Beschreibung HF-Filter Die Erfindung betrifft HF-Filter, die z.B. in tragbaren Kommunikationsgeräten Verwendung finden können.

Tragbare Kommunikationsgeräte, z.B. Mobilfunkgeräte, können mittlerweile Kommunikation in einer Vielzahl unterschiedli- eher Frequenzbänder und bei einer Vielzahl unterschiedlicher Übertragungssysteme ermöglichen. Dazu umfassen sie i.A. eine Vielzahl an HF-Filtern, die jeweils für die entsprechende Frequenz und das entsprechende Übertragungssystem vorgesehen sind. Zwar können moderne HF-Filter inzwischen mit kleinen Abmessungen hergestellt werden. Aufgrund ihrer Vielzahl und der Komplexität ihrer Verschaltung sind die Frontend-Module, in denen die Filter angeordnet sind, dennoch relativ groß und ihre Herstellung aufwändig und teuer. Abhilfe könnten abstimmbare HF-Filter bringen. Solche Filter haben eine Mittenfrequenz, die einstellbar ist, weshalb ein abstimmbares Filter prinzipiell zwei oder mehr konventionelle Filter ersetzen kann. Abstimmbare HF-Filter sind z.B. aus den Druckschriften US 2012/0313731 AI oder EP 2530838 AI bekannt. Dabei werden die elektroakustischen Eigenschaften von mit akustischen Wellen arbeitenden Resonatoren durch abstimmbare Impedanzelemente verändert.

Aus dem Beitrag „Reconfigurable Multiband SAW Filters for LTE Applications", IEEE SiRF 2013, S. 153-155, von Lu et al . sind mittels Schalter rekonfigurierbare Filter bekannt. Problematisch an bekannten abstimmbaren HF-Filtern ist jedoch insbesondere, dass das Abstimmen selbst wichtige Eigenschaf ^¬ ten der Filter verändert. So ändern sich beim Abstimmen z. B. die Einfügedämpfung, die Eingangsimpedanz und/oder die Aus- gangsimpedanz .

Es ist deshalb eine Aufgabe, HF-Filter anzugeben, die ein Ab ^¬ stimmen ohne Veränderung anderer wichtiger Parameter ermöglichen und die dem Fachmann zusätzliche Freiheitsgrade beim Entwerfen von Filtermodulen zur Verfügung stellen.

Diese Aufgaben werden durch das HF-Filter nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Abhängige Ansprüche geben zusätzliche Ausgestaltungen an.

Das HF-Filter umfasst in Serie verschaltete Grundglieder mit jeweils einem elektroakustischen Resonator. Das Filter umfasst ferner in Serie zwischen den Grundgliedern verschaltete Impedanzwandler. Die Impedanzwandler sind Impedanz-Inverter und/oder Admittanz-Inverter . Die Resonatoren der Grundglieder sind entweder nur Serienresonatoren oder nur Parallelresonatoren .

Grundglieder in HF-Filtern sind z.B. aus Ladder-type Struktu- ren bekannt, wo ein Grundglied einen Serienresonator und ei ^¬ nen Parallelresonator umfasst. Mehrere solcher Grundglieder hintereinandergeschaltet bewirken im Wesentlichen die Filterwirkung, falls die Resonanzfrequenzen und die Antiresonanz- frequenzen der Serien- bzw. Parallelresonatoren geeignet auf- einander abgestimmt sind.

Die Last-Impedanz Z _L sieht von außen also wie die Eingangsimpedanz Z _IN aus. Ein Impedanz-Inverter ist nun durch folgende Kettenmatrix charakterisiert :

( ^{A B} ) =( ° ^ίΚ ) (4) C D) _K /K 0) ^{14 ]}

Daraus folgt

Die Impedanz wird invertiert. Der Proportionalitätsfaktor ist K ² .

Ein Admittanz-Inverter ist durch folgende Kettenmatrix charakterisiert :

Daraus folgt für die Admittanz Y:

Y,N=^ (7)

YL

Die Admittanz wird invertiert. Der Proportionalitätsfaktor ist J ² .

Es wurde herausgefunden, dass ein gemeinsames Vorhandensein von Parallelresonatoren und Serienresonatoren deutliche Auswirkungen auf die Veränderlichkeit wichtiger Parameter beim Abstimmen des HF-Filters hat. Es wurde ferner herausgefunden, dass das Abstimmen weniger Einfluss auf diese Parameter aus ^¬ übt, wenn nur eine Sorte von Resonatoren vorhanden ist. Sind also nur Serienresonatoren oder nur Parallelresonatoren vorhanden, verhält sich das HF-Filter beim Abstimmen stabiler bezüglich der Einfügedämpfung, der Eingangsimpedanz und/oder der Ausgangsimpedanz. Es wurde außerdem herausgefunden, dass die o.g. Impedanzwandler geeignet sind, Serienresonatoren als Parallelresonatoren und umgekehrt erscheinen zu lassen. Insbesondere eine Serienverschaltung aus zwei Impedanz-Invertern mit einem Serienresonator dazwischen sieht für seine Schaltungsumgebung wie ein Parallelresonator aus. Eine Serienver- Schaltung aus zwei Admittanz-Invertern mit einem Parallelresonator dazwischen sieht für seine Schaltungsumgebung wie ein Serienresonator aus.

Mit diesen Serienverschaltungen wird es deshalb möglich, HF- Filterschaltungen zu erstellen, die besser abstimmbar sind.

Es ist deshalb möglich, das HF-Filter so auszugestalten, dass die Impedanzwandler Impedanz-Inverter und die Resonatoren Serienresonatoren sind.

Solche Filter benötigen keine Parallelresonatoren. Sind die Filter als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter ausgestaltet, so weisen diese i.A. eine steile rechte Flanke auf. Das Filter kann in einem Duplexer Verwendung finden. Wegen der steilen rechten Flanke bevorzugt als Sendefilter. Nämlich dann, wenn das Sendeband unterhalb des Empfangsbands liegt. Sollte die relative Anordnung von Sendeband und Empfangsband vertauscht sein, ist das Filter mit Serienresonatoren bevorzugt im Empfangsfilter.

Es ist ferner auch möglich, das HF-Filter so auszugestalten, dass die Impedanzwandler Admittanz-Inverter und die Resonatoren Parallelresonatoren sind. Solche Filter benötigen keine Serienresonatoren. Sind die

Filter als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter ausgestaltet, so weisen diese i.A. eine steile linke Flanke auf. Das Filter kann auch in einem Duplexer Verwendung finden. Wegen der steilen linken Flanke bevorzugt als Empfangsfilter. Nämlich dann, wenn das Empfangsband oberhalb des Sendebands liegt. Sollte die relative Anordnung von Sendeband und Emp ^¬ fangsband vertauscht sein, ist das Filter mit Serienresonato- ren bevorzugt im Sendefilter.

Es ist möglich, dass die Impedanzwandler sowohl kapazitive Elemente als auch induktive Elemente als Impedanzelemente um ^¬ fassen. Es ist aber auch möglich, dass die Impedanzwandler nur kapazitive Elemente oder nur induktive Elemente

umfassen. Dann bestehen die Impedanzwandler nur aus passiven Schaltungselementen. Insbesondere, wenn die Impedanzwandler nur wenige oder gar keine induktiven Elemente umfassen, können sie leicht als strukturierte Metallisierungen in Metall- lagen eines Mehrlagensubstrats realisiert sein.

Es ist möglich, dass die Impedanzwandler zusätzlich zu induktiven oder kapazitiven Elementen Phasenschieber-Leitungen umfassen. Es ist aber auch möglich, dass die Impedanzwandler aus Phasenschieber-Leitungen bestehen. Auch Phasenschieber- Leitungen können einfach und kompakt bauend in einem Mehrlagensubstrat integriert sein.

Es ist möglich, dass das Filter durch eine symmetrische Be- schreibungsmatrix B beschrieben ist.

Es gibt Filterschaltungen, die durch eine Beschreibungsmatrix B vollständig beschrieben sind. Die Matrix B enthält Matrix ^¬ elemente, die die einzelnen Schaltungskomponenten des Filters charakterisieren. Eine Filterschaltung, die drei in Serie verschaltete Resona ^¬ toren Rl, R2, R3 umfasst und eingangsseitig mit einer Quell ^¬ impedanz ZS und ausgangsseitig mit einer Lastimpedanz ZL verschaltet ist, hätte folgende Form:

Als Bandpassfilter würde die Schaltung aber nicht arbeiten. Werden die beiden äußeren Serienresonatoren durch Impedanz- Inverter so maskiert, dass sie jeweils als Parallelresonato ^¬ ren erscheinen, so wird eine Struktur erhalten, die sich wie eine Ladder-type Struktur verhält und die durch die folgende Beschreibungsmatrix beschrieben ist.

Z _s 0 0 0

Ksi Ri Kl2 0 0

0 Kl2 R ₂ ^23 0

0 0 0 K _3L Z _L

Dabei steht K _S1 für den Impedanz-Inverter zwischen der Quell- Impedanz Z _s und dem ersten Resonator. K ₁₂ steht für den Impe- danz-Inverter zwischen dem ersten und dem zweiten Resonator. I.A. bezeichnen die Indices der Größen der Inverter die Resonatoren, zwischen denen die entsprechenden Inverter angeordnet sind. Es gilt Bi = B i , d.h. die Matrix ist symmet ^¬ risch bezüglich ihrer Diagonalen. Die zur Gleichung (9) gehö- rige Filterschaltung ist in Figur 1 gezeigt. Die Resonatoren werden durch Größen auf der Diagonalen der Matrix beschrie- ben. Die Impedanzwandler werden durch Größen auf den Nebendiagonalen direkt oberhalb und unterhalb der Diagonalen be ^¬ schrieben . Es ist möglich, dass das Filter einen zweiten Impedanzwand ^¬ ler, der zu einem Segment des Filters parallel geschaltet ist, umfasst. Das Segment beinhaltet eine Serienschaltung mit einem Grundglied und zwei Impedanzwandlern. Die Beschreibungsmatrix enthält dann Einträge, die oberhalb der oberen bzw. unterhalb der unteren Nebendiagonale stehen.

Es ist möglich, dass zumindest einer der Resonatoren der Grundglieder abstimmbar ist.

Prinzipiell und insbesondere, wenn einer der Resonatoren ab ^¬ stimmbar ist, kommen BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) , SAW-Resonatoren (SAW =

Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle) , GBAW- Resonatoren (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle) und/oder LC-Resonatoren in Frage. Mit akustischen Wellen arbeitende Resonatorelemente haben im Wesentlichen ein Ersatzschaltbild mit einer Parallelschaltung aus einem kapazitiven Element Co einerseits und einer Serien- Schaltung mit einem induktiven Element Li und einem kapazitiven Element Ci andererseits. Ein solches Resonatorelement hat seine Resonanzfrequenz bei und seine Antiresonanzfrequenz bei ω _ρ — ω ₀ 1 + (11)

Umfasst der Resonator neben dem Resonatorelement noch ab- stimmbare Element wie abstimmbare induktive oder kapazitive Elemente, die in Serie und/oder parallel zum Resonatorelement geschaltet sind, so wird ein Resonator mit veränderlichem Frequenzverhalten gebildet. Die Resonanzfrequenz hängt dabei von Li und Ci aber nicht von Co ab. Die Antiresonanz hängt zu- sätzlich von Co ab. Durch Variation der Impedanz der abstimmbaren Impedanzelemente können Co und Li des Ersatzschaltbilds unabhängig voneinander variiert werden. Damit können die Resonanzfrequenz und die Antiresonanzfrequenz unabhängig voneinander eingestellt werden.

Alternativ zu Resonatoren mit Resonatorelementen, deren charakteristische Frequenzen mittels abstimmbarer Impedanzele ^¬ mente variierbar sind, oder zusätzlich dazu kann ein abstimmbarer Resonator ein Feld aus Resonatorelementen umfassen, von denen jedes Element mittels Schalter zum Resonator koppelbar oder vom Resonator trennbar ist. Es handelt sich dann um ein Array aus m Resonatorelementen pro abstimmbarem Resonator. Damit lassen sich HF-Filter bauen, die - je nach aktuell aktivem Resonatorelement - m unterschiedliche Filterübertra- gungskurven realisieren können. Dabei kann jeder der m Resonatoren genau einer Filterübertragungskurve zugeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass einer Filterübertragungskurve mehrere gleichzeitig aktive Resonatorelemente zu ^¬ geordnet sind. So ermöglichen m Resonatorelemente bis zu m! (Fakultät von m) unterschiedliche Filterübertragungskurven, m kann dabei 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder noch mehr betra ^¬ gen. Sind die Resonatorelemente parallel geschaltet, sind 2 ^m unterschiedliche Filterübertragungskurven möglich. Die Schalter können dabei in Halbleiterbauweise erstellte

Schalter wie CMOS-Schalter (CMOS = Complementary metal-oxide- semiconductor) , auf GaAs (Galliumarsenid) basierende Schalter oder JFET-Schalter (JFET = Junction-Fet [FET = Feldeffekttransistor]) sein. MEMS-Schalter (MEMS = Microelectromechani- cal System) sind auch möglich und stellen exzellente lineare Eigenschaften zur Verfügung.

Es ist deshalb möglich, dass alle Resonatoren auf verschie ^¬ dene Frequenzbänder abstimmbar sind.

Es ist insbesondere möglich, dass die Abstimmbarkeit der Re ^¬ sonatoren eine Kompensation einer Temperaturschwankung, eine Justierung des Filters hinsichtlich einer Impedanzanpassung, eine Justierung des Filters hinsichtlich einer Einfügedämp- fung oder eine Justierung des Filters hinsichtlich einer Isolation ermöglicht.

Es ist ferner möglich, dass jeder Resonator gleichviele Resonatorelemente umfasst, die über Schalter, die über eine ΜΙΡΙ-Schnittstelle (MIPI = Mobile Industry Processor Interface) ansprechbar sind, steuerbar sind.

Es ist möglich, dass ein oder mehrere Impedanzwandler passive Impedanzelemente umfassen oder daraus bestehen. Der Impedanz- wandler kann deshalb zwei parallele kapazitive Elemente und ein paralleles induktives Element umfassen. Dabei sind Quer ^¬ zweige, z. B. gegen Masse, gemeint, die ein entsprechendes kapazitives bzw. induktives Element enthalten. Es ist auch möglich, dass ein Impedanzwandler drei parallele kapazitive Elemente umfasst.

Es ist auch möglich, dass ein Impedanzwandler drei parallele induktive Elemente umfasst.

Es ist auch möglich, dass ein Impedanzwandler zwei parallele induktive Elemente und ein paralleles kapazitives Element um ^¬ fasst .

Rechnerisch kann es sich ergeben, dass einzelne Impedanzelemente negative Impedanzwerte, z.B. negative Induktivitäten o- der negative Kapazitäten, aufzuweisen haben. Negative Impedanzwerte sind aber zumindest dann unproblematisch, wenn die entsprechenden Impedanzelemente mit anderen Impedanzelementen des HF-Filters zu verschalten sind, so dass die Verschaltung mit den anderen Elementen in der Summe wieder positive Impedanzwerte hat. In diesem Fall würde die Verschaltung der ei ^¬ gentlich vorgesehenen Elemente durch das Element mit positi- vem Impedanzwert ersetzt.

Es ferner möglich, dass das HF-Filter zwei in Serie verschal ^¬ tete Grundglieder und ein kapazitives Element, das parallel zu den zwei in Serie verschalteten Grundgliedern verschaltet ist, umfasst.

Es ist möglich, dass das HF-Filter einen Signalpfad, vier ka ^¬ pazitive Elemente im Signalpfad, sechs schaltbare Resonatoren mit jeweils einem Resonatorelement und einem dazu in Serie in einem Querzweig gegen Masse verschalteten Schalter, sowie ein induktives Element, das parallel zu zwei der vier kapazitiven Elemente geschaltet ist, umfasst. Nachfolgend werden wichtige Prinzipien erläutert und eine nicht abschließende Aufzählung von beispielhaften und schema ^¬ tischen Schaltungen verdeutlichen zentrale Aspekte des HF- Filters .

Es zeigen: ein HF-Filter F mit drei Resonatoren und vier Impe danzwandlern, ein Filter mit drei Resonatoren und zwei Impedanzwandlern, einen Duplexer D mit einem Sendefilter TX und einem Empfangsfilter RX, die über eine Impedanzanpass ^¬ schaltung mit einer Antenne verschaltet sind, ein HF-Filter F, bei dem mittig ein Serienresonator S und peripher jeweils ein Serienresonator mit zwei Impedanzwandlern verschaltet sind, ein HF-Filter F, das ausschließlich Parallelresona toren als verwendete Resonatoren umfasst, ein HF-Filter F, bei dem ein Impedanzwandler einen ersten Resonator direkt mit einem dritten Resonator verschaltet,

Fig. 7: ein HF-Filter F, bei dem ein Admittanz-Inverter ei- nen ersten Resonator mit einem dritten Resonator direkt verschaltet,

Fig. HF-Filter mit abstimmbaren Resonatoren, Fig. 9A bis Fig. 9K: verschiedene Ausführungsformen abstimmbarer Resonatoren,

Fig. 10A: einen abstimmbaren Resonator mit per Schalter akti- vierbaren Serienresonatorelementen,

Fig. 10B: einen abstimmbaren Resonator mit mittels Schalter aktivierbaren Parallelresonatoren, Fig. IIA bis Fig. 11F: verschiedene Ausführungsformen eines

Impedanz- Inverters ,

Fig. 12A bis Fig. 12F: verschiedene Ausführungsformen eines

Admittanz-Inverters ,

Fig. 13A bis Fig. 13C: verschiedene Abstraktionsstufen beim

Entwurf eines HF-Filters,

Fig. 14A bis Fig. 14H: verschiedene konkrete Ausführungs- formen eines HF-Filters mit zwei abstimmbaren Seri ^¬ enresonatoren und drei Impedanzwandlern,

Fig. 15A bis Fig. 15H: Ausgestaltungen eines HF-Filters mit zwei abstimmbaren Resonatoren, drei Impedanzwand- lern und jeweils einem überbrückenden kapazitiven

Element,

Fig. 16: die Einfügedämpfung eines Resonators (A) und eines entsprechenden Bandpassfilters (B) ,

Fig. 17: die Durchlasskurven des HF-Filters aus Fig. 16, wobei abstimmbare Impedanzelemente in ihrer Impedanz verändert sind, um eine neue Lage des Durchlassbe ^¬ reichs B zu erhalten,

Fig. 18: die Admittanz (A) eines Resonators und die Einfüge- dämpfung (B) eines entsprechenden Bandpassfilters mit Admittanz-Invertern,

Fig. 19: das HF-Filter zur Fig. 18, wobei Impedanzwerte ab ^¬ stimmbarer Impedanzelemente variiert wurden, um eine veränderte Lage des Durchlassbereichs zu er ^¬ halten,

Fig. 20: Einfügedämpfungen (B, Β ^λ ) eines HF-Filters, bei dem durch Abstimmen von Resonatoren unterschiedliche Frequenzlagen des Durchlassbereichs erhalten werden,

Fig. 21: unterschiedliche Durchlasskurven (B, Β ^λ ) eines HF- Filters mit Parallelresonatoren und Admittanz-In- vertern, bei denen unterschiedliche Impedanzwerte unterschiedliche Lagen des Durchlassbereichs bewir ^¬ ken,

Fig. 22: Einfügedämpfungen eines abstimmbaren Duplexers: Die

Kurven Bl und B3 bezeichnen dabei ein abstimmbares

Sendefrequenzband. Die Kurven B2 und B4 stellen die Einfügedämpfungen eines einstellbaren Empfangsfrequenzbands , Fig. 23: eine mögliche Filterschaltung,

Fig. eine mögliche Form der Integration von Schaltungs ^¬ komponenten in einem Bauteil, Fig. 25: Übertragungsfunktionen eines abstimmbaren Filters nach Fig. 23.

Figur 1 zeigt eine HF-Filterschaltung F mit drei Resonatoren 5 und vier Impedanzwandlern IW. Der mittlere Resonator stellt dabei ein Grundglied GG dar. Der mittlere Resonator kann ein Parallelresonator P oder ein Serienresonator S sein. Die beiden Impedanzwandler IW, die den ersten Resonator umgeben, bewirken, dass der Resonator nach außen hin wie ein Serienreif) sonator oder wie ein Parallelresonator aussieht. Ist der

mittlere Resonator ein Parallelresonator, so kann auch der erste Resonator ein Parallelresonator sein, der nach außen wie ein Serienresonator aussieht. Entsprechend wäre dann auch der dritte Resonator ein Parallelresonator, der nach außen 15 hin wie ein Serienresonator aussieht. Umgekehrt kann der

mittlere Resonator ein Serienresonator S sein. Dann wären auch die beiden äußeren Resonatoren Serienresonatoren, die nach außen hin wie Parallelresonatoren aussehen. So kann unter Verwendung der Impedanzwandler IW eine Ladder-type ähnli- 20 che Filterstruktur erhalten werden, obwohl ausschließlich Serienresonatoren oder obwohl ausschließlich Parallelresonatoren verwendet werden.

Figur 2 zeigt eine Filterschaltung, bei der der mittlere Re- 25 sonator durch die ihn umgebenden Impedanzwandler IW so maskiert wird, dass das Filter nach außen hin wie eine alternie ^¬ rende Abfolge von Parallel- und Serienresonatoren aussieht, obwohl lediglich ein Typ eines Resonators verwendet wird.

30 Figur 3 zeigt einen Duplexer D, bei dem sowohl das Sendefilter TX als auch das Empfangsfilter RX Serienverschaltungen aus Impedanzwandlern und Resonatoren umfassen, die so miteinander verschaltet sind, dass pro Filter lediglich ein Typ von Resonatoren notwendig ist. Da Serienresonatoren geeignet sind, eine steile rechte Filterflanke eines Passbands zu bil ^¬ den und da Sendefrequenzbänder im Allgemeinen frequenzmäßig unterhalb der Empfangsfrequenzbänder liegen, ist es vorteil- haft, im Sendefilter TX Serienresonatoren zu verwenden. Analog wären im Empfangsfilter RX Parallelresonatoren zu verwenden. Liegt das Sendefrequenzband oberhalb des Empfangsfre ^¬ quenzbandes, so wären entsprechend Serienresonatoren im Empfangsfilter und Parallelresonatoren im Sendefilter vorteil- haft.

Die Filter TX, RX sind über eine Impedanzanpassschaltung IAS mit einer Antenne ANT verschaltet. Aus Sicht der Impedanzan ^¬ passschaltung IAS sieht jedes der beiden Filter TX, RX aus wie eine konventionelle Ladder-type Filterschaltung, sodass praktisch kein zusätzlicher Aufwand beim Entwerfen der übrigen Schaltungskomponenten wie Antenne und Impedanzanpass ^¬ schaltung notwendig ist. Figur 4 zeigt entsprechend eine Ausführungsform, bei der der mittlere Resonator als Serienresonator S ausgeführt ist.

Durch die Wirkung der Impedanzwandler IW kann auch in den beiden äußeren Resonatoren jeweils ein serielles Resonatorel ^¬ ement Verwendung finden, obwohl die Kombination aus Impedanz- wandlern und Serienresonator nach außen hin wie ein Parallelresonator P aussieht und in Erscheinung tritt. Um Serienre ^¬ sonatoren nach außen hin wie Parallelresonatoren erscheinen zu lassen, werden bevorzugt Impedanz-Inverter K eingesetzt. Im Gegensatz dazu zeigt Figur 5 eine Ausführungsform eines

HF-Filters F, bei dem ausschließlich Parallelresonatoren Verwendung finden. Unter der Verwendung von Admittanz-Invertern J als Ausführungsformen der Impedanzwandler IW erscheinen die beiden äußeren Parallelresonatoren als Serienresonatoren S. Zusammen mit dem zentralen, mittleren Resonator, einem Parallelresonator P, bildet das HF-Filter F eine Quasi-Ladder-type Struktur .

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die beiden äußeren Resonatoren direkt über einen weiteren Impedanzwandler, z. B. einen Impedanz-Inverter, verschaltet sind. Die direkte Verschaltung der äußeren Resonatoren über einen weiteren Im- pedanzwandler stellt einen neuen Freiheitsgrad dar, über den ein HF-Filter weiter optimiert werden kann.

Figur 7 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform eines HF- Filters F, welches Parallelresonatoren und Admittanz-Inverter J verwendet. Dabei sind auch die beiden äußeren Resonatoren direkt über einen weiteren Admittanz-Inverter J miteinander verschaltet .

Figur 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines HF-Filters, bei dem die Resonatoren abstimmbar sind.

Figur 9 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines abstimmba ^¬ ren Resonators R. Der Resonator R umfasst ein Resonatorele ^¬ ment RE . Das Resonatorelement RE kann dabei ein mit akusti- sehen Wellen arbeitendes Resonatorelement sein. Parallel zum Resonatorelement RE ist ein kapazitives Element CE verschal ^¬ tet. In Serie zur Parallelverschaltung ist ein weiteres kapazitives Element CE verschaltet. Die beiden kapazitiven Ele ^¬ mente CE sind abstimmbar, d. h. ihre Kapazität kann einge- stellt werden. Je nach verwendeten kapazitiven Elementen kann die Kapazität kontinuierlich oder in diskreten Werten eingestellt werden. Umfassen die kapazitiven Elemente beispiels ^¬ weise Varaktoren, so kann durch Anlegen einer Bias-Spannung die Kapazität kontinuierlich eingestellt werden. Umfasst ein kapazitives Element CE eine Bank von kapazitiven Einzelele ^¬ menten, die mittels eines oder mehrerer Schalter individuell angesteuert werden können, so kann die Kapazität des entspre- chenden kapazitiven Elements CE in diskreten Schritten eingestellt werden.

Figur 9B zeigt eine alternative Möglichkeit eines Resonators R, bei dem die Serienverschaltung eines abstimmbaren kapazi- tiven Elements CE mit einem Resonatorelement RE in Serie mit einem abstimmbaren induktiven Element IE verschaltet ist.

Figur 9C zeigt eine mögliche Ausführungsform eines abstimmba ^¬ ren Resonators R, bei dem ein Resonatorelement RE parallel zu einem abstimmbaren induktiven Element IE verschaltet ist.

Diese Parallelschaltung ist in Serie mit einem abstimmbaren kapazitiven Element CE verschaltet.

Figur 9D zeigt eine weitere alternative Ausführungsform für einen abstimmbaren Resonator R. Dabei ist - im Vergleich zu Figur 9C - die Parallelschaltung mit einem abstimmbaren induktiven Element IE in Serie verschaltet.

Figur 9E zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators, bei dem ein Resonatorelement RE le ^¬ diglich parallel mit einem abstimmbaren kapazitiven Element CE verschaltet ist.

Figur 9F zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R. Dabei ist ein Resonatorelement RE parallel zu einem abstimmbaren induktiven Element IE verschaltet . Figuren 9E und 9F zeigen relativ einfache Ausführungsformen eines abstimmbaren Resonators R. Die Figuren 9A bis 9D zeigen Ausführungsformen eines abstimmbaren Resonators R, die durch ein weiteres abstimmbares Element weitere Freiheitsgrade beim Abstimmen ermöglichen. Insofern können die gezeigten Ausführungsformen mit weiteren kapazitiven und induktiven Elementen mit fester Impedanz oder variierbarer Impedanz in Serie oder parallel verschaltet werden, um zusätzliche Freiheitsgrade, z. B. für einen breiteren Abstimmbereich, zu erhalten.

Figur 9G zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R, bei dem das Resonatorelement RE parallel zu einer Serienverschaltung, umfassend ein induktives Element IE und ein abstimmbares kapazitives Element CE, verschaltet ist.

Figur 9H zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R, bei dem das Resonatorelement RE parallel zu einer Parallelverschaltung, umfassend ein induktives Element IE und ein abstimmbares kapazitives Element CE, verschaltet ist.

Figur 91 zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R, bei dem das Resonatorelement RE in Serie zu einer Serienverschaltung, umfassend ein induktives Element IE und ein abstimmbares kapazitives Element CE, verschaltet ist.

Figur 9J zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R, bei dem das Resonatorelement RE einerseits in Se ^¬ rie zu einer Serienverschaltung, umfassend ein induktives Element IE und ein abstimmbares kapazitives Element CE, ver- schaltet und andererseits parallel zu einer Parallelverschal ^¬ tung, umfassend ein induktives Element IE und ein abstimmba ^¬ res kapazitives Element CE, verschaltet ist. Figur 9K zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R, bei dem das Resonatorelement RE einerseits in Se ^¬ rie zu einer Serienverschaltung, umfassend ein abstimmbares induktives Element IE und ein abstimmbares kapazitives Ele- ment CE, verschaltet und andererseits parallel zu einer Pa ^¬ rallelverschaltung, umfassend ein abstimmbares induktives Element IE und ein abstimmbares kapazitives Element CE, ver ^¬ schaltet ist. Ferner gilt, dass neben kontinuierlich abstimmbaren Elementen wie Varaktoren und schaltbaren Elementen konstanter Impedanz auch schaltbare abstimmbare Elemente, z. B. mittels Schalter hinzu-schaltbare Varaktoren möglich sind. Noch allgemeiner gilt, dass in einem Resonator das Resonatorelement in Serie mit einem Seriennetzwerk und parallel mit einem Parallelnetzwerk verschaltet sein kann. Das Seriennetzwerk und das Parallelnetzwerk können dabei jeweils Impedanzelemente fester oder variabler Impedanz umfassen.

Figur 10 zeigt eine zusätzliche mögliche Ausführungsform ei ^¬ nes abstimmbaren Resonators R, welcher eine Vielzahl an Resonatorelementen RE und eine Vielzahl von Schaltern SW um- fasst. Figur 10A zeigt dabei Resonatorelemente RE, die in Se- rie im Signalpfad SP verschaltet sind. Damit ist ein abstimm ^¬ barer Serienresonator dargestellt. Durch individuelles Öffnen und Schließen der einzelnen Schalter SW können individuell einstellbar bestimmte Resonatorelemente RE in den Signalpfad SP eingekoppelt werden. Umfasst der abstimmbare Resonator R in Figur 10A m Resonatorelemente RE, so können 2 ^m unterschiedliche Schaltzustände erhalten werden. Figur 10B zeigt eine Ausführungsform eines abstimmbaren Resonators R, bei dem Resonatorelemente den Signalpfad SP mit Masse verschalten. Da die Reihenfolge der einzelnen Resonato ^¬ relemente RE, in der sie mit dem Signalpfad SP verschaltet sind, prinzipiell relevant ist, können m! (m Fakultät) unter ^¬ schiedliche Resonatorzustände erhalten werden.

Die Figuren IIA bis 11F geben verschiedene Ausführungsformen eines Impedanz-Inverters an.

Figur IIA zeigt somit eine Form eines Impedanzwandlers, wel ^¬ che einen Impedanz-Inverter darstellt. Zwei kapazitive Ele ^¬ mente sind in Serie im Signalpfad verschaltet. Ein kapaziti ^¬ ves Element verschaltet den gemeinsamen Schaltungsknoten der beiden kapazitiven Elemente im Signalpfad mit Masse. Die ka ^¬ pazitiven Elemente im Signalpfad erhalten rechnerisch eine negative Kapazität -C. Das kapazitive Element im Parallelpfad gegen Masse erhält rechnerisch eine positive Kapazität C. Wie oben schon beschrieben, ergeben sich die Kapazitätswerte lediglich aus den Berechnungsvorschriften für zwei Tore. Die in Figur IIA gezeigte T-Schaltung braucht deshalb keinesfalls so in einer Schaltungsumgebung realisiert sein. Vielmehr können die kapazitiven Elemente mit negativer Kapazität im Seri- enpfad mit weiteren kapazitiven Elementen positiver Kapazität, die im Serienpfad zusätzlich verschaltet sind, kombi ^¬ niert werden, sodass insgesamt jeweils eines oder mehrere ka ^¬ pazitive Elemente positiver Kapazität erhalten werden. Das Gleiche gilt für die Ausführungsformen der Figuren IIB,

HC und HD sowie für die Ausführungsformen der Admittanz-In- verter in den Figuren 12A, 12B, 12C und 12D. Figur IIB zeigt eine T-Schaltung aus induktiven Elementen, wobei die beiden induktiven Elemente, die im Signalpfad in Serie geschaltet sind, rein formal eine negative Induktivität aufzuweisen haben.

Figur HC zeigt eine Form eines Impedanz-Inverters, der als Pi-Schaltung mit einem kapazitiven Element negativer Kapazität im Serienpfad und zwei kapazitiven Elementen positiver Kapazität in jeweils einem Parallelpfad aufweist.

Figur HD zeigt eine Ausführungsform eines Impedanz-Inverters in Pi-Form, bei der die Induktivität des induktiven Elements im Signalpfad negativ ist. Die Induktivitäten der induktiven Elemente in den entsprechenden beiden Parallelpfaden sind positiv.

Figur HE zeigt eine Ausführungsform eines Impedanz-Inverters mit einer Phasenschieberschaltung und einem induktiven Element der Induktivität L. Die Phasenschieberschaltung hat dabei vorzugsweise die charakteristische Impedanz der Signal ^¬ leitung Zo. Der Phasenversatz Θ durch die Phasenschieber- Schaltung ist geeignet eingestellt.

So kann Θ im Fall eines Impedanz-Inverters z. B. durch die Gleichung Θ =— tan ^-1 — bestimmt sein. Dabei ist X = und K

K ²

durch Zjy, =— bestimmt. Im Fall eines Admittanz-Inverters kann gelten: Θ =— tan ¹ — . Dabei ist B = und J durch

bestimmt . Analog zu Figur 11E zeigt Figur 11F eine alternative Ausfüh ^¬ rungsform, bei der das induktive Element durch ein kapaziti ^¬ ves Element der Kapazität C ersetzt ist. Die Figuren 12A bis 12F zeigen Ausführungsformen eines Admit- tanz-Inverters .

Figur 12A zeigt eine Ausführungsform eines Admittanz-Inver- ters in T-Konfiguration, bei dem die beiden kapazitiven Ele- mente im Serienpfad positive Kapazitäten aufweisen. Das kapa ^¬ zitive Element im Parallelpfad weist nominell eine negative Kapazität auf.

Figur 12B zeigt eine Ausführungsform eines Admittanz-Inver- ters in T-Konfiguration, wobei im Signalpfad zwei induktive

Elemente der Induktivität L in Serie verschaltet sind. In ei ^¬ nem Parallelpfad, der zwei Elektroden der induktiven Elemente mit Masse verschaltet, ist ein induktives Element mit der ne ^¬ gativen Induktivität -L verschaltet.

Figur 12C zeigt eine Ausführungsform eines Admittanz-Inver- ters in Pi-Konfiguration, wobei die beiden kapazitiven Elemente in den beiden Parallelpfaden eine negative Kapazität aufweisen. Das kapazitive Element im Signalpfad weist eine positive Kapazität auf.

Figur 12D zeigt eine Ausführungsform eines Admittanz-Inver- ters in Pi-Konfiguration mit drei induktiven Elementen. Das induktive Element im Serienpfad weist eine positive Indukti- vität auf. Die beiden induktiven Elemente in den beiden Parallelpfaden weisen jeweils eine negative Induktivität auf. Figur 12E zeigt eine Ausführungsform eines Admittanz-Inver- ters, bei dem ein induktives Element mit positiver Induktivi ^¬ tät L zwischen zwei Segmenten einer Phasenschieberschaltung verschaltet ist. Jedes Segment der Phasenschieberschaltung hat eine charakteristische Impedanz Zo und verschiebt die Phase geeignet.

Entsprechend der Figur 12E zeigt Figur 12F eine Ausführungs ^¬ form eines Admittanz-Inverters, der ebenfalls auf Phasen- schieberschaltungen beruht. Zwischen zwei Segmenten einer

Phasenschieberschaltung ist ein kapazitives Element mit posi ^¬ tiver Kapazität C verschaltet.

Figur 13 zeigt die Verwendung von abstimmbaren Resonatoren R zusammen mit Impedanzwandlern IW. Der Resonator kann dabei ein Serienresonator sein. Durch die Verwendung von Impedanz- Invertern K als Impedanzwandler IW ergibt eine Kombination aus zwei Impedanzwandlern IW und einem dazwischen verschalteten Serienresonator insgesamt ein Parallelresonator.

Ersetzt man die Impedanzwandler IW der Figur 13A durch Impe- danz-Inverter, wie sie beispielsweise aus den Figuren I IA bis 11F, z. B. I IA, bekannt sind, so wird die Schaltungsstruktur der Figur 13B erhalten. Problematisch scheinen die Kapazität- selemente mit negativer Kapazität. Berücksichtigt man jedoch, dass die Resonatoren R selbst Eigenschaften kapazitiver Elemente positiver Kapazität haben, so entfällt der Bedarf an kapazitiven Elementen mit negativer Kapazität, die direkt mit den Resonatorelementen verschaltet sind. Dies ist in Figur 13C gezeigt. Berücksichtigt man ferner kapazitive Elemente, die in der Schaltungsumgebung des HF-Filters verschaltet sind, so ent ^¬ fällt auch der Bedarf an den peripheren kapazitiven Elementen negativer Kapazität der Figur 13C. Insgesamt wird dann eine Schaltungsstruktur, wie in 14A gezeigt, erhalten. Auch wenn eine externe Schaltungsumgebung des HF-Filters keine Möglich ^¬ keit zur Kompensation der negativen Kapazitäten -C in Figur 13 zur Verfügung stellt, so kann die negative Kapazität durch die positive Kapazität des kapazitiven Elements im Parallel- pfad kompensiert werden.

Figur 14A zeigt somit eine einfach herzustellende HF- Filterschaltung mit zwei abstimmbaren Resonatoren und drei Impedanzelementen, deren Impedanz so gewählt ist, dass einer der beiden Resonatoren als Parallelresonator wirkt. Figur 14A zeigt deshalb im Wesentlichen ein Grundglied einer Laddertype Filterschaltung, obwohl lediglich Serienresonatoren verwendet werden. Figur 14B zeigt eine Alternative zum HF-Filter der Figur 14A, denn das induktive Element L zwischen den Resonatoren ist durch ein kapazitives Element C und das kapazitive Element im lastseitigen Parallelpfad ist durch ein induktives Element ersetzt .

Figur 14C zeigt eine weitere Ausführungsform eines HF-Filters mit zwei Resonatoren, wobei drei induktive Elemente in je ^¬ weils einem Parallelpfad verschaltet sind. Figur 14D zeigt eine mögliche Ausführungsform eines HF- Filters, bei dem die linken beiden Impedanzelemente durch in ^¬ duktive Elemente und das rechte Impedanzelement durch ein ka ^¬ pazitives Element gebildet sind. Figur 14E zeigt eine Ausführungsform, bei der die äußeren beiden Impedanzelemente durch induktive Elemente und das zentrale Impedanzelement durch ein kapazitives Element gebil ^¬ det sind.

Figur 14F zeigt eine Ausführungsform, bei der die rechten beiden Impedanzelemente durch kapazitive Elemente und das linke Impedanzelement durch ein induktives Element gebildet sind .

Figur 14G zeigt eine Ausführungsform, bei der die rechten beiden Impedanzelemente durch induktive Elemente und das linke Impedanzelement durch ein kapazitives Element gebildet sind .

Figur 14H zeigt eine Ausführungsform, bei der alle drei Impedanzelemente durch kapazitive Elemente gebildet sind.

Die Figuren 15A bis 15H zeigen weitere Alternativen der HF- Filter der Figuren 14A bis 14H, wobei ein weiteres Impedanzelement den Signaleingang und den Signalausgang direkt miteinander verschaltet. Alternativ zum überbrückenden kapazitiven Element kann ein überbrückendes induktives Element oder andere Ausführungsformen von Impedanzwandlern verwendet wer- den.

Figur 16 zeigt die Admittanz eines Resonators (Kurve A) und die Übertragungsfunktion eines HF-Filters mit einem solchen Resonator (Kurve B) . Serielle kapazitive Elemente haben einen Wert von 2,4 pF. Parallele kapazitive Elemente haben einen Wert von 0,19 pF . Figur 17 zeigt die entsprechenden Kurven, wobei serielle abstimmbare Kapazitäten auf einen Kapazitätswert von 30 pF und parallele abstimmbare Kapazitäten auf einen Kapazitätswert von 3,7 pF eingestellt worden sind. Die Impedanzwandler der den Figuren 16 und 17 zugehörigen Filter sind Impedanz-Inver- ter. Die Resonatoren sind Serienresonatoren.

Im Vergleich dazu zeigen die Figuren 18 und 19 entsprechende Kurven von HF-Filtern mit Admittanz-Invertern und parallelen Resonatoren. Figur 18 zeigt dabei die charakteristischen Kurven eines Filters, bei dem serielle abstimmbare Kapazitäten einen Wert von 2,4 pF und parallele abstimmbare kapazitive Elemente einen Wert von 0,19 pF aufweisen. Figur 19 zeigt die entsprechenden Kurven des HF-Filters, bei dem die seriellen abstimmbaren Kapazitäten einen Wert von 30 pF und die parallelen abstimmbaren Kapazitäten einen Wert von 3,7 pF aufweisen. Figur 20 zeigt Einfügedämpfungen von Bandpassfiltern mit Admittanz-Invertern und Parallelresonatoren. Das Filter weist abstimmbare Resonatoren auf, die durch einstellbare Kapazitä ^¬ ten kapazitiver Elemente einmal auf das Empfangsband 17 bzw. Band 5 abgestimmt sind. Die Resonatoren umfassen dabei mit- tels Schalter koppelbare Resonatorelemente wie in Fig. 10B gezeigt .

Figur 21 zeigt dabei Durchlasskurven eines HF-Filters mit Im- pedanz-Invertern und Serienresonatoren, wobei die abstimmba- ren Werte einmal auf die Sendefrequenzen des Bands 17 und einmal auf die Sendefrequenzen des Bands 5 abgestimmt sind. Die Resonatoren umfassen dabei mittels Schalter koppelbare Resonatorelemente wie in Fig. 10A gezeigt. Figur 22 zeigt die Einfügedämpfungen der Empfangs- bzw. Sendefilter eines abstimmbaren Duplexers, einmal auf Band 17 und einmal auf Band 15 abgestimmt. Fig. 23 zeigt eine mögliche Ausführungsform des HF-Filters. Im Signalpfad SP sind vier kapazitive Elemente in Serie ver ^¬ schaltet. In sechs Querzweigen gegen Masse ist je ein schalt ^¬ barer Resonator verschaltet. Jeder der schaltbaren Resonatoren umfasst ein Resonatorelement und einen dazu in Serie ver- schalteten Schalter. Ein induktives Element ist parallel zu zwei der vier kapazitiven Elemente geschaltet.

Fig. 24 zeigt, wie Schaltungskomponenten der Filterschaltung vorteilhaft in einem mehrlagigen Modul integriert sein kön- nen. Die kapazitiven Elemente CE können als MIM-Kondensatoren (MIM = Metall Isolator Metall) zusammen mit Abschnitten des Signalpfads in einer Lage realisiert sein. Unten an dieser Lage können die Schalter SW realisiert sein. In einer sich darunter befindenden Lage können Durchkontaktierungen geführt sein, die Leitungen einer Schnittstelle zwischen (Halbleiter- ) Schaltern und den Resonatorelementen darstellen. Unter der Lage mit der Schnittstelle können dann die Resonatorelemente, z. B. als SAW-, BAW-, GBAW-, ... usw. Elemente, angeordnet sein .

Fig. 25 zeigt berechnete Durchlasskurven für die Bänder 34 und 39, zwischen denen mittel Schalter umgeschaltet werden kann . HF-Filter oder Duplexer mit HF-Filtern können ferner zusätzliche Resonatoren oder Impedanzelemente, insbesondere ab ^¬ stimmbare Impedanzelemente, umfassen. Bezugs zeichenliste

A: Admittanz eines Resonators

ANT: Antenne

B: Einfügedämpfung eines HF-Filters

B Bl, B2, B3, B4 : Einfügedämpfungen von HF-Filtern

CE : kapazitives Element

D: Duplexer

F: HF-Filter

GG: Grundglied

IAS : Impedanzanpassschaltung

IE: induktives Element

IW: Impedanzwandler

J: Admittanz-Inverter

K: Impedanz-Inverter

P: Parallelresonator

R: Resonator

RE : Resonatorelement

RX: Empfangsfilter

S: Serienresonator

SP: Signalpfad

SW: Schalter

TX: Sendefilter

Z Q : charakteristische Leitungsimpedanz

Φ: Phasenversatz