DE102009034101A1

DE102009034101A1 - Filterschaltung mit verbesserter Filtercharakteristik

Info

Publication number: DE102009034101A1
Application number: DE102009034101A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Maurer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: US20120194298A1; DE102009034101B4; JP2012533956A; WO2011009868A1; JP5490895B2; US9019045B2

Abstract

Es wird eine laddertype-ähnliche Filterschaltung angegeben, in welcher induktive Elemente, welche parallele Resonatoren mit Masse verschalten elektromagnetisch miteinander verkoppelt sind, wodurch das Filterverhalten verbessert ist.

Description

Die Erfindung betrifft HF-Filterschaltungen, welche beispielsweise in mobilen Kommunikationsgeräten verschaltet sein können und eine verbesserte Filtercharakteristik aufweisen. Es wird insbesondere eine Filterschaltung angegeben, welche als Teil einer Duplexerschaltung Verwendung finden kann.
In mobilen Kommunikationsgeräten werden HF-Filter dazu verwendet, um frequenzabhängig selektiv erwünschte Signale, welche in einer Signalleitung propagieren, möglichst unverändert passieren zu lassen und um unerwünschte Signale an der Ausbreitung im Signalpfad zu hindern. In einem Duplexer beispielsweise dienen HF-Filter dazu, ein Sendesignal vom Sendesignalpfad zur Antenne und ein Empfangssignal von der Antenne zum Empfangspfad passieren zu lassen. HF-Filter, welche nur für Signale durchlässig und zu einem Duplexer verschaltet sind, ermöglichen es einem mobilen Kommunikationsgerät, gleichzeitig in den verschiedenen Frequenzbändern HF-Signale zu senden und zu empfangen. Dafür sind dann im Duplexer jeweils ein Sendefilter zwischen Sendesignalpfad und Antenne sowie ein Empfangsfilter zwischen Antenne und Empfangspfad verschaltet.
Eine große Herausforderungen für die Filter im Duplexer sind dabei einerseits eine möglichst geringe Einfügedämpfung der gewünschten Signale zu erhalten und andererseits im jeweiligen Signalpfad unerwünschte Signale möglichst stark zu unterdrücken, d. h. eine gute Sperrbereichsunterdrückung zu erhalten. Gleichzeitig soll eine gute Isolation zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad sichergestellt sein. Ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Duplexers ist dabei die Streumatrix S. Dabei gibt der Betrag des Matrixelements S₁₂, |S₁₂|, die frequenzabhängige Dämpfung (Einfügedämpfung) von HF-Signalen, welche von dem Sendesignalpfad zur Antenne geleitet werden, an. Der Betrag des Matrixelements S₂₃, |S₂₃|, bezeichnet die frequenzabhängige Dämpfung (Einfügedämpfung) von HF-Signalen, welche von der Antenne in den Empfangspfad geleitet werden. Der Betrag des Matrixelements S₁₃, |S₁₃|, bezeichnet die frequenzabhängige Dämpfung (Isolation) zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad. Das heißt, S₁₃ gibt diejenige frequenzabhängige Leistung an, die – im Allgemeinen unerwünschterweise – aus dem Sendesignalpfad direkt in den Empfangssignalpfad eingekoppelt wird. Eine hohe Isolation, d. h. eine starke Dämpfung dieser Signale ist wünschenswert.
Der Trend zu immer weitergehender Miniaturisierung von HF-Schaltungen und insbesondere von mobilen Kommunikationsgeräten stellt die Entwickler dieser Geräte vor die Herausforderung, trotz Verkleinerung der Komponenten ein ausreichendes Verhältnis (Selektion) aus geringer Einfügedämpfung im Durchlassbereich und starker Dämpfung im Sperrbereich zu erhalten. Gleichzeitig soll auch eine ausreichende Isolation zwischen einem Sendepfad und einem Empfangspfad im Duplexer zur Verfügung gestellt sein.
Aus der Druckschrift US 7,116,187 B2 ist eine laddertypeähnliche Filterschaltung für HF-Signale bekannt. Laddertype-Filterschaltungen bestehen aus hintereinander geschalteten Grundgliedern. Die einzeln Grundglieder umfassen je einen Serienresonator und einen Parallelresonator. Dabei können Serien- und Parallelresonatoren benachbarter Grundglieder zusammengefasst sein. Die Serienresonatoren aller Grundglieder sind dabei in einem Signalpfad in Serie geschaltet, während die Parallelresonatoren den zum entsprechenden Serienresonator des Grundglieds gehörigen Abschnitt des Signalpfads mit Masse verschalten. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, die Masseanbindungen der Parallelresonatoren über ein gemeinsam genutztes induktives Element auszuführen. Nachteilig an einem solchen Schaltungsentwurf ist, dass ein zusätzliches induktives Element bei ohnehin schon knapp bemessenen Bauraum vorgesehen und untergebracht werden muss.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine HF-Filterschaltung anzugeben, welche eine hohe Selektion, d. h. eine gute Sperrbereichsunterdrückung und eine geringe Einfügedämpfung aufweist und welche möglichst wenige zusätzliche Schaltungselemente umfasst. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filterschaltung anzugeben, welche Verwendung in einer Duplexerschaltung mit verbesserter Selektion und verbesserter Isolation finden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Filterschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst eine laddertype-ähnliche Filterschaltung mit einem ersten Grundglied, einem zweiten Grundglied, einem ersten induktiven Element und einem zweiten induktiven Element. Das erste Grundglied hat einen ersten Serienresonator, welcher in einem Signalpfad verschaltet ist, sowie einen ersten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet. Das zweite Grundglied hat einen zweiten Serienresonator, der im Signalpfad in Serie zum ersten Serienresonator verschaltet ist, sowie einen zweiten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet. Das erste induktive Element ist zwischen dem ersten Parallelresonator und Masse verschaltet. Das zweite induktive Element ist zwischen dem zweiten Parallelresonator und Masse verschaltet. Das erste und das zweite induktive Element sind so ausgelegt, dass sie elektromagnetisch miteinander koppeln können.
Dadurch, dass das erste induktive Element und das zweite induktive Element elektromagnetisch miteinander koppeln, wird die Durchlasscharakteristik der Filterschaltung verbessert. Die Frequenzen sogenannter Polstellen, welche durch die ”Saugwirkungen” der Parallelresonatoren durch Ableitung des HF-Signals nach Masse eine besonders hohe Sperrbereichsunterdrückung darstellen, können durch die Kopplung verschoben werden ohne, dass zusätzliche Elemente in den Schaltungsentwurf eingefügt werden müssen.
Die elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten induktiven Element kann durch eine geeignete Anordnung derjenigen leitenden Strukturen, welche die induktiven Elemente repräsentieren, erreicht werden. Eine solche für eine bessere Durchlasscharakteristik des Filters geeignete Anordnung dieser leitenden Strukturen läuft zwar im Allgemeinen Bemühungen zur Verkleinerung der entsprechenden Bauelemente zuwider. Jedoch kann der Verzicht auf weitere Schaltungselemente, der durch diese Anordnung erreicht wird, diese Erhöhung des Platzbedarfs mehr als kompensieren. So wird insgesamt eine Schaltung erhalten, welche eine verbesserte Filtercharakteristik bei nur geringfügig gestiegenem Platzbedarf erhalten wird.
Die Grundglieder mit den verkoppelten Induktivitäten müssen in der Filterschaltung nicht direkt benachbart sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Filterschaltung weiterhin mindestens ein weiteres Grundglied, dessen Serienresonator ebenfalls im Signalpfad, und zwar in Serie zum ersten Serienresonator und in Serie zum zweiten Serienresonator verschaltet ist. Der Parallelresonator des mindestens einen weiteren Grundglieds ist über ein induktives Element mit Masse verschaltet. Weitere Serienresonatoren weiterer Grundglieder können ebenfalls in Serie zu den übrigen Serienresonatoren im Signalpfad verschaltet sein. Dann sind die weiteren Parallelresonatoren entsprechend zwischen dem Signalpfad und Masse verschaltet.
Dadurch, dass prinzipiell beliebig viele Grundglieder, z. B. 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr als 7, in Serie in der Filterschaltung verschaltet sein können, kann die Sperrbereichsunterdrückung und die Isolation weiter verbessert sein. Der Verwendung vieler Grundglieder der Laddertype-Schaltung steht jedoch der erhöhte Platzbedarf entgegen. Vorteilhaft bei der Verwendung mehrerer Grundglieder ist dabei das Vorhandensein jeweils eines Pols im Sperrfrequenzbereich pro Parallelresonator sowie die erhöhte Anzahl an Kombinationsmöglichkeiten der elektromagnetischen Verkopplung der zwischen den jeweiligen Parallelresonatoren und Masse verschalteten induktiven Elemente. So ist es möglich, bei der Verwendung einer Filterschaltung mit drei (oder mehr) Parallelpfaden mit induktiven Elementen zwei oder sogar alle drei (oder mehr) induktiven Elemente elektromagnetisch zu koppeln. Die koppelnden induktiven Elemente können die eingangsseitig angeordneten oder die ausgangsseitig angeordneten Elemente sein. Auch kann das eingangsseitige induktive Element mit dem ausgangsseitigen Element verkoppelt sein. Bei einer Verwendung von vier oder mehr Grundgliedern in der Laddertype-Schaltung können zwei Verschaltungen jeweils zweier induktiver Elemente vorgesehen sein.
In einer Ausgestaltung umfassen das erste induktive Element und das zweite induktive Elemente Leiterabschnitte, welche parallel zueinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind. Der Grad der Kopplung der Leitungsabschnitte der induktiven Elemente wird dabei z. B. durch die Länge dieser Leiterabschnitte, durch den Abstand der Leiterabschnitte und durch die Phasenbeziehung der HF-Signale, welche in den Leiterabschnitten propagieren, sowie durch Materialkonstanten, der die Leiterabschnitte umgebenden Materialien bestimmt. Die Leiterabschnitte der induktiven Elemente können geradlinig ausgeführt sein, sie können jedoch auch einer gekrümmten Spur und insbesondere einer beliebig geformten Trajektorie folgen. Insbesondere können die Leiterabschnitte der induktiven Elemente Segmenten eines Kreises oder eines Ovals oder eine Rechtecks mit gekrümmten Ecken folgen.
In einer Ausgestaltung der Filterschaltung umfassen die Leiterabschnitte jedoch geradlinig geformte Metallisierungen. Aus zumindest stückweise geradlinig verlaufenden Metallisierungen können nahezu beliebig geformte Vielecke mit prinzipiell beliebiger Länge ausgestaltet sein. Mäanderförmig ausgeführte Metallisierungen ermöglichen beispielsweise lange Leiterabschnitte bei vergleichsweise geringem Platzbedarf.
In einer Ausgestaltung der Filterschaltung umfasst das erste induktive Element ein Spulenelement mit einer Windungszahl w1 im Intervall 0,5 <= W1 <= 2 und das zweite induktive Element, ein Spulenelement, mit einer Windungszahl W2 im Intervall 0,5 <= W2 <= 5, wobei beide Spulenelemente parallel angeordnet sind und zumindest teilweise überlappen. Ungeradzahlige Windungszahlen können dabei durch Leiterabschnitte realisiert sein, welche nicht einem vollen Kreis, sondern lediglich einem entsprechenden Kreisbogensegment nachempfunden sind. Die Wicklungen eines Spulenelements können dabei in einer Ebene angeordnet sein. Sie können jedoch auch auf verschiedene Ebenen – zum Beispiel eines keramischen – Mehrlagensubstrats verteilt sein. Wesentlich ist, dass der magnetische Fluss, welcher von einem der beiden Spulenelemente erzeugt wird, mit dem jeweils anderen Spulenelement wechselwirkt. Die Stärke der elektromagnetischen Kopplung wird dabei im Wesentlichen durch die räumliche Orientierung der Spulen, durch die Induktivität der Spulen und durch den Abstand der Spulen beeinflusst.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform beträgt die Windungszahl W1 des ersten induktiven Elements 0,75 und die Induktivität I1 des ersten induktiven Elements 0,3 nH <= I1 <= 0,9 nH. Die Windungszahl w2 des zweiten induktiven Elements beträgt 2,5 und die Induktivität I2 des zweiten induktiven Elements beträgt 1,0 nH <= I2 <= 2,0 nH.
In einer Ausgestaltung beträgt die Induktivität des ersten induktiven Elements I1 = 0,6 nH und die des zweiten induktiven Elements I2 = 1,6 nH.
In einer Ausgestaltung beträgt die Induktivität des zweiten induktiven Elements I2 das Dreifache der Induktivität des ersten induktiven Elements I1.
In einer Ausführungsform umfassen das erste induktive Element und das zweite induktive Element jeweils gekoppelte Leiterabschnitte, welche als strukturierte Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat angeordnet sind. Ein Mehrlagensubstrat, welches im Allgemeinen eine Vielzahl an übereinander angeordneten dielektrischen und z. B. keramischen Lagen umfasst, zwischen denen Metallisierungsebenen angeordnet sind, in denen strukturierte Leiterabschnitte angeordnet sind, eignet sich sehr gut, um Impedanzelemente aufzunehmen. Neben kapazitiven Elementen, welche als übereinander liegende metallisierte Flächen strukturiert sein können, kann eine Metallisierungsebene Leiterabschnitte eines induktiven Elements umfassen. Teile der Wicklungen können spiralförmig ausgebildet sein. Die Endpunkte der eine Spule bildenden Windungen können durch Durchkontaktierungen (VIAS) aus einer darüber liegenden oder darunter liegenden Ebene kontaktiert sein.
Induktive Elements aus spiralförmig angeordneten Spulenelementen haben den Vorteil, dass sie in einer einzigen Metallisierungsebene Platz finden; sie haben aber gleichzeitig den Nachteil, dass die Größe, d. h. der Durchmesser oder der Umfang, jeder einzelnen Spulenwindung verschieden ist. Im Gegensatz dazu, können in einem Mehrlagensubstrat auch Spulenelemente untergebracht sein, deren Windungen die gleiche Querschnittsfläche aufweisen. Diese Spulenwindungen sind dann übereinander in verschiedenen Metallisierungslagen des Substrats angeordnet. Jede Wicklung ist an einem Ende per Durchkontaktierung mit einer darüber liegenden Wicklung und am anderen Ende per Durchkontaktierung mit einer darunter liegenden Windung verschaltet.
In einer Ausführungsform umfasst das Mehrlagensubstrat dielektrische Schichten, welche ausgewählt sind aus HTCC (High Temperature Cofired Ceramics), LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) und Laminat. Zwischen diesen dielektrischen Schichten sind die strukturierten Metallisierungen angeordnet, welche die Spulenelemente ausbilden.
In einer Ausführungsform ist zumindest einer der Serien- oder der Parallelresonatoren ein mit akustischen Oberflächenwellen oder mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator. Es ist möglich, dass lediglich einer der Resonatoren ein mit akustischen Wellen arbeitender Resonator ist. Es ist ebenfalls möglich, dass alle der Serien- und Parallelresonatoren mit akustischen Wellen arbeiten. Es ist vorteilhaft, wenn sowohl alle Serien- als auch alle Parallelresonatoren entweder mit akustischen Oberflächenwellen oder mit akustischen Volumenwellen arbeiten.
In einer Ausführungsform stellt die Filterschaltung ein Empfangsfilter im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts dar.
Im Allgemeinen sind die Anforderungen an Empfangsfilter höher und damit schwieriger zu realisieren als diejenigen in Sendefiltern, da die Empfangsfilter im Empfangspfad verschaltete elektronische Komponenten, zum Beispiel rauscharme Verstärker, vor der hohen HF-Leistung der im Sendepfad propagierenden HF-Signale schützen sollen. Mit anderen Worten: Besonders hohe Isolationsanforderungen zwischen Sendesignalpfad und Empfangssignalpfad betreffen daher das Empfangsfilter. Eine erfindungsgemäße Filterschaltung, in der die Isolation durch die elektromagnetische Verkopplung von induktiven Elementen und die Beeinflussung von Polstellen dadurch auf einfache Weise verbessert ist, stellt somit einen geeignete Filterschaltung zur Verschaltung als Empfangsfilter in einem mobilen Kommunikationsgerät dar.
Die gleiche Argumentation gilt auch für eine Duplexerschaltung: In einer Ausführungsform ist die Filterschaltung als Empfangsfilter einer Duplexerschaltung im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Filterschaltung vier in Serie verschaltete Grundglieder im Signalpfad, wobei dasjenige induktive Element, über das ein erster der beiden äußeren Parallelresonatoren mit Masse verschaltet ist, sowie dasjenige induktive Element, über das der andere äußere Parallelresonator mit Masse verschaltet ist, elektromagnetisch miteinander koppeln. Als ”äußere” Parallelresonatoren sind die Parallelresonatoren derjenigen Grundglieder einer Filterschaltung bezeichnet, welche unmittelbar mit dem Ausgang beziehungsweise mit dem Eingang der Filterschaltung verschaltet sind.
Im Folgenden wird die Filterschaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Grundform der Filterschaltung,
2 die Anordnung zweier koppelnder Leiterabschnitte,
3a eine mögliche Anordnung von koppelnden Windungen,
3b ein Spulenelement mit einer ungeradzahligen Windungszahl,
4 eine perspektivische Ansicht von verkoppelnden induktiven Elementen,
5 eine Ausführungsform der Filterschaltung mit mehreren Grundgliedern,
6 eine schematische Verschaltung der Laddertype-Filterschaltung in einer Duplexerschaltung,
7 den Frequenzverlauf der Matrixelemente |S₁₂| und |S₁₃|, einer Rechnung und einer Messung,
8 den frequenzabhängigen Verlauf des Matrixelements |S₁₃| (berechnet und gemessen),
9 unterschiedliche Isolationskurven unterschiedlicher Ausgestaltungen der verkoppelnden induktiven Elemente.
1 illustriert schematisch eine Filterschaltung mit elektromagnetisch koppelnden induktiven Elementen. Die laddertype-ähnliche Filterschaltung LF umfasst einen Signalpfad SP, in welchem ein erster Serienresonator SR1 und ein zweiter Serienresonator SR3 in Serie verschaltet sind. Zusammen mit dem Serienresonator SR1 bildet ein Parallelresonator PR1 das erste Grundglied dieser laddertypeähnlichen Filterschaltung. Der Parallelresonator PR1 ist über ein induktives Element CIE1 mit Masse GND verschaltet. Der zweite Serienresonator SR2 und der zweite Parallelresonator PR2 bilden das zweite Grundglied der laddertype-ähnlichen Filterschaltung. Der Parallelresonator PR2 ist ebenfalls über ein induktives Element CIE2 mit Masse GND verschaltet. Die induktiven Elemente CIE1 und CIE2, welche den ersten Parallelresonator PR1 bzw. den zweiten Parallelresonator PR2 mit Masse verschalten, koppeln elektromagnetisch miteinander, symbolisiert durch die zwei vertikalen Striche zwischen den Elementen.
2 illustriert zwei elektromagnetisch koppelnde Leiterabschnitte CS1 und CS2. Diese sind in einer Ebene angeordnet und verlaufen abschnittsweise parallel. Das Maß der elektromagnetischen Kopplung wird u. A. durch die Länge und den Abstand der parallelen Leiterabschnitte bestimmt.
3a illustriert die räumliche Anordnung zweier elektromagnetisch koppelnder Leiterabschnitte CS1 und CS2 einer weiteren Ausführungsform. Die koppelnden Leiterabschnitte beider induktiver Elemente bestehen im Wesentlichen aus geradlinig geführten Leiterabschnitten; die Windungszahlen der Segmente betragen etwas weniger als eins. Beide Leitungsabschnitte stellen somit spulenähnliche Koppelelemente dar und sind jeweils in verschiedenen parallel zueinander angeordneten Ebenen L1, L2 angeordnet. Die schraffierte Fläche OL illustriert die Überlappungsfläche der Querschnittsflächen koppelnder Windungen, welche zusammen mit dem Abstand der Windungselemente maßgeblich für die elektromagnetische Kopplung ist. Die jeweiligen Leiterabschnitte CS1 und CS2 können unabhängig voneinander noch weitere, in anderen Ebenen angeordnete, Windungen von Spulen ausbilden, die zur Kopplung beitragen können.
3b illustriert ein induktives Element mit einer Windungszahl von etwa 0,75, welches aus einer strukturierten Metallisierung besteht. Die Breite c der Metallisierung beträgt etwa zwischen 50 und 200 μm, vorzugsweise 100 μm. Im vorliegenden Fall ist das Aspektverhältnis, d. h. das Verhältnis aus Breite zu Länge a/c der 3/4 Wicklung im Wesentlichen eins. Sowohl a als auch b betragen zwischen 300 und 400 μm, vorzugsweise betragen beide etwa 350 μm.
4 illustriert einen möglichen Verlauf induktive Elemente CIE1, CIE2 bildender metallischer Strukturen. Horizontal ausgerichtete Strukturen können beispielsweise als Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat ausgeführt sein. Vertikal ausgerichtete Strukturen können Durchkontaktierungen durch eine oder mehrere Ebenen umfassen. Das induktive Element CIE1 weist im Wesentlichen eine Windungszahl von 0,75 auf, während das zweite induktive Element CIE2 eine Windungszahl von etwa 2 aufweist. Eine der Windungen ist dabei oberhalb der Dreiviertelwindung des ersten induktiven Elements CIE1 angeordnet; die andere Windung ist dabei unterhalb der Windung des ersten induktiven Elements angeordnet.
5 illustriert eine Ausgestaltung der laddertypeähnlichen Filterschaltung LF, in der vier Grundglieder einer Laddertype-Schaltung in Serie verschaltet sind. Zwischen dem ersten Serienresonator SR1 und dem zweiten Serienresonator SR2 sind im Signalpfad zwei weitere Serienresonatoren SR verschaltet. Zu den weiteren Serienresonatoren gehörende Parallelresonatoren PR verschalten den entsprechenden Abschnitt des Signalpfads über induktive Elemente IE mit Masse. Das erste induktive Element CIE1, welches den ersten Parallelresonator PR1 mit Masse verschaltet, sowie das zweite induktive Element CIE2, welches den zweiten Parallelresonator PR2 mit Masse verschaltet, koppeln untereinander elektromagnetisch. Erster und zweiter Parallelresonator sind jeweils ein äußerer Parallelresonator.
6 illustriert eine mögliche Verschaltung der laddertype-ähnlichen Filterschaltung LF als Bandpassfilter BPF1 in einem mobilen Kommunikationsgerät. Die laddertypeähnliche Filterschaltung LF ist in einem Signalpfad SP verschaltet. Der Signalpfad SP ist weiterhin mit einer Antenne An und einem induktiven Element IE, welches die Antenne mit Masse verschaltet, verschaltet. Ferner ist der Signalpfad mit einem weiteren Bandpassfilter BPF2 verschaltet, welches beispielsweise ein Sendesignalfilter sein kann. Dann ist das erste Bandpassfilter BPF1 vorzugsweise das im Empfangssignalpfad verschaltete Empfangsfilter. Das Matrixelement |S₁₂| gibt dabei die frequenzabhängige Durchlässigkeit von Empfangssignalen von der Antenne in den Empfangspfad Rx an, während das Matrixelement |S₂₃| die frequenzabhängige Durchlässigkeit für HF-Signale aus dem Sendepfad Tx zur Antenne angibt. Das Matrixelement |S₁₃| stellt dabei die Isolation zwischen Empfangssignalpfad und Sendesignalpfad dar.
7 illustriert den frequenzabhängigen Verlauf der Matrixelemente |S₁₂| und |S₂₃| einer erfindungsgemäßen Duplexerschaltung sowohl für Berechnungen (mit „sim” gekennzeichnet) als auch in Form experimentell gemessener Kurven (mit „exp” gekennzeichnet). Die Matrixelemente sind in einem Frequenzbereich um den Sendefrequenzbereich Tx und im Empfangsfrequenzbereich Rx gezeigt. Das Oval bezeichnet denjenigen Frequenzbereich im Sendefrequenzbereich, welcher besonderer Aufmerksamkeit bedarf, da Sende-Signale mit voller Sendeleistung am Empfangsfiltereingang anliegen und das Empfangsfilter nicht passieren dürfen.
8 illustriert den berechneten („sim”) und gemessenen („exp”) Verlauf der Isolationskurve |S₁₃|. Im kritischen (Sende-)Frequenzbereich ist zu sehen, dass die gemessene Kurve, die ein Ausführungsbeispiel mit elektromagnetisch koppelnden induktiven Elementen anzeigt, gegenüber der berechneten Vergleichskurve, in welcher die Verkoppelung der induktiven Elemente nicht berücksichtigt ist, deutlich verbessert ist. Insbesondere wird die Dämpfung der Polstelle von –60 dB auf –80 dB verbessert.
9 illustriert die Abhängigkeit der Frequenzlage und der Dämpfung von Polstellen P₁, P₂, P₃, P₄ im Verlauf der Isolationskurve eines Duplexers mit erfindungsgemäßer Filterschaltung. Verschiedene Kurven sind gezeigt, welche auf verschiedene geometrische Ausgestaltungen der verkoppelnden Induktivitäten zurückzuführen sind. Daraus ist klar ersichtlich, dass ohnehin auftretende parasitäre Kopplungen zwischen induktiven Elementen nicht geeignet sind, um die Isolation zu verbessern. Es bedarf also nichttrivialer Ausgestaltungen, um die Isolation tatsächlich zu verbessern.
Eine Filterschaltung ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen, welche zum Beispiel noch weitere Resonatoren, Reaktanzelemente oder beliebige Kombinationen daraus im Signalpfad oder in beschriebenen oder zusätzlichen Parallelpfaden umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
Bezugszeichenliste

LF:

laddertype-ähnliche Filterschaltung

SR1:

erster Serienresonator

SR2:

zweiter Serienresonator

SP:

Signalpfad

PR1:

erster Parallelresonator

PR2:

zweiter Parallelresonator

CIE1:

erstes induktives Element

CIE2:

zweites induktives Element

GND:

Masse

CS1, CS2:

erster, zweiter gekoppelter Leiterabschnitt

A, B, C:

Länge, Breite eines induktiven Elements, Dicke des Leiterabschnitts

IE:

induktives Element

AN:

Antenne

BPF1:

erstes Bandpassfilter

BPF2:

zweites Bandpassfilter

S12, S23, S31:

Matrixelemente der Streumatrix S

TX:

Sendefrequenzbereich

RX:

Empfangsfrequenzbereich

EXP:

gemessener Verlauf eines S-Matrixelements

SIM:

berechneter Verlauf eines S-Matrixelements

P1, 2, 3, 4:

Polstelle einer ersten, zweiten, dritten, vierten Ausgestaltung verkoppelter induktiven Elemente

L1, L2:

Ebenen, in denen induktive Elemente angeordnet sind

OL:

Überlappungsfläche zweier induktiver Elemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7116187 B2 [0005]

Claims

Laddertypeähnliche Filterschaltung, umfassend – einen Signalpfad – darin angeordnet ein erstes Grundglied mit einem ersten Serienresonator und einem ersten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet, – ein zweites Grundglied mit einem zweiten Serienresonator, der im Signalpfad in Serie zum ersten Serienresonator verschaltet ist, und einem zweiten Parallelresonator, welcher den Signalpfad mit Masse verschaltet, – ein erstes induktives Element, welches zwischen dem ersten Parallelresonator und Masse verschaltet ist, – ein zweites induktives Element, welches zwischen dem zweiten Parallelresonator und Masse verschaltet ist, wobei das erste und das zweite induktive Element elektromagnetisch miteinander koppeln.
Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend mindestens ein weiteres Grundglied, dessen Serienresonator im Signalpfad in Serie zum ersten Serienresonator und in Serie zum zweiten Serienresonator verschaltet ist und dessen Parallelresonator über ein induktives Element mit Masse verschaltet ist.
Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Leiterabschnitte des ersten induktiven Elements und Leiterabschnitte des zweiten induktive Elements parallel zueinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind.
Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Leiterabschnitte geradlinig geformte Metallisierungen umfassen.
Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste induktive Element ein Spulenelement mit einer Windungszahl 0,5 <= W1 <= 2 und das zweite induktive Element ein Spulenelement mit einer Windungszahl 0,5 <= W2 <= 5 umfasst und wobei beide Spulenelemente parallel angeordnet sind und zumindest teilweise überlappen.
Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste induktive Element die Windungszahl W1 = 0,75 und eine Induktivität 0,3 nH <= I1 <= 0,9 nH und das zweite induktive Element die Windungszahl W2 = 2,5 und eine Induktivität 1,0 nH <= I2 <= 2,0 nH aufweist.
Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste induktive Element und das zweite induktive Element jeweils gekoppelte Leiterabschnitte umfassen und wobei diese Leiterabschnitte als strukturierte Metallisierungen in einem Mehrlagensubstrat angeordnet sind.
Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Mehrlagensubstrat dielektrische Schichten umfasst, welche ausgewählt sind aus HTCC, LTCC und Laminat, und welche zwischen den strukturierten Metallisierungen angeordnet sind.
Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Serien- oder Parallelresonatoren ausgewählt sind aus mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Resonatoren und mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonatoren.
Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Empfangsfilter im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet ist.
Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Empfangsfilter einer Duplexerschaltung im Empfangspfad eines mobilen Kommunikationsgeräts verschaltet ist.
Filterschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei – im Signalpfad vier Grundglieder in Serie verschaltet sind und – die Parallelresonatoren des ersten und des vierten Grundglieds über je ein äußeres induktives Element mit Masse verschaltet sind, – die beiden äußeren induktiven Element elektromagnetisch miteinander koppeln.