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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Hochfrequenz-Multiplexer. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen Hochfrequenz-(HF)-Multiplexerschaltkreis, der Sende- und Empfangsschaltkreise umfasst, die jeweils ein HF-Filter enthalten.
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Hintergrund
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Hochfrequenz-(HF)-Multiplexer werden in elektronischen Kommunikationssystemen an dem Antennen-Frontend verwendet, um die Sende- und Empfangspfade mit der Antenne zu verbinden. Die Sende- und Empfangspfade enthalten HF-Filter, um die gewünschte Bandbreite von dem Antennensignal auszuwählen oder um der Antenne das HF-Signal bereitzustellen. Resonatoren werden verwendet, um die Filter einzurichten. Ein Duplexer verbindet einen Sende- und einen Empfangspfad mit einem Antennenanschluss, während ein Multiplexer höherer Ordnung wie zum Beispiel ein Quadplexer mehrere Sende- und Empfangspfade mit dem Antennenanschluss verbindet.
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In herkömmlichen HF-Multiplexern werden die Resonatoren, welche die HF-Sende- (Tx) und Empfangsfilter (Rx) bilden, auf getrennten Chips realisiert. Üblicherweise umfasst ein Chip alle Resonatoren für das Tx-Filter und ein anderer Chip umfasst alle Resonatoren für das Rx-Filter. Obwohl unterschiedliche Resonatoren in einem Filter unterschiedliche elektrische Teilfunktionen erfüllen, werden sie mit dem gleichen Herstellungsprozess hergestellt, sodass es schwierig ist, sie für eine spezifische Funktion zu optimieren. Die Resonatoren des Tx-Filters in der Nähe des Eingangsanschlusses können zum Beispiel Einschränkungen bei der Flankensteilheit und den Störmodi in den Frequenzbändern der anderen Trägerbündelungsbänder aufweisen, während die Resonatoren in der Nähe des Antennenanschlusses eine große Reflexion in den Gegenbandfrequenzbereichen bereitstellen. Diese Anforderungen begrenzen die Gestaltungsflexibilität für die Resonatoren, wenn alle Resonatoren eines Filterpfads von einem Multiplexer auf einem Chip ausgeführt werden, wie es üblicherweise der Fall ist.
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Es besteht der Wunsch, mehr Flexibilität bei der Gestaltung eines Multiplexerschaltkreises zu haben und die Leistungsfähigkeit der Filter in einem HF-Multiplexer zu verbessern.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Hochfrequenz-Multiplexerschaltkreis bereitzustellen, der eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen HF-Multiplexerschaltkreis bereitzustellen, der eine verbesserte Leistungsbeständigkeit in Verbindung mit einer verbesserten Reflexion in den Gegenbandfrequenzbereichen aufweist.
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Kurzdarstellung
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden einer oder mehrere der oben erwähnten Gegenstände durch einen Hochfrequenz-Multiplexer erreicht, der umfasst: einen Sendeschaltkreis und einen Empfangsschaltkreis, die jeweils einen HF-Filterschaltkreis umfassen; einen ersten Anschluss, der mit einer Antenne zu verbinden ist, wobei der Sendeschaltkreis und der Empfangsschaltkreis mit dem ersten Anschluss verbunden sind; einen zweiten Anschluss, der mit dem Sendeschaltkreis verbunden ist, einen dritten Anschluss, der mit dem Empfangsschaltkreis verbunden ist; wobei ein Teil des Sendeschaltkreises und ein Teil des Empfangsschaltkreises auf einem einzigen monokristallinen Substrat angeordnet sind.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind ein Teil des Sendeschaltkreises und ein Teil des Empfangsschaltkreises auf einem einzigen Die angeordnet. Dementsprechend nutzen Teile von zwei verschiedenen Filterpfaden eines Multiplexers den gleichen einzigen Die. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Lösungen, bei denen ein Die auf einen Filterpfad zum Senden (Tx) oder zum Empfangen (Rx) begrenzt ist. Der einzige Die kann ein monokristallines Substrat sein, auf dem die Teile des Sende- und des Empfangsschaltkreises realisiert werden. Die Schichtstapel, welche die Resonatoren des Sende- und des Empfangsschaltkreises realisieren, sind gleich innerhalb eines Dies, da die Resonatoren auf einem Die gleichzeitig mithilfe der gleichen Prozessschritte wie zum Beispiel Abscheiden, Strukturieren usw. hergestellt werden. Ein gemeinsames Nutzen des gleichen einzigen Dies für den Sende- und den Empfangsschaltkreis erlaubt, dass Resonatoren, die eine entsprechende Funktionalität in verschiedenen Filtern aufweisen, zusammen hergestellt werden. Der Schichtstapel der Resonatoren kann für die erforderliche Funktionalität optimiert werden.
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Mit diesem Ansatz kann eine verbesserte Leistungsfähigkeit der gesamten Multiplexer-Funktionen erwartet werden. Zum Beispiel können auf der einen Seite Filterflanken mit hohen Anforderungen an die Steilheit und ein niedriger Temperaturkoeffizient und auf der anderen Seite Resonatoren, die direkt an dem Antennenknoten eine große Reflexion in den Gegenbandfrequenzbereichen erfordern, auf verschiedenen Dies realisiert werden. Die Schichtstapel auf verschiedenen Dies können für die verschiedenen Funktionalitäten optimiert werden. Zum Beispiel kann die Dicke von metallischen oder dielektrischen Schichten in den Schichtstapeln für eine große Flankensteilheit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten oder alternativ für eine große Gegenbandreflexion optimiert werden. Der Fachmann weiß aus der Erfahrung mit herkömmlichen Gestaltungen, wie die Schichtstapel für die erforderlichen Funktionalitäten zu optimieren sind.
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Die Sende- und Empfangsschaltkreise in einem Multiplexer umfassen jeweils eine Vielzahl von Resonatoren wie zum Beispiel akustische Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave resonators, SAW-Resonatoren) oder akustische Volumenwellenresonatoren (Bulk Acoustic Wave resonators, BAW-Resonatoren). Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung sind mindestens ein Resonator des Sendeschaltkreises und mindestens ein Resonator des Empfangsschaltkreises auf einem gleichen einzigen Die angeordnet. Wenn der Filterpfad mit SAW-Resonatoren realisiert wird, ist der Die ein monokristallines piezoelektrisches Substrat, auf dem die SAW-Resonatoren gebildet sind. Alle Resonatoren auf dem gleichen einzigen Die nutzen zusammen das gemeinsame und gleiche monokristalline Substrat. Das monokristalline piezoelektrische Substrat kann ein Lithiumniobat- oder ein Lithiumtantalat- oder ein anderes piezoelektrisches Substrat sein, das zweckmäßig zum Bilden eines SAW-Resonators ist. Wenn der Filter mit BAW-Resonatoren realisiert wird, kann das monokristalline Substrat ein monokristallines Silizium sein, auf dem der Schichtstapel des BAW-Resonators gebildet wird.
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Die Resonatoren, die mit dem Antennenanschluss des TX-Filters und des Rx-Filters verbunden sind, können auf dem gleichen einzigen Die realisiert werden. Dies erlaubt die Optimierung des Schichtstapels, um eine große Reflexion in den Gegenbändern zu erreichen, die außerhalb des Durchlassbereichs der entsprechenden Filter liegen. Dies ist insbesondere zweckmäßig in Trägerbündelungsfiltersystemen des 4G-(LTE-)Kommunikationsstandards.
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Das Sendefilter und das Empfangsfilter können einen Reihenpfad von Resonatoren umfassen, der eine oder mehrere in Reihe geschaltete Resonatoren enthält. Die in Reihe geschalteten Resonatoren des TX-Filters und die in Reihe geschalteten Resonatoren des Rx-Filters, die mit dem Antennenanschluss verbunden sind, werden auf dem gleichen Die realisiert. Das Tx-Filter kann auch einen oder mehrere parallele Pfade umfassen, die mit dem Reihenpfad verbunden sind und die auch auf dem einzigen Die zusammen mit den in Reihe geschalteten Resonatoren in der Nähe des Antennenanschlusses angeordnet sein. Dementsprechend weisen die parallel geschalteten Tx-Resonatoren den gleichen Schichtstapel wie die Resonatoren an dem Antennenanschluss auf. Dieser Schichtstapel kann für eine große Reflexion in den Gegenbandfrequenzbereichen optimiert werden. Zusätzliche in Reihe geschaltete Resonatoren des TX-Filters wie zum Beispiel die Resonatoren in der Nähe des Eingangsanschlusses des Tx-Filters können auf einem separaten Die so realisiert werden, dass sie für eine steile Filterflanke und eine hohe Leistungsbeständigkeit optimiert werden können. Steile Filterflanken und eine hohe Leistungsbeständigkeit erfordern üblicherweise einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, sodass die Wärme, die von der Leistungsabgabe des Tx-Filters erzeugt wird, die Resonanzfrequenz nicht verschiebt. Eine große Reflexion in den Gegenbändern ist üblicherweise jedoch widersprüchlich zu einem niedrigen Temperaturkoeffizienten und einer hohen Leistungsbeständigkeit, sodass die Gegenbandreflexion mit dem Schichtstapel der Resonatoren optimiert werden kann, der mit der Antenne verbunden ist. Infolgedessen werden die in Reihe geschalteten Resonatoren, die mit dem Tx-Anschluss verbunden sind, auf einem Die realisiert, der getrennt von den Resonatoren ist, die mit dem Antennenanschluss verbunden sind, wobei Letztere die Resonatoren von dem Tx-Filter und dem Rx-Filter gemeinsam nutzen. Die Schichtstapel von beiden Dies werden für unterschiedliche Funktionalitäten optimiert, die auf der einen Seite eine Leistungsbeständigkeit, eine hohe Flankensteilheit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und auf der anderen Seite eine große Reflexion in den Gegenbändern aufweisen. Insbesondere der Temperaturkoeffizient für die Resonatoren, die mit dem Antennenanschluss verbunden sind und den gleichen Die gemeinsam nutzen, ist größer als der Temperaturkoeffizient der Resonatoren, die mit dem Tx-Eingangsanschluss verbunden sind und einen anderen Die gemeinsam nutzen.
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Die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können mit einem Duplexer-Schaltkreis oder mit komplexeren Multiplexerschaltkreisen wie zum Beispiel Quadplexern oder sogar Multiplexern höherer Ordnung eingesetzt werden. Ein Quadplexer kann zum Beispiel zwei Tx-Anschlüsse und zwei Rx-Anschlüsse umfassen, welche die Sende- und Empfangssignale an einem Antennenanschluss kombinieren. Die Resonatoren, die mit dem Antennenanschluss von mindestens einem Tx- und einem Rx-Filter oder von den beiden Tx- und den beiden Rx-Filtern verbunden sind, können auf einem einzigen Die realisiert werden. Die in Reihe geschalteten Resonatoren der zwei Tx-Anschlüsse können auf einem anderen Die realisiert werden. Die Schichtstapel der Resonatoren der beiden separaten Dies können für verschiedene Funktionalitäten optimiert werden. Der erste Die kann auch die parallel geschalteten Resonatoren der Tx-Filter umfassen. Weitere Elemente von den Rx-Filtern können auch auf dem ersten Die realisiert werden. Insbesondere die in Reihe geschalteten Resonatoren in der Nähe der jeweiligen Tx-Anschlüsse von verschiedenen Tx-Pfaden werden auf dem gleichen einzigen Die realisiert. Darüber hinaus werden weitere Resonatoren der Tx- und Rx-Pfade auf einem anderen, aber einzigen Die realisiert. Vorteilhafterweise können die Schichtstapel der Resonatoren von verschiedenen Tx- und Rx-Pfaden für die gleiche Funktionalität optimiert werden. Die Anzahl von Elementen und die Größe des Schaltkreises sind im Wesentlichen die Gleichen wie in herkömmlichen Lösungen, wobei die Tx- oder Rx-Filter auf verschiedenen Dies realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Schichtstapel eines SAW-Resonators mit einer dielektrischen Schicht wie zum Beispiel Siliziumdioxid abgedeckt. Die Dicke der dielektrischen Schicht kann ein Kompromiss zwischen der Leistungsbeständigkeit und einem niedrigen Temperaturkoeffizienten einerseits und einer großen Reflexion in den Gegenbändern andererseits sein. Eine größere Dicke der dielektrischen Schicht steht für eine lange Leistungsbeständigkeit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten. Die relativ dicke dielektrische Schicht kann jedoch auch akustisch angeregt werden, sodass die Reflexion niedrig sein kann. Die Resonatoren auf dem Die, die für eine lange Leistungsbeständigkeit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten optimiert werden, wie zum Beispiel die Resonatoren in der Nähe eines Tx-Eingangsanschlusses können eine dicke dielektrische Schicht wie zum Beispiel eine dicke Siliziumdioxid-Schicht umfassen. Die Siliziumdioxid-Schicht kann eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 800 Nanometer (nm) aufweisen. Auf der anderen Seite kann die dielektrische Schicht der Resonatoren, die mit dem Antennenanschluss verbunden sind, für eine geringere Reflexion in den Gegenbändern optimiert werden, wobei die Leistungsbeständigkeit und der niedrige Temperaturkoeffizient geopfert werden. In diesem Fall ist die dielektrische Schicht im Wesentlichen dünner und kann eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 400 Nanometer (nm) aufweisen. Die dielektrische Schicht für Resonatoren, die eine lange Leistungsbeständigkeit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweisen, kann zweimal so dick wie eine dielektrische Schicht für Resonator sein, die eine geringe Reflexion bei Gegenbandfrequenzen aufweisen.
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Die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auch auf BAW-Resonatoren angewandt werden, die auf dem gleichen Die angeordnet sind, wobei ein piezoelektrisches Substrat, wie zum Beispiel ein Aluminiumnitrid zwischen zwei Metallelektroden gepackt ist. Eine Reflexionsanordnung wie zum Beispiel ein Bragg-Spiegel kann zwischen dem gemeinsamen Substrat und der unteren Elektrode angeordnet werden. Alle Resonatoren von dem gleichen einzigen Die weisen den gleichen Schichtstapel mit Schichten auf, welche die gleiche Dicke über unterschiedliche Resonatoren aufweisen, die auf dem gleichen Die angeordnet sind. In diesem Fall kann das monokristalline Substrat ein monokristallines Silizium sein.
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Es ist selbstverständlich, dass sowohl die oben stehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung rein beispielhaft sind und so zu verstehen sind, dass sie eine Übersicht oder ein Rahmenwerk zum Verständnis der Natur und des Charakters der Ansprüche bereitstellen. Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein besseres Verständnis bereitzustellen, und sie sind in diese Beschreibung eingefügt und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen eine oder mehrere Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien und die Funktion der zahlreichen Ausführungsformen zu erklären. Die gleichen Elemente in verschiedenen Figuren der Zeichnungen werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine herkömmliche Realisierung eines Duplexers und eines Quadplexers;
- 2 zwei mögliche Realisierungen eines Duplexers und eines Quadplexers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ein detailliertes schematisches Blockschaltbild eines Duplexers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ein Admittanzdiagramm und ein Reflexionskoeffizientendiagramm eines herkömmlichen Duplexers aus 1 und des Duplexers aus 3 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ein detailliertes schematisches Blockschaltbild eines Quadplexers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
- 6 eine Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Dies, der mehrere Resonatoren zeigt, und einen vergrößerten Querschnitt eines Abschnitts eines SAW-Resonators.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung wird jetzt ausführlicher in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen -Formen verkörpert werden und darf nicht so verstanden werden, dass sie auf die hier erörterten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, sodass die Offenbarung dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, aber sie sind gestaltet, um die Offenbarung eindeutig darzustellen.
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1 zeigt die Realisierung eines herkömmlichen Duplexers und eines herkömmlichen Quadplexers. Der Duplexer 110 umfasst einen Anschluss 125, der mit einer Antenne verbunden wird. Ein Eingangsanschluss 121 wird mit einem zu übertragenden Signal (Tx) versorgt und der Anschluss 122 stellt das gefilterte empfangene Signal (Rx) bereit. Die Filter 111, 112 sind zwischen einer Antennenklemme 125 und den Tx-, Rx-Klemmen 121, 122 angeordnet. Gemäß den herkömmlichen Prinzipien wird das Filter 111 mit mehreren Resonatoren z.B. akustischen Oberflächenwellenresonatoren (SAW-Resonatoren) realisiert, die alle auf einem Chip realisiert und angeordnet sind. Die Resonatoren des Tx-Filters 111 nutzen gemeinsam das gleiche monokristalline piezoelektrische Substrat, auf dem die Schichten der Resonatoren angeordnet sind. Auf ähnliche Weise umfasst das Rx-Filter 112 mehrere SAW-Resonatoren, die alle auf dem gleichen Die angeordnet sind. Die Tx- und Rx-Filter 111, 112 sind auf zwei separaten Dies oder Chips angeordnet.
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Der Quadplexer 130 umfasst einen Antennenanschluss 145 und zwei Tx-Sendeanschlüsse 141, 142 sowie zwei Rx-Empfangsanschlüsse 143, 144. Die entsprechenden Filter, die den Tx/Rx-Anschlüssen 141, ..., 144 zugeordnet sind, werden jeweils auf separaten einzigen Chips realisiert. Kein Resonator von einem Tx- oder einem Rx-Filter wird auf dem Chip eines anderen Rx- bzw. Tx-Filters realisiert.
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2 zeigt zwei mögliche Realisierungen von HF-Duplexern und HF-Quadplexern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Duplexer 210 umfasst einen Antennenanschluss 225, einen Tx-Anschluss 221 und einen Rx-Anschluss 222. Das Rx-Filter 212 umfasst mehrere Resonatoren, die alle auf einem Chip angeordnet sind. Das Tx-Filter 214 umfasst mehrere Resonatoren, von denen ein erster Anteil an Resonatoren 213 auf dem gleichen Chip wie das Rx-Filter 212 angeordnet ist. Der andere Anteil an Resonatoren 211 des Tx-Filters 214 ist auf einem zweiten separaten Chip angeordnet. Die Chips 213, 214 sind auf ein Laminat aufgebracht, das ein Polymersubstrat umfassen kann, das eine oder mehrere Schichten von metallischen Drähten aufweist, um eine elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen.
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Der Duplexer zeigt eine weitere Aufteilung der Resonatoren in den Tx- und Rx-Filtern. Ein erster Anteil der Resonatoren der Tx- und der Rx-Filter 221, 222 wird auf einem ersten Chip 226 realisiert. Die entsprechenden Resonatoren werden mit dem Antennenanschluss so verbunden, dass ihr Schichtstapel für die elektrischen Anforderungen für an Antennen angeschlossene Resonatoren zweckmäßig optimiert werden kann. Ein zweiter Anteil an Resonatoren wird auf einem zweiten Chip 227 so realisiert, dass der Schichtstapel optimiert werden kann, um andere elektrische Anforderungen zu erfüllen. Der Schichtstapel der Resonatoren auf dem Chip 227 kann zum Beispiel optimiert werden, um die Anforderungen für den Tx-Anteil des Duplexers zu erfüllen.
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Der Quadplexer 230 zeigt noch eine weitere Aufteilung der Resonatoren in den Filtern des Quadplexers. Der Quadplexer 230 umfasst vier Filter für vier Bänder, die Tx-Filter 232, 233 und Rx-Filter 231, 234 sind. Die Resonatoren aller vier Filter, die mit dem Antennenanschluss 245 verbunden sind, werden auf einem einzigen Chip 250 realisiert. Der Chip 250 umfasst die Resonatoren der vier verschiedenen Filter, die mit dem Antennenanschluss 245 verbunden sind. Ein zweiter Chip 253 umfasst den Rest der Resonatoren des Rx-Filters 231 und einen Anteil der Resonatoren des Tx-Filters 232. Ein weiterer Chip 252 umfasst den Rest der Resonatoren des Rx-Filters 234 und einen Anteil der Resonatoren des Tx-Filters 233. Noch ein weiterer Chip 251 umfasst einen Anteil der Resonatoren der Tx-Filter 232, 233.
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Die Zuteilung der Resonatoren auf die entsprechenden Chips hängt von der Funktionalität ab. Resonatoren, die eine ähnliche Funktion in verschiedenen Filtern ausführen, können dem gleichen Chip zugeteilt werden, sodass sie mit dem gleichen Schichtstapel hergestellt werden können. In der Praxis sind die Abfolge der Schichten und die Dicken der Schichten gleich für die Resonatoren, die auf dem gleichen Chip realisiert werden. Daher können die entsprechenden Schichtstapel für die gewünschte Funktion optimiert werden. In Bezug auf den Duplexer 210 können die Resonatoren des Chips 214 mit einem Schichtstapel hergestellt werden, der geeignet ist, um eine hohe Übertragungsleistung zu bearbeiten, die an der Klemme 221 in den Tx-Filter eingegeben wird. Der Chip 227 des Duplexers 220 kann mit einem Schichtstapel hergestellt werden, der optimiert wird, um innere Flanken der Tx- und der Rx-Filter mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten und äußere Abschnitte mit einem größeren Abstand zwischen den Polen und Nullstellen zu bearbeiten. Der Chip 250 des Quadplexers 230 kann mit einem Schichtstapel hergestellt werden, der eine gute Reflexion in den Gegenbandbereichen aufweist, was zweckmäßig ist für die Resonatoren, die mit dem Antennenknoten verbunden sind. Der Chip 251 kann einen Schichtstapel umfassen, der die inneren Flanken der direkt benachbarte Filter veranlasst, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und einen kleinen Abstand zwischen den Polen und den Nullstellen aufzuweisen. Der Chip 252 umfasst einen Schichtstapel, der zweckmäßig ist, um Resonatoren zu realisieren, welche die erforderliche Bandbreite erreichen. Der Schichtstapel des Chips 252 ist zweckmäßig für Resonatoren, die eine geringere kritische Funktion aufweisen, sodass sie mit einem moderaten Schichtstapel hergestellt werden können, der gute allgemeine elektrische Eigenschaften aufweist, um die erforderliche Bandbreite bereitzustellen. Insgesamt berücksichtigt die Zuteilung der Resonatoren zu entsprechenden Chips die elektrische Funktion, die durch die Resonatoren realisiert wird, anstatt der Zuteilung zu spezifischen Filterdurchlassbereichen gemäß den herkömmlichen Lösungen.
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In den 3 und 4 wird jetzt eine detaillierte Darstellung der Realisierung des Duplexers 210 der 2 (3) in Verbindung mit dem elektrischen Verhalten gemäß der Admittanz- und Reflexionskoeffizientenkurven, die durch eine Schaltkreisssimulation erhalten wurden (4), dargestellt. Entsprechende Kurven werden für den herkömmlichen Duplexer 110 aus 1 und den Duplexer 210 aus 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt.
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Der erste Chip 214 umfasst die in Reihe geschalteten Resonatoren 311, 312, 313, die mit dem Tx-Anschluss 221 verbunden sind. Der Resonator 311 ist direkt mit dem Tx-Anschluss 221 verbunden und die Resonatoren 312, 313 sind nachgeschaltet zu dem Resonator 311 angeschlossen. Der zweite Chip 213 umfasst in Reihe geschaltete Resonatoren des Rx-Pfads wie zum Beispiel die Resonatoren 320, 321, 322, 323 und die parallel geschalteten Resonatoren des Rx-Pfads wie zum Beispiel die Resonatoren 324, 325. Der Chip 213 umfasst darüber hinaus den Resonator 314 des Tx-Pfads, der mit dem Antennenanschluss 225 verbunden ist und nachgeschaltet zu dem in Reihe geschalteten Resonator 313 ist. Der Chip 213 umfasst darüber hinaus die Resonatoren 315, 316, 317, welche die parallel geschalteten Resonatoren des Tx-Filters 211 sind. Der Resonator 317 ist zum Beispiel zwischen den Knoten zwischen den Resonatoren 313 und 314 und das Erdpotential geschaltet. In ähnlicher Weise sind die Resonatoren 315, 316 zwischen einen Knoten in dem Reihenpfad des Tx-Filters 211 und das Erdpotential geschaltet.
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Die in Reihe geschalteten Resonatoren 311, 312, 313, die mit dem Tx-Eingangsanschluss oder nachgeschaltet dazu verbunden sind, empfangen eine erhebliche Eingangsleistung, sodass sie als leistungsbeständig konfiguriert werden müssen. Sie bilden auch die rechte Flanke 411 des Durchlassbereichs 410 des Filters. Die rechte Flanke muss so steil wie möglich sein, um eine gute Übertragung in dem gewünschten Signalband 212 zu erlauben und eine große Dämpfung in dem benachbarten, nichterwünschten Signalband 413 zu erreichen. Zum Erreichen einer langen Leistungsbeständigkeit ist es zweckmäßig, Resonatoren zu realisieren, die einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweisen, sodass das Erhitzen der Resonatoren durch die Übertragung des HF-Signals die rechte Flanke des Durchlassbereichs nur unwesentlich verschiebt. Zum Erreichen einer definierten rechten Flanke des Durchlassbereichs ist es zweckmäßig, Resonatoren zu realisieren, die einen relativ geringen Abstand zwischen den Polen und den Nullstellen der Admittanzeigenschaften der Resonatoren aufweisen.
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Der Schichtstapel, der die Resonatoren 311, 312, 313 realisiert, ist dazu konfiguriert, die oben erwähnten Eigenschaften zu erreichen. In erster Linie erfordert dies eine relativ dicke dielektrische Schicht, welche die Metallelektroden der Interdigitaltransducer (IDTs) der SAW-Resonatoren abdeckt. Eine dicke dielektrische Schicht kann eine Siliziumdioxid-Schicht sein, welche die IDTs abdeckt und eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 800 nm aufweist. Durch das Realisieren der Resonatoren 311, 312, 313 auf dem einzigen Chip können die Schichtstapel dieser Resonatoren einschließlich der relativ dicken Siliziumdioxid-Schicht für diese Resonatoren optimiert werden. Die Schichtstapeleigenschaften sind auf diese Resonatoren begrenzt, da eine dicke Siliziumdioxid-Schicht nicht zweckmäßig für andere Resonatoren in dem Duplexer sein muss, die für andere Funktionen des Filters verantwortlich sind. In dieser Hinsicht empfangen die parallel geschalteten Resonatoren 315, 316, 317 des Tx-Filters 211 weniger Leistung als die in Reihe geschalteten Resonatoren 311, 312, 313. Darüber hinaus sind die parallelen Resonatoren nicht verantwortlich für eine steile Flanke, sodass es nicht erforderlich ist, dass die Resonatoren 315, 316, 317 einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Stattdessen sind die Resonatoren 315, 316, 317 dafür verantwortlich, eine ausreichende Bandbreite für den Durchlassbereich des Filters bereitzustellen. Es ist zweckmäßig, die parallel geschalteten Resonatoren 315, 316, 317 nicht auf dem Chip einzubinden, da die parallel geschalteten Resonatoren im Vergleich zu den in Reihe geschalteten Resonatoren 311, 312, 316 andere Anforderungen erfüllen müssen.
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Die parallel geschalteten Resonatoren 315, 316, 317 und darüber hinaus der in Reihe geschaltete Resonator 314, der direkt mit dem Antennenknoten 225 verbunden ist, werden auf einem zweiten Chip 213 realisiert, der verschieden von dem Chip 214 ist. Darüber hinaus ist das Rx-Filter der Resonatoren 320, ..., 325 auch auf dem zweiten Chip 213 angeordnet. Dies bedeutet, dass Resonatoren von zwei Filtern, dem Tx-Filter 211 und dem Rx-Filter 212, auf einem einzigen Die oder Chip angeordnet sind. Der Schichtstapel der Resonatoren 314, ..., 325 erfüllt andere Anforderungen als der Schichtstapel der Resonatoren 311, ..., 313, sodass der Schichtstapel des zweiten Chips 213 optimiert wird, um einen niedrigen Plattenmodus und eine große Reflexion in den Gegenbandfrequenzen außerhalb des Durchlassbereichs des Filters aufzuweisen. Zum Erreichen dieses Effektes ist die dielektrische Schicht, welche die IDTs der Resonatoren 314, ..., 325 abdeckt, erheblich dünner als die dielektrische Schicht der Resonatoren des Chips 214. Eine Siliziumdioxid-Schicht auf den Resonatoren des Chips 213 weist zum Beispiel eine Dicke von ungefähr 400 nm auf, was die Hälfte der Dicke der dielektrischen Schicht ist, welche die IDTs des Chips 214 abdeckt. Eine dünne dielektrische Schicht verringert den Plattenmodus der Resonatoren dadurch, dass verhindert wird, dass akustische Energie in die dielektrische Schicht eingekoppelt wird. Darüber hinaus wird die Reflexion in den Gegenbandfrequenzen vergrößert.
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In 4 kann jetzt der Effekt auf den Plattenmodus in dem Bereich 420 der Dämpfungskurve entnommen werden. In dem Bereich 420 weist die Dämpfungskurve ein lokales Maximum auf. Die Kurve 421 stellt die Dämpfungskurve des herkömmlichen Duplexers 110 aus 1 dar und die Kurve 422 stellt die Dämpfung für den Duplexer 210 gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung dar. Wie aus 4 entnommen werden kann, ist die Dämpfung der Kurve 422 in dem Bereich 420 niedriger als bei der herkömmlichen Kurve 421. Dies wird in erster Linie dadurch erreicht, dass der Resonator 314, der mit dem Antennenanschluss 225 verbunden ist, auf dem zweiten Chip 213 realisiert wird, der dadurch optimiert wird, dass er eine geringere Dicke der dielektrischen Siliziumdioxid-Schicht aufweist, welche die IDTs abdeckt. Infolgedessen wird der Plattenmodus in dem Frequenzbereich 420 verringert.
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Da auch der Reflexionskoeffizient in dem gleichen Frequenzbereich 420 interessiert, wird darauf hingewiesen, dass der herkömmliche Duplexer 110 die Kurve 431 aufweist, welche ein lokales Minimum in dem Frequenzbereich 420 zeigt. Im Gegensatz dazu weist die Reflexionskurve 432 des Duplexers 210 gemäß der vorliegenden Offenbarung einen relativ hohen Pegel auf. Die verbesserte Reflexion wird auch dadurch erreicht, dass der Resonator 314 auf dem Chip 213 angeordnet ist, der eine Siliziumdioxid-Schicht mit einer geringen Dicke in dem Bereich von ungefähr 400 nm aufweist, um das Reflexionsverhalten in den Gegenbandfrequenzbereichen zu vergrößern.
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In 5 wird jetzt ein schematisches Blockschaltbild eines Quadplexers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der Quadplexer umfasst einen Antennenanschluss 545, zwei Rx-Anschlüsse 521, 522 und zwei Tx-Sendeanschlüsse 523, 524. Die Resonatoren in dem Quadplexer realisieren vier Filter, wie zum Beispiel die Rx-Filter 531, 532, und die Tx-Filter 533, 534. Die Resonatoren werden auf drei Chips 550, 551, 552 realisiert. Die Chips 550 und 551 umfassen Resonatoren von mehreren Filtern. Der Chip 550 umfasst Resonatoren von allen Rx- und Tx-Filtern. Auf dem Chip 550 werden insbesondere mindestens die Resonatoren angeordnet, die mit dem Antennenanschluss 545 verbunden sind. Der Chip 551 umfasst Resonatoren von den zwei Tx-Filtern 533, 534. Der Chip 551 umfasst insbesondere die Resonatoren, die in Reihe geschaltet sind und die mit den Tx-Eingangsanschlüssen 523, 524 der Tx-Filter 533, 534 verbunden sind. Der Chip 552 umfasst den Rest der Resonatoren der Rx-Filter 532. Der Chip 550 umfasst auch die parallel geschalteten Resonatoren der Tx-Filter 533, 534 und des Rx-Filters 531. Die in Reihe geschalteten Resonatoren der Tx-Filter 533, 534 bilden eine steile rechte Filterflanke und müssen in der Lage sein, eine angemessene Leistung zu bearbeiten, sodass sie zusammen auf dem gemeinsamen Chip 551 realisiert werden, der für das Bearbeiten einer hohen Leistung und eines niedrigen Temperaturkoeffizienten optimiert wird. Die mit der Antenne verbundenen Resonatoren aller vier Filter werden auf dem Chip 550 realisiert, der für einen niedrigen Plattenmodus und eine vergleichsweise große Reflexion in den Gegenbändern optimiert wird. Die Resonatoren des Chips 552 weisen lockere Anforderungen auf, sodass sie einem separaten Chip zugeordnet werden können. Die Größe des Gesamtschaltkreises des Quadplexers ist nicht größer als für die herkömmliche Gestaltung. Auf der anderen Seite ermöglicht die funktionelle Zuteilung der Resonatoren von verschiedenen Filtern zu einem gemeinsamen Chip, dass der Schichtstapel der Resonatoren für die spezifische Funktion des entsprechenden Resonators so optimiert wird, dass die Gesamtfilterleistungsfähigkeit einschließlich der Leistungsverarbeitungskapazität und der Temperaturstabilität vergrößert wird, wie weiter oben im Zusammenhang mit den Admittanz- und den Reflexionskurven der 4 erläutert wurde.
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In 6 wird jetzt ein Querschnitt durch einen Chip dargestellt, der drei Resonatoren umfasst. 6 zeigt insbesondere einen Querschnitt durch den Chip 214 der 3 entlang der Linie 600. In der 6 wird eine Querschnittsansicht der Resonatoren 311, 312, 313 und des Substrats oder des Chips 214 dargestellt. Ein Abschnitt 610 des rechten Resonators 313 wird in einer vergrößerten Darstellung auf der rechten Seite der 6 gezeigt. Das Substrat 214 kann ein monokristallines piezoelektrisches Substrat wie zum Beispiel Lithiumniobat oder Lithiumtantalat sein. Auf dem Substrat 214 ist ein Teil eines Interdigitaltransducers (IDT) 620 angeordnet. Die Elektrodenstruktur des IDT umfasst eine unterste Schicht 621, die eine Titankeimschicht sein kann, um eine Haftung der darauf angeordneten Metallelektrode 622 zu ermöglichen. Die Metallelektrode 622 umfasst eine Zusammensetzung von Kupfer und Aluminium. Der IDT wird durch eine Siliziumdioxid-Schicht 623 abgedeckt. Ein Kompromiss zwischen einer Leistungsbeständigkeit und einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des Resonators einerseits und einer hohen Gegenbandreflexion und einem niedrigen Plattenmodus andererseits kann erreicht werden, indem eine geeignete Dicke der Siliziumdioxid-Schicht 622 ausgewählt wird. Eine größere Dicke der Schicht 622 erlaubt einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und eine lange Leistungsbeständigkeit, während eine dünnere Schicht 622 einen niedrigen Plattenmodus und eine große Reflexion in den Gegenbandfrequenzen bereitstellt. Dementsprechend werden die Resonatoren, die mit den Tx-Eingangsklemmen verbunden sind, auf einem Chip angeordnet, der eine dicke Siliziumdioxid-Schicht mit z.B. ungefähr 800 nm aufweist. Eine dünne (in 6 nicht gezeigte) Siliziumnitrid-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 100 nm kann zweckmäßig als eine Passivierungsschicht sein, welche die Siliziumdioxid-Schicht abdeckt. Die Resonatoren, die mit dem Antennenanschluss verbunden sind, werden auf einem Chip angeordnet, der mit einer relativ dünnen Siliziumdioxid-Schicht mit z.B. ungefähr 400 nm hergestellt wird.
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Die vorliegende Offenbarung ist auch zweckmäßig, um Filter mit akustischen Volumenwellenresonatoren (BAW-Resonatoren) zu realisieren. BAW-Resonatoren werden auf einem monokristallinen Substrat, wie zum Beispiel einem monokristallinen Siliziumsubstrat, angeordnet. Die Resonatoren umfassen ein piezoelektrisches Substrat, wie zum Beispiel ein Aluminiumnitrid, das zwischen oberen und unteren Elektroden gepackt wird. Ein Reflexionselement, wie zum Beispiel ein Bragg-Spiegel, kann zwischen der unteren Elektrode und dem monokristallinen Substrat angeordnet werden. Die Lehren, die oben im Zusammenhang mit SAW-Resonatoren erläutert werden, sind entsprechend auf die BAW-Resonatoren anzuwenden. Die BAW-Resonatoren, die auf einem einzigen Chip oder Substrat angeordnet sind, weisen insbesondere den gleichen Schichtstapel und die gleichen Dicken der Schichten und des Schichtstapels einschließlich der oben angeordneten dielektrischen Schicht, wie zum Beispiel der Siliziumdioxid-Schicht auf. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird der Schichtstapel für unterschiedliche Zwecke, wie zum Beispiel eine lange Leistungsbeständigkeit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten oder eine große Gegenbandreflexion und einen niedrigen Plattenmodus optimiert.
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Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass zahlreiche Veränderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung abzuweichen, wie sie in den angefügten Ansprüchen festgelegt werden. Da dem Fachmann Veränderungen, Kombinationen, Teilkombinationen und Variationen, die den offenbarten Ausführungsformen den Erfindungsgedanken und das Wesen der Offenbarung enthalten, ersichtlich werden können, ist die Offenbarung so zu verstehen, dass sie alles umfasst, was in den Umfang der angefügten Ansprüche fällt.