CN111884791B - 一种双工器、多工器及通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及体声波滤波器技术领域，特别地涉及一种双工器、多工器及通信装置。在该双工器中，低频滤波器中的并联谐振器和高频滤波器中的并联谐振器的结构不同，具体而言，低频滤波器中的并联谐振器采用只有环形凸起结构的谐振器，而高频滤波器采用同时具有环形凸起和环形槽结构的谐振器，进而可减少两个频段滤波器之间的互相影响，以达到改善双工器通带插损的目的。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种双工器、多工器及通信装置。
背景技术
目前，在个人移动通信领域得到广泛应用的滤波器、双工器等多是由表面声波谐振器或体声波谐振器制造而成。相较于表面声波谐振器，体声波谐振器性能更优，其具有Q值高、频率覆盖范围广、散热性能好等特性，更适合未来5G通信的发展需要。由于体声波谐振器的谐振由机械波产生，其波长比电磁波的波长短，因此，体声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于体声波谐振器中压电晶体的晶向生长易于控制，使得谐振器的损耗极小，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。
双工器一般由两个覆盖不同频段的体声波滤波器构成，两个体声波滤波器一端互相连接，然后接入天线端，另一端分别连接发射设备或接收设备。由于滤波器相互连接，因此，彼此会相互影响，如果高频滤波器的并联谐振器产生的次谐振，即除了主谐振外产生的寄生谐振，进入到低频滤波器，那么必然会影响低频滤波器的性能，会使其通带插损恶化。目前，常用的解决办法是，谨慎选择高频滤波器的并联谐振器，一般选用次谐振幅度较小的谐振器作为并联谐振器。
但是，上述解决方法中，高频滤波器中的并联谐振器的次谐振幅度减小，也使得并联谐振处的阻抗值Rp变小，因此，导致高频滤波器的带内插损恶化。由此可以看出，目前是以牺牲高频滤波器的通带插损，来换取低频段滤波器的通带内插损的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双工器、多工器及通信装置，将低频滤波器、高频滤波器中的并联谐振器设置为不同的结构，可以减少两个频段滤波器之间的互相影响，进而改善双工器通带插损。
根据本发明的一个方面，提供了一种双工器。
本发明的双工器包括低频滤波器和高频滤波器，低频滤波器包括多个并联谐振器，该并联谐振器的顶电极远离压电层的一侧设有环形凸起，环形凸起的外边缘与顶电极的外边缘齐平；高频滤波器包括多个并联谐振器，该并联谐振器的顶电极远离压电层的一侧设有环形凸起，压电层与顶电极贴合的一侧设有内凹的环形槽。
可选地，高频滤波器中的并联谐振器的所述环形凸起和环形槽的外边缘与顶电极的外边缘齐平。
可选地，低频滤波器中的所有并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域，所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
可选地，低频滤波器中多个并联谐振器分为至少两组，同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域，不同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
可选地，低频滤波器中不同位置的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
可选地，高频滤波器中所有并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域；所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
可选地，高频滤波器中多个并联谐振器分为至少两组，同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域，不同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
可选地，高频滤波器中不同位置的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
可选地，环形槽的宽度与环形凸起的宽度相同。
可选地，环形槽和环形凸起的宽度为0～10微米；环形凸起的高度为300～3000埃米。
根据本发明的另一方面，提供了一种多工器，其包括本发明所述的双工器。
根据本发明的又一方面，提供了一种通信装置，其包括本发明所述的双工器。
根据本发明的技术方案，双工器中低频滤波器的并联谐振器选择具有向上凸起的结构，可以提升并联谐振的并联谐振频点处的阻抗，从而改善低频滤波器插损，同时由于其寄生谐振模式处于低频滤波器通带左侧，不会对高频滤波器通带插损产生影响。双工器中高频滤波器的并联谐振器选择具有同时向上凸起和环形槽(或称空气环)的结构，既可以提升并联谐振的并联谐振频点处的阻抗，而且把次谐振调整到高频滤波器通带右侧，避免落到低频滤波器通带的可能，从而减少对低频滤波器插损的影响。
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为双工器配置示意图；
图2为双工器的性能曲线图；
图3为体声波谐振器示意图；
图4为阻抗值Rp随周期宽度W周期变化示意图；
图5为图3所示的谐振器的正视图；
图6为并联谐振器中没有凸起部分的A和具有凸起部分的B的等效电路图；
图7为本发明实施方式中高频滤波器中并联谐振器的剖面图；
图8为具有环形凸起的谐振器的阻抗曲线图；
图9为本发明实施方式提供的双工器中低频滤波器的拓扑结构图；
图10为本发明实施方式提供的双工器中高频滤波器的拓扑结构图；
图11为低频滤波器的插损对比图；
图12为高频滤波器的插损对比图。
具体实施方式
本发明实施方式中，双工器中低频滤波器、高频滤波器中的并联谐振器为不同结构的谐振器，进而可以减少两个频段滤波器之间的互相影响，达到提升双工器通带插损目的，以下具体加以说明。
图1为双工器配置示意图。图1所示的双工器包括滤波器1和滤波器2，其中，滤波器1覆盖的频率较低，为低频滤波器，滤波器2覆盖的频率相对滤波器1较高，为高频滤波器。滤波器1的一个端口和滤波器2的一个端口共接于节点1，并通过节点1连接天线，而滤波器1的另一端口2连接发射设备或者接收设备，滤波器2的另一端口3连接接收设备或发射设备，在天线端节点1处并联一个接地电感，如L1，该电感用于调节匹配。低频滤波器(滤波器1)和高频滤波器(滤波器2)的拓扑结构均由体声波谐振器组成。
图3为体声波谐振器示意图。如图3所示，在硅衬底1上制作有底电极3，底电极3的材料为高声阻抗金属材料，如钼、铝、金等，在底电极3上制作有压电层4，压电层4材料是为氧化锌或氮化铝等压电晶体，其厚度为几百纳米至几微米。在压电层4上方制作顶电极5，顶电极5的材料和底电极3的材料相同。位于底电极3下方，在硅衬底1上制作空气腔2。空气腔2在硅衬底1上表面的横向尺寸定义为空气腔宽度。底电极3宽度大于空气腔宽度，从而保证上层结构的支撑强度，另外，顶电极5的宽度略小于底电极3以及空气腔宽度，顶电极5和底电极3以及空气腔2交叠的部分称之为谐振器有效区域。
为了提高体声波谐振器的性能，特别是为了提高体声波谐振器的并联谐振频点的阻抗值Rp，经常在体声波谐振器有效区域边缘设置凸起结构来实现。如图3所示，环形凸起61放置于顶电极5之上，并且其外边缘和顶电极5的外边缘平齐，其高度为h(一般在300～3000埃米之间)，宽度为W(一般在0～10微米之间)，其中，环形凸起61的材料和顶电极材料相同。体声波谐振器的阻抗特性和环形凸起61的宽度W有关，其并联谐振频点的阻抗值Rp随着宽度W成周期性变化，随着周期增大，Rp在每个周期内的最大值逐渐增大，即如图4所示，图4为阻抗值Rp随周期宽度W周期变化示意图。
但是，凸起结构还会产生主谐振之外的次谐振，其谐振频率会低于主谐振频率，产生次谐振的原因为：具有凸起结构的体声波谐振器的有效区域可以分为两部分，即没有凸起部分的A和具有凸起部分的B。图5为图3所示的谐振器的正视图，如图5所示，标记23为没有凸起部分的A，标记22为具有凸起部分的B，从正视图可以看出，凸起部分(环形凸起)在谐振器边缘绕成一个凸起环，该凸起环可以反射水平方向泄露的声波能量，从而提高并联谐振频点的阻抗值Rp，没有凸起部分的A，其等效为面积较大的谐振器S11，具有凸起部分的B，其等效为面积较小的谐振器S21，所以，具有凸起结构的谐振器的电性能可以等效为谐振器S11和谐振器S21并联。
图6为等效电路图，从叠层信息上看，没有凸起的大面积谐振器S11和具有凸起结构的小面积谐振器S21的上电极、下电极以及压电层厚度都一样，而小面积谐振器S21的凸起厚度相当于加载了质量负载，所以从电性能角度分析，具有凸起结构的小面积谐振器S21的谐振频率必然低于没有凸起的大面积谐振器S11的谐振频率。图8为具有环形凸起的谐振器的阻抗曲线图。如图8所示，实线为该谐振器的阻抗曲线图，次谐振为图8中的圆圈1所画处，其频率低于主谐振，幅度也小于主谐振。
对于双工器而言，如果高频滤波器的并联谐振器产生的次谐振幅度较大，并且所在位置刚好落到低频滤波器的通带内，其会使得低频滤波器的带内插损恶化。图2为双工器的性能曲线图。如图2所示，在圆圈2处显示了低频滤波器的带内插损恶化。由此可见，并联谐振器的次谐振对双工器的性能具有较大的影响。
本发明实施方式中，低频滤波器和高频滤波器中的并联谐振器的结构不同，其中，低频滤波器中的并联谐振器采用具有环形凸起的谐振器，即如图3所示的谐振器，而高频滤波器中的并联谐振器采用具有环形凸起和环形槽的结构，即如图7所示的谐振器，图7为本发明实施方式中高频滤波器中并联谐振器的剖面图。
图7中，硅衬底1上表面制作底电极3，底电极3的材料为高声阻抗金属材料，如钼、铝、金等金属，在底电极3上制作有压电层4，压电层4的材料是为氧化锌或氮化铝等压电晶体，其厚度为几百纳米至几微米，在压电层4上制作顶电极5，顶电极5的材料和底电极3的材料相同，在底电极3下方位于衬底1上制作有空气腔2，空气腔2在硅衬底1上表面上的横向尺寸定义为空气腔宽度，底电极3宽度大于空气腔宽度，从而保证上层结构的支撑强度，另外，顶电极5的宽度略小于底电极3以及空气腔的宽度，顶电极5和底电极3以及空气腔2交叠的部分称之为谐振器有效区域。
为了提高体声波谐振器的性能，特别是为了提高体声波谐振器的并联谐振频点的阻抗值Rp，在体声波谐振器有效区域边缘设置环形凸起61，并放置于顶电极5之上，其外边缘和顶电极5的外边缘平齐，其高度为h1(一般在300～3000埃米之间)，宽度为W(一般在0～10微米之间)；另外该谐振器在其有效区域边缘还制作一圈环形槽62(空气环)，该环形槽62位于压电层靠近上电极一侧，其外边缘和环形凸起61平齐，宽度也为W，深度为h2。图7所示的谐振器可以等效为两个谐振器的并联，即没有环形凸起的大面积谐振器A和具有环形凸起和环形槽的小面积谐振器B的并联，由于小面积谐振器B的压电层变薄，通过调整环形槽62的深度，可以使其谐振频率高于主谐振频率。图8中虚线为具有环形凸起和环形槽的谐振器的阻抗曲线，由图8中的圆圈2处可知，其次谐振高于主谐振频率。由于高频滤波器的并联谐振器采用了具有环形凸起和环形槽的谐振器，其次谐振产生于高频滤波器通带的右侧，不会再落入低频滤波器的通带之内，所以不会再影响低频滤波器的插损。
以下对本发明实施方式提供的改进方式进行验证。验证方法中采用的双工器结构与图1所示的双工器相同。图9为本发明实施方式提供的双工器中低频滤波器的拓扑结构图。如图9所示，低频滤波器的拓扑结构为5-4结构，包括1条串联支路和4条并联支路，串联支路由串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15依次串接组成；相邻串联谐振器之间的节点上连接并联支路，每条并联支路包括1个并联谐振器和1个接地电感(图中未示出)，四个并联谐振器分别为P11、P12、P13和P14。本实施方式中仅以5-4式的拓扑结构为例，低频滤波器可以为任意的M-N结构。通过调整谐振器的叠层厚度，使得串联谐振器的串联谐振频率位于低频滤波器的中心频率，而并联谐振器P11、P12、P13和P14需要加载质量负载，使得其串联谐振频率都低于串联谐振器的串联谐振频率，同时使得并联谐振器P11、P12、P13和P14的并联谐振频率位于低频滤波器的中心频率附近。
图10为本发明实施方式提供的双工器中高频滤波器的拓扑结构图。如图10所示，高频滤波器的拓扑结构同样为梯型结构，以5-4结构为例，包括串联谐振器S21、S22、S23、S24和S25和并联谐振器P21、P22、P23和P24。调整谐振器的叠层厚度，使得串联谐振器的串联谐振频率位于高频滤波器的中心频率，而并联谐振器P21、P22、P23和P24需要加载质量负载，使得其串联谐振频率都低于串联谐振器的串联谐振频率，同时使并联谐振器P21、P22、P23和P24的并联谐振频率位于高频滤波器的中心频率附近。
下面通过低频滤波器1和高频滤波器2的并联谐振器选用不同的谐振器结构作为对比，验证我们方法的有效性，对比例中，低频滤波器1和高频滤波器2的并联谐振器都选用如图3所示的只具有凸起结构的谐振器，并且所有谐振器的凸起结构的尺寸都一样，本实施例中，低频滤波器1的并联谐振器选用如图3所示的只具有凸起结构的谐振器，并且所有谐振器的凸起结构的尺寸都一样，且选用较大的宽度，而高频滤波器2的并联谐振器选用如图7所示的同时具有凸起和环形槽结构的谐振器，并且所有谐振器的凸起结构和空气环的尺寸都一样，且选用较大的宽度。
图11为低频滤波器的插损对比图。图12为高频滤波器的插损对比图。图11中，实线为对比例即现有技术中的插损曲线，虚线为根据本发明实施方式的插损曲线。图12中，实线为本根据本发明实施方式的插损曲线，虚线为对比例即现有技术中的插损曲线。由图11所示的曲线可知，在对比例中，由于低频滤波器和高频滤波器的并联谐振器都采用了只有凸起结构的谐振器，高频滤波器的并联谐振器的次谐振落入低频滤波器的通带内，导致插损恶化，其通带内插损曲线有个凹坑。当低频滤波器的并联谐振器采用只有凸起结构的谐振器，而高频滤波器的并联谐振器采用同时具有凸起和环形槽的谐振器时，其通带内插损曲线没有凹坑。由图12所示的曲线可知，当高频滤波器中的并联谐振器采用如图7所示的结构时，高频滤波器的插损提升了0.2dB。
在此基础上，可通过对低频滤波器和高频滤波器中的多个并联谐振器进行结构细化，以进一步减小低频滤波器和高频滤波器之间的相互影响。对此，请再参考图4，其中的宽度a1至a5分别对应Rp的极大值。环形凸起的宽度可以在各极大值的邻域中选择，并且邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差，例如a3对应的极大值的邻域的宽度小于a3-a2并且小于a4-a3。在此基础上，进行上述的结构细化时，例如，将低频滤波器中的并联谐振器分为两个组，第一组包括并联谐振器P11和P12，第二组包括并联谐振器P13和P14，每组内谐振器的环形凸起宽度位于相同的上述邻域中，第一组并联谐振器选用较小的宽度，而第二组并联谐振器选用较大的宽度，并且此处较小的宽度和较大的宽度是位于不同的上述邻域中；将高频滤波器中的并联谐振器分为两个组，第一组包括并联谐振器P21和P22，第二组包括并联谐振器P23和P24，每组内谐振器选用的凸起宽度位于同邻域，第一组并联谐振器选用较小的宽度，而第二组并联谐振器选用较大的宽度，且位于不同邻域。另外，低频滤波器的多个并联谐振器中，虽然只具有环形凸起结构，但是不同位置的谐振器可以选择不同邻域的宽度；同样，高频滤波器的多个并联谐振器中，虽然选择同时具有环形凸起和环形槽的结构，但是不同位置的谐振器可以选择不同邻域的宽度。以上针对低频滤波器和高频滤波器中并联谐振器的改进，均可实现两种不同结构的并联谐振器，进而可以减少两个频段滤波器之间的互相影响，达到改善双工器通带插损的目的。
本发明中的双工器可以应用于多工器以及其他通信装置中，同样有助于提高相关元件或装置的性能指标。
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 (12)
1.一种双工器，包括低频滤波器和高频滤波器，其特征在于，
低频滤波器包括多个并联谐振器，该并联谐振器的顶电极远离压电层的一侧设有环形凸起，环形凸起的外边缘与顶电极的外边缘齐平；
高频滤波器包括多个并联谐振器，该并联谐振器的顶电极远离压电层的一侧设有环形凸起，压电层与顶电极贴合的一侧设有内凹的环形槽；
所述谐振器为体声波谐振器，所述内凹的环形槽位于谐振器有效区域边缘。
2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，高频滤波器中的并联谐振器的所述环形凸起和环形槽的外边缘与顶电极的外边缘齐平。
3.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，低频滤波器中的所有并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域，所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
4.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，低频滤波器中多个并联谐振器分为至少两组，同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域，不同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；
所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
5.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，低频滤波器中不同位置的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；
所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
6.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，高频滤波器中所有并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域；
所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
7.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，高频滤波器中多个并联谐振器分为至少两组，同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于相同的极大值邻域，不同组的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；
所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
8.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，高频滤波器中不同位置的并联谐振器的环形凸起的宽度位于不同的极大值邻域；
所述极大值邻域为所述并联谐振器的并联谐振频点的阻抗值随所述宽度变化而产生的该阻抗值极大值的邻域，并且该邻域的宽度小于相邻极大值对应的宽度之差。
9.根据权利要求1或2所述的双工器，其特征在于，环形槽的宽度与环形凸起的宽度相同。
10.根据权利要求9所述的双工器，其特征在于，环形槽和环形凸起的宽度为0~10微米；
环形凸起的高度为300~3000埃米。
11.一种多工器，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的双工器。
12.一种通信装置，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的双工器。
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Denomination of invention: Duplexer, multiplexer and communication device Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20210810 Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.) Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009034 |
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