CN110971209A - 提高体声波滤波器功率容量的方法及滤波元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波器技术领域,特别地涉及一种提高体声波滤波器功率容量的方法及滤波元件,该方法包括如下步骤:步骤S1:增大当前滤波器中的各个谐振器的面积;使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录滤波器端口阻抗值的当前值;步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据当前值与指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而形成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。本发明不会恶化滤波器的插损,在保证体声波滤波器性能的前提下,提高了功率容量。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域,特别地涉及一种提高体声波滤波器功率容量的方法及滤波元件。
背景技术
体声波滤波器利用压电晶体的压电效应产生谐振,由于谐振由机械波产生,而非电磁波作为谐振来源,机械波的波长比电磁波波长短很多。因此,体声波滤波器及其组成的谐振器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面,由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制,谐振器的损耗极小,品质因数高,能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。由于体声波滤波器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性,以此为核心的滤波器在通讯系统中得到了广泛的应用。
体声波滤波器具备上述优点,但其存在功率容量较小的缺点,其能承受的平均功率一般在1W左右。目前,针对体声波滤波器提升其功率容量的方法主要为,拆分谐振器,降低谐振器的密度。如图1所示,谐振器S11、S12及P11均进行了拆分,拆分为两个串联的谐振器,每个谐振器的面积为原来的2倍,这样的拆分理论上使得原来功率密度高的谐振器的功率密度进一步降低,从而提升滤波器的功率容量;但是,如图2所示,单个谐振器A1拆分为两个谐振器B1和B2的连接关系,图中C1为谐振器B1和B2之间的连接部分,这个连接路径会引入额外的损耗,从而恶化滤波器插损,对提升功率容量也是不利的。
因此,在不恶化体声波滤波器插损的前提下,如何提高体声波滤波器的功率容量,仍是待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的是提供一种提高体声波滤波器功率容量的方法及滤波元件,在不恶化体声波滤波器性能的前提下,提高其功率容量。
为实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种提高体声波滤波器的功率容量的方法,包括如下步骤:步骤S1:增大当前滤波器中的各个谐振器的面积;使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录所述滤波器端口阻抗值的当前值;步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据所述当前值与所述指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而形成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。
可选地,所述方法还包括:在当前值等于指定值的情况下,将步骤S1中得到的滤波器作为提高体声波滤波器的功率容量的结果。
可选地,所述增大当前滤波器中的各个谐振器的面积的步骤包括:根据滤波器端口阻抗值的当前设定值调整当前所述滤波器中的各个谐振器的面积,该当前设定值小于所述指定值。
可选地,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
本发明还提供一种提高体声波滤波器的功率容量的方法,包括如下步骤:步骤S1:多个并联的滤波器中,增大当前每个滤波器中的各个谐振器的面积,使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录所述滤波器端口阻抗值的当前值;步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据所述当前值与所述指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。
可选地,所述方法还包括:在当前值等于指定值的情况下,将步骤S1中得到的滤波器作为提高体声波滤波器的功率容量的结果。
可选地,所述增大当前滤波器中的各个谐振器的面积的步骤包括:根据滤波器端口阻抗值的当前设定值调整当前所述滤波器中的各个谐振器的面积,该当前设定值小于所述指定值。
可选地,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
可选地,所述步骤S1中,多个并联的滤波器中,相邻的滤波器有限定宽度的间隔。
根据本发明的另一发面,提供一种滤波元件,包括基板,所述基板上设有1个体声波滤波器,所述体声波滤波器的输入端和输出端分别串联阻抗变换网络。
可选地,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
本发明还提供一种滤波元件,包括基板,所述基板上设有多个并联的体声波滤波器,所述多个并联的体声波滤波器的输入端和输出端分别串联阻抗变换网络。
可选地,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
可选地,相邻的所述体声波滤波器之间在所述基板上具有限定宽度的间隔。
根据本发明的技术方案,通过增大谐振器的面积,减小其功率密度,以提高滤波器的功率容量;其中,上述操作会使滤波器的端口阻抗减小,为了使体声波滤波器端口阻抗能够达到指定值,在其输入/输出端分别串联阻抗变换网络形成串联体,使串联体端口阻抗达到指定值。
该提高体声波滤波器功率容量的方法及滤波元件,无需对谐振器进行拆分,进而不会恶化滤波器的插损,在保证体声波滤波器性能的前提下,提高了功率容量。
附图说明
为了说明而非限制的目的,现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明,其中:
图1是现有技术中拆分谐振器提高功率容量的滤波器的电路图;
图2是现有技术中拆分谐振器的示意图;
图3是本发明实施例一提供的方法的流程框图;
图4是本发明实施例三提供的滤波元件的电路图;
图5A-图5F是本发明实施例三提供的阻抗变化网络的电路图;
图6是本发明实施例四提供的滤波元件的电路图;
图7是本发明实施例四提供的滤波元件的电路图;
图8是两个体声波滤波器并联时的组装结构示意图;
图9是四个体声波滤波器并联时的组装结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图3是本发明实施例提供的提高体声波滤波器的功率容量的方法的流程框图。该方法可采用计算机软件来实现,即应用计算机进行辅助设计。如图3所示,该方法包括如下步骤:
步骤S1:增大当前滤波器中的各个谐振器的面积;使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录所述滤波器端口阻抗值的当前值;
步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据所述当前值与所述指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而形成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。
以下对于上述方法再作进一步说明。
根据本实施例提供的方法,通过减小谐振器的功率密度来提高滤波器的功率容量。具体操作时,将滤波器中的各谐振器的面积增大,输入功率不变的情况下,该滤波器的功率密度即得以减小。但此时滤波器端口阻抗也会相应减小从而可能无法达到某些指定值,例如作为行业内常用的50欧姆。对于这种情况,在本发明实施方式中,向滤波器的输入端和输出端分别连接阻抗变换网络,使器件整体,即滤波器及其两端的阻抗变换网络,的端口阻抗得以提高到至指定值。这里的阻抗变换网络可以基于变压器实现,也可以是采用电感及电容构成阻抗电路。如,采用四分之一传输线或电压比为N:1的变压器或由LC实现的π型阻抗变换网络、T型阻抗变换网络、L型阻抗变换网络等。
在计算机辅助设计时,应用现有的计算机设计工具,可以先指定一个滤波器端口阻抗,根据该端口阻抗得出滤波器中各谐振器的面积。根据该方式,若需增大滤波器中各谐振器的面积,可指定一个较小的滤波器端口阻抗,可以上述指定值为基础,指定滤波器端口阻抗为该指定值的例如60%,那么计算得出的滤波器中各谐振器的面积就会大于端口阻抗为该指定值的滤波器中的各谐振器的面积,也就是实现了将滤波器中的各谐振器的面积增大,此时滤波器的功率密度得以减小,功率容量提高。如果此时功率容量仍不满足要求,可以继续增大滤波器中各谐振器的面积,即继续指定一个更小的滤波器端口阻抗值,从而计算出更大的谐振器面积,直至功率容量满足要求为止。功率容量满足要求之后,滤波器端口阻抗已经不满足要求,此时再如上所述,设计合适的阻抗变换网络加以纠正。
实施例二
本发明实施例提供一种提高体声波滤波器的功率容量的方法,包括如下步骤:
步骤S1:多个并联的滤波器中,增大当前每个滤波器中的各个谐振器的面积,使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录所述滤波器端口阻抗值的当前值;
步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据所述当前值与所述指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。
本实施例中,包括多个并联的滤波器,在调整谐振器的面积时,需对每个滤波器中的各个谐振器的面积进行调整,各个滤波器的当前设定值相同。采用此方式,可以将输入能量一分为N,N为并联的滤波器的数量,其中,结构方面相邻的滤波器之间具有限定宽度的间隔,间隔越大对滤波器性能影响越小;多个滤波器采用并联的形式在每一路滤波器达到极限功率的情况下,可以把整体网络的功率容量提升N倍,此方式更利于提高滤波器的功率容量,可满足5G基站的建设需求。
实施例三
如图4所示,本实施例提供一种滤波元件,包括基板,基板上设有1个体声波滤波器41,以及第一阻抗变换网络42和第二阻抗变换网络43,体声波滤波器41的输入端与第一阻抗变换网络42串联、输出端与第二阻抗变换网络43串联。
体声波滤波器41与现有的滤波器结构相同,为非拆分结构,包括一条串联支路和3条并联支路,串联支路由谐振器S21、S22、S23、S24依次连接组成,3个并联支路分别一端接于相邻串联谐振器之间,另一端接地,其中,第1并联支路由谐振器P21和电感L21组成,第2并联支路由谐振器P22和电感L22组成,第3并联支路由谐振器P31和电感L31组成,并联谐振器P21、P22和P23需要加质量负载,使得其谐振频率都低于串联谐振器的谐振频率。
体声波滤波器41的输入端和输出端分别连接阻抗变换网络,由于体声波滤波器41中的谐振器的面积增大,降低了谐振器的删除功率密度,提高了其功率容量,但是,可能存在的一种情况是体声波滤波器41输入端和输出端的端口阻抗降低,因此,需要串联端口阻抗网络,对端口阻抗进行变换,其中,阻抗变换网络的阻抗值根据实施例一的方法计算得出。还可能存在的一种情况是体声波滤波器41输入端和输出端的端口阻抗值不变,此时,输入端和输出端无阻抗变换网络。
以体声波滤波器41的端口阻抗值的指定值为50欧姆为例,体声波滤波器41的端口阻抗值的当前值小于50欧姆时,端口阻抗值减小,增大了谐振器的面积,使其功率密度减小,从而提高了功率容量。而体声波滤波器41在使用时还需要满足端口阻抗值为50欧姆的要求,因此,利用在体声波滤波器41输入端和输出端设置的第一阻抗变换网络42和第二阻抗变换网络43提升端口阻抗,将其由小于50欧姆变换为50欧姆。其中,阻抗变换网络为包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。例如,可以采用如图5A所示的四分之一传输线,或者如图5B所示的电压比为N:1的变压器;或者如图5C和5D所示由LC实现的π型阻抗变换网络;或者如图5E和5F所示的由LC实现的T型阻抗变换网络;或者为由LC实现的L型阻抗变换网络(图中未示出)等。
实施例四
如图6所示,本实施例提供另一种滤波元件,包括基板,基板上设有滤波器组61,滤波器组61为2个并联的体声波滤波器,分别为体声波滤波器611和体声波滤波器612,以及分别串联在滤波器组61的输入端和输出端的第三阻抗变换网络62和第四阻抗变换网络63。在结构方面与实施例三相比,体声波滤波器变为2个,且并联设置;而阻抗变换网络的阻抗值根据实施例二的方法计算得出。采用此方式,可以将输入能量一份为2,在每一路滤波器达到极限功率的情况下,可以把整体网络的功率容量成倍提升,图6中两个体声波滤波器并联可将功率容量提升2倍。
如图7所示,基板上设有滤波器组71包括N个并联的体声波滤波器,分别为体声波滤波器711、体声波滤波器712…体声波滤波器71N,滤波器组71的输入端和输出端分别串联第五阻抗变换网络72和第六阻抗变换网络73;其中,与实施例三中的结构相比,N个体声波滤波器并联,可将功率容量提升N倍。
其中,当设置多个并联的体声波滤波器时,在结构方面,需要尽可能增大各体声波滤波器之间的距离,减少彼此之间电磁和热耦合。
如图8所示,包括体声波滤波器611和体声波滤波器612,两颗滤波器611和612平行焊接在基板610上,基板610为多层基板,其介质材料可以为陶瓷或者环氧树脂,为了提高散热能力,优先选用陶瓷基板;另外,基板610每层尽可能的铺面积较大的金属,提高基板610水平方向散热能力,并且每层金属用过孔628垂直连接,提升垂直方向的散热能力。两颗体声波滤波器611和612的正下方621、631为金属层,通过过孔628连接到底层地,两颗体声波滤波器通过焊接固定在基板的金属层621、631上。体声波滤波器611的输入端通过键合线625和金属焊盘622连接,并通过传输线641、626连接到基板输入端627,体声波滤波器611的输出端通过键合线624和金属焊盘623连接,并通过传输线642、636连接到基板输出端637。同样,体声波滤波器612的输入端通过键合线634和金属焊盘632连接,并通过传输线643、626连接到基板输入端627,体声波滤波器612的输出端通过键合线635和金属焊盘633连接,并通过传输线644、636连接到基板输出端637。需要说明的是传输线641、642、643、644、626和636可以用微带线或者带状线实现,并且传输线641和643等长,传输线642和644等长。
如图9所示,N个体声波滤波器并联时(以4颗体声波滤波器为例),4颗体声波滤波器711、712、713和714焊接在基板710的四个角上,基板710为多层基板,其介质材料可以为陶瓷或者环氧树脂,为了提高散热能力,优先选用陶瓷基板,另外,基板710每层尽可能的铺面积比较大的金属,提高基板水平方向散热能力,并且每层金属用过孔720垂直连接,提升垂直方向的散热能力。4颗体声波滤波器711、712、713和714的正下方721、731、741和751为金属层,通过过孔720连接到底层地,这4颗体声波滤波器通过焊接固定在基板的表层金属721、731、741和751上。体声波滤波器711、713的输入端分别通过键合线722、742和传输线724、744的一端焊盘连接,传输线724、744的另一端连接到传输线761的一端。体声波滤波器712、714的输入端分别通过键合线732、752和传输线734、754的一端焊盘连接,传输线734、754的另一端连接到传输线761的另一端,从传输线761中间引出一条传输线762到基板输入端765。同样的,体声波滤波器711、713的输出端分别通过键合线723、743和传输线725、745的一端焊盘连接,传输线725、745的另一端连接到传输线763的一端,体声波滤波器712、714的输出端分别通过键合线733、753和传输线735、755的一端焊盘连接,传输线735、755的另一端连接到传输线763的另一端,从传输线763中间引出一条传输线764到基板输出端766。需要说明的是本实施例所用的传输线可以用微带线或者带状线实现,并且传输线724、734、744和754的长度相等,传输线725、735、745和755的长度相等,另外,如图9所示,传输线761和745会有部分线交叠,为了减少他们之间的电磁耦合,传输线745的部分走线通过过孔720转到另外一层走线,另外在这两层走线之间添加一个屏蔽层767,起到电磁隔离作用,同样传输线763和734会有部分线交叠,为了减少他们之间的电磁耦合,传输线734的部分走线通过过孔720转到另外一层走线,另外在这两层走线之间添加一个屏蔽层768,起到电磁隔离作用。
本实施例中的滤波元件,通过并联设置体声波滤波器,更利于提高体声波滤波器的功率容量,可满足5G基站的建设需求。
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 (14)
1.一种提高体声波滤波器的功率容量的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:增大当前滤波器中的各个谐振器的面积;使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录所述滤波器端口阻抗值的当前值;
步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据所述当前值与所述指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而形成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在当前值等于所述指定值的情况下,将步骤S1中得到的滤波器作为提高体声波滤波器的功率容量的结果。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述增大当前滤波器中的各个谐振器的面积的步骤包括:根据滤波器端口阻抗值的当前设定值调整当前所述滤波器中的各个谐振器的面积,该当前设定值小于所述指定值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
5.一种提高体声波滤波器的功率容量的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:多个并联的滤波器中,增大当前每个滤波器中的各个谐振器的面积,使这些谐振器的功率密度达到预设值,并且记录所述滤波器端口阻抗值的当前值;
步骤S2:在当前值小于指定值的情况下,根据所述当前值与所述指定值确定阻抗变换网络,该阻抗变换网络用于串联在滤波器的输入端和输出端从而成串联体,并使该串联体的端口阻抗达到所述指定值。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在当前值等于指定值的情况下,将步骤S1中得到的滤波器作为提高体声波滤波器的功率容量的结果。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述增大当前滤波器中的各个谐振器的面积的步骤包括:根据滤波器端口阻抗值的当前设定值调整当前所述滤波器中的各个谐振器的面积,该当前设定值小于所述指定值。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
9.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤S1中,多个并联的滤波器中,相邻的滤波器有限定宽度的间隔。
10.一种滤波元件,其特征在于,包括基板,所述基板上设有1个体声波滤波器,所述体声波滤波器的输入端和输出端分别串联阻抗变换网络。
11.根据权利要求10所述的滤波元件,其特征在于,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
12.一种滤波元件,其特征在于,包括基板,所述基板上设有多个并联的体声波滤波器,所述多个并联的体声波滤波器的输入端和输出端分别串联阻抗变换网络。
13.根据权利要求12所述的滤波元件,其特征在于,所述阻抗变换网络包含变压器,或者包含由电感及电容构成的阻抗电路。
14.根据权利要求12所述的滤波元件,其特征在于,相邻的所述体声波滤波器之间在所述基板上具有限定宽度的间隔。
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