CN107196623B - 具主动校准机制的声波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具主动校准机制的声波装置。具主动校准机制的声波装置包括至少一声波双工器、一压控振荡器、频率鉴别器及一控制电路。声波双工器包括一传送滤波器及一接收滤波器。压控振荡器包括一校准共振腔。传送滤波器、接收滤波器及校准共振腔设置于同一压电材料基板上。频率鉴别器可依据校准共振腔的一频偏程度，产生对应的一校准信号。控制电路再依据校准信号，调整传送滤波器或接收滤波器的操作频率。

Description

具主动校准机制的声波装置
技术领域
本发明是有关于一种声波装置，且特别是有关于一种具主动校准机制的声波装置。
背景技术
请参照图1，其绘示声波装置(acoustic-wave device)900的示意图。声波装置900包括一压电材料基板(piezoelectric substrate)910、一压电薄膜层(piezo film layer)920及一指叉电容结构930。表面声波在指叉电容结构930上传播，并利用压电薄膜层920，将电信号转换成声信号应用后再转换为电信号。
随着表面声波技术的发展，声波装置900已在各方面有不同的应用。例如，声波装置900可作为移动电话的滤波器、振荡器、变压器和传感器。声波装置900亦可应用于无线电和电视方面，使无线电接收的频率范围很窄和准确。或者，声波装置900可利用表面声波和声波在地球表层传播的性质，监测和预报地震。
然而，由于指叉电容结构930与压电薄膜层920的热膨胀系数不同，可能产生翘曲的现象。请参照图2A，其绘示声波装置900位于低温状态的示意图。当声波装置900位于低温状态时，指叉电容结构930收缩程度大于压电薄膜层920的收缩程度，而造成两侧向上翘曲的现象。在低温时，指叉电容结构930的间距(pitch)缩小，而将使信号朝向高频偏移。
请参照图2B，其绘示声波装置900位于高温状态的示意图。当声波装置900位于高温状态时，指叉电容结构930扩张程度大于压电薄膜层920的扩张程度，而造成两侧向下翘曲的现象。在高温时，指叉电容结构930的间距(pitch)拉大，而将使信号朝向低频偏移。
请参照图3A，其绘示声波装置900在不同温度的插入损耗(Insertion loss)曲线图。频率响应曲线L11为摄氏20度所量测的插入损耗曲线，频率响应曲线L12为摄氏50度所量测的插入损耗曲线，频率响应曲线L13为摄氏85度所量测的插入损耗曲线。由三条频率响应曲线L11、L12、L13可知，随着温度的上升，插入损耗逐渐往低频飘移。
请参照图3B，其绘示声波装置900在不同温度的反射损耗(Return loss)曲线图。频率响应曲线L21为摄氏20度所量测的反射损耗曲线，频率响应曲线L22为摄氏50度所量测的反射损耗曲线，频率响应曲线L23为摄氏85度所量测的反射损耗曲线。由三条频率响应曲线L21、L22、L23可知，随着温度的上升，反射损耗逐渐往低频飘移。
此外，除了温度所产生的信号变异以外，制程的偏差也会使声波装置900产生信号变异。举例来说，指叉电容结构930的间距过小时，将使信号朝向高频偏移。指叉电容结构930的间距过大时，将使信号朝向低频偏移。
如上所述，温度与制程所造成的信号变异一直是难以克服的技术瓶颈，研究人员均致力于改善这方面的情况。
发明内容
本发明有关于一种具主动校准机制的声波装置，其利用复制的校准共振腔，来了解传送共振腔与接收共振腔因温度因素或制程因素所发生的信号变异，进而执行主动校准的动作。
根据本发明的第一方面，提出一种具主动校准机制的声波装置(acoustic-wavedevice)。具主动校准机制的声波装置包括至少一声波双工器(acoustic-wave duplexer)、一压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)、一频率鉴别器(frequencydiscriminator)及一控制电路。声波双工器包括一传送滤波器(TX filter)及一接收滤波器(RX filter)。压控振荡器包括一校准共振腔及一可调制负阻抗电路。传送滤波器、接收滤波器及校准共振腔设置于同一压电材料基板上。频率鉴别器依据校准共振腔的一频偏程度，产生对应的一校准信号。控制电路连接声波双工器及频率鉴别器。控制电路再依据校准信号，调整传送滤波器或接收滤波器的操作频率。
根据本发明的第二方面，提出一种具主动校准机制的声波装置(acoustic-wavedevice)。具主动校准机制的声波装置包括至少一声波双工器(acoustic-wave duplexer)、一锁相回路(phase-locked loop,PLL)及一控制电路。声波双工器包括一传送滤波器(TXfilter)及一接收滤波器(RXfilter)。锁相回路至少包括一压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)。压控振荡器包括一校准共振腔及一可调制负阻抗电路。传送滤波器、接收滤波器及校准共振腔设置于同一压电材料基板上。锁相回路依据校准共振腔的一频偏程度，产生对应的一校准信号。控制电路连接声波双工器及锁相回路。控制电路再依据校准信号，调整传送滤波器或接收滤波器的操作频率。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示声波装置(acoustic-wave device)的示意图。
图2A绘示声波装置位于低温状态的示意图。
图2B绘示声波装置位于高温状态的示意图。
图3A绘示声波装置在不同温度的插入损耗(Insertion loss)曲线图。
图3B绘示声波装置在不同温度的反射损耗(Return loss)曲线图。
图4绘示一实施例的具主动校准机制的声波装置的示意图。
图5绘示声波双工器的示意图。
图6A绘示可变电容设定于不同电容值的插入损耗曲线图。
图6B绘示可变电感设定于不同电感值的插入损耗曲线图。
图7A～7C绘示可变电感的不同设计的示意图。
图8绘示图4数字式调频的压控振荡器的示意图。
图9绘示另一实施例的具主动校准机制的声波装置的示意图。
图10绘示图9模拟式调频的压控振荡器的示意图。
其中，附图标记：
100、200：具主动校准机制的声波装置
110：声波双工器
111：传送滤波器
112：接收滤波器
115：相位偏移器
120：压控振荡器
121、2211：可调制负阻抗电路
130：频率鉴别器
140、240：控制电路
180：切换器
190、910：压电材料基板
220：锁相回路
221：压控振荡器
222：时脉信号源
223：第一分频器
224：鉴频鉴相器
225：充电泵
226：二阶RC滤波器
227：第二分频器
900：传统的声波装置
920：压电薄膜层
930：指叉电容结构
C1、C2、C4：可变电容
C3：二位元电容
I1、I2：可变电感
Ia：切换型电感
Ib：微机电型电感
Ic：电压器型电感
L11、L12、L13、L21、L22、L23、L31、L32、L33、L41、L42、L43：频率响应曲线
S11：调整信号
S12：反馈信号
S13、S23：校准信号
U1：传送共振腔
U2：接收共振腔
U3：校准共振腔
T0：晶体管
具体实施方式
请参照图4，其绘示一实施例的具主动校准机制的声波装置(acoustic-wavedevice)100的示意图。声波装置100包括至少一声波双工器(acoustic-wave duplexer)110、一压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)120、一频率鉴别器(frequencydiscriminator)130及一控制电路140。声波双工器110包括一传送滤波器(TX filter)111及一接收滤波器(RX filter)112。传送滤波器111用以传送信号，接收滤波器112用以接收信号。在一实施例中，声波装置100可以包括多组声波双工器110，以处理多组不同频段的信号。多组声波双工器110可藉由切换器180来进行切换。
请参照图5，其绘示声波双工器110的示意图。接收滤波器112连接一相位偏移器(phase shifter)115。传送滤波器111包括数个传送共振腔U1、二个可变电容C1及一可变电感I1。接收滤波器112包括数个接收共振腔U2、二个可变电容C2及一可变电感I2。传送共振腔U1及接收共振腔U2为指叉结构，其容易受到温度或制程等因素而造成间距(pitch)的改变。
请参照图6A，其绘示可变电容C1设定于不同电容值的插入损耗曲线图。以传送滤波器111为例，在可变电感I1固定为1.5nH之下，频率响应曲线L31为可变电容C1设定为0.25pF的插入损耗曲线，频率响应曲线L32为可变电容C1设定为0.40pF的插入损耗曲线，频率响应曲线L33为可变电容C1设定为0.55pF的插入损耗曲线。由三条频率响应曲线L31、L32、L33可知，透过可变电容C1的控制，能够改变传送滤波器111的操作频率。同样地，透过可变电容C2的控制，也能够改变接收滤波器112的操作频率。如此一来，如图4所示，控制电路140可以控制可变电容C1或可变电容C2，以调整传送滤波器111或接收滤波器112的操作频率。
请参照图6B，其绘示可变电感I1设定于不同电感值的插入损耗曲线图。以传送滤波器111为例，在可变电容C1固定为0.25pF之下，频率响应曲线L41为可变电感I1设定为0.5nH的插入损耗曲线，频率响应曲线L42为可变电感I1设定为1.5nH的插入损耗曲线，频率响应曲线L43为可变电感I1设定为2.5nH的插入损耗曲线。由三条频率响应曲线L41、L42、L43可知，透过可变电感I1的控制，能够改变传送滤波器111的操作频率。同样地，透过可变电感I2的控制，也能够改变接收滤波器112的操作频率。如此一来，如图4所示，控制电路140可以控制可变电感I1或可变电感I2，以调整传送滤波器111或接收滤波器112的操作频率。
请参照图7A～7C，其绘示可变电感I1、I2的不同设计的示意图。在各种实施例中，可变电感I1、I2可以采用各种不同的设计。举例来说，如图7A所示，可变电感I1、I2可以是一切换型电感(switch-type inductor)Ia。如图7B所示，可变电感I1、I2可以是一微机电型电感(MENS-type inductor)Ib。如图7C所示，可变电感I1、I2可以是一电压器型电感(transformer-type inductor)Ic。
请再参照图4，压控振荡器120包括一校准共振腔U3及一可调制负阻抗电路(tunable negative impedance circuit)121。传送滤波器111的传送共振腔U1(绘示于图5)、接收滤波器112的接收共振腔U2(绘示于图5)及校准共振腔U3设置于同一压电材料基板190上。各个传送共振腔U1、各个接收共振腔U2及校准共振腔U3的尺寸、形状、厚度实质上大致相同，且皆在同一制程中形成。因此，传送共振腔U1与接收共振腔U2因温度因素或制程因素所发生的信号变异，也同样会发生在校准共振腔U3。如此一来，只要透过校准共振腔U3的分析，即可得知如何对声波双工器110进行主动校准。
请参照图8，其绘示图4数字式调频的压控振荡器120的示意图。压控振荡器120包括校准共振腔U3及可调制负阻抗电路121。可调制负阻抗电路121包括数个二位元电容C3。此些二位元电容C3分别连接于一晶体管T0，使得此些二位元电容C3可以数字的方式分别被开启或关闭。
请参照图4，频率鉴别器130以数字的方式输入一调整信号S11至可调制负阻抗电路121，以控制此些二位元电容C3，进而获得对应的反馈信号S12。透过调整信号S11的不断调整并接收对应的反馈信号S12，频率鉴别器130可以获得校准共振腔U3的频偏程度。
频率鉴别器130再依据校准共振腔U3的频偏程度，产生对应的一校准信号S13。
控制电路140连接于声波双工器110及频率鉴别器130。控制电路140再依据校准信号S13，以数字的方式调整传送滤波器111或接收滤波器112的操作频率。如上所述，控制电路140可以上述可变电容C1、C2或可变电感I1、I2来调整传送滤波器111或接收滤波器112的操作频率。
根据上述实施例，具主动校准机制的声波装置100可以透过复制的校准共振腔U3，来了解传送共振腔U1与接收共振腔U2因温度因素或制程因素所发生的信号变异，进而执行主动校准的动作。
请参照图9，其绘示另一实施例的具主动校准机制的声波装置200的示意图。在此实施例中，声波装置200包括至少一声波双工器110、一锁相回路(phase-locked loop,PLL)220及一控制电路240。声波双工器110的相关说明已叙述于图5～7C，在此不再重复叙述。
锁相回路220包括一压控振荡器221、一时脉信号源222、一第一分频器(firstdivider)223、一鉴频鉴相器(phase frequency detector,PFD)224、一充电泵(chargepump)225、一二阶RC滤波器(second-order RC filter)226及一第二分频器(seconddivider)227。时脉信号源222用以提供一时脉信号。第一分频器223连接时脉信号源222。鉴频鉴相器连接第一分频器224。充电泵225连接鉴频鉴相器224。二阶RC滤波器226连接充电泵225及压控振荡器221。第二分频器227连接压控振荡器221及鉴频鉴相器224。
锁相回路220是一种利用反馈(Feedback)控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时脉与其外部的参考时脉保持同步。当参考时脉的频率或相位发生改变时，锁相回路220会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这种同步又称为“锁相”(Phase-locked)。
在本实施例中，压控振荡器221包括校准共振腔U3及可调制负阻抗电路2211。请参照图10，其绘示图9模拟式调频的压控振荡器221的示意图。校准共振腔U3的相关说明同上所述，在此不再赘述。可调制负阻抗电路2211包括一可变电容C4。此可变电容C3可以模拟的方式被调整，以达到锁相回路220的时脉同步。
请参照图9，锁相回路220达到时脉同步时，可以获得校准共振腔U3的一频偏程度，并产生对应的一校准信号S23。
控制电路240连接声波双工器110及锁相回路220。控制电路240再依据校准信号S23，以模拟的方式调整传送滤波器111或接收滤波器112的操作频率。如上所述，控制电路240可以上述可变电容C1、C2或可变电感I1、I2来调整传送滤波器111或接收滤波器112的操作频率。
根据上述实施例，具主动校准机制的声波装置200可以透过复制的校准共振腔U3，来了解传送共振腔U1与接收共振腔U2因温度因素或制程因素所发生的信号变异，进而执行主动校准的动作。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求书保护范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种具主动校准机制的声波装置，其特征在于，包括：
至少一声波双工器，包括：
一传送滤波器，包括传送共振腔，该传送共振腔的结构相关于该传送滤波器的操作频率；及
一接收滤波器，包括接收共振腔，该接收共振腔的结构相关于该接收滤波器的操作频率；
一压控振荡器，包括：
一校准共振腔，与该传送共振腔及该接收共振腔设置于同一压电材料基板上，并且该传送共振腔、该接收共振腔及该校准共振腔的尺寸、形状及厚度实质上相同；
一频率鉴别器，依据该校准共振腔的一频偏程度，产生对应的一校准信号，其中该校准共振腔的结构变化影响该频偏程度；以及
一控制电路，连接该声波双工器及该频率鉴别器，该控制电路再依据该校准信号，调整该传送滤波器或该接收滤波器的操作频率。
2.如权利要求1所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该控制电路以数字的方式调整该传送滤波器及该接收滤波器的操作频率。
3.如权利要求1所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该传送共振腔的材质与该校准共振腔的材质实质上相同，该接收共振腔的材质与该校准共振腔的材质实质上相同。
4.如权利要求1所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该传送滤波器包括至少一可变电容及至少一可变电感，该控制电路控制该可变电容或该可变电感，以调整该传送滤波器的操作频率。
5.如权利要求1所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该接收滤波器包括至少一可变电容及至少一可变电感，该控制电路控制该可变电容或该可变电感，以调整该接收滤波器的操作频率。
6.如权利要求1所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该压控振荡器还包括一可调制负阻抗电路，该可调制负阻抗电路包括多个二位元电容，该频率鉴别器控制该些二位元电容，以获得该校准共振腔的该频偏程度。
7.一种具主动校准机制的声波装置，其特征在于，包括：
至少一声波双工器，包括：
一传送滤波器，包括传送共振腔，该传送共振腔的结构相关于该传送滤波器的操作频率；及
一接收滤波器，包括接收共振腔，该接收共振腔的结构相关于该接收滤波器的操作频率；
一锁相回路，包括：
一压控振荡器，包括：
一校准共振腔，与该传送共振腔及该接收共振腔设置于同一压电材料基板，并且该传送共振腔、该接收共振腔及该校准共振腔的尺寸、形状及厚度实质上相同，该锁相回路依据该校准共振腔的一频偏程度，产生对应的一校准信号，其中该校准共振腔的结构变化影响该频偏程度；以及
一控制电路，连接该声波双工器及该锁相回路，该控制电路再依据该校准信号，调整该传送滤波器或该接收滤波器的操作频率。
8.如权利要求7所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该控制电路以数字的方式调整该传送滤波器及该接收滤波器的操作频率。
9.如权利要求7所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该传送共振腔的材质与该校准共振腔的材质实质上相同，该接收共振腔的材质与该校准共振腔的材质实质上相同。
10.如权利要求7所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该传送滤波器包括至少一可变电容及至少一可变电感，该控制电路控制该可变电容或该可变电感，以调整该传送滤波器的操作频率。
11.如权利要求7所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该接收滤波器包括至少一可变电容及至少一可变电感，该控制电路控制该可变电容或该可变电感，以调整该接收滤波器的操作频率。
12.如权利要求7所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该压控振荡器还包括一可调制负阻抗电路，该可调制负阻抗电路包括一可变电容，一频率鉴别器控制该可变电容，以获得该校准共振腔的该频偏程度。
13.如权利要求12所述的具主动校准机制的声波装置，其特征在于，该锁相回路还包括：
一时脉信号源，用以提供一时脉信号；
一第一分频器，连接该时脉信号源；
一鉴频鉴相器，连接该第一分频器；
一充电泵，连接该鉴频鉴相器；
一二阶RC滤波器，连接该充电泵及该压控振荡器；以及
一第二分频器，连接该压控振荡器及该鉴频鉴相器。
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