Metzger, Thomas (Hochkalterstr. 9, München, 81547, DE)
Orlenko, Denys (Oberföhringer Str. 107a, München, 81925, DE)
Schmidhammer, Edgar (Hochgernstr. 28, Stein, 83371, DE)
Sevskiy, Georgiy (Karl-Marx-Ring 58, München, 81735, DE)
Heide, Patric (Zugspitzstr. 97, Vaterstetten, 85591, DE)
Metzger, Thomas (Hochkalterstr. 9, München, 81547, DE)
Orlenko, Denys (Oberföhringer Str. 107a, München, 81925, DE)
Schmidhammer, Edgar (Hochgernstr. 28, Stein, 83371, DE)
Sevskiy, Georgiy (Karl-Marx-Ring 58, München, 81735, DE)
| 1. | Filter für mobile drahtlose Datenübertragung mit einem Mehrlagensubstrat (ML) , welches dielektrische Schichten (DL) und darauf oder dazwischen angeordnete, metallische Strukturen (MS) umfassende Metallisierungs¬ ebenen aufweist, mit einem Basisfilter (BF) , aufgebaut als Filter aus LC Gliedern und/oder Streifenleitungsresonatoren, die durch die metallischen Strukturen innerhalb des Mehrlagensub¬ strats realisiert sind, mit einem ersten Resonator (Rl) , der als diskrete Kompo¬ nente auf dem Mehrlagensubstrat angeordnet ist und eine höhere Güte aufweist als das Basisfilter, wobei der Resonator elektrisch seriell oder parallel mit dem Basisfilter verschaltet ist wobei die Resonanzfrequenz des Resonators abseits der Mittenfrequenz des Basisfilters liegt. |
| 2. | Filter nach Anspruch 1, bei dem der erste Resonator (R, Rl) ein hochgütiger Resonator ist, ausgewählt aus SAW Resonator, FBAR Resonator und hochgü¬ tiger Spule. |
| 3. | Filter nach Anspruch 1.oder 2 , mit einem als Bandpassfilter aufgebauten Basisfilter (BF) , bei dem die Resonanzfrequenz des ersten Resonators (Rl) im Bereich der Passbandflanken des Basisfilters (BF) angeordnet ist. |
| 4. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest ein weiterer Resonator (R2 , R3) seriell o der parallel mit dem Basisfilter (BF) verschaltet ist, dessen Resonanzfrequenz von der des ersten Resonators (Rl) verschie¬ den ist, wobei die Resonanzfrequenz des weiteren Resonators (R2, R3) abseits der Mittenfrequenz des Basisfilters liegt. |
| 5. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Resonanzfrequenz des oder der Resonatoren (Rl, R2, R3) zumindest 5% bis ca. 10% abseits der Mittenfrequenz dieses Basisfilters (BF) liegt. |
| 6. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Mehrlagensubstrat (ML) eine LTCC Keramik, eine HTCC Keramik oder ein organisches Mehrlagenlaminat ist . |
| 7. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem einer der Resonatoren (Rl, R2, R3) in einem Parallel zweig zum Basisfilter (BF) angeordnet und gegen Masse ge¬ schaltet ist, wobei dessen Resonanzfrequenz bei einer Ober¬ wellenfrequenz des Basisfilters liegt. |
| 8. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , bei dem mehrere als FBAR Resonatoren ausgebildete Resona¬ toren (Rl, R2, R3) mit dem Basisfilter (BF) verschaltet sind, bei dem alle FBAR Resonatoren auf einem gemeinsamen Sub¬ strat ausgebildet sind, bei dem alle FBAR Resonatoren eine jeweils unterschiedli¬ che Abstimmschicht aufweisen und darüber hinaus den glei¬ chen Aufbau besitzen. |
| 9. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der als FBAR ausgebildeter Resonator (R, Rl, R2, R3) über einem akustischen Spiegel angeordnet ist, wobei die Re flektivität des akustischen Spiegels so ausgebildet ist, dass eine höhere Mode des Resonators unterstützt, die Grundmode aber unterdrückt wird. |
| 10. | Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem weitere Einzelkomponenten zur Anpassung des Filters auf dem Mehrlagensubstrat (ML) angeordnet oder in das Mehrla¬ gensubstrat integriert sind. |
| 11. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Resonator (R, Rl, R2, R3) mit einer Folie (AF) abgedeckt ist, die allseitig dicht mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats (ML) abschließt . |
| 12. | Filter nach Anspruch 11, bei dem auf der Folie (AF) eine Metallschicht (SM) angeordnet ist, die mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats (ML) ab¬ schließt über die metallischen Strukturen (MS) im Innern des Mehrlagensubstrats mit einem Masseanschluss (AK) des Filters elektrisch leitend verbunden ist. |
| 13. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12/ bei dem ein weiteres Basisfilter (BF) und zumindest ein wei¬ terer damit elektrisch verbundener Resonator (R, Rl, R2,, R3) vorgesehen sind, die zusammen mit dem durch das erste Basis filter und den ersten Resonator ausgebildete Filter einen Duplexer oder einen Diplexer bilden. |
| 14. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, aufgebaut auf einem Mehrlagensubstrat (ML) aus LTCC und mit mindestens einem FBAR Resonator (R) , der als SMR Resonator ausgebildet ist. |
| 15. | Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der oder die Resonatoren (Rl, R2 , R3) in FlipChip Technik auf dem Mehrlagensubstrat (ML) montiert sind. |
| 16. | Anwendung eines Filter nach einem der vorangehenden An¬ sprüche für Filteranwendungen im Bereich von 1 bis 10 GHz. |
| 17. | Anwendung nach Anspruch 16 für Filteranwendungeri im Be¬ reich von über 2, 2 GHz. |
| 18. | Filter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 15, mit einem als Bandsperre aufgebauten Basisfilter (BF) . |
| 19. | Filter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 15, mit einem als Tief oder Hochpass aufgebauten Basisfilter (BF) . |
Integriertes Filter
Für Anwendungen in der mobilen Datenübertragung, insbesondere im Bereich der mobilen Kommunikation, sind zur Trennung der unterschiedlichen Bändern oder Standards zugeordneten Fre¬ quenzbereiche Passbandfilter erforderlich, die störende Sig¬ nale unterdrücken. Die Bandbreite eines solchen Filters muss geeignet sein, sämtliche Frequenzen gegebenen Frequenzbe¬ reichs eines Übertragungsstandards oder eines Übertragungs- Systems mit Hilfe eines Filters zu erfassen bzw. möglichst ungedämpft durchzulassen. Im Bereich der mobilen Kommunikati¬ on sind Bandbreiten von 2 bis 5 % bezogen auf die Bandmitten¬ frequenz erforderlich. Für andere DatenübertragungsSysteme, beispielsweise WLAN, können die Bandbreiten auch höher sein.
Neben dem Mobilfunk werden beispielsweise Bandpassfilter für die Frequenzbänder von Bluetooth-Applikationen (2,40 bis 2,50 GHz) oder für Wireless-LAN (2,40 bis 2,50 GHz und 4,90 bis 5,90 GHz) benötigt. Die Filter müssen dabei die durch den je¬ weiligen Datenübertragungsstandard geforderten Eigenschaften erfüllen, insbesondere bezüglich Frequenz, Bandbreite, Einfü¬ gedämpfung, Stoppbandunterdrückung und Flankensteilheit des Passbandes . Je nach Anforderung sind dafür unterschiedliche Filtertechnologien einsetzbar bzw. erforderlich.
Für Anwendungen bei Frequenzen über 2 GHz werden häufig Mik¬ rowellenkeramikfilter (MWK-Filter) eingesetzt, die in mono¬ lithische Keramikkörpern eingebettete koaxiale Resonatoren aufweisen. Die Filter sind schmalbandig und weisen gute Se¬ lektionseigenschaften im Nah- und Fernbereich auf. Auch die Einfügedämpfung, die die Verluste des Filters bestimmt, ist
bei MWK-Filtern relativ gering und liegt bei ca. 1 dB. Nach¬ teil der MWK-Filter ist deren vergleichsweise große Bauform und insbesondere die große Bauhöhe, die einer Integration dieser Filter in Module entgegensteht. Darüber hinaus sind mit diesen Filtern ohne größeren Aufwa.nd nur Passbänder bis ca. 5 % Bandbreite realisierbar.
Für Frequenzen bis ca. 2 GHz sind SAW- Filter einsetzbar, die bei sehr kleiner Baugröße sehr gute Na.hselektionseigensch.af- ten aufweisen. Nachteilig bei SAW-FiItern ist deren relative hohe Einfügedämpfung von momentan ca. 2,5 bis 3 dB und deren relativ hohe Herstellungskosten. Darüber hinaus ist für Fre¬ quenzen > 2 GHz eine hoch auflösende Fotolithographie zur Herstellung erforderlich, die derzeit noch nicht kostengüns¬ tig verfügbar ist. Auch ist die relative Bandbreite von SAW- Filtern auf etwa 5 % begrenzt .
Möglich ist es auch, ein Bandpassfilter unter Verwendung von LC-Resonatoren auszubilden, die als strukturierte metallische Strukturen in mehrlagige Substrate uncd insbesondere in Kera¬ miksubstrate eingebettet sind. Diese !FiIter haben den Vor¬ teil, dass sie in sehr kompakter Bauweise zu realisieren sind. Nachteilig ist jedoch die geringe Güte der Filter, und die Tatsache, dass mit diesen Filtern weder eine genaue Reso¬ nanzfrequenz noch steile Passbandflanlken realisiert werden können. Über die in Kauf zu nehmenden. Toleranzen während der Herstellung der Mehrlagenkeramik, die sich in einem Lagenver¬ satz von einer Lagendickentoleranz äu_ßern kann, ergeben sich fertigungsbedingt außerdem FrequenzverSchiebungen der Filter¬ kurven in der Größenordnung bis zu einigen Prozent. Vorteil¬ haft sind bei diesen Filtern jedoch eieren geringe Herstell¬ kosten, die große erzielbare relative Bandbreite von ca. 5 bis 20 % sowie eine gute Fernabselektion, während die Nahse-
lektion nur moderat ist. Die Einfügedämpfungen sind mit 1 bis 2 dB in der Regel höher als bei MWK-Filtern, jedoch geringer als bei SAW-Filtern.
FBAR-Filter (FBAR = Thin Film BuIk Acoustic Wave Resonator) sind als Dünnschichtbauelemente aufgebaute Volumenwellenreso¬ natoren, die kompakt und schmalbandig sind und ausgezeichnete Nahselektionseigenschaften aufweisen. FBAR-Filter s±nd z. B. aus der Druckschrift US 5,760,663 bekannt. Sie können bis hin zu sehr hohen Frequenzen von momentan ca. 10 GHz eingesetzt werden, besitzen allerdings eine nur moderate Fern¬ abselektion, die sich nur unter Inkaufnahme höherer Verluste verbessern lässt. Bandpassfilter mit höheren Bandbreiten las¬ sen sich mit FBAR-Technologie derzeit nicht realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Filter mit guter Nah- und Fernselektion anzugeben, welches kostengünstig, kompakt und mit großer Bandbreite zu realisie¬ ren ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filter- mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausges¬ taltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entneh¬ men.
Die Erfindung besteht darin, ein bekanntes Low-Cost-Filter als Basisfilter zu verwenden, welches eine einfache Filter¬ funktion mit einem breiten Passband (oder bei einer: Bandsper¬ re Sperrband) zur Verfügung stellt. Dieses Filter wird nun erfindungsgemäß mit hochgütigen Resonatoren so verschaltet, dass die Filtereigenschaften an entscheidenden Stellen so verbessert werden, dass die Filter höherwertige Anforderungen für Datenübertragungsanwendungen erfüllen können. Das Basis-
filter ist dabei in ein Mehrlagensubstrat integriert und durch metallische Strukturen realisiert, die in Metallisie¬ rungsebenen zwischen den dielektrischen Schichten des Mehrla¬ gensubstrats ausgebildet sind. Das Basisfilter umfasst LC- Glieder, also aus den Metallstrukturen ausgebildete Kondensa¬ toren und Spulen bzw. Induktivitäten und/oder Streifenlei¬ tungsresonatoren, die ebenfalls aus den Metallstrukturen rea¬ lisiert werden können. Der hochgütige Resonator ist als dis¬ krete Komponente auf dem Mehrlagensubstrat angeordnet und e- lektrisch mit dem Basisfilter verschaltet.
Die Güte des Resonators ist höher als die des Basisfilters und weist beispielsweise den zwei- bis fünffachen Wert auf. Auf diese Weise gelingt es, beispielsweise bei einem als Passband ausgebildeten Basisfilter die Flanken des Passbandes zu versteuern. Dadurch wird insbesondere die Nachselektion verbessert. Mit dem Einsatz der hochgütigen Resonatoren ge¬ lingt es außerdem, die bei der Herstellung des Mehrlagensub¬ strats in Kauf zu nehmenden Fertigungstoleranzen auszuglei¬ chen bzw. die Frequenzen und Filtereigenschaften des Gesamt¬ filters zu stabilisieren.
Das Basisfilter kann auch als Bandsperre mit einem Sperrband. , Tief- oder Hochpass ausgebildet sein.
Die Resonatoren werden genau an den Stellen im Frequenzband eingesetzt, an denen das Basisfilter die gewünschten Spezifi¬ kationen für einen Datenübertragungsstandard oder für ein Ü— bertragungsband nicht erfüllt. Solche Stellen können bei¬ spielsweise konkrete zu unterdrückende Störfrequenzen sein, beispielsweise ein benachbartes Übertragungsband oder auch Oberwellen, die im System zu unerwünschten Effekten führen können.
Ein erfindungsgemäßes Filter umfasst einen oder mehrere Reso¬ natoren, die elektrisch seriell oder parallel mit dem Basis¬ filter verschaltet sind. Die Resonanzfrequenz der Resonatoren liegt stets abseits einer Bezugsfrequenz, vorzugsweise der Mittenfrequenz des Basisfilters, wobei die Resonatoren in ei¬ ner Variante auch kein eigenständiges Bandpassfilter ausbil¬ den.
Der erfindungsgemäß eingesetzte hochgütige Resonator kann in unterschiedlichen Technologien gefertigt werden. Möglich ist es, diesen als SAW-Resonator, als FBAR-Resonator, als MEMS- Resonator oder als hochgütige Spule auszuführen. Insbesondere als SAW-Resonator oder als FBAR-Resonator ausgebildet wird ein kompaktes Filter geringer Bauhöhe erhalten.
Mit einem FBAR-Resonator wird ein erfindungsgemäßes Filter erhalten, dessen Einfügedämpfung niedriger ist als die eines ausschließlich aus FBAR-Resonatoren hergestellten Filters und nur leicht höher ist als die eines nur aus LC-Gliedern herge¬ stellten integrierten Filters. Das Basisfilter des erfin¬ dungsgemäßen Filters ist kostengünstig. Das Filter benötigt nur einen oder wenige zusätzliche Resonatoren, sodass auch die Gesamtkosten des Filters niedrig sind. Das Filter lässt sich mit einer Bandbreite bis ca. 20 % realisieren und be¬ sitzt an sich die bekannten guten Fernabselektionseigenschaf- ten integrierter LC-Filter. Wesentlich verbessert gegenüber bekannten LC-Filtern sind jedoch die Nahselektion, die über die steileren Passbandflanken erreicht wird, sowie die Fre¬ quenzstabilität, die durch die geringen Fertigungstoleranzen von FBAR-Resonatoren erreicht wird.
Ein erfindungsgemäßes Filter kann mehrere Resonatoren aufwei¬ sen, die in serieller und/oder paralleler Schaltung zum Ba¬ sisfilter eingesetzt werden können.
Für das Mehrlagensubstrat können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Geeignet sind beispielsweise Mehrlagenla¬ minate, wie sie beispielsweise für mehrlagige Leiterplatten eingesetzt werden. Aufgrund der besseren dielektrischen Ei¬ genschaften sind jedoch keramische Mehrlagensubstrate bevor¬ zugt. Dies sind beispielsweise HTCC- und LTCC-Substrate, wo¬ bei Letztere aufgrund der Möglichkeit, eine Vielzahl passiver Bauelemente zu integrieren, der niedrigeren Herstellungstem¬ peratur und der günstigeren Materialien bevorzugt sind. In LTCC-Keramik ausgebildete Basisfilter lassen sich in sehr kompakter Bauweise von derzeit beispielsweise bis zu 2,0 * 1,25 mm 2 realisieren, wobei insbesondere die geringe Bauhöhe von derzeit erreichbaren 0, 8 mm als besonderer Vorteil zu nennen ist. Die Fernabselektion ist besser als 40 dB. Zusam¬ men mit der diskreten Resonatorkomponente, die als SAW- Resonator oder FBAR-Resonator ebenfalls in geringer Bauhδhe ausführbar ist, wird auch insgesamt ein kompaktes Filter ge¬ ringer Bauhöhe und geringer Fläche erhalten.
Besonders vorteilhaft ist es möglich, das Mehrlagensubstrat als Substrat für ein Modul zu verwenden, in das neben weite¬ ren Komponenten und Funktionen das erfindungsgemäße Filter integriert ist. Das Modul kann in das Mehrlagensubstrat in¬ tegriert weitere Schaltungskomponenten umfassen, beispiels¬ weise Anpassungselemente wie Induktivitäten und Kapazitäten. Auf der Oberfläche des Mehrlagensubstrats können weiter dis¬ krete Komponenten angeordnet sein, beispielsweise weitere hochgütige Resonatoren oder auch integrierte Halbleiter- Bauelemente, in denen Schalt- oder Verstärker funktionen des
Moduls verwirklicht sein können. Als diskrete Komponenten auf dem Mehrlagensubstrat angeordnete ICs können auch zur weite¬ ren Signalerzeugung oder -Verarbeitung eingesetzt werden oder beispielsweise auch nur das Signal verstärken.
Die erfindungsgemäß eingesetzten hochgütigen Resonatoren kön¬ nen zur Erzeugung von Polstellen (= Frequenzfalle, Notch) in einem gegen Masse geschalteten Parallelzweig angeordnet wer¬ den. Ein solcher „paralleler" Resonator erzeugt bei seiner Resonanzfrequenz eine Polstelle im Übertragungsverhalten des Gesamtfilters. Dort wird das Signal besonders gut gedämpft. Die Breite einer solchen Polstelle ist von der Bandbreite bzw. der Kopplung des Resonators bestimmt.
Ein im Signalpfad des Filters seriell angeordneter Resonator kann insbesondere zur Formung der Passbandflanke eingesetzt werden, so dass dessen Resonanzfrequenz dazu im Bereich der Passbandflanke des erfindungsgemäßen Filters ausgewählt ist. Dabei ist es möglich, beide Flanken des Passbandes zu vers¬ teuern.
Eine besonders breitbandige Unterdrückung bestimmter Frequen¬ zen wird erreicht, indem mehrere Resonatoren mit jeweils un¬ terschiedlichen, jedoch einander direkt benachbarten Reso¬ nanzfrequenzen rund um die auszufilternde Störfrequenz einge¬ setzt und parallel zum Signalbandpfad gegen Masse geschaltet werden. Mehrere Resonatoren können vorteilhaft auf demselben Substrat angeordnet sein. Um für unterschiedliche FBAR- Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat unterschiedliche Resonanzfrequenzen zu ermöglichen, können die FBAR- Resonatoren jeweils eine Abstimmschicht aufweisen, die vor¬ zugsweise als oberste Schicht des FBAR-Resonators ausgebildet ist. Mit Hilfe einer unterschiedlich dick gewählten Abstimm-
schicht gelingt es, die Resonanzfrequenz von unterschiedli¬ chen FBAR-Resonatoren auf einem gemeinsamen Substrat inner¬ halb gewisser Grenzen unterschiedlich einzustellen bzw. nach- zujustieren.
Ein FBAR-Resonator wird vorzugsweise in Dünnschichttechnik über einem Substrat erzeugt, umfasst zumindest eine piezo¬ elektrische. Schicht, die zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet ist, und kann prinzipiell in Membrantechnologie, bei der die aktive Fläche des Resonators beiderseits gegen Luft schwingt, oder als SMR-Typ-Resonator (solidly mounted resonator) ausgebildet sein, der auf festem Untergrund ange¬ ordnet ist und daher einen akustischen Spiegel erfordert, um die akustische Energie innerhalb des Resonators zu halten. Der akustische Spiegel umfasst üblicherweise eine alternie¬ rende Abfolge von Schichten mit hoher und niedriger akusti¬ scher Impedanz. Die Dicke der Spiegelschichten beträgt dabei ca. 1 A der Lange der akustischen Welle in dieser Spiegel- schicht. Die piezoelektrische Schicht dagegen weist üblicher¬ weise eine Schichtdicke von λ/2 auf und bestimmt über ihre Schichtdicke die Resonanzfrequenz des Resonators .
Durch entsprechendes Einstellen der Spiegelschicht ist es auch möglich, in einem solchen FBAR-Resonator einen höheren Schwingungsmodus anzuregen und parallel dazu den Grundmodus zu unterdrücken. Bei gleichbleibender Dicke der piezoelektri¬ schen Schicht können so höhere Resonanzfrequenzen erzielt werden. Dies gelingt, indem die Spiegelschichten auf die Fre¬ quenz des höheren gewünschten anzuregenden Modus abgestimmt werden, sodass der akustische Spiegel für Schwingungen in der Grundmode durchlässig wird, sodass sich hier keine Resonanz ausbilden kann.
it einem derart ausgestalteten FBAR-Resonator gelingt es, die maximal erreichbare Resonanzfrequenz nochmals wesentlich zu steigern, ohne dass dazu die Schichtdicken des Resonators selbst modifiziert werden müssen. Dies ist insbesondere für hochfrequente Anwendungen > 5 GHz von Vorteil, wobei mit die¬ ser Methode die bislang erreichbare maximale Resonanzfrequenz noch einmal zumindest verdoppelt werden kann, ohne die Schichtdicken wesentlich zu reduzieren.
Die zumindest eine diskrete Komponente kann auf der Oberflä¬ che des Mehrlagensubstrats in unterschiedlichen Techniken montiert sein. Möglich ist es beispielsweise, sie als Bare Die auf dem Chip zu befestigen und beispielsweise mit der Rückseite aufzukleben. Die Kontaktierung erfolgt dann über Drahtbonden auf der oben liegenden Vorderseite (face up) . Möglich sind jedoch auch Flip-Chip-Anordnungen (face down) , die für akustische Komponenten besonders vorteilhaft sind. Mit Flip-Chip-Technologie aufgebrachte diskrete Komponenten können in einfacher Weise mit einer Folie abgedeckt werden, die über den diskreten Komponenten aufliegt und allseits mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats abschließt.
Auf dieser Folie kann in einer weiteren Ausgestaltung der Er¬ findung noch eine Metallschicht angeordnet werden. Auf diese Weise wird ein besonders dichter hermetischer Verschluss der Komponenten bzw. eine gute Abdichtung erzielt. Zusätzlich ge¬ lingt es mit der Metallschicht, eine HF-Abschirmung für das Bauelement bzw. eine HF-Abschirmung des Bauelements zu reali¬ sieren. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Metallschicht mit einem Masseanschluss des Filters elektrisch leitend zu verbinden. Dies gelingt in einfacher Weise, indem die Metall¬ schicht, die dicht mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats abschließt, an einer Stelle Kontakt mit einer Metallisierung
besitzt, deren Metallstruktur durch das Innere des Mehrlagen¬ substrats hindurch mit einem Masseanschluss des Filters auf der Unterseite des Mehrlagensubstrats verbunden ist.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Mehrlagensubstrat mehrere Filterkomponenten aufweisen, also zumindest ein weiteres Basisfilter und zumindest einen damit verbundenen Resonator. Auf diese Weise gelingt es, auf einem einzigen Mehrlagensubstrat ein mehrere Filter umfassen¬ des Modul, einen Duplexer oder einen Duplexer zu realisie¬ ren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuiren dienen zur Veranschaulichung der Erfindung und sind dahex teils nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausge¬ führt. Aus den Figuren lassen sich daher weder absolute noch relative Maßangaben entnehmen.
Figur 1 zeigt das Durchlassverhalten eines bekannten LC- Filters auf LTCC,
Figur 2 zeigt das dazugehörige Ersatzschaltbild ,
Figu.r 3 zeigt die Durchlasskurve dieses Filters,
Figur 4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Filter im Ersatz¬ schaltbild,
Figiαr 5 zeigt die Durchlasskurve dieses Filters,
Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im schemati¬ schen Querschnitt,
Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement mit Verkapse- lung anhand eines schematisehen Querschnitts.
Figur 1 zeigt die Durchlasskurve eines bekannten, in einem LTCC-Substrat realisierten LC-Filters, welches hier ein Pass¬ band zwischen 5000 und 5400 MHz aufweist, entsprechend 8 % relativer Bandbreite. Die Fernabselektion ist besser als 40 dB, im Nahbereich ist jedoch aufgrund einer nur flach abfal¬ lenden Passbandkante eine nur moderate Nahselektion zu beo¬ bachten. Die Einfügedämpfung liegt bei ca. 1,5 dB. Es ist er¬ sichtlich, dass dieses bekannte Filter bei einer Frequenz von 4,5 GHz, also ca. 10 % unterhalb der Passbandkante eine Se¬ lektion von mar 20 dB aufweist.
Ein derartiges Filter wird nun erfindungsgemäß dadurch vari¬ iert, dass es mit zumindest einem seriellen und/oder paralle¬ len FBAR-Resonator zu einem erfindungsgemäßen Filter ver¬ schaltet wird..
Figur 2 zeigt eine einfache Ausführung eines erfindungsgemä¬ ßen Filters, bestehend aus einem Basisfilter BF, das durch metallische Strukturen innerhalb eines LTCC-Mehrlagensub- strats realisiert ist. Dieses Basisfilter umfasst drei se¬ rielle Kapazitäten Cl, C2 und C3, sowie zwei Querzweige zur Masse, die zwischen Cl und C2 sowie zwischen C2 und C3 ange¬ ordnet sind. In den Querzweige ist jeweils eine weitere Kapa¬ zität C4, C5 angeordnet. An den gleichen Verzweigungsstellen sind zwei weitere Querzweige zur Masse geschaltet, in denen seriell eine Induktivität und eine Kapazität (Ll, C6; L2, C7) geschaltet sind.
Hinter ein Anpasselement AEl, welches ebenfalls in dem Mehr¬ lagensubstrat als serielle Induktivität verwirklicht ist, ist in Serie ein erster FBAR-Resonator Rl geschaltet. Nach diesem Resonator zur Masse abzweigend ist in einem Querzweig ein zweiter FBAR-Resonator R2 geschaltet, wobei parallel zu die¬ sem FBAR-Resonator als zweites Anpasselement AE2 eine weitere Induktivität geschaltet ist.
Sämtliche LC-Glieder des Basisfilters BF sowie die beiden An¬ passelemente AEl, AE2 sind als metallische Strukturen inner¬ halb der LTCC-Keramik, also innerhalb des Mehrlagensubstrats ML, verwirklicht, was in der Figur durch die gestrichelte Li¬ nie mit dem Bezugszeichen ML angedeutet ist. Die beiden FBAR- Resonatoren Rl und R2 sind als diskrete Komponenten ausge¬ führt, die z. B. auf de:r Oberfläche des Mehrlagensubstrats angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter BF verbunden sind.
Das zugrunde liegende Basisfilter ist als Zweipol-LC-Filter für ein Passband von 2,40 bis 2,50 GHz ausgelegt. Die erfin¬ dungsgemäß am Eingang und/oder Ausgang des Basisfilters BF über Anpassungselemente AE geschalteten FBAR-Resonatoren wer¬ den so dimensioniert, dass die linke Flanke des Passbandes versteuert werden kann. Dazu werden mit Hilfe der zwei FBAR- Resonatoren Rl, R2 zwei, zusätzliche Polstellen (Notches) bei ca. 2,17 GHz erzeugt. Diese Polstellen liegen nahe beieinan¬ der aber bei unterschiedlichen Frequenzen, sodass das Gesamt¬ filter eine breitbandigere Unterdrückung über beide Polstel¬ len hinweg aufweist.
Figur 3 zeigt die Durctαlasskurve 1 dieses ersten Ausführungs- beispiels, die in der Figur der Durchlasskurve 2 des zugrun¬ deliegenden Basisfilte-rs BF gegenübergestellt ist. Deutlich
erkennbar sind die beiden PolstelILen Nl, N2 in der Kurve 1, die von den beiden FBAR-Resonatoren Rl, R2 herrühren. Rechts der Polstellen ist die Filterkurve 1 dadurch gegenüber der Filterkurve 2 des Basisfilters wesentlich versteuert. Wäh¬ rend die Durchlasskurve 2 des Basάsfilters von der Passband¬ kante bei ca. 2,40 GHz ab von -1,4 dB auf nur -11 dB abfällt, zeigt das erfindungsgemäße Filter im selben Intervall eine auf -27 dB gestiegene Unterdrückung, ausgehend allerdings von einem leicht erhöhten Wert von -1,9 dB an der Passbandkante. Es ergibt sich also eine signifikiante Verbesserung der Nahbe¬ reichsselektion bei nur geringfügig erhöhter Einfügedämpfung.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausfühirungsbeispiel, welches ausge¬ hend von einem Zweipol-LC-Basisfd-lter BF durch Zuschaltung von FBAR-Resonatoren und Anpassungselementen erweitert ist. Das Basisfilter ist auf ein Passfc>and von 4,9 bis 5,9 GHz aus¬ gelegt. Die Versteuerung der linken Passbandkante wird er¬ reicht, indem an Ein- bzw. Ausgang des Basisfilters insgesamt drei FBAR-Resonatoren Rl bis R3 dazugeschaltet werden, wobei die Resonatoren Rl und R3 als serielle Resonatoren im seriel¬ len Zweig angeordnet sind, der Resonator R2 dagegen in einem Parallelzweig gegen Masse geschaltet wird. Zwischen Basisfil¬ ter BF und dem ersten FBAR-Resonator Rl ist als Anpasselement eine serielle Induktivität AEl geschaltet. Parallel zum Reso¬ nator R2 im Parallelzweig ist ein weiteres Anpasselement AE2 in Form einer weiteren Induktivität geschaltet. Ein drittes Anpasselement AE3 ist ebenfalls als Induktivität ausgebildet und hinter den FBAR-Resonator R3 in Serie zu diesem geschal¬ tet.
Das Basisfilter besteht aus zwei Schwingkreisen SKl, SK2, in denen jeweils eine Kapazität Cl, C5 und eine Induktivität Ll, L3 parallel gegen Masse geschaltet sind. Zwischen den beiden
Schwingkreisen ist ein weiterer Parallelzweig gegen Masse ge¬ schaltet, in dem eine zweite Induktivität L2 in Serie mit ei¬ ner Kapazität C4 geschaltet ist. Zwischen jeweils zwei der drei Parallelzweige ist noch je eine Kapazität C2 , C3 im se¬ riellen Zweig angeordnet .
Alle LC-Glieder des Basisfilters BF sowie die A.npasselemente AEl bis AE3 sind in Form metallischer Strukturen in den Me¬ tallisierungsebenen einer LTCC-Keramik ausgebildet, die das Mehrlagensubstrat realisiert. Die drei FBAR-Resonatoren sind als diskrete Komponenten ausgebildet und z.B. auf der Ober¬ fläche des Mehrlagensubstrats angeordnet und elektrisch mit dem Basisfilter verbunden. Die FBAR-Resonatoren R können als drei unterschiedliche Elemente realisiert werden, sind vor¬ zugsweise jedoch auf einem einzigen Substrat angeordnet, wo¬ bei beispielsweise eine Anpassungsschicht auf zweien der Re¬ sonatoren für einen Unterschied in der Resonanzfrequenz zwi¬ schen allen drei FBAR-Resonatoren Rl bis R3 sortrgt .
Figur 5 zeigt die Durchlasskurve des in Figur «4 dargestellten erfindungsgemäßen Filters, die wiederum der Durrchlasskurve 2 des eingesetzten Basisfilters (ohne FBAR-Resonatoren) gegen¬ übergestellt ist. Mit Hilfe der drei FBAR-Resonatoren werden drei Frequenzfallen (Noten) bei ca. 4,5 GHz erzeugt, die bei Frequenzen von ca. 10 % unterhalb der linken (-unteren) Pass- bandkante die Selektion auf ca. 30 dB erhöhen. Gleichzeitig zeigt das gegenüber dem Basisfilter BF unveränderte Passband des erfindungsgemäßen Filters eine sehr hohe .relative Band¬ breite. Die zusätzliche Einfügedämpfung erhöht sich von ca. - 2,25 auf ca.
-3,4 dB. Dieses erfindungsgemäße Filter zeichnet sich daher durch ein breites Passband und eine hervorragende Nahselekti¬ on bei gleichzeitig moderater Einfügedämpfung aus .
Figur 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch ein Mehrlagensubstrat ML und den darauf angeordneten und in¬ nerhalb oder auf einem Chip ausgebildeten Resonator R den ge¬ ometrischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filters. Das Mehr¬ lagensubstrat ML umfasst eine Mehrzahl dielektrischer SchLich- ten DL, von denen in der Figur drei dargestellt sind. Zwi - sehen jeweils zwei benachbarten dielektrischen Schichten DL sind metallische Strukturen MS angeordnet, wobei die Verbin¬ dung zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen bzw. zwischen den Strukturen in unterschiedlichen Metallisierumgs- ebenen über Durchkontaktierungen durch dielektrische Schi-ch- ten vorgenommen ist. Die nur schematisch angedeuteten metal¬ lischen Strukturen MS bilden die im Basisfilter BF benötigten Kapazitäten und Induktivitäten aus. Alternativ ist es auch möglich, dass die Metallstrukturen MS Streifenleitungsresona¬ toren ausbilden, beispielsweise in Form zweier parallelen.: Leitungsbahnen einer elektrischen Länge von λ/4. Der in cier Figur mit R bezeichnete Resonator umfasst hier ein Bauele¬ ment, in dem jedoch auch mehrere Resonatoren realisiert sein können, wie hier auch durch die Anzahl von vier elektrischen Kontakten zum Basisfilter angedeutet ist . Mehrere Resonatoren können auch auf mehreren Substraten realisiert sein. An <der Unterseite des Mehrlagensubstrats ML befinden sich die A.ταßen- kontakte AK des Filters, über die es elektrisch kontaktiert werden kann. Der mittlere Außenkontakt AK2 kann beispielswei¬ se als Massenanschluss vorgesehen sein.
Figur 7 zeigt in noch schematischerer Darstellung einen Quer¬ schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsge- mäßen Filters, bei der der Aufbau der Metallstrukturen MS zwischen den beiden dielektrischen Schichten DLl, DL2 nuir an¬ gedeutet ist. Auf dem Mehrlagensubstrat ML sind hier zv/esi
diskrete Komponenten, nämlich die beiden Resonatoren Rl und R2 , vorzugsweise als Chip Bauelemente, angeordnet und bei¬ spielsweise über Flip-Chip-Technologie mit dem Mehrlagensub¬ strat verbunden, wobei die eingesetzten Bumpverbindungen gleichzeitig elektrische und mechanische Anbindungen der Re¬ sonatoren R darstellen. Allseitig mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats ML abschließend ist über die Rückseite der Resonatoren R eine Abdeckfolie AF aufgebracht und beispiels¬ weise auflaminiert. Dies kann eine gegebenenfalls mehrschich¬ tige Kunststofffolie sein, deren Auflaminierprozess durch er¬ höhte Temperatur und Druck und gegebenenfalls Unterdruck zwi¬ schen Mehrlagensubstrat und Abdeckfolie AF unterstützt werden kann. Über der Abdeckfolie AF wiederum ist eine MetallSchicht SM aufgebracht, beispielsweise durch Aufsputtern, Aufdampfen oder andere geeignete Prozesse. Auch die Metallschicht MS schließt allseitig mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats ML ab und stellt durch die feste Verbindung der Metallschicht SM mit der Oberfläche der LTCC-Keramik eine hermetisch dichte Verkapselung der Resonatoren dar. Die beiden Resonatoren Rl, R2 können mit einem einzigen Basisfilter BF verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Basisfilter im Mehrlagen¬ substrat ML zu realisieren und jedes dieser Basisfilter mit einem oder mehreren Resonatoren zu einem erfindungsgemäßen Filter zu verbinden, die insgesamt auf einem einzigen gemein¬ samen Mehrlagensubstrat aufgebaut sind.
Die FBAR-Resonatoren können als „Bare Die" eingesetzt werden, was eine kostengünstige Ausführungsmöglichkeit darstellt. Die in der Figur 7 dargestellte Verkapselung hat weiterhin den Vorteil, dass sie die Bauhöhe des Filters nur unwesentlich erhöht. Die Metallschicht kann über entsprechende Kontakte auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats und die damit ver¬ bundenen Durchkontaktierungen und metallischen Strukturen mit
einem Masseanschluss, der als Außenkontakt AK auf der Unter¬ seite des Mehrlagensubstrats ML ausgebildet ist, elektrisch leitend verbunden sein.
Neben der dargestellten Verkapselung über Folien ist es auch möglich, diese zusätzlich oder alternativ mit einer umspritz¬ ten Abdeckung oder mit einer vergossenen Abdeckung zu verse¬ hen. Sofern die Resonatoren empfindliche Strukturen auf der Oberfläche tragen, die bei einer Flip-Chip-Anordnung hin zum Mehrlagensubstrat weist, kann der Zwischenraum zwischen Reso¬ nator und Oberfläche des Mehrlagensubstrats im Randgebiet der Resonatoren mit einem Underfiller abgedichtet sein. Möglich ist es natürlich auch, über die Resonatoren vorgefertigte Ge¬ häuseteile in Form von Abdeckkappen aufzusetzen und fest mit der Oberfläche des Mehrlagensubstrats zu verbinden.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Varia¬ tionen ergeben sich insbesondere in der genauen Ausführung des Basisfilters, in der Anzahl und der Verschaltung der Re¬ sonatoren sowie im Aufbau des Mehrlagensubstrats, welches keinesfalls auf die genannte LTCC-Keramik beschränkt ist. Sämtliche Metallisierungen können aus einem beliebigen Metall ausgeführt sein, welches lediglich bei aus Keramik ausgeführ¬ ten Mehrlagensubstraten den Sinterbedingungen gegenüber be¬ ständig sein sollte. Nicht dargestellt wurden auch höher in¬ tegrierte Module, die neben dem Basisfilter, den Resonatoren und den Anpasselementen weitere Schaltungselemente aufweisen, die als integrierte Elemente im Mehrlagensubstrat integriert oder als diskrete Komponenten auf der Oberfläche des Mehrla¬ gensubstrats angeordnet sind.