CN106031076B - 基于微型声谐振器的滤波器和双工器 - Google Patents

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Abstract

一种基于消除的滤波器可具有至少一个频率通带和至少一个频率阻带。所述基于消除的滤波器可包括：第一组一个或多个带通滤波器，每个具有至少一个声谐振器，所述第一组提供所述基于消除的滤波器的至少一个频率通带；至少一个混合耦合器；以及第二组一个或多个带通滤波器，每个具有至少一个声谐振器，所述第二组耦合到所述至少一个混合耦合器中的至少一个，其中所述至少一个混合耦合器和所述第二组一个或多个带通滤波器相互作用以提供所述基于消除的滤波器的至少一个频率阻带。

Description

基于微型声谐振器的滤波器和双工器
相关申请的交叉引用
本申请是基于2014年2月19日提交的标题为“MINIATURE ACOUSTIC RESONATOR-BASED FILTERS AND DUPLEXERS WITH CANCELLATION METHODOLOGY”的美国临时专利申请61/941,702，并且要求其优先权。该申请的全部内容以引用的方式并入本文。
发明背景
技术领域
本公开涉及使用声谐振器或消除架构中的组件来获得良好性能用于各种通信系统和标准的滤波器和双工器。
相关技术描述
射频(RF)滤波器和双工器已经是通信系统的基本组件。高选择性、低插入损耗、紧凑尺寸、处理大信号(功率处理)的能力、高线性度、可制造性以及低成本可以是RF滤波器和双工器的重要期望特征中的一些。
鉴于以下方面，对RF滤波器和双工器的要求变得更加严格：新的通信标准，其中信息通道和频带彼此更接近；新的通信装置，诸如智能电话，其中因为需要更多组件来支持多个标准和应用，所以所有组件的封装面积和成本必须非常小；以及共存的通信系统，其中多个通信发送器和接收器同时工作。
线性度、噪声以及功率处理要求通常导致在许多应用中利用无源RF滤波器和双工器。无源RF滤波器和双工器的性能可受它们的实现中所使用的组件的品质因数(Q)限制。滤波器选择性以及通带要求可能导致滤波器拓扑结构和滤波器阶数。对于给定的RF滤波器或双工器拓扑结构和阶数而言，插入损耗可随着分量Q的增大而减小。
各种技术可用来实现无源RF滤波器和双工器。例如，电容器、电感器或传输线可用来实现无源RF滤波器和双工器。电磁谐振器(包括波导谐振器和介质谐振器)也可用来实现无源滤波器和双工器。此类组件的品质因数通常与它们的整体物理尺寸成比例。因此，使用电磁组件和谐振器难以实现紧凑的低损耗选择性无源RF滤波器和双工器。
压电材料可用来实现紧凑的高Q谐振器。晶体谐振器已被广泛用来生成纯光谱振荡器。表面声波(SAW)谐振器已被广泛用来实现紧凑的低损耗选择性RF滤波器和双工器以及振荡器。最近，体声波(BAW)谐振器已经用来构建高性能RF滤波器和双工器以及振荡器。具有高品质因数的陶瓷谐振器和微机电系统(MEMS)谐振器已经用于频率生成以及滤波应用。
RF SAW滤波器和双工器已广泛用于无线通信，诸如蜂窝电话、无线局域网(WLAN)收发器、全球定位系统(GPS)接收器、无绳电话等等。RF SAW滤波器已用作频带选择滤波器、镜像抑制滤波器、中频(IF)滤波器、发送器噪声或杂散抑制滤波器等等。典型的智能电话可具有若干SAW谐振器、SAW滤波器以及SAW双工器以支持各种通信系统和标准。
在过去的十年中，关于BAW技术的大量研究和开发已经导致产生了与SAW谐振器相比具有更低损耗(或更高Q)或更加紧凑的BAW谐振器，尤其是在较高频率下。因此，与利用SAW谐振器的那些RF滤波器和双工器相比(尤其是在较高频率下)，使用BAW谐振器的RF滤波器和双工器可具有更低插入损耗、或更高选择性、或更小形状因数。薄膜体声谐振器(FBAR)是BAW谐振器的常见实例。
现代无线通信标准指定许多不同的可操作频带以支持总体无线容量和延伸范围的增加。例如，蜂窝电话标准可包括跨越大约700MHz至大约4000MHz的RF频带。此外，为了增加总体无线容量，可降低同一应用或不同应用内的相邻频带或通道之间间隔的频率。这可(例如)通过减小无线标准中的典型的防护频带或通过将频分双工(FDD)方案中的发送和接收频带布置成彼此更接近来完成。因此，可能需要具有更高选择性的RF滤波器和双工器。利用给定组件或技术(SAW、BAW等)的更具选择性RF滤波器和双工器可能招致更多带内插入损耗。更高RF滤波器或双工器插入损耗可降低无线接收器噪声系数和灵敏度、增加无线发送器功率消耗或降低发送功率、和/或使通信系统的整体性能劣化。
在商业系统中，技术的选择可能取决于诸如功率消耗的技术性能以及诸如成本、尺寸和市场投放时间的经济与商业考虑。例如，虽然一种技术可提供比另一种技术更好的性能，但是它可能不用于对成本敏感的商业系统。在RF滤波器和双工器的情况下，可能期望使用导致最低成本和/或最紧凑的解决方案的技术，只要满足预定性能准则。换言之，可能不采用更昂贵或更大的解决方案，即使它与以更低成本和/或尺寸满足可接受性能水平的替代解决方案相比提供更好的性能。例如，虽然对于一组给定性能规范而言，使用BAW谐振器的RF滤波器和双工器与使用SAW谐振器的RF滤波器和双工器相比可提供更低的损耗，但是BAW技术的相对更高的成本以及其相对少数量的供应商可能不利于它们在某些应用和标准中的使用。其他考虑可以是与通信系统中的剩余组件集成的便利性。例如，将RF滤波器和双工器与低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、发送/接收(T/R)或频带选择开关、阻抗匹配网络等集成可能存在性能、商业或经济优点。
可能期望使用低成本和广泛可用的技术来实现选择性低损耗的紧凑无源RF滤波器和双工器。如前所述，鉴于滤波器拓扑结构和滤波器阶数，提供更低品质因数组件的技术可能导致更高的带内插入损耗。然而，在不影响带内插入损耗的情况下，可修改滤波器拓扑结构以满足一组期望的规范。例如，可通过使用带阻滤波器或陷波滤波器来去除或减少已知的不想要的带外信号，而无需增大RF带通滤波器(BPF)的阶数。这个不想要的带外信号源可以是FDD方案、其他共存通信装置中的所接收的干扰源或阻断器、干扰器、发送器。例如，WiFi发送器可产生对于蜂窝电话接收器而言不想要的信号，所述信号在同一平台(智能电话)内以靠近频带操作。还可通过使用前馈消除方案来去除或减少不期望的带外信号，在所述方案中在期望的位置处重新产生并消减不期望信号的相同拷贝。
如先前所提及，现代无线通信标准指定许多不同的操作频带。因此，系统复杂性可能显著增加，因为频带中的每一者可能需要使用至少一个RF滤波器。可能期望降低此类RF系统的复杂性。一个考虑是使用可更换许多固定频率RF滤波器的可调谐RF滤波器。然而，常规的基于声的滤波器(诸如SAW和BAW)可能是不可调谐的。此外，可调谐滤波器可通过组合声谐振器和可调谐电磁组件(诸如电容器)来呈现。然而，与现代商业无线电前端系统相比，这些滤波器可能仍然遭受较高的带内插入损耗、较低抑制性、较低隔离度(在双工器的情况下)或以上所有者。
发明内容
一种基于消除的滤波器可具有至少一个频率通带和至少一个频率阻带。所述基于消除的滤波器可包括：第一组一个或多个带通滤波器，每个具有至少一个声谐振器，所述第一组提供基于消除的滤波器的至少一个频率通带；至少一个混合耦合器；以及第二组一个或多个带通滤波器，每个具有至少一个声谐振器，所述第二组耦合到至少一个混合耦合器中的至少一个，其中至少一个混合耦合器和第二组一个或多个带通滤波器相互作用以提供基于消除的滤波器的至少一个频率阻带。
至少一个频率通带中的至少一个响应于电信号或用户操作控制可以是可调谐或可重新配置的。
至少一个频率阻带中的至少一个响应于电信号或用户操作控制可以是可调谐或可重新配置的。
第一组中的带通滤波器中的至少一个和第二组中的带通滤波器中的至少一个可位于共用晶圆上。
声波谐振器中的至少一个可以是表面声波谐振器或体声波谐振器。
至少一个混合耦合器中的至少一个可以是集成无源装置。
第一组中的带通滤波器中的至少一个、第二组中的带通滤波器中的至少一个以及至少一个混合耦合器中的至少一个可位于共用基板上。
第一组或第二组中的带通滤波器中的至少一个可被堆叠在至少一个混合耦合器中的至少一个上方或下方。
第一组可仅包括单个带通滤波器，所述带通滤波器提供基于消除的滤波器的单个频率通带；第二组可仅包括单个带通滤波器，所述带通滤波器提供基于消除的滤波器的单个频率阻带；并且至少一个混合耦合器可仅包括单个混合耦合器。第一组中的带通滤波器、第二组中的带通滤波器以及混合耦合器可共享同一基板或集成在同一封装中。
第一组带通滤波器和第二组带通滤波器可位于共用晶圆上、共用封装中；至少一个混合耦合器可以是集成无源装置；并且第一组带通滤波器和第二组带通滤波器以及混合耦合器可位于共用基板上或集成在同一封装中。
一种无线通信系统可包括：发送器，其在发送频带中发送；或接收器，其在接收频带中接收；以及如以上所述类型之一的基于消除的滤波器。基于消除的滤波器中的频率通带中的至少一个可基本上包括接收频带或基于消除的滤波器中的频率阻带中的至少一个可基本上包括发送频带。
一种无线通信系统可包括：第一发送器，其在发送频带中发送；第二发送器，其具有第二发送频带；以及如以上所述类型之一的基于消除的滤波器。基于消除的滤波器中的频率通带中的至少一个可基本上包括第一发送频带并且基于消除的滤波器中的频率阻带中的至少一个可基本上包括第二发送频带。
一种无线通信系统可包括前端模块。前端模块可包括如以上所述类型之任一的基于消除的滤波器；以及至少一个放大器或一个开关。
一种具有至少一个发送频带和至少一个接收频带的基于消除的双工器可包括至少两个混合耦合器。所述基于消除的双工器可包括第一组两个或更多个带通滤波器，每个具有至少一个声谐振器。第一组可耦合到至少两个混合耦合器中的至少两个。至少两个混合耦合器和第一组可相互作用以提供基于消除的双工器的至少一个发送频带。所述基于消除的双工器可包括第二组一个或多个带通滤波器。每个可具有至少一个声谐振器。第二组可耦合到至少两个混合耦合器中的至少一个。至少两个混合耦合器和第二组可相互作用以提供基于消除的双工器的至少一个接收频带。
至少一个发送频率通带或至少一个接收频带响应于电信号或用户操作控制可以是可调谐或可重新配置的。
第一组中的带通滤波器中的至少两个可位于共用晶圆上。
声波谐振器中的至少一个可以是表面声波谐振器或体声波谐振器。
可使用的混合耦合器中的至少一个是集成无源装置。
第一组中的带通滤波器中的至少一个、第二组中的带通滤波器中的至少一个以及混合耦合器中的至少一个可位于共用基板上或集成在同一封装中。
第一组或第二组中的带通滤波器中的至少一个可被堆叠在至少两个混合耦合器中的至少一个上方或下方。
第一组中的带通滤波器中的至少两个、第二组中的带通滤波器中的至少一个以及至少两个混合耦合器中的至少两个可位于共用基板上。
第一组可仅包括两个带通滤波器，所述带通滤波器仅提供一个发送频带。第二组可仅包括一个带通滤波器，所述带通滤波器仅提供一个接收频带。至少两个混合耦合器可仅包括两个混合耦合器。带通滤波器中的至少一个可包括至少一个声波谐振器。基于消除的双工器可具有可调谐的传递函数。
这些以及其他组件、步骤、特征、对象、益处以及优点现在将通过阅读例示性实施方案的以下详细描述、附图以及权利要求书变得更清楚。
附图简述
附图具有例示性实施方案。它们并未示出所有实施方案。此外或替代地，可使用其他实施方案。可省略可以是明显的或不必要的细节以节省空间或用于更有效的例示。可以利用附加组件或步骤和/或不利用例示的所有组件或步骤来实践一些实施方案。当相同数字出现在不同附图中时，它是指同一或类似组件或步骤。
各种实施方案的表示仿真结果仅出于说明原因，并且不意味着覆盖各种实施方案实现的所有可能响应。例如，所呈现的仿真结果覆盖在其传递函数中具有单个通带和至少一个阻带(或陷波)的滤波器。也可使用本公开的实施方案或其他教导来实现具有多个通带或阻带的滤波器。也可使用本公开的实施方案或其他教导来实现传递函数基本上随至少一个激励变化的滤波器。
图1A示出在满足某一发送器(TX)至接收器(RX)隔离度的常规双工器设计中可能需要的对最小数量的声谐振器(AR)的要求。
图1B示出在将两个或更多个混合耦合器(HC)合并以满足某一发送器(TX)至接收器(RX)隔离度的双工器设计中需要的对最小数量的声谐振器的宽松要求。
图2A示出在常规双工器设计中使用某一数量的声谐振器时实现的TX至RX隔离度。
图2B示出可在基于混合耦合器的双工器中使用某一数量的声谐振器时实现的TX至RX隔离度增强。
图3A示出在满足某一阻带抑制的常规滤波器中可能需要的对最小数量的声谐振器的要求。
图3B示出在滤波器设计中可能需要的且将两个或更多个混合耦合器合并以满足某一阻带抑制的对最小数量的声谐振器的宽松要求。
图4A示出可在常规滤波器设计中使用某一数量的声谐振器时实现的阻带抑制。
图4B示出可在基于混合耦合器的滤波器中使用某一数量的声谐振器时实现的阻带抑制增强。
图5A示出常规双工器设计的实施方案。
图5B示出基于混合耦合器的双工器设计的实施方案，其使用前馈混合消除来实现增强的隔离度。
图6A示出例示性仿真，其示出使用常规双工器设计可获得的隔离度。
图6B示出例示性仿真，其示出使用基于混合耦合器的双工器可获得的增强隔离度。
图7A示出常规滤波器设计的实施方案。
图7B示出基于混合耦合器的滤波器设计的实施方案，其使用反射型滤波器以实现由滤波器F1的通带确定的增强的阻带抑制。
图8A示出例示性仿真，其示出使用具有可能导致滤波器通带中的大插入损耗的受限品质因数(Q)谐振器的常规双工器设计获得的滤波器响应。
图8B示出例示性仿真，其示出使用基于混合耦合器的方法的滤波器设计的通带中的降低插入损耗，所述滤波器设计可在阻带中实现与常规滤波器一样大的抑制。
图9示出在共存情况中使用基于混合的滤波器，其中两个无线电装置的位置非常接近并且一个无线电装置的发送信号使另一个无线电装置的接收信号降级。
图10A示出共存情况中的问题，其中两个无线电装置的位置非常接近并且一个无线电装置的发送信号使另一个无线电装置的发送信号降级。
图10B示出在共存情况中使用基于混合的滤波器，其中两个无线电装置的位置非常接近并且一个无线电装置的发送信号使另一个无线电装置的发送信号降级。
图11A示出图5B的基于混合耦合器的双工器的实施方案，其中所述双工器的组件可以是单独可重新配置或可调谐的。
图11B示出图7B的基于混合耦合器的滤波器的实施方案，其中所述滤波器的组件可以是单独可重新配置或可调谐的。
图12示出被实现为使用图7B所示的方法实现的多个滤波器的嵌套连接的基于混合耦合器的滤波器的实施方案。可使用这种方法的固定以及可调谐/可重新配置版本。
图13示出基于混合耦合器的滤波器设计的另一个实施方案，其使用反射型滤波器以实现由滤波器F1和F2的通带确定的增强的阻带抑制。
图14A示出集成方法，其中可在一个表面声波(SAW)或体声波(BAW)工艺中集成基于混合耦合器的双工器或滤波器中的一个或多个滤波器。
图14B示出集成方法，其中可在一个表面声波(SAW)或体声波(BAW)工艺中集成基于混合耦合器的双工器或滤波器中的所有滤波器。
图14C示出集成方法，其中可将基于混合耦合器的双工器或滤波器中的一个或多个滤波器与基于混合耦合器的双工器或滤波器中的其他滤波器共同封装。
图15示出混合耦合器的集总元件实施方案，其中集总元件、此类电感器和电容器可在集成无源装置(IPD)工艺中集成。
图16A示出集成方法，其中将一个或多个混合模块与一个或多个滤波器模块共同封装，其中每个混合模块包括一个或多个混合耦合器并且每个滤波器模块包括一个或多个滤波器，这可分别在IPD和SAW/BAW工艺中实施。
图16B示出集成方法，其中将一个或多个混合模块和一个或多个滤波器模块与功率放大器模块或开关模块共同封装。
图17A示出集成方法，其中将混合模块堆叠在滤波器模块之上。
图17B示出集成方法，其中将滤波器模块堆叠在混合模块之上。
图17C示出集成方法，其中将一个或多个混合模块堆叠在滤波器模块之上。
图17D示出集成方法，其中将一个或多个滤波器模块堆叠在混合模块之上。
例示性实施方案的详述
现在描述例示性实施方案。此外或替代地，可使用其他实施方案。可省略对于本领域技术人员可能是明显的细节。可以利用附加组件或步骤和/或不利用描述的所有组件或步骤来实践一些实施方案。
用于设计基于声谐振器的滤波器和双工器的常规方法在于，对根据就滤波器而言所需的阻带抑制或就双工器而言所需的隔离度而使用的谐振器数量作出判定。滤波器设计中使用的谐振器数量越大，滤波器阶数可越大并且通带周围的滤波器滚降可越尖锐。更尖锐的滤波器滚降可意指更高的阻带抑制。类似地，双工器的TX和RX滤波器中使用的谐振器数量可确定从TX至RX的总隔离度。TX和RX滤波器的阶数越大(即，所述滤波器中使用的谐振器数量越大)，TX与RX之间的隔离量可能越大。由于声谐振器的受限的品质因数，所以滤波器和双工器中的插入损耗可直接与所使用的谐振器数量成正比。换言之，滤波器与TX和RX滤波器的阶数越大，相应地滤波器和双工器的损耗可能越大。可能可以通过将混合耦合器合并在滤波器和双工器的设计中来打破这一插入损耗和隔离度或阻带抑制折衷。
如图1所示，对于给定的所需隔离度而言，通过将混合耦合器合并在双工器设计中，可能可以减少所使用的谐振器数量并且因此降低双工器在TX和RX频带中的插入损耗。例如，为了使用图1A所示的常规双工器来实现具有特定量的TX至RX隔离度，可能需要N1个声谐振器，所述声谐振器中的一些可以是TX滤波器的一部分并且所述声谐振器中的另一些可以是RX滤波器的一部分。鉴于谐振器的受限的品质因数，TX和RX频带中的双工器插入损耗可被给定为L1。然而，如果所述设计如图1B所示合并M(M≥2)个混合耦合器，那么双工器设计中使用的谐振器总数量可以是N2，所述N2可以小于N1。这还可在TX和RX频带中导致与L1相比更低的插入损耗L2。
可替代地，如图2所示，对于给定数量的声谐振器而言，可能可以通过将混合耦合器合并在双工器中来大幅度地增强隔离度。例如，在图2A所示的常规双工器设计中，如果TX和RX滤波器中使用的谐振器总数量被限制为N，那么常规双工器可能能够实现仅为I1的TX至RX隔离度。然而，如图2B所示，在使用M(M≥2)个混合耦合器的基于混合耦合器的设计中使用总数量N个谐振器，所述双工器可实现与I1相比更高的隔离度I2。
类似地，如图3B所示，如果将一个或多个混合耦合器合并在滤波器中，那么可通过使用更少数量的声谐振器来实现滤波器中的某一阻带抑制。为了实现某一阻带抑制R，图3A所示的常规滤波器设计可能需要滤波器阶数至少为N1。因此，在常规滤波器设计中可能必须使用的谐振器数量可以是至少N1。由于谐振器的受限的品质因数，所以这可导致滤波器插入损耗I1。另一方面，如图3B所示，将M(M≥1)个混合耦合器合并在滤波器设计中可导致使用与N1相比更少数量的N2个谐振器得到阻带抑制R。这意味着使用基于混合耦合器的设计在实现同一阻带抑制的同时可具有更低的插入损耗。
可替代地，对于数量N个谐振器而言，如图4B所示，合并M(M≥1)个混合耦合器的滤波器设计可具有与使用如图4A所示的常规滤波器设计实现的阻带抑制R1相比更高的阻带抑制R2。
图5B示出基于混合耦合器的双工器的一个实施方案。如图5A所示，常规双工器可使声TX滤波器501和声RX滤波器503与公共天线(ANT)终端507处的匹配网络505相连接。在这种情况下的TX至RX隔离度可直接取决于TX和RX滤波器中使用的谐振器数量。另一方面，图5B所示的基于混合耦合器的方法在使用更少数量的声谐振器的同时可使用前馈消除来实现高隔离度。适当设计的基于混合的消除网络可提供某些端口组合之间的隔离，同时允许其他端口组合之间的信号传播。
在图5B中，其目的在于使RX端口513和TX端口515隔离，同时允许ANT 517与TX端口515之间以及RX端口513与TX端口515之间的信号传播。混合消除网络的剩余隔离端口519可终止于匹配负载521。可将两个基本上相同的二端口网络F1和F2布置在两个混合耦合器HC1和HC2之间，并且可在RX端口513处添加另一个二端口网络F3。二端口网络F3可以是让RX频带下的信号通过的滤波器。二端口网络F1和F2可以是让TX频带下的信号通过的滤波器。每个混合耦合器可具有四个端口：输入端口(In)、直通端口(T)、耦合端口(C)以及隔离端口(Iso)。进入输入端口的信号可在直通端口与耦合端口之间等分，并且没有信号可从隔离端口出来。从直通端口和耦合端口出来的信号可具有对应于正交混合(QH)的相对于彼此正交相移。混合耦合器的四个端口中的任一者可用作输入端口，同时其他端口适当地重新分配。
作为例示性概念性实例，两个混合耦合器都可以是理想的无损耗正交混合。在这个实施方案中，来自端口RX的在通过二端口网络F3之后的信号可由于第一混合耦合器HC1而分成两半，但在“T”与“C”端口之间有90°相对相移。每一半可去往二端口网络F1和F2，并且这两半可由于在TX端口515处的第二混合耦合器HC2而再次组合，但有附加的90°相对相移。因为一半与另一半相比的总相移是180°，所以两半在重组之后都可被消除。
另一方面，来自RX端口的在通过二端口网络F3之后的信号的两半在它们到达端接匹配端口519时可观察到相同相移，并且因此建设性地组合。类似地，来自ANT端口517的信号的两半在它们到达TX端口515时可观察到相同相移，并且因此也建设性地组合。来自RX端口513的在通过二端口网络F3之后和在通过第一正交混合HC1之后的信号的两半的一部分(它们已经90°异相)可在两个二端口网络F1和F2的输入端处被反射、通过第一正交混合HC1、再次经历相对于彼此的另一个90°相移、并且最后在ANT端口517处建设性地组合。
当带通滤波器用于F1、F2和F3时，，来自RX端口513的在过滤通过二端口网络F3之后具有位于滤波器F1和F2的通带中的频率的信号可传送到端接匹配端口519，而来自RX端口513的在过滤通过二端口网络F3之后具有位于滤波器F1和F2的通带之外的频率的信号可传送到ANT端口517。理想地，没有信号可传送到TX端口515。类似地，来自ANT端口517的具有位于滤波器F1和F2的通带中的频率的信号可传送到TX端口515，而来自ANT端口517的具有位于滤波器F1和F2的通带之外的频率的信号可传送到RX端口513。理想地，没有信号可传送到端接匹配端口519。在遵循类似消除方法的替代方案中，TX端口515和RX端口513的作用可颠倒，与此同时修改滤波器的频率响应。
在许多应用中可期望TX端口与RX端口之间的隔离，同时允许RX端口与ANT端口之间的信号传播以及TX端口与ANT端口之间的信号传播。例如，在无线通信系统中，可期望使接收器与发送器的信号和噪声隔离，同时在发送器与接收器之间共享天线。接收器和发送器不需要是同一通信系统的一部分。例如，发送器和接收器可以是同一平台内的或彼此接近的不同通信系统(包括仅发送系统和仅接收系统)的一部分。
使用基于混合的消除的双工器可提供各种期望的折衷。常规双工器可能需要高阶(通常NTX≥5并且NRX≥5)滤波器来实现高的(>50dB)TX至RX隔离度。使用混合消除方案，在通过消除实现增强的隔离度的同时，F1、F2和F3的滤波器阶数(分别为NF1、NF2、NF3)可降低二至三倍。在通带内具有较低阶的无源滤波器的插入损耗与具有较高阶的无源滤波器的插入损耗相比可以是更低的，所述较高阶的无源滤波器使用与较低阶滤波器的那些组件具有类似品质因数的组件。鉴于滤波器组件的品质因数不超过上限，通带内的无源滤波器的插入损耗可与滤波器阶数成比例。
图6A和图6B示出例示性仿真，其突出了图5B的基于混合耦合器的方法的益处。使用前馈消除的原理，与常规滤波器相比隔离度可得到显著提高。使用具有NTX＝3和NRX＝3的图5A的常规双工器设计，TX至RX隔离度601的最坏情况可能小于40dB，如图6A所示。使用图5B的基于混合耦合器的双工器设计，但保持谐振器的总数量与图6A的设计情况相同，TX至RX隔离度603可比常规滤波器大得多。
图7B示出使用混合耦合器的滤波器的一个实施方案。具体地，图7B示出将两个带通滤波器与一个混合耦合器一起使用。如果混合耦合器是理想的正交混合耦合器，那么从输入端口(输入)至输出端口(输出)的传递函数可写为：
S输出，输入＝j*(1/2)*(S11,F1+S22,F1)*(S21,F2)+(1/2)*(S21,F1-S12,F1)*(S21,F2)，
其中Sxy表示端口x与y之间的散射矩阵参数，并且“j”是具有一幅度和90°相移的等于√-1的复符号。例如，S21,F1对应于可以是滤波器的二端口网络F1的S21。如果二端口网络F1的S21,F1和S12,F1是相同的，那么(例如)在无源互易二端口网络中，从输入至ISO之间的传递函数可变成：
S输出，输入＝j*(1/2)*(S11,F1+S22,F1)*(S21,F2)。
从输入端至输出端的前向传递函数(即，S输出，输入)可取决于二端口网络F1的反射系数(即，S11,F1和S22,F1)和滤波器F2的前向传递函数(即，S21,F2)。例如，二端口网络F1的反射系数可被选择成在期望的阻带频率下具有带阻响应，并且二端口网络F1的前向传递函数可被选择成在期望的通带频率下具有带通响应。
二端口网络可被设计成在两个端口之间具有带通传递函数，所述带通传递函数将对应于两个端口处的带阻反射系数。随后，例如，如果这个二端口网络用于F1，那儿可能可以通过使滤波器F1的通带与期望阻带对准来改进滤波器的阻带抑制。在图7A的常规滤波器设计中，谐振器的数量可决定阻带抑制。因此，即使通过在图7B的方法中使用与常规滤波器设计相比更小阶的滤波器F1和F2，可能可以使用大量谐振器来实现相当于常规滤波器设计的阻带抑制。这意味着基于混合的方法在实现与常规情况相比相同的阻带抑制的同时可降低滤波器通带中的插入损耗。图8B示出例示性仿真，其突出了图7B的滤波器设计的基于混合耦合器的方法的益处。期望的阻带频率可以是1.044GHz并且期望的通带频率可以是1GHz。如果使用图7A的常规滤波器设计，为了在阻带中实现约60dB抑制，这个特定实例的滤波器阶数必须为4，从而可导致4.862dB的通带插入损耗，如图8A所示。然而，如果使用用于滤波器设计的基于混合耦合器的方法，其中二端口网络F1的通带频率保持在1.044GHz并且二端口网络F2的通带频率保持在1GHz，那么可针对比常规滤波器使用的一者更低的滤波器阶数、针对两个二端口网络F1和F2获得约60dB的阻带抑制。这可导致基于混合耦合器的滤波器的通带中的更低插入损耗2.876dB，如图8B的实例所示。
基于混合耦合器的滤波器在共存情况中可以是极其有益的，在所述共存情况中两个或更多个无线系统紧密接近存在并且可同时工作。无线系统中的任一者可使用时分双工(TDD)，其中所述无线系统的发送器和接收器可能不同时操作并且可使用发送-接收(T/R)开关来连接到天线，或者无线系统中的任一者可使用频分双工(FDD)，其中所述无线系统的发送器和接收器可同时操作并且可使用双工器来连接到天线，或者无线系统中的任一者可由仅接收器或仅发送器组成。在所有这些情况中，当无线系统紧密接近并且同时工作时，一个无线系统可与另一个无线系统的发送端和接收端对接。例如，来自无线系统的发送器的发送信号可耦合到另一个无线系统并且可使此另一个无线系统的性能或操作降级。例如，来自无线系统的发送器的发送器信号可耦合到另一个无线系统的接收器并且可降低此接收器的灵敏度或选择性。例如，来自无线系统的发送器的发送器信号可耦合到另一个无线系统的发送器并且可导致此第二发送器的不稳定性或不期望的行为。
无线系统可靠近可生成信号的其他非无线系统操作，所述信号可耦合到无线系统并且可使所述无线系统的性能降级。例如，无线系统可靠近生成高频信号的微处理器或数字信号处理器(DSP)操作，所述高频信号可以任何数量的机制(诸如通过空中、基板、封装、源连接和地连接等)耦合到无线系统。例如，微处理器或DSP的数字操作可产生降低靠近无线系统的灵敏度或选择性的信号或在靠近无线系统的发送器中产生不稳定性或不期望的行为。
为了避免以上提及的共存或不想要的耦合/泄露问题，例如，可在无线系统2的接收器端口处使用图7B的基于混合耦合器的滤波器，其中二端口网络F1的通带频率位于无线系统1的发送频率(fTX1)处，并且二端口网络F2的通带频率位于无线系统2的接收频率(fRX2)处。如图9所示，由于混合耦合器和二端口网络F1的组合导致的带阻响应，来自无线系统1的可耦合到无线系统2的发送信号901在到达无线系统2的接收器端口902之前可能强烈地衰减。类似地，来自无线系统1的发送信号901可使无线系统2的发送信号的质量降级。如前所提及，被示出为fTX1的泄露信号的来源可以是微处理器或DSP或任何其他构建块，并且耦合机制可以是通过空中、基板、封装、源连接和地连接等。如前所提及，无线系统中的任一者可由仅接收器或发送器组成。
例如，并且参考图10A，无线系统1中的发送器的非线性可导致发送信号1001的频谱再生长，其中发送信号1002的一部分可位于无线系统的发送频带1003中。因此，在空中组合之后，来自无线系统1的发送信号可使无线系统的发送信号的质量降级，如1004所示。
为了提高无线系统2的传送质量，例如，可在无线系统1的发送端口处使用图7B的基于混合耦合器的滤波器，其中F1的通带频率位于无线系统2的发送频率(fTX2)处，并且F2的通带频率位于无线系统1的发送频率(fTX1)处。如图10B所示，由于混合耦合器和F1的组合导致的带阻响应，来自无线系统1的发送信号位于无线系统2的发送频带处的部分可被强烈地衰减。因此，在空中组合之后，无线系统2的发送信号可能不由来自无线系统1的发送信号降级。
基于混合耦合器的滤波器和双工器中的滤波器和混合耦合器的配置不需要是预定或固定的。例如，滤波器的配置可以是可重新配置的。一个代表性实例是带通滤波器，其中滤波器阶数可被重新配置。另一个代表性实例是提供滤波器类型的可重新配置型，例如，可从巴特沃斯滤波器重新配置成切比雪夫滤波器。可重新配置性可响应于外部或内部刺激。可通过合并一个或多个开关或其他选择电路来实现可重新配置的电路。例如，可在可重新配置的二端口网络内使用机械开关或继电器、使用二极管或晶体管的电开关、微电子机械(MEM)开关或它们的任何组合。
可重新配置的滤波器和混合耦合器还可具有可调谐的传递函数。例如，滤波器的中心频率或带宽可以是可调谐的。例如，可以可重新配置的方法修改传递函数的形状。例如，通带或阻带的数量和位置可被重新配置。可重新配置不包括通过拆焊来改变组件。
图11A和图11B示出使用混合耦合器的可重新配置的双工器和滤波器的例示性实施方案，其中所述滤波器和双工器中的一个或多个组件可以是可重新配置或可调谐的。例如，在图11A所示的可重新配置的双工器的情况下，TX至RX双工距离(其是RX与TX频带之间的距离)、TX或RX通带带宽和/或TX和RX中心频率可以是可独立调谐的。此外，滤波器F1、F2、F3的形状和阶数可以是可重新配置的。例如，在图11B所示的可重新配置的滤波器的情况下，可通过分别调谐F2和F1来独立调谐滤波器的通带响应和阻带响应。此外，滤波器F1和F2的形状和阶数可以是可独立重新配置的。
可添加额外的滤波器和混合耦合器以获得双工器或滤波器的期望频率响应。例如，可能期望在滤波器的阻带中添加多个陷波以使各种不想要的信号衰减，所述信号可以是至滤波器的输入并且可以在不同频率下。因此，可能期望布置这些不想要信号的频率下的陷波响应。多个陷波还可用来延长抑制或频率阻带的带宽。
图12示出基于混合耦合器的滤波器的实施方案，其包括多个混合和滤波器的嵌套连接。滤波器可包括混合耦合器HC1、HC2…HCN和滤波器F11、F21…FN1和F2。例如，滤波器F11、F21…FN1的通带频率可被选择成与各种不想要信号的频率对准，并且滤波器F2的通带频率可被选择成与复合滤波器的期望通带对准。此嵌套的基于混合耦合器的滤波器的阶数可通过串联添加更多单元来增加。混合耦合器的HC1、HC2…HCN的Iso和In端口可具有连接到它们的额外滤波器。可使用这种方法的固定以及可调谐或可重新配置版本。
图13示出通过将可调谐/可重新配置的混合耦合器HC1的直通端口(T)和耦合端口(C)与两个可调谐/可重新配置的滤波器F1和F2以及它们相关联的可调谐/可重新配置的负载端接来实现可调谐/可重新配置的反射型滤波器的实施方案。两个其他可调谐/可重新配置的滤波器F3和F4可与可调谐/可重新配置的混合耦合器的输入端口(In)和隔离端口(Iso)以及可调谐/可重新配置的二端口反射型滤波器端口串联布置。
当混合耦合器HC1和/或滤波器F3、F4、F1、F2中的一个或多个或它们相关联的负载可调谐/可重新配置时，可实现可调谐/可重新配置的响应。例如，二端口网络F1、F2、F3和F4可被设计成使得总传递函数具有在某些频率下的一个或多个通带和在其他某些频率下的一个或多个阻带。滤波器F1、F2、F3和F4的传递函数或反射系数可以是可调谐/可重新配置的，使得新的二端口网络的总传递函数也是可调谐/可重新配置的。这种方法的其他实施方案可能不包括滤波器F3或F4。图13的多个滤波器的嵌套连接也是可能的，类似于图12的滤波器，其中单元滤波器可能不包括滤波器F3或F4。
虽然具体说明示出基于混合耦合器的双工器和基于混合耦合器的滤波器中具有单通带的滤波器，但是本公开的教示适用于这些滤波器可具有多通带的情况。应用可包括载波聚合、多频带操作、多模式操作或多标准操作。在这些情况下，基于混合耦合器的双工器和滤波器的组件中的一些或所有可被设计成包括多个通带。
封装方法可用来形成与常规滤波器或双工器封装兼容或改进的解决方案。例如，当与常规声滤波器或双工器相比时，图5B的滤波器F1、F2和F3可使用更少的声谐振器或具有更低阶的滤波器。
滤波器F1和F2可位于同一管芯上以实现它们之间的良好匹配，如图14A所示。良好匹配对于获得高隔离度可是非常有用的，这可取决于图5B中的混合消除方案的主路径和消除路径中的失配量。此外，F1、F2和F3可位于同一管芯上以减小封装面积或成本或它们之间的温度差，如图14B所示。可替代地，滤波器F1、F2和F3可位于不同管芯上，但如图14C所示的进行共同封装。在这个方案中，可基于性能和经济考虑来选择针对F1、F2和F3的适当工艺。可使用各种封装技术。例如，可选择晶圆级封装以最小化封装面积。类似地，例如，图7B的基于混合耦合器的滤波器的滤波器F1和F2可位于相同管芯或不同管芯上，但进行共同封装。
其他无源装置，例如，图5B的混合耦合器HC1和HC2以及图7B的混合耦合器HC1，可以在集成无源装置(IPD)上实现或集成在共用基板(诸如低温共烧陶瓷(LTCC)基板)上。例如，混合耦合器可被实现为使用集总组件(诸如在IPD工艺中制造的电感器和电容器)的集总混合耦合器。图15示出一个实施方案。所述实施方案使用分支线混合耦合器的集总实现方式。混合耦合器可被实现为分布式混合耦合器，诸如使用传输线的一种耦合器。取决于带宽要求，可使用混合耦合器的较宽频带实现方式，诸如Lange混合耦合器。
混合耦合器和基于混合的双工器和滤波器的滤波器可被共同封装。例如，并且如图16A所示，可将一个或多个混合耦合器模块与一个或多个滤波器模块集成在一个封装内部。每个混合模块可包含一个或多个混合耦合器。每个滤波器模块可包含一个或多个谐振器或滤波器。每个混合模块可使用IPD工艺并且每个滤波器可使用SAW或BAW谐振器。此外，并且如图16B所示，可将滤波器和混合耦合器模块与放大器或开关模块共同封装，各自分别包括一个或多个放大器和开关。放大器可由功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)或其他射频(RF)放大器组成。所述模块可由一个或多个混合耦合器、使用声谐振器的一个或多个滤波器、一个或多个开关以及可以是LNA、PA或其他RF放大器的一个或多个放大器组成。
滤波器模块和混合模块可被堆叠以形成较小的封装面积和良好的电连接。可使用2.5D/3D管芯堆叠。例如，并且如图17A所示，可将混合耦合器模块堆叠在滤波器模块之上，可使用铜凸块来连接两个模块，并且焊料凸块可用于外部连接。可替代地，可将滤波器模块堆叠在混合模块之上，如图17B所示。如图17C所示，可将多于一个混合模块堆叠在一个滤波器模块之上，或如图17D所示，可将两个或更多个滤波器模块堆叠在一个混合模块之上。可将堆叠的混合耦合器和滤波器模块与放大器或开关模块堆叠在一起或共同封装。在所有方案中，经由丝焊或焊料凸块的穿通晶圆可用于电连接。
在替代的方法中，混合和滤波器可共享同一基板。例如，混合和滤波器可全部实现在IPD工艺中。
图5B的混合消除方案的第四端口可在IPD上与期望负载端接，所述负载可以是具有阻抗的全无源装置，所述阻抗具有实部和虚部。在图5B中的混合消除方案的主路径和消除路径中可能存在其他无源组件，诸如移相器和衰减器。这可用来改进匹配和/或减小各个端口的反射系数，继而可导致更高的TX至RX隔离度。这些额外的无源组件可以是混合模块的一部分。类似地，图13的混合滤波器方案中的负载Load1和Load2可与混合耦合器在IPD工艺中集成。
在设计中可考虑各种因素，包括但不限于，成本、制造复杂性、最终形状因数(包括高度和封装面积)、热膨胀匹配系数、热耗散能力和/或电性能。
已经论述的组件、步骤、特征、目的、益处和优点仅是说明性的。其中的任何一个及与其相关的论述均不以任何方式限制保护范围。也可设想许多其他实施方案。这些包括具有更少的、另外的和/或不同组件、步骤、特征、目的、益处和优点的实施方案。这些还包括将组件和/或步骤不同地布置和/或定序的实施方案。
除非另外说明，否则在所述说明书中阐述的包括在随后权利要求书中的所有的测量、值、等级、位置、幅值、大小及其他规范均为近似的，而不是准确的。它们意在具有与它们有关的功能一致以及与它们所属领域中的习惯一致的合理的范围。
在本公开中提到的所有制品、专利、专利申请及其他公布以引用的方式并入本文。
权利要求中使用的短语“用于...的装置”意欲并且应当被解释为包括已经描述的对应结构和材料及其等价物。类似地，权利要求中使用的短语“用于...的步骤”意欲并且应当被解释为包括已经描述的对应动作及其等价物。权利要求中没有这些短语意味着所述权利要求不意欲并且不应当被解释为限于这些对应结构、材料或动作或其等价物。
要求保护的范围仅仅由所附权利要求书限定。所述范围在根据本说明书和以下审查历史解释时意欲并且应当解释为与权利要求书中使用的语言的普通含义一致的那样宽，除了已经阐明具体含义处，并且试图包括所有结构性和功能性的等价物。
关系性术语如“第一”和“第二”等仅仅可以用来将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开而没有必要要求或暗示它们之间的任何真实的关系或顺序。当与本说明书或权利要求书中的元素清单结合使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”以及其任何其他变体意欲指示所述清单不是排他性的并且可包括其他元素。类似地，没有更多的约束的前提下，之前加“一个(a/an)”的元素并不排除存在另外的相同类型的元素。
权利要求书中的任一项都不意欲包括未满足专利法部分101、102或103的要求的主题，它们也不应当被以这种方式解释。这一主题的任何非预期的覆盖范围因此被放弃。除了仅在这一段中陈述，无论权利要求中是否有叙述，已论述或说明的任何内容都不意欲或应当解释成专指那些已公布的任何组件、步骤、特性、目标、益处、优点或等价物。本文提供摘要以帮助读者快速确定技术性公开的本质。应理解摘要的提交不是用来解释或限制权利要求书的范围或含义。此外，在各个实施方案中将前述详细描述中的各种特征组合在一起以流水线化本公开。本公开的这种方法不应解释为要求保护的实施方案需要比每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。而是如所附权利要求书反映的，本发明的主题依存于少于单个公开的实施方案的所有特征。因此，以下权利要求书均在此并入详述中，其中每项权利要求独立可作为分别要求的主题。

Claims (20)

1.一种射频滤波器，包括：
第一端口和第二端口；
混合耦合器，所述混合耦合器具有输入端口(“In”)、直通端口(“T”)、耦合端口(“C”)和隔离端口(“Iso”)；
第一声带通滤波器，耦合到所述直通端口和所述耦合端口；和
第二声带通滤波器，耦合到所述输入端口和所述第一端口；
其中：
所述第二端口耦合到所述隔离端口；
所述混合耦合器是集成无源装置；
所述第一和第二声带通滤波器和所述混合耦合器以堆叠配置共同封装；和
所述第一声带通滤波器或所述第二声带通滤波器中的一个具有对应于无线通信系统的发送频带的第一通带，而所述第一声带通滤波器或所述第二声带通滤波器中的另一个具有对应于所述无线通信系统的接收频带的第二通带。
2.如权利要求1所述的射频滤波器，其中所述第一和第二声带通滤波器中的仅一个耦合到所述直通端口和所述耦合端口。
3.如权利要求1所述的射频滤波器，其中所述第一声带通滤波器和所述第二声带通滤波器位于共同晶圆中。
4.如权利要求1所述的射频滤波器，其中所述第一声带通滤波器和所述第二声带通滤波器是表面声波滤波器。
5.如权利要求1所述的射频滤波器，其中所述第一声带通滤波器和所述第二声带通滤波器是体声波滤波器。
6.如权利要求1所述的射频滤波器，其中所述第一声带通滤波器和所述第二声带通滤波器具有2个或1个的谐振器。
7.一种具有一个或多个发送频带和一个或多个接收频带的射频双工器，包括：
两个混合耦合器；
第一声滤波器，包括：包括所述一个或多个发送频带的第一通带以及包括所述一个或多个接收频带的第一阻带；
第二声滤波器，包括所述第一通带和所述第一阻带；和
第三声滤波器，包括：包括所述一个或多个接收频带的第二通带以及包括所述一个或多个发送频带的第二阻带；
其中：
所述第一声滤波器耦合到所述两个混合耦合器中的每一个；
所述第二声滤波器耦合到所述两个混合耦合器中的每一个；
所述第三声滤波器耦合到所述两个混合耦合器中的一个；
所述两个混合耦合器是集成无源装置；
所述第一声滤波器、所述第二声滤波器、所述第三声滤波器和所述两个混合耦合器以堆叠配置共同封装；和
所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个可重新配置，以重新配置滤波器阶数或滤波器类型。
8.如权利要求7所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器和所述第二声滤波器位于共同晶圆中。
9.如权利要求7所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个是表面声波滤波器。
10.如权利要求7所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个是体声波滤波器。
11.如权利要求7所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个可从巴特沃斯滤波器重新配置为切比雪夫滤波器。
12.如权利要求7所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器和所述第二声滤波器两者可重新配置，以重新配置滤波器阶数或滤波器类型。
13.根据权利要求7所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器和所述第三声滤波器中的每一个可重新配置，以重新配置滤波器阶数或滤波器类型。
14.一种具有一个或多个发送频带和一个或多个接收频带的射频双工器，包括：
两个混合耦合器；
第一声滤波器，包括：包括所述一个或多个接收频带的第一通带以及包括所述一个或多个发送频带的第一阻带；
第二声滤波器，包括所述第一通带和所述第一阻带；和
第三声滤波器，包括：包括所述一个或多个发送频带的第二通带以及包括所述一个或多个接收频带的第二阻带；
其中，
所述第一声滤波器耦合到所述两个混合耦合器中的每一个；
所述第二声滤波器耦合到所述两个混合耦合器中的每一个；
所述第三声滤波器耦合到所述两个混合耦合器中的一个；
所述两个混合耦合器是集成无源装置；
所述第一声滤波器、所述第二声滤波器、所述第三声滤波器和所述两个混合耦合器以堆叠配置共同封装；和
所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个可重新配置，以重新配置滤波器阶数或滤波器类型。
15.如权利要求14所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器和所述第二声滤波器位于共同晶圆中。
16.如权利要求14所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个是表面声波滤波器。
17.如权利要求14所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个是体声波滤波器。
18.如权利要求14所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器或所述第三声滤波器中的至少一个可从巴特沃斯滤波器重新配置为切比雪夫滤波器。
19.如权利要求14所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器和所述第二声滤波器两者可重新配置，以重新配置滤波器阶数或滤波器类型。
20.如权利要求14所述的射频双工器，其中所述第一声滤波器、所述第二声滤波器和所述第三声滤波器中的每一个可重新配置，以重新配置滤波器阶数或滤波器类型。
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