppelt: die erste Basiskoppelsektion BCS1 ist elektromagnetisch nur an die zweite Basiskoppelsektion BCS2 gekoppelt. Die n-te Basiskoppelsektion BCSn ist elektromagnetisch nur an die n-1-te Basiskoppelsektion gekoppelt. Jedoch sind die anderen Basiskoppelsektionen elektromagnetisch an zwei weitere Basiskoppelsektionen gekoppelt: die Basiskoppelsektion mit der nächstniedrigeren Zahl und mit der nächsthöheren Zahl.
Die Anzahl von Basiskoppelsektionen bestimmt hauptsächlich die Bandbreite der entsprechenden Übertragungsfunktion. Die Anzahl von Resonatoren bestimmt die Anzahl der möglichen Kerbfrequenzen.
Es ist möglich, dass das Filter weitere Übertragungsleitungen besitzt, die nicht direkt elektrisch an einen Resonator oder weitere Resonatoren angeschlossen sind, die nicht direkt elektrisch mit einer Koppelschaltung wie etwa eine LC-Schaltung oder eine Übertragungsleitung verbunden sind.
Es ist anzumerken, dass der Verbindungspunkt der ersten Basiskoppelsektion BCS1 mit dem ersten Port und der n-ten Basiskoppelsektion BCSn mit dem zweiten Port nicht auf die gezeigte Position beschränkt sind. Ein HF-Signal kann auch in die Filterstruktur F eingespeist und an anderen Positionen aus der Filterstruktur extrahiert werden.
6 veranschaulicht die Möglichkeit des elektrischen Verbindens eines Reihenresonators entlang des Signalpfads. Es ist möglich, einen ersten Reihenresonator SR1 elektrisch zwischen die erste Basiskoppelsektion und die letzte Basiskoppelsektion zu schalten. Insbesondere ist es möglich, den ersten Reihenresonator SR1 elektrisch an einem Ort nahe dem Verbindungspunkt des ersten Ports P1 bzw. des zweiten Ports P2 anzuschließen.
Als eine Alternative oder zusätzlich zu dem ersten Reihenresonator SR1 ist es möglich, einen zweiten Reihenresonator SR2 vorzusehen, der die jeweils entgegengesetzten distalen Enden der Übertragungsleitungen elektrisch verbinden kann.
7 veranschaulicht die Möglichkeit des elektrischen Verbindens eines Reihenresonators oder eines Reihenkondensators entlang des Signalpfads. Es ist möglich, eine ersten Reihenresonator SR1 oder den ersten Reihenkondensator SC1 elektrisch zwischen die erste Basiskoppelsektion und die letzte Basiskoppelsektion zu schalten. Insbesondere ist es möglich, den ersten Reihenresonator SR1 oder den ersten Reihenkondensator SC1 an einem Ort nahe dem Verbindungspunkt des ersten Ports P1 bzw. des zweiten Ports P2 zu verbinden.
Als eine Alternative oder zusätzlich zu dem ersten Reihenresonator SR1 oder zu dem ersten Reihenkondensator SC1 ist es möglich, einen zweiten Reihenresonator SR2 oder einen zweiten Reihenkondensator SC2 vorzusehen, die jeweils die entgegengesetzten distalen Enden oder zwischen distalen Enden der Übertragungsleitungen elektrisch verbinden können. Die entgegengesetzten distalen Enden können elektrisch mit einem erdenden Koppelelement GCE verbunden sein. Das erdende Koppelelement kann ein Induktor sein, der größer oder gleich 0,1 nH ist, eine Übertragungsleitung oder eine Kombination aus dem Induktor und der Übertragungsleitung.
8 veranschaulicht die Übertragungscharakteristika (Matrixelement S21) und Reflexionscharakteristika (Matrixelement S11) eines Bandpassfilters, das fünf Basiskoppelsektionen umfasst. Das Matrixelement S11 zeigt die Anwesenheit von vier Kerben in der Reflexionscharakteristik entsprechend guten Übertragungswerten.
Die Anzahl der Kerben im Matrixelement S11 hängt von der Anzahl der Basiskoppelsektionen ab.
Weiterhin veranschaulicht 9 Filtercharakteristika einer verbesserten Ausführungsform, die fünf Basiskoppelsektionen mit einer Übertragungsleitung und einem elektroakustischen Resonator in jeder Basiskoppelsektion umfasst. Die Übertragungscharakteristik (Matrixelement S21) ist vorgesehen. Elektroakustische Resonanzen werden verwendet, um Kerben innerhalb des Durchlassbands zu erzeugen, was zu mehreren Durchlassbändern (PB1 und PB2) führt. Weiterhin wird die kombinierte Breite des resultierenden Durchlassbands durch die Einführung der Kerbe nicht wesentlich beeinflusst. PB1+PB2 beträgt etwa PB.
10 veranschaulicht Filtercharakteristika einer verbesserten Ausführungsform, die fünf Basiskoppelsektionen mit einer Übertragungsleitung, einem elektroakustischen Resonator in jeder Basiskoppelsektion und einem zwischen den ersten Port und den zweiten Port geschalteten Reihenkondensator umfasst. Die Übertragungscharakteristik (Matrixelement S21) liefert ein erstes Durchlassband PB1 mit einer sehr steilen linken Flanke und ein zweites Durchlassband PB2 mit einer sehr steilen rechten Flanke. Zwischen den beiden Durchlassbändern ist ein Frequenzbereich mit einem hohen Reflexionsvermögen (Matrixelement S11) vorgesehen. Elektroakustische Resonanzen werden verwendet, um Kerben innerhalb des Durchlassbands zu erzeugen, was zu mehreren Durchlassbändern (PB1 und PB2) führt. Weiterhin wird die kombinierte Breite des resultierenden Durchlassbands durch die Einführung der Kerbe nicht wesentlich beeinflusst.
Das breitbandige HF-Filter und das Filterbauelement sind nicht auf den oben beschriebenen Gegenstand und auf die in den beiliegenden Figuren gezeigten technischen Merkmale beschränkt. Filtertopologien, die weitere Filterelemente wie etwa Resonatoren, Übertragungsleitungen, LC-Schaltungen oder Nebenschluss- oder zusätzliche Parallelpfade umfassen, sind ebenfalls umfasst. Das Bauelement kann auch weitere dielektrische oder Metallisierungsschichten und Elemente umfassen, die in einer Außenseite des Substrats integriert oder darauf angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

BDCS1, 2...:: erste, zweite, ..., Basiskoppelsektion
CC:: Koppelschaltung umfassend ein Koppelelement
CE1, CE2:: erstes, zweites Koppelelement
Csh:: Erdungskondensator
Cstatic:: statische Kapazität eines elektroakustischen Resonators
EMV:: elektromagnetische Kopplung
F:: breitbandiges HF-Filter
GCE:: erdendes Koppelelement
P1, P2:: erster, zweiter Port
PB:: Durchlassband
R1, R2:: erster, zweiter elektroakustischer Resonator
S11, S21:: Matrixelemente
SR, SR2:: erster, zweiter Reihenresonator
TL:: Übertragungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8031035 B2 [0004]

Claims

Breitbandiges HF-Filter, umfassend - einen ersten Port und einen zweiten Port, - einen ersten elektroakustischen Resonator, der an den ersten Port gekoppelt ist, - einen zweiten elektroakustischen Resonator, der an den zweiten Port gekoppelt ist, wobei - der erste elektroakustische Resonator elektromagnetisch an den zweiten elektroakustischen Resonator gekoppelt ist.
Breitbandiges HF-Filter, umfassend - einen ersten Port und einen zweiten Port, - einen ersten elektroakustischen Resonator, der an den ersten Port gekoppelt ist, - einen zweiten elektroakustischen Resonator, der an den zweiten Port gekoppelt ist, - ein erstes Koppelelement, das elektrisch mit dem ersten Resonator verbunden ist, - ein zweites Koppelelement, das elektrisch mit dem zweiten Resonator verbunden ist, wobei das erste Koppelelement an das zweite Koppelelement gekoppelt ist.
Filter nach dem vorausgegangenen Anspruch, wobei - das erste Koppelelement elektromagnetisch an das zweite Koppelelement gekoppelt ist und - das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement den ersten elektroakustischen Resonator an den zweiten elektroakustischen Resonator koppeln.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elektroakustische Resonator und der zweite elektroakustische Resonator über eine Koppelschaltung, die eine oder mehrere LC-Schaltungen oder eine oder mehrere Übertragungsleitungen umfasst, gekoppelt sind.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von zwei oder mehr Basiskoppelsektionen, die in Reihe zwischen den ersten Port und den zweiten Port gekoppelt sind.
Filter nach dem vorhergegangenen Anspruch, wobei jede Basiskoppelsektion einen elektroakustischen Resonator und ein Koppelelement umfasst.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend - angeordnet zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port, einen Signalpfad, der vorgesehen ist, um ein HF-Signal von dem ersten Port zu dem zweiten Port zu übertragen, Wobei - der Signalpfad galvanisch getrennte Sektionen umfasst.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elektroakustische Resonator und der zweite elektroakustische Resonator an Masse gekoppelt sind.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Reihenresonator oder einen Reihenkondensator, der elektrisch zwischen den ersten Port und den zweiten Port gekoppelt ist.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Resonanzfrequenz des ersten und/oder des zweiten elektroakustischen Resonators vorgesehen ist, um eine oder mehrere Kerben in einer Übertragungsfunktion des Filters zu erzeugen.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Multiband-HF-Filter ist.
HF-Filterbauelement umfassend die Filtertopologie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - umfassend ein mehrschichtiges Trägersubstrat mit dielektrischen Schichten, wobei - die elektroakustischen Resonatoren an der Oberseite des Trägersubstrats und/oder in einem in das Trägersubstrat eingebetteten Hohlraum angeordnet sind, - Koppelelemente zum elektromagnetischen Koppeln der Resonatoren als metallisierte Strukturen in Metallisierungsschichten zwischen dielektrischen Schichten realisiert sind.
HF- Filterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend - eine integrierte passive Einrichtung (IPD - Integrated Passive Device); - ein piezoelektrisches Material, wobei - die elektroakustischen Resonatoren und die Koppelelemente auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat angeordnet sind.