CN111758218A - 电子rf滤波器 - Google Patents

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CN111758218A CN201980013861.4A CN201980013861A CN111758218A CN 111758218 A CN111758218 A CN 111758218A CN 201980013861 A CN201980013861 A CN 201980013861A CN 111758218 A CN111758218 A CN 111758218A
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Abstract

一种电子滤波器，包括高通段(110)和低通段(120)。该高通段包括串联连接的声学谐振器(111)和并联连接的电感器(114)的至少一个滤波器级。该低通段包括至少一个滤波器级，该至少一个滤波器级包括串联连接的电感器(121)和并联连接的声学谐振器(123)。该滤波器对覆盖n79 5G频带的通信设备是有用的。

Description

电子RF滤波器
技术领域
本公开涉及一种包括声学谐振器的电子射频(RF)滤波器。本公开还涉及电子RF滤波器在电子设备中的用途。
背景技术
电子滤波器用于移动设备的RF前端，以选择期望频带中的电子信号。随着在可用于移动通信的频谱中建立越来越多的通信服务，RF滤波器的带宽和选择性要求变得越来越具有挑战性。例如，第五代(5G)移动通信服务的频谱位于6GHz以下范围，该范围恰好在5GHz-WiFi频带之下和4G LTE频带之上。用于5G服务的RF滤波器应当覆盖具有相对陡峭裙缘的相当宽的5G带宽，以阻斥LTE频带和WiFi频带，尤其是在5G频率带宽的上端。
传统LC滤波器需要许多LC级来实现陡峭的滤波器裙缘，因此滤波器的物理尺寸和插入损耗成为问题。基于诸如表面声波(SAW)谐振器或体声波(BAW)谐振器之类的波机构的传统滤波器广泛用于实现高裙缘陡度的滤波器中。具有声学谐振器的传统滤波器通常使用阶梯型拓扑，如Andreas Link和Phil Warder：“滤波器设计的黄金时代(Golden Age forFilter Design)”，IEEE Microwave Magazine，2015年8月，第60至72页，图3中所讨论的。
使用阶梯型途径实现的带宽相对较窄。可以使用附加电感器对其进行扩展，然而，这会降低阻斥水平并且可能引入附加阻斥极。滤波器趋于变得复杂且敏感。更进一步地，由于滤波器通带通过声学谐振器实现，所以功率处置能力受到限制。因此，具有纯LC滤波器或阶梯型声学滤波器的传统方法可能对6GHz以下的移动通信服务等具有缺陷。
需要一种改进的RF滤波器拓扑，其可以处置诸如5G之类的当前建立的通信服务的高频，相对于其他通信服务具有高选择性，并且可以处置高传输功率。
本公开的目的是提供一种电子滤波器，其覆盖较宽的带宽，具有陡峭的滤波器裙缘并且能够处置相当大的功率。
发明内容
解决上文所提及的课题的滤波器包括第一端子和第二端子；高通段，该高通段耦合到第一端子和第二端子中的一个端子，该高通段包括至少一个滤波器级，该至少一个滤波器级包括串联连接的声学谐振器和并联连接的电感器；低通段，该低通段与高通段串联耦合并且耦合到第一端子和第二端子中的另一端子，该低通段包括至少一个滤波器级，该至少一个滤波器级包括串联连接的电感器和并联连接的声学谐振器。
根据一个实施例，一种电子RF滤波器包括高通段和低通段，该高通段和低通段包括具有LC拓扑的一个或更多个级。代替传统电容，声学谐振器用于高通段的串联路径和低通段的并联路径。该概念结合了传统LC滤波器拓扑的诸如高功率耐用性和大带宽之类的优点以及声学谐振器的诸如具有高度选择性的声学谐振之类的优点，从而实现了陡峭的滤波器裙缘和期望的阻斥水平。另外，由于声学谐振器既充当带通LC滤波器的电容又充当声学陷波，所以滤波器拓扑变得非常紧凑。
根据本公开的电子RF滤波器的拓扑可以被视为具有LC特点的带通滤波器，其结合了利用声学谐振器的特点的声学带阻滤波器。声学谐振器提供两种不同的功能，诸如电容器的功能和阻斥元件的功能。该滤波器能够处置较宽的带宽，具有陡峭裙缘，并且具有高功率耐久性。
对于目前的5G通信标准，根据本公开的电子滤波器恰好在通带之上实现了高选择性，以抑制5GHz-WiFi频带。用于其他移动通信领域的设计的变化还可以在通带之下或甚至在通带之上和之下实现高选择性。
高通段和低通段均包括至少一个或多个级，其包括串联路径和并联路径。可以在高通段和低通段的每个段中级联两个或更多个级。就这点而言，高通段可以包括另一第二滤波器级，其具有串联连接的声学谐振器和并联连接的电感器，其中第二滤波器级与第一滤波器级串联连接。低通段可以包括另一第二滤波器级，该第二滤波器级包括串联连接的电感器和并联连接的声学谐振器，其中第一滤波器级和第二滤波器级串联连接。高通滤波器段可以包括第三串联连接的声学谐振器，其耦合到低通滤波器段的输入。低通滤波器段的第一级中的声学谐振器可以连接到电感器或连接到耦合到接地电位的线圈。
声学谐振器可以是任何已知的类型，诸如表面声波(SAW)谐振器和体声波(BAW)谐振器。依据应用领域和目标频率，技术人员可以选择对于预期设计有用的合适类型的SAW谐振器或BAW谐振器。
电子滤波器的尺寸可以被设计为使得其被配置为提供介于4.4GHz和5.0GHz之间的通带，该通带专用于5G移动通信服务；并且提供介于5.15GHz和5.925GHz之间的阻斥，其为5GHz-WiFi频带。由于两个频带非常接近，所以5G滤波器的通带的右裙缘必须非常陡峭，约为3％，以提供足够低的阻斥水平，以将WiFi频带的串扰阻斥到期望5G频带中。
可以通过高通段和/或低通段中的附加级来增强阻斥水平，然而，代价是更加复杂、尺寸更大和插入损耗更多。技术人员能够在通带、阻斥水平和功率耐久性方面确定合适解决方案，以实现针对5G通信服务甚至其他RF频带中其他服务的合适解决方案。
上文所提及的电子RF滤波器针对诸如蜂窝电话或智能电话之类的移动通信设备或包括移动通信能力的任何其他电子设备。具体而言，针对4.4GHz至5.0GHz频率范围内的RF信号，该滤波器实现了发送路径和接收路径的RF前端。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特征。把附图包括在内以提供其他理解，这些附图并入本说明书中且构成其一部分。附图图示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释各种实施例的原理和操作。附图中不同图中的相同元件由相同的附图标记表示。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本公开的原理的电子RF滤波器的图；
图2示出了图1的滤波器的导纳曲线；以及
图3A和图3B示出了与用于所示滤波器的声学谐振器有关的导纳曲线。
具体实施方式
现在，下文中参考示出了本公开的实施例的附图对本公开进行更全面的描述。然而，本公开可以以许多不同的形式来实施，不应被解释为局限于本文中所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。附图不一定按比例绘制，而是被配置为对本公开进行清楚地说明。
图1描绘了根据本公开的原理的滤波器的示意图。该滤波器可以是诸如智能电话之类的移动通信设备中的RF前端滤波器。滤波器包括第一外部端子或端口131和第二端子或端口132，以将滤波器连接到天线以及诸如智能手机之类的通信设备的接收(Rx)电路和传输(Tx)电路。端口中的一个端口(诸如端口131)可以连接到天线。端口中的另一端口(诸如端口132)可以连接到通信设备的信号处理电路，诸如接收电路和传输电路。该滤波器由高通段110和低通段120组成，高通段和低通段彼此串联，使得在天线端子131处接收的信号在经过高通段滤波之后被转发到端子132，而在端子132处接收的信号在在低通段120和高通段110中进行对应滤波之后被转发到天线端子131。
高通段110包括几个级，其包括串联连接的声学谐振器111和并联连接的电感器或线圈114。具体而言，串联连接的谐振器111连接到外部端子131和另一级112、115。电感器114连接在谐振器111与用于接地电位的端子116之间。串联连接的谐振器112和并联连接的电感器115的第二级连接到第一级。包括串联连接的声学谐振器113的第三级连接到第二级。
低通段120包括第一级，该第一级包括串联连接的电感器121和并联连接的声学谐振器123。谐振器123还与电感器125串联连接，该电感器125连接到接地端子116。高通段120包括第二级，第二级包括串联连接的电感器122和并联连接的声学谐振器124。电感器121连接到高通段的谐振器113。声学谐振器111、112、113和123、124可以是表面声波(SAW)谐振器或体声波(BAW)谐振器。该滤波器可以包括一种类型的谐振器(仅仅SAW或BAW)、或两种类型的谐振器的混合。
换句话说，高通段110包括谐振器111、112、113的串联连接，其中谐振器111、112和112、113之间的节点通过相应电感器114、115连接到接地端子116。低通段120包括电感器121、122的串联连接，其中电感器之间的节点通过谐振器123和电感器125的串联连接而连接到接地端子116。电感器122与外部端子132之间的节点还通过谐振器124耦合到接地端子116。
图2示出了图1的滤波器所实现的衰减(dB)随频率(GHz)变化的导纳曲线或传递曲线。该滤波器专门被设计为用于5G通信标准，以处置n79频带211并且阻斥其他通信服务的其他频带，诸如几个LTE带210和5GHz Wifi带212以及Tx谐波213。
n79带由介于4.4GHz和5.0GHz之间的频带组成，该频带约为13％的相对带宽，如图2中在211处所示。该滤波器实现了通带221以覆盖n79带。n79带211的右边附近是范围从5.15GHz到5.925GHz的5GHz WiFi带212。n79滤波器必须抑制5GHz-WiFi带以避免不想要的串扰，使得图1的滤波器在紧邻通带221的右边要求阻带222的阻斥水平足够。因此，相对于滤波器中心频率，该滤波器在通带221的右边必须具有陡峭裙缘225，约为3％。更进一步地，通带221左边的左裙缘220上的阻斥水平必须足够，以抑制高达2.69GHz的LTE带210。更进一步地，阻带224抑制了Tx调制的谐波213。图1的滤波器必须满足以下相反特点：目标频带211的相对通带221宽、通带右边的滤波器裙缘225陡峭以抑制频带212、用于频带221Tx操作的高功率处置能力。
为了实现5GHz-WiFi带的阻斥水平222和通带221与阻斥水平222之间约为3％的陡峭裙缘225，高通级110的串联谐振器111、112、113的谐振频率置于WiFi抑制的下部。对应谐振频率生成导纳曲线中的峰222a、222b、222c。低通级121、122的并联谐振器用于覆盖5GHz-WiFi抑制的上部，如峰222d、222e所示。
在所公开的拓扑中使用声学谐振器实现了如下益处。整个滤波器通带221由声学谐振器的LC特点产生。声学谐振器的LC特点具有高功率耐久性，使得它们可以在Tx操作期间处置高功率，特别是高发射功率。声学谐振器的声学特点用于实现期望阻斥水平，其中滤波器无需保持高功率。滤波器拓扑相对紧凑，因为仅使用了很少的LC元件和声学元件。声学谐振器一方面用作具有LC特点221的带通部分的电容，另一方面用作阻斥水平的声学陷波222。图1的滤波器结合了带通LC滤波器和声学带阻滤波器的滤波器功能。声学谐振器提供两种不同的功能，诸如LC滤波器特点和声学带阻滤波器特点。这允许滤波器的设计适用于n79 5G带，该带包括通带221，其在通带正上方具有高选择性222。
针对更特定应用领域或附加应用领域，进一步修改根据本公开的滤波器概念，可以对滤波器进行修改以在通带之下或者甚至在通带之上和之下也实现高选择性。
图1的滤波器结合了约为13％的较宽相对带宽和约为3％的高裙缘陡度。使用LC元件的传统滤波器设计只能通过导致非常高阶滤波器的大量级来实现这种陡度，从而这种传统方法可能具有大尺寸并且生成高插入损耗。传统阶梯型拓扑中的传统声学滤波器可能会实现很高的陡度，只能实现相对较窄的带宽，例如，小于6％，这对于n79频带而言不太足够。尽管可以使用几个附加电感器来对阶梯型拓扑的带宽进行扩展，然而，这会降低阻斥水平，并且在某些频率下会引入阻斥极，因此这种传统方法可能变得复杂而敏感。
为了优化目前所公开的图1的滤波器拓扑，滤波器设计者可以使用起点，该起点是LC滤波器拓扑而非声学阶梯型拓扑。首先考虑级数少的传统带通LC滤波器，以满足尽可能多的规格，包括远离通带的阻斥在内。然后，从方法的起点开始，LC拓扑的不同低通级和高通级的电容被替换为与原始C元件具有相同静电容的声学谐振器，这导致图1所示的具体拓扑。这样可以保持与以前相同的带外滤波器响应，并且引入高选择性声学谐振来实现5GHz-WiFi抑制。图1的滤波器尤其适用于诸如智能手机之类的移动通信设备，以发送和/或接收4.4GHz至5.0GHz频率范围内的RF信号，因为它结合了高选择性和高功率处置能力。
图3B描绘了合成导纳图，该合成导纳图示出了滤波器的导纳曲线/传输曲线以及负责实现如结合图2所描述的通带和阻斥水平的声学谐振器111、112、113、123、124的各个导纳曲线。为了方便起见，在图3A中标记了其中在图3B对其RF频率特点进行了描绘的元件和元件组合。具体而言，其在图3A中被标记为313的声学谐振器113和电感器121的串联连接在图3B中生成导纳曲线313。在图3A中标记为323的声学滤波器123和电感器125的串联连接在图3B中生成导纳曲线323。图3A的声学谐振器111、112和124在图3B中生成对应的导纳曲线。这些导纳曲线的组合实现了如图3B所示的滤波器的整体传递特点。从图3B可以得出，元件111、112、313导致了阻斥带222的最低抑制峰。元件323、124导致了最高抑制峰。从图3B中还可以看出，声学滤波器的C特点导致了通带221，该C特点是对应谐振频率左侧的各个导纳曲线的一部分，这些部分是频率低于谐振频率的那些部分。
对于本领域技术人员而言，显而易见的是，在不背离如所附权利要求书所规定的本公开的精神或范围的情况下，可以做出各种修改和变型。由于本领域技术人员可以想到结合了本发明的精神和实质的所公开的实施例的修改、组合、子组合和变型，所以本公开应当被解释为包括所附权利要求书范围内的所有内容。

Claims (14)

1.一种电子RF滤波器，包括：
第一端子(131)和第二端子(132)；
高通段(110)，所述高通段耦合到所述第一端子和所述第二端子中的一个端子(131)，所述高通段包括：
至少一个滤波器级，所述至少一个滤波器级包括串联连接的声学谐振器(111)和并联连接的电感器(114)；
低通段(120)，所述低通段与所述高通段串联耦合并且耦合到所述第一端子和所述第二端子中的另一端子(132)，所述低通段包括：
至少一个滤波器级，所述至少一个滤波器级包括串联连接的电感器(121)和并联连接的声学谐振器(123)。
2.根据权利要求1所述的电子RF滤波器，所述高通段(110)还包括第二滤波器级，所述第二滤波器级包括串联连接的声学谐振器(112)和并联连接的电感器(115)，所述高通段的所述至少一个第一滤波器级和第二滤波器级串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的电子RF滤波器，所述低通段(120)还包括第二滤波器级，所述第二滤波器级包括串联连接的电感器(122)和并联连接的声学谐振器(124)，所述低通段的所述至少一个第一滤波器级和第二滤波器级串联连接。
4.根据权利要求2所述的电子RF滤波器，所述高通段(110)还包括第三声学谐振器(113)，所述第三声学谐振器与所述高通段的所述至少一个第一滤波器级和第二滤波器级的所述声学谐振器(111，112)串联连接并且耦合到所述低通滤波器段(120)。
5.根据权利要求3所述的电子RF滤波器，所述低通段(120)还包括电感器(125)，所述电感器(125)耦合在所述低通段的所述至少一个第一滤波器级和第二滤波器级中的一个滤波器级的所述声学谐振器(123)与用于接地电位的端子(116)之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电子RF滤波器，其中所述声学谐振器(111，112，113，123，124)中的至少一个或多个声学谐振器各自包括表面声波谐振器。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电子RF滤波器，其中所述声学谐振器(111，112，113，123，124)中的至少一个或多个声学谐振器各自包括体声波谐振器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电子RF滤波器，其中所述滤波器被配置为提供介于4.4GHz至5.0GHz之间的通带，并且被配置为提供介于5.15GHz至5.925GHz之间的阻斥。
9.根据权利要求1所述的电子RF滤波器，所述高通段(110)还包括第二声学谐振器和第三声学谐振器(112，113)和另一电感器(115)，所述第二声学谐振器和所述第三声学谐振器(112，113)与所述至少一个滤波器级的所述声学谐振器(111)串联耦合；所述另一电感器(115)耦合到所述第二声学谐振器和所述第三声学谐振器之间的所述节点。
10.根据权利要求1或9所述的电子RF滤波器，所述低通段(120)还包括第二电感器(122)、第二声学谐振器(124)和另一电感器(125)，所述第二电感器(122)与所述至少一个滤波器级的所述电感器(121)串联耦合；所述第二声学谐振器(124)耦合到所述第二电感器，所述另一电感器(125)耦合到所述至少一个滤波器级的所述声学谐振器(123)。
11.根据权利要求9或10所述的电子RF滤波器，其中在所述高通段(110)中，所述电感器(114，115)耦合在所述声学谐振器(111，112)中的一个声学谐振器与用于接地电位的端子(116)之间。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电子RF滤波器，其中在所述低通段(120)中，所述声学谐振器(123，124)耦合在所述至少一个滤波器级的所述电感器(121)和所述第二电感器(122)中的一个电感器与用于接地电位的端子(116)之间。
13.根据权利要求1所述的电子RF滤波器，包括：
第一声学谐振器、第二声学谐振器和第三声学谐振器(111，112，113)与第一电感器和第二电感器(114，115)的串联连接，所述电感器耦合到所述声学谐振器中的两个声学谐振器与用于接地电位的端子(116)之间的节点；
第一电感器和第二电感器(121，122)、耦合到在所述第一电感器与所述第二电感器之间的节点的第一声学谐振器(123)，以及耦合到在所述第二电感器与所述第一端子和所述第二端子中的另一端子之间的节点的第二声学谐振器(124)以及耦合在所述第一声学谐振器(123)和所述用于接地电位的端子(116)之间的另一电感器(125)的串联连接。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电子RF滤波器在移动通信设备中的用途，以用于发送和接收4.4GHz至5.0GHz的频率范围中的RF信号中的至少一个。
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