WO2014090451A2 - Elektroakustisches bandpassfilter mit geglätteter einfügedämpfung - Google Patents

Elektroakustisches bandpassfilter mit geglätteter einfügedämpfung Download PDF

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WO2014090451A2
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bpf
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bandpass filter
transducer
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Andreas Detlefsen
Mohamed Nizar MELLOULI
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    • H03H9/14544—Transducers of particular shape or position
    • H03H9/14594—Plan-rotated or plan-tilted transducers

Definitions

  • the invention relates to electroacoustic bandpass filter with smoothed insertion loss, as z. B. can be used in front-end circuits of mobile communication devices use.
  • bandpass filters are used to select the desired frequency ranges for different signal paths ⁇ .
  • the desired frequency ranges can pass through the filter while blocking unwanted frequency ranges.
  • the desired frequency range - the passband - should have as low and smooth insertion loss as possible.
  • the ripple of the insertion loss in the pass band plays an important role. It is therefore an object of the present invention to provide a bandpass filter with low and smooth insertion loss in the passband. This object is achieved by the bandpass filter according to claim 1.
  • Dependent claims indicate advantageous Ausgestaltun ⁇ conditions of the invention. The features listed below can cooperate in any combination to give an individually adapted bandpass filter.
  • the electroacoustic bandpass filter comprises a piezoelectrical layer with an acoustic track.
  • the filter further comprises a metallization layer that is disposed on the piezoelectric ⁇ 's location and in the acoustic track.
  • the acoustic track comprises a first section and a second section.
  • a first transducer segment is formed in the metallization layer which resonates at a first frequency f i and produces a peak in the insertion loss.
  • a second transducer segment is formed in the metallization layer which resonates at a second frequency f2 ⁇ fi and produces a peak in the insertion loss.
  • the frequencies fi and f2 are selected such that the expression of the Spit ⁇ zen in the insertion loss of the filter as compared to the expression of the tips of each transducer is reduced.
  • Such a bandpass filter thus enables the reduction of peaks, ie narrowband resonances or spikes, in the transfer function. Since the electric power can be kept lower overall by reducing the ripple in the pass band, the power compatibility of the filter is thus also improved.
  • the bandpass filter also helps reduce intermodulation distortion (IMD) interference and unwanted higher harmonic distortion.
  • IMD intermodulation distortion
  • the acoustic track is the one area of the pie ⁇ zoelektrischen able to be excited in the acoustic waves and / or are capable of propagation.
  • the acoustic track is thus essentially the acoustically active area of the filter.
  • the first section with the first transducer segment and the second section with the second transducer segment may be directly adjacent to each other or arranged spatially separated.
  • the two sections can be arranged on one and the same chip substrate.
  • the first transducer segment and the second transducer segment can be arranged in the same or in different transducers.
  • the bandpass filter then comprises min. at least two transducers, which are arranged in an electro-acoustic region on a piezoelectric layer and z.
  • the electrode fingers are frequency offset.
  • the term pitch denotes the distance of the excitation centers.
  • the two segments can have a slightly different under ⁇ union pitch accordingly.
  • a ladder-type filter with parallel branch resonators and series branch resonators, wherein at least two different parallel branch resonators and / or series resonant resonators have a frequency offset.
  • unwanted resonances above (parallel ⁇ branch) or below (series branch) of the resonant frequency can be reduced, z.
  • filters with LiNbÜ3 (lithium niobate) or LiTaÜ3 (lithium tantalate) as a piezoelectric material LiNbÜ3 (lithium niobate) or LiTaÜ3 (lithium tantalate) as a piezoelectric material.
  • the first transducer segment and the second transducer segment are two segments of the same transducer.
  • the converter can be a converter with a common current busbar between two partial converters cascaded relative to one another.
  • a FAN converter having two different segments with different pitch.
  • a FAN converter can also have a continuum of quasi juxtaposed infinitesimally narrow segments of different pitches and thus represent a transducer with a pitch gradient.
  • FAN converters are z. B. from US 2004/0130411 AI known. However, known FAN converters are not intended to produce different peaks in insertion loss that compensate each other.
  • the first transducer segment and the second transducer segment are two segments of the same FAN transducer.
  • the filter is a SAW filter or a GBAW filter.
  • the first transducer segment and the second transducer segment are arranged in a first transducer.
  • the bandpass filter further comprises a second transducer and is a DMS filter or a multi-port resonator filter.
  • the insertion loss corresponding peaks comprises at these frequencies, is particularly suitable for DMS or more ⁇ port resonator filters, because here arranged a plurality of active transducer elektroakus- table structures within a single resonator and acoustically coupled together.
  • the bandpass filter further comprises a FAN reflector.
  • a FAN reflector is a structured structure arranged on the piezoelectric layer, which reflects acoustic waves. As a reflective structure, it can in particular comprise a multiplicity of structured strips arranged one behind the other, wherein the strips diverge in the transverse direction in accordance with the FAN principle.
  • the transverse direction is the direction that is parallel to the surface of the piezoelectric layer and to the propagation direction of the waves akusti ⁇ rule, the longitudinal direction is perpendicular.
  • the FAN converter or a FAN reflector has a pitch scaling between 500 ppm and 2000 ppm. For two juxtaposed finger structures, the distance between the fingers in the transverse direction thus changes by 0.05 to 0.2%.
  • the pitch can be varied with a constant or variable metallization ratio.
  • the pitch scaling is different. Especially with resonators in a parallel branch other values are possible. Then the pitch scaling of series branch and parallel branches can be chosen differently. Thus, another degree of freedom in designing filter structures is obtained.
  • the filter is a DMS filter.
  • the two segments are segments of the same transducer, which is a partial FAN converter or complete FAN converter.
  • a partial FAN converter is a converter which, in a first section, that is to say in one of the two segments, having parallel electrode fingers. In a two ⁇ th stage, ie, the other of the two segments, the pitch in the transverse contrast continuously changes.
  • a complete FAN converter is a converter in which the pitch in the entire transducer region changes continuously in the transverse direction.
  • the bandpass filter comprises a third transducer in addition to a first and a second transducer.
  • the first, second and third converters are FAN converters.
  • Two of the transducers are output transducers and one of the transducers is located between the output transducers and an input transducer.
  • Such a transducer structure thus has two electric A ⁇ gears and an electrical output.
  • the terms input and output are interchangeable.
  • the single connection can be an input while the other two connections are two outputs.
  • BALUN BALanced-UNbalanced Converter
  • the bandpass filter, the piezo electrical layer ⁇ a bulk acoustic wave at least in part ⁇ as reflective underside.
  • a transducer of the filter is designed as a FAN-converter and adapted to scatter acoustic see bulk waves to reduce the ripple of the insert ⁇ attenuation.
  • a bulk-wave-reflecting underside of a device with a bandpass filter function is undesirable, since bulk waves radiated from the reflective underside interfere with surface waves at the surface and disturb the functionality of the filter.
  • the bandpass filter comprises a parallel branch converter with a pitch P2.
  • One of the two converter segments is further arranged in a series branch converter and has a pitch Pi. The following applies: P2> Pi.
  • the two frequencies fi and f2 are selected so that unwanted Fabry-Perot resonances are reduced.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of two transducers on a substrate
  • FIG. 2 shows a FAN converter
  • FIG. 5 is a schematic representation of two side-by-side FAN converters, FIG.
  • FIG. 6 shows a strain gauge structure with three FAN transducers
  • FIG. 7 shows a triple-cascaded resonator with three
  • FIG. 8 shows a ladder-type filter structure
  • FIG. 11 shows an insertion loss in the passband with reduced ripple
  • FIG. 12 the error vector magnitude (EVM) for a conventional filter and for an improved filter
  • FIG. 13 the insertion loss of an optimized filter
  • FIG. 14 shows a section of the insertion loss shown in FIG. 13,
  • FIG. 15 shows the reflection at one of two ports for one
  • FIG. 16 shows the reflection at the corresponding other port of the filter of FIG. 15.
  • FIG. 18 shows a section of the curve of FIG. 17,
  • FIG. 19 shows the adaptation of a corresponding filter structure into an external circuit environment
  • FIG. 20 shows the adaptation of a corresponding one
  • FIG. 1 shows a bandpass filter BPF with a first section SECi and a second section SEC2 arranged in an acoustic track AT.
  • the first section SECi is essentially realized by a first converter Di and the second section SEC2 is essentially realized by a second converter D2.
  • the two sections SECi and SEC2 are arranged in the same converter.
  • the acoustic track AT is arranged on a substrate SU. It is possible that the substrate is a carrier substrate with ei ⁇ ner deposited thereon piezoelectric layer. But it is also possible that the substrate itself is piezoelectric and represents the piezoelectric layer.
  • the two transducers TDi and T D2 are connected to three terminals Ci, C2, C3. It is possible that one of the two transducers, z. B. TDi, a Serienzweigwandler is. Then the Terminal Ci represent a signal input and terminal C2 represent a signal output terminal. The converter D2 is then a parallel branch resonator connecting terminal C2 to ground. Then, the two transducers T Di and D2 essentially constitute a basic element of a ladder-type circuit.
  • FIG. 2 shows an embodiment with a FAN converter TD between two reflectors REF.
  • the finger distances of the reflector fingers can increase or decrease along the transverse direction. The finger distances can also remain constant.
  • the two sections seci and SEC2 are formed by pa rallel ⁇ extending portions of the FAN converter TD. In contrast to FIG. 1, FIG. 2 thus represents the situation with both sections within the same converter, namely a complete FAN converter.
  • FIG. 3 schematically shows a partial FAN converter TD with a first range of constant pitch, which is z. B. realizes the second section SEC2, as well as a variable pitch section, which realizes the first section SECi.
  • FIG. 4 shows a multi-port resonator MPR with two FAN converters. Each of the converters has at least two regions with un ⁇ ter Kunststofflichem pitch. In total, at least the four transducer segments SEC a , SEC b , SEC C , SEC d are obtained, from which the first transducer segment and the second transducer segment can be selected.
  • the two transducers of the multi-port resonator MPR are arranged between two reflector structures.
  • FIG. 5 illustrates the symbolic representation of the FAN converter of FIG. 4.
  • DMS dual mode SAW
  • the average transducer it may be an input transducer, while the two outer transducers are output transducer.
  • the inner transducer is an output transducer, while the two outer transducers are input transducer.
  • FIG. 7 shows a triple resonator cascade CRES in which three transducer segments are arranged next to one another and in each case between two reflector elements and connected in series.
  • the pitches of the cascade stages can be adjusted so that unwanted peaks in the transfer function compensate each other.
  • Figure 8 symbolizes a ladder-type filter structure having a first series branch SRi converter, a second converter SR2 series branch and a third serial branch converter SR 3, which are mutually connected in series.
  • Parallel to each individual series branch resonator, a parallel branch resonator, in this case the first parallel branch resonator PRi, the second parallel branch resonator PR2 and the third parallel branch resonator PR 3 is connected to ground.
  • the bandpass filter BPF has a first port Pi and a second port P2, which represent the input and output ports, respectively.
  • FIG. 9 shows the negative effects of Fabry-Perot resonances.
  • the curve C RE s represents the real part of the admittance of a resonator in a bandpass filter.
  • the curve B C p is the insertion of a band pass filter with the Reso ⁇ nator with the curve C RE s associated resonator again.
  • the superimposition of partial waves reflected at the edges of the resonator fingers produces Fabry-Perot resonances. whose local maxima are indicated by the arrows. Since the insertion loss of the bandpass filter depends on the admittance of the individual resonators, the Fabry-Perot resonances are also reflected in a ripple in the passband.
  • the Fabry-Perot resonances of various resonators or transducer segments may be chosen so that mutual compensation occurs and the ripple of the insertion loss is significantly reduced in the overall passband characteristic.
  • Figure 10 shows the response function C3, CON a konvent ionel ⁇ len triple cascade.
  • C3, ne w indicates an ant ⁇ word function of an improved triple cascade, which is characterized by a significantly reduced ripple.
  • the significantly reduced ripple is obtained by the fact that the position of the individual resonances of the three individual cascades Ci, new is selected so that a destructive interference he ⁇ will hold.
  • the ripple of insertion loss of a band-pass filter ⁇ with such a triple cascade is accordingly also reduced.
  • FIG. 11 shows the insertion loss of a conventional bandpass filter C con compared to the insertion loss with reduced ripple C new -
  • FIG. 12 shows the error vector magnitude (EVM) for a conventional filter EVM con and for an improved filter EVM new .
  • the EVM describes the average vector deviation of a received modulated symbol of the correct value in the correlation diagram. Distortion of the signal in the filter due to the deviation from the ideal rectangular shape increases the EVM. That is, the EVM describes the influence of the filter on the signal quality and is thus a measure of the Smoothness of the filter.
  • the improved filter has, clearly recognizable, a smaller EVM and a smoother Filtercharak ⁇ teristics.
  • FIG. 13 shows the insertion loss of a conventional and an optimized bandpass filter.
  • FIG. 14 shows the passband range of FIG. 13 enlarged.
  • Figures 13 and 14 show this case, a filter structure, which only has to be a small ripple in the pass band on ⁇ . It turns out that measures which result in a marked improvement in less optimized filters do not adversely affect them in the case of an already good characteristic.
  • Figure 15 shows the reflection at one of two ports for a conventional and for an optimized filter.
  • Figure 16 shows the reflection at the corresponding other port of the filters.
  • Figures 15 and 16 show the adaptation of a corresponding filter structure in an external circuit environment. It turns out that no deterioration of the adjustment is obtained by the measures for improving the filter characteristic.
  • FIG. 17 shows calculated transfer functions of a bandpass filter with resonator structures and a DMS track. In the smoother of both curves, peak frequencies were chosen accordingly advantageous.
  • FIG. 18 shows a section of the curve of FIG. 17.
  • FIGS. 17 and 18 show a filter structure which has only a slight waviness in the passband. It turns out that measures that result in significantly improved filters in less optimized, in the case of already good characteristics, these do not adversely affect.
  • FIGS. 19 and 20 show the adaptation of a corresponding filter structure into an external circuit environment. It turns out that no deterioration of the adjustment is obtained by the measures for improving the filter characteristic.
  • a bandpass filter according to the invention is not limited to one of the exemplary embodiments described. Combinations of transducer segments and other filter structures also represent exemplary embodiments according to the invention.
  • Ci new - three individual admittances of coordinated cascade stages
  • MPR multi-port resonator

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  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

Beschreibung
Elektroakustisches Bandpassfilter mit geglätteter Einfüge¬ dämpfung
Die Erfindung betrifft elektroakustische Bandpassfilter mit geglätteter Einfügedämpfung, wie sie z. B. in Front-End- Schaltungen mobiler Kommunikationsgeräte Verwendung finden können .
In mobilen Kommunikationsgeräten dienen Bandpassfilter zur Selektion gewünschter Frequenzbereiche für diverse Signal¬ pfade. Die gewünschten Frequenzbereiche können das Filter passieren, während unerwünschte Frequenzbereiche geblockt werden.
Aus der US 2004/0130411 AI sind Bandstoppfilter mit elektro- akustisch aktiven Bauelementen bekannt. Aus der US-Patentschrift 6,804,588 sind ebenfalls elektro¬ akustische Bauelemente, z. B. zur Verbesserung der Nahselektion, bekannt.
Der gewünschte Frequenzbereich - das Passband - sollte eine möglichst niedrige und glatte Einfügedämpfung aufweisen. Im Gegensatz zu den Bandstoppfiltern der US 2004/0130411 AI spielt die Welligkeit der Einfügedämpfung im Passband eine wichtige Rolle. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bandpassfilter mit niedriger und glatter Einfügedämpfung im Passband anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das Bandpassfilter nach Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltun¬ gen der Erfindung an. Die im Folgenden angegebenen Merkmale können dabei in beliebiger Kombination zusammenwirken, um ein individuell ange- passtes Bandpassfilter zu ergeben.
Das elektroakustische Bandpassfilter umfasst eine piezoelekt- rische Lage mit einer akustischen Spur. Das Filter umfasst ferner eine Metallisierungslage, die auf der piezoelektri¬ schen Lage und in der akustischen Spur angeordnet ist. Die akustische Spur umfasst einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Im ersten Abschnitt ist ein erstes Wand- lersegment in der Metallisierungslage gebildet, das bei einer ersten Frequenz fi eine Resonanz ausbildet und eine Spitze in der Einfügedämpfung erzeugt. Im zweiten Abschnitt ist ein zweites Wandlersegment in der Metallisierungslage gebildet, das bei einer zweiten Frequenz f2 ^ fi eine Resonanz ausbildet und eine Spitze in der Einfügedämpfung erzeugt. Die Frequenzen fi und f2 sind so gewählt, dass die Ausprägung der Spit¬ zen in der Einfügedämpfung des Filters verglichen mit der Ausprägung der Spitzen der einzelnen Wandler verringert ist. Ein solches Bandpassfilter ermöglicht somit die Reduzierung von Spitzen, also schmalbandigen Resonanzen bzw. Spikes, in der Übertragungsfunktion. Da durch die Reduktion der Welligkeit im Passband die elektrische Leistung insgesamt geringer gehalten werden kann, ist somit auch die Leistungsverträg- lichkeit des Filters verbessert. Durch die Reduktion von
Spitzen wird weniger Leistung im Filter deponiert, sodass die Lebensdauer erhöht wird. Ferner ist aufgrund der Reduktion der benötigten elektrischen Leistung auch das lineare Verhal- ten des Filters, also die Verringerung nichtlinearer Effekte, verbessert. Somit trägt das Bandpassfilter auch dazu bei, Störungen durch Intermodulationsprodukte (IMD = intermodula- tion distortion) und Störungen durch unerwünschte höhere Har- monische zu vermindern.
Die piezoelektrische Lage, in der die akustische Spur ausge¬ bildet ist, kann eine piezoelektrische Schicht auf einem Trä¬ gersubstrat oder aber ein piezoelektrisches Substrat selbst sein. Die akustische Spur ist dabei diejenige Fläche der pie¬ zoelektrischen Lage, in der akustische Wellen angeregt werden können und/oder ausbreitungsfähig sind. Die akustische Spur ist also im Wesentlichen der akustisch aktive Bereich des Filters. Die Metallisierungslage ist diejenige Lage, in der Elektrodenstrukturen oder Reflektoren in der akustischen Spur gebildet sind. Die Elektrodenstrukturen können insbesondere zwischen elektromagnetischen HF-Signalen und akustischen Wellen wandeln. Als akustische Wellen kommen insbesondere akus¬ tische Oberflächenwellen (SAW = surface acoustic wave) oder geführte akustische Volumenwellen (GBAW = guided bulk
acoustic wave) in Frage.
Der erste Abschnitt mit dem ersten Wandlersegment und der zweite Abschnitt mit dem zweiten Wandlersegment können direkt aneinander angrenzen oder räumlich getrennt angeordnet sein. In jedem Fall können die beiden Abschnitte auf ein und demselben Chipsubstrat angeordnet sein. Ferner können das erste Wandlersegment und das zweite Wandlersegment im selben oder in unterschiedlichen Wandlern angeordnet sein.
In einer Ausführungsform sind entsprechend das erste und das zweite Wandlersegment Segmente unterschiedlicher, leicht fre¬ quenzversetzter Wandler. Das Bandpassfilter umfasst dann min- destens zwei Wandler, die in einem elektroakustischen Bereich auf einer piezoelektrischen Lage angeordnet sind und z. B. durch unterschiedliche Abstände der Mitten der Anregungszent¬ ren, z. B. der Elektrodenfinger, frequenzversetzt sind. Der Begriff Pitch bezeichnet den Abstand der Anregungszentren. Die beiden Segmente können entsprechend einen leicht unter¬ schiedlichen Pitch aufweisen.
So ist es auch möglich, ein Ladder-Type-Filter mit Paral- lelzweigresonatoren und Serienzweigresonatoren vorzusehen, wobei zumindest zwei verschiedene Parallelzweigresonatoren und/oder Serienzweigresonatoren einen Frequenzversatz aufweisen. So können unerwünschte Resonanzen oberhalb (Parallel¬ zweig) bzw. unterhalb (Serienzweig) der Resonanzfrequenz ver- ringert werden, z. B. bei Filtern mit LiNbÜ3 (Lithiumniobat ) oder LiTaÜ3 (Lithiumtantalat ) als piezoelektrischem Material.
In einer Ausführungsform sind das erste Wandlersegment und das zweite Wandlersegment zwei Segmente des gleichen Wand- lers .
Der Wandler kann dabei ein Wandler mit einer gemeinsamen Stromsammeischiene zwischen zwei relativ zueinander kaska- dierten Teilwandlern sein. Es ist jedoch auch möglich, dass ein und derselbe Wandler, z. B. ein FAN-Wandler, die beiden unterschiedlichen Segmente mit unterschiedlichem Pitch aufweist. Insbesondere ein FAN-Wandler kann darüber hinausgehend ein Kontinuum an quasi nebeneinander angeordneten infinitesimal schmalen Segmenten unterschiedlichen Pitches aufweisen und somit einen Wandler mit einem Pitch-Gradienten darstellen . FAN-Wandler sind z. B. aus der US 2004/0130411 AI bekannt. Jedoch sind bekannte FAN-Wandler nicht dazu vorgesehen, verschiedene Spitzen in der Einfügedämpfung, die sich gegenseitig kompensieren, zu erzeugen.
In einer Ausführungsform sind entsprechend das erste Wandlersegment und das zweite Wandlersegment zwei Segmente ein und desselben FAN-Wandlers . In einer Ausführungsform ist das Filter ein SAW-Filter oder ein GBAW-Filter.
In einer Ausführungsform sind das erste Wandlersegment und das zweite Wandlersegment in einem ersten Wandler angeordnet. Das Bandpassfilter umfasst weiterhin einen zweiten Wandler und ist ein DMS-Filter oder ein Mehrport-Resonatorfilter.
Das Vorsehen unterschiedlicher Frequenzen fi und f2, wobei die Einfügedämpfung entsprechende Spitzen bei diesen Frequen- zen aufweist, eignet sich insbesondere bei DMS- oder Mehr¬ port-Resonatorfiltern, da hier eine Vielzahl an elektroakus- tisch aktiven Wandlerstrukturen innerhalb einer einzelnen Resonatorstruktur angeordnet und akustisch miteinander gekoppelt sind.
Die entsprechenden DMS-Spuren oder die Spuren von Mehrport- Resonatorfiltern kann man gedanklich in Spur-Segmente unterschiedlichen Pitches unterteilen, die zueinander in der Frequenz skalierte elektrische Eigenschaften besitzen. In der gesamten Übertragungsfunktion führt dies zu einem „Glätten" einzelner Spitzen. In einer Ausführungsform umfasst das Bandpassfilter ferner einen FAN-Reflektor . Ein FAN-Reflektor ist dabei eine auf der piezoelektrischen Lage angeordnete strukturierte Struktur, die akustische Wellen reflektiert. Als reflektierende Struk- tur kann sie insbesondere eine Vielzahl an hintereinander angeordneten strukturierten Streifen umfassen, wobei die Streifen entsprechend dem FAN-Prinzip in Transversalrichtung divergieren. Die Transversalrichtung ist dabei diejenige Richtung, die parallel zur Oberfläche der piezoelektrischen Lage verläuft und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akusti¬ schen Wellen, der Longitudinalrichtung, steht.
In einer Ausführungsform hat der FAN-Wandler oder ein FAN-Re- flektor eine Pitch-Skalierung zwischen 500 ppm und 2000 ppm. Für zwei nebeneinander verlaufende Fingerstrukturen ändert sich der Abstand der Finger in transversaler Richtung also um 0,05 bis 0,2 %. Der Pitch kann dabei bei konstantem oder ebenfalls veränderlichem Metallisierungsverhältnis variiert werden .
Es ist auch möglich, dass die Pitchskalierung andere Werte beträgt. Insbesondere bei Resonatoren in einem Parallelzweig sind andere Werte möglich. Dann können die Pitchskalierungen von Serienzweig und Parallelzweigen unterschiedlich gewählt sein. Es wird also ein weiterer Freiheitsgrad beim Entwerfen von Filterstrukturen erhalten.
In einer Ausführungsform ist das Filter ein DMS-Filter. Die beiden Segmente sind Segmente desselben Wandlers, der ein partieller FAN-Wandler oder vollständiger FAN-Wandler ist.
Ein partieller FAN-Wandler ist dabei ein Wandler, der in einem ersten Abschnitt, also in einem der beiden Segmente, pa- rallel verlaufende Elektrodenfinger aufweist. In einem zwei¬ ten Abschnitt, also in dem anderen der beiden Segmente, ändert sich der Pitch in Transversalrichtung dagegen kontinuierlich .
Im Gegensatz dazu ist ein vollständiger FAN-Wandler ein Wandler, bei dem sich der Pitch im ganzen Wandlergebiet in Transversalrichtung kontinuierlich ändert. In einer Ausführungsform umfasst das Bandpassfilter neben einem ersten und einem zweiten Wandler einen dritten Wandler. Der erste, zweite und dritte Wandler sind FAN-Wandler. Zwei der Wandler sind Ausgangswandler und einer der Wandler ist zwischen den Ausgangswandlern angeordnet und ein Eingangs- wandler.
Eine solche Wandlerstruktur hat somit zwei elektrische Ein¬ gänge und einen elektrischen Ausgang. Die Begriffe Eingang und Ausgang sind dabei vertauschbar. Der einzelne Anschluss kann dabei ein Eingang sein, während die beiden anderen Anschlüsse zwei Ausgänge sind.
Es kann somit eine Wandlerstruktur mit BALUN-Funktionalität (BALUN = BALanced-UNbalanced Converter) erhalten werden.
In einer Ausführungsform des Bandpassfilters weist die piezo¬ elektrische Lage eine akustische Volumenwelle zumindest teil¬ weise reflektierende Unterseite auf. Ein Wandler des Filters ist als FAN-Wandler ausgestaltet und dazu vorgesehen, akusti- sehe Volumenwellen zu streuen, um die Welligkeit der Einfüge¬ dämpfung zu verringern. Im Allgemeinen ist eine Volumenwellen reflektierende Unterseite eines Bauelements mit Bandpassfilterfunktion unerwünscht, da von der reflektierenden Unterseite abgestrahlte Volumenwellen an der Oberfläche mit Oberflächenwellen inter- ferieren und die Funktionalität des Filters stören.
Es ist möglich, die Unterseite mit einem Volumenwellen absorbierenden Material auszugestalten. Allerdings fordert der anhaltende Trend zu weitergehender Miniaturisierung von elekt- rischen Bauelement immer dünnere Substrate. Ein Weg, ein dün¬ nes Substrat zu erhalten, ist dabei das Abschleifen von Sub¬ stratmaterial von der Unterseite. Weil die mechanische Stabi¬ lität von der Dicke des Substrats abhängt, bewirkt ein sol¬ ches Dünnen eine Verringerung der mechanischen Stabilität. Das Anordnen von Volumenwellen absorbierenden oder zerstreuenden Strukturen birgt deshalb bei besonders dünnen Substra¬ ten die Gefahr der Zerstörung des Bauelements. Durch die vorgesehene Möglichkeit zur destruktiven Interferenz von Spitzen der beiden Frequenzen fi, f2 kann somit das Problem von Stö- rungen durch an der Unterseite reflektierte Volumenwellen allein durch Strukturen an der Oberseite des Bauelements verringert werden. Die Gefahr der Zerstörung bei der Herstellung der Bauelemente ist somit verringert, weil die entsprechenden Strukturen vor dem Dünnen hergestellt und durch das Dünnen selbst nicht zerstört werden.
In einer Ausführungsform sind die beiden Wandler kaskadiert und die Kaskadenstufen in Serie oder parallel verschaltet. Die beiden Wandler umfassen dabei die beiden Segmente mit Spitzen bei unterschiedlichen Frequenzen. Dabei können die unterschiedlichen Frequenzen der Spitzen durch einen entsprechend angepassten Pitch der beiden kaskadierten Wandler erhalten werden. In einer Ausführungsform sind diese beiden Wandler Teil einer Resonatorkaskade mit einer gemeinsamen Stromsammeischiene. Die beiden Wandler, die die beiden Segmente umfassen, sind also unmittelbar aneinander angrenzend auf der piezoelektri- sehen Lage angeordnet, was ein sehr Platz sparendes Design einer Filterstruktur ermöglicht.
In einer Ausführungsform umfasst das Bandpassfilter einen Parallelzweigwandler mit einem Pitch P2. Eines der beiden Wand- lersegmente ist ferner in einem Serienzweigwandler angeordnet und weist einen Pitch Pi auf. Es gilt dabei: P2 > Pi .
In einer Ausführungsform sind die beiden Frequenzen fi und f2 so ausgewählt, dass unerwünschte Fabry-Perot-Resonanzen ver- ringert sind.
Es wurde erkannt, dass Fabry-Perot-Resonanzen unerwünschte Resonanzen auch im Durchlassbereich eines Bandpassfilters verursachen und somit die Welligkeit der Einfügedämpfung er- höhen können. Durch das Wählen der Frequenzen fi und f2 können Fabry-Perot-Resonanzen zugeordnete Spitzen einander destruktiv überlagern und somit kompensieren.
Im Folgenden wird das Bandpassfilter anhand von Ausführungs- beispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Anordnung zweier Wandler auf einem Substrat,
Figur 2 einen FAN-Wandler,
Figur 3 einen partiellen FAN-Wandler, Figur 4 einen Resonator mit zwei FAN-Wandlern zwischen zwei Reflektoren,
Figur 5 eine schematische Darstellung zweier nebeneinander angeordneter FAN-Wandler,
Figur 6 eine DMS-Struktur mit drei FAN-Wandlern,
Figur 7 einen dreifach kaskadierten Resonator mit drei
Teilresonatorstrukturen,
Figur 8 eine Ladder-Type-Filterstruktur,
Figur 9 den Effekt von Fabry-Perot-Resonanzen auf die
Admittanz eines Resonators und die entsprechende
Einfügedämpfung eines Bandpassfilters,
Figur 10 den Realteil des Schwingungsverhaltens einer opti¬ mierten Dreifachkaskade,
Figur 11 eine Einfügedämpfung im Durchlassbereich mit reduzierter Welligkeit,
Figur 12 die Error Vector Magnitude (EVM) für ein konventio- nelles Filter und für ein verbessertes Filter,
Figur 13 die Einfügedämpfung eines optimierten Filters,
Figur 14 einen Ausschnitt der in Figur 13 gezeigten Einfüge- dämpfung,
Figur 15 die Reflexion an einem von zwei Ports für ein
konventionelles und für ein optimiertes Filter. Figur 16 die Reflexion am entsprechenden anderen Port der Filter der Figur 15.
Figur 17 die berechnete Übertragungsfunktionen eines Band¬ passfilters mit Resonatorstrukturen und einer DMS- Spur,
Figur 18 einen Ausschnitt der Kurve der Figur 17, Figur 19 zeigt die Anpassung einer entsprechenden Filterstruktur in eine externe Schaltungsumgebung,
Figur 20 zeigt die Anpassung einer entsprechenden
Filterstruktur in eine externe Schaltungsumgebung.
Figur 1 zeigt ein Bandpassfilter BPF mit einem ersten Abschnitt SECi und einem zweiten Abschnitt SEC2 , die in einer akustischen Spur AT angeordnet sind. Der erste Abschnitt SECi ist im Wesentlichen durch einen ersten Wandler Di und der zweite Abschnitt SEC2 ist im Wesentlichen durch einen zweiten Wandler D2 realisiert. Es ist aber auch möglich, vgl. Figur 2, dass die beiden Abschnitte SECi und SEC2 im selben Wandler angeordnet sind. Die akustische Spur AT ist auf einem Substrat SU angeordnet. Es ist möglich, dass das Substrat ein Trägersubstrat mit ei¬ ner darauf abgeschiedenen piezoelektrischen Lage ist. Es ist aber auch möglich, dass das Substrat selbst piezoelektrisch ist und die piezoelektrische Lage darstellt.
Die beiden Wandler TDi und T D2 sind an drei Anschlüsse Ci, C2 , C3 angeschlossen. Es ist möglich, dass einer der beiden Wandler, z. B. TDi, ein Serienzweigwandler ist. Dann könnte der Anschluss Ci einen Signaleingang und der Anschluss C2 einen Signalausgangsanschluss darstellen. Der Wandler D2 ist dann ein Parallelzweigresonator, der Anschluss C2 mit Masse verschaltet. Dann stellen die beiden Wandler T Di und D2 im We- sentlichen ein Grundglied einer Ladder-Type-Schaltung dar.
Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung mit einem FAN-Wandler TD zwischen zwei Reflektoren REF. Die Fingerabstände der Reflektorfinger können dabei entlang der Transversalrichtung zu- oder abnehmen. Die Fingerabstände können aber auch konstant bleiben. Die beiden Abschnitte SECi und SEC2 werden durch pa¬ rallel verlaufende Bereiche des FAN-Wandlers TD gebildet. Im Gegensatz zu Figur 1 stellt Figur 2 also die Situation mit beiden Abschnitten innerhalb des gleichen Wandlers, nämlich eines vollständigen FAN-Wandlers, dar.
Figur 3 zeigt schematisch einen partiellen FAN-Wandler TD mit einem ersten Bereich konstanten Pitches, der z. B. den zweiten Abschnitt SEC2 realisiert, sowie einem Abschnitt mit ver- änderlichem Pitch, der den ersten Abschnitt SECi realisiert.
Figur 4 zeigt einen Mehrport-Resonator MPR mit zwei FAN-Wand- lern. Jeder der Wandler weist zumindest zwei Bereiche mit un¬ terschiedlichem Pitch auf. Insgesamt werden also zumindest die vier Wandlersegmente SECa, SECb, SECC, SECd erhalten, aus denen das erste Wandlersegment und das zweite Wandlersegment ausgewählt sein können.
Die beiden Wandler des Mehrport-Resonators MPR sind dabei zwischen zwei Reflektorstrukturen angeordnet.
Figur 5 illustriert dabei die symbolhafte Darstellung der FAN-Wandler der Figur 4. Figur 6 zeigt schematisch eine DMS-Struktur (DMS = dual mode SAW) mit drei Wandlern TD zwischen zwei Reflektoren REF. Einer der drei Wandler, z. B. der mittlere Wandler, kann dabei ein Eingangswandler sein, während die beiden äußeren Wandler Ausgangswandler sind. Es ist aber auch möglich, dass der innere Wandler ein Ausgangswandler ist, während die beiden äußeren Wandler Eingangswandler sind.
Figur 7 zeigt eine dreifache Resonatorkaskade CRES, bei der drei Wandlersegmente nebeneinander und jeweils zwischen zwei Reflektorelementen angeordnet und in Serie verschaltet sind. Die Pitches der Kaskadenstufen können dabei so eingestellt sein, dass sich unerwünschte Spitzen in der Übertragungsfunktion gegenseitig kompensieren.
Figur 8 symbolisiert eine Ladder-Type-Filterstruktur mit einem ersten Serienzweigwandler SRi, einem zweiten Serienzweig- wandler SR2 und einem dritten Serienzweigwandler SR3, die zueinander in Serie geschaltet sind. Parallel zu jedem einzel- nen Serienzweigresonator ist ein Parallelzweigresonator, hier der erste Parallelzweigresonator PRi, der zweite Parallelzweigresonator PR2 und der dritte Parallelzweigresonator PR3, gegen Masse geschaltet. Das Bandpassfilter BPF hat einen ersten Port Pi und einen zweiten Port P2, welche die Ein- gangs- bzw. Ausgangsport darstellen.
Figur 9 zeigt die negativen Auswirkungen von Fabry-Perot-Resonanzen. Die Kurve CREs gibt dabei den Realteil der Admittanz eines Resonator in einem Bandpassfilter wieder. Die Kurve CBp gibt die Einfügedämpfung eines Bandpassfilters mit dem Reso¬ nator mit dem zur Kurve CREs gehörigen Resonator wieder. Durch die Überlagerung von an den Kanten der Resonatorfinger reflektierten Partialwellen entstehen Fabry-Perot-Resonanzen, deren lokale Maxima durch die Pfeile gekennzeichnet sind. Da die Einfügedämpfung des Bandpassfilters von der Admittanz der einzelnen Resonatoren abhängt, spiegeln sich die Fabry-Perot- Resonanzen auch in einer Welligkeit im Passband wieder. Zur Verringerung der Welligkeit des Passbands können die Fabry- Perot-Resonanzen verschiedener Resonatoren oder Wandlersegmente so gewählt werden, dass eine gegenseitige Kompensation auftritt und die Welligkeit der Einfügedämpfung in der gesamten Passbandcharakteristik deutlich verringert ist.
Figur 10 zeigt die Antwortfunktion C3,CON einer konventionel¬ len Dreifachkaskade. Im Gegensatz dazu gibt C3,new eine Ant¬ wortfunktion einer verbesserten Dreifachkaskade an, die durch eine deutlich verringerte Welligkeit gekennzeichnet ist. Die deutlich verringerte Welligkeit wird dadurch erhalten, dass die Lage der einzelnen Resonanzen der drei einzelnen Kaskaden Ci,new so gewählt ist, dass eine destruktive Interferenz er¬ halten wird. Die Welligkeit einer Einfügedämpfung eines Band¬ passfilters mit einer solchen Dreifachkaskade ist entspre- chend ebenfalls verringert.
Figur 11 zeigt die Einfügedämpfung eines konventionellen Bandpassfilters Ccon verglichen mit der Einfügedämpfung mit verringerter Welligkeit Cnew-
Figur 12 zeigt die Error Vector Magnitude (EVM) für ein konventionelles Filter EVMcon und für ein verbessertes Filter EVMnew. Die EVM beschreibt die mittlere Vektorabweichung eines empfangenen modulierten Symbols vom richtigen Wert im Kons- tellationsdiagramm. Durch die Verzerrung des Signal im Filter aufgrund der Abweichung von der idealen Rechteckform wird der EVM erhöht. D.h. die EVM beschreibt den Einfluss des Filters auf die Signalqualität und ist somit ein Maß für die Glattheit des Filters. Das verbesserte Filter hat, deutlich erkennbar, eine kleinere EVM und eine glättere Filtercharak¬ teristik. Figur 13 zeigt die Einfügedämpfung eines konventionellen und eines optimierten Bandpassfilters.
Figur 14 zeigt den Passbandbereich der Figur 13 vergrößert. Die Figuren 13 und 14 zeigen dabei eine Filterstruktur, die an sich lediglich eine geringe Welligkeit im Passband auf¬ weist. Es stellt sich heraus, dass Maßnahmen, die in weniger optimierten Filtern eine deutliche Verbesserung ergeben, im Falle einer schon guten Charakteristik diese nicht nachteil- haft beeinflussen.
Figur 15 zeigt die Reflexion an einem von zwei Ports für ein konventionelles und für ein optimiertes Filter. Figur 16 zeigt die Reflexion am entsprechenden anderen Port der Filter.
Die Figuren 15 und 16 zeigen die Anpassung einer entsprechenden Filterstruktur in eine externe Schaltungsumgebung. Es zeigt sich, dass keine Verschlechterung der Anpassung durch die Maßnahmen zur Verbesserung der Filtercharakteristik erhalten wird.
Figur 17 zeigt berechnete Übertragungsfunktionen eines Band- passfilters mit Resonatorstrukturen und einer DMS-Spur. Bei der glätteren von beiden Kurven wurden Spitzenfrequenzen entsprechend vorteilhaft gewählt. Figur 18 zeigt einen Ausschnitt der Kurve der Figur 17.
Die Figuren 17 und 18 zeigen dabei eine Filterstruktur, die an sich lediglich eine geringe Welligkeit im Passband auf- weist. Es stellt sich heraus, dass Maßnahmen, die in weniger optimierten Filtern eine deutliche Verbesserung ergeben, im Falle einer schon guten Charakteristik diese nicht nachteilhaft beeinflussen. Die Figuren 19 und 20 zeigen die Anpassung einer entsprechenden Filterstruktur in eine externe Schaltungsumgebung. Es zeigt sich, dass keine Verschlechterung der Anpassung durch die Maßnahmen zur Verbesserung der Filtercharakteristik erhalten wird.
Ein erfindungsgemäßes Bandpassfilter ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombinationen von Wandlersegmenten und weiteren Filterstrukturen stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugs zeichenliste
AT : akustische Spur
BPF: Bandpassfilter
Ci, C elektrische Anschlüsse
Ci. new - drei Einzeladmittanzen aufeinander abgestimmter Kaskadenstufen
C-3, con Admittanz einer konventionellen Dreifachkaskade
^3. new Admittanz einer verbesserten Dreifachkaskade
CBP: Einfügedämpfung eines Bandpassfilters mit ei¬ nem konventionellen Resonator
CCON: Einfügedämpfung eines konventionellen
Bandpassfilters
CNEW: Einfügedämpfung eines verbesserten
Bandpassfilters mit verringerter Welligkeit
CRES : kaskadierter Resonator
CRES : Resonatoradmittanz mit Fabry-Perot-Resonanzen EVM: Error Vector Magnitude
MPR: Mehrport-Resonator
Pi, P2: erster, zweiter Port
PRi, PR2, PR3: Parallel zweigresonatoren
REF: Reflektor
RES : Resonator
SEC1: erster Abschnitt
SEC2 : zweiter Abschnitt
SECa;b, c, d■ unterschiedliche Wandlerabschnitte
SRi, SR2, SR3: Serienzweigresonatoren
SU: Substrat
TD: Wandler
TDi : erster Wandler
TD2: zweiter Wandler

Claims

Patentansprüche
1. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) mit einer
geglätteten Einfügedämpfung, das Filter umfassend
- eine piezoelektrische Lage mit einer akustischen Spur (AT) ,
- eine Metallisierungslage, angeordnet auf der
piezoelektrischen Lage und in der akustischen Spur (AT) , wobei
- die akustische Spur (AT) einen ersten Abschnitt (SECi) und einen zweiten Abschnitt ( SEC2 ) umfasst,
- im ersten Abschnitt (SECi) ein erstes Wandlersegment in der Metallisierungslage gebildet ist, das bei einer ersten
Frequenz f i eine Resonanz ausbildet und eine Spitze in der Einfügedämpfung erzeugt,
- im zweiten Abschnitt ( SEC2 ) ein zweites Wandlersegment in der Metallisierungslage gebildet ist, das bei einer zweiten Frequenz f2 ^ f i eine Resonanz ausbildet und eine Spitze in der Einfügedämpfung erzeugt,
- die Frequenzen f i und f2 so gewählt sind, dass die
Ausprägung der Spitzen in der Einfügedämpfung des Filters
(BPF) verglichen mit der Ausprägung der Spitzen der einzelnen Wandlersegmente (SECi, SEC2 ) verringert ist.
2. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach Anspruch 1, wobei das erste Wandlersegment (SECi) und das zweite
Wandlersegment ( SEC2 ) zwei Segmente unterschiedlicher, leicht frequenzversetzter Wandler (TDi, T D2 ) sind.
3. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach Anspruch 1, wobei das erste Wandlersegment (SECi) und das zweite
Wandlersegment ( SEC2 ) zwei Segmente des gleichen Wandlers (TD) sind.
4. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das erste Wandlersegment ( SECi ) und das zweite Wandlersegment ( SEC2 ) zwei Segmente eines FAN- Wandlers (TD) sind.
5. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Filter (BPF) ein SAW-Filter oder ein GBAW-Filter ist.
6. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- das erste Wandlersegment ( SECi ) und das zweite
Wandlersegment ( SEC2 ) in einem ersten Wandler (TDi)
angeordnet sind und einen zweiten Wandler ( T D2 ) umfasst, und das Filter (BPF)
- ein DMS-Filter oder
- ein Mehrport-Resonatorfilter ist.
7. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Reflektor (REF) , der als FAN-Reflektor ausgestaltet ist.
8. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vier vorherigen Ansprüche, wobei der FAN-Wandler (TD) eine Pitchskalierung zwischen 500 ppm und 2000 ppm aufweist.
9. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- das Filter (BPF) ein DMS-Filter ist,
- der Wandler ein partieller FAN-Wandler oder ein
vollständiger FAN-Wandler ist.
10. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vier vorherigen Ansprüche,
- ferner umfassend einen dritten Wandler (TD) , wobei
- der erste Wandler (TDi) , der zweite Wandler (TD2) und der dritte Wandler (TD) FAN-Wandler sind und
- zwei der Wandler (TD) Ausgangswandler sind und einer der Wandler (TD) ein zwischen den Ausgangswandlern angeordneter Eingangswandler ist.
11. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- die piezoelektrische Lage eine akustische Volumenwellen zumindest teilweise reflektierende Unterseite aufweist,
- der FAN-Wandler dazu vorgesehen ist, akustische
Volumenwellen zu streuen, um die Welligkeit der
Einfügedämpfung zu verringern.
12. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach Anspruch 2, wobei die beiden Wandler (TDi, TD2) kaskadiert und in Serie oder parallel verschaltet sind.
13. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach dem
vorherigen Anspruch, wobei die beiden Wandler (TDi, TD2) Teil einer Resonatorkaskade (CRES) mit einer gemeinsamen
Stromsammeischiene sind.
14. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche,
- ferner umfassend einen Parallelzweigwandler (PR) mit einem Pitch P2, wobei
- eines der beiden Wandlersegmente (SECi, SEC2) in einem Serienzweigwandler (SR) mit einem Pitch Pi angeordnet ist und P2>Pi.
15. Elektroakustisches Bandpassfilter (BPF) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Frequenzen fi und f2 so gewählt sind, dass unerwünschte Fabry Perot Resonanzen verringert sind.
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