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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein elektronisches Hochfrequenz(HF)-Filter, das akustische Resonatoren beinhaltet. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch die Verwendung eines elektronischen HF-Filters in elektronischen Geräten.
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Hintergrund
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Elektronische Filter werden in HF-Frontends von Mobilvorrichtungen verwendet, um das elektronische Signal in einem gewünschten Frequenzband auszuwählen. Da immer mehr Kommunikationsdienste in dem für Mobilkommunikation verfügbaren Spektrum eingerichtet werden, werden die Bandbreite- und Selektivitätsanforderungen für HF-Filter zu einer größeren Herausforderung. Zum Beispiel liegt das Spektrum für Mobilkommunikationsdienste der fünften Generation (5G) in dem Sub-6-GHz-Bereich, der gerade unterhalb des 5-GHz-WiFi-Bandes und oberhalb des 4G-LTE-Bandes liegt. Ein HF-Filter für einen 5G-Dienst sollte die 5G-Bandbreite mit beträchtlicher Breite mit relativ steilen Flanken abdecken, um die LTE- und WiFi-Bänder zu unterdrücken, besonders an dem oberen Ende der 5G-Frequenzbandbreite.
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Herkömmliche LC-Filter können viele LC-Stufen erfordern, um steile Filterflanken zu erreichen, so dass die physische Größe des Filters und die Einfügedämpfung ein Problem werden. Herkömmliche auf Wellenmechanismen basierte Filter, wie etwa SAW-Resonatoren (SAW: Surface Acoustic Wave - akustische Oberflächenwelle) oder BAW-Resonatoren (BAW: Bulk Acoustic Wave - akustische Volumenwellen), werden weitgehend in Filtern verwendet, um eine hohe Flankensteilheit zu erreichen. Herkömmliche Filter mit akustischen Resonatoren verwenden oft eine Abzweigtyptopologie, wie in Andreas Link und Phil Warder: „Golden Age for Filter Design“, IEEE Microwave Magazine, August 2015, Seiten 60 bis 72, 3, besprochen ist.
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Die Bandbreite, die mit einem Abzweigtypansatz erzielt wird, ist relativ schmal. Sie könnte unter Verwendung von zusätzlichen Induktivitäten erweitert werden, jedoch reduziert dies das Unterdrückungsniveau und kann zusätzliche Unterdrückungspole hinzufügen. Die Filter neigen tendenziell dazu, komplex und empfindlich zu werden. Des Weiteren sind, da das Filterdurchlassband mit akustischen Resonatoren realisiert ist, die Leistungshandhabungsfähigkeiten begrenzt. Daher können herkömmliche Ansätze mit reinen LC-Filtern oder akustischen Abzweigtypfiltern Nachteile für Sub-6-GHz-Mobilkommunikationsdienste und darüber hinaus aufweisen.
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Es gibt einen Bedarf an einer verbesserten Topologie von HF-Filtern, die die hohen Frequenzen der momentan eingerichteten Kommunikationsdienste, wie etwa 5G, handhaben kann, eine hohe Selektivität hinsichtlich anderer Kommunikationsdienste aufweist und die eine hohe Übertragungsleistung handhaben kann.
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Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein elektronisches Filter bereitzustellen, das eine breite Bandbreite abdeckt, steile Filterflanken aufweist und eine beträchtliche Leistung handhaben kann.
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Kurzdarstellung
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Ein Filter, das das oben erwähnte Ziel behandelt, umfasst Folgendes: einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; einen Hochpassabschnitt, wobei der Hochpassabschnitt, der mit entweder dem ersten oder dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, wenigstens eine Filterstufe umfasst, die einen in Reihe verbundenen akustischen Resonator und eine parallel verbundene Induktivität beinhaltet; einen Tiefpassabschnitt, wobei der Tiefpassabschnitt, der in Reihe mit dem Hochpassabschnitt gekoppelt ist und mit dem anderen des ersten und zweiten Anschlusses gekoppelt ist, wenigstens eine Filterstufe umfasst, die eine in Reihe verbundene Induktivität und einen parallel verbundenen akustischen Resonator beinhaltet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein elektronisches HF-Filter einen Hochpassabschnitt und einen Tiefpassabschnitt, die eine oder mehrere Stufen einer LC-Topologie beinhalten. Statt herkömmlichen Kapazitäten werden akustische Resonatoren in dem Reihenpfad des Hochpassabschnitts und in den Parallelpfaden des Tiefpassabschnitts verwendet. Dieses Konzept kombiniert die Vorteile einer herkömmlichen LC-Filter-Topologie, wie etwa hohe Leistungsbeständigkeit und große Bandbreite, und die Vorteile akustischer Resonatoren, wie etwa hochselektive akustische Resonanzen, so dass steile Filterflanken und die gewünschten Unterdrückungsniveaus erreicht werden. Außerdem wird die Filtertopologie sehr kompakt, da die akustischen Resonatoren als sowohl Kapazitäten für das Bandpass-LF-Filter als auch die akustischen Kerben wirken.
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Die Topologie des elektronischen HF-Filters gemäß dieser Offenbarung kann als ein Bandpassfilter mit einer LC-Charakteristik kombiniert mit einem akustischen Bandsperrfilter gesehen werden, der die Charakteristiken akustischer Resonatoren ausnutzt. Die akustischen Resonatoren stellen zwei unterschiedliche Funktionen bereit, wie etwa die Funktion eines Kondensators und die Funktion eines Unterdrückungselements. Das Filter ist dazu in der Lage, eine breite Bandbreite handzuhaben, zeigt steile Flanken auf und ist leistungsbeständig.
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Für den gegenwärtigen 5G-Kommunikationsstandard erreicht das elektronische Filter gemäß der vorliegenden Offenbarung eine hohe Selektivität gerade oberhalb des Durchlassbandes, um das 5-GHz-WiFi-Band zu dämpfen. Variationen der Gestaltung für andere Gebiete der Mobilkommunikation können ebenfalls eine hohe Selektivität unterhalb des Durchlassbandes oder eine hohe Selektivität sogar oberhalb und unterhalb des Durchlassbandes erreichen.
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Der Hochpassabschnitt und der Tiefpassabschnitt umfassen jeweils wenigstens eine oder mehrere Stufen, die einen Reihen- und einen Parallelpfad beinhalten. Zwei oder mehr Stufen können in sowohl dem Hoch- als auch dem Tiefpassabschnitt verkettet sein. In dieser Hinsicht kann der Hochpassabschnitt eine andere, zweite Filterstufe mit einem in Reihe verbundenen akustischen Resonator und einer parallel verbundenen Induktivität umfassen, wobei die zweite Filterstufe in Reihe mit der ersten Filterstufe verbunden ist. Der Tiefpassabschnitt kann eine andere, zweite Filterstufe umfassen, die eine in Reihe verbundene Induktivität und einen parallel verbundenen akustischen Resonator beinhaltet, wobei die erste und zweite Filterstufe in Reihe verbunden sind. Der Hochpassfilterabschnitt kann einen dritten in Reihe verbundenen akustischen Resonator umfassen, der mit dem Eingang des Tiefpassfilterabschnitts verbunden ist. Der akustische Resonator in der ersten Stufe des Tiefpassfilterabschnitts kann mit einer Induktivität oder einer Spule, die mit einem Massepotential gekoppelt ist, verbunden sein.
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Die akustischen Resonatoren können von einem beliebigen bekannten Typ sein, wie etwa SAW-Resonatoren (SAW: akustische Oberflächenwellen) und BAW-Resonatoren (BAW: akustische Volumenwellen). In Abhängigkeit von dem Anwendungsgebiet und den Zielfrequenzen kann ein Fachmann den geeigneten Typ von SAW- oder BAW-Resonator wählen, der für die beabsichtige Gestaltung hilfreich ist.
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Das elektronische Filter kann so dimensioniert sein, dass es dazu konfiguriert ist, ein Durchlassband zwischen 4,4 und 5,0 GHz bereitzustellen, was dem 5G-Mobilkommunikationsdienst zugeordnet ist, und eine Unterdrückung zwischen 5,15 und 5,925 GHz bereitzustellen, was das 5-GHz-WiFi-Band ist. Weil beide Bänder so nahe beieinander liegen, muss die rechte Flanke des Durchlassbandes des 5G-Filters sehr steil sein, etwa 3 %, um ein ausreichend niedriges Unterdrückungsniveau bereitzustellen, um Nebensprechen von dem WiFi-Band in das gewünschte 5G-Band zu unterdrücken.
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Das Unterdrückungsniveau kann mit zusätzlichen Stufen in dem Hochpassabschnitt und/oder dem Tiefpassabschnitt verbessert werden, jedoch mit den Kosten einer höheren Komplexität, größerer Größe und höherer Einfügedämpfung. Ein Fachmann ist dazu in der Lage, eine geeignete Lösung hinsichtlich Durchlassband, Unterdrückungsniveau und Leistungsbeständigkeit zu bestimmen, um eine geeignete Lösung für die 5G-Kommunikationsdienste oder sogar andere Dienste in anderen HF-Frequenzbändern zu erzielen.
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Das oben beschriebene elektronische HF-Filter richtet sich an eine Mobilkommunikationsvorrichtung, wie etwa ein Mobiltelefon oder ein Smartphone oder eine beliebige andere elektronische Ausrüstung, die die Fähigkeiten mobiler Kommunikation enthält. Speziell realisiert das Filter ein HF-Frontend für den Sende- und den Empfangspfad für ein HF-Signal in dem Frequenzbereich von 4,4 bis 5,0 GHz.
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Es versteht sich, dass sowohl die vorausgehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft sind und eine Übersicht oder eine Rahmen zum Verständniss des Wesens und der Beschaffenheit der Ansprüche bereitstellen. Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständis zu vermitteln und sind in dieser Beschreibung aufgenommen und stellen einen Teil von dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und des Betriebs der verschiedenen Ausführungsformen. Die gleichen Elemente in unterschiedlichen Figuren der Zeichnungen sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen gilt:
- 1 zeigt ein Diagramm eines elektronischen HF-Filters gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung;
- 2 zeigt die Admittanzkurve des Filters aus 1; und
- 3A und 3B zeigen Admittanzkurven in Verbindung mit den akustischen Resonatoren, die in dem gezeigten Filter verwendet werden.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
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Die vorliegende Offenbarung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, umfassender beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen umgesetzt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen begrenzt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die Offenbarung den Schutzumfang der Offenbarung einem Fachmann vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern sind dazu konfiguriert, die Offenbarung klar zu veranschaulichen.
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1 stellt ein schematisches Diagramm eines Filters gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung dar. Das Filter kann ein HF-Frontend-Filter in einer Mobilkommunikationsvorrichtung, wie etwa einem Smartphone, sein. Das Filter umfasst einen ersten und einen zweiten externen Anschluss oder Port 131, 132, um das Filter mit einer Antenne und dem Empfangs(Rx)- und Übertragungs(Tx)-Schaltkreis des Smartphones zu verbinden. Das Filter besteht aus einem Hochpassabschnitt 110 und einem Tiefpassabschnitt 120, wobei der Hoch- und Tiefpassabschnitt miteinander in Reihe verbunden sind.
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Der Hochpassabschnitt 110 beinhaltet einige Stufen, die einen in Reihe verbundenen akustischen Resonator 111 und eine parallel verbundene Induktivität oder Spule 114 umfassen. Speziell ist der in Reihe verbundene Resonator 111 mit dem externen Anschluss 131 und einer anderen Stufe 112, 115 verbunden. Die Induktivität 114 ist zwischen dem akustischen Resonator 111 und einem Anschluss für ein Massepotential 116 verbunden. Eine zweite Stufe eines in Reihe verbundenen Resonators 112 und einer parallel verbundenen Induktivität 115 ist mit der ersten Stufe verbunden. Eine dritte Stufe, die einen in Reihe verbundenen akustischen Resonator 113 umfasst, ist mit der zweiten Stufe verbunden.
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Der Tiefpassabschnitt 120 beinhaltet eine erste Stufe, die eine in Reihe verbundene Induktivität 121 und einen parallel verbundenen akustischen Resonator 123 umfasst. Der Resonator 123 ist ferner in Reihe mit einer Induktivität 125 verbunden, die mit dem Masseanschluss 116 verbunden ist. Der Hochpassabschnitt 120 beinhaltet eine zweite Stufe, die eine in Reihe verbundene Induktivität 122 und einen parallel verbundenen akustischen Resonator 124 umfasst. Die Induktivität 121 ist mit dem Resonator 113 des Hochpassabschnitts verbunden. Die akustischen Resonatoren 111, 112, 113 und 123, 124 können SAW-Resonatoren (SAW: akustische Oberflächenwellen) oder BAW-Resonatoren (BAW: akustische Volumenwellen) sein. Das Filter kann ausschließlich einen Typ von Resonator, SAW oder BAW, oder eine Mischung beider Typen von Resonatoren umfassen.
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Mit anderen Worten beinhaltet der Hochpassabschnitt 110 eine Reihenverbindung von Resonatoren 111, 112, 113, von denen die Knoten zwischen den Resonatoren 111, 112 und 112, 113 durch jeweilige Spulen 114, 115 mit dem Masseanschluss 116 verbunden sind. Der Tiefpassabschnitt 120 beinhaltet eine Reihenverbindung von Induktivitäten 121, 122, von denen der Knoten zwischen den Induktivitäten durch eine Reihenverbindung des Resonators 123 und der Induktivität 125 mit dem Masseanschluss 116 verbunden ist. Der Knoten zwischen der Induktivität 122 und dem externen Anschluss 132 ist durch den Resonator 124 mit dem Masseanschluss 116 verbunden.
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2 zeigt die Admittanzkurve oder Übertragungskurve der Abschwächung (dB) über die Frequenz (GHz), die durch das Filter aus 1 realisiert wird. Das Filter ist speziell für den 5G-Kommunikationsstandard gestaltet, um das n79-Frequenzband 211 handzuhaben und andere Frequenzbänder anderer Kommunikationsdienste, wie etwa einiger LTE-Bänder 210 und das 5-GHz-WiFi-Band 212 sowie Tx-Harmonische 213 zu unterdrücken.
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Das n79-Band besteht aus einem Frequenzband in dem Bereich zwischen 4,4 GHz und 5,0 GHz, was einer relativen Bandbreite von 13 % entspricht, wie bei 211 in 2 gezeigt ist. Das Filter realisiert ein Durchlassband 221, um das n79-Band abzudecken. Nahe bei der rechten Seite des n79-Bandes 211 liegt das 5-GHz-WiFi-Band 212, das von 5,15 GHz bis zu 5,925 GHz reicht. Das n79-Filter muss das 5-GHz-WiFi-Band unterdrücken, um ungewünschtes Nebensprechen zu vermeiden, so dass das Filter aus 1 ein ausreichendes Unterdrückungsniveau des Sperrbandes 222 direkt auf der rechten Seite des Durchlassbandes 221 erfordert. Folglich muss das Filter eine steile Flanke 225 auf der rechten Seite des Durchlassbandes 221 relativ zu der Filtermittenfrequenz von etwa 3 % aufzeigen. Des Weiteren muss es ein ausreichendes Unterdrückungsniveau bei der linken Flanke 220 auf der linken Seite des Durchlassbandes 221 geben, um das LTE-Band 210 bis zu 2,69 GHz zu unterdrücken. Des Weiteren dämpft das Sperrband 224 die Harmonischen 213 der Tx-Modulation. Das Filter aus 1 muss die folgenden entgegengesetzten Charakteristiken erfüllen: breites relatives Durchlassband 221 für das Zielfrequenzband 211, steile Filterflanke 225 zu der rechten Seite des Durchlassbandes, um das Frequenzband 212 zu unterdrücken, hohe Leistungshandhabungsfähigkeit für Tx-Operationen des Frequenzbandes 221.
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Um das Unterdrückungsniveau 222 für das 5-GHz-WiFi-Band und die steile Flanke 225 von etwa 3 % zwischen dem Durchlassband 221 und dem Unterdrückungsniveau 222 zu erreichen, sind die Resonanzfrequenzen der Reihenresonatoren 111, 112, 113 der Hochpassstufe 110 in dem unteren Teil der WiFi-Unterdrückung platziert. Die entsprechenden Resonanzfrequenzen erzeugen die Spitzen 222a, 222b, 222c in der Admittanzkurve. Die parallelen Resonatoren der Tiefpassstufen 121, 122 werden verwendet, um den oberen Teil der 5-GHz-WiFi-Band-Unterdrückung, die als Spitzen 222d, 222e gezeigt ist, abzudecken.
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Die Verwendung akustischer Resonatoren in der offenbarten Topologie erzielt Vorteile wie folgt. Das gesamte Filterdurchlassband 221 wird durch die LC-Charakteristiken der akustischen Resonatoren erzeugt. Die LC-Charakteristiken der akustischen Resonatoren weisen eine hohe Leistungsbeständigkeit auf, so dass sie hohe Leistung, insbesondere eine hohe Übertragungsleistung während einer Tx-Operation, handhaben können. Die akustischen Charakteristiken der akustischen Resonatoren werden verwendet, um das gewünschte Unterdrückungsniveau zu erzielen, wo das Filter keine hohe Leistung aushalten muss. Die Filtertopologie ist insoweit relativ kompakt, als lediglich wenige LC-Elemente und akustische Elemente verwendet werden. Die akustischen Resonatoren wirken sowohl als Kapazitäten für den Bandpassteil mit der LC-Charakteristik 221 einerseits, als auch als akustische Kerben 222 für das Unterdrückungsniveau andererseits. Das Filter aus 1 kombiniert die Filterfunktionen eines Bandpass-LC-Filters mit einem akustischen Bandsperrfilter. Die akustischen Resonatoren stellen zwei unterschiedliche Funktionen, wie etwa LC-Filter-Charakteristiken und akustische Bandsperrfiltercharakteristiken, bereit. Dies ermöglicht die Gestaltung eines für das n-79-5G-Band geeigneten Filters, das ein Durchlassband 221 in Kombination mit einer hohen Selektivität 222 gerade oberhalb des Passbandes beinhaltet.
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Ferner könnte das Filter unter Abänderung des Filterkonzepts gemäß dieser Offenbarung für speziellere oder zusätzliche Anwendungsgebiete so abgeändert werden, dass es auch eine hohe Selektivität unterhalb des Durchlassbandes oder sogar sowohl oberhalb als auch unterhalb des Durchlassbandes erreicht.
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Das Filter aus 1 kombiniert eine relativ breite Bandbreite von etwa 13 % und eine hohe Flankensteilheit von etwa 3 %. Herkömmliche Filtergestaltungen unter Verwendung von LC-Elementen könnten eine solche Steilheit lediglich mit einer großen Anzahl an Stufen erreichen, was zu einem Filter sehr hoher Ordnung führt, so dass ein solcher herkömmlicher Ansatz eine große Größe aufweisen und hohe Einfügedämpfungen erzeugen würde. Herkömmliche akustische Filter in einer herkömmlichen Abzweigtyptopologie könnten eine hohe Steilheit erreichen, könnten nur eine relativ schmale Bandbreite erzielen, zum Beispiel weniger als 6 %, was für das n79-Freuqenzband nicht ausreichend ist. Obwohl die Bandbreite der Abzweigtyptopologie unter Verwendung einiger zusätzlicher Induktivitäten erweitert werden könnte, würde dies jedoch das Unterdrückungsniveau reduzieren und würde Unterdrückungspole bei gewissen Frequenzen einführen, so dass ein herkömmlicher Ansätze komplex und empfindlich wäre.
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Um die vorliegend offenbarte Filtertopologie aus 1 zu optimieren, kann der Filtergestalter einen Startpunkt verwenden, der eine LC-Filter-Topologie anstelle einer akustischen Abzweigtyptopologie ist. Ein herkömmlicher Bandpass-LC-Filter mit einigen wenigen Stufen wird zuerst berücksichtigt, um so viele Spezifikationen wie möglich, einschließlich der Unterdrückungen weit von dem Durchlassband entfernt, zu erfüllen. Dann werden die Kapazitäten der , unterschiedlichen Tief- und Hochpassstufen der LC-Topologie durch akustische Resonatoren derselben statischen Kapazität wie die ursprünglichen C-Elemente von dem Startpunkt des Ansatzes ersetzt, was zu der in 1 gezeigten konkreten Topologie führt. Dies behält die gleiche bandexterne Filterantwort wie zuvor bei und führt die hochselektiven akustischen Resonanzen ein, um die 5-GHz-WiFi-Unterdrückung zu erreichen. Das Filter aus 1 ist besonders auf eine Mobilkommunikationsvorrichtung, wie etwa ein Smartphone, anwendbar, um HF-Signale in dem Frequenzbereich von 4,4 bis 5,0 GHz zu senden und/oder zu empfangen, weil es hohe Selektivität und eine hohe Leistungshandhabungsfähigkeit kombiniert.
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3B stellt einen zusammengesetzten Admittanzgraphen dar, der die Admittanz-/Übertragungskurve des Filters und die einzelnen Admittanzkurven der akustischen Resonatoren 111, 112, 113, 123, 124 zeigt, die für das Erreichen des Durchlassbandes und der Unterdrückungsniveaus verantwortlich sind, wie in Verbindung mit 2 beschrieben. Der Einfachheit halber sind die Elemente und Kombination von Elementen, für die die HF-Frequenzkennlinie in 3B dargestellt ist, in 3A beschriftet. Speziell erzeugt die Reihenverbindung des akustischen Resonators 113 und der Induktivität 121, in 3A als 313 beschriftet, eine Admittanzkurve 313 in 3B. Die Reihenverbindung des akustischen Filters 123 und der Induktivität 125, in 3A als 323 beschriftet, erzeugt eine Admittanzkurve 323 in 3B. Die akustischen Resonatoren 111, 112 und 124 aus 3A erzeugen die entsprechenden Admittanzkurven in 3B. Die Kombination dieser Admittanzkurven erzielt die gesamte Übertragungskennlinie des Filters, wie in 3B gezeigt. Wie aus 3B entnommen werden kann, werden die niedrigsten Dämpfungsspitzen des Unterdrückungsbandes 222 durch die Elemente 111, 112, 313 verursacht. Die höchsten Dämpfungsspitzen werden durch die Elemente 323, 124 verursacht. Wie weiter aus 3B entnommen werden kann, wird das Durchlassband 221 durch die C-Charakteristik der akustischen Filter bewirkt, welche der Teil der einzelnen Admittanzkurven auf der rechten Seite der entsprechenden Resonanzfrequenzen ist.
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Es wird für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Idee oder dem Schutzumfang der Offenbarung, wie in den angehängten Ansprüchen dargelegt, abzuweichen. Da Modifikationen, Kombinationen, Unterkombinationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen, die die Idee und das Wesen der Offenbarung integrieren, einem Fachmann einfallen können, sollte die Offenbarung so ausgelegt werden, dass sie alles innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche beinhaltet.