CN108449067B - 体声波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体声波滤波器。该体声波滤波器包括：输入端口、输出端口、串联模块以及第一并联模块；所述串联模块串联连接在所述输入端口和输出端口之间；所述第一并联模块并联连接于所述输入端口、所述串联模块及输出端口之间的连接结点处；其中所述第一并联模块的一端连接所述连接结点，另一端接地；所述第一并联模块包括三个并联连接的谐振子。本发明通过对静态电容相对较大的并联模块结构进行等效替换，该等效替换有效降低了谐振子压电层面积，实现了抑制通带附近干扰模影响的效果，提高回波指标，提升了产品的电性能指标。
Description
【技术领域】
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种体声波滤波器。
【背景技术】
在目前无线通信领域中，基于压电材料制作的声波滤波器已经被市场广泛接受。体声波(BAW)滤波器便是其中之一。目前，体声波滤波器的设计主要存在以下两方面问题：
第一，现有的体声波滤波器主要采用的是梯形拓扑结构，由一组串联谐振子和一组并联谐振子构成，串联谐振子有相同的谐振频率，并联谐振子也有相同的谐振频率，但后者比前者略低。传统梯形结构的体声波滤波器中，如果选择各个串联振子参数相同、并联谐振子参数相同，导致最终的滤波器性能不是最优，特别是回波指标不是最好。
第二，体声波滤波器由压电薄膜夹于上下两层金属电极之间形成三明治状结构组成，交变射频电压施加在上下电极之间，压电材料在电场作用下会产生发生极化效应，利用该效应可实现机械能与交流电信号的互相转换。在交流信号的作用下，压电体会激发出两种不同形式的机械模，由于体声波滤波器的材料特性以及工艺原因，同时会产生平面方向的剪切模等干扰模。体声波滤波器优化设计后存在并联电路模块中单个谐振子电容过大的问题，在通带附近，干扰模会严重影响器件的电性能指标，对于单个谐振子而言，静态电容越大，则面积越大，如果压电薄膜的面积也变大，则干扰模的谐振频率越低，可能落在通带附近，对通带信号传输造成干扰，故在进行体声波滤波器结构设计时必须考虑如何消除通带附近干扰模的影响。
【发明内容】
为克服上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，特提出以下技术方案：
本发明提供一种体声波滤波器，包括：
输入端口、输出端口、串联模块以及第一并联模块；所述串联模块串联连接在所述输入端口和输出端口之间；所述第一并联模块并联连接于所述输入端口、所述串联模块及输出端口之间的连接结点处；其中所述第一并联模块的一端连接所述连接结点，另一端接地；所述第一并联模块包括三个并联连接的谐振子。
具体的，本发明所述体声波滤波器，还包括至少一个第二并联模块，所述第二并联模块和所述第一并联模块分别并联连接于所述输入端口、所述串联模块及输出端口之间的不同连接结点处；所述第二并联模块的一端连接所述连接结点，另一端接地。
具体的，所述第二并联模块包括至少两个并联连接的谐振子。
具体的，所述第二并联模块由一个谐振子组成；或者，所述第二并联模块包括至少两个串联连接的谐振子。
具体的，所述第二并联模块能被等效替换为所述第一并联模块，且所述第一并联模块的等效静态电容的总值小于等效替换前的第二并联模块的等效静态电容。
具体的，所述第一并联模块的三个谐振子的等效静态电容相同或不同。
具体的，所述串联模块包括一个或至少两个串联连接的谐振子。
具体的，所述连接结点包括：所述串联模块中相邻两个所述谐振子之间的连接结点以及所述串联模块与输入端口/输出端口之间的连接结点。
优选的，所述谐振子等效于由串联连接的电感、等效电容、电阻组成的串联电路和并联于串联电路两端的由静态电容构成的并联电路。
优选的，所述谐振子为薄膜体声波谐振器。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
本发明通过对大电容的并联模块中的谐振子结构进行等效替换，将并联模块中的单个谐振子或两个或三个串联谐振子等效替换成并联形式的三个谐振子，大幅降低了谐振子压电层面积，有效抑制了通带附近干扰模的影响，提高了回波指标，提升了产品的电性能指标。
另外本发明采用的谐振子为薄膜体声波谐振器，具有体积小、频率高、插损小、功率大等优点，其具有石英晶振一样的谐振特性，其谐振频率主要取决于压电薄膜的厚度，可以构成谐振器应用于高频通信系统中。
【附图说明】
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中一种体声波滤波器的多谐振子拓扑结构一实施例示意图；
图2为本发明中通过多物理场仿真得到的图1所示体声波滤波器滤波器频率响应曲线图；
图3为本发明中一种体声波滤波器的单个谐振子的BVD电路模型实施例结构示意图。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。以下实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
等效替换是在保证某种效果(特性和关系)相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来研究和处理的方法。运用等效替换法处理问题的一般步骤为：分析原事物(需研究求解的物理问题)的本质特性和非本质特性；寻找适当的替代物(熟悉的事物)，以保留原事物的本质特性，抛弃非本质特性；研究替代物的特性及规律；将替代物的规律迁移到原事物中去；利用替代物遵循的规律、方法求解，得出结论。
请参阅附图1所示的实施例的结构图，本发明提供的一种体声波滤波器，包括：
输入端口1、输出端口5、串联模块2以及第一并联模块3；所述串联模块2串联连接在所述输入端口1和输出端口5之间；所述第一并联模块3并联连接于所述输入端口1、所述串联模块2及输出端口5之间的连接结点6处；其中所述第一并联模块3的一端连接所述连接结点，另一端接地。
本发明实施例中，所述串联模块2包括一个或至少两个串联连接的谐振子4。
本发明实施例中，所述第一并联模块3包括三个并联连接的谐振子4。
本发明实施例中，所述连接结点包括：串联模块2中相邻两个所述谐振子4之间的连接结点6以及所述串联模块2与输入端口1/输出端口5之间的连接结点6。
本发明实施例中，所述体声波滤波器还包括至少一个第二并联模块7，所述第二并联模块7和所述第一并联模块3分别并联连接于所述输入端口1、所述串联模块2及输出端口5之间的不同连接结点6处；所述第二并联模块7的一端连接所述连接结点6，另一端接地。
本发明实施例中，所述第二并联模块7包括至少两个并联连接的谐振子4。
可选的，本发明实施例中，所述第二并联模块7由一个谐振子4组成；或者，所述第二并联模块7包括至少两个串联连接的谐振子4。
本发明实施例中，至少部分所述第一并联模块3和第二并联模块7能够实现等效替换。
具体的，所述第二并联模块7能被等效替换为所述第一并联模块3，且所述第一并联模块3的等效静态电容的总值小于等效替换前的第二并联模块7的等效静态电容。当等效静态电容越小时，谐振子压电层面积越小，在保证原来的电气性能不恶化的前提下，则有效抑制了通带附近干扰模的影响。
本发明实施例中，第一并联模块3或是第二并联模块7均属于所述体声波滤波器对应电路中的并联模块，该并联模块并联连接于所述连接结点6，在保证本发明所述体声波滤波器的并联模块对应电路中相应的电流和电容同相位的前提下，第二并联模块7能够等效替换为第一并联模块3。其中，所述第一并联模块3对应电路发生并联谐振时，并联谐振的电压有效值达到最大，且并联谐振的电抗电流为0。
本发明实施例中，当并联模块中存在由于电容过大导致通带附近干扰模，则可选择将包括有一个谐振子或至少两个串联谐振子的第二并联模块7替换为包括有三个并联谐振子4的第一并联模块3，三个谐振子4的并联将降低并联模块的等效静态电容，进而增强并联谐振频率，避免了产生的干扰模落到通带附近上，提高回波指标。
其中，在所述体声波滤波器的优化调试过程中，当不能得到良好的电性能指标或回波指标时，可通过调整谐振子4结构以改变相关参数进行优化调试，另外，通带间的干扰模并无法完全避免，在保证并联谐振频率足够强以抑制通带附近的干扰模的情况下，可适当降低所述并联模块的等效静态电容值以增强并联谐振频率。在本发明中，当采用第二并联模块7得到的并联谐振频率和回波并未达到最优，通带间存在相当量的干扰模时，则可确定为第二并联模块7对应的等效静态电容过大，此时可通过将所述第二并联模块7等效替换为第一并联模块3将相应的等效静态电容降低，增强并联谐振频率，避免了产生的干扰模落到通带附近上。
本发明实施例中，所述第一并联模块3的三个谐振子4的等效静态电容相同或不同。其三个谐振子4具体需相同的等效静态电容或是不同的等效静态电容依据于良好的回波指标。
另一实施例，本发明所述体声波滤波器还包括若干串联的串联模块2以及并联模块，所述并联模块并联于若干所述串联模块2之间，所述串联模块和并联模块均包括两个或两个以上并联的谐振子4。
例如：如图2所示通过多物理场仿真得到的体声波滤波器频率响应曲线图，其中体声波滤波器在多物理场下进行仿真得到的S11和S21，其中，所述第一并联模块3中两个谐振子4以串联的形式连接后分别得出频率响应曲线(分别标记有“О”和“Δ”符号)，根据图1所示的第一并联模块3中三个谐振子4以并联的形式连接，本发明以三个谐振子4并联的形式进行试验后分别得出频率响应曲线(分别标记有“☆”和“＊”符号)。通过采用三个并联连接的谐振子进行优化等效替换后，第一并联模块的静态电容大幅度的降低后，根据图2的频率响应曲线可以看出，电性能指标比优化前有所提升，其对应谐振子4的面积也减小，有利于器件的小型化。
本发明实施例中，如图3所示本发明中一种体声波滤波器的实施例单个谐振子4的BVD电路模型结构示意图，所述谐振子4等效于由串联连接的电感Lm、等效电容Cm、电阻Rm组成的串联电路和并联于串联电路两端的由静态电容C0构成的并联电路。
其中，体声波滤波器的相关参数包括：静态电容C0、机械振动相关联的等效电容Cm、电感Lm、与损耗相关的电阻Rm、串联谐振子的串联谐振频率fs以及并联谐振子的并联谐振频率fp。
在本发明实施例中，主要依据以下公式进行优化调试以达到滤波器的电性能指标：
其中在优化调试过程中，体声波滤波器“静态”电容C0、串联谐振频率fs、谐振子品质因数Q、滤波器相对带宽B。这些基本参数可以通过实际测量或对体声波滤波器的BVD模型的仿真中获得。通过阻抗测量，可提取出并联谐振频率fp和C0。
需要说明的是，本发明所述参数的计算公式并不局限于上述所示的公式，还可以包括其他公式，例如:Q＝1/ωsCmRm、
等，在此便不多加赘述。
本发明实施例中，第一并联模块3还包括两个或者两个以上并联连接的谐振子4。其并联的谐振子的数量可根据优良的回波指标以及电性能指标进行配置，在此便不多加赘述。
另外，本发明实施例中，所述第二并联模块7包括至少两个以上串联连接的谐振子4，当串联的连接的谐振子4组成的第二并联模块7的等效静态电容过大，影响了滤波器电性能指标时，则可将所述第二并联模块7等效替换为谐振子4以并联连接形式存在的第一并联模块3。
在本发明实施例中抑制干扰模的措施为将大静态电容的一个或多个串联谐振子4等效替换为至少两个并联的谐振子4。
本发明实施例中，所述电性能指标表示依据体声波滤波器的优化特征以及产品性能要求而进行设定的参数，其中包括：额定电压、电流、功率、电阻、电容、电感、电导、带宽以及频率等参数。
本发明实施例中，所述谐振子4为薄膜体声波谐振器。
所述薄膜体声波谐振器的主体结构由上电极、压电薄膜和下电极组成三明治结构，压电薄膜的压电效应将输入的高频电信号转化为一定频率的声信号，当声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，其中谐振频率出的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，以实现电信号的滤波功能。压电薄膜的厚度在很大程度上决定了体声波滤波器谐振频率。
其中，薄膜体声波谐振器的品质因数Q是描述体声波滤波器电性能指标的重要参数，其取决于压电薄膜材料的固有损耗以及体声波在衬底中的损耗，因此在电极边界形成声波的全反射能有效提高Q值。
常见的滤波器结构有梯型、网型、层叠型和耦合型，本发明实施例中，主要以梯型结构的体声波滤波器为主。当然本发明所适用的范围不仅仅限定于梯型结构的滤波器，还可以适用于其他结构的滤波器，在此便不多加赘述。
本发明之所以采用了薄膜体声波谐振器组成的体声波滤波器，是因为薄膜体声波谐振器可应用于高于2.3GHz的高频通信系统中，其制造工艺与目前成熟的硅半导体工艺兼容，能很好的满足射频前端进一步集成化的需要，具有体积小、频率高、插损小、功率大等优点。
本发明实施例中，所述干扰模指的是无关的电压或电流信号，根据仪表输入端干扰的作用方式，可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。
需要说明的是，在以本发明所提供一种体声波滤波器为基础，为实现更为良好的回波指标，添加了部分电感也应属于本发明的保护范围，所述电感所起作用包括滤波、振荡、延迟、陷波等，其可添加的位置包括在串联模块2中或者并联模块中，在此便不多加赘述。
本发明提供的体声波滤波器应用了一种抑制体声波滤波器通带附近干扰模影响的方法，包括：
S101，基于BVD电路模型构建构建本发明所述体声波滤波器的等效电路。
本发明实施例中，所述等效电路或相当于如图1所示的本发明提供的体声波滤波器的拓扑结构示意图。
其中，构建所述等效电路依据于体声波滤波器的优化特性，包括如下多项要求：谐振子品质因数高、带宽窄、固有材料损耗小、矩形系数小、温度系数小。
本发明实施例中，依据该体声波滤波器的优化特性设置其最优参数，形成初始电路，根据BVD电路模型以及初始电路构建体声波滤波器的等效电路。
S102，获取并联于所述等效电路中的谐振子对应的并联模块，将并联模块中对应以串联结构连接的一个或至少两个谐振子等效替换为一个或至少两个谐振子的并联结构以根据等效替换后的等效电路测试电性能指标。
本发明实施例中，当将并联模块中对应以串联形式连接的至少两个谐振子或单个谐振子等效替换为并联形式的谐振子时，其对应所述谐振子的静态电容C0降低以减少谐振子对应压电层面积。
本发明实施例中，所述电性能指标的测试方式包括依据物理环境的需求进行人工或软件测算而获得，在此便不多加赘述。
S103，调试等效替换后所述等效电路中的静态电容值直至满足电气性能要求。
本发明实施例中，所述体声波滤波器的电气性能要求可通过设置静态电容C0、串联谐振子的串联谐振频率fs和并联谐振子的并联谐振频率fp中任意一项或多项的参数值来实现，故所述参数值称为最优参数，另外，其谐振子品质因数Q和上述机电耦合系数kt 2均取决于材料和结构特性，在体声波滤波器的优化设计中，在所用的介质不变的情况下，可通过调整谐振子的布局改变其覆盖面积以及厚度，进而改变体声波滤波器的特性。
另一实施例中，所述步骤S102还包括获取由一个或至少两个串联谐振子构成的串联模块，将串联模块中对应以串联形式存在的一个谐振子或至少两个谐振子等效替换为并联形式存在的至少两个谐振子以根据等效替换后的等效电路测试电性能指标。
综上所述，本发明通过对大电容的并联模块中的谐振子结构进行等效替换，采用具有不同静态电容的谐振子，将并联模块中的单个谐振子或两个或三个串联谐振子等效替换成并联形式的三个谐振子，经过优化后，大幅降低了谐振子压电层面积，有效抑制了通带附近干扰模的影响，提高了回波指标，提升了产品的电性能指标。
另外本发明采用的谐振子为薄膜体声波谐振器，具有体积小、频率高、插损小、功率大等优点，其具有石英晶振一样的谐振特性，其谐振频率主要取决于压电薄膜的厚度，可以构成谐振器应用于高频通信系统中。
在此处所提供的说明书中，虽然说明了大量的具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的体声波滤波器、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种体声波滤波器，其特征在于，包括：
输入端口、输出端口、若干串联的串联模块以及若干并联模块，所述并联模块并联于若干所述串联模块之间，所述并联模块包括第一并联模块；所述串联模块串联连接在所述输入端口和输出端口之间；所述第一并联模块并联连接于所述输入端口、所述串联模块及输出端口之间的连接结点处；其中所述第一并联模块的一端连接所述连接结点，另一端接地；所述第一并联模块包括三个并联连接的谐振子；
所述串联模块包括一个或至少两个串联连接的谐振子；
所述并联模块还包括至少一个第二并联模块，所述第二并联模块的一端和所述第一并联模块分别并联连接于所述输入端口、所述串联模块及输出端口之间的不同连接结点处；所述第二并联模块的另一端接地；
所述第二并联模块由一个谐振子组成；或者，所述第二并联模块包括至少两个串联连接的谐振子；所述第二并联模块能被等效替换为所述第一并联模块，且所述第一并联模块的等效静态电容的总值小于等效替换前的第二并联模块的等效静态电容。
2.根据权利要求1所述体声波滤波器，其特征在于，所述第一并联模块的三个谐振子的等效静态电容相同或不同。
3.根据权利要求1所述体声波滤波器，其特征在于，所述连接结点包括：所述串联模块中相邻两个所述谐振子之间的连接结点以及所述串联模块与输入端口/输出端口之间的连接结点。
4.根据权利要求1-3任意一项所述体声波滤波器，其特征在于，所述谐振子等效于由串联连接的电感、等效电容、电阻组成的串联电路和并联于串联电路两端的由静态电容构成的并联电路。
5.根据权利要求1-3任意一项所述体声波滤波器，其特征在于，所述谐振子为薄膜体声波谐振器。
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| CN1494210A (zh) * | 2002-09-30 | 2004-05-05 | ��ʿͨý�岿Ʒ��ʽ���� | 表面声波滤波器及具有其的表面声波双工器 |
| CN204578492U (zh) * | 2015-03-13 | 2015-08-19 | 熊猫电子集团有限公司 | 一种宽带带通型晶体带阻滤波器 |
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- 2017-11-08 CN CN201711089307.3A patent/CN108449067B/zh active Active
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