CN106712738B - 根据频率响应要求设计声微波滤波器的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及根据频率响应要求设计声微波滤波器的方法，包括：生成具有定义的导纳值的声学的谐振元件的提议的滤波器电路设计，引入与谐振元件并联的集中电容式元件和与谐振元件串联的集中电感式元件；为电容式元件选择第一电容值并且为电感式元件选择第一电感值，从而创建第一温度模型化的滤波器电路设计，在第一工作温度模拟第一温度模型化的滤波器电路设计，从而生成第一频率响应；为电容式元件选择第二电容值并且为电感式元件选择第二电感值，从而创建第二温度模型化的滤波器电路设计，在第二工作温度模拟第二温度模型化的滤波器电路设计，从而生成第二频率响应；以及将第一频率响应和第二频率响应与频率响应要求进行比较。

Description

根据频率响应要求设计声微波滤波器的方法
技术领域
本发明总体涉及微波滤波器，并且更具体地，涉及设计用于窄带应用的声微波滤波器。
背景技术
电滤波器已经在电信号的处理中长期使用。具体地，通过传递期望的信号频率同时阻止或者衰减其他不期望的电信号频率，这种电滤波器被用于从输入信号中选择期望的电信号频率。滤波器可以分类为几种一般类型，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器，表示由滤波器选择性地传递的频率的类型。此外，滤波器可以按类型分为诸如巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、反切比雪夫(Inverse Chebyshev)以及椭圆滤波器，其表示滤波器相对于理想的频率响应提供的带形频率响应(频率截止特性)的类型。
使用的滤波器的类型往往取决于预期的使用。在通信应用中，带通滤波器和带阻滤波器通常在蜂窝基站、手机听筒以及其他远程通信设备中使用，以在一个或多个预定义的频带内滤出或阻挡RF信号。最特别重要的是大约500MHz—3500MHz的频率范围。在美国，许多标准频带用于蜂窝通信中。这些包括频带2(～1800MHz—1900MHz)、频带4(～1700MHz—2100MHz)、频带5(～800MHz—900MHz)、频带13(～700MHz—800MHz)以及频带17(～700MHz—800MHz)；以及出现的其他频带。
微波滤波器一般使用两个电路构建块来构建：多个谐振器，其在谐振频率(其可以是基础谐振频率f0或各种更高阶谐振频率f1—fn中的任一个)非常有效地存储能量；以及耦合件，其在谐振器之间耦合电磁能以形成提供更宽的频谱响应的多个反射零点。例如，四谐振器滤波器可以包括四个反射零点。给定的耦合件的强度由其电抗(即电感和/或电容)决定。耦合件的相对强度决定滤波器形状，并且耦合件的拓扑决定滤波器是否执行带通或带阻功能。谐振频率f0主要由相应的谐振器的电感和电容决定。对于常规的滤波器设计，滤波器激活的频率由构造滤波器的谐振器的谐振频率决定。由于以上论述的原因，每个谐振器必须具有非常低的内部电阻，以使滤波器的响应能够敏锐且选择性高。对于低电阻的要求倾向于推动给定技术的谐振器的尺寸更小以及成本更低。
双工器(一种特定种类的滤波器)在移动装置的前端中是关键部件。现代移动通信设备使用同一天线在同一时间(使用LTE、WCDMA或CDMA)传输和接收。双工器将可以高达0.5瓦功率的传输信号与可以低至皮瓦的接收信号分开。在载体上以不同的频率调制传输信号和接收信号，以允许双工器选择这些信号。双工器必须在非常小的尺寸(往往仅大约两个平方毫米)内，提供频率选择、频率分离和低插入损耗。
前端接收滤波器优选地采取边界清晰的带通滤波器的形式，以消除从期望接收的信号频率附近的频率的强干扰信号产生的各种反效应。由于前端接收器滤波器的位置在天线输入端，插入损耗必须非常低以便不降低噪声系数。在大多数滤波器技术中，实现低插入损耗需要在滤波器陡峭度或选择度中的相应的妥协。
实际上，用于手机听筒的大多数滤波器使用声谐振器技术构造，诸如表面声波(SAW)、体声波(BAW)以及薄膜体声波谐振器(FBAR)技术。声谐振器具有在被称为“谐振”频率和“反谐振”频率的频率中具有小间距的两个谐振(参见K.S.Van Dyke,Piezo-ElectricResonator and its Equivalent Network Proc.IRE,Vol.16,1928,pp.742-764)。这种声谐振器与等效的电感器谐振器/电容器谐振器相比，具有低插入损耗、紧凑尺寸以及低成本的优点。因此声谐振器实现往往在移动设备的前端接收滤波器中用于微波滤波应用。声谐振器通常以梯拓扑(交错序列和分流谐振器)设置以便创建带通滤波器。声梯滤波器用于听筒应用已经非常成功，当前每年卖出超过十亿部。
具有声谐振器的现代微波滤波器的设计需要详细的模型来预测滤波器的频率响应。惯用的办法是使用每一个谐振器的所有几何方面构建周密的现象模型，例如间距、孔径、长度等。因为商业的声微波滤波器必须能够在宽的温度范围内遵从性能要求，能够在相关的温度范围内模仿声微波滤波器设计的性能是重要的，使得可以优化滤波器设计，以确保当制备时其在温度范围内遵从性能要求。因此，没有对于温度的效应的声滤波器的准确模型，声滤波器就不能被设计或持续优化。
准确地在温度范围内模仿声滤波器的最简单并且最常用的办法是通过正比于温度的量均匀地在整个频率范围内转换滤波器响应。然而，声微波滤波器的测量示出，该办法忽略了关键因素：对于给定的温度改变，谐振频率和反谐振频率转换不同的量。当构造作为滤波器的部件时，这不仅仅导致通带的中心频率改变，而且也导致通带的宽度改变。具体地，所有的谐振器的谐振频率改变移动滤波器的下限频率边缘，同时所有的谐振器的反谐振频率改变移动滤波器的上限频率边缘，但是是以对谐振频率不成比例的量。
例如，参考图1，在-20℃(虚线)、25℃(实线)以及100℃(虚线)测量了声微波滤波器的频率响应。如示出的，当温度升高时通带倾向于转换到较低频率。现在参考图2，在-20℃和100℃测量的真实的声微波滤波器的频率响应能与相应的声微波滤波器设计的模拟的频率响应作比较，该模拟的频率响应已根据两个温度成比例地转换(虚线)。可以很容易看出，当在-20℃和100℃模拟的频率响应的通带的左侧分别利用在-20℃和100℃的真实的频率响应的通带的左侧校准时，通带的右侧是没有校准的，证实通带不仅仅随温度改变转换，而且通带也随温度改变扭曲。因此，该简单办法不正确地预测不被温度改变的带宽。
模仿温度的效应的更精密的办法是在温度的范围内表征组成滤波器的单独的谐振器。每一个模型使用将随温度变化的某些数量的参数。使用基本的物理知识，一个人可以预测这些参数中的每一个将怎样随温度改变而改变。利用一种分析模型获取谐振器的响应，例如巴特沃斯-范戴克(Butterworth-VanDyke)或模式的耦合(Coupling-of-Modes)(参见A.Loseu and J.Rao,2010IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings,pp.1302-1306)。虽然在这种模型中提供了这么多的参数，然而难以找到持续预测的模型。此外，这种模型的构造是耗时的并且麻烦的。此外，由于当嵌入滤波器中时，每一个谐振器的重要的频率响应敏感地取决于周围元件，该模型甚至可能是误导的。因此，该精密的方法的主要困难是，一旦嵌入滤波器或双工器中，分离的谐振器测量对于相同谐振器的响应的如实平移。
因此，依然存在提供对声微波滤波器在温度范围内建模的改进方法的需求。
发明内容
根据本发明，提供了根据频率响应要求设计声微波滤波器的方法。例如，频率响应要求可以包括频率相关回波损耗、插入损耗、抑制以及线性度中的一项或多项。例如，频率响应要求可以包括在300MHz到300GHz范围内的通带，具体地在300MHz到10.0GHz内，并且更具体地在500MHz到3500MHz范围内。
该方法包括生成具有多个电路元件的提议的滤波器电路设计，该电路元件包括具有定义的导纳值的声学的谐振元件。例如，声学的谐振元件可以是表面声波(SAW)谐振器、体声波(BAW)谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)以及微机电系统(MEMS)谐振器。例如，声谐振器可以被建模为Butterworth-VanDyke(BVD)模型、为Coupling of Modes(COM，模式耦合)模型或有限元模型(Finite Element Model，FEM)。例如，提议的滤波器电路设计可具有N阶梯拓扑。
该方法进一步包括引入与谐振元件并联的集中电容式元件和与谐振元件串联的集中电感式元件。该方法进一步包括为电容式元件选择第一电容值并且为电感式元件选择第一电感值，从而创建将谐振元件的定义的导纳值转换到第一导纳值的第一温度模型化的滤波器电路设计，以及在第一工作温度模拟第一温度模型化的滤波器电路设计，从而生成第一频率响应。该方法进一步包括为电容式元件选择第二电容值并且为电感式元件选择第二电感值，从而创建将谐振元件的定义的导纳值转换到不同于第一导纳值的第二导纳值的第二温度模型化的滤波器电路设计，以及在第二工作温度模拟第二温度模型化的滤波器电路设计，从而生成第二频率响应。例如，第一电容值和第二电容值可以在-40pF–40pF的范围内，并且例如，第一电感值和第二电感值可以在-10nH–10nH的范围内。可选的方法进一步包括优化提议的滤波器电路设计，在该种情况下，引入集中电容式元件和集中电感式元件到优化的提议的滤波器电路设计里。该方法进一步包括将第一频率响应和第二频率响应与频率响应要求作比较，并且基于比较从提议的滤波器电路设计构造声微波滤波器。
在一个实施方式中，第一电容值和第一电感值作为第一工作温度的函数来计算，并且第二电容值和第二电感值作为第二工作温度的函数来计算。例如，可以选择第一电容值等于第一比例因子、提议的滤波器电路设计的谐振元件的面积、以及第一工作温度和基线温度之间的差的乘积；可以选择第二电容值等于第一比例因子、提议的滤波器电路设计的谐振元件的面积、以及第二工作温度和基线温度之间的差的乘积；可以选择第一电感值等于第二比例因子、以及第一工作温度和基线温度之间的差的乘积；以及可以选择第二电感值等于第二比例因子、以及第二工作温度和基线温度之间的差的乘积。
可以以各种方式中的任何一种来确定比例因子。例如，参考滤波器电路设计具有多个电路元件，该电路元件包括能够生成的参考声学的谐振元件以及能够从参考滤波器电路设计构造的参考声微波滤波器。参考谐振元件由与所提出的滤波器电路设计的谐振元件相同的材料组成。参考声微波滤波器的参考频率响应可以在参考工作温度测量，并且可以基于参考频率响应计算第一比例因子和第二比例因子中的每个。
例如，可以引入与参考谐振元件并联的集中参考电容式元件和与参考谐振元件串联的集中参考电感式元件，并且为集中参考电容式元件选择参考电容值以及为集中参考电感式元件选择参考电感值，从而生成温度模型化的参考滤波器电路设计。然后可以在参考工作温度模拟温度模型化的参考滤波器电路设计，同时改变参考电容值和参考电感值，直至模拟的参考滤波器电路设计的频率响应与测量的温度模型化的参考声微波滤波器在参考工作温度的频率响应相匹配，从而得到最终参考电容值和最终参考电感值。第一比例因子可以等于最终参考电容值，除以参考谐振元件的面积与在其他工作温度和基线工作温度之间的差的乘积，并且第二比例因子可以等于最终参考电感值除以在参考工作温度和基线工作温度之间的差。
从阅读下面的优选实施方式的详细说明，本发明的其他和进一步的方面和特征将是显而易见的，该优选实施方式的目的是说明的而并非限制本发明。
附图说明
附图示出了本发明的优选实施方式的设计和功用，其中相似的元件由共同的参考标号表示。为了更好理解如何获得本发明的上述以及其他优点和目标，通过参考在附图中示出的本发明的特定实施方式，将提出对以上简要描述的本发明的更具体的说明。应理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施方式，因此并不应视为限制其范围，通过使用附图，将利用另外的特异性和细节描述和解释本发明，其中：
图1是比较在不同的工作温度下模拟的声滤波器电路设计的通带的频率响应图；
图2是将在不同的工作温度下模拟的声滤波器电路设计的通带与在相同工作温度下测量的实际的声滤波器的通带进行比较的频率响应图；
图3是无线电信系统的框图；
图4是用于设计在图3的无线电信系统中使用的微波声滤波器的技术的流程图；
图5是以N阶梯拓扑设置的常规的微波声滤波器的示意图；
图6是示出图5的声滤波器的声谐振器转换为等效的修正的Butterworth-VanDyke(MBVD)模型的示意图；
图7是示出图5的常规声滤波器的MBVD等效电路的示意图；
图8是示出具有温度补偿的集中电路元件的声谐振器的示意图；
图9是示出图8的温度模型化的声谐振器转换为等效的修正的Butterworth-VanDyke(MBVD)模型的示意图；
图10是示出使用图8的声谐振器的温度模型化的声滤波器电路设计的示意图；
图11是示出用于计算温度模型化的集中电路元件的比例因子的技术的流程图；
图12是将根据图4示出的技术的声滤波器电路设计的通带与从声滤波器电路设计构造的实际的声滤波器的通带进行比较的频率响应图；以及
图13是能够实现图4的滤波器设计技术的计算机化步骤的计算机化滤波器设计系统的框图。
具体实施方式
本发明描述了用于设计声波(AW)微波滤波器(诸如表面声波(SAW)滤波器、体声波(BAW)滤波器、薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器、微机电系统(MEMS)滤波器)的技术。该技术能够应用到在300MHz到300GHz频率范围内、特别是在300MHz到10.0GHz频率范围内、并且甚至更特别是在500MHz到3.5GHz频率范围内的AW微波滤波器。这种AW微波滤波器可以是固定频率的和/或可调谐的滤波器(频率和/或带宽和/或输入阻抗和/或输出阻抗可调谐)，并且可以用于单带或多带带通滤波和或带阻。这种AW微波滤波器在具有要求高的电气和或环境性能要求和/或苛刻的成本/尺寸约束的应用中是有利的，诸如在移动通信设备的无线电频率(RF)前端(包括手机、智能手机、笔记本电脑、平板电脑等)或固定通信设备的RF前端(包括M2M设备、无线基站、卫星通信系统等)中发现的那些应用。
本文中描述的示例AW微波滤波器展示了具有单通带的频率响应，其在电信系统双工器中特别有用。例如，参考图3，在移动通信设备中使用的电信系统10可以包括能够传输和接收无线信号的收发器12、能够控制收发器12的功能的控制器/处理器14。收发器12一般包括宽带天线16、具有传输滤波器24和接收滤波器26的双工器18、经由双工器18的传输滤波器24耦合至天线16的发射器20以及经由双工器18的接收滤波器26耦合至天线16的接收器22。
传输器20包括上变频器28，被配置为将由控制器/处理器14提供的基带信号转换为无线电频率(RF)信号；可变增益放大器(VGA)30，被配置为放大RF信号；带通滤波器32，被配置为以由控制器/处理器14所选择的工作频率输出RF信号；以及功率放大器34，被配置为放大已滤波的RF信号，然后经由双工器18的传输滤波器24将已滤波的RF信号提供至天线16。
接收器22包括槽口或带阻滤波器36，被配置为抑制从天线16经由接收器滤波器26传输从RF信号输入的信号干扰；低噪声放大器(LNA)38，被配置为放大来自阻带滤波器36的具有相对低噪声的RF信号；带通滤波器40，被配置为以由控制器/处理器14所选择的频率输出放大的RF信号；以及下变频器42，被配置为下转换RF信号为基带信号，该基带信号被提供给控制器/处理器14。可替换地，由阻带滤波器36执行的抑制传输信号干扰的功能可以由双工器18代替执行。或传输器20的功率放大器34可以被设计为减少传输信号干扰。
应理解，在图3中示出的框图本质上是功能性的，并且可以由一个电子元件执行几个功能或者可以由几个电子元件执行一个功能。例如，由上变频器28、VGA30、带通滤波器40、下变频器42以及控制器/处理器14执行的功能常常由单个收发器芯片执行。带通滤波器32的功能可以由功率放大器34和双工器18的传输滤波器24执行。
尽管相同的技术可以用于设计用于双工器18的接收滤波器26和其他RF滤波器的声微波滤波器，本文中描述的示例性技术是用于设计用于电信系统10的前端的声微波滤波器，并且具体是双工器18的传输滤波器24。
现在参考图4，将描述用于设计AW微波滤波器的一个示例性技术50。首先，由滤波器的应用建立滤波器要求，包括频率响应要求(包括通带、回波损耗、插入损耗、抑制、线性度、噪声系数、输入阻抗和输出阻抗等)，还有尺寸要求和成本要求，以及环境要求，诸如工作温度范围、振动、故障率等(步骤52)。
接下来，选择用于AW滤波器中的电路元件的结构类型；例如，选择了谐振器的结构类型(SAW、BAW、FBAR、MEMS等)以及电感器、电容器和开关、连同被用于制造这些电路元件的材料的类型，包括用于制造滤波器的封装与组装技术的类型(步骤54)。在本文中描述的具体实例中，电路元件类型的选择是在由42度XY切割LiTaO3组成的基板上构造的SAW谐振器和电容器。
然后，基于频率响应要求，使用合适的设计技术的生成初始的滤波器电路设计(步骤56)；例如，使用图像设计或网络合成设计，诸如在美国专利第8,701,065号和第9,038,005号中描述的那些设计，其通过引用明确结合于此。在示出的实施方式中，提议的滤波器电路设计具有N阶梯拓扑，诸如在美国专利第8,751,993号和第8,701,065号以及美国专利申请序列第14/941,451号题为“具有增强的抑制的声波滤波器”中描述的那些设计，其通过引用全部明确结合于此；尽管可以选择其他滤波器拓扑，诸如在线非谐振节点、或在线、或具有交叉耦合的在线、或具有交叉耦合的在线非谐振节点等。
现在参考图5，将描述滤波器电路设计100的一个实施方式。滤波器电路设计100以N阶梯拓扑设置(即在这种情况下，N＝10指谐振器的数量等于10)滤波器电路设计100包括电压源V、源电阻S、负载电阻L、五系列(或在线)声谐振器ZS1—ZS5以及五平行(或分流)声谐振器ZP1—ZP5。
可以通过在图6中示出的修正的Butterworth-Van Dyke(巴特沃斯-范戴克)(MBVD)模型110描述声谐振器Z中的每个，从而产生在图7中示出的等效滤波器电路设计。MBVD模型110也可以描述SAW谐振器(诸如石英、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)晶体或BAW(包括FBAR)谐振器或MEMS谐振器)，其可以通过在压电基板上放置叉指换能器(IDT)来制造。每个MBVD模型110包括动态电容Cm、静态电容C0、动态电感Lm以及电阻R。动态电容Cm和动态电感Lm可以由电和声行为的相互作用产生，并且因此，可被称为MBVD模型的动态臂。静态电容C0可以由结构的电容产生，并且因此可被称为MBVD模型的静态(非动态)电容。电阻R可以由声谐振器的电阻产生。可替换地，不使用MBVD模型，声谐振器可以是由其他类型的合适的模型(诸如模式的耦合(COM)模型或有限元模型(FEM))制造的任意的一个端口阻抗。
MBVD模型110的参数由以下等式联系起来：
其中，ωR和ωA可以是对于任何给定的声谐振器的相应的谐振频率和反谐振频率，并且伽马γ可以取决于材料的性质，其可以进一步由以下定义：
典型的γ值可以是对于42度XY切割LiTaO3从大约12到大约18的范围。声谐振器的频率分离指在它的谐振频率和它的反谐振频率之间的差。声波谐振器的百分比分离是在它的谐振频率和反谐振频率之间的百分比频率分离，并且可以如下计算：
其中，γ是谐振器的静态电容与动态电容的比(等式[3])，如由压电材料的材料特性所决定并且由设备的几何所修正。
从等式[1]可以理解，声谐振器中的每个的谐振频率将取决于BVD模型110的动态臂，然而滤波器特性(例如带宽)将被等式[2]中的γ强烈影响。声谐振器110的质量因子(Q)会是声滤波器设计中的重要的品质因数，涉及在滤波器内的元件的损耗。电路元件的Q代表每周期存储的能量与每周期耗散的能量的比。Q因素模仿在每个声谐振器中的真实的损耗，并且一般可能需要多于一个Q因素以描述声谐振器中的损耗。Q因素对于滤波器实例可以如下定义。动态电容Cm可以具有相关联的Q定义为QCm＝108；静态电容C0可以具有相关联的Q定义为QC0＝200；并且动态电感Lm可以具有相关联的Q定义为QLm＝1000。(这里为简单起见，在动态谐振中的损耗集中到了动态电感里并且动态电容被认为是本质上无损耗的。)电路设计者通常可以由谐振频率ωR、静态电容C0、伽马γ以及质量因素QLm表征SAW谐振器。对于商业应用，QLm对于SAW谐振器可以是大约1000，并且对于BAW谐振器大约是3000。
返回参考图4，滤波器电路设计100接下来经由合适的计算机优化技术优化以搜索最佳匹配所期望的滤波器响应的电路元件值的组合，从而创建对于所有电路元件具有定义值的提议的滤波器电路设计，包括对于声谐振器Z的导纳值(步骤58)。包括安捷伦(Agilent)高级设计系统(Advanced Design System)(ADS)等的设计工具可以使用数字优化方法(诸如蒙特卡罗(Monte Carlo)、梯度等)，以改进提议的滤波器电路设计。在一个实施方式中，在提议的滤波器电路设计中的一个或多个电路元件可以在优化处理期间被删除，诸如在美国专利第8,751,993号中所公开的，其通过引用已被明确结合于此。
在提议的滤波器电路设计上的温度变化的效应可以通过添加两个分离的部件到滤波器中的每一个声谐振器来模拟：串联电感器，以转换相应的声谐振器Z的谐振频率，以及并联电容器，以转换相应的声谐振器Z的反谐振频率。具体地，如在图10中示出的，引入与提议的滤波器电路设计的每个声谐振器Z并联的集中电容式元件CT并且引入与提议的滤波器电路设计的每个声谐振器Z串联的集中电感式元件LT(图8)，以创建温度模型化的滤波器电路设计200(步骤60)。如在图9中示出的，温度模型化的滤波器设计200的声谐振器Z中的每个可以被在图6中示出的MBVD模型110取代。
接下来，通过对每个将被模拟的相应的工作温度，变化电容式元件CT的电容值并且变化电感式元件LT的电感值，创建并且模拟对应不同的工作温度(例如，0℃、20℃以及100℃三个工作温度)的选定数量的温度模型化的电路设计。对于每个工作温度的电容值和电感值可以根据工作温度计算。在一个实施方式中，对于每个电容式元件CT的电容值和对于每个电感式元件LT的电感值根据以下等式计算：
[6] CTn＝kC·An·(Top-Tbase)，
其中，CTn是在温度模型化的滤波器电路设计中的N阶声谐振器的电容值，kC是电容式元件的缩放常数，An是N阶声谐振器的面积，Top是工作温度，以及Tbase是假设CTn等于零(例如室温)的基线温度；并且
[7] LTn＝kL·(Top-Tbase)，
其中，LTn是在温度模型化的滤波器电路设计中的N阶声谐振器的电感值，kL是电感式元件的缩放常数，Top是工作温度，并且Tbase是假设LTn等于零(例如室温)的基线温度。
为此目的，选择电容式元件CT的电容值以及相应的电感式元件LT的电感值，从而创建以不同的导纳值转换相应的声谐振器Z的定义的导纳值的温度模型化的滤波器电路设计(步骤62)。作为一般规则，所有电感式元件LT的电感值将是相同的，然而仅仅在声谐振器Z的面积相同时，所有电容式元件CT的电容值将是相同的。然后在定义的工作温度模拟温度模型化的滤波器电路设计，从而生成频率响应(步骤64)。例如，第一电容值和第二电容值可以在-40pF—40pF的范围内，并且更具体地在-4pF—4pF的范围内，并且例如，第一电感值和第二电感值可以在-10nH—10nH的范围内，并且更具体地在-1nH—1nH的范围内。
可以通过选择不同的电容值以及电感值创建对应不同的工作温度的另外的温度模型化的滤波器电路设计。具体地，如果不是所有选定数量的工作温度已被模拟(即如果不是所有温度模型化的滤波器电路设计已被模拟)(步骤66)，则为电容式元件CT选择不同的电容值以及为相应的电感式元件LT选择电感值，从而创建另一个将相应的声谐振器Z的定义的导纳值转换到不同的导纳值的温度模型化的滤波器电路设计(步骤62)，并且然后在另一个定义的工作温度模拟其他温度模型化的滤波器电路设计，从而生成频率响应(步骤64)。重复该处理直至所有的温度模型化的滤波器电路设计已被模拟。如果模拟的温度模型化的滤波器电路设计的频率响应不满足在定义的工作温度的频率响应要求(步骤68)，则可以生成并且优化不同的初始滤波器电路设计以创建另一个提议的滤波器电路设计(步骤56以及步骤58)，并且然后，可以从其他提议的滤波器电路设计生成温度模型化的滤波器电路设计并且模拟温度模型化的滤波器电路设计(步骤60—步骤66)。一旦模拟的温度模型化的滤波器电路设计的频率响应满足在定义的工作温度的频率响应要求(步骤68)，就基于最近提议的滤波器电路设计构造真实的声滤波器(步骤70)。优选地，真实的滤波器的电路元件值将匹配在最近提议的滤波器电路设计中的相应的电路元件值。
通过测量真实的声滤波器的频率响应并且将模拟的温度补偿的滤波电路的数据适配至真实的声滤波器的频率响应，可以决定等式[6]和[7]的比例因子kC和kL。具体地，参考图11，现在将描述用于确定比例因子kC和kL的一个技术80。首先，生成具有多个电路元件的参考滤波器电路设计，该电路元件包括至少一个声谐振器(步骤82)，并且然后，从参考滤波器电路设计构造真实的参考声微波滤波器(步骤84)。该参考滤波器的声谐振器由与提议的滤波器电路设计100的声谐振器相同的材料组成，使得从参考滤波器决定的比例因子可以被准确地用于从提议的滤波器电路设计100生成温度模型化的滤波器设计200。接下来，在参考温度(例如室温)测量真实的参考滤波器的参考频率响应(步骤86)。
然后基于第一参考频率响应计算第一比例因子kC和第二比例因子kL中的每个。具体地，按与图5中添加电容式元件和电感式元件至提议的滤波器电路设计100类似的方式，添加与参考声谐振器中的每个并联的集中参考电容式元件和与参考声谐振器中的每个串联的集中参考电感式元件，从而生成参考温度模型化的滤波器电路设计(步骤88)。
然后，可以决定使在参考工作温度模拟的温度模型化的参考滤波器电路设计的频率响应与测量的真实的参考声滤波器的频率响应相匹配的参考电容式元件的电容值和参考电感式元件的参考电感值(步骤90)。例如，可以在在参考工作温度迭代地模拟温度模型化的参考滤波器电路设计，同时改变参考电容式元件的电容值并且改变参考电感式元件的参考电感值，直至模拟的温度模型化的参考滤波器电路设计的频率响应与测量的参考声微波滤波器在参考工作温度的频率响应相匹配，从而得到第一参考电容值CREF1和第一参考电感值LREF1。
然后根据以下等式计算第一比例因子kC(步骤92)：
其中，kC是第一比例因子，CREF是参考电容值，A是参考声谐振器的面积，TREF是参考工作温度以及Tbase是基线工作温度(例如室温)；并且
然后根据以下等式计算第二比例因子kL(步骤94)：
其中，kL是第二比例因子，LREF是参考电感值，TREF是参考工作温度以及Tbase是基线工作温度。
应理解，可以为不同的工作温度范围计算另外的比例因子。例如，第一组比例因子kC1和kL1可以与温度范围0℃-50℃相关联，并且第二组比例因子kC2和kL2可以与温度范围50℃-100℃相关联。例如，使用25℃作为参考工作温度，可以通过根据等式[8]和等式[9]测量参考滤波器的频率响应决定第一组比例因子kC1和kL1；并且可以通过在两个参考工作温度(例如50℃和100℃)测量参考滤波器的频率响应决定第二组比例因子kC2和kL2，在第一参考温度迭代地模拟温度模型化的参考滤波器电路设计，同时改变参考电容式元件的电容值并且改变参考电感式元件的参考电感值，直至模拟的温度模型化的参考滤波器电路设计的频率响应与测量的参考声微波滤波器在第一参考工作温度的频率响应相匹配，从而得到第一参考电容值CREF1和第一参考电感值LREF1，并且在第二参考温度迭代地模拟温度模型化的参考滤波器电路设计，同时改变参考电容式元件的电容值并且改变参考电感式元件的参考电感值，直至模拟的温度模型化的参考滤波器电路设计的频率响应与测量的参考声微波滤波器在第二参考温度的频率响应相匹配，从而得到第二参考电容值CREF2和第二参考电感值LREF2。
然后根据以下等式计算比例因子kC2：
其中，kC是比例因子，CREF2是第二参考电容值，CREF1是第一参考电容值，A是参考声谐振器的面积，TREF2是第二参考工作温度(例如100℃)，以及TREF1是第一参考工作温度(例如50℃)。
然后根据以下等式计算比例因子kL2：
其中，kL是比例因子，LREF2是第二参考电感值，是LREF1第一参考电感值，TREF2是第二参考工作温度(例如100℃)，以及TREF1是第一参考工作温度(例如50℃)。
根据图4中示出的技术优化图5中示出的声微波滤波器设计，并且然后从优化了的声微波滤波器设计构造真实的声微波滤波器。参考图12，在20℃和100℃(虚线)模拟的声微波滤波器设计的频率响应可以与在20℃和100℃(实线)测量的相应的真实的声微波滤波器的频率响应进行比较。可以很容易看出，在20℃和100℃模拟的频率响应的通带的左侧和右侧分别匹配在20℃和100℃的真实的频率响应的通带的左侧和右侧。
首先参考图13，计算机化的滤波器设计系统300可以使用设计技术50用于设计声滤波器。计算机化的滤波器设计系统300一般包括：用户界面302，配置为从用户接收信息和数据(例如，在步骤52和步骤54的参数值和滤波器说明)，并且向用户输出优化的滤波器电路设计；存储器304，配置为存储滤波器设计软件308(其可以采取执行特定功能或实现特定摘要数据类型的软件指令的形式，其可以包括但不限于例程、程序、对象、部件、数据结构、过程、模块、功能等)，并且存储从用户经由用户界面302的信息和数据输入；以及处理器306，配置为执行滤波器设计软件。滤波器设计软件程序308分成了子程序，具体地，常规滤波器设计合成器310(其可以用于在步骤56生成初始滤波器电路设计)、常规滤波器优化器312(其可以用于在步骤58和步骤64优化并且模拟滤波器设计)以及滤波器设计引擎314，其控制设计合成器310和滤波器优化器312，并且在步骤60和步骤62添加和决定集中电容式元件的值和集中电感式元件的值，以生成优化的最终电路设计。
尽管已示出并且描述了本发明的具体实施方式，但是应理解，以上论述的目的不是限制本发明到这些实施方式。对于本领域内的技术人员，不偏离本发明的精神和范围而作出各种改变和变形将是显而易见的。例如，本发明具有远远超过滤波器与单个输入和输出的应用，并且本发明的具体实施方式可以用于形成其中可以使用低损耗的选择电路的双工器、复用器、信道器、电抗开关等。因此，本发明旨在覆盖会落在如由权利要求定义的本发明的精神和范围内的替换、变形以及等同物。

Claims (22)

1.一种根据频率响应要求设计声微波滤波器的方法，包括：
生成具有多个电路元件的提议的滤波器电路设计，所述电路元件包括具有定义的导纳值的声学的谐振元件Z；
引入与所述声学的谐振元件Z并联的集中的电容式元件CT和与所述声学的谐振元件Z串联的集中的电感式元件LT；
为所述集中的电容式元件CT选择电容值CTn并且为所述集中的电感式元件LT选择电感值LTn，从而创建将声学的谐振元件Z的定义的导纳值转换为导纳值的温度模型化的滤波器电路设计；
在工作温度模拟所述温度模型化的滤波器电路设计，从而生成频率响应；
将所述频率响应与所述频率响应要求进行比较；以及
基于所述比较从所述提议的滤波器电路设计构造所述声微波滤波器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率响应要求包括频率相关回波损耗、插入损耗、抑制以及线性度中的一项或多项。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述声学的谐振元件Z是表面声波谐振器、体声波谐振器、薄膜体声波谐振器以及微机电系统谐振器中的一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率响应要求包括通带。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述通带处于500MHz—3500MHz范围内。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述通带处于300MHz—10.0GHz范围内。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述通带处于300MHz—300GHz范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率响应要求包括通带和阻带。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述声学的谐振元件Z建模为Butterworth-Van Dyke模型。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用Coupling of Modes模型对所述声学的谐振元件Z建模。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用有限元模型对所述声学的谐振元件Z建模。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提议的滤波器电路设计具有N阶梯拓扑。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电容值CTn和所述电感值LTn作为所述工作温度Top的函数来计算。
14.根据权利要求13的所述方法，其中，选择所述电容值CTn等于第一比例因子kC、所述提议的滤波器电路设计的所述声学的谐振元件Z的面积An、以及在所述工作温度Top和基线温度Tbase之间的差的乘积，并且选择所述电感值LTn等于第二比例因子kL和在所述工作温度Top和所述基线温度Tbase之间的差的乘积。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
生成具有多个电路元件的参考滤波器电路设计，所述电路元件包括声学的参考谐振元件；
从所述参考滤波器电路设计构造参考声微波滤波器，所述参考谐振元件由第一材料组成，并且所述提议的滤波器电路设计的所述声学的谐振元件由与所述第一材料相同的第二材料组成；
测量所述参考声微波滤波器在参考工作温度TREF的参考频率响应；以及
基于所述参考频率响应计算所述第一比例因子kC和所述第二比例因子kL中的每个。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
引入与所述参考谐振元件并联的集中的参考电容式元件和与所述参考谐振元件串联的集中的参考电感式元件；
为所述集中的参考电容式元件选择参考电容值CREF并且为所述集中的参考电感式元件选择参考电感值LREF，从而生成温度模型化的参考滤波器电路设计；
在所述参考工作温度TREF迭代地模拟所述温度模型化的参考滤波器电路设计，同时改变所述参考电容值CREF和所述参考电感值LREF，直至模拟的所述参考滤波器电路设计的频率响应与在所述参考工作温度TREF测量的所述温度模型化的参考声微波滤波器的频率响应相匹配，从而得到最终参考电容值和最终参考电感值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一比例因子kC等于由所述最终参考电容值，除以所述参考谐振元件的面积A与在参考工作温度TREF和基线工作温度TBASE之间的差的乘积，并且所述第二比例因子kL等于由所述最终参考电感值，除以在所述参考工作温度TREF和所述基线工作温度TBASE之间的差。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电容值CTn处于-40pF—40pF范围的范围内。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电容值CTn处于-4pF—4pF范围的范围内。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电感值LTn处于-10nH—10nH范围的范围内。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电感值LTn处于-1nH—1nH范围的范围内。
22.根据权利要求1所述的方法，进一步包括优化所述提议的滤波器电路设计，其中，将所述集中的电容式元件CT和所述集中的电感式元件LT引入到优化的所述提议的滤波器电路设计中。
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