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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, die einen elektrischen
Vierpol, z. B. eine Filterschaltung mit zwei elektrischen Toren
aufweist.
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Ein
Vierpol kann 1) unsymmetrisch/unsymmetrisch oder 2) symmetrisch/symmetrisch
beschaltet werden. Es ist auch möglich,
einen Vierpol als Balun, d. h. 3) unsymmetrisch/symmetrisch zu beschalten.
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Aus
der Druckschrift US 2001/0013815 A1 ist ein Duplexer bekannt, bei
dem im Empfangspfad ein Balun in einem Filter durch eine DMS-Spur
realisiert ist (DMS = Double Acoustic Mode SAW, SAW = Surface Acoustic
Wave), die mit Serienresonatoren verschaltet ist. Die Serienresonatoren
sind als SAW-Resonatoren ausgebildet. Die im Duplexer verwendeten
Filterstrukturen sind alle in einer Technologie (SAW) ausgeführt.
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Aus
der Druckschrift US 2002/0140520 A1 ist ein Duplexer mit einem Empfangspfad
bekannt. Darin ist ein Empfangsfilter angeordnet, in dem eine Laddertype-Anordnung
ausgangsseitig mit einem Balun bzw. einem weiteren Glied zur Symmetrisierung
der Laddertype-Anordnung verschaltet ist. Der Balun kann durch LC-Komponenten
oder durch eine Anordnung von SAW- oder BAW-Resonatoren realisiert werden (BAW =
Bulk Acoustic Wave). Einzelne in jeweils einer eigenen Spur angeordnete
SAW-Resonatoren bzw. nebeneinander angeordnete BAW-Resonatoren sind
nicht akustisch miteinander gekoppelt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung
anzugeben, die zwischen zumindest zwei verschiedenen Betriebsmodi 1),
2) oder 3) umgeschaltet werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine elektrische Schaltung nach
Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren
Ansprüchen
hervor.
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Die
Erfindung gibt eine elektrische Schaltung mit einem elektrischen
Vierpol an, das zwei elektrische Tore mit jeweils zwei Anschlüssen aufweist.
In der Schaltung ist mindestens ein Querzweig vorgesehen, der von
einem Anschluss des ersten Tores zur Masse verläuft. Im Querzweig ist ein Schaltelement (erstes
Schaltelement) angeordnet, mit dem der entsprechende Anschluss ggf.
auf Masse gelegt werden kann.
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In
einer bevorzugten Variante weist die Schaltung einen zweiten Querzweig
auf, der von einem Anschluss des zweiten Tores zur Masse verläuft. Im
zweiten Querzweig ist auch ein Schaltelement (zweites Schaltelement)
angeordnet.
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Bei
einem kurzgeschlossenen Schaltelement ist das damit verbundene elektrische
Tor unsymmetrisch. Bei einem offenen Schaltelement kann das Tor
symmetrisch betrieben werden.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass das jeweilige elektrische Tor zwischen
einem symmetrischen und einem unsymmetrischen Betrieb umgeschaltet
werden kann. Das Schaltelement kann z. B. durch Anlegen oder Weglassen
einer Steuerspannung dauerhaft kurzgeschlossen oder offen sein.
Bei einem kurzgeschlossenen ersten und einem offenen zweiten Schaltelement
lässt sich
durch die elektrische Schaltung ein Balun realisieren, wobei auf
eine spezielle Balun-Schaltung verzichtet werden kann.
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Der
elektrische Vierpol ist z. B. ein Filter, vorzugsweise ein Bandpassfilter.
Der Vierpol weist vorzugsweise mit akustischen Volumen- oder Oberflächenwellen
arbeitende Bauelementstrukturen (z. B. SAW-Wandler oder BAW-Resonatoren;
SAW = Surface Acoustic Wave; BAW = Bulk Acoustic Wave) auf. Mehrere
akustisch miteinander gekoppelte und vorzugsweise galvanisch voneinander
getrennte BAW-Resonatoren können
eine Resonatoreinheit bilden. Eine mit SAW arbeitende Resonatoreinheit
kann mehrere SAW-Wandler aufweisen.
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In
einer Variante der Erfindung weist der Vierpol mit akustischen Oberflächenwellen
arbeitende Wandler auf. Mehrere, z. B. zwei einer Resonatoreinheit
zugeordnete Wandler sind akustisch miteinander gekoppelt und vorzugsweise
galvanisch voneinander getrennt. Die Wandler sind vorzugsweise nebeneinander
in einer akustischen Spur angeordnet.
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Die
in einer Resonatoreinheit angeordneten BAW-Resonatoren können in
einem Resonatorstapel übereinander
angeordnet und über
eine dazwischen angeordnete, akustisch teilweise durchlässige Koppelschicht
akustisch miteinander gekoppelt sein. Die BAW-Resonatoren können auch
nebeneinander angeordnet und über
eine laterale akustische Kopplung akustisch miteinander gekoppelt
sein. Die Resonatoreinheit umfasst vorzugsweise zwei Resonatoren oder
Wandler.
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Jeder
Resonator bzw. Wandler der Resonatoreinheit ist in einer Variante
in einem eigenen Signalpfad angeordnet. In einer anderen Variante
ist jeder Resonator bzw. Wandler an nur eines der Tore angeschlossen
und zwischen zwei Anschlüssen
des ersten bzw. des zweiten Tores angeordnet.
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Das
erste und/oder das zweite Schaltelement ist z. B. eine PIN-Diode,
ein Feldeffekttransistor oder ein mikroelektromechanischer Schalter (MEMS).
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Die
Schaltung gemäß Erfindung
ist vorzugsweise in einem kompakten Bauelement realisiert. Das Bauelement
weist ein vorzugsweise mehrlagiges Substrat mit mehreren dielektrischen
und/oder halbleitenden Schichten auf. Zwischen den dielektrischen
Schichten sind strukturierte Metalllagen angeordnet, die elektrisch
mit den Außenanschlüssen des Bauelements
z. B. mittels vertikaler Durchkontaktierungen verbunden sind. Ein
Teil der Schaltung kann im Substrat verborgen bzw. in den Metalllagen
ausgebildet sein. Das Substrat weist u. a. Außenanschlüsse auf, die zur Ansteuerung
des ersten oder des zweiten Schaltelements dienen.
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Der
elektrische Vierpol und das erste oder das zweite Schaltelement
sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Substrat realisiert oder
auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet.
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Elektroakustische
Strukturen der elektrischen Schaltung sind vorzugsweise auf der
Oberfläche
des Substrats angeordnet. Möglich
ist es auch, auf dem Substrat einen Chip mit BAW- oder SAW-Strukturen zu befestigen.
Dieser Chip kann mit dem Substrat durch Drahtbonden oder durch Flip-Chip-Technik
elektrisch und mechanisch verbunden sein.
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In
einer Variante sind die Schaltelemente im Substratinneren realisiert.
In einer anderen Variante sind die Schaltelemente auf der Oberfläche des
Substrats montiert.
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Das
Substrat weist vorzugsweise Keramikschichten als dielektrische Schichten
auf. Die dielektrische Schichten können auch aus einem Kunststoff bzw.
einem organischen Material bestehen. Das Substrat kann verschiedenartige übereinander
angeordnete dielektrische oder halbleitende Schichten (z. B. Si
und SiO2) aufweisen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Es zeigen schematisch
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1 ein
Ersatzschaltbild der elektrischen Schaltung gemäß Erfindung.
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2 die
Schaltung mit einer Resonatoreinheit, deren akustisch miteinander
gekoppelte Resonatoren jeweils im eigenen Signalpfad angeordnet sind.
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3A die
Schaltung mit einem Filter in Ladder-Type-Anordnung und einer Resonatoreinheit,
deren akustisch miteinander gekoppelte Resonatoren jeweils an das
eigene elektrische Tor angeschlossen sind.
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3B eine
Resonatoreinheit mit nebeneinander angeordneten und akustisch in
lateraler Richtung miteinander gekoppelten Resonatoren.
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3C eine
Resonatoreinheit, die als Resonatorstapel realisiert ist.
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4A das
Ersatzschaltbild der Schaltung mit der Resonatoreinheit gemäß 3C.
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4B eine
mit SAW arbeitende Schaltung mit zwei akustisch miteinander gekoppelten,
jeweils im eigenen Signalpfad angeordneten Wandlern in einer gemeinsamen
akustischen Spur.
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4C eine
mit SAW arbeitende Schaltung mit zwei akustisch miteinander gekoppelten,
jeweils an den eigenen Signalpfad angeschlossenen Wandlern, die
in einer gemeinsamen akustischen Spur angeordnet sind.
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4D eine
mit SAW arbeitende Schaltung mit zwei akustischen Spuren, die über Koppelwandler
akustisch miteinander gekoppelt sind.
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4E eine
weitere Schaltung mit der Resonatoreinheit gemäß 3C
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5A die
Schaltung gemäß 4A mit
einem Feldeffekttransistor als Schaltelement.
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5B die
Schaltung gemäß 4A mit
einem Diodenschalter.
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6 die
unsymmetrisch/unsymmetrisch zu betreibende Schaltung gemäß 4A mit
kurzgeschlossenen Schaltelementen.
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7 die
unsymmetrisch/symmetrisch zu betreibende Schaltung gemäß 4A mit
einem kurzgeschlossenen und einem offenen Schaltelement.
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8 die
symmetrisch/symmetrisch zu betreibende Schaltung gemäß 4A mit
offenen Schaltelementen.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild der elektrischen Schaltung gemäß Erfindung.
Die Schaltung weist einen elektrischen Vierpol F mit einem ersten elektrischen
Tor T1 und einem zweiten elektrischen Tor T2 auf. Zwischen einem
ersten Anschluss T11 des ersten Tores und einem ersten Anschluss
T21 des zweiten Tores ist ein erster Signalpfad SP1 angeordnet.
Zwischen einem zweiten Anschluss T12 des ersten Tores und einem
ersten Anschluss T22 des zweiten Tores ist ein zweiter Signalpfad
SP2 angeordnet. Zwischen dem zweiten Signalpfad SP2 und Masse ist
auf der Seite des ersten Tores T1 ein Querzweig angeordnet, in dem
ein erstes Schaltelement S1 angeordnet ist. Zwischen dem zweiten
Signalpfad SP2 und Masse ist auf der Seite des zweiten Tores T2
ein Querzweig angeordnet, in dem ein zweites Schaltelement S2 angeordnet
ist.
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Der
Vierpol F ist vorzugsweise ein mit akustischen Wellen arbeitendes
Filter. In 2, 3A ist
jeweils ein Filter mit BAW-Resonatoren in Ladder-Type-Bauweise gezeigt.
Das Filter in 2 weist einen im ersten Signalpfad
SP1 angeordneten ersten Resonator R1 und einen im zweiten Signalpfad
SP2 angeordneten zweiten Resonator R2 auf, die akustisch miteinander
gekoppelt sind und zusammen eine Resonatoreinheit RE bilden. Die
Resonatoren R1, R2 sind hier Serienresonatoren. Zwischen den Signalpfaden
SP1, SP2 sind Querzweige mit jeweils einem Parallelresonator angeordnet.
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Das
Filter in 3A weist einen zwischen den
Anschlüssen
T11, T12 des ersten Tores T1 angeordneten ersten Resonator R1 und
einen zwischen den Anschlüssen
T21, T22 des zweiten Tores T2 angeordneten zweiten Resonator R2
auf. Die Resonatoren R1, R2 sind akustisch miteinander gekoppelt und
bilden eine Resonatoreinheit RE. Die Resonatoren R1, R2 sind hier
Parallelresonatoren, die in den Querzweigen zwischen den Signalpfaden
SP1, SP2 angeordnet sind. Die Resonatoreinheit ist mit in den Signalpfaden
SP1, SP2 angeordneten Serienresonatoren verschaltet.
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Die
Resonatoren R1, R2 in 2 und 3A sind
galvanisch nicht miteinander verbunden.
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3B zeigt
eine Resonatoreinheit RE mit zwei nebeneinander angeordneten, lateral
akustisch miteinander gekoppelten Resonatoren R1, R2. Die laterale
Kopplung der Resonatoren ist durch die Anregung von lateralen akustischen
Moden möglich. Die
beiden Resonatoren R1, R2 weisen eine gemeinsame piezoelektrische
Schicht PS1 auf.
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Ein
Filter oder ein Teil des Filters kann in einer Variante durch einen
Resonatorstapel, z. B. den Resonatorstapel RS gemäß 3C realisiert
sein. Der Resonatorstapel RS ist auf einem Substrat TS aufgebaut.
Der Resonatorstapel RS weist einen ersten Resonator R1, einen zweiten
Resonator R2 und eine dazwischen angeordnete, akustisch teilweise durchlässige Koppelschicht
KS auf. Zwischen dem Substrat TS und dem Resonatorstapel ist ein
akustischer Spiegel AS angeordnet. Der akustische Spiegel AS weist
mehrere übereinander
in abwechselnder Reihenfolge angeordnete Schichten mit einer niedrigen
und einer hohen akustischen Impedanz auf. Die Schichtdicke dieser
Schichten beträgt
vorzugsweise eine Viertelwellenlänge
bei der Resonanzfrequenz des ersten Resonators R1.
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Der
erste Resonator R1 ist durch zwei Elektrodenschichten E1, E2 und
eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht PS1 gebildet.
Der zweite Resonator R2 ist durch zwei Elektrodenschichten E3, E4
und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht PS2 gebildet.
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Der
Resonatorstapel kann in einer hier nicht dargestellten Variante über einem
im Substrat TS ausgebildeten Hohlraum angeordnet sein.
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4A zeigt
eine Schaltung gemäß 1 mit
einem Vierpol, das als der Resonatorstapel RS gemäß 3C ausgebildet
ist.
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Die
untere Elektrode E1 des ersten Resonators R1 ist an den ersten Anschluss
T11 des ersten elektrischen Tores T1 angeschlossen. Die zur Koppelschicht
KS gewandte Elektrode E2 des ersten Resonators R1 ist an den zweiten
Anschluss T12 des ersten elektrischen Tores T1 angeschlossen. Die
zur Koppelschicht KS Elektrode E3 des zweiten Resonators R2 ist
an den zweiten Anschluss T22 des zweiten elektrischen Tores T2 angeschlossen.
Die obere Elektrode E4 des zweiten Resonators R2 ist an den ersten
Anschluss T21 des zweiten elektrischen Tores T2 angeschlossen. Der
erste Resonator R1 ist also an das erste Tor T1 und das zweite Resonator
R2 an das zweite Tor angeschlossen. Die Resonatoren R1, R2 sind
durch die Koppelschicht KS galvanisch voneinander getrennt und mittels
dieser Schicht akustisch miteinander verkoppelt.
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Bei
kurzgeschlossenen Schaltelementen S1, S2 ergibt sich die Beschaltung
gemäß 6,
wobei das Filter unsymmetrisch/unsymmetrisch betrieben wird. Beim
kurzgeschlossenen ersten Schaltelement S1 und offenen zweiten Schaltelement
S2 ergibt sich die Beschaltung gemäß 7, wobei
das Filter als Balun betrieben wird. Bei beiden offenen Schaltelementen
S1, S2 ergibt sich die Beschaltung gemäß 8, wobei
das Filter symmetrisch/symmetrisch betrieben wird.
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4B zeigt
ein mit Oberflächenwellen
arbeitendes Filter mit einer akustischen Spur, die durch zwei Reflektoren
begrenzt ist. In der akustischen Spur ist ein erster Wandler W1
und ein zweiter Wandler W2 angeordnet.
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Die
Wandler W1, W2 sind akustisch miteinander gekoppelt und galvanisch
nicht miteinander verbunden. Der erste Wandler W1 ist zwischen dem ersten
Anschluss T11 des ersten Tores T1 und dem ersten Anschluss T21 des
zweiten Tores T2 angeordnet. Der zweite Wandler W2 ist zwischen
dem zweiten Anschluss T12 des ersten Tores T1 und dem zweiten Anschluss
T22 des zweiten Tores T2 angeordnet.
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4C zeigt
ein weiteres mit Oberflächenwellen
arbeitendes Filter mit einer akustischen Spur, in der die Wandler
W1, W2 angeordnet sind. In dieser Variante ist der erste Wandler
W1 zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss T11, T12 des ersten Tores
T1 angeordnet. Der zweite Wandler W2 ist zwischen dem ersten und
dem zweiten Anschluss T21, T22 des zweiten Tores T2 angeordnet.
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Eine
akustische Spur entspricht einer Resonatoreinheit. Die Wandler W1,
W2 sind bei den Ausführungen
gemäß 4B und 4C in
einer Resonatoreinheit angeordnet.
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4D zeigt
ein weiteres mit akustischen Oberfläche arbeitendes Filter. Das
Filter weist eine erste akustische Spur mit drei Wandlern W11 bis W13
und eine zweite akustische Spur mit drei Wandlern W21 bis W23 auf.
Jede akustische Spur ist durch zwei Reflektoren begrenzt. Der Wandler
W11 ist der Ein gangswandler des Filters. Der Wandler W21 ist der
Ausgangswandler des Filters. Die Wandler W12, W13, W22 und W23 sind
Koppelwandler zur Aus- bzw. Einkopplung des elektrischen Signals
von der ersten akustischen Spur in die zweite.
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Der
Eingangswandler W11 ist zwischen den Wandlern W12 und W13 angeordnet.
Der Ausgangswandler W21 ist zwischen den Koppelwandlern W22 und
W23 angeordnet. Der Eingangswandler W11 ist zwischen den Anschlüssen T11,
T12 des ersten Tores T1 angeordnet. Der Ausgangswandler W21 ist zwischen
den Anschlüssen
T21, T22 des zweiten Tores T2 angeordnet. Der Eingangswandler W11
ist mit dem Ausgangswandler W21 galvanisch nicht verbunden.
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4E zeigt
ein Filter mit einer Resonatoreinheit, die als Resonatorstapel RS
gemäß 3C ausgebildet
ist. In dieser Variante ist die untere Elektrode E1 des ersten Resonators
R1 an den zweiten Anschluss T12 des ersten elektrischen Tores angeschlossen.
Die zur Koppelschicht KS gewandte Elektrode E2 des ersten Resonators
R1 ist an den ersten Anschluss T11 des ersten elektrischen Tores
T1 angeschlossen. Die zur Koppelschicht gewandte Elektrode E3 des
zweiten Resonators R2 ist an den ersten Anschluss T21 des zweiten
elektrischen Tores T2 angeschlossen. Die obere Elektrode E4 des
zweiten Resonators R2 ist an den zweiten Anschluss T22 des zweiten
elektrischen Tores T2 angeschlossen.
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In 5A ist
die Schaltung gemäß 4A mit
einem Transistor (hier einem Feldeffekttransistor) als Schaltelement
S1, S2 gezeigt. Der Transistor kann in einer anderen Variante auch
ein bipolarer Transistor sein. An das Gate des ersten Transistors wird
bei Bedarf eine erste Steuerspannung U1 angelegt. An das Gate des
zweiten Feldeffekttransistors wird die zweite Steuerspannung U2
angelegt. Beim Anlegen der ersten und/oder der zweiten Steuerspannung
U1, U2 wird das entsprechende Schaltelement S1 bzw. S2 durchgeschaltet,
wobei der entsprechende Anschluss T12, T22 des ersten bzw. des zweiten
Tores T1, T2 auf Masse gelegt wird.
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In 5B ist
die Schaltung gemäß 4A mit
einer Diode D1 als Schaltelement S1 gezeigt. Die Diode D1 ist z.
B. eine PIN-Diode.
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In
diesem Beispiel wird das zweite Tor T2 stets symmetrisch betrieben.
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Zwischen
dem elektrischen Anschluss, an den die Steuerspannung U1 angelegt
wird, und Masse ist ein Gleichstrompfad angeordnet. Im Gleichstrompfad
sind folgende Elemente in Serie geschaltet: Der Widerstand R, die
Induktivität
L, die Diode D1 und die Induktivität L1. Der Gleichstrompfad ist
vom zweiten Signalpfad SP2 (HF-Pfad) mittels der Trennkapazität C1 getrennt.
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Beim
Anlegen der Steuerspannung U1 wird die Diode D1 durchgeschaltet.
Das im zweiten Signalpfad SP2 zu übertragende HF-Signal wird über die Kapazität C1, die
durchgeschaltete Diode D1 und die Induktivität L1 zur Masse geleitet. Dabei
wird der zweite Anschluss T12 des ersten Tores T1 auf Masse gelegt
und dadurch der zweite Signalpfad SP2 kurzgeschlossen. In diesem
Fall wird das erste Tor T1 unsymmetrisch betrieben. Bei der durchgeschalteten Diode
D1 wird der Resonatorstapel RS also als Balun verschaltet.
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Möglich ist
es auch, an den zweiten Signalanschluss T22 des zweiten elektrischen
Tores T2 einen Querzweig mit einer weiteren PIN-Diode anzuschließen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsformen, bestimmte Materialien
oder die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt. In
allen Ausführungsformen
der Erfindung ist es möglich, das
erste oder das zweite Schaltelement S1, S2 wegzulassen.
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- F
- elektrischer
Vierpol
- S1
- erstes
Schaltelement
- S2
- zweites
Schaltelement
- SP1
- erster
Signalpfad
- SP2
- zweiter
Signalpfad
- T1
- erstes
Tor
- T11
- erster
Anschluss des ersten Tores T1
- T12
- zweiter
Anschluss des ersten Tores T1
- T2
- zweites
Tor
- T21
- erster
Anschluss des zweiten Tores T2
- T22
- zweiter
Anschluss des zweiten Tores T2
- RE
- Resonatoreinheit
- R1
- erster
Resonator
- R2
- zweiter
Resonator
- KS
- Koppelschicht
- PS1
- erste
piezoelektrische Schicht
- PS2
- zweite
piezoelektrische Schicht
- AS
- akustischer
Spiegel
- RS
- Resonatorstapel
- E1,
E2
- Elektroden
des ersten Resonators R1
- E3,
E4
- Elektroden
des zweiten Resonators R2
- W1
- erster
Wandler
- W2
- zweiter
Wandler
- W11
- Eingangswandler
- W21
- Ausgangswandler
- W12,
W13, W22, W23
- Koppelwandler
- TS
- Trägersubstrat
- R
- Widerstand
- L,
L1
- Induktivitäten
- D1
- Diode
- C1
- Kapazität
- U1,
U2
- Steuerspannung
zur Steuerung der Schaltelemente S1, S2