CN100544199C - 具平衡非平衡转换功能的滤波器元件 - Google Patents

Abstract

一种具有平衡非平衡转换器功能的滤波器元件，包括一非平衡至平衡转换单元，电连接一信号输入端，用以将该信号输入端所接收的不平衡信号转换为平衡信号，以及一格子滤波器，电连接于该非平衡至平衡转换单元与二信号输出端之间，用以消除或降低该平衡信号中所含的噪声。

Description

具平衡非平衡转换功能的滤波器元件

技术领域

本发明涉及一种用于移动通讯系统中前端模块的滤波器元件，特别是涉及一种具有平衡非平衡转换器功能的滤波器元件。

背景技术

目前市场上手机依移动通讯系统可分为双频、三频与四频，双频是在900兆赫和1800兆赫之间切换频率，三频是在900兆赫、1800兆赫和1900兆赫之间切换，四频又比三频多增加了850兆赫频段。由于四频移动通讯系统可支持多媒体应用、高速连接和快速下载语音图片等功能，可实现手机的全球漫游无阻碍。因此，须设计一可搭配至四频的移动通讯系统前端模块以符合未来需求。

请参照图1，图1为现有移动通讯系统的前端模块的示意图。如图1所示，前端模块10包括一双工器(Duplexer)12、一功率放大器(PowerAmplifier)22、一低噪声放大器(Low Noise Amplifier)24、及一天线(Antenna)20。双工器12包括二带通滤波器(Bandpass Filter)14及16、一90度相位位移器(Phase Shifter)18、一信号传送端(Transmitter)13电连接于带通滤波器14与功率放大器22之间、一信号接收端(Receiver)15电连接于带通滤波器16与低噪声放大器24之间、以及一天线端17与天线20电连接。

当一使用者欲发送信号时，信号会由功率放大器22放大后经信号传送端13进入双工器12，此时，带通滤波器14会让特定频段的信号通过，再经天线连接端17传送至天线20发射信号。同样地，当接收信号时，信号会经由天线20接收后，依序再经由天线连接端17、90度相位位移器18、带通滤波器16、及信号接收端15，最后会传至低噪声放大器24以将通过带通滤波器16所含低频信号的噪声滤除，并将信号加以放大使使用者得以听到远方传来的信号。为了避免通过带通滤波器14的信号会传送到带通滤波器16进而影响到使用者收讯的品质，通常前双工器10于带通滤波器14及16之间会配置有90度相位位移器18，以将传送、接收信号藉由频率相位的不同而分隔开。然而，信号由信号传送端13传递至天线端17或由天线端17传递至信号接收端15时，须由不平衡信号转换为平衡信号，因此，于带通滤波器14之前、或于带通滤波器16之后必须额外配置有非平衡至平衡转换器(Unbalanced to Balanced Conversion Transformer；Balun Transformer)方可达到噪声抑制的功能。

近年来，制作高频通讯用滤波器或双工器大多采用压电薄膜工艺来制造超声波元件。现有压电薄膜声波元件依结构可概略分为：以薄膜结构方式形成的薄膜式体声波共振器(Film Bulk Acoustic Resonator；FBAR)及以布拉格反射体支撑的共振器(Solidly Mounted Resonator；SMR)。薄膜式体声波共振器是利用微机电的面加工或体加工工艺将下电极或支撑层以下部分掏空，以使薄膜结构具有声波的全反射边界条件。

请参照图2A，图2A为现有以堆栈晶体滤波器(Stacked Crystal Filter；SCF)形式设计而成的薄膜式体声波共振器的示意图。如图2A所示，薄膜式体声波共振器30包括一输入电极32、一输出电极34、一接地电极36、一上压电层31、以及一下压电层33。信号经由信号输入端35进入输入电极32后，上压电层31受到信号的激发会产生体声波并传递至下压电层33，此时，输入电极32与输出电极34之间会产生共振现象，最后，信号会经由输出电极而传递至信号输出端37。由于输入信号与输出信号共享同一个接地电极36，所以薄膜式体声波共振器30只能进行非平衡信号之间的输入与输出。

为了解决薄膜式体声波共振器30的缺点，请参照图2B，图2B为现有另一以堆栈晶体滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器的示意图。如图2B所示，薄膜式体声波共振器40包括一输入电极42、二输出电极46与48、一接地电极44、一上压电层41、一下压电层43、以及一介电层50。信号传递的原理如同以上所述，由于介电层50可隔绝输入与输出信号，因此，非平衡信号仅存在于输入电极42的信号输入端45与接地电极44的接地端，而由输出电极46与48传递至信号输出端47与49的信号则为平衡信号。

请参照图2C，图2C为现有以耦合共振滤波器(Coupled Resonator Filter)形式设计而成的薄膜式体声波共振器的示意图。如图2C所示，薄膜式体声波共振器60包括一输入电极62、二输出电极66与68、一接地电极64、一上压电层61、一下压电层63、多层第一耦合层72、以及多层第二耦合层74。信号传递的原理亦如同上述，薄膜式体声波共振器60与薄膜式体声波共振器40最大的不同处仅是将介电层50以多层交错排列的第一耦合层72及第二耦合层74取代，第一耦合层72与第二耦合层74为厚度为1/4信号波长且声阻抗不同的材料结构，因此，非平衡信号仅存在于输入电极62的信号输入端65与接地电极64的接地端，而由输出电极66与68传递至信号输出端67与69的信号则为平衡信号。

请参照图3A，图3A为图2B中薄膜式体声波共振器40的频率响应图。如图3A所示，薄膜式体声波共振器40的频率响应曲线100会形成三个共振模态，因一般带通滤波器仅能具有一个通带(Passband)，且四频移动通讯系统的频段介于850MHZ～1900MHz，而在1400MHz与1800MHz两侧的模态无法有效将噪声抑制，严重影响信号的品质，因此薄膜式体声波共振器40及60皆无法满足移动通讯低噪声的需求。

请参照图2D与图3B，图2D为现有以堆栈晶体滤波器形式设计而成的固态粘着共振器(Solid Mounted Resonator；SMR)的示意图。图3B为图2D中固态粘着共振器的频率响应图。如图2D所示，固态粘着共振器80包括一输入电极82、二输出电极86与88、一接地电极84、一上压电层81、一下压电层83、一介电层90、多层第一反射层92、多层第二反射层94、以及一基层96。信号传递的原理亦如同前述，固态粘着共振器80与薄膜式体声波共振器40最大的不同处在于：位于输出电极88的下表面还配置有多层第一反射层92及第二射层94以作为支撑，其中，第一反射层92与第二反射层94为具有二种不同材料、不同声阻抗的声反射体，其交错配置而形成于基层96上，第一反射层92与第二反射层94的厚度约为体声波波长的1/4，故当声波进入第一反射层92与第二反射层94时，会形成接近全反射的布拉格反射，使得共振能量得以保存于固态粘着共振器80之中，因此，非平衡信号仅存在于输入电极82的信号输入端85与接地电极84的接地端，而由输出电极86与88传递至信号输出端87与99的信号则为平衡信号。如图3B所示，当固态粘着共振器80的第一反射层92与第二反射层94分别采用钨(W)与二氧化硅(SiO₂)的组合时，会得到频率响应曲线140的频率响应图；当固态粘着共振器80的第一反射层92与第二反射层94分别采用氮化铝(AlN)与二氧化硅(SiO₂)的组合时，则会得到频率响应曲线130的频率响应图。由于AlN/SiO₂的声阻抗比(Acoustic Impedance Ratio)较W/SiO₂为小，反射频宽较窄，故较符合带通滤波器具噪声抑制效果的需求，然而，阻抗比较小的反射层组合，会因其反射率较差，所需的层数也较多，使得声波传递路径变长，不仅增加了固态粘着共振器80的制造成本，亦增加了波传损耗导致共振器的品质因子(Q value)降低。

发明内容

因此，本发明的目的在提供一种具有非平衡至平衡信号转换功能并能同时提升阻带的噪声抑制能力的滤波器元件。

依本发明，一种用于移动通讯系统的前端模块的滤波器元件包括一非平衡至平衡转换单元，电连接一信号输入端，用以将该信号输入端所接收的不平衡信号转换为平衡信号；及一格子滤波器(Lattice Filter)，电连接于该非平衡至平衡转换单元与二信号输出端之间，用以消除或降低该平衡信号中所含的噪声。

格子滤波器可作为调声波元件，因此本发明滤波器元件可将现有以堆栈晶体滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器、以耦合共振滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器、或以固态粘着共振器形成的非平衡至平衡转换单元搭配格子滤波器，而将非平衡至平衡转换单元产生的多余共振模态消除，而得到一具高品质因子、低插入损失及高阻带衰减的滤波器元件。

附图说明

图1为现有移动通讯系统的前端模块的示意图。

图2A为现有以堆栈晶体滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器的示意图。

图2B为现有另一以堆栈晶体滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器的示意图。

图2C为现有以耦合共振滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器的示意图。

图2D为现有以堆栈晶体滤波器形式设计而成的固态粘着共振器的示意图。

图3A为图2B中薄膜式体声波共振器的频率响应图。

图3B为图2D中固态粘着共振器的频率响应图。

图4A为本发明调声波元件的示意图。

图4B为图4A中调声波元件的频率响应图。

图5A为本发明滤波器元件的示意图。

图5B为图5A中滤波器元件的频率响应图。

简单符号说明

10          前端模块            12    双工器

14、16      带通滤波器          18    90度相位位移器

20          天线                22    功率放大器

24          低噪声放大器        13    信号传送端

15          信号接收端          17    天线端

30、40、60  薄膜式体声波共振器

32、42、62、82  输入电极

34、46、48、66、68、86、88  输出电极

36、44、64、84   接地电极

31、41、61、81   上压电层

33、43、63、83   下压电层

35、45、65、85、155   信号输入端

37、47、49、67、69、87、89、157、159   信号输出端

50、90   介电层

72、74   耦合层

80       固态粘着共振器

92、94   反射层

96       基层

150      格子滤波器

152、154、156、158   单层薄膜式体声波共振器

200      滤波器元件

210      非平衡至平衡转换单元

100、130、140、160、170、250   频率响应曲线

具体实施方式

为了解决现行移动通讯系统的前端模块无法单纯利用的压电膜声波元件或滤波器元件而同时具有非平衡至平衡转换功能，故于以下介绍本发明的实施例时，仅针对本发明主要元件及创作精神与原理加以阐述，提及现有元件如：薄膜式体声波共振器(FBAR)、固态粘着共振器(SMR)、堆栈晶体滤波器(SCF)、耦合共振滤波器(CRF)等元件的细部结构即不再重复赘述。

请参照图4A及图4B，图4A为本发明调声波元件的示意图。图4B为图4A中调声波元件的频率响应图。如图4A及图4B所示，本实施例以格子滤波器150来作为调声波元件，格子滤波器150包含四个单极(Single Port)薄膜式体声波共振器，其中，第一共振器152与第二共振器154以与信号传输方向一致的方式配置，而第三共振器156与第四共振器158则以与信号传输方向垂直的方式配置，此外，第一共振器152与第二共振器154具有相同的电极面积，第三共振器156与第四共振器158亦具有相同的电极面积，且第一共振器152的电极面积略大于第三共振器156的电极面积，当第一共振器152与第三共振器156的电极面积比值调至越大时，格子滤波器150会产生通带较小的频宽的频率响应曲线，而当第一共振器152与第三共振器156的电极面积比值调整至极小时即会产生通带较大的频宽的频率响应曲线。

举例而言，当第一共振器152与第三共振器156的电极面积比值调至1.2时，格子滤波器150会产生一中心频率约为1600MHz的中心通带及二边界频率点约在1500MHz及1700MHz的噪声抑制通带，如图4B中的频率响应曲线160所示，而当第一共振器152与第三共振器156的电极面积比值调至1.02时，格子滤波器150则会产生一中心频率亦为1600MHz的中心通带及二边界频率点约在1300MHz及1900MHz的噪声抑制通带，如图4B中的频率响应曲线170所示，由上可知当调整格子滤波器150的相对应共振器的面积比值越小时，中心频率并不会改变，但会得到频宽较宽的中心通带，且频率响应的边界频点也会朝向频率响应图中的左右两侧移动。

请参照图5A及图5B，图5A为本发明滤波器元件的示意图，图5B为本发明滤波器元件的频率响应图。如图5A及图5B所示，本发明的滤波器元件200包括一非平衡至平衡转换单元210、一格子滤波器150、一信号输入端155、及二信号输出端157与159。

于本实施例中，非平衡至平衡转换单元210可为一带通滤波器、以堆栈晶体滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器、以耦合共振滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器、或一固态粘着共振器，凡可将输入非平衡信号转换为输出平衡信号的元件，皆可作为本发明的非平衡至平衡转换单元210，于此即不再多加赘述。

由图5A可知，本发明的非平衡至平衡转换单元210有两个信号输出端，格子滤波器150的第一共振器152与第二共振器154以与非平衡至平衡转换单元210的信号输出端串联配置，格子滤波器150的第三共振器156则并联配置于非平衡至平衡转换单元210、第二共振器154与信号输出端159之间，而格子滤波器150的第四共振器158则并联配置于非平衡至平衡转换单元210、第一共振器152与信号输出端157之间。

当一非平衡信号由输入端155输入滤波器元件200后，由于本发明的滤波器元件200采用串接非平衡至平衡转换单元210及格子滤波器150的方式形成，因此，由滤波器元件200的信号输出端157与159所输出信号的频率响应图分别由非平衡至平衡转换单元210与格子滤波器150所单独产生的频率响应加总而成。

请一并参考图3A，非平衡至平衡转换单元210可产生一具有一中心频率约为1600MHz的中心通带及二中心频率分别约在1200MHz及2100MHz的噪声通带的频率响应曲线100，利用本发明的格子滤波器150可调整频带的特性，如上所述，将格子滤波器150的中心频率调整与非平衡至平衡转换单元210的中心频率相同，接着，调整格子滤波器150的第一共振器152与第三共振器156(或第二共振器154与第四共振器158)的电极面积比值，直到格子滤波器150所产生的频率响应曲线的边界频率点分别与非平衡至平衡转换单元210的噪声通带的中心频率相同，因此可将非平衡至平衡转换单元210的二噪声通带抵消，此时，格子滤波器150的中心通带大于非平衡至平衡转换单元210的中心通带，故，由滤波器元件200输出的平衡信号，可得到如图5B中所示中频率响应曲线250。

由上可知，本发明不仅解决了现有滤波器如以堆栈晶体滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器、以耦合共振滤波器形式设计而成的薄膜式体声波共振器、或一固态粘着共振器会产生多余共振模态的频率响应极易使噪声通过的缺点，更可利用高品质因子(Q value)的体声波共振器制作出低插入损失及高阻带衰减的滤波器元件。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。

Claims (8)

1.一种滤波器元件，包括：

一非平衡至平衡转换单元，电连接一信号输入端，用以将该信号输入端所接收的不平衡信号转换为平衡信号，其可产生一具有一第一中心频率的第一中心通带及至少二具有相异中心频率的噪声通带的频率响应；及

一格子滤波器，电连接于该非平衡至平衡转换单元与二信号输出端之间，该格子滤波器可产生一具有一第二中心频率的第二中心通带及至少二具有相异中心频率的噪声抑制通带的频率响应，其中该第二中心频率与该第一中心频率大致相同，且该第二中心通带的频宽大于该第一中心通带的频宽；

其中该至少二噪声抑制噪声通带的中心频率与该至少二噪声通带的中心频率相对应，使得该至少二噪声抑制噪声通带得以与该至少二噪声通带相互抵消；

其中该格子滤波器更包括：

一第一共振器，串联接于该非平衡至平衡转换单元；

一第二共振器，串联接于该非平衡至平衡转换单元；

一第三共振器，并联于该非平衡至平衡转换单元及该第二共振器；及

一第四共振器，并联于该非平衡至平衡转换单元及该第一共振器。

2.如权利要求1所述的滤波器元件，其中该非平衡至平衡转换单元为一带通滤波器或一压电薄膜滤波器。

3.如权利要求2所述的滤波器元件，其中该压电薄膜滤波器为一薄膜式体声波共振器。

4.如权利要求3所述的滤波器元件，其中该薄膜式体声波共振器以堆栈晶体滤波器形式或以耦合共振滤波器形式设计而成。

5.如权利要求1所述的滤波器元件，其中该非平衡至平衡转换单元包含固态粘着共振器。

6.如权利要求1所述的滤波器元件，其中该第一、第二、第三以及第四共振器分别为一单极薄膜式体声波共振器。

7 如权利要求1所述的滤波器元件，其中该第一共振器与该第二共振器具有相同的电极面积，且该第三共振器与该第四共振器具有相同的电极面积。

8.如权利要求7所述的滤波器元件，其中该第一共振器的电极面积大于该第三共振器的电极面积。

Images