滤波器带外抑制优化方法和滤波器、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带外抑制优化方法和滤波器、多工器、通信设备。
背景技术
随着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广泛应用。目前,在个人移动通信领域应用广泛的滤波器、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胜一筹,体声波谐振器具有Q值高、频率覆盖范围广、散热性能好等特性,更适合5G通信的发展需要。体声波谐振器其谐振由机械波产生,而非电磁波,机械波的波长比电磁波波长短,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;另外,由于压电晶体的晶向生长能够良好控制,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。
一般情况下,体声波谐振器适合1.2GHz频率以上的频段,其并不适合1.2GHz频率以下的频段,主要有两个方面的原因,第一个原因是频率较低时,压电层较厚,导致谐振器面积较大,不利于小型化,但是,目前随着掺钪氮化铝技术和工艺的出现,已经解决了此问题,第二个原因是频率较低时,谐振器的高次谐振幅度很强,当此类谐振器组成梯型滤波器时,除了形成一个基频通带外,还会在高频段附近形成一个插损较差的滤波器通带,所以会导致滤波器的带外抑制,特别是高频带外抑制恶化,影响滤波器的正常使用。
因此,为了使体声波谐振器能够在低频滤波器中得到应用,如何利用体声波谐振器技术,降低高次谐波对滤波器带外抑制的影响,仍是待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种滤波器带外抑制优化方法和滤波器、多工器、通信设备,不仅能够维持滤波器通带覆盖范围不变,而且能够解决低频体声波滤波器谐波抑制较差的问题,同时,还能保障谐波抑制区域的抑制平衡。
本发明的一个方面,提供了一种滤波器带外抑制优化方法,所述滤波器包括多个串联谐振器和多个并联谐振器,该方法包括:调整串联谐振器和并联谐振器的压电层的厚度,使并联谐振器的有效机电耦合系数大于串联谐振器的有效机电耦合系数的初值,并且使两个所述初值之和为固定值,以及使并联谐振器谐波的串联谐振频点位于串联谐振器谐波的串联谐振频点与并联谐振频点之间;在滤波器的基频满足指标要求并且滤波器的谐波区域低频抑制幅度和高频抑制幅度不相等的情况下,执行如下步骤A或步骤B,直至滤波器的谐波区域低频抑制幅度和高频抑制幅度相等且大于指定值,其中:步骤A:若滤波器的谐波区域低频抑制幅度大于高频抑制幅度,则减小并联谐振器的有效机电耦合系数的初值,增大串联谐振器的有效机电耦合系数的初值,并且保持两个所述初值之和为固定值;步骤B:若滤波器的谐波区域低频抑制幅度小于高频抑制幅度,则增大并联谐振器的有效机电耦合系数的初值,减小串联谐振器的有效机电耦合系数的初值,并且保持两个所述初值之和为固定值。
可选地,所述滤波器中,每个并联谐振器均连有接地电感,所述接地电感的电感值小于预设值。
可选地,调整串联谐振器和并联谐振器的压电层的厚度的步骤包括:将串联谐振器和并联谐振器制造在不同的晶圆上,分别调整两块晶圆上压电层的厚度,以使串联谐振器和并联谐振器的压电层的厚度不同。
可选地,并联谐振器的有效机电耦合系数的初值比串联谐振器的有效机电耦合系数的初值大1%~2%,两者之和为滤波器相对带宽的4-5倍。
可选地,所述指定值为30dB。
可选地,所述步骤A或步骤B中,并联谐振器的有效机电耦合系数的初值和串联谐振器的有效机电耦合系数的初值增大或减小0.5%。
可选地,预设值为0.5nH。
本发明另一个方面,还提供了一种滤波器,包括上晶圆、下晶圆、多个串联谐振器和多个并联谐振器,全部并联谐振器设于上晶圆第一表面,全部串联谐振器设于下晶圆的第一表面;上晶圆和下晶圆叠加形成封装结构;在所述封装结构的内部,上晶圆的第一表面和下晶圆的第一表面平行相对设置,串联谐振器和并联谐振器通过对接管脚键合形成多级串并联的滤波器电路;其中,多个串联谐振器的压电层的厚度与并联谐振器的压电层的厚度不同,而且,并联谐振器的有效机电耦合系数大于串联谐振器的有效机电耦合系数,滤波器的谐波区域低频抑制幅度和高频抑制幅度相等且大于指定值。
可选地,所述滤波器电路还包括接地电感,接地电感的第一端连接并联谐振器,第二端接地;该接地电感的电感值小于预设值。
本发明的又一个方面,还提供了一种双工器,包括上述滤波器。
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为滤波器中低频谐振器的阻抗曲线示意图;
图2为滤波器中两个谐振器的阻抗曲线示意图;
图3为滤波器的通带曲线示意图;
图4为谐振器阻抗曲线对比示意图;
图5为滤波器的通带曲线示意图;
图6为滤波器的通带曲线示意图;
图7为并联谐振器不同压电层厚度时的通带曲线对比示意图;
图8为本发明实施方式提供的滤波器带外抑制优化方法的流程示意图;
图9为滤波器的拓扑结构示意图;
图10为仿真滤波器的通带曲线示意图;
图11为滤波器优化后的通带曲线示意图;
图12为滤波器中并联谐振器连接接地电感后串联谐振频点的变化曲线对比示意图;
图13为并联谐振器连接接地电感后的通带曲线对比示意图;
图14为本发明实施方式提供的一种滤波器封装结构的剖面图;
图15为本发明实施方式提供的滤波器封装结构中上晶圆的主视图;
图16为本发明实施方式提供的滤波器封装结构中下晶圆的主视图。
具体实施方式
本发明实施方式中的技术方案,能够维持滤波器通带覆盖范围不变,以及能够解决低频体声波滤波器谐波抑制较差的问题,同时,还能保障谐波抑制区域的抑制平衡,以下具体加以说明。
图1为滤波器中低频谐振器的阻抗曲线示意图。该谐振器为典型的谐振器结构,即包括叠加的上电极、压电层和下电极,该曲线有2个谐振区域,即基频谐振区和谐波谐振区,基频谐振区频率较低,谐振在900MHz左右,包括串联谐振频点和并联谐振频点,其中,并联谐振频点的阻抗Rp为6500欧姆左右,而谐波谐振区频率较高,谐振在3000MHz左右,包括串联谐振频点和并联谐振频点,其中并联谐振频点的Rp为800欧姆,具有较高的阻抗值。
图2为滤波器中两个谐振器的阻抗曲线示意图。如图2所示,图中实线为串联谐振器的阻抗曲线,该曲线与图1所示的阻抗曲线完全相同,而虚线为并联谐振器的阻抗曲线,该并联谐振器采用加载质量负载的方法实现移频,该曲线和串联谐振器的阻抗曲线类似,同样包括2个谐振区域,即基频谐振区和谐波谐振区,基频谐振区频率较低,谐振在865MHz左右,基频谐振区包括串联谐振频点和并联谐振频点,其中,并联谐振频点的阻抗Rp为6500欧姆左右,而谐波谐振区频率较高,谐振在2900MHz左右,谐波谐振区包括串联谐振频点和并联谐振频点,其中并联谐振频点的Rp为800欧姆,具有较高的阻抗值。对比两条曲线可知,并联谐振器基频的并联谐振频点位于串联谐振器基频的串联谐振频点附近,多个串并联谐振器组成的一个滤波器梯型拓扑结构,其会在基频形成一个通带。图3为滤波器的通带曲线示意图。如图3所示,该曲线中,在900MHz附近形成一个通带,在2900MHz附近形成一个伪通带,该伪通带的存在,恶化了这个频率附近的带外抑制,其产生的原因和基频类似,即串并联谐振器具有相同的叠层,只在并联谐振器上加载质量负载时,会使并联谐振器的谐波的并联谐振频点位于串联谐振器谐波的串联谐振频点附近,由此形成了伪通带,该伪通带的存在恶化了该频段的带外抑制,严重影响体声波滤波器在低频段的推广和使用,因此,需要对其进行改善。
为解决上述问题,可以采用如下方法:对滤波器的串联谐振器、并联谐振器分别采用不同的压电层厚度,并且并联谐振器的压电层的厚度要大于串联谐振器的压电层的厚度(即并联谐振器的有效机电耦合系数大于串联谐振器的有效机电耦合系数),从而使在基频频段,并联谐振器基频的并联谐振频点位于串联谐振器基频的串联谐振频点附近,从而形成通带,而由于并联谐振器的压电层厚度大于串联谐振器的压电层的厚度,所以在谐波频段,并联谐振器的谐波谐振区域要高于串联谐振器的谐波谐振区域。图4为谐振器阻抗曲线对比示意图。如图4所示,实线为串联谐振器的阻抗曲线,该曲线包括2个谐振区域,即基频谐振区和谐波谐振区,而虚线为并联谐振器的阻抗曲线,该并联谐振器的叠层与串联谐振器不同,并且并联谐振器的压电层厚度大于串联谐振器的压电层厚度,即利用压电层作为加载质量负载实现移频,该曲线和串联谐振器的阻抗曲线类似,同样包括2个谐振区域,即基频谐振区和谐波谐振区,并联谐振器基频的并联谐振频点位于串联谐振器基频的串联谐振频点附近,多个上述串并联谐振器组成的滤波器梯型拓扑结构,其会在基频形成一个通带。如图5所示,在谐波区域,如果并联谐振器谐波的串联谐振频点刚好位于串联谐振器谐波的并联谐振频点附近,则会在谐波区域形成一个类似阻带的区域,改善此区域的带外抑制。
上述方法中,串联谐振器和并联谐振器的压电层的设置方式为:首先设定串联谐振器的压电层厚度为一定值(即串联谐振器的有效机电耦合系数为定值),然后优化并联谐振器压电层厚度(即并联谐振器的有效机电耦合系数),从而达到改善谐波区域抑制的目的。该方法由于限定了串联谐振器压电层的厚度,其无法再兼顾基频通带插损、临带抑制以及谐波区域抑制,即如果并联谐振器压电层厚度较小,会导致并联谐振器谐波的串联谐振频点偏离串联谐振器谐波的并联谐振频点,并且靠近串联谐振器谐波的串联谐振频点,会导致谐波区域的低频段抑制恶化,图5中的圆圈1指示的位置抑制只有22dB,圆圈2指示的位置抑制可达37dB,这两个位置的抑制差16dB,两位置的抑制幅度不平衡;如果并联谐振器压电层厚度较大,会导致并联谐振器谐波的串联谐振频点偏离串联谐振器谐波的并联谐振频点,并且大于串联谐振器谐波的并联谐振频点,会导致谐波区域的高频段抑制恶化,图6中的圆圈1指示的位置抑制可达41dB,圆圈2指示的位置抑制只有21dB,这两个位置的抑制差20dB,两边不平衡。
图7为并联谐振器不同压电层厚度时的通带曲线对比示意图。如图7所示,虚线为并联谐振器压电层较薄时的曲线,实线为并联谐振器压电层较厚时的曲线,由图中所示的曲线对比可知,滤波器通带覆盖的范围是变化的,如果通带左右都有抑制的话,在优化过程中,滤波器通带覆盖范围存在变化,滤波器会因为通带变宽导致临带抑制变差,或者因为通带变窄,导致边频插损恶化。
由此可知,以上方法对于串联谐振器和并联谐振器的压电层的厚度调节方式灵活性较差,而且无法兼顾基频通带插损、临带抑制以及谐波区域抑制。
本发明实施方式提供一种滤波器带外抑制优化方法,该方法在优化的过程中,既可以维持滤波器通带覆盖范围几乎恒定不变,还能解决低频体声波滤波器谐波抑制较差的问题,以及保障谐波抑制区域的抑制平衡。
图8为本发明实施方式提供的滤波器带外抑制优化方法的流程示意图。如图8所示,步骤S81:调整串联谐振器和并联谐振器的压电层的厚度,使两者压电层的厚度不同,进而使两者的有效机电耦合系数的初值不同,其中,两个初值应该满足以下两个条件:一、并联谐振器的有效机电耦合系数的初值大于串联谐振器的有效机电耦合系数的初值,二、两者之和为固定值;一般情况下,并联谐振器的有效机电耦合系数的初值比串联谐振器的有效机电耦合系数的初值大1%~2%,两者之和为滤波器相对带宽的4~5倍;步骤S82:判断并联谐振器谐波的串联谐振频点是否位于串联谐振器谐波的串联谐振频点与并联谐振频点之间,若是,则进行步骤S83,否则返回步骤S81;步骤S83:对滤波器拓扑结构进行仿真,判断滤波器的基频是否满足指标要求,若是,则进入步骤S84,否则返回步骤S81;步骤S84:判断谐波区域低频抑制幅度和高频抑制幅度是否相等,且大于指定值,指定值一般为30dB;若是,则优化结束,否则进入步骤S85;步骤S85:判断谐波区域低频抑制幅度是否大于高频抑制幅度;若是,则将并联谐振器的有效机电耦合系数的初值减小m%,以及将串联谐振器的有效机电耦合系数的初值增大m%后,返回步骤S83;否则将并联谐振器的有效机电耦合系数的初值增大n%,以及将串联谐振器的有效机电耦合系数的初值减小n%后,返回步骤S83。如此多次循环优化设计,直到既满足基频的指标要求,又满足谐波抑制要求,同时要保证谐波区域抑制的平衡性,以及谐波区域低频抑制幅度和高频抑制幅度基本相等,才设计完成。
以下通过具体实例验证上述方法的有效性。利用体声波谐振器设计一个低频滤波器,其频率范围覆盖880~915MHz,谐波抑制大于35dB。图9为滤波器的拓扑结构示意图。如图9所示,该拓扑结构为5-4结构(当然不限于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),该拓扑结构包含1个串联支路和4个并联支路,串联支路由串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15串接组成,串接于端口1和端口2之间,并联支路包括并联谐振器和接地电感,并联谐振器的一端与相邻的两个串联谐振器之间的节点连接,另一端与接地电感连接。其中,第一并联支路包括并联谐振器P11和接地电感L11,第二并联支路包括并联谐振器P12和接地电感L12,第三并联支路包括并联谐振器P13和接地电感L13,第四并联支路包括并联谐振器P14和接地电感L14。
为了使串联谐振器和并联谐振器的有效机电耦合系数不同,将全部串联谐振器制作在一片晶圆上,全部并联谐振器制作在另外一片晶圆上,按照上述的优化步骤:首先,选定串联谐振器的其压电层厚度初始值为0.65微米,有效机电耦合系数初始值为7%,并联谐振器的压电层厚度初始值为0.9微米,有效机电耦合系数初始值为9.3%,串联谐振器和并联谐振器的有效机电耦合系数之和为16.3%;进行串并联谐振器谐波的串并联谐振频点分析,确定以上选定的压电层厚度,使得并联谐振器谐波的串联谐振频点刚好位于串联谐振器谐波的串联谐振频点与并联谐振频点之间;然后可进行滤波器拓扑结构仿真优化,以上参数得到整个滤波器的通带插损小于1.8dB,其基本满足基频指标要求,可进行下一步操作,进行滤波器谐波抑制进行分析。图10为仿真滤波器的通带曲线示意图。由图10所示的曲线可知,谐波抑制最差点仅为25dB,并没有达到要求,同时发现谐波抑制最差点是谐波区的高频部分,谐波区的低频抑制部分较好,可达40dB。根据上述方法将并联谐振器的有效机电耦合系数减小0.5%,同时串联谐振器的有效机电耦合系数增大0.5%,并联谐振器有效机电耦合系数改为8.8%,其压电层改为0.87微米,串联谐振器有效机电耦合系数改为7.5%,其压电层为0.68微米,保持串联谐振器和并联谐振器有效机电耦合系数之和为16.3%不变。更新有效机电耦合系数后,重新代入原设计,再进行仿真。图11为滤波器优化后的通带曲线示意图。如图11所示,基频插损满足指标要求,整个通带插损小于1.8dB,滤波器整个带外抑制都大于40dB,特别是谐波区域,抑制都大于40dB,谐波区域的低频抑制幅度和高频抑制幅度更加平衡。
滤波器中并联支路的接地电感对谐波抑制也起关键性作用,主要原因是并联谐振器串联一个接地电感后,会改变谐振器基频和谐波区域的串联谐振频点的位置,具体来说,一般会使串联谐振频点的位置向低频移动,所以当并联谐振器串联的电感值较大时,有可能会使并联谐振器谐波的串联谐振频率小于串联谐振器谐波的串联谐振频率,不再满足其必须位于串联谐振器谐波的串联谐振频点与并联谐振频点之间的要求,导致谐波区域低频部分的抑制恶化。图12为滤波器中并联谐振器连接接地电感后串联谐振频点的变化曲线对比示意图。如图12所示,串联谐振器的谐波谐振情况如图中所标的细实线,其谐波串联谐振频点在2.88GHz,并联谐振频点在2.93GHz,当并联谐振器接的电感为0.3nH时,其谐波串联谐振频点在2.925GHz,并联谐振频点在2.96GHz,此时并联谐振器谐波的串联谐振频点刚好位于串联谐振器谐波的串联谐振频点与并联谐振频点之间,随着串联电感的增大,其谐波串联谐振频点向低频移动,即当电感增大到0.5nH时,并联谐振器谐波的串联谐振频点移到了2.84GHz,不再位于串联谐振器谐波的串联谐振频点与并联谐振频点之间,所以会导致谐波区域低频段的抑制度恶化。图13为并联谐振器连接接地电感后的通带曲线对比示意图。如图13所示,图中实线是接地电感值为0nH时对应的曲线图,该曲线中谐波抑制较好,虚线是接地电感值为0.5nH时对应的曲线图,该曲线中谐波抑制恶化了15dB。
图14为本发明实施方式提供的一种滤波器封装结构的剖面图。如图14所示,该滤波器的封装结构中,将全部并联谐振器制作在上晶圆,全部串联谐振器制作在下晶圆。图15为本发明实施方式提供的滤波器封装结构中上晶圆的主视图;图16为本发明实施方式提供的滤波器封装结构中下晶圆的主视图。如图15和图16所示,上晶圆包括并联谐振器P11、P12、P13和P14,以及接地管脚G1、G2、G3、G4和转接键合管脚J1、J2、J3、J4;下晶圆包括串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15,以及接地管脚G1、G2、G3、G4,转接键合管脚J1、J2、J3、J4,输入管脚IN和输出管脚OUT。上晶圆和下晶圆上下叠加设置,转接键合管脚J1、J2、J3、J4键合、接地管脚G1、G2、G3、G4键合;其中,下晶圆上还设有过孔,通过过孔将上晶圆、下晶圆制造的滤波器的信号端和对地端连接到下晶圆下方的焊盘上,下晶圆下方的焊盘可以通过金属焊球连接到封装基板,从而形成封装结构。
该滤波器中,多个串联谐振器的压电层的厚度与并联谐振器的压电层的厚度不同,而且,并联谐振器的有效机电耦合系数大于串联谐振器的有效机电耦合系数,滤波器的谐波区域低频抑制幅度和高频抑制幅度相等且大于指定值,如大于30dB。由于串联谐振器和并联谐振器分设在两个晶圆上,因此,压电层可设置为不同的厚度,而且,该厚度易于调节。该滤波器不仅能够维持滤波器通带覆盖范围不变,而且能够解决低频体声波滤波器谐波抑制较差的问题,同时,还能保障谐波抑制区域的抑制平衡。
本发明实施方式还提供一种双工器,该双工器包括上述滤波器,因此,使得该双工器也能达到维持滤波器通带覆盖范围不变,能够解决低频体声波滤波器谐波抑制较差的问题,以及保障谐波抑制区域的抑制平衡的效果。
本发明实施方式还提供一种通信设备,该通信设备包括上述滤波器,因此,使得该通信设备也能达到维持滤波器通带覆盖范围不变,能够解决低频体声波滤波器谐波抑制较差的问题,以及保障谐波抑制区域的抑制平衡的效果。
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。