CN106253873A - 一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，包括：信号输入端和信号输出端；设置于信号输入端与信号输出端之间的晶体管，晶体管包括晶体管输入端、晶体管输出端和晶体管接地端；通过电连接方式串联于晶体管输出端与信号输出端之间的第一薄膜体声波谐振器组阵列和/或通过电连接方式串联于晶体管输入端与信号输入端之间的第二薄膜体声波谐振器组阵列；所述薄膜体声波谐振器组阵列用于晶体管高次谐波开路；薄膜体声波谐振器组阵列包括至少一个薄膜体声波谐振器组；薄膜体声波谐振器包括第一电极、第二电极以及设置于两电极之间的介质薄膜层。薄膜体声波谐振器对放大模块进行谐波调谐，提高基于该放大模块的放大器效率，改善线性度。

Description

一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块

技术领域

本发明涉及半导体、微电子及通讯技术领域，特别是涉及一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块。

背景技术

现代无线通讯技术发展迅速，高效率、高线性度和小型化等指标对功率放大器的性能提出越来越高的要求。

放大器的漏极效率公式如下所示：

$DE=\frac{P_{Out,f}}{P_{DC}}=\frac{P_{Out,f}}{P_{diss}+P_{Out,f}+{\mathrm{\ΣP}}_{Out,nf}}$

由上式可知，放大器漏极效率与谐波功率，特别是二次谐波和三次谐波存在很大的关系。对放大器进行谐波处理能够抑制谐波功率，可以有效的提升放大器效率和线性度。

常用的放大器谐波处理方法主要是使用短截线或电容和电感构成的集总谐振器实现放大器谐波调谐，对高次谐波进行开路或者短路处理，将高次谐波能量全部反射回晶体管或包括晶体管的放大电路，提高放大器效率。

上述方法缺点是放大器的工作频段不太高时，短截线或集总谐振器的体积较大，很难在管壳内实现谐波内匹配设计，只能在放大器封装管壳外的电路板上才能进行谐波调谐，实现晶体管或包括晶体管的放大电路谐波短路。然而在放大器封装管壳外的电路板上进行谐波调谐，存在以下问题：一、谐波匹配网络需要占据大量的空间，不利于小型化。二、谐波匹配网络离功率放大器的核心元件晶体管距离较远，损耗较高，导致功率放大器效率降低。三、谐波匹配网络和基波匹配网络之间相互干扰，设计难度较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，该放大模块采用薄膜体声波谐振器对晶体管进行谐波调谐，提高放大模块效率，改善放大模块线性度。

为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，包括：

信号输入端和信号输出端；

设置于所述信号输入端与所述信号输出端之间的晶体管，所述晶体管包括晶体管输入端、晶体管输出端和晶体管接地端；

通过电连接方式串联于所述晶体管输出端与所述信号输出端之间的第一薄膜体声波谐振器组阵列和/或通过电连接方式串联于所述晶体管输入端与所述信号输入端之间的第二薄膜体声波谐振器组阵列，所述薄膜体声波谐振器组阵列用于晶体管高次谐波开路；；

固定放置所述晶体管以及所述薄膜体声波谐振器阵列组的底座；

所述薄膜体声波谐振器组阵列包括至少一个薄膜体声波谐振器组；

所述薄膜体声波谐振器组包括至少一个薄膜体声波谐振器；

所述薄膜体声波谐振器包括第一电极、第二电极以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的介质薄膜层。

优选地，所述薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块还包括封装管壳，所述封装管壳包括管壳输入端、管壳输出端和直流偏置端；

所述管壳输入端与所述信号输入端相连接，所述管壳输出端与所述信号输出端相连接。

优选地，所述底座接地。

优选地，所述电连接方式包括通过键合线连接和通过电容、电阻或电感组成的电路连接。

优选地，所述薄膜体声波谐振器为固态封装型薄膜体声波谐振器、空腔型薄膜体声波谐振器或隔膜型薄膜体声波谐振器。

优选地，所述介质薄膜层为氮化铝压电介质薄膜、氧化锌介质薄膜或钛酸锶钡铁电介质薄膜。

应用本发明提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，包括：信号输入端和信号输出端；设置于所述信号输入端与所述信号输出端之间的晶体管，所述晶体管包括晶体管输入端、晶体管输出端和晶体管接地端；通过电连接方式串联于所述晶体管输出端与所述信号输出端之间的第一薄膜体声波谐振器组阵列和/或通过电连接方式串联于所述晶体管输入端与所述信号输入端之间的第二薄膜体声波谐振器组阵列，所述薄膜体声波谐振器组阵列用于晶体管高次谐波开路；固定放置所述晶体管以及所述薄膜体声波谐振器阵列组的底座；所述薄膜体声波谐振器组阵列包括至少一个薄膜体声波谐振器组；所述薄膜体声波谐振器组包括至少一个薄膜体声波谐振器；

所述薄膜体声波谐振器包括第一电极、第二电极以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的介质薄膜层。所述薄膜体声波谐振器对放大器进行谐波调谐，将高次谐波全部反射回晶体管或包括晶体管的放大模块，进而能够提高放大器效率，改善放大器线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例一的俯视图；

图2为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例一的剖视图；

图3为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例一的等效电路图；

图4为本发明薄膜体声波谐振器中的固态封装型薄膜体声波谐振器的剖视图；

图5为本发明薄膜体声波谐振器中的空腔型薄膜体声波谐振器的剖视图；

图6为本发明薄膜体声波谐振器中的隔膜型薄膜体声波谐振器的剖视图；

图7为本发明薄膜体声波谐振器的等效电路图；

图8为本发明薄膜体声波谐振器的理想的薄膜体声波谐振器的阻抗结果；

图9为本发明谐波调谐放大模块的实施例一的串联谐振器的剖视图；

图10为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例二的剖视图；

图11为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例二的等效电路图；

图12为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例三的剖视图；

图13为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例三的等效电路图；

图14为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例四的薄膜体声波谐振器剖视图；

图15为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例五的薄膜体声波谐振器剖视图；

图16为本发明薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的实施例五的薄膜体声波谐振器的等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本发明实施例一提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块俯视图如图1所示。该放大模块包括晶体管12、薄膜体声波谐振器101和102、管壳底座111、键合线15、1/4波长微带线16和内匹配电容14。

晶体管可以是氮化镓高电子迁移率晶体管、砷化镓高电子迁移率晶体管、金属氧化物场效应晶体管、横向金属氧化物场效应晶体管或结型晶体管。晶体管的输入端、输出端和接地端分别为晶体管的栅极、漏极和源极或者为晶体管的基极、集电极和发射极。本实施例以氮化镓高电子迁移率晶体管进行举例说明。

如图1和图2所示，管壳包括管壳底座111、管壳输入端112、管壳输出端113和漏极直流偏置端114。管壳输入端112和管壳输出端113之间设有绝缘材料115，实现电隔离。晶体管的栅极122为输入端、漏极123为输出端、晶体管的源极121为接地端。

1/4波长微带线16的特性阻抗为50欧姆，微带线的电长度为放大模块工作频率的1/4波长。实际应用时，设计键合线15使其与直流偏置端和管壳底座形成的电容谐振于放大模块的工作频率。经过1/4波长微带线变换后，在与谐振器键合线连接处实现开路。1/4波长线保证了直流偏置端不会对放大模块的RF信号输出端造成影响。

薄膜体声波谐振器101和102、晶体管12、内匹配电容14设置于管壳底座111之上，实际应用时优选方案可以通过焊料将其焊接于底座之上。氮化镓高电子迁移率晶体管源极设有通孔124，通孔124侧壁上镀有导电金属，实现晶体管源极接地。

本实施例中电连接包括通过键合线连接和通过电容、电阻或电感组成的电路连接；

本实施例中管壳输入端112连接信号输入端，管壳输出端113连接信号输出端。输出端112和输出端113之间通过绝缘材料115实现电隔离。晶体管的输入端122、内匹配电容、管壳输入端通过键合线15电连接。晶体管输出端123与薄膜体声波谐振器组101的上电极通过键合线15电连接，薄膜体声波谐振器组101的下电极通过键合线15电连接与薄膜体声波谐振器组102的上电极连接，薄膜体声波谐振器组102的下电极与管壳输出端113通过键合线15电连接。

本实施例提供的薄膜体声波谐振器输出薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块等效电路图如图3所示。薄膜体声波谐振器1的并联谐振频率与功率放大模块工作频率的二次谐波频率相等，薄膜体声波谐振器2的并联谐振频率与功率放大模块工作频率的三次谐波频率相等，实现输出二次谐波和三次谐波开路。

本实施例中的薄膜体声波谐振器组阵列包括两个薄膜体声波谐振器组，每组中有一个薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器包括第一电极、第二电极以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的介质薄膜层。薄膜体声波谐振器(FBAR，Film Bulk Acoustic Resonator)为三明治结构，介质薄膜层夹于第一电极和第二电极之间。

薄膜体声波谐振器可为固态封装型薄膜体声波谐振器、空腔型薄膜体声波谐振器或隔膜型薄膜体声波谐振器，其中，介质薄膜层可以为压电薄膜或者铁电薄膜，其材料可以是氮化铝、氧化锌或钛酸锶钡。以氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)为代表的压电材料，以及铁电薄膜钛酸锶钡(BST)在外加偏置下，都非常适合制备高性能的薄膜体声波谐振器。图4～图6分别示出了三种类型薄膜体声波谐振器的结构示意图，三种类型的薄膜体声波谐振器均包括：下电极131、上电极132，以及设置在下电极131和上电极132之间的介质薄膜层133；

由图4可知，固态封装型薄膜体声波谐振器还包括：位于下电极131之下的布拉格反射层1311和衬底1312。其中，布拉格反射层包括至少三组布拉格子反射层，布拉格子反射层自上而下包括：依次层叠的第一子反射层13111和第二子反射层13112，第一子反射层13111的声阻抗低于第二子反射层13112的声阻抗；第一子反射层13111和第二子反射层13112的厚度均为放大模块谐波频率对应的该薄膜材料中声波波长四分之一的整数倍。第一子反射层13111和第二子反射层13112的材料可以分别为二氧化硅和钼。该布拉格反射层能够将薄膜介质产生的声能量全反射回谐振器，提高谐振器的性能。

由图5可知，空腔型薄膜体声波谐振器还包括：位于下电极131之下，自上而下依次层叠的支持层1321和衬底1322，其中，衬底1322位于支持层1321的两端。该空腔能够将薄膜介质产生的声能量全反射回谐振器，提高谐振器的性能。

由图6可知，隔膜型薄膜体声波谐振器还包括：位于下电极131之下，自上而下依次层叠的支持层1331和衬底1332，其中，谐振器和支持层1331下侧区域设置有空腔1333，空腔1333内装有空气。该空腔能够将薄膜介质产生的声能量全反射回谐振器，提高谐振器的性能。

薄膜体声波谐振器的谐振频率由电极材料、电极厚度、介质薄膜材料和介质厚度决定。理想的薄膜体声波谐振器的等效电路如图7所示，包括静态电容C₀，动态电容C_m和动态电感L_m。如图8所示薄膜体声波谐振器存在两个谐振频率，低阻抗的串联谐振频率由动态电容C_m和动态电感L_m谐振形成，高阻抗的并联谐振频率由静态电容C₀,动态电容C_m和动态电感L_m共同谐振形成。在谐振频率外的频段，薄膜体声波谐振器等价为静态电容。特别有意义的是将多个薄膜体声波谐振器级联时，能够展宽谐振器的谐振频率，非常适合宽频带内对晶体管进行谐波处理。

将薄膜体声波谐振器应用于晶体管或包括晶体管的放大电路的高次谐波调谐，实现高次谐波开路，将能量全部反射回晶体管或包括晶体管的放大电路。当薄膜体声波谐振器与晶体管串联，且薄膜体声波谐振器并联谐振频率与晶体管的高次谐波(nf₀，其中f₀为基波频率)发生谐振时，实现高次谐波开路。

本实施例以固态封装型薄膜体声波谐振器进行举例说明。

薄膜体声波谐振器101和102的剖视图如图9所示，包括Bragg反射层、底电极131、介质薄膜133和上电极132。Bragg反射层33从基片向上依次由3组高声阻抗层和低声阻抗层交叠而成，用于将薄膜体声波谐振器的声能量反射回谐振器。高声阻抗层可以是Mo薄膜、低声阻抗层可以是SiO₂薄膜。底电极131和上电极132可以是金、铂、钼等导电金属薄膜。介质薄膜可以是压电介质薄膜氧化锌、氮化铝或者是铁电介质薄膜钛酸锶钡。

本实施例一提供的薄膜体声波谐振器输出薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，将薄膜体声波谐振器组与晶体管封装于同一底座上，实现输出二、三次谐波开路，同时通过调节晶体管输出端键合线的长度，进行谐波阻抗调节，从而提高基于该放大模块的放大器的效率，改善放大器的线性度。该模块只需要在输出外匹配电路进行基波匹配，由于该放大模块已经完成了谐波匹配，大大缩小了谐波调谐功率放大模块的电路尺寸，同时降低设计难度。

实施例二：

实施例二提供的输入薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块剖视图如图10所示，等效电路图如图11所示。

本实施例三提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，薄膜体声波谐振器组阵列包括两个薄膜体声波谐振器组，每组中有一个薄膜体声波谐振器。将薄膜体声波谐振器组与晶体管封装于同一底座上，对晶体管输入端实现输入二次谐波和三次谐波开路。同时通过调节晶体管输入端键合线的长度，进行谐波阻抗的相位和阻抗调节，使晶体管获得最佳源阻抗Zs，从而提高基于该放大模块的放大器效率，改善放大器的线性度。基于该模块的放大器设计时只需要在输入端进行外匹配电路设计，进行基波匹配。由于该放大模块已经完成了谐波匹配，可以大大缩小放大器电路尺寸，同时降低放大器的设计难度。

实施例三：

实施例三提供的输入输出薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块俯视图如图12所示，等效电路图如图13所示。与实施例一或实施例二不同的是晶体管输入端和输出端同时对晶体管进行谐波调谐。本实施例中晶体管输入端与晶体管输出端均设置薄膜体声波谐振器组阵列，每一薄膜体声波谐振器组阵列包括两个薄膜体声波谐振器组，每组中有一个薄膜体声波谐振器。

本实施例三提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，将薄膜体声波谐振器组与晶体管封装于同一底座上，实现输入、输出端二次谐波和三次谐波开路，同时通过调节晶体管输入、输出端键合线的长度，进行实现谐波阻抗的相位和阻抗调节，使晶体管获得最佳源阻抗Zs和最佳负载阻抗Zl，从而提高基于该放大模块的放大器效率和线性度。由于该放大模块已经完成了谐波匹配，放大器设计时只需要在外匹配电路进行基波匹配，大大缩小了放大器的电路尺寸，同时降低设计难度。

实施例四：

实施例四提供的薄膜体声波谐振器薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的薄膜体声波谐振器组包含两个薄膜体声波谐振器组，如图14所示。以实施例一至实施例三不同的是直接将多组薄膜体声波谐振器集成在一起，本实施例四提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块以两组薄膜体声波谐振器集成在一起为例进行举例说明。如图14所示薄膜体声波谐振器阵列包含两个薄膜体声波谐振器组，每组薄膜体声波谐振器包括一个分立谐振器。薄膜体声波谐振器组包含谐振器101和102或谐振器103和104。谐振器101和谐振器102共用下电极，谐振器101和谐振器102的上电极彼此隔离；谐振器103和谐振器104共用下电极，谐振器103和谐振器104的上电极彼此隔离。在实际应用时每个薄膜体声波谐振器可实现一个高次谐波调谐。

本实施例提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，直接将多组薄膜体声波谐振器集成在一起，每个薄膜体声波谐振器可实现一个高次谐波调谐。该放大模块可进一步减小谐振器阵列组的尺寸。

实施例五：

实施例五提供的薄膜体声波谐振器薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块中薄膜体声波谐振器组阵列包括多个薄膜体声波谐振器组，同时一个薄膜体声波谐振器组又包括多个薄膜体声波谐振器，展宽薄膜体声波谐振器的谐振频率，实现适用于宽带谐波调谐功率放大器的放大模块。本实施例以薄膜体声波谐振器阵列包含一个薄膜体声波谐振器组，薄膜体声波谐振器组包含三个薄膜体声波谐振器结构进行举例说明。

如图15所示，采用三个薄膜体谐振器形成一个薄膜体声波谐振器组，等效电路为T型匹配网络，如图16所示，谐振器1和3的谐振频率略高于谐振器2，可以展宽谐振器组的谐波频率，实现宽频带放大模块谐波调谐。

本实施例提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块的薄膜体声波谐振器组包含多个薄膜体声波谐振器结构，多个薄膜体声波谐振器可展宽谐振器组的串联谐振频率，从而实现宽频带放大模块谐波调谐，将高次谐波能量全部反射会晶体管，提基于该放大模块的放大器的线性度和效率。

实施例六：

实施例六提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块可以针对以上实施例进行改进。直接将底座嵌入热沉之上，晶体管的栅极与输入匹配网络电连接，晶体管的漏极与输出匹配网络电连接，漏极直流偏置端直接与电路直流偏置端电连接。输入匹配网络为信号输入端，输出匹配网络为信号输出端。

本发明实施例六提供的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块直接将晶体管、薄膜体声波谐振器及1/4波长变换线焊接于底座上，实现高次谐波开路。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的模块进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，其特征在于，包括：

信号输入端和信号输出端；

设置于所述信号输入端与所述信号输出端之间的晶体管，所述晶体管包括晶体管输入端、晶体管输出端和晶体管接地端；

通过电连接方式串联于所述晶体管输出端与所述信号输出端之间的第一薄膜体声波谐振器组阵列和/或通过电连接方式串联于所述晶体管输入端与所述信号输入端之间的第二薄膜体声波谐振器组阵列，所述薄膜体声波谐振器组阵列用于晶体管高次谐波开路；

用于固定放置所述晶体管以及所述薄膜体声波谐振器阵列组的底座；

所述薄膜体声波谐振器组阵列包括至少一个薄膜体声波谐振器组；

所述薄膜体声波谐振器组包括至少一个薄膜体声波谐振器；

所述薄膜体声波谐振器包括第一电极、第二电极以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的介质薄膜层。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，其特征在于，还包括封装管壳，所述封装管壳包括管壳输入端、管壳输出端和直流偏置端；

所述管壳输入端与所述信号输入端相连接，所述管壳输出端与所述信号输出端相连接。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，其特征在于，所述底座接地。

4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，其特征在于，所述电连接方式包括通过键合线连接和通过电容、电阻或电感组成的电路连接。

5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器为固态封装型薄膜体声波谐振器、空腔型薄膜体声波谐振器或隔膜型薄膜体声波谐振器。

6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器谐波调谐放大模块，其特征在于，所述介质薄膜层为氮化铝压电介质薄膜、氧化锌介质薄膜或钛酸锶钡铁电介质薄膜。