CN111342813A - 基于移相网络提高隔离度的射频压电多工器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于移相网络提高隔离度的射频压电多工器和电子设备。该射频压电多工器单元，包括：封装载板；至少三个滤波器，适于共同连接于公共端口；用于接地的匹配电感；移相网络模块，其中：所述滤波器、匹配电感和移相网络模块封装于所述封装载板中；所述移相网络模块的至少一部分适于连接在所述公共端口与所述匹配电感之间。所述至少三个滤波器包括接收滤波器和发射滤波器；公共端口连接区域设置在所述接收滤波器与所述发射滤波器之间；且所述匹配电感位于所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的隔离劣化区域之外。本发明还涉及具有该射频压电多工器单元的射频压电多工器以及具有上述单元的电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及通信用滤波器器件，尤其涉及一种射频压电多工器单元，一种具有该多工器单元的多工器，一种用于多工器的封装载板，以及一种具有该多工器单元的电子设备。
背景技术
近年来，随着移动通信的发展，移动终端的数据传输峰值速率相比3G及LTE时代已经有了几何级的提高。由于频谱资源的稀缺性，以及各代通信设备组网方案的并存，一种最直接的提高数据传输速率的方案便是利用现有频谱资源，增加系统的数据传输带宽。
在LTE-Advanced(即通常所说的4G+)以及已经逐渐开始商用的5G通信协议，支持高数据传输速率的载波聚合(CA，Carrier Aggregation)方案已经成为必备的技术手段，它通过将原有两个、甚至三个以上的频段，在射频前端进行组合，实现通信频段的直接扩展。
不同频段的信号需要共用天线进行收发，但在射频前端要分开处理，因此支持载波聚合的多模-多频段移动终端，必定会采用小尺寸、高性能的射频多工器实现此功能。
多工器一般至少由3个或3个以上的压电滤波器组成，构成此类压电滤波器的谐振器主要包括：FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator，薄膜体声波谐振器)，SMR(SolidlyMounted Resonator，固态装配谐振器)和SAW(Surface Acoustic Wave，表面声波谐振器)。由于组成的滤波器数量更多，多工器的设计难度也远高于传统的单频段滤波器和双工器，其中两个最重要难点为：一是共同连接到天线端的各滤波器的阻抗匹配；二是在小尺寸下实现各频带间的隔离度。
图1中的附图标记100是现有技术比较常见多工器单元(本例为四工器)设计原理示意图。多工器单元100为包含了四颗滤波器芯片以及封装载板的四工器器件，其中滤波器是压电滤波器，组成压电滤波器的谐振器可以是SAW、FBAR或SMR。
附图标记120是各滤波器连接的公共端口(在该端口可以连接天线，也可以不连接天线，图中示出为连接天线)。附图标记102、104、106、108分别是组成四工器的四颗滤波器。附图标记122、124、126、128是分别从四颗滤波器引出的端口，连接到系统电路的其它部分，这四个端口与公共端口，构成了四工器的五个端口。
附图标记112、114、116、118是连接在各端口与滤波器之间的阻抗匹配网络，匹配网络可以由匹配器件组成，匹配器件可以是电感，也可以是电容，可以串联连接，也可以并联连接，也可以是多种匹配器件、多种连接方法的组合。匹配网络也可以在器件外部以分立元件的形式实现匹配。
附图标记101是位于滤波器与公共端口之间的移相电性器件，一般是串联的电感、电容、或具有一定电长度的传输线，作用是将从公共端看入的滤波器阻抗进行相位移动，以使各个滤波器之间实现较好的匹配状态。移相电性器件可以设置在多个滤波器与公共端之间。
各通道的移相网络和匹配网络在封装载板中集成，封装载板可以是PCB(印刷电路板)，LTCC(低温共烧陶瓷)基板等。
由于压电滤波器在谐振频率以外都呈现为一个电容，每个通道从公共端看进去的阻抗也大都呈容性，因此四工器在公共端的匹配一般都是由一个并联接地的电感130实现。
如图1所示，四颗滤波器的汇接点A(为多个滤波器与等效电感连接之前的汇合点)是在四工器器件内部(封装载板内部)，而匹配电感130位于器件外部，因此从器件的汇接点到匹配电感130的位置一般还等效存在一个较小的等效电感132，量级为零点几nH。
图3是图1中的多工器单元100的各通道单独从公共端口看入时各通道(包含该通道的移相电性器件，滤波器，以及匹配网络，其它通道断开)的阻抗位置的Smith圆图，从Smith圆图看，各通道通带范围内，其阻抗均位于下方偏左的位置，呈现比较统一的容性。
图4为示出图1中的多工器各通道在公共端口汇接后从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图。其中，图4中的实线是图1中的多工器单元100将各通道在公共端汇接后从公共端口看入时各通道的阻抗位置；虚线是在公共端口添加了匹配电感130之后的各通道的阻抗位置。可以看到，在Smith圆图中，添加了匹配电感130之后，各通道的阻抗均位于Smith圆图的中心。如本领域技术人员能够理解的，曲线越集中靠近圆心点(例如50欧姆)，匹配的效果越好。
但是，在图1中，因为等效电感132由于是在汇接点A外部，对四颗滤波器的匹配会产生同样作用，不利于实现更好的匹配。而且，等效电感132电感量越大，匹配效果越差，匹配电感130的感值也越大。此外，匹配电感130的感值越大，Q值就会越低，从而增加器件的插入损耗。而基于如图1在器件外部设置匹配电感的方案，很难将等效电感132的感值减小到0.1nH以下。
图2与图1类似，区别在于多工器单元200包含了匹配电感230，即匹配电感230与移相电性器件或其它端口匹配网络一样，都集成在封装载板中，这样等效电感232和匹配电感230互换了位置，等效电感232对于各通道汇接点A的匹配影响会变小(不等于没有)，同时匹配电感230因为更靠近汇接点A(相当于图1中的等效电感132为0nH)，电感值相对更小，Q值可以更高，减小了器件插入损耗。
虽然图2中的方案可以采用较小感值的匹配电感，一定程度上解决了匹配的问题，但因为汇接点A一般都需要靠近公共端口220，否则等效电感232就会比较大，因此匹配电感230一般也会离公共端口220较近。这个位置的限制，给位于公共端口附近的滤波器通道端口之间的隔离度带来了挑战。
发明内容
为缓解或解决使用现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
本发明提出了一种射频压电多工器单元，包括：封装载板；至少三个滤波器，封装于所述封装载板且适于共同连接于公共端口；用于接地的匹配电感；移相网络模块，其中：所述匹配电感和移相网络模块封装于所述封装载板中；所述移相网络模块的至少一部分适于连接在所述公共端口与所述匹配电感之间。
可选的，匹配电感与公共端口所在的封装载板的边之间的直线距离在与该直线距离所在直线平行的封装载板的边的边长的三分之一到三分之二的范围之内。或者可选的，所述至少三个滤波器包括接收滤波器和发射滤波器；封装载板包括设置在所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的公共端口连接区域；且所述匹配电感位于所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的隔离劣化区域之外。
可选的，所述移相网络模块包括至少一个移相电性器件。进一步的，移相电性器件中的至少一个连接在汇接点与匹配电感之间。
可选的，所述公共端口适于通过等效电感与天线相接；且所述等效电感位于所述封装载板之外。
可选的，采用逐级匹配的方式设置所述移相网络模块。
本发明的实施例还涉及一种用于多工器的封装载板，包括：与多工器的公共端口匹配的匹配电感；至少一个移相电性器件，用于对多工器的滤波器的阻抗进行相位移动，其中：所述至少一个移相电性器件中的至少一个适于连接在公共端口与匹配电感之间。
可选的，上述封装基板中，匹配电感与公共端口所在的封装载板的边之间的直线距离，在与该直线距离所在直线平行的封装载板的边的边长的三分之一到三分之二的范围之内。或者可选的，上述封装载板上适于设置至少三个滤波器，所述至少三个滤波器包括接收滤波器和发射滤波器；所述封装载板包括设置在所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的公共端口连接区域；且所述匹配电感位于所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的隔离劣化区域之外。
根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种射频压电多工器，包括上述的射频压电多工器单元或者上述的封装载板。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种电子设备，包括上述的射频压电多工器单元。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为现有技术中的一种多工器的设计原理示意图；
图2为现有技术中的另一种多工器的设计原理示意图；
图3为示出图1中的多工器各通道单独从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图；
图4为示出图1中的多工器各通道在公共端口汇接后从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的多工器的设计原理示意图；
图6为图5中的多工器所对应的一个示例性实施示意图；
图7示出了图5中的多工器各通道单独从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图；
图8为示出图5中的多工器各通道在公共端口汇接后从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图；
图9示例性示出了根据图5的多工器的各通道的幅频响应曲线，其中横坐标是频率，纵坐标为插入损耗；
图10示例性示出了根据图6的多工器的B1Rx与B3Tx之间的隔离度曲线，其中虚线对应于现有技术，实线对应于采用了本发明的技术方案的技术；
图11为根据本发明的一个示例性实施例的多工器的设计原理示意图；
图12为根据本发明的一个示例性实施例的多工器的设计原理示意图；
图13为根据本发明的一个示例性实施例的多工器的设计原理示意图；
图14为根据本发明的一个示例性实施例的多工器的设计原理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
下面参照附图示例性描述根据本发明的射频压电多工器单元以及射频压电多工器。
附图标记600表示射频压电多工器单元。如图5所示，移相电性器件642位于滤波器602与滤波器604之间；移相电性器件644位于滤波器604与滤波器606之间；移相电性器件646位于滤波器606与滤波器608之间、且位于滤波器606与匹配点B(接匹配电感630)之间；移相电性器件648位于匹配点B或者匹配电感630与滤波器608之间。与图1中的多工器单元100不同的是，在图5的示例性实施例中，各滤波器逐级通过移相电性器件汇接，最后连接到汇接点A，匹配电感630可以看作是位于汇接的初始级，因此与最终的公共端口620之间，存在多个移相电性器件或移相网络642、644、646，从而可以使得匹配电感630的位置远离公共端口620。
图5中，附图标记612、614、616、618是连接在各端口与滤波器之间的阻抗匹配网络，匹配网络可以由匹配器件组成，匹配器件可以是电感，也可以是电容，可以串联连接，也可以并联连接，也可以是多种匹配器件、多种连接方法的组合。匹配网络也可以在器件外部以分立元件的形式实现匹配。
在匹配电感630与公共端口620之间设置移相网络或者移相电性器件不限于图5中的形式，还可以采用多种变形方式。图11-14给出了不同的示例性实施例。
图11为一个示例性实施例，其与图5中的区别在于，取消了其中的移相电性器件646，将匹配电感630向公共端口620略微移近一些，但仍能实现同样的技术效果。
图12为又一示例性实施例，其与图5中的区别在于，与匹配电感630较近的，作为初始汇接的网络，不是一个滤波器，而是两个端口直接接在一起的双工器(最下面的两个滤波器)。
图13为又一示例性实施例，其与图5中的区别在于，作为后级汇接匹配的两个通道，不是单独的滤波器，而是两个双工器(上两个滤波器组成一个双工器，下两个滤波器组成另一个双工器)。
图14为又一示例性实施例，其与图13中的区别在于，该多工器为五工器。
图6为图5中的多工器所对应的使用移相网络使得公共端口与匹配电感远离的一个示例性实施示意图。可以认为图6是图5的实施的具体方式。在图6中，附图标记900表示多工器单元。
参见附图6，频段1(Band 1)和频段3(Band 3)四工器的5个通道端口如黑点所示，其中通道端口B1Rx(通带1接收，2110MHz-2170MHz)位于左上角，通道端口B3Rx(通带3接收，1805MHz-1880MHz)位于左下角，通道端口B3Tx(频段3发送，1710MHz-1785MHz)位于右上角，通道端口B1Tx(频段1发送，1920MHz-1980MHz)位于右下角。其中通道端口B1Rx的频率最高，隔离度的敏感度最高，若匹配电感908位于公共端口连接区域902附近，例如图6中虚框920表示的区域，则该匹配电感的存在会给通道端口B1Rx与其它通道端口(例如B3Rx)之间的隔离度造成不利影响。
在图6中，图中黑环空心的图形代表封装载板上的过孔904或906，用于实现封装载板中不同层电路之间的电学互连，例如，过孔904与附图5中的A点对应，用于连接到公共端口，而过孔906例如可以是用于接地；实心的粗线条代表封装载板中的线路，用于实现移相网络或者匹配网络；四个实线小方框分别为四颗滤波器；实心的圆点为滤波器的端口，其中一个端口，如端口905接到多工器器件的相应通道端口，如B1Rx，另一个端口通过本专利的技术方案，利用移相电性器件912、914、916、918，将四颗滤波器连接到公共端口连接区域902或者公共端口。在图6中，附图标记908是从移相电性器件916和918之间某点引出的一个螺旋形状的匹配电感，并通过一个过孔连接到封装载板的地端。
图6中的匹配电感908即对应图5中的匹配电感630。此外，图5中的移相电性器件642、644、646、648分别对应图6中的移相电性器件912、914、916、918。图6中的在公共端口(图6中示例为的ANT端口)附近的矩形虚框920，位于B1Rx与B3Tx之间。基于封装载板的尺寸，在一个实施例中，矩形虚框920的尺寸约为1.2mm x 1.2mm。如果按照现有技术，为了达到较好的匹配，集成在封装载板上的匹配电感，应该位于该区域920，但这样会因为对隔离度要求较高的B1Rx与B3Tx之间存在一个电感，导致隔离度变差。因此，从隔离度的要求而言，可以认为图6中的虚框920(包含了作为公共端口连接区域902的小虚框)为不适于设置匹配电感的区域，该区域可以称为隔离劣化区域。如图6所示，隔离劣化区域位于接收滤波器和发射滤波器之间，而匹配电感则位于所述隔离劣化区域之外。
在本发明中，利用移相网络或者移相电性器件，将匹配电感908完全设置在公共端口连接区域920以外的位置。具体的，可以使得匹配电感908与公共端口902所在的封装载板的边之间的直线距离X(参见图6)在与该直线距离所在直线平行的封装载板的边的边长Y(参见图6)的三分之一到三分之二的范围之内，以改善隔离度。
图7示出了图5中的多工器各通道单独从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图。图7中并不包含匹配电感，示出了从各通道单独从公共端口看入时该通道(包含该距离通道最近的移相电性器件、滤波器以及匹配网络，其它通道断开，属于其它通道的移相电性器件短路)的阻抗位置。
从图7中可以看到，由于采用了移相网络或者移相电性器件逐级匹配的方案，每个通道的视入阻抗位置虽然仍是呈容性，但距离Smith圆图中心点更近，降低了匹配难度。
下面简单说明移相网络的逐级匹配。例如，在现有技术中，在四颗滤波器汇接后，所加的匹配电感，会同时作用于四个频段，匹配难度较大。而在本发明中，逐级匹配可以理解为：匹配电感主要作用于匹配点连接的那颗滤波器的频段，匹配相对容易，然后通过移相网络或者移相电性器件与下一个频段滤波器匹配，汇接之后，二者作为一个整体，再通过移相网络或者移相电性器件，将两个频段的输入阻抗移到一个合适的位置，再与下一颗滤波器汇接，以此类推。
图8为示出图5中的多工器各通道在公共端口汇接后从公共端口看入时各通道的阻抗位置的Smith圆图。图8示出了图5中的多工器单元600匹配之后，从公共端看入时各通道的阻抗位置。从图8中的Smith圆图中的阻抗曲线可以看出，相比图1中示出的多工器单元100，图5中的多工器单元600的阻抗更趋近于圆图的中心，即实现了更优秀的匹配特性。
图9示例性示出了根据图5的多工器的各通道的幅频响应曲线，其中横坐标是频率(Frequency)，纵坐标为插入损耗(Insertion Loss)。相比现有技术，
图9中的通带插入损耗基本相当，没有因为匹配电感位置的移动造成插入损耗增加。
图10示例性示出了根据图5、图6的多工器的B1Rx与B3Tx之间的隔离度曲线，其中虚线对应于现有技术，实线对应于采用了本发明的技术方案的技术，横坐标是频率(Frequency)，纵坐标为隔离度(Isolation)。对于现有技术，因为匹配电感必须位于公共端口附近，匹配电感与B1Rx和B3Tx之间存在电磁场耦合，在1710MH-1785MHz内的隔离度的最差值为56dB，在2110MHz-2170MHz内的隔离度的最差值为54dB。对于采用了本发明的图5和图6中示出的实施方案的技术，由于匹配电感远离了公共端口以及B1Rx与B3Tx，在1710MHz-1785MHz内的隔离度的最差值提高到61dB，在2110MHz-2170MHz内的隔离度的最差值提高到56dB，同时还实现了较好的阻抗匹配效果。
基于以上，本发明提出了一种射频压电多工器单元，包括：封装载板；至少三个滤波器，适于共同连接于公共端口；用于接地的匹配电感；移相网络模块，其中：所述滤波器、匹配电感和移相网络模块封装于所述封装载板中；所述移相网络模块的至少一部分适于连接在公共端口与匹配电感之间。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的射频压电多工器。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种射频压电多工器单元，包括：
封装载板；
至少三个滤波器，封装于所述封装载板，且适于共同连接于公共端口；
用于接地的匹配电感；
移相网络模块，
其中：
所述匹配电感和移相网络模块封装于所述封装载板中；
所述移相网络模块的至少一部分适于连接在公共端口与匹配电感之间。
2.根据权利要求1所述的射频压电多工器单元，其中：
匹配电感与公共端口所在的封装载板的边之间的直线距离，在与该直线距离所在直线平行的封装载板的边的边长的三分之一到三分之二的范围之内。
3.根据权利要求1所述的射频压电多工器单元，其中：
所述至少三个滤波器包括接收滤波器和发射滤波器；
封装载板包括设置在所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的公共端口连接区域；且
所述匹配电感位于所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的隔离劣化区域之外。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的射频压电多工器单元，其中：
所述移相网络模块包括至少一个移相电性器件。
5.根据权利要求4中的射频压电多工器单元，其中：
移相电性器件中的至少一个连接在汇接点与匹配电感之间。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的射频压电多工器单元，其中：
所述公共端口适于通过等效电感与天线相接；且
所述等效电感位于所述封装载板之外。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的射频压电多工器单元，其中：
采用逐级匹配的方式设置所述移相网络模块。
8.一种用于多工器的封装载板，包括：
与多工器的公共端口匹配的匹配电感；
至少一个移相电性器件，用于对多工器的滤波器的阻抗进行相位移动，
其中：
所述至少一个移相电性器件中的至少一个适于连接在公共端口与匹配电感之间。
9.根据权利要求8所述的封装载板，其中：
匹配电感与公共端口所在的封装载板的边之间的直线距离，在与该直线距离所在直线平行的封装载板的边的边长的三分之一到三分之二的范围之内。
10.根据权利要求8所述的封装载板，其中：
所述封装载板上适于设置至少三个滤波器，所述至少三个滤波器包括接收滤波器和发射滤波器；
所述封装载板包括设置在所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的公共端口连接区域；且
所述匹配电感位于所述接收滤波器与所述发射滤波器之间的隔离劣化区域之外。
11.一种射频压电多工器，包括：
根据权利要求1-7中任一项所述的射频压电多工器单元或者根据权利要求8-10中任一项所述的封装载板。
12.一种电子设备，包括根据权利要求1-7中任一项所述的射频压电多工器单元。
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