CN109818593A - 一种阻抗比值不同的拆分式谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拆分式谐振器，所述拆分式谐振器是由多个子谐振器构成的谐振器群；所述谐振器群中，包含两个以上并联支路，各个并联支路中包含两个以上串联的子谐振器；相邻的所述并联支路中的串联连接点之间具有桥接的单个子谐振器或具有桥接的子谐振器群。

Description

一种阻抗比值不同的拆分式谐振器

技术领域

本发明涉及一种谐振器，具体涉及一种阻抗比值不同的拆分式谐振器。

背景技术

利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜体波谐振器，在手机通讯和高速串行数据应用等方面已经成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。射频前端体波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低插入损耗，陡峭的过渡带，较强的抗静电放电(ESD)能力。随着目前通讯等领域对滤波器和谐振器等电子器件功率容量要求的不断提高，滤波器和谐振器的发热量显著增大。高发热带来的高温会造成器件Q值和机电耦合系数大幅下降；此外高温还会造成由谐振器的频率发生漂移；另外高温还会降低器件整体寿命。以上诸多问题最终导致有谐振器构成的滤波器的性能参数如带宽，插入损耗，滚降特性，带外抑制等发生严重劣化。

应对发热问题的传统手段是增大谐振器的面积。这种方法在一定功率范围内可有效降低谐振器中的功率密度，从而降低谐振器的工作温度。但单纯依靠增加面积的方法已不能满足当前的谐振器对功率容量的要求，需要对传统结构进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻抗比值不同的拆分式谐振器，不仅增大了等效面积，而且还能增加谐振器的周长面积比，从而提高谐振器的散热性能和电子器件整体的功率容量。通过桥结构有助于抑制电路的不平衡性所产生的高次谐波，并提高电路抑制非线性效应的能力。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种阻抗比值不同的拆分式谐振器，所述拆分式谐振器是由多个子谐振器构成的谐振器群；所述谐振器群中，包含两个以上并联支路，各个并联支路中包含两个以上串联的子谐振器；相邻的所述并联支路中的串联连接点之间具有桥接的单个子谐振器或具有桥接的子谐振器群。

可选地，所述桥接的子谐振器群中包含两个以上并联支路，每个该并联支路中包含两个以上串联的子谐振器，相邻的该并联支路中的串联连接点之间具有桥接的单个子谐振器或具有所述桥接的子谐振器群。

可选地，在第一并联支路中：有1个子谐振器被短接，或者有多个不相邻的子谐振器被短接。

可选地，所述谐振器群中包含两个并联支路，其中第一并联支路中包含串联的并且压电层C轴指向相反的第一子谐振器和第二子谐振器，第二并联支路中包含串联的并且压电层C轴指向相反的第三子谐振器和第四子谐振器；在第一子谐振器和第二子谐振器的串联连接点，与第三子谐振器和第四子谐振器的串联连接点之间，跨接有第五子谐振器；第一子谐振器和第三子谐振器的压电层C轴指向相反，二者位于第五子谐振器第一侧；第二子谐振器和第四子谐振器的压电层C轴指向相反，二者位于第五子谐振器第二侧。

可选地，对于所述桥接的单个子谐振器或具有桥接的子谐振器群所构成的桥结构，有：桥结构的一端两侧的、并且位于同一并联支路的子谐振器具有不同的压电层C轴指向；桥结构的同侧的、并且位于不同并联支路的子谐振器具有不同的压电层C轴指向。

可选地，所述多个子谐振器中的各子谐振器之间保持声学隔离。

可选地，两相邻子谐振器的上电极或下电极或压电层的间隙宽度不小于半个声波波长，或者不小于2个声波波长。

可选地，所述拆分式谐振器具有2个引脚，所述2个引脚分别占据第一电位和第二电位；每个所述子谐振器的一侧具有所述第一电位并且另一侧则具有所述第二电位。

可选地，每个所述子谐振器的压电层的C轴由所述第一电位指向所述第二电位，或者由所述第二电位指向所述第一电位。

可选地，所述拆分式谐振器具备2组等电位互联，其中第1组等电位互联由位于第一电位的子谐振器的电极及这些电极之间的电学连接物构成，第2组等电位互联由位于第二电位的子谐振器的电极及这些电极之间的电学连接物构成。

可选地，所述上电极与所述下电极由金属、金属的多层复合材料或合金制成。

可选地，所述金属包括以下至少之一：钼、钌、金、镁、铝、钨、钛、铬、铱、锇、铂、镓、锗。

可选地，所述压电层材料包括：氮化铝，氧化锌，钛锆酸铅，铌酸锂，以及掺有一定比例稀土元素的上述材料。

根据本发明的技术方案，将电子器件中传统的单一谐振器分裂成若干个多边形子谐振器构成的多边形谐振器群，增加桥结构来抑制高次谐波，不仅增大了等效面积，而且还能增加谐振器的周长面积比，从而提高谐振器的散热性能和电子器件整体的功率容量。拆分式谐振器的另一个优点是有助于使得谐振器布局更为紧凑，从而合理利用空间，缩减器件尺寸。本发明中的桥结构在其两端不同的电压频率下有不同的运行模式，都有助于提高电路的平衡性，从而有助于对高次谐波进行抑制。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1A是根据本发明实施方式的第一种拆分式谐振器的结构的示意图；

图1B是根据本发明实施方式的第一种拆分式谐振器的电路图；

图2是根据本发明实施方式的另一种拆分式谐振器的电路图；

图3是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图；

图4是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图；

图5是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图；

图6是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图；

图7是与本发明有关的等电位连接和C轴指向关系的说明图；

图8是根据本发明实施方式的桥结构的阻抗与电压频率的变化关系的示意图；

图9A是根据本发明实施方式的拆分式谐振器中的桥结构为短路状态时的等效电路图；

图9B是根据本发明实施方式的拆分式谐振器中的桥结构为断路状态时的等效电路图。

具体实施方式

以下为本发明的较佳实施方式，但并不因此而限定本发明的保护范围。

图1A是根据本发明实施方式的第一种拆分式谐振器的结构的示意图。如图1A所示，在本发明实施方式中，将传统的单一谐振器分裂为5个子谐振器，5个子谐振器分别是图中的第一谐振器R101、第二谐振器R102、第三谐振器R103、第四谐振器R104和第五谐振器R105。

图1A给出了5谐振器的具体连接方式，以下具体加以说明。

第一谐振器R101的上电极具有引脚C100，且第一谐振器R101的上电极与第二谐振器R102的上电极发生电学连接C101；第一谐振器R101的下电极与第五谐振器R105的下电极发生电学连接C103；第二谐振器R102的下电极与第五谐振器R105的上电极发生电学连接C105；第五谐振器R105的下电极与第三谐振器R103的下电极发生电学连接C104；第五谐振器R105的上电极与第四谐振器R104的下电极发生电学连接C106；第三谐振器R103的上电极与第四谐振器R104的上电极发生电学连接C102，第四谐振器R104的上电极具有引脚C107。

此处需要说明的是，每两个相邻谐振器之间至多只存在电学连接，而声学上保持隔离。相邻的两个子谐振器的上电极-上电极之间，下电极-下电极之间以及压电层-压电层之间，至少有一处是不相连的，这两个子谐振器即保持声学隔离。例如，当上电极-上电极，下电极-下电极之间均存在电学连接时，压电层-压电层就应当断开。

根据上述连接方式，可以得出其电路图为图1B所示，图1B是根据本发明实施方式的第一种拆分式谐振器的电路图。从图1B可以看出，R101和R103串联成为第一支路，R102和R104串联成为第二支路，第一支路和第二支路之间是并联的关系，所以可将该第一支路称作第一并联支路，该第二支路称作第二并联支路。另外根据图1B，第一和第二并联支路中的串联连接点之间桥接有R105。

图2是根据本发明实施方式的另一种拆分式谐振器的电路图。如图2所示，拆分式谐振器包含R201-R208这8个子谐振器，其中R201、R203、R205串联构成第一条并联支路，R202、R204、R206串联构成第二条并联支路，两条并联支路中间桥接有R207和R208。

图2所示的拆分式谐振器分裂原则为等效阻抗分裂，即确保分裂后谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗(例如50Ω)。同时，在实际情况中，出于工艺缺陷或设计需要等各方面的原因，存在其他类型的“阻抗比值不同”，即谐振器R201阻抗除以谐振器R203与R205的阻抗之和得到的比值，通常不等于谐振器R202阻抗除以谐振器R204与R206的阻抗之和得到的比值，即系统的对称性不足，可表达为下面的表达式(表达式中的Z201表示子谐振器R201的阻抗，其余类似)：

Z201/(Z203+Z205)≠Z202/(Z204+Z206)

类似地，另一种不等于的关系为如下表达式：

(Z201+Z203)/Z205≠(Z202+Z204)/Z206

以上描述的系统的对称性不足，会使电路中产生大量的高次谐波，造成系统性能下滑。

通过加入桥结构R207和R208，可以改善系统的对称性，从而对高次谐波起到抑制作用。桥结构的两端的位置的选择(即选择在哪两个串联的子谐振器之间)，是根据能使得桥结构第一端两侧的阻抗比与桥结构第二端两侧的阻抗比之间的差异所带来的影响被减小这一原则来定。这里的“两侧的阻抗比”，应理解为这两侧中的第一侧的阻抗之和，与这两侧中的第二侧的阻抗之和的比值。根据这个原理，一条并联支路中的上述第一侧的子谐振器的数量可以不同于另一条并联支路中的上述第一侧的子谐振器的数量，该数量相同的情况即例如图1B和图2所示，而该数量不同的情况即例如图3所示，图3是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图，如图3所示，桥结构中的R507，是为了减小Z501/(Z503+Z505)与Z502/(Z504+Z506)之间的差值带来的影响。类似地，可选择添加图中的R508，是针对(Z501+Z503)/Z505与(Z502+Z504)/Z506之间的差异。其他各图中亦如此，即有些桥结构是可以选择省略的。

对于图2所示的拆分式谐振器，还可以变化，例如可以移除R202和R206，将原本为谐振器的位置用导线短接；或移除R204，将原本为谐振器的位置用导线短接。即某个并联支路中，可以有1个或不相邻的多个子谐振器被短接。

图4是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图，如图4所示，其包含3条并联支路，每条并联支路中有2个子谐振器，有2个桥接的子谐振器。

图5是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图，如图5所示，其包含3条并联支路，每条并联支路中有3个串联的子谐振器，因此最多可置有4个桥接的子谐振器，如图中所示。

此外，对于上述的桥接的子谐振器，可以用子谐振器群来代替，该子谐振器群是多个子谐振器的串并联形式，同样地为了减小上述的阻抗比值不同带来的不利影响，该子谐振器群中同样可包含桥结构，例如图6所示，图6是根据本发明实施方式的又一种拆分式谐振器的示意图。图6中的谐振器B600，在图中示出了其可选的一种形式，也可以采用本发明实施方式中的其他拆分式谐振器的形式。而且更进一步而言，图6中的谐振器群B600(其包含R605-R609)还可以是谐振器群，并且可以是包含本发明实施方式中的桥结构，可以看出这是一种循环方式，形成了“分形”的结构。

图7是与本发明有关的等电位连接和C轴指向关系的说明图。

如图7所示，Rsub1-Rsub4分别具有上电极EH1-EH4，下电极EL1-EL4以及压电层A1-A4；4个子谐振器的压电层分别具有C轴指向C1-C4。子谐振器的电极之间由导体(实线F1，F2和F3以及虚线D1，D2和D3)进行等电位连接。

其中EH1-F1-EL2-F2-EH3-F3-EH4形成1组等电位连接(这里称为A)，而EL1-D1-EH2-D2-EL3-D3-EL4形成另一组等电位连接(称为B)。若A占据第1电位，那么B占据第2电位。当等电位连接确立之后，A中的所有被连接的电极全部具有第1电位，相应的，B中所有被连接的电极都具有第2电位。

当涉及某一子谐振器与其他子谐振器压电层的C轴指向关系时，是参照电位来说的。例如，尽管Rsub1和Rsub2的C轴(C1和C2)在图中具有相同的几何指向，然而通过对电位进行参考可知C1由第2电位指向第1电位，而C2由第1电位指向第2电位，因此在电位意义下C1和C2是反向的。同理，图中几何方向相反的C2和C3，在电位意义下却是同向的。而C3和C4在电位意义下的关系，较前面两个例子就容易判断(C3和C4在电位意义下是相反的)。

结合上述说明，在本发明的实施方式中，拆分式谐振器具有2个引脚，该2个引脚分别占据第一电位和第二电位。每个子谐振器的一侧具有上述第一电位并且另一侧则具有上述第二电位。即每个分裂谐振器都只包含两组等电位连接。每个子谐振器的压电层的C轴由上述第一电位指向上述第二电位，或者由上述第二电位指向上述第一电位。其中至少1个子谐振器压电层的C轴指向与其余子谐振器中至少一个的压电层C轴指向相反。

本发明实施方式中，谐振器分裂原则为等效阻抗分裂，即确保分裂后谐振器群的等效阻抗等同于原单一谐振器的阻抗(例如50Ω)。同时，在实际情况中，出于工艺缺陷或设计需要等各方面的原因，各并联支路中的谐振器的阻抗比值不同，即所谓的“阻抗比值不同”，具体而言，以图1A和图1B为例，第一谐振器R101和第三谐振器R103的阻抗比值通常不等于第二谐振器R102和第四谐振器R104的阻抗比值。发明人在实现本发明的过程中发现，上述的阻抗比值不同会使系统产生大量的高次谐波。因此在本发明实施方式中，提出桥结构以增强系统电学平衡性或者叫对称性，从而尽可能地减小上述的阻抗比值不同所带来的影响。下面对此再作进一步说明。

参考图1B所示，拆分式谐振器的两个引脚端分别具有电位P1和电位P2，并且在R101和R103之间具有电位p3，在R102和R104之间具有电位p4。

通常由于工艺的缺陷或出于特殊技术目的进行的结构设计，会导致R101和R103的阻抗比值不等于R102和R104的阻抗比值，这使得电位P3的值不等于电位P4的值，从而导致P3和P4之间形成电位差，即电压。这样，当P3和P4之间具有桥结构R105时，R105将被施加有电压，R105的阻抗和施加于其上的电压的频率呈图8的变化关系，

图8是根据本发明实施方式的桥结构的阻抗与电压频率的变化关系的示意图。其中横坐标表示频率，纵坐标表示桥结构的阻抗的模值。

当施加在R105两端的电压频率为R105的串联谐振频率fs时，R105阻抗模值具有最小值Zs；当电压频率为R105的并联谐振频率fp时，R105的阻抗模值具有最大值Zp。

当R105具有阻抗Zs时，可认为R105处为短路状态，此时图1B的电路转化为图9A所示的电路。图9A是根据本发明实施方式的拆分式谐振器中的桥结构为短路状态时的等效电路图。

在图9A所示的拆分谐振器电路中，子谐振器R101和R102处于并联关系，子谐振器R103和R104处于并联关系；同时R101和R102的C轴指向在电位意义下相反，而R103和R104的C轴指向在电位意义下相反。通过上述桥结构可有助于抑制R101和R102形成及R103和R104形成的并联结构中的高次谐波，各子谐振器的压电层的上述C轴指向的选择可进一步提高该抑制效果。

当R105具有阻抗Zp时，可认为R105处为断路状态，此时图1B的电路转化为图9B所示的电路。图9B是根据本发明实施方式的拆分式谐振器中的桥结构为断路状态时的等效电路图。

在图9B所示的拆分谐振器电路中，子谐振器R101和R103处于串联关系，子谐振器R102和R104处于串联关系；同时R101和R103的C轴指向在电位意义下相反，而R102和R104的C轴指向在电位意义下相反。通过上述结构可有助于抑制R101和R103形成及R102和R104形成的串联结构中的高次谐波。

当R105两端施加的电压处于其他频率时，拆分谐振器的电路则处于图9A和图9B的叠加状态。由于通过拆分谐振器的信号通常具有一定的带宽，即具有连续或离散分布的多种频率成分，因此图1B中的电路能够充分利用图9A和图9B所示的两种模式来减小电路中的高次谐波，从而提高电路的平衡性和抑制非线性效应的能力。

推广到一般情况，通过选择各子谐振器的压电层C轴指向，可以利用类似于上述的图9A和图9B所示的两种模式，即桥结构的等效短路或断路的模式来帮助抑制电路中的高次谐波。这里的桥结构可以是例如R105等单独的子谐振器，也可以是例如B600这样的子谐振器群。桥结构的一端两侧的、并且位于同一并联支路的子谐振器具有不同的压电层C轴指向。例如图1B所示，R105一端p3两侧的R101和R103具有不同的压电层C轴指向，图中用箭头标明。桥结构的同侧的、并且位于不同并联支路的子谐振器具有不同的压电层C轴指向。例如图1B所示，R105左侧的R101和R102有不同的压电层C轴指向，图中用箭头标明。图2至图6中同样用箭头标明了子谐振器压电层C轴指向，其中的桥结构都有助于抑制电路中的高次谐波。

在本发明的实施方式中，分裂后的相邻子谐振器的电极间或压电层间的间隙值不小于两个声波波长，优选范围不小于半个声波波长。

在本发明的实施方式中，上电极和下电极的材料可从以下金属中选择：钼、钌、金、镁、铝、钨、钛、铬、铱、锇、铂、镓、锗。

压电层材料可选自：氮化铝，氧化锌，钛锆酸铅，铌酸锂，以及掺有一定比例稀土元素的上述材料。所述压电材料为厚度小于10微米的薄膜，并具有单晶或多晶结构，采用溅射(Sputtering)或沉积工艺制成。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (13)

1.一种阻抗比值不同的拆分式谐振器，其特征在于：

所述拆分式谐振器是由多个子谐振器构成的谐振器群；

所述谐振器群中，包含两个以上并联支路，各个并联支路中包含两个以上串联的子谐振器；

相邻的所述并联支路中的串联连接点之间具有桥接的单个子谐振器或具有桥接的子谐振器群。

2.根据权利要求1所述的拆分式谐振器，其特征在于，

所述桥接的子谐振器群中包含两个以上并联支路，每个该并联支路中包含两个以上串联的子谐振器，相邻的该并联支路中的串联连接点之间具有桥接的单个子谐振器或具有所述桥接的子谐振器群。

3.根据权利要求1所述的拆分式谐振器，其特征在于，在第一并联支路中：有1个子谐振器被短接，或者有多个不相邻的子谐振器被短接。

4.根据权利要求1所述的拆分式谐振器，其特征在于，

所述谐振器群中包含两个并联支路，其中第一并联支路中包含串联的并且压电层C轴指向相反的第一子谐振器和第二子谐振器，第二并联支路中包含串联的并且压电层C轴指向相反的第三子谐振器和第四子谐振器；

在第一子谐振器和第二子谐振器的串联连接点，与第三子谐振器和第四子谐振器的串联连接点之间，跨接有第五子谐振器；

第一子谐振器和第三子谐振器的压电层C轴指向相反，二者位于第五子谐振器第一侧；第二子谐振器和第四子谐振器的压电层C轴指向相反，二者位于第五子谐振器第二侧。

5.根据权利要求1所述的拆分式谐振器，其特征在于，对于所述桥接的单个子谐振器或具有桥接的子谐振器群所构成的桥结构，有：

桥结构的一端两侧的、并且位于同一并联支路的子谐振器具有不同的压电层C轴指向；

桥结构的同侧的、并且位于不同并联支路的子谐振器具有不同的压电层C轴指向。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的拆分式谐振器，其特征在于，所述多个子谐振器中的各子谐振器之间保持声学隔离。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的拆分式谐振器，其特征在于，两相邻子谐振器的上电极或下电极或压电层的间隙宽度不小于半个声波波长，或者不小于2个声波波长。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的拆分式谐振器，其特征在于，

所述拆分式谐振器具有2个引脚，所述2个引脚分别占据第一电位和第二电位；

每个所述子谐振器的一侧具有所述第一电位并且另一侧则具有所述第二电位。

9.根据权利要求8所述的拆分式谐振器，其特征在于，每个所述子谐振器的压电层的C轴由所述第一电位指向所述第二电位，或者由所述第二电位指向所述第一电位。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的拆分式谐振器，其特征在于，所述拆分式谐振器具备2组等电位互联，其中第1组等电位互联由位于第一电位的子谐振器的电极及这些电极之间的电学连接物构成，第2组等电位互联由位于第二电位的子谐振器的电极及这些电极之间的电学连接物构成。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的一种拆分式谐振器，其特征在于：所述上电极与所述下电极由金属、金属的多层复合材料或合金制成。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的一种拆分式谐振器，其特征在于：所述金属包括以下至少之一：钼、钌、金、镁、铝、钨、钛、铬、铱、锇、铂、镓、锗。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的一种拆分式谐振器，其特征在于，所述压电层材料包括：氮化铝，氧化锌，钛锆酸铅，铌酸锂，以及掺有一定比例稀土元素的上述材料。