CN111969978A - 滤波器设计方法和滤波器、多工器、通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器设计方法和滤波器、多工器、通信设备。在该方法中，利用机电耦合系数较大的兰姆波谐振器作为匹配元件，可以改善滤波器的通带插损，以及提高滤波器带外的抑制水平。

Description

滤波器设计方法和滤波器、多工器、通信设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器设计方法和滤波器、多工器、通信设备。

背景技术

无线通信技术向着多频段、多模方向快速发展，作为射频前端关键部件的滤波器、双工器以及多工器得到了广泛关注，特别是在发展最快的个人移动通信领域更是得到了广泛应用。目前在个人移动通信领域滤波器、双工器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。由于体声波谐振器其谐振由机械波产生，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，由于压电晶体的晶向生长能够良好控制，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。

通常用户对体声波滤波器的要求是，希望滤波器通带插损要尽力小，但同时带外抑制要尽力大，其实这两个要求是相互矛盾的。在减少滤波器插损方面，常用的手段是提升体声波谐振器Q值，如，通过在谐振器的顶电极周围添加一圈凸起，把产生的寄生模反射回谐振器有效区，或者，在体声波谐振器的顶电极周围添加一圈悬翼等，但是，Q值改善过程缓慢，甚至困难；另外，对于改善滤波器带外抑制方面，常用的手段就是增加滤波器级数，但是，增加级数就必须增加了谐振器的数量，必然会引入额外的损耗，恶化滤波器通带插损。

发明内容

本发提供了一种滤波器设计方法和滤波器、多工器、通信设备，利用机电耦合系数较大的兰姆波谐振器作为匹配元件，可以改善滤波器的通带插损，以及提高滤波器带外的抑制水平。

根据本发明的一个方面，提供了一种滤波器设计方法，所述滤波器的输入端口和输出端口之间包含串联支路和多条并联支路，该方法包括以下步骤：在串联支路首端与输入端口之间设置第一匹配电路，在串联支路尾端与输出端口之间设置第二匹配电路，其中，第一匹配电路和第二匹配电路包括具有限定机电耦合系数的兰姆波谐振器。

可选地，第一匹配电路包括一个第一兰姆波谐振器，该第一兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地；第二匹配电路包括一个第二兰姆波谐振器，该第二兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

可选地，第一匹配电路包括多个第一兰姆波谐振器，第二匹配电路包括多个第二兰姆波谐振器，其中，多个第一兰姆波谐振器串联，其所形成的电路的输入端与输入端口连接，输出端与串联支路首端连接，多个第二兰姆波谐振器串联，其所形成的电路的输入端与串联支路尾端连接，输出端与输出端口连接，或者，多个第一兰姆波谐振器中，每个第一兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地，多个第二兰姆波谐振器中，每个第二兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

可选地，所述兰姆波谐振器的有效机电耦合系数与所述滤波器中串联谐振器或并联谐振器的有效机电耦合系数的比值大于2.2。

可选地，所述兰姆波谐振器的压电层材料为铌酸锂。

可选地，还包括：通过调节兰姆波谐振器的压电层厚度，使其串联谐振频点和并联谐振频点分别位于滤波器通带的左右两侧。

可选地，第一匹配电路包括多个并联的第一兰姆波谐振器，第二匹配电路包括多个并联的第二兰姆波谐振器；其中，所述方法还包括：通过调节多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的压电层厚度，使多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的串联谐振频率彼此相错设置。

可选地，还包括：通过调节多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的压电层厚度，使多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的并联谐振频率彼此相错设置。

本发明的另一个方面，还提供一种滤波器，其输入端口和输出端口之间包含串联支路和多条并联支路以及第一匹配电路和第二匹配电路，其中：第一匹配电路和第二匹配电路包括具有限定机电耦合系数的兰姆波谐振器。

可选地，第一匹配电路包括一个第一兰姆波谐振器，该第一兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地；第二匹配电路包括一个第二兰姆波谐振器，该第二兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

可选地，第一匹配电路包括多个第一兰姆波谐振器，第二匹配电路包括多个第二兰姆波谐振器，其中，多个第一兰姆波谐振器串联，其所形成的电路输入端与输入端口连接，输出端与串联支路首端连接，多个第二兰姆波谐振器串联，其所形成的电路输入端与串联支路尾端连接，输出端与输出端口连接，或者，多个第一兰姆波谐振器中，每个第一兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地，多个第二兰姆波谐振器中，每个第二兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

可选地，所述兰姆波谐振器的有效机电耦合系数与所述滤波器中串联谐振器或并联谐振器的有效机电耦合系数的比值大于2.2。

根据本发明的又一个方面，还提供一种双工器，包括上述滤波器。

根据本发明的又一个方面，还提供一种通信设备，包括上述滤波器。

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为现有的滤波器及匹配元件的示意图；

图2为本发明实施方式提供的滤波器及匹配元件的示意图；

图3a为本发明实施方式提供的兰姆波谐振器的正面结构示意图；

图3b为压电层另外一侧为镜像对称的IDT电极时的截面图；

图3c为薄膜体声波谐振器的截面图；

图3d为压电层另外一侧无电极时的截面图；

图3e为压电层另外一侧为无电势的悬浮电极时的截面图；

图3f为压电层另外一侧为接地电极时的截面图；

图4a为兰姆波谐振器的电学模型图；

图4b为兰姆波谐振器的电学模型等效电路图；

图5为兰姆波谐振器的阻抗曲线图；

图6为本发明实施方式提供的一种滤波器的电路图；

图7为本发明实施方式提供的实施例中串联谐振频点的位置示意图；

图8为本发明实施方式提供实施例与对比例的抑制曲线对比图；

图9为本发明实施方式提供的实施例和对比例的端口回波损耗曲线对比图；

图10为本发明实施方式提供的实施例和对比例的通带损耗曲线对比图；

图11为本发明实施方式提供的另一种滤波器的电路图；

图12为本发明实施方式提供的实施例中兰姆波谐振器LWR1和LWR2并联后的阻抗曲线图；

图13为本发明实施方式提供实施例与对比例的抑制曲线对比图；

图14为本发明实施方式提供的另一种滤波器的电路图；

图15为本发明实施方式提供的实施例中兰姆波谐振器LWR1和LWR2串联后的阻抗曲线。

具体实施方式

本发明实施方式中，匹配元件采用机电耦合系数较大的兰姆波谐振器，此方式可以改善滤波器的通带插损，以及提高滤波器带外的抑制水平，以下具体加以说明。

体声波滤波器整体表现出容性特点，所以为了使其匹配到50欧姆，常用电感器件作为匹配元件。图1为现有的滤波器及匹配元件的示意图。如图1所示，在体声波滤波器和输入端口1之间并联一个匹配电感L1，在体声波滤波器和输出端口2之间并联一个匹配电感L2。此电路中，由于电感不是谐振器件，不能额外产生谐振点，所以，采用电感作为匹配元件不能额外增加带外抑制点，同时，电感的Q值在30左右，采用其进行匹配会恶化滤波器的插损。

因此，本发明提出了一种新的实施方式，滤波器中采用一个或多个兰姆波谐振器(简称LWR)作为匹配元件，利用其谐振特性、电感特性以及高Q值特性，可以改善滤波器通带插损，以及可以产生额外的带外抑制点。图2为本发明实施方式提供的滤波器及匹配元件的示意图。如图2所示，在体声波滤波器和输入端口1之间并联一个兰姆波谐振器LWR1，在体声波滤波器和输出端口2之间并联一个兰姆波谐振器LWR2。

兰姆波谐振器(LWR)具有较大的机电耦合系数和较高的Q值，兰姆波谐振器工作原理为：压电材料产生的兰姆波在谐振器内部形成驻波,由于压电效应，其电学特性表现为谐振。兰姆波谐振器主要由电极材料和压电材料构成。图3a为本发明实施方式提供的兰姆波谐振器的正面结构示意图。如图3a所示，压电层上方或下方至少一侧有电极，该电极接收电学信号并激发谐振器工作。电极的形状通常为叉指型换能器(Interdigital transducer，简写为IDT)，同一网络的叉指在指根处连接在一起，相邻两个电极间距p为兰姆波波长λ的1/2。除了压电层一侧的IDT结构，压电层另外一侧电极可以制作成以下四种结构之一：无电极结构，无电势的悬浮电极结构，接地电极结构，与对侧IDT镜像对称的IDT电极结构。图3b为压电层另外一侧为镜像对称的IDT电极时的截面图；图3d为压电层另外一侧无电极时的截面图；图3e为压电层另外一侧为无电势的悬浮电极时的截面图；图3f为压电层另外一侧为接地电极时的截面图。其中，如3d、3e和3f中未视图硅衬底和空气腔。

兰姆波谐振器的制作工艺与薄膜体声波谐振器的制作流程相互兼容。图3c为薄膜体声波谐振器的截面图，图3b所示的兰姆波谐振器LWR的制作工艺与图3c所示的薄膜体声波谐振器的制作工艺基本相同，具体操作如下：首先，硅衬底上刻蚀出空气腔，之后在空气腔内填充牺牲层材料；之后沉积底电极，底电极的材料可以为钼、钨等金属，并将其刻蚀出IDT图案；之后依次沉积压电材料(如氮化铝)和顶电极(顶电极材料一般与底电极材料相同)，并刻蚀顶电极形成IDT图案；刻蚀压电层材料形成空气反射栅，空气反射栅的作用是方便声波的反射，从而可以形成驻波并产生谐振；通过刻蚀反射栅，液体可以刻蚀空腔内的牺牲层材料，释放牺牲层后，谐振器最终形成悬空的结构。图3b中压电层的上下侧制作有叉指结构，分别连接信号输入和信号输出，输入与输出电极交错排布，且在上下层镜像对称。

图4a为兰姆波谐振器的电学模型图；图4b为兰姆波谐振器的电学模型等效电路图；图5为兰姆波谐振器的阻抗曲线图。由图4a、4b和图5可知，兰姆波谐振器和体声波谐振器的谐振特性类似，其串联谐振频点为Fs，并联谐振频点位Fp，在串联谐振频点和并联谐振频点之间，谐振器是感性的，从而可以利用谐振器的电感特性匹配滤波器，以及利用串并联谐振频点改善带外抑制。

图6为本发明实施方式提供的一种滤波器的电路图。如图6所示，该滤波器的拓扑结构为5-4结构(不限于5-4结构，可以是M-N结构，M和N为自然数，此处仅以5-4结构为例)，包含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，串接于输入端口1和输出端口2之间，4条并联支路中，每条并联支路包括一个并联谐振器，即第一并联支路包括并联谐振器P11，第二并联支路包括并联谐振器P12，第三并联支路包括并联谐振器P13，第四并联支路包括并联谐振器P14，并联谐振器P11、P12、P13、P14的一端与串联支路连接，另一端接地。其中，在串联谐振器S11与输入端口1之间设有一个并联的第一兰姆波谐振器LWR1，在串联谐振器S15与输出端口2之间设有一个并联的第二兰姆波谐振器LWR2。调整各串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15的叠层厚度，使得串联谐振器的串联谐振频率位于体声波滤波器的中心频率，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，同时使并联谐振器P11、P12、P13和P14的并联谐振频率位于体声波滤波器的中心频率附近，由此通过优化谐振器面积，可以形成一个带通滤波器，由于体声波滤波器整体呈容性，所以需要感性元件作为匹配元件，匹配到50欧姆，在本实施方式中，用单个的兰姆波谐振器作为匹配元件，通过并联的形式并接于体声波滤波器和输入端口以及输出端口之间。

图6所示的滤波器中，使用兰姆波谐振器作为匹配元件时，该兰姆波谐振器同时满足以下要求：一是兰姆波谐振器的有效机电耦合系数是滤波器中体声波谐振器的有效机电耦合系数的2.2倍以上，二是兰姆波谐振器的串联谐振频点和并联谐振频点分别位于体声波滤波器的两侧，三是兰姆波谐振器的Q值大于常用的贴片电感Q值。

以下通过具体实施方式对上述内容进行验证。根据图6所示的电路图设计了一个频率覆盖范围为5.15GHz-5.33GHz的滤波器(以下称本实施例)，对比例为图1所示的贴片电感的匹配方式。体声波滤波器中所用的体声波谐振器的有效机电耦合系数为7.3％，而兰姆波谐振器的有效机电耦合系数为16％，兰姆波谐振器的压电材料为铌酸锂，可以获得比氮化铝更高的有效机电耦合系数，另外通过调整其压电层的厚度，可以使其串联谐振频点落到滤波器通带左侧。图7为本发明实施方式提供的实施例中串联谐振频点的位置示意图。图7中虚线为实施例的阻抗曲线，实线为实施例的抑制曲线。如图7所示，串联谐振频点在4.9GHz附近，而其并联谐振频点位于滤波器通带右侧。由于兰姆波在串联谐振频点等效为短路，所以作为并联匹配使用的兰姆波谐振器会在滤波器通带左侧产生一个抑制零点，改善了附近的抑制度。

图8为本发明实施方式提供实施例与对比例的抑制曲线对比图。如图8所示，实线为对比例的抑制曲线，虚线为本实施例的抑制曲线。由图8所示的曲线可知，其左侧抑制度有较大的改善，最高有15dB的改善，最深抑制点为兰姆波谐振器的串联谐振频点引入的抑制零点。

图9为本发明实施方式提供的实施例和对比例的端口回波损耗曲线对比图。如图9所示，虚线为本实施例的端口回波损耗曲线，实线为对比例的端口回波损耗曲线，由图9可知，本实施例的回波损耗略微有些恶化，主要因兰姆波谐振器的等效电感随频率变化导致。

图10为本发明实施方式提供的实施例和对比例的通带损耗曲线对比图。如图10所示，虚线为本实施例的通带损耗曲线，实线为对比例的通带损耗曲线，由图10可知，由于兰姆波谐振器的Q值比贴片电感的Q值大，所以通带插损有0.2dB的改善。

图11为本发明实施方式提供的另一种滤波器的电路图。如图11所示，该滤波器的电路图与图6所示的滤波器的电路图相比，两者的区别在于，匹配元件不同，图11所示的实施例中，匹配元件包括2个兰姆波谐振器(本实施方式以2个兰姆波谐振器为例，并不局限于2个)，通过并联的形式连接到输入端口1和输出端口2之间。

如图11所示，串联谐振器S11与输入端口1之间的匹配元件包括两个第一兰姆波谐振器LWR1、LWR2，串联谐振器S15与输出端口2之间的匹配元件包括两个第二兰姆波谐振器LWR3、LWR4。四个兰姆波谐振器作为匹配元件使用时，应满足以下条件：一是兰姆波谐振器的有效机电耦合系数是该滤波器中体声波谐振器的有效机电耦合系数的2.2倍以上，二是兰姆波谐振器的串联谐振频点和并联谐振频点分别位于体声波滤波器的两侧，三是兰姆波谐振器的Q值比常用的贴片电感Q值大，四是同一连接位置的两个并联的兰姆波谐振器的有效机电耦合系数可以不同，但其串联谐振频点需错开。

同样，以下通过具体实施方式对上述内容进行验证。根据图11所示的电路图设计了一个频率覆盖范围为5.15GHz-5.33GHz的滤波器，对比例为图1所示的贴片电感的匹配方式。体声波滤波器中所用的体声波谐振器的有效机电耦合系数为7.3％，而并联的兰姆波谐振器LWR1和LWR2的有效机电耦合系数为16％，兰姆波谐振器的压电材料为铌酸锂，可以获得比氮化铝更高的有效机电耦合系数，另外通过调整其压电层的厚度，可以使其串联谐振频点落到滤波器通带左侧，并且兰姆波谐振器LWR1和LWR2的串联谐振频点不重合，相互错开。

图12为本发明实施方式提供的实施例中兰姆波谐振器LWR1和LWR2并联后的阻抗曲线图。如图12所示，阻抗曲线包括2个串联谐振频点Fs1和Fs2，该两个串联谐振频点会在滤波器通带左侧产生两个抑制零点，改善了附近的抑制度。

图13为本发明实施方式提供实施例与对比例的抑制曲线对比图。图13中实线为对比例抑制曲线，即匹配元件采用贴片电感匹配的抑制曲线，虚线为本实施例的抑制曲线，即采用2个并联兰姆波谐振器匹配的抑制曲线，由图13可知，抑制曲线的左侧有两个抑制零点，其附近抑制度有较大的改善，最高有15dB的改善。

图14为本发明实施方式提供的另一种滤波器的电路图。如图14所示，该滤波器的电路图与图6所示的滤波器的电路图相比，两者的区别在于，匹配元件不同，图14所示的实施例中，包括2个兰姆波谐振器(本实施方式以2个兰姆波谐振器为例，并不局限于2个)，通过串联的形式串接于体声波滤波器和输入端口以及输出端口之间。

如图14所示，串联谐振器S11与输入端口1之间的匹配元件包括两个第一兰姆波谐振器LWR1、LWR2，串联谐振器S15与输出端口2之间的匹配元件包括两个第二兰姆波谐振器LWR3、LWR4。四个兰姆波谐振器作为匹配元件使用时，应满足以下条件：一是兰姆波谐振器的有效机电耦合系数是该滤波器中体声波谐振器的有效机电耦合系数的2.2倍以上，二是兰姆波谐振器的串联谐振频点和并联谐振频点分别位于体声波滤波器的两侧，三是兰姆波谐振器的Q值比常用的贴片电感Q值大，四是同一连接位置的两个串联的兰姆波谐振器的有效机电耦合系数可以不同，但其并联谐振频点需错开。

图15为本发明实施方式提供的实施例中兰姆波谐振器LWR1和LWR2串联后的阻抗曲线。如图15所示，阻抗曲线两个并联谐振频点Fp1和Fp2。在此实施例中，把兰姆波谐振器作为串联匹配使用，所以其并联谐振频点等效为开路，会使滤波器通带右侧出现额外的抑制零点。

结合上述实施方式可知，当匹配元件采用机电耦合系数较大的兰姆波谐振器时，可以有效地改善滤波器的通带插损，以及提高滤波器带外的抑制水平。

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)

1.一种滤波器设计方法，所述滤波器的输入端口和输出端口之间包含串联支路和多条并联支路，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在串联支路首端与输入端口之间设置第一匹配电路，在串联支路尾端与输出端口之间设置第二匹配电路，其中，第一匹配电路和第二匹配电路包括具有限定机电耦合系数的兰姆波谐振器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一匹配电路包括一个第一兰姆波谐振器，该第一兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地；

第二匹配电路包括一个第二兰姆波谐振器，该第二兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一匹配电路包括多个第一兰姆波谐振器，第二匹配电路包括多个第二兰姆波谐振器，其中，

多个第一兰姆波谐振器串联，其所形成的电路的输入端与输入端口连接，输出端与串联支路首端连接，多个第二兰姆波谐振器串联，其所形成的电路的输入端与串联支路尾端连接，输出端与输出端口连接，

或者，

多个第一兰姆波谐振器中，每个第一兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地，多个第二兰姆波谐振器中，每个第二兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述兰姆波谐振器的有效机电耦合系数与所述滤波器中串联谐振器或并联谐振器的有效机电耦合系数的比值大于2.2。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述兰姆波谐振器的压电层材料为铌酸锂。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：通过调节兰姆波谐振器的压电层厚度，使其串联谐振频点和并联谐振频点分别位于滤波器通带的左右两侧。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第一匹配电路包括多个并联的第一兰姆波谐振器，第二匹配电路包括多个并联的第二兰姆波谐振器；

所述方法还包括：通过调节多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的压电层厚度，使多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的串联谐振频率彼此相错设置。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：通过调节多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的压电层厚度，使多个第一兰姆波谐振器和多个第二兰姆波谐振器的并联谐振频率彼此相错设置。

9.一种滤波器，其特征在于，其输入端口和输出端口之间包含串联支路和多条并联支路以及第一匹配电路和第二匹配电路，其中：

第一匹配电路和第二匹配电路包括具有限定机电耦合系数的兰姆波谐振器。

10.根据权利要求9所述的滤波器，其特征在于，第一匹配电路包括一个第一兰姆波谐振器，该第一兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地；

第二匹配电路包括一个第二兰姆波谐振器，该第二兰姆波谐振器的第一端连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

11.根据权利要求9所述的滤波器，其特征在于，第一匹配电路包括多个第一兰姆波谐振器，第二匹配电路包括多个第二兰姆波谐振器，其中，

多个第一兰姆波谐振器串联，其所形成的电路输入端与输入端口连接，输出端与串联支路首端连接，多个第二兰姆波谐振器串联，其所形成的电路输入端与串联支路尾端连接，输出端与输出端口连接，

或者，

多个第一兰姆波谐振器中，每个第一兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路首端与输入端口之间的节点，第二端接地，多个第二兰姆波谐振器中，每个第二兰姆波谐振器的第一端均连接于串联支路尾端与输出端口之间的节点，第二端接地。

12.根据权利要求9所述的滤波器，其特征在于，所述兰姆波谐振器的有效机电耦合系数与所述滤波器中串联谐振器或并联谐振器的有效机电耦合系数的比值大于2.2。

13.一种双工器，其特征在于，包括如权利要求9至12中任一项所述的滤波器。

14.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求9至12中任一项所述的滤波器。

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