温补滤波器优化方法和温补滤波器、多工器、通信设备
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域,特别地涉及一种温补滤波器优化方法和温补滤波器、多工器、通信设备。
背景技术
目前,能够满足通讯终端使用的小尺寸滤波类器件主要是压电声波滤波器,由于构成压电声波谐振器的压电材料和金属材料,都具有负温度系数的特点。一般情况下,SAW的温度系数为-35ppm/℃~-50ppm/℃,BAW的温度系数为-25ppm/℃~-30ppm/℃。虽然BAW相比SAW具有明显的温度漂移方面的性能优势,但是在一些特殊的应用场景下,并不希望滤波器存在温度漂移频率。
为了解决滤波器普遍存在的温度漂移问题,一个常见的解决方法是,在谐振器中加入可以实现温度补偿效果的材料。对于声波谐振器,这种温度补偿材料常常被选择为二氧化硅,主要是因为二氧化硅具有与大多数材料正好相反的正温度系数,并且可以通过一般的工艺制程制作,也同时具备低廉的价格,适合产品大批量生产的应用。这类加了温度补偿的材料的谐振器,也被称为TCF谐振器,是温度补偿滤波器的组成单元。
传统的全温补滤波器(多个谐振器的温补层厚度相同)在高温环境大功率信号输入条件下工作时,滤波器中各个谐振器自身的温度各不相同,各个谐振器的频率温度漂移量也各不相同。当多个谐振器的温补层厚度相同设置时,不能实现更加良好的频率温度补偿(部分谐振器是欠补偿的或是过补偿的),而且由于各谐振器的频率温度漂移量不同,使得谐振器之间的频率关系发生变化,进而导致滤波器的匹配特性发生恶化,进一步导致通带插损的恶化。
有鉴于此,设计具有更加良好的温度频率特性的温补滤波器并且尽可能减小其匹配特性的恶化为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种温补滤波器优化方法和温补滤波器、多工器、通信设备,根据功率密度值将谐振器划分为多组,其中,功率密度越大,该组中的谐振器的温补层厚度越厚,此方式可使滤波器具备更好的频率温度特性,而且还在一定程度上减小了滤波器匹配特性的恶化。
本发明的一个方面,提供了一种温补滤波器优化方法,该方法包括:对于指定的温补滤波器,根据设定温度和设定功率计算该温补滤波器中各谐振器的功率密度;将各个谐振器按照其功率密度值的大小分为n组,用具有不同限定厚度温补层的谐振器替换该温补滤波器中不同组的谐振器,其中,n≥2,且为自然数。
可选地,将各个谐振器按照其功率密度值的大小分为n组的步骤包括:将功率密度值大于第1限定值的谐振器归为第1组谐振器、功率密度大于第2限定值且小于第1限定值的谐振器归为第2组谐振器、…、功率密度大于第n限定值且小于第n-1限定值的谐振器归为第n组谐振器,其中,第1限定值>第2限定值>…>第n限定值;用具有不同限定厚度温补层的谐振器替换该温补滤波器中不同组的谐振器的步骤包括:用具有第1限定厚度温补层的谐振器替换第1组谐振器,用具有第2限定厚度温补层的谐振器替换第2组谐振器,…,用具有第n限定厚度温补层的谐振器替换第n组谐振器,其中,第1限定厚度>第2限定厚度>…>第n限定厚度。
可选地,谐振器温度补偿层的限定厚度为30埃米到3000埃米。
可选地,谐振器温度补偿层的限定厚度为100埃米到1000埃米。
可选地,第1限定厚度与第2限定厚度之差、第2限定厚度与第3限定厚度之差、…、第n-1限定厚度与第n限定厚度之差为30埃米到600埃米。
本发明的另一个方面,还提供一种温补滤波器,包括多个具有温补层的谐振器,多个谐振器根据功率密度值分为至少两组;同组中的多个谐振器的温补层厚度相同,不同组的谐振器的温补层厚度不同。
可选地,多个谐振器根据功率密度值分为两组,第一组包括功率密度大于限定值的谐振器,第二组包括功率密度小于等于限定值的谐振器;第一组的温补层厚度为第一限定厚度,第二组的厚度为第二限定厚度,其中,第一限定厚度大于第二限定厚度。
可选地,多个谐振器根据功率密度值分为三组,第一组包括功率密度大于第一限定值的谐振器,第二组包括功率密度不大于第一限定值、并且不小于第二限定值的谐振器,第三组包括功率密度小于第二限定值的谐振器;第一组的温补层厚度为第一限定厚度,第二组的厚度为第二限定厚度,第三组的温补层厚度为第三限定厚度,其中,第一限定厚度大于第二限定厚度,以及第二限定厚度大于第三限定厚度。
可选地,谐振器温度补偿层的厚度为30埃米到3000埃米。
可选地,谐振器温度补偿层的厚度为100埃米到1000埃米。
可选地,第一限定厚度和第二限定厚度的差值为30埃米到600埃米。
可选地,第一限定厚度和第二限定厚度的差值为30埃米到600埃米,第二限定厚度和第三限定厚度的差值为30埃米到600埃米。
本发明的又一个方面,还提供了一种多工器,包括上述温补滤波器。
本发明的又一个方面,还提供了一种通信设备,包括上述温补滤波器。
根据本发明的技术方案,在一定频率范围内按照各个谐振器的最大功率密度将所有谐振器划分为多组,功率密度越大,该组中的谐振器的温补层厚度越厚,从而不仅可以实现更好的频率温度特性,而且还在一定程度上减小了滤波器匹配特性的恶化;其中,理论上分组越多越详尽,滤波器的频率温度特性越好,但是分组越多意味着光刻板数量的增加和工艺复杂度的增加,制造成本和制造难度也会大幅度增加,所以一般将滤波器中各谐振器按照功率密度值分成两组或三组。
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和图2为现有的薄膜体声波谐振器的截面图;
图3为图1和图2中两类谐振器的阻抗频率特性曲线对比图;
图4是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构;
图5是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中相邻两谐振器的示意图;
图6是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构在常温和高温条件下插损频率特性曲线对比图;
图7是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中串联谐振频点阻抗和并联谐振频点阻抗随温度变化曲线;
图8是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中,信号输入端口T1输入2W功率的交频信号时,各个谐振器的功率密度频率特性曲线对比图;
图9为本发明实施方式提供的一种滤波器拓扑结构;
图10为图9所示的滤波器拓扑结构中两相邻谐振器的示意图;
图11为图9所示滤波器拓扑结构在常温和高温条件下插损频率特性曲线对比图;
图12为本发明实施方式提供的另一种滤波器拓扑结构;
图13为本发明实施方式提供的又一种滤波器拓扑结构。
具体实施方式
本发明实施方式中,将多个串联谐振器和多个并联谐振器分为多组,每组温补层的厚度不同,其中,功率密度越大,该组中谐振器温补层的厚度越厚,此方式可使滤波器具备更好的频率温度特性,而且还在一定程度上减小了滤波器匹配特性的恶化,以下具体加以说明。
图1和图2为现有的薄膜体声波谐振器的截面图。图1所示的薄膜体声波谐振器中,底电极不包含温补层,图中2b所示的薄膜体声波谐振器中,底电极包含温补层。如图1和图2所示,体声波谐振器100包括衬底101、底电极103、压电薄膜层104和顶电极105。其中,衬底101可选单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等材料,其上设有声学镜102,图1和图2中所示意的声学镜102为一空腔,声学镜102结构并不局限于此,也可采用布拉格反射层及其他等效形式。底电极103的材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的合金等。压电薄膜层104的材料可选单晶氮化铝、多晶氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)等材料、或者包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。顶电极105的材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的合金等,顶电极包含质量负载层。底电极包括第一底电极103-1和第二底电极103-2,两者之间设有温度补偿层106,第一底电极103-1和第二底电极103-2的材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的合金等。温度补偿层106的材料可选多晶硅、硼磷酸盐玻璃(BSG)、硅氧化物或碲氧化物(TeO(x))等。
图3为图1和图2中两类谐振器的阻抗频率特性曲线对比图。图3中实线为未设置温补层的薄膜体声波谐振器(以下称传统薄膜体声波谐振器)的阻抗频率特性曲线,虚线为具有温度补偿层的薄膜体声波谐振器的阻抗频率特性曲线。如图3所示,Fs和Fs_T分别对应传统薄膜体声波谐振器和具有温度补偿层的薄膜体声波谐振器的串联谐振点阻抗,Fp和Fp_T分别对应传统薄膜体声波谐振器和具有温度补偿层的薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗。传统薄膜体声波谐振器中的大部分材料在高温下跨原子力会被减弱,从而使材料软化导致材料的弹性常数减小,以及材料中传播的声速减小,所以呈现负温度系数。氮化铝的声速的温度系数为-25ppm/℃,钼(Mo)的声速的温度系数为-60ppm/℃。
二氧化硅的硅氧链随着温度升高而拉伸,此效应使得材料的刚度在一定温度范围内随着温度的升高而增大,因此二氧化硅的声波波速呈现正温度系数。所以具有温度补偿层的薄膜体声波谐振器,其可实现更小的频率温度系数,而且温度补偿层距离压电激励主体越近,温度补偿的效果越明显。温度补偿材料大部分为非晶态材料,相对于具有高晶格取向的压电和电极材料,在非晶态材料内厚度方向上传播的纵波的声衰减更大,故具有较厚的温度补偿材料的体声波谐振器的Q值会恶化,且谐振器的有效机电耦合系数也会明显地降低。图2中,温度补偿层106位于第一底电极103-1和第二底电极103-2之间,第一底电极103-1和第二底电极103-2彼此电连接,此结构的谐振器可以获得更大的有效机电耦合系数。
图4是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构。如图4所示,拓扑结构200包括信号输入端口T1和信号输出端口T2,串联支路包括串联谐振器Se11_TC1、Se12_TC1、Se2_TC1、Se3_TC1和Se4_TC1,串联支路与信号输入端口T1之间设有输入端电感L1,与信号输出端口T2之间设有输出端电感L2,串联谐振器Se12_TC1和串联谐振器Se2_TC1之间的节点连接一并联支路,该并联支路包括两个并联的并联谐振器Sh11_TC1和Sh12_TC1和接地电感L3,串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1之间的节点连接一并联支路,该并联支路包括并联谐振器Sh2_TC1和接地电感L4,串联谐振器Se3_TC1和串联谐振器Se4_TC1之间的节点连接一并联支路,该并联支路包括并联谐振器Sh3_TC1和接地电感L5。
对比例滤波器拓扑结构200中所有谐振器的温度补偿层厚度均设置为H1,并假设对比例滤波器拓扑结构200中功率密度最低的谐振器的温补层厚度为H1时,高温条件下大功率信号输入时该功率密度最低的谐振器的温漂为零,此时功率密度较大的谐振器具有负温漂系数,滤波器还是存在温漂的。
图5是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中相邻两谐振器(串联谐振器Se12_TC1和串联谐振器Se2_TC1)的示意图。图5中上图为相邻两谐振器300的主视图,下图为该主视图p-p’位置的截面图。如图5所示,串联谐振器Se12_TC1的面积为9000um2,其串联谐振频率为3550MHz,串联谐振器Se2_TC1的面积为5000um2,其串联谐振频率为3520MHz。对比例滤波器拓扑结构200中所有谐振器的温补层厚度均设置为H1。
图6是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构在常温(25摄氏度)和高温(90摄氏度)条件下插损频率特性曲线对比图。图6中细实线为对比例滤波器拓扑结构200在常温条件下插损频率特性曲线,虚线为对比例滤波器拓扑结构200在高温条件下插损频率特性曲线,粗实线表示滤波器通带。如图6所示,高温条件下通带峰值插损相对于常温条件恶化0.3dB左右,其主要是因为高温条件下谐振器的Q值有所恶化。高温条件下大功率信号输入时,在特定频点处滤波器中各个谐振器的功率密度各不相同,其原因为滤波器中谐振器的功率密度与很多因素有关,例如工作环境温度、谐振器在滤波器拓扑结构中的位置、谐振器的谐振频率、谐振器的面积、散热情况以及功率信号的输入端口等,此时,滤波器中各个谐振器的温度不同,各个谐振器的频率温度漂移量也不同,当各个谐振器的温补层厚度相同时,就不能实现更加良好的频率温度补偿(部分谐振器是欠补偿的或是过补偿的)。如图6所示,对比例滤波器拓扑结构200的插损特性曲线在-20dB处高温条件相对于常温条件在低频端相差1MHz左右,在高频段相差1.5MHz左右(3400-3600MHz频段)。同时,高温条件下由于各个谐振器的频率温度漂移量不同,使得谐振器之间的频率关系发生变化,进而导致滤波器的匹配特性发生恶化(特别是通带两侧的匹配特性),其会进一步导致通带插损的恶化。
图7是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中串联谐振频点阻抗和并联谐振频点阻抗随温度变化曲线。由图7所示的曲线可知,谐振器的串联谐振频点阻抗随着温度的增加而增大,其主要原因为,随着温度的增加组成谐振器的材料的热阻增大,半导体硅衬底的电阻率主要由本征载流子浓度决定,在一定温度范围内,本征载流子浓度随温度的增加而急剧增加,30摄氏度附近,温度增加8摄氏度时,硅的本征载流子浓度增加近一倍,但是迁移率只是稍有下降,所以硅的电阻率相应的降低近一半,硅的电阻率减小增加了谐振器谐振区外连接边电极处能量的泄露,从而使得谐振器并联谐振频点阻抗降低。由此可知,随着温度的增加,谐振器的Q值降低。
图8是与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中,信号输入端口T1输入2W功率的交频信号时,各个谐振器的功率密度频率特性曲线对比图。图8中,串联谐振器Se11_TC1/Se12_TC1的面积为9000um2,串联谐振频率为3550MHz;串联谐振器Se2_TC1的面积为5000um2,串联谐振频率为3520MHz;串联谐振器Se3_TC1的面积为5000um2,串联谐振频率为3520MHz;串联谐振器Se4_TC1的面积为4500um2,串联谐振频率为3550MHz;并联谐振器Sh11_TC1/Sh12_TC1的面积为5000um2,串联谐振频率为3470MHz;并联谐振器Sh2_TC1的面积为9000um2,串联谐振频率为3470MHz;并联谐振器Sh3_TC1的面积为9500um2,串联谐振频率为3470MHz。其中,粗实线为滤波器通带,fd为通带左边频对应频点,fu为通带右边频对应频点,Δf1为环境温度变化时对比例插损特性曲线的频率漂移量,Δf1为负时表示滤波器是欠补偿的,Δf1为正时表示滤波器是过补偿的。
表1中记载了与本发明实施方式有关的对比例滤波器拓扑结构中各谐振器在左右边频的功率密度。一般情况下,滤波器毁坏的根本原因是部分谐振器温度过高所致,高温环境下传统温补滤波器的左边频或右边频处是滤波器功率容量的瓶颈,温漂和匹配特性的变化均会影响滤波器的功率容量。如表1所示,在右边频fu时,串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1的功率密度相对较大,分别为20.054W/mm2和20.975W/mm2。所以滤波器在高温环境下工作时串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1的自身热量相对于其他谐振器的热量较高,该谐振器的温度频率漂移量也是较大的,因此需要对上述高功率密度谐振器的温补层厚度稍作调整,使功率密度高的谐振器的温补层厚度相对较厚,从而在实现良好频率温漂特性的同时,也能实现滤波器匹配特性尽可能小的恶化。
表1:
对表1中各个谐振器在通带内的功率密度取较大值,即串联谐振器Se11_TC1/Se12_TC1=7.637、串联谐振器Se2_TC1=20.054、串联谐振器Se3_TC1=20.975、串联谐振器Se4_TC1=11.637、并联谐振器Sh11_TC1/Sh12_TC1=14.554、并联谐振器Sh2_TC1=10.841、并联谐振器Sh3_TC1=9.779,其中,上述谐振器的最大功率密度Pmax=20.975,最小功率密度Pmin=7.637。
本发明的一个实施方式中,将所取数值分为两组,第一组为功率密度大于Pmax-0.3×(Pmax-Pmin)的谐振器,包括串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1,其他谐振器为第二组,包括串联谐振器Se11_TC1、Se12_TC1、串联谐振器Se4_TC1、并联谐振器Sh11_TC1和并联谐振器Sh12_TC1、并联谐振器Sh2_TC1和并联谐振器Sh3_TC1。分组完成后,将第一组的串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1替换为串联谐振器Se2_TC2和串联谐振器Se3_TC2,其他谐振器不变。图9为本发明实施方式提供的一种滤波器拓扑结构。如图9所示,滤波器拓扑结构400与图4所示的滤波器拓扑结构200相比,串联谐振器Se2_TC2和串联谐振器Se3_TC2温补层的厚度大于串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1温补层的厚度。
图10为图9所示的滤波器拓扑结构中两相邻谐振器的示意图。两相邻谐振器500中,上图为两相邻谐振器500的主视图,下图为主视图中p-p’位置的截面图。如图10所示,串联谐振器Se2_TC2和串联谐振器Se3_TC2的温补层厚度设置为H2,其他谐振器的温补层厚度设置为H1,其中,厚度H2大于厚度H1。厚度H2与厚度H1的差值大小由滤波器中各个谐振器的最大功率密度分布决定,功率密度越分散,厚度H2与厚度H1的差值越大。
图11为图9所示滤波器拓扑结构在常温(25摄氏度)和高温(90摄氏度)条件下插损频率特性曲线对比图。图11中细实线为常温条件下的插损频率特性曲线,虚线为高温条件下的插损频率特性曲线,粗实线表示滤波器通带。如图11所示,滤波器拓扑结构400相对于对比例其温漂特性得到了明显改善,并且可以在一定程度上减小滤波器匹配特性的恶化,进而提升滤波器在高温环境下的插损特性。
本发明的另一个实施方式中,将表1中所取数值分为两组,第一组为功率密度大于Pmax-0.5×(Pmax-Pmin)的谐振器,包括串联谐振器Se2_TC1、串联谐振器Se3_TC1、并联谐振器Sh11_TC1和并联谐振器Sh12_TC1,其他谐振器为第二组,包括串联谐振器Se11_TC1、串联谐振器Se12_TC1、串联谐振器Se4_TC1、并联谐振器Sh2_TC1和并联谐振器Sh3_TC1。分组完成后,将第一组中的串联谐振器Se2_TC1、串联谐振器Se3_TC1、并联谐振器Sh11_TC1和并联谐振器Sh12_TC1替换为串联谐振器Se2_TC2、串联谐振器Se3_TC2、并联谐振器Sh11_TC2和并联谐振器Sh12_TC2,其他谐振器不变。
图12为本发明实施方式提供的另一种滤波器拓扑结构。如图12所示,滤波器拓扑结构600与图4所示的滤波器拓扑结构200相比,串联谐振器Se2_TC2、串联谐振器Se3_TC2、并联谐振器Sh11_TC2和并联谐振器Sh12_TC2温补层厚度大于串联谐振器Se2_TC1、串联谐振器Se3_TC1、并联谐振器Sh11_TC1和并联谐振器Sh12_TC1温补层厚度。
本发明的又一个实施方式中,将表1中所取数值分为三组,第一组为功率密度大于Pmax-0.3×(Pmax-Pmin)的谐振器,包括串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1,第三组为功率密度小于Pmin+0.4×(Pmax-Pmin)的谐振器,包括串联谐振器Se11_TC1、串联谐振器Se12_TC1、串联谐振器Se4_TC1、并联谐振器Sh2_TC1和并联谐振器Sh3_TC1,其他谐振器为第二组,包括并联谐振器Sh11_TC1和并联谐振器Sh12_TC1。该实施方式中,将第一组的串联谐振器Se2_TC1和串联谐振器Se3_TC1替换为串联谐振器Se2_TC2和串联谐振器Se3_TC2,将第二组的并联谐振器Sh11_TC1和并联谐振器Sh12_TC1替换为并联谐振器Sh11_TC3和并联谐振器Sh12_TC3,其他谐振器不变。
图13为本发明实施方式提供的又一种滤波器拓扑结构。如图13所示,滤波器拓扑结构700与图4所示的滤波器拓扑结构200相比,第一组的串联谐振器Se2_TC2和串联谐振器Se3_TC2的厚度大于第二组的并联谐振器Sh11_TC3和并联谐振器Sh12_TC3的厚度,而第二组的并联谐振器Sh11_TC3和并联谐振器Sh12_TC3的厚度大于第三组的串联谐振器Se11_TC1、串联谐振器Se12_TC1、串联谐振器Se4_TC1、并联谐振器Sh2_TC1和并联谐振器Sh3_TC1的厚度。
本发明实施方式中,在一定频率范围内按照各个谐振器的最大功率密度将所有谐振器划分为多组,功率密度越大,该组中的谐振器的温补层厚度越厚,从而不仅可以实现更好的频率温度特性,而且还在一定程度上减小了滤波器匹配特性的恶化;其中,理论上分组越多越详尽,滤波器的频率温度特性越好,但是分组越多意味着光刻板数量的增加和工艺复杂度的增加,制造成本和制造难度也会大幅度增加,所以一般将滤波器中各谐振器按照功率密度值分成两组或三组。本发明实施方式提供的优化的滤波器可以应用于多工器和通信设备中,有助于提高器件或设备的性能。
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。