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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Filtervorrichtung, ein Hochfrequenzmodul und ein Hochfrequenz-Filterverfahren.
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Stand der Technik
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In heutigen mobilen Endgeräten mit Mobilfunk kommt eine Vielzahl von Hochfrequenz-Filterbauelementen zum Einsatz, um eine möglichst gute Netzanbindung überall auf der Welt zu ermöglichen und eine hohe Bandbreite für die Datenübertragung nutzen zu können. Dadurch entsteht ein immer größerer Bedarf an Hochfrequenz-Filterbauelementen, was dazu führt, dass die Größe der Hochfrequenz-Frontend-Module, in die die Hochfrequenz-Filterbauelemente integriert sind, stetig weiterwachsen wird und deren Energieverbrauch ansteigen wird.
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Die
US 10 326 200 B2 betrifft Hochfrequenz-Kommunikationssysteme, wobei mehrere parallel verschaltete Signalübertragungspfade vorgesehen sind, welche über Schaltelemente zu- und abgeschaltet werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Hochfrequenz-Filtervorrichtung, ein Hochfrequenzmodul und ein Hochfrequenz-Filterverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Hochfrequenz-Filtervorrichtung mit einem Signaleingang, welcher dazu ausgebildet ist, ein Hochfrequenzsignal zu empfangen. Weiter umfasst die Hochfrequenz-Filtervorrichtung eine Vielzahl von Filtereinrichtungen, welche dazu ausgebildet sind, das von dem Signaleingang empfangene Hochfrequenzsignal zu filtern. Die Hochfrequenz-Filtervorrichtung umfasst weiter mindestens eine Schalteinrichtung, welche mittels eines Schaltsignals ansteuerbar ist, um durch Verschalten der Filtereinrichtungen eine Filtercharakteristik der Hochfrequenz-Filtervorrichtung zu modifizieren. Die Hochfrequenz-Filtervorrichtung umfasst einen Signalausgang, welcher dazu ausgebildet ist, das gefilterte Hochfrequenzsignal auszugeben.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Hochfrequenzmodul mit mindestens einer erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Filtervorrichtung und einer Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schalteinrichtung der Hochfrequenz-Filtervorrichtung mittels eines Schaltsignals.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Hochfrequenz-Filterverfahren. Dabei wird ein Hochfrequenzsignal empfangen und mittels einer Vielzahl von Filtereinrichtungen gefiltert. Das gefilterte Hochfrequenzsignal wird ausgegeben. Durch Ansteuern einer Schalteinrichtung mittels eines Schaltsignals werden die Filtereinrichtungen derart verschaltet, dass eine Filtercharakteristik der Hochfrequenz-Filtervorrichtung modifiziert wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine konfigurierbare Hochfrequenz-Filtervorrichtung bereit, welche als Baustein in Hochfrequenzmodulen eingesetzt werden kann. Indem mehrere Filtereinrichtungen vorgesehen sind, die miteinander verschaltet werden können, kann bereits eine einzige Hochfrequenz-Filtervorrichtung verschiedene Filtercharakteristiken ermöglichen. Somit kann die Anzahl der erforderlichen Hochfrequenz-Filtervorrichtungen reduziert werden.
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Indem weniger diskrete Hochfrequenz-Filtervorrichtungen erforderlich sind, kann auch die gesamte Baugröße des Hochfrequenzmoduls reduziert werden. Schließlich kann auch Energie gespart werden.
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Weiter ist es möglich, beim Einsatz im Mobilfunkbereich durch flexible Neukonfiguration der Filtereinrichtungen im Betrieb die lokalen Netzgegebenheiten entsprechend zu berücksichtigen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung kann jede Filtereinrichtung kann eine Vielzahl an miteinander fest verschalteten akustischen Resonatoren umfassen, die beispielsweise eine Leiter- und/oder eine Gitterkonfiguration bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung werden die Filtereinrichtungen durch das Schaltsignal in Reihe oder teilweise parallel verschaltet. Dadurch können verschiedene Filtercharakteristiken eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung ist die mindestens eine Schalteinrichtung als mikroelektromechanische, MEMS,-Schalteinrichtung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass wegen der geringen Massen sehr schnell, mit hoher Linearität, verlustarm - sowohl Signalverluste als auch Schaltleistungsverluste betreffend - und mit hohem Anschaltstrom (Ion) zu Ausschaltstrom (Ioff) Verhältnis zwischen verschiedenen Signalleitpfaden umgeschaltet werden kann. Die Steuerung der MEMS-Schalteinrichtung kann vorteilhaft durch einen externen Regler-Schaltkreis vorgenommen werden, wobei die Hochfrequenz-Filtervorrichtung selbst keine integrierten digitalen oder analogen Transistorschaltkreise aufweisen muss. Die hohe Linearität der MEMS-Schalteinrichtung kommt insbesondere im Bereich der mm-Wellen bei Frequenzen oberhalb von 20-30 GHz vorteilhaft zur Geltung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung ist die MEMS-Schalteinrichtung elektrostatisch und/oder piezoelektrisch durch das Schaltsignal ansteuerbar. Beide Aktuierungsmechanismen sind besonders verlustarm und mit den Wandlerprinzipien der Filtereinrichtungen selbst technologisch verwandt, sodass sich Synergien bei der Herstellung ergeben, wie z. B. die Verwendung wenigstens einer gemeinsamen Elektrodenlage aus demselben Material (z. B. Wolfram oder Molybdän) sowohl für die MEMS-Schalteinrichtung als auch die akustische Filtereinrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung weist die MEMS-Schalteinrichtung mindestens eine Elektrodenschicht auf, welche aus demselben Material wie eine Schicht der Filtereinrichtungen besteht. Dadurch ist ein kompakter Aufbau möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung ist die modifizierte Filtercharakteristik zumindest eines von einer Durchlassbandbreite, einer Phasenlage und einer Impedanz der Hochfrequenz-Filtervorrichtung. Dadurch können etwa im Mobilfunkbereich einfache Anpassungen an die lokalen Anforderungen durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Hochfrequenz-Filtervorrichtung eine Steuerleitung, welche dazu ausgebildet ist, das extern generierte Schaltsignal zu empfangen und an die Schalteinrichtung zum Ansteuern der Schalteinrichtung zu übertragen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Schaltsignal auch durch eine interne Steuereinrichtung erzeugt werden, d. h. die Steuereinrichtung ist in die Hochfrequenz-Filtervorrichtung integriert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung umfassen die Filtereinrichtungen jeweils einen oberflächen- oder volumenakustischen Resonator auf der Basis von Piezomaterialien wie AlN, Sc1-xAlxN, LiNbO3, LiTaO3, usw. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Filtereinrichtungen mindestens eine Kapazität und/oder mindestens einen Widerstand. Die Hochfrequenz-Filtervorrichtung kann zur Darstellung gewünschter Transmissionscharakteristika (etwa Impedanz, Bandpassbereich oder Phase) mehrere Filterelemente, Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten zusätzlich in einer Schaltung auf einem Substrat vernetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung weisen die Filtereinrichtungen individuelle schmalbandige Bandpasscharakteristika auf, die sich bei geeigneter Schaltstellung zu einer breitbandigeren Bandpasscharakteristik aufaddieren können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung weisen die akustischen Resonatoren der Filtereinrichtungen jeweils ein Piezoelement auf, welches als Einfach- oder Multilagenpiezostapel ausgebildet ist. Der Multilagenpiezostapel kann etwa (Scx)Al1-xN, 0≤x<0,45, mit identischer oder alternierender Polarität bzw. Zusammensetzung umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenz-Filtervorrichtung weisen die akustischen Resonatoren der Filtereinrichtungen Elektrodenschichten auf, welche akustische Bragg-Reflektorstapel umfassen, z. B. Mehrlagenstapel mit abwechselnd hoher und niedriger akustischer Impedanz, etwa aus Titan, Wolfram oder Molybdän. Auf diese Weise werden Verluste akustischer Energie in den akustischen Resonatoren unterbunden und die Signalintensität bleibt erhalten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Hochfrequenzmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Hochfrequenz-Filtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Hochfrequenz-Filtervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Hochfrequenz-Filtervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine schematische Querschnittsansicht einer Hochfrequenz-Filtervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
- 6 ein Flussdiagramm eines Hochfrequenz-Filterverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Hochfrequenzmoduls 10. Das Hochfrequenzmodul 10 kann etwa im Mobilfunkbereich eingesetzt werden, um empfangene Signale zu filtern. Das Hochfrequenzmodul 10 umfasst Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20 sowie eine Steuereinrichtung 1 zum Ansteuern einer Schalteinrichtung der Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20 mittels eines Schaltsignals.
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Die Schalteinrichtung kann ein diskreter MEMS-Schalter sein, der durch eine Steuerleitung über einen Schaltkreis in der Steuereinrichtung 1 zur Steuerung der Schalteinrichtung angesteuert wird. Bevorzugt können Schalteinrichtungen alternativ in die Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20 integriert sein.
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Weiter kann das Hochfrequenzmodul 10 einen Hochfrequenz-Frontend-ASIC (RFIC; anwendungsspezifische integrierte Schaltung für die Verarbeitung von Radiosignalen), Verstärker und dergleichen aufweisen.
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Die Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20 können eine der folgenden beispielhaft in den 2 bis 5 beschriebenen Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20 sein.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Hochfrequenz-Filtervorrichtung 20a mit einem Signaleingang 2 zum Empfangen eines Hochfrequenzsignals. Weiter umfasst die Hochfrequenz-Filtervorrichtung 20a eine erste Filtereinrichtung 3 und eine zweite Filtereinrichtung 4, welche jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen und das über den Eingang empfangene Signal filtern. Die Filtereinrichtungen 3, 4 können etwa Hochpassfilter, Tiefpassfilter oder Bandpassfilter sein.
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Die Hochfrequenz-Filtervorrichtung 20a umfasst weiter eine Schalteinrichtung 6, welche mittels eines Schaltsignals von einer Steuereinrichtung 1 gesteuert wird. Während die Steuereinrichtung 1 in 2 in die Hochfrequenz-Filtervorrichtung 20a integriert ist, kann die Steuereinrichtung 1 auch extern angeordnet sein, etwa um eine Vielzahl von Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20a zu steuern, wie in 1 gezeigt.
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Falls die Schalteinrichtung 6 geöffnet ist, wird das Hochfrequenzsignal lediglich durch die zweite Filtereinrichtung 4 gefiltert und über einen Signalausgang 5 ausgegeben.
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Falls die Schalteinrichtung 6 geschlossen ist, wird das Hochfrequenzsignal zusätzlich durch die parallel geschaltete erste Filtereinrichtung 3 gefiltert und das von der ersten Filtereinrichtung 3 gefilterte Signal wird mit dem von der zweiten Filtereinrichtung 4 gefilterten Signal kombiniert und als Ausgangssignal über den Signalausgang 5 ausgegeben.
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Die Filtereigenschaften der ersten Filtereinrichtung 3 können sich von den Filtereigenschaften der zweiten Filtereinrichtung 4 unterscheiden. Beispielsweise kann es sich jeweils um Bandpassfilter handeln, welche jedoch unterschiedliche Frequenzbereiche filtern. Durch Zuschalten der ersten Filtereinrichtung 3 kann damit der durchgelassene Frequenzbereich erhöht werden.
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Die Filtereigenschaften der ersten Filtereinrichtung 3 und der zweiten Filtereinrichtung 4 können auch identisch sein. Dabei ändert sich beim Zuschalten der ersten Filtereinrichtung 3 der Gesamtwiderstand, was ebenfalls zu einer geänderten Filtercharakteristik der Hochfrequenz- Filtervorrichtung 20a führt.
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3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Hochfrequenz-Filtervorrichtung 20b. Die Schaltung unterscheidet sich dabei von der in 2 illustrierten Schaltung dadurch, dass das Eingangssignal zuerst durch die zweite Filtereinrichtung 4 gefiltert wird, bevor dieses über eine Schalteinrichtung 6 der ersten Filtereinrichtung 3 bereitgestellt werden kann. Die erste Filtereinrichtung 3 kann beispielsweise eine Phase des angelegten Signals verschieben. Das von der zweiten Filtereinrichtung 4 gefilterte Signal wird bei geschlossener Schalteinrichtung 6 mit dem sowohl von der zweiten Filtereinrichtung 4 als auch von der ersten Filtereinrichtung 3 gefilterten Signal kombiniert und als Ausgangssignal an dem Signalausgang 5 ausgegeben. Bei geöffneter Schalteinrichtung 6 wird das lediglich durch die zweite Filtereinrichtung 4 gefilterte Signal als Ausgangssignal ausgegeben.
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4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Hochfrequenz - Filtervorrichtung 20c. Die Schaltung unterscheidet sich dabei von der in 2 illustrierten Schaltung dadurch, dass zwei Schalteinrichtungen 6 vorgesehen sind. Dadurch kann sowohl die erste Schalteinrichtung 3 als auch die zweite Schalteinrichtung 4 aktiv oder inaktiv geschaltet werden. Die Schalteinrichtungen 6 können unabhängig voneinander geschaltet werden, sodass vier Filtercharakteristiken einstellbar sind.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Hochfrequenz - Filtervorrichtung 20d. Diese umfasst ein Substrat 57 auf welchem ein akustischer Resonator 52 als Teil einer Filtereinrichtung angeordnet ist. Diese umfasst eine obere Elektrode 51, eine untere Elektrode 55 und ein dazwischenliegendes Piezoelement 56. Weiter umfasst die Hochfrequenz -Filtervorrichtung 20d eine MEMS-Schalteinrichtung 53 mit einer Steuerelektrode 54. Das Piezoelement 56 ist als Multilagenpiezostapel ausgebildet.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Hochfrequenz-Filterverfahrens. Das Verfahren kann mittels einer der oben beschriebenen Hochfrequenz-Filtervorrichtungen 20; 20a-20d durchgeführt werden.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Hochfrequenzsignal empfangen. Das Hochfrequenzsignal wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 mittels einer Vielzahl von Filtereinrichtungen 3, 4 gefiltert. Das gefilterte Hochfrequenzsignal wird ausgegeben. Durch Ansteuern einer Schalteinrichtung 6 mittels eines Schaltsignals werden die Filtereinrichtungen 3, 4 in einem dritten Verfahrensschritt S3 derart verschaltet, dass eine Filtercharakteristik der Hochfrequenz-Filtervorrichtung 20; 20a-d modifiziert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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