CN109831178B - 一种双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双工器，包括：发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，其中，LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一串联谐振器两端或LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一并联谐振器两端；本申请在滤波器和双工器的结构设计中引入LWR谐振器来改善压电滤波器、双工器的性能，通过利用LWR谐振频点的阻抗特性、灵活的频率以及压电耦合系数调节的特点，采用不同的频率和压电耦合系数的组合，在特定的频点实现需要的阻抗变换。
Description
技术领域
本发明涉及半导体及微机电系统领域，特别是涉及一种双工器。
背景技术
随着无线通信系统的快速发展，对射频前段的性能需求越来越严苛。并且无线通信系统朝着多功能、多频段、多协议的方向发展，这对无限通讯设备中的射频前端提出了更高的挑战。作为射频前段非常重要的模块，滤波器双工器的性能对射频前端性能起着决定性的作用。因此对滤波器双工器性能的持续的改善有着非常迫切的需求。
在射频通信领域，薄膜体声波滤波器(FilmBulkAcousticWave Resonator，FBAR)以其小尺寸、高滚降、低插损的特点，越来越引起重视，市场份额持续增加。然而，构成FBAR滤波器中谐振器的频率是通过调节物理层的厚度来实现，可调节范围受限，并且调节范围过宽的情况下，谐振器性能难以保证。另外，谐振器的压电耦合系数基本取决于压电介质层的厚度和和材料参数，在同一滤波器上难以调节。频率和压电耦合系数实现范围的受限限制了滤波器的整体性能的提升。
因此，如何通过LWR谐振器调节频率和压电耦合系数，改善压电滤波器、双工器的性能是本领域技术人员目前亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双工器。
第一方面，提供一种双工器，包括：
发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一串联谐振器两端或LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一并联谐振器两端。
本发明在滤波器和双工器的设计中引入了LWR兰姆波谐振器，LWR兰姆波谐振器作为一个电容，可以使Fp的高阻抗点到Fs的低阻抗点的滚降速度更快，在高滚降要求的滤波器中，能够改善滚降，此外，相比FBAR通过对金属和介质厚度来调节频率和压电耦合系数以外，还增加了金属图形的平面插指间距和金属图形的占空比等调节频率和压电耦合系数的途径，因此，频率和压电耦合系数的调节范围更宽。
采用LWR一方面在通带内增加了匹配的自由度，改善了带内插损和回波性能。另一方面，通过调节LWR的频率在带外的某个频点，通过阻抗的变化实现带外抑制和隔离度的改善。并且LWR结构和FBAR工艺兼容，在保证层叠厚度和FBAR相同的情况下，可以通过调节平面图形来实现特定的频率和压电耦合系数。
进一步地，LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一串联谐振器两端。
再进一步的，所述LWR谐振器为两组，一组并联在发射滤波器任一串联谐振器两端，另一组并联在接收滤波器任一串联谐振器两端。
再进一步的，所述LWR谐振器并联在发射滤波器任一串联谐振器两端。
再进一步的，所述LWR谐振器并联在接收滤波器任一串联谐振器两端。
进一步地，所述LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一并联谐振器两端。
再进一步地，所述LWR谐振器为两组，一组并联在发射滤波器任一并联谐振器两端，另一组并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
再进一步地，所述LWR谐振器并联在发射滤波器任一并联谐振器两端。
再进一步地，所述LWR谐振器并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
进一步地，所述LWR谐振器LWR谐振器为四组，一组并联在发射滤波器任一串联谐振器两端，一组并联在接收滤波器任一串联谐振器两端，一组并联在发射滤波器任一并联谐振器两端，一组并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
进一步地，所述LWR谐振器为两组，一组并联在发射滤波器任一串联谐振器两端，另一组并联在发射滤波器任一并联谐振器两端。
进一步地，所述LWR谐振器为两组，一组并联在接收滤波器任一串联谐振器两端，另一组并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
本发明相对现有技术的有益效果：
本申请在滤波器和双工器的结构设计中引入LWR谐振器应用于压电滤波器、双工器的结构中来改善压电滤波器、双工器的性能，通过利用LWR谐振频点的阻抗特性、灵活的频率以及压电耦合系数调节的特点，采用不同的频率和压电耦合系数的组合，在特定的频点实现需要的阻抗变换。
相比FBAR通过对金属和介质厚度来调节频率和压电耦合系数以外，还增加了金属图形的平面插指间距和金属图形的占空比等调节频率和压电耦合系数的途径，因此，频率和压电耦合系数的调节范围更宽。采用LWR一方面在通带内增加了匹配的自由度，改善了带内插损和回波性能。另一方面，通过调节LWR的频率在带外的某个频点，通过阻抗的变化实现带外抑制和隔离度的改善。并且LWR结构和FBAR工艺兼容，在保证层叠厚度和FBAR相同的情况下，可以通过调节平面图形来实现特定的频率和压电耦合系数。
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1是本申请第一实施例的一种双工器的电路结构图。
图2是本申请第一实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。
图3是本申请第一实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。
图4是本申请第二实施例的一种双工器的电路结构图。
图5是本申请二实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。
图6是本申请二实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。
图7是本申请第三实施例的双工器的一种电路结构图。
图8是本申请三实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。
图9是本申请三实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。
图10是本申请第三实施例的双工器的谐振器阻抗曲线。
图11是本申请第三实施例的双工器的带外抑制的仿真结果。
图12是本申请第三实施例的双工器的带外抑制的仿真结果局部放大图。
图13是本申请LWR谐振器的平面结构图。
图14是本申请LWR谐振器电极的一种实现结构图。
图15是本申请LWR谐振器电极的一种实现结构的剖面图。
图16是本申请LWR谐振器电极的另一种实现结构图。
图17是本申请LWR谐振器电极的另一种实现结构的剖面图。
图18是本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的频率。
图19是本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的机电耦合系数。
图20是本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的频率。
图21是本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的机电耦合系数。
图22是本申请LWR谐振器仿真器件工作模式下的振动位移图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
图1示出了本申请第一实施例的双工器的一种电路结构图。如图1所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器为两组，一组发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101任一串联谐振器两端，另一组接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102任一串联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101连接天线端(ANT)的串联谐振器两端，接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102连接天线端(ANT)的串联谐振器两端。
图2示出了本申请第一实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。如图2所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101任一串联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101连接天线端(ANT)的串联谐振器两端。
图3示出了本申请第一实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。如图3所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102任一串联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102连接天线端(ANT)的串联谐振器两端。
实施例2
图4示出了本申请第二实施例的双工器的一种电路结构图。如图4所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器为两组，一组发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101任一并联谐振器两端，另一组接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102任一并联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101近天线端(ANT)的并联谐振器两端，接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102近天线端(ANT)的并联谐振器两端。
图5示出了本申请第二实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。如图5所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101任一并联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101近天线端(ANT)的并联谐振器两端。
图6示出了本申请第二实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。如图6所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102任一并联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102近天线端(ANT)的并联谐振器两端。
实施例3
图7示出了本申请第三实施例的双工器的一种电路结构图。如图7所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器为四组，一组发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101任一串联谐振器两端，一组接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102任一串联谐振器两端，一组发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101任一并联谐振器两端，一组接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102任一并联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101连接天线端(ANT)的串联谐振器两端，接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102连接天线端(ANT)的串联谐振器两端，发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101近天线端(ANT)的并联谐振器两端，接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102近天线端(ANT)的并联谐振器两端。
图8示出了本申请第三实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。如图8所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器为两组，一组发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101任一串联谐振器两端，另一组发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101任一并联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。发射端串联支路LWR谐振器103并联在发射滤波器101连接天线端(ANT)的串联谐振器两端，发射端并联支路LWR谐振器105并联在发射滤波器101近天线端(ANT)的并联谐振器两端。
图9示出了本申请第三实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。如图9所示，一种双工器，包括：
发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器102，所述接收滤波器连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器为两组，一组接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102任一串联谐振器两端，另一组接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102任一并联谐振器两端。
具体的，发射滤波器101与接收滤波器102均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述三级并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器以及一个接地端之间。接收端串联支路LWR谐振器104并联在接收滤波器102连接天线端(ANT)的串联谐振器两端，接收端并联支路LWR谐振器106并联在接收滤波器102近天线端(ANT)的并联谐振器两端。
图10示出了本申请第三实施例的双工器的谐振器阻抗曲线。由图10可知，细线是双工器未并联LWR谐振器阻抗曲线，粗线是双工器并联LWR谐振器结构的谐振器阻抗曲线，其中，阻抗最低点对应的频率是串联谐振频率Fs，阻抗最高的点对应的频率是并联谐振频率Fp，并联上LWR后，Fs频率不变，Fp频率变小，Fp到Fs的频率间隔小，也就是在较短的频率范围内完成高阻到低阻转换的速度快，即Fp高阻抗到Fs低阻抗的滚降速度更快，在滤波器的设计中，滤波器的通带到阻带的滚降更快，对于临带有较高抑制的应用可以起到很好的作用，但是牺牲了部分的带宽。
图11示出了本申请第三实施例的双工器带外抑制的仿真结果。由图11可知，细线是双工器未并联LWR滤波器结构的滚降曲线，粗线是双工器并联LWR滤波器结构的滚降曲线。滚降即从一定插损滚降到一定带外抑制值所需要的频率数值，单位为dB/MHz，例如图11中，从插损-3dB到带外抑制-60dB，粗线需要16MHz，细线需要20MHz，此种情况下，粗线对应的滚降更好)。对于相同的带外抑制幅度(1.92GHz处)，粗线的插损更好，因此滚降更好。
图12示出了本申请第三实施例的双工器带外抑制的仿真结果局部放大图，即图12是图11的滤波器通带右侧放大图，由图12可以更明显看出带外抑制幅度(1.92GHz处)插损的改善。
这里，将描述LWR谐振器。图13示出了本申请的LWR谐振器的平面结构图。如图13所示，LWR谐振器包含衬底1、空腔2、正极3、负极4及压电层介质，所述正负电极通过交叉插指电极连通，所述介质层位于正负电极的插指之间。此图只示出了一层的电极结构，实际上LWR谐振器立体结构为三明治结构。
图14示出了本申请的LWR谐振器电极的一种实现结构。图15示出了此LWR谐振器电极的剖面图。图16示出了本申请的LWR谐振器电极的一种实现结构。图17示出了此LWR谐振器电极的剖面图。
由图14-17可知，图14和图16为LWR谐振器电极两种实现形式，图15上下电极均为插指结构，图17的上电极为插指机构，下电极为整块金属结构。
图18示出了本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的频率。
图19示出了本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的机电耦合系数。
图20示出了本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的频率。
图21示出了本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的机电耦合系数。
由图18-21可知，LWR作为一种谐振器，可以和现有的FBAR工艺兼容，在FBAR的滤波器中集成。并且它的频率和机电耦合系数kt2调节很灵活，克服了FBAR本身频率和机电耦合系数相对调节范围较小的问题，带内匹配更好，可以用来改善带外抑制。其中插指间距pitch的调节是增加的一个维度，因为在FBAR中只是在垂直的叠层来调节频率和机电耦合系数kt2。另一方面，其实和FBAR类似，将谐振频率设置在偏离工作频率区域较远的位置，可以作为一个电容来使用，并且因为频率的变动范围更大，因此作为一个电容是更加理想的选择。
图22是本申请LWR谐振器仿真器件工作模式下的振动位移图。如图22可知，这种器件是一种电磁波到声波再到电磁波转化的器件，当谐振频率在输入端输入时，器件产生声波共振，图22中颜色越深表面振动越强烈，表示的是器件工作时候的情况。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双工器，其特征在于，包括：
发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及
接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器，
其中，LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一串联谐振器两端或LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一并联谐振器两端。
2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，LWR谐振器并联在发射滤波器或接收滤波器的任一串联谐振器两端。
3.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为两组，一组并联在发射滤波器任一串联谐振器两端，另一组并联在接收滤波器任一串联谐振器两端。
4.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为一组，并联在发射滤波器或接收滤波器的任一串联谐振器两端。
5.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器连接在发射滤波器或接收滤波器内任意一节点的并联支路上并与接地端连接。
6.根据权利要求5中所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为两组，一组并联在发射滤波器任一并联谐振器两端，另一组并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
7.根据权利要求5中所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为一组，并联在发射滤波器或接收滤波器任一并联谐振器两端。
8.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为四组，一组并联在发射滤波器任一串联谐振器两端，一组并联在接收滤波器任一串联谐振器两端，一组并联在发射滤波器任一并联谐振器两端，一组并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
9.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为两组，一组并联在发射滤波器任一串联谐振器两端，另一组并联在发射滤波器任一并联谐振器两端。
10.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器为两组，一组并联在接收滤波器任一串联谐振器两端，另一组并联在接收滤波器任一并联谐振器两端。
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