CN104253592A - 双工器 - Google Patents

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Abstract

一种双工器包括：发送滤波器，该发送滤波器连接在发射端子与天线端子之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及接收滤波器，该接收滤波器连接在接收端子与天线端子之间，其中，串联谐振器和并联谐振器中的以下谐振器中的至少一个被串联地划分，这些谐振器是除了第一串联谐振器、第一并联谐振器、第二串联谐振器和第二并联谐振器之外的谐振器，并且它们的静电电容小于第一串联谐振器、第一并联谐振器、第二串联谐振器和第二并联谐振器中的至少一个的静电电容，其中从发射端子侧看时第一串联谐振器和第一并联谐振器位于第一级，从天线端子侧看时第二串联谐振器和第二并联谐振器位于第一级。

Description

双工器
技术领域
本发明的特定方面涉及一种双工器。
背景技术
随着移动通信系统的开发，以移动电话终端为代表的无线通信装置快速普及。例如，在移动电话终端中，使用了诸如800MHz至1.0GHz和1.5GHz至2.0GHz等的高频频带。利用通过组合谐振器而形成的高频滤波器用于上述通信装置。作为谐振器，使用了例如表面声波谐振器和压电薄膜谐振器。
随着期望减小无线通信装置的尺寸，开发了使得可以减小双工器的尺寸并降低双工器的高度的技术(如日本专利申请特开第2008-271230号公报所公开的)。另外，为了改善噪声特性，促进在接收电路中使用平衡混合器和平衡低噪声放大器(LNA)，并且促进在双工器中使用平衡型接收滤波器。根据该情况，开发了如日本专利申请特开第2005-318307号公报中所公开的改善平衡型滤波器的平衡特性的技术。
另外，作为双工器中使用的高频滤波器，有梯型滤波器，其中串联谐振器和平衡谐振器以梯形形式连接。已经开发了使得可以改善梯型滤波器的特性并减小梯型滤波器的尺寸的技术(如日本专利申请特开第2009-207116和2007-74698号公报所公开的)。
当梯型滤波器用于作为连接在天线端子与发射端子之间的发送滤波器时，不必要的波增加并且二次谐波特性劣化。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种双工器，该双工器包括：发送滤波器，该发送滤波器连接在发射端子与天线端子之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及接收滤波器，该接收滤波器连接在接收端子与所述天线端子之间，其中，所述串联谐振器和所述并联谐振器中的以下谐振器中的至少一个被串联地划分，这些谐振器是除了第一串联谐振器、第一并联谐振器、第二串联谐振器和第二并联谐振器之外的谐振器，并且它们的静电电容小于所述第一串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器中的至少一个的静电电容，其中从所述发射端子侧看时所述第一串联谐振器和所述第一并联谐振器位于第一级，从所述天线端子侧看时所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器位于第一级。。
附图说明
图1是例示根据第一实施方式的双工器的框图；
图2是例示第一实施方式的双工器的发送滤波器的电路图；
图3A是例示压电薄膜谐振器的俯视图，并且图3B是沿图3A中的A-A线截取的截面图；
图4是例示模拟结果的图；
图5A至图5C是例示谐振区域的俯视图；
图6是例示根据第一实施方式的第一变型例的双工器的发送滤波器的电路图；
图7是例示根据第二实施方式的双工器的发送滤波器的电路图；
图8是例示根据第二实施方式的第一变型例的双工器的发送滤波器的电路图；
图9是例示根据第三实施方式的双工器的发送滤波器的电路图；
图10A至图10C是例示根据第三实施方式的第一变型例至第三变型例的双工器的发送滤波器的电路图；以及
图11A是例示表面声波谐振器的俯视图，图11B是沿图11A中的A-A线截取的截面图，图11C是例示乐甫波谐振器的截面图，并且图11D是例示边界声波谐振器的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。
第一实施方式
图1是例示根据第一实施方式的双工器的框图。如图1所示，发送滤波器10连接在发射端子40与天线端子44之间。接收滤波器30连接在接收端子42与天线端子44之间。发送滤波器10和接收滤波器30具有不同的通频带。发送滤波器10向天线端子44传递从发射端子40输入的信号中的在发射频带中的信号作为发射信号并且抑制其它频带中的信号。接收滤波器30向接收端子42传递从天线端子44输入的信号中的在接收频带中的信号作为接收信号并且抑制其它频带中的信号。发送滤波器10是包括串联谐振器和并联谐振器的梯型滤波器。接收滤波器30可以是梯型滤波器、多模型滤波器、通过组合梯型滤波器和多模型滤波器而形成的滤波器或其它滤波器。
图2是例示第一实施方式的双工器的发送滤波器的电路图。如图2所示，发送滤波器10包括在发射端子40与天线端子44之间串联连接的串联谐振器12-20和并联连接的并联谐振器22-28。将并联谐振器24串联划分，并且由划分谐振器24a和划分谐振器24b构成。当并联谐振器24的静电电容是C并且划分谐振器24a和24b的静电电容分别是C1和C2时，C1＝C2＝2C。并联谐振器24具有的静电电容小于从发射端子40侧看时位于第一级的串联谐振器12和并联谐振器22以及从天线端子44侧看时位于第一级的串联谐振器20和并联谐振器28中的至少一个谐振器的静电电容。也就是说，划分谐振器24a和24b的静电电容的总和小于从发射端子40侧看时位于第一级的串联谐振器12和并联谐振器22以及从天线端子44侧看时位于第一级的串联谐振器20和并联谐振器28中的至少一个谐振器的静电电容。下文中，从发射端子40侧看时位于第一级的串联谐振器和并联谐振器称作发射侧谐振器，并且从天线端子44侧看时位于第一级的串联谐振器和并联谐振器称作天线侧谐振器。
这里，将描述串联谐振器和并联谐振器。串联谐振器和并联谐振器是具有例如FBAR(薄膜腔声波谐振器)结构的压电薄膜谐振器。图3A是例示压电薄膜谐振器的俯视图，并且图3B是沿图3A中的A-A线截取的截面图。如图3A和图3B所示，含有例如钌(Ru)的下电极52位于诸如硅(Si)基板等的基板50上，使得具有圆顶形隆起的空气空间(air space)60形成在下电极52与基板50的上表面之间。圆顶形隆起是形状为空气空间60的高度在空气空间60的边缘低并且在距空气空间60的中心较近的距离处空气空间60的高度增加的隆起。由例如氮化铝(AlN)制成的压电膜54位于下电极52和基板50上。含有例如Ru的上电极56位于压电膜54上，以具有面向下电极52的区域(谐振区域58)。谐振区域58具有例如椭圆形，并且是声波以厚度伸缩模式谐振的区域。
在下电极52中形成了用于蚀刻牺牲层的导入路径62形成。牺牲层是用于形成空气空间60的层。压电膜54不覆盖导入路径62的顶端附近，并且下电极52包括在导入路径62的顶端处的孔部64。在压电膜54中形成了用于提供对下电极52的电连接的开口66。可以作为空气空间60在基板50中形成凹部，而不是在基板50的上表面与下电极52之间形成圆顶形空气空间60。该凹部可以穿透或可以不穿透基板50。
静电电容的大小依赖于下电极52和上电极56隔着压电膜54而彼此相对的区域(谐振区域58)的尺寸。因此，当上述划分谐振器24a、24b具有的静电电容是并联谐振器24的静电电容的两倍时，意味着S1＝S2＝2S，其中，S表示未划分的并联谐振器24的谐振区域58的面积，并且S1和S2分别表示划分谐振器24a、24b的谐振区域58的面积。未划分的并联谐振器24的谐振频率等于划分谐振器24a、24b的谐振频率，并且Fr＝Fr1＝Fr2其中，Fr、Fr1和Fr2分别表示未划分的并联谐振器24和划分谐振器24a、24b的谐振频率。
现在将描述由发明人执行的模拟。发明人利用级的数量比图2例示的梯型滤波器的级数量小1的梯型滤波器作为发送滤波器，对双工器执行模拟。也就是说，不包括图2中的串联谐振器20和并联谐振器28的梯型滤波器用于发送滤波器。在发送滤波器10的串联谐振器12-18具有的静电电容分别是1.7pF、0.96pF、0.96pF和1.42pF并且并联谐振器22-26具有的静电电容分别是1.67pF、0.67pF和1.96pF的假定下执行模拟。也就是说，通过串联划分并联谐振器24而形成的划分谐振器24a、24b具有的静电电容是1.34pF。另外，各个谐振器是具有FBAR结构的压电薄膜谐振器，并且氮化铝用于压电膜。当大小为29dBm且频率为2.5-2.57GHz的信号从发射端子40输入到发送滤波器10时，计算从天线端子44输出的二次谐波的大小。为了进行比较，在与第一比较例(除了并联谐振器24不被划分之外，该第一比较例具有的结构与第一实施方式的相同)相同的条件下执行模拟。
图4是例示模拟结果的图。在图4中，水平轴表示频率，而垂直轴表示二次谐波的大小。在图4中，实线指示第一实施方式的模拟结果，并且虚线指示第一比较例的模拟结果。如图4所示，第一实施方式获得比第一比较例好的二次谐波特性。通过串联划分并联谐振器24改进了二次谐波特性的原因如下。
发射端子40和天线端子44的阻抗被设计为例如50Ω。由此，为了防止阻抗失配，发送滤波器10的阻抗与发射端子40和天线端子44的阻抗匹配。通过利用发射侧谐振器和天线侧谐振器，来调节发送滤波器10的阻抗。这使得发射侧谐振器和天线侧谐振器的静电电容大于其它谐振器的静电电容。换言之，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器的静电电容比较低。
这意味着谐振器的谐振区域58的面积比较小。随着高功率信号输入到发送滤波器10，在这些谐振器中，谐振区域58的单位面积的电功率大。因此，产生因非线性应力而引起的不需要的波，并且二次谐波特性劣化。如上所述，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的具有较低的静电电容的谐振器产生不需要的波，并且二次谐波特性劣化。
第一实施方式串联划分并联谐振器24(该并联谐振器24是除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器并且具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中至少一个的静电电容)，以形成划分谐振器24a、24b。这允许划分谐振器24a、24b具有的静电电容大于并联谐振器24的静电电容，从而增大谐振区域58的面积。因此，在第一实施方式中，在具有低的静电电容的并联谐振器24中可以减小谐振区域58的单位面积的电功率，由此抑制了因非线性应力而引起的不需要的波的产生，并且获得了良好的二次谐波特性。
第一实施方式如图2所例示，串联划分并联谐振器24(该并联谐振器24是除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器并且具有的静电电容小于串联谐振器和并联谐振器中发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容)。如图4所示，这抑制了因非线性应力而引起的不需要的波的产生，并且使得可以获得良好的二次谐波特性。
如上所述，串联谐振器和并联谐振器中除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器具有的静电电容往往小于发射侧谐振器和天线侧谐振器的静电电容。因此，存在除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中的谐振器具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容的情况。在上述情况下，串联划分谐振器(这些谐振器是除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器并且具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容)中的至少一个就足够了。另外，为了进一步改善二次谐波特性，可以串联划分所具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容的所有谐振器。
发射侧谐振器和天线侧谐振器可以被串联划分。然而，具有低的静电电容的谐振器劣化二次谐波特性时，优选地，不串联划分具有较高的静电电容的发射侧谐振器和天线侧谐振器。这是因为这些谐振器的划分在改善二次谐波特性方面不是非常有效的，反而增大了装置的尺寸。
为了改善二次谐波特性，优选的是，串联划分具有低的静电电容的谐振器。因此，优选的是，串联划分谐振器(这些谐振器是除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器并且具有的静电电容小于串联谐振器和并联谐振器中发射侧谐振器和天线侧谐振器的静电电容)中的至少一个，并且更优选的是，串联划分所有这些谐振器。另外，优选地，串联划分至少除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中具有最小静电电容的谐振器。
当在除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中存在所具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器的静电电容的一半的谐振器时，不必要的波明显增大。因此，优选的是，串联划分静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器的静电电容的一半的谐振器。另外，为了减小装置的尺寸，优选的是，串联划分静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器的静电电容的三分之一的谐振器。
在第一实施方式中，如图3A所例示，谐振区域58具有椭圆形，但是可以具有诸如矩形等的其它形状。另外，划分谐振器24a和24b的谐振区域58的形状可以是相同的，但是优选地彼此不同。将参照附图描述其原因。图5A至图5C是例示谐振区域的俯视图。如图5A所示，划分谐振器24a、24b的谐振区域58可以具有相同的面积(相同的静电电容)和相同的形状。也就是说，a1可以等于a2(a1＝a2)，并且b1可以等于b2(b1＝b2)，其中，a1表示划分谐振器24a的谐振区域58的短轴长度，b1表示长轴的长度，a2表示划分谐振器24b的谐振区域58的短轴长度，并且b2表示长轴的长度。
然而，如图5B所例示，划分谐振器24a、24b的谐振区域58优选地具有相同的面积(相同的静电电容)和相同的形状。也就是说，优选的是，a1不等于a2，b1不等于b2，并且a1×b1等于a2×b2。另外，也在谐振区域58具有矩形形状的情况下，如图5C所例示，它们优选地具有相同的面积(相同的静电电容)和不同的形状。也就是说，优选的是，a1不等于a2，b1不等于b2并且a1×b1等于a2×b2，其中，a1表示划分谐振器24a的谐振区域58的横边的长度，b1表示纵边的长度，a2表示划分谐振器24b的谐振区域58的横边的长度，并且b2表示纵边的长度。通过使划分谐振器24a、24b的谐振区域58的形状彼此不同，可以使划分谐振器中乱真(spurious)的发生频率彼此不同。这使得可以分散乱真，并且减小对滤波器的通过特性的影响。
图6是例示根据第一实施方式的第一变型例的双工器的发送滤波器的电路图。在第一实施方式的第一变型例中，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中的至少所有的并联谐振器24-26具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容。在这种情况下，如图6所示，可以串联划分所有的并联谐振器24-26(它们是除了从发射端子40侧看时位于第一级的并联谐振器22和从天线端子44侧看时位于第一级的并联谐振器28之外的并联谐振器)。
第二实施方式
第二实施方式串联划分串联谐振器。图7是例示根据第二实施方式的双工器的发送滤波器的电路图。如图7所示，在第二实施方式中，在发射端子40与天线端子44之间串联连接的串联谐振器12-20和并联连接的并联谐振器22-28中，串联划分串联谐振器16。串联谐振器16由划分谐振器16a、16b组成。串联谐振器16具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容。也就是说，划分谐振器16a、16b的静电电容的总和小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个谐振器的静电电容。
在第一实施方式中，串联划分并联谐振器24。另选地，如第二实施方式中描述的，可以串联划分并联谐振器16(该并联谐振器16是除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器并且具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容)。
图8是例示根据第二实施方式的第一变型例的双工器的发送滤波器的电路图。在第二实施方式的第一变型例中，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中的至少所有串联谐振器14-18具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容。在该情况下，如图8所示，可以串联划分所有的串联谐振器14-18(它们是除了从发射端子40侧看时位于第一级的串联谐振器12和从天线端子44侧看时位于第一级的串联谐振器20之外的串联谐振器)。
第三实施方式
第三实施方式串联划分并联谐振器和串联谐振器。图9是例示根据第三实施方式的双工器的发送滤波器的电路图。如图9所示，在第三实施方式中，串联划分的是在发射端子40与天线端子44之间串联连接的串联谐振器12-20和并联连接的并联谐振器22-28中的串联谐振器16和并联谐振器24。
在第一实施方式中，串联划分并联谐振器24，而在第二实施方式中，串联划分串联谐振器16。另选地，如第三实施方式中所示，可以串联划分串联谐振器16和并联谐振器24。
图10A至图10C是例示根据第三实施方式的第一变型例至第三变型例的双工器的发送滤波器的电路图。在第三实施方式的第一变型例中，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中的至少所有串联谐振器14-18和并联谐振器24具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容。在这种情况下，如图10A所示，可以串联划分所有的串联谐振器14-18和并联谐振器24。
在第三实施方式的第二变型例中，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中的至少串联谐振器16和所有并联谐振器24-26具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容。在这种情况下，如图10B所示，可以串联划分串联谐振器16和所有的并联谐振器24-26。
在第三实施方式的第三变型例中，除了发射侧谐振器和天线侧谐振器之外的谐振器中的所有串联谐振器16-18和所有并联谐振器24-26具有的静电电容小于发射侧谐振器和天线侧谐振器中的至少一个的静电电容。在这种情况下，如图10C所示，可以串联划分所有串联谐振器16-18和所有的并联谐振器24-26。
如第三实施方式及其第一至第三变型例所描述的，可以串联划分除了从发射端子40侧和天线端子44侧看时位于第一级的并联谐振器之外的至少一个串联谐振器以及从发射端子40侧和天线端子44侧看时位于第一级的并联谐振器之外的至少一个并联谐振器。
如图3A和图3B所例示，具有FBAR结构的压电薄膜谐振器被描述为发送滤波器的串联谐振器和并联谐振器，但是具有包括声反射膜而不是空气空间60的SMR(固态装配型谐振器)结构的压电薄膜谐振器可以用作串联谐振器和并联谐振器。
另外，串联谐振器和并联谐振器可以是表面声波谐振器、乐甫波谐振器或边界声波谐振器。图11A是例示表面声波谐振器的俯视图，并且图11B是沿图11A中的A-A线截取的截面图。图11C是乐甫波谐振器的截面图，并且图11D是边界声波谐振器的截面图。如图11A和图11B所例示，由铝或铜制成的金属膜72设置在由诸如钽酸锂或铌酸锂等的压电物质制成的压电基板70上。金属膜72形成反射器R0和IDT(叉指换能器)IDT0。IDT包括两个梳形电极74。反射器R0沿声波传播方向位于IDT0的两侧。梳形电极74和反射器R0包括以与声波的波长λ对应的间隔排布的电极指76。两个梳形电极74的电极指76彼此交叠的宽度是开口长度W。由IDT0激励的表面声波被反射器R0反射。
这在与声波的波长λ对应的频率对表面声波谐振器进行谐振。
乐甫波谐振器和边界声波谐振器的俯视图与图11A相同，由此省略其描述。如图11C所示，在乐甫波谐振器中，压电膜78设置成覆盖金属膜72。压电膜78可以由例如二氧化硅制成。如图11D所示，在边界声波谐振器中，压电膜80进一步设置在压电膜78上。压电膜80可以由例如氧化铝制成。为了限制压电膜78中的声波，压电膜80具有的声速度大于压电膜78的声速度。
在压电薄膜谐振器中，静电电容的大小依赖于下电极和上电极隔着压电膜而彼此相对的谐振区域的尺寸。在表面声波谐振器、乐甫波谐振器和边界声波谐振器中，其依赖于当电极指76之间的间隔不变时，(电极指76的对数)×(开口长度W)。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对这些实施方式进行各种改变、替换和更改。

Claims (8)

1.一种双工器，该双工器包括：
发送滤波器，所述发送滤波器连接在发射端子与天线端子之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端子与所述所述天线端子之间，其中，
所述串联谐振器和所述并联谐振器中的以下谐振器中的至少一个被串联地划分，这些谐振器是除了第一串联谐振器、第一并联谐振器、第二串联谐振器和第二并联谐振器之外的谐振器，并且它们的静电电容小于所述第一串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器中的至少一个的静电电容，其中从所述发射端子侧看时所述第一串联谐振器和所述第一并联谐振器位于第一级，从所述天线端子侧看时所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器位于第一级。
2.根据权利要求1所述的双工器，其中，
所述第一串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器未被串联地划分。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的双工器，其中，
静电电容小于所述第一串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器的静电电容的谐振器中的至少一个被串联地划分。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的双工器，其中，
除了所述第一串联谐振器、所述第一并联谐振器、所述第二串联谐振器和所述第二并联谐振器之外的谐振器中的至少具有最小的静电电容的谐振器被串联地划分。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的双工器，其中，
除了所述第一串联谐振器和所述第二串联谐振器之外的串联谐振器中的至少一个以及除了所述第一并联谐振器和所述第二并联谐振器之外的并联谐振器中的至少一个被串联地划分。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的双工器，其中，
除了所述第一串联谐振器和所述第二串联谐振器之外的所有的串联谐振器被串联地划分。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的双工器，其中，
除了所述第一并联谐振器和所述第二并联谐振器之外的所有的并联谐振器被串联地划分。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的双工器，其中，
构成划分的所述谐振器的划分谐振器是压电薄膜谐振器，并且所述划分谐振器的上电极和下电极隔着压电膜而彼此相对的谐振区域具有不同形状。
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