CN111313862A - 调整滤波器电路的方法和滤波器、多工器、通讯设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调整滤波器电路的方法和滤波器、多工器、通讯设备。在该方法中，调整谐振器的结构从而使其等效于连接有无源器件的串联体或并联体，这样可以去除该无源器件而不削弱滤波器性能，利用这种方式还可以消除滤波器中存在的互感耦合与寄生电容。

Description

调整滤波器电路的方法和滤波器、多工器、通讯设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种调整滤波器电路的方法和滤波器、多工器、通讯设备。

背景技术

近年来的通信设备小型化和高性能趋势的加快，给射频前端提出了更高的挑战。在射频通信前端中，一方面要通过减小芯片尺和封装基板的尺寸来实现小型化，另一方面要通过减少损耗来源以及更好的谐振器配合设计来实现更好的性能。在现有的滤波器结构中，用于匹配的无源器件的无源器件较多，同时用于改善特定性能比如滚降插损等也需要额外引入更多的电感、电容、耦合等多种结构。

图1是根据现有技术的一种滤波器拓扑结构的示意图。如图1所示，滤波器的输入输出端(如图中黑点所示，二者可互换)之间依次串联有一个电感和5个压电声波谐振器(称作串联谐振器)以及另一个电感，如图中横向的支路所示；该滤波器还具有4条并联支路，如图中4条纵向的支路所示，每条并联支路包含1个谐振器(称作并联谐振器)和1个电感。在实际的滤波器中，具体结构不限于图1所示的结构，但至少需包含2个串联谐振器和1个并联谐振器。

无源器件一般是在芯片版图或者封装基板上实现，额外的无源损耗以及不可消除的不利耦合会恶化损耗，带外抑制以及隔离度等性能，同时，为了实现特定的无源器件以及避免不利耦合，引入的多个无源器件会增大芯片版图以及封装结构的尺寸，这限制了器件的小型化。

发明内容

有鉴于此，本发明提出以等效的方式消除滤波器结构中的无源器件，提供了一种调整滤波器电路的方法和滤波器、多工器、通讯设备，有助于射频通信前端的小型化。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种调整滤波器电路的方法。

本发明的调整滤波器电路的方法中，所述滤波器包含多个压电声波谐振器，该方法包括以下的一项或多项：对于滤波器中的1个谐振器与1个电感组成的串联体，对该谐振器调整结构，使调整后的该谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近所述串联体的指定性能指标，然后去除所述电感；对于滤波器中的1个谐振器与1个电容组成的并联体，对该谐振器调整结构，使调整后的该谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近所述并联体的指定性能指标，然后去除所述电容；对于滤波器中的存在互感耦合的2个电感，先将该2个电感等效改变为第一电感、第二电感、以及第三电感，其中第三电感的第一端接地，第二端连接至第一电感和第二电感的第一端，第一电感和第二电感的第二端分别连接第一谐振器和第二谐振器从而分别构成第一串联体和第二串联体，然后对该第一谐振器和第二谐振器调整结构，使调整后的所述第一谐振器和第二谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近所述第一串联体和所述第二串联体的指定性能指标，再去除第一电感和第二电感；对于滤波器中的第三谐振器和第四谐振器之间的寄生电容，对该第三谐振器和第四谐振器调整结构，使调整后的所述第三谐振器和第四谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近第三组合体和第四组合体的指定性能指标，并且使第三谐振器直接连接滤波器的输入端或输出端，第四谐振器直接接地，其中，第三谐振器为串联谐振器并且在调整之前连接有第三电感，第四谐振器为并联谐振器并且在调整之前连接有第四电感，第三组合体包含第三电感和第三网络以及调整之前的第三谐振器，第四组合体包含第四电感和第四网络以及调整之前的第四谐振器，第三网络和第四网络用于等效所述寄生电容，第三网络一端位于第三谐振器和第三电感的连接点，另一端接地，第四网络一端位于第四谐振器和第四电感的连接点，另一端接地。

可选地，所述调整结构的步骤包括如下一项或几项：改变谐振器中如下一者或多者的厚度：压电层，上电极及其附属结构，下电极及其附属结构，衬底，以及选择的其他层；改变谐振器中如下一者或多者的结构：压电层，上电极及其附属结构，下电极及其附属结构，衬底，以及选择的其他层；改变谐振器边界或者内部的结构；在被调整结构的谐振器位于所述滤波器的第一晶圆、该滤波器的其他谐振器位于所述滤波器的第二晶圆的情况下，改变第一晶圆的谐振器的压电层的厚度。

可选地，所述指定性能指标包括串联谐振频率和并联谐振频率以及机电耦合系数。

可选地，所述指定误差范围是：串联谐振频率和并联谐振频率误差为±5M，优选地为±2M，并且机电耦合系数误差为±0.5％，优选地为±0.2％。

可选地，所述指定性能指标还包括阻抗。

可选地，所述指定误差范围还包括：阻抗误差为±50％，优选地为±20％。

可选地，所述第三网络和所述第四网络结构相同，均包含第一电容、第二电容、第一电感、第一电阻，其中后三者并联且第一端与第一电容连接，第二端接地。

可选地，所述滤波器包含5个串联谐振器和4个并联谐振器，各个并联谐振器的第一端位于相邻串联谐振器的连接点，第二端经由电感接地；所述第三谐振器直接与所述滤波器的输入端连接，所述第四谐振器的第一端与第三谐振器之间具有2个串联谐振器；或者，所述第三谐振器经由电感与所述滤波器的输出端连接，所述第四谐振器的第一端与第三谐振器之间具有2个串联谐振器。

根据本发明的第二方面，提供了一种滤波器，包含多个压电声波谐振器，所述滤波器的电路是根据本发明的方法调整电路之后得到。

可选地，所述滤波器在调整电路之后无源器件完全或者部分被消除。

根据本发明的第三方面，提供了一种多工器，包含多个本发明的滤波器。

根据本发明的第四方面，提供了一种通讯设备，包含本发明的滤波器。

本发明的有益效果主要有：

1、减小了无源器件的损耗，有效改善插损。无源器件有有限的Q值，因此任何无源器件的引入都会引入额外的损耗，因此减少了无源器件的使用会有效减低损耗，改善插损。

2、减少基板走线的不利耦合，改善带外抑制和插损。无源器件的实现方式一般是在版图和基板上实现，在较小的封装尺寸上，各个无源器件之间的耦合不可避免，多余的耦合会恶化隔离度、带外抑制甚至匹配特性。减少了无源器件就有效避免了耦合。

3、减少了版图和基板设计的复杂度。由于减少了无源器件，因此减少了在设计中对版图和基板所需的隔离和改善措施，有助于缩短设计周期。

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是根据现有技术的一种滤波器拓扑结构的示意图；

图2是现有技术中的声波谐振器的等效电路；

图3的谐振器串联电感之后的等效电路；

图4是根据本发明实施方式的去除串联电感之后的滤波器的电路图；

图5是根据本发明实施方式的串联体和调整结构前后的谐振器的阻抗曲线；

图6是图5在2.43-2.46GHz的局部放大图；

图7是本发明实施方式的串联体和调整结构后的谐振器的插损曲线；

图8是一种滤波器的电路图，其中部分谐振器上并联有电容；

图9是消除图8中的电容的滤波器的电路图；

图10是本发明实施方式的并联体和调整结构前后的谐振器的阻抗曲线；

图11是图10在2.49-2.51GHz的放大图；

图12是本发明实施方式的并联体和调整结构后的谐振器的插损曲线；

图13是本发明实施方式的并联体和调整结构后的谐振器的带外抑制曲线；

图14是滤波器的电感之间产生互感的示意图，其中两个并联支路中的电感产生了互感M；

图15是将图14中的耦合电感进行解耦后的电路；

图16是一种滤波器的电路图，其中示出了寄生耦合电容；

图17是在滤波器中采用等效网络替换寄生耦合电容的示意图。

具体实施方式

本发明实施方式中，采用等效的方式消除滤波器中的无源器件，或者消除耦合产生的互感以及寄生电容，以下具体加以说明。

1、消除的原理以及消除电感

先结合消除与谐振器串联的电感来说明消除的原理。从图1可以看出，若干谐振器与电感串联，例如谐振器11串联有电感12，二者组成串联体13。压电声波谐振器作为微型机电元件，其同时包含机械效应和电效应，但可以从电学的角度将其等效为一个纯电路元件，即如图2所示，图2是现有技术中的声波谐振器的等效电路，其包含两个电容和一个电感。在串联一个电感之后如图3所示，图3的谐振器串联电感之后的等效电路。通过调整谐振器的结构，可以改变其等效电路中的各元件的参数，从而使调整后的单个谐振器(等效电路如图2所示)的性能，等效于调整之前该谐振器与一个电感的串联体(等效电路如图3所示)的性能。也就是说，可以用一个调整过结构的谐振器，代替原有的谐振器并且去除与该原有谐振器串联的电感。这样，将图1中的各串联体进行上述等效处理之后，得到图4中的滤波器电路，图4是根据本发明实施方式的去除串联电感之后的滤波器的电路图。图4中的虚线所示的谐振器等效于图1中的各串联体。

以下结合阻抗曲线图来具体说明调整过结构的谐振器与上述串联体的等效情况。图5是根据本发明实施方式的串联体和调整结构前后的谐振器的阻抗曲线，横轴表示频率，纵轴表示阻抗。图6是图5在2.43-2.46GHz的局部放大图。如图5所示，参见2.4GHz频率附近，从上至下3条曲线分别对应于调整结构之后和之前的谐振器以及上述串联体。因此可以看出，调整结构之后的谐振器，谐振器各项性能指标与串联体接近，即二者可以等效。因此在调整时可以以串联谐振频率、并联谐振频率以及各频点的阻抗值为指标来确定是否等效。另外因为二者的差值与机电耦合系数相关，所以还可将机电耦合系数纳入该指标。

在图6中，右边曲线对应于调整结构之前的谐振器，在2.44GHz附近，上方和下方曲线分别对应于调整结构之前和之后的谐振器，从图6可以看出，因为调整之后的谐振器避免了串联电感带来的损耗，所以在Fs频率附近，调整结构之后的谐振器的阻抗比串联体的阻抗更小，这样器件的损耗更低，对应的插入损耗的性能更佳，这可以从图7中看出，图7是本发明实施方式的串联体和调整结构后的谐振器的插损曲线，横轴表示频率，纵轴表示损耗。图7中2.45GHz处上方和下方的曲线分别对应于调整结构后的谐振器和串联体。从图中可以看出，调整结构之后的谐振器比之于串联体，有更好的插损性能。

2、消除电容

为了减小谐振器的机电耦合系数，可在谐振器上并联电容。对于谐振器和电容构成的并联体，可以用一个机电耦合系数较小的谐振器来等效。图8是一种滤波器的电路图，其中部分谐振器上并联有电容，图9是消除图8中的电容的滤波器的电路图。如图8和图9所示，图8中的并联体81和并联体82，可以对应地等效为图9中的虚线所示的两个谐振器。等效的效果可从图10和图11中看出。图10是本发明实施方式的并联体和调整结构前后的谐振器的阻抗曲线，图11是图10在2.49-2.51GHz的放大图。

如图10所示，在2.53GHz附近，曲线从上至下分别对应于调整结构之前和之后的谐振器以及上述并联体。因此可以看出，调整结构之后的谐振器，性能与并联体接近，即二者可以等效。在图11中，右边曲线对应于调整结构之前的谐振器，左边上方和下方曲线分别对应于调整结构之后的谐振器和上述并联体。从图11可看出，因避免了并联电容引入的损耗，所以改善了插损性能，这从图12可以看出，图12是本发明实施方式的并联体和调整结构后的谐振器的插损曲线。图12中，2.45GHz处上方和下方的曲线分别对应于调整结构后的谐振器和并联体。可以看出实线显示出更好的插损性能。

另外采用调整结构之后的谐振器还有助于改善滚降性能。可参考图13，图13是本发明实施方式的并联体和调整结构后的谐振器的带外抑制曲线。其中2.50GHz处下方和上方的曲线分别对应于调整结构后的谐振器和上述并联体。从图13中可以看出，实线显示出更好的滚降性能。

3、消除互感

在滤波器电路中，有可能因电感的互感效应而在两个电感之间产生互感，即两个电感耦合，如图14所示，图14是滤波器的电感之间产生互感的示意图，其中两个并联支路中的电感产生了互感M。对于这种情况，在本发明实施方式中，可先将耦合的两个电感作电路变换以得到无互感的等效电路，如图15所示，图15是将图14中的耦合电感进行解耦后的电路，其中电感151、152、153共同替代图14中的耦合的两个电感，且电感151、152、153之间无互感。从图15中可以看出，解耦的处理得到了两个新的串联体，各包含一个谐振器和一个电感，可以采用上述第1节中介绍的方式来消除该串联体中的电感。这样只剩下电感153，即较之于原始的电路消除了1个电感。

需要说明的是，因器件的布置，互感可能产生在任意两个电感之间。因此上述仅为举例，在实现中不限于消除相邻并联支路的电感之间的互感。

4、消除寄生电容

在滤波器电路中，还广泛存在着寄生电容，如以电路形式表示，可参考图16，图16是一种滤波器的电路图，其中示出了寄生电容。根据该寄生电容的位置，先将其变换为等效网络，如图17所示，图17是在滤波器中采用等效网络替换寄生电容的示意图。在图17中，将图16中的寄生电容等效为2个由电阻、电容、电感组成的网络，分别是网络1和网络2。这样，在图17中可以划分出组合体171和组合体172，采用等效的方式，调整组合体中的谐振器(即谐振器173、174)的结构，使谐振器173、174等效于其所在的组合体，从而消除组合体中的电阻、电容、电感。对于图16所示的滤波器来说，图中位置的寄生电容相对明显，所以优选地是调整图中谐振器173、174的结构。

以上对于通过调整谐振器的结构来消除滤波器中的无源器件，或者消除耦合产生的互感以及寄生电容的方法做出了说明。在调整谐振器的结构时，具体可以改变谐振器各层的厚度，包括上电极、下电极以及二者的附属结构，对于有特殊功能的谐振器还会包含其他的层；或者可改变谐振器边界的结构和尺寸，例如在上下电极层的周围加入额外的图形或结构来改变谐振器的性能。在有些滤波器中，谐振器分布在两个晶圆上，此时可以将需要改变结构的谐振器置于同一晶圆，其他谐振器置于另一晶圆，从而可以调节这些谐振器的压电层的厚度。

根据本发明实施方式的技术方案，调整谐振器的结构从而使其等效于连接有无源器件的串联体或并联体，这样可以去除该无源器件而不削弱滤波器性能，利用这种方式还可以消除滤波器中存在的互感耦合与寄生电容。

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)

1.一种调整滤波器电路的方法，所述滤波器包含多个压电声波谐振器，其特征在于，该方法包括以下的一项或多项：

对于滤波器中的1个谐振器与1个电感组成的串联体，对该谐振器调整结构，使调整后的该谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近所述串联体的指定性能指标，然后去除所述电感；

对于滤波器中的1个谐振器与1个电容组成的并联体，对该谐振器调整结构，使调整后的该谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近所述并联体的指定性能指标，然后去除所述电容；

对于滤波器中的存在互感耦合的2个电感，先将该2个电感等效改变为第一电感、第二电感、以及第三电感，其中第三电感的第一端接地，第二端连接至第一电感和第二电感的第一端，第一电感和第二电感的第二端分别连接第一谐振器和第二谐振器从而分别构成第一串联体和第二串联体，然后对该第一谐振器和第二谐振器调整结构，使调整后的所述第一谐振器和第二谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近所述第一串联体和所述第二串联体的指定性能指标，再去除第一电感和第二电感；

对于滤波器中的第三谐振器和第四谐振器之间的寄生电容，对该第三谐振器和第四谐振器调整结构，使调整后的所述第三谐振器和第四谐振器的指定性能指标按指定误差范围接近第三组合体和第四组合体的指定性能指标，并且使第三谐振器直接连接滤波器的输入端或输出端，第四谐振器直接接地，其中，第三谐振器为串联谐振器并且在调整之前连接有第三电感，第四谐振器为并联谐振器并且在调整之前连接有第四电感，第三组合体包含第三电感和第三网络以及调整之前的第三谐振器，第四组合体包含第四电感和第四网络以及调整之前的第四谐振器，第三网络和第四网络用于等效所述寄生电容，第三网络一端位于第三谐振器和第三电感的连接点，另一端接地，第四网络一端位于第四谐振器和第四电感的连接点，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整结构的步骤包括如下一项或几项：

改变谐振器中如下一者或多者的厚度：压电层，上电极及其附属结构，下电极及其附属结构，衬底，以及选择的其他层；

改变谐振器中如下一者或多者的结构：压电层，上电极及其附属结构，下电极及其附属结构，衬底，以及选择的其他层；

改变谐振器边界或者内部的结构；

在被调整结构的谐振器位于所述滤波器的第一晶圆、该滤波器的其他谐振器位于所述滤波器的第二晶圆的情况下，改变第一晶圆的谐振器的压电层的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述指定性能指标包括串联谐振频率和并联谐振频率以及机电耦合系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述指定误差范围是：串联谐振频率和并联谐振频率误差为±5M并且机电耦合系数误差为±0.5％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述指定误差范围是：串联谐振频率和并联谐振频率误差为±2M并且机电耦合系数误差为±0.2％。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述指定性能指标还包括阻抗。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述指定误差范围还包括：阻抗误差为±50％。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述指定误差范围还包括：阻抗误差为±20％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三网络和所述第四网络结构相同，均包含第一电容、第二电容、第一电感、第一电阻，其中后三者并联且第一端与第一电容连接，第二端接地。

10.根据权利要求1、2或9所述的方法，其特征在于，所述滤波器包含5个串联谐振器和4个并联谐振器，各个并联谐振器的第一端位于相邻串联谐振器的连接点，第二端经由电感接地；

所述第三谐振器直接与所述滤波器的输入端连接，所述第四谐振器的第一端与第三谐振器之间具有2个串联谐振器；或者，所述第三谐振器经由电感与所述滤波器的输出端连接，所述第四谐振器的第一端与第三谐振器之间具有2个串联谐振器。

11.一种滤波器，包含多个压电声波谐振器，其特征在于，所述滤波器的电路是根据权利要求1至10中任一项的方法调整电路之后得到。

12.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器在调整电路之后无源器件完全或者部分被消除。

13.一种多工器，其特征在于，包含多个权利要求11或12所述的滤波器。

14.一种通讯设备，其特征在于，包含权利要求11或12所述的滤波器。

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