CN112332801B - 包含掺杂谐振器的滤波器和多工器、通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包含掺杂谐振器的滤波器和多工器、通信设备，其中把掺杂谐振器和非掺杂谐振器分配到滤波器拓扑结构中的不同位置，既可以节省成本、缩小封装尺寸，又可以提升滤波器性能。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种包含掺杂谐振器的滤波器和多工器、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得到广泛应用的滤波器、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。
近年来，随着市场的迅猛发展，无线通讯终端和设备不断朝着小型化、多模-多频段的方向发展，无线通信终端中的用于FDD(频分复用双工)的双工器的数量也随之增加。五模十三频，甚至五模十七频逐渐成为主流手机的标准要求，特别是随着5G商用的临近，手机终端中将会集成更多的滤波器和双工器，对其尺寸和性能提出了更加苛刻的要求。实际上，无论滤波器还是双工器，其总面积主要是由谐振器的面积决定的，如果可以有效减小谐振器的面积，那么小尺寸的滤波器和双工器将容易实现，其实谐振器的面积主要是由压电层的厚度决定的，厚度越大，谐振器的面积也越大，所以可以通过减小压电层的厚度来实现滤波器的小型化，但是，压电层的厚度又和谐振器的有效机电耦合系数有关，如果减小压电层的厚度，必然会降低有效机电耦合系数，会导致滤波器的带宽不够，恶化其性能。
体声波谐振器常用的压电材料为氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅等，其中氮化铝具有高声波波速、高热导率、低介电常数、可与CMOS工艺兼容等优点，成为制备高频、高功率及高集成化体声波谐振器的理想材料，但与氧化锌和锆钛酸铅相比，氮化铝的压电系数(d33＝5.5pC/N)和机电耦合系数(kt2＝6.3％)偏小，这在一定程度上限制了氮化铝的广泛应用，因此，如何提升氮化铝的机电耦合系数成为业内研究的热点，经过众多学者的努力，提出了一种通过掺杂稀土元素例如钪有效地提升氮化铝的机电耦合系数的方法。以下主要以掺杂钪元素为例进行说明。
掺钪浓度和其机电耦合系数密切相关，参考图1，图1是根据现有技术的掺钪的浓度与掺钪氮化铝的机电耦合系数的关系的示意图，其中横坐标是掺钪的浓度(质量百分比)，纵坐标是掺钪氮化铝的机电耦合系数。从图1可以看到，机电耦合系数和掺钪浓度为正比例关系，当掺钪浓度从0增大到0.16(为质量百分数，即16％，下同)时，机电耦合系数从6.3％增大到12.2％，几乎增大了一倍。相应地，相同的有效机电耦合系数，掺钪后的谐振器的压电层厚度会变薄，而且谐振器的面积会变小，表1是各种掺钪浓度下谐振器的面积和压电层厚度对比情况。
表1
从表1可以看出，在保持有效机电耦合系数不变的情况下，掺钪浓度越大，压电层的厚度越薄，相应的谐振器的面积就越小，当掺钪浓度从0变到0.2时，50欧姆谐振器的面积从11200平方微米缩小到7500平方微米，也就是面积缩小了33％，所以当采用高掺钪氮化铝作为谐振器的压电材料时，可以大幅缩小滤波器、双工器的封装尺寸，也可以降低成本。
但是研究发现，当谐振器中的压电材料氮化铝掺钪或其他杂质(相应的谐振器称作掺杂谐振器，压电材料未掺有杂质谐振器称作非掺杂谐振器)后，谐振器的性能发生了较大的变化，除了前面说的可以增大谐振器的有效机电耦合系数外，谐振器的损耗会变大，也就是说，谐振器的Q值会恶化，以下以掺钪为例加以说明，表2为不同掺钪浓度的谐振器的Q值对比情况，其中掺钪氮化铝的分子表达式为Al1-xScXN，x为掺钪浓度。
表2
从表2中可以看出，掺钪浓度越大，谐振器的Q值降低的就越多，比如掺钪浓度从0增大到0.15，其Qp,m(并联谐振频率处的Q值)从739降低到348，降低了52％。因此，虽然氮化铝材料中掺钪可以有效提升谐振器的机电耦合系数，可以有效减少谐振器和滤波器的封装尺寸、降低成本，但是一个负面作用是谐振器的Q值会恶化，严重影响滤波器的通带插损。
因此，基于掺钪氮化铝技术，如何利用技术手段，在能够缩小滤波器和双工器尺寸的情况下，改善滤波器插损，仍是待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种包含掺杂谐振器的滤波器和多工器、通信设备，其中把掺杂谐振器和非掺杂谐振器分配到滤波器拓扑结构中的不同位置，既可以节省成本、缩小封装尺寸，又可以提升滤波器性能。
本发明技术方案如下：
一种包含掺杂谐振器的滤波器，所述掺杂谐振器中的压电材料中掺杂有杂质元素，使所述压电材料的机电耦合系数提升，该滤波器中：最靠近输出端的谐振器为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器；或者，所有串联谐振器中最靠近输出端者，以及所有并联谐振器中最靠近输出端者，为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器。
可选地，所述掺杂谐振器的掺杂的浓度使掺杂谐振器和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数差值不大于0.5％。
可选地，所述掺杂谐振器的掺杂的浓度在0.2至0.4之间，或者在0.05至0.2之间。
可选地，所述滤波器中，掺杂谐振器的压电层厚度小于非掺杂谐振器的压电层厚度。
可选地，所述压电材料为氮化铝。
可选地，所述杂质元素为稀土元素。
可选地，所述稀土元素为钪。
一种包含掺杂谐振器的多工器，包含本发明所述的滤波器，并且该多工器的发射滤波器和接收滤波器中：最靠近天线端的谐振器为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器；或者，所有串联谐振器中最靠近天线端者，以及所有并联谐振器中最靠近天线端者，为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器。
可选地，所述发射滤波器和接收滤波器中，掺杂谐振器的压电层厚度小于非掺杂谐振器的压电层厚度。
可选地，所述发射滤波器中，掺杂谐振器制作于一颗晶圆上，不掺杂谐振器制作于另一颗晶圆上。
可选地，所述接收滤波器中，掺杂谐振器制作于一颗晶圆上，不掺杂谐振器制作于另一颗晶圆上。
一种通信设备，包含本发明所述的滤波器。
一种通信设备，包含本发明所述的多工器。
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是根据现有技术的掺钪的浓度与掺钪氮化铝的机电耦合系数的关系的示意图；
图2A和图2B是根据本发明实施方式的滤波器中掺钪谐振器和非掺杂谐振器的分布的示意图；
图3A和图3B是根据本发明实施方式的多工器中掺钪谐振器和非掺杂谐振器的分布的示意图；
图4A和图4B是根据本发明实施方式的双工器与现有技术的双工器的插损对比的示意图；
图5是根据本发明实施方式的双工器的谐振器在不同晶圆分布的示意图。
具体实施方式
本发明实施方式中，采用掺杂和非掺杂的谐振器混合构成滤波器的方法，如果向压电材料掺杂的谐振器在提高了机电耦合系数的同时又增大了谐振器的损耗或有其他性能降低，则本发明实施方式中使二者有特定的布置，有助于解决上述问题，既能缩小滤波器封装尺寸，降低成本，也能保障滤波器通带插损恶化得到抑制。下面就滤波器和多工器(包括双工器)阐述本发明揭示的原理和技术方案。各附图中的滤波器及多工器的结构为举例，实现中的滤波器和多工器可以是其他数量和位置的串联谐振器以及并联谐振器。这里的压电材料例如氮化铝，所掺杂质可以是稀土元素，例如钪。以下以杂质选择钪元素为例加以说明。
对于滤波器而言，对于常用的梯型拓扑结构，最靠近输出端的谐振器采用非掺杂谐振器，而其他谐振器采用掺钪谐振器，同时，要保障掺钪和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数相当，其差值不大于0.5％，进而也可以让靠近输出端的串联谐振器和并联谐振器采用非掺杂谐振器，而其他谐振器采用掺钪谐振器，同时，要保障掺钪和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数相当，其差值不大于0.5％。
滤波器中，掺钪谐振器的掺钪浓度相同，其掺钪浓度由滤波器的面积决定，如果希望滤波器的面积越小越好，那就应该采用高浓度的掺钪谐振器，如掺钪浓度大于0.2，小于0.4，如果兼顾滤波器面积和滤波器插损，即希望在缩小滤波器面积的同时，滤波器插损恶化较小，那就要采用低浓度的掺钪谐振器，如掺钪浓度大于0.05，小于0.2。
图2A和图2B是根据本发明实施方式的滤波器中掺钪谐振器和非掺杂谐振器的分布的示意图。如图2A和图2B所示，滤波器的输入端1和输出端2之间有串联谐振器S11至S15，以及并联谐振器P11至P14，其中谐振器S15最靠近输出端2，因此可以是谐振器S15为非掺杂谐振器，如图2A中方框102所示，其余谐振器，即方框101中的谐振器，则为掺钪谐振器。图2A中，最靠近输出端的是一个串联谐振器；而对于某些滤波器来说最靠近输出端的是一个并联谐振器，此时则该并联谐振器为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺钪谐振器。
掺钪谐振器和非掺杂谐振器的分布也可以是将串联谐振器中最靠近输出端的一个，以及并联谐振器中最靠近输出端的一个，作为非掺杂谐振器，其他谐振器则为掺钪谐振器，如图2B所示，方框202中的谐振器S15、P14分别为最靠近输出端2的串联谐振器和并联谐振器，二者为非掺杂谐振器，而方框201中的谐振器为掺钪谐振器。
对于双工器而言，靠近天线端的谐振器对双工器的性能影响最大，所以双工器的发射和接收滤波器中最靠近天线端的谐振器采用非掺杂谐振器，其余的谐振器采用掺钪谐振器，其中发射滤波器的掺钪和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数相当，其差值不大于0.5％，同样接收滤波器的掺钪和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数相当，其差值不大于0.5％，进而也可以，让双工器的发射和接收滤波器中靠近天线端的串联谐振器和并联谐振器采用非掺杂谐振器，其余的谐振器采用掺钪谐振器，其中发射滤波器的掺钪和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数相当，其差值不大于0.5％，同样接收滤波器的掺钪和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数相当，其差值不大于0.5％。
双工器中，掺钪谐振器的掺钪浓度相同，其掺钪浓度由滤波器的面积决定，如果希望滤波器的面积越小越好，那就应该采用高浓度的掺钪谐振器，如掺钪浓度大于0.2，小于0.4，如果兼顾滤波器面积和滤波器插损，即希望在缩小滤波器面积的同时，滤波器插损恶化较小，那就要采用低浓度的掺钪谐振器，如掺钪浓度大于0.05，小于0.2。
图3A和图3B是根据本发明实施方式的多工器中掺钪谐振器和非掺杂谐振器的分布的示意图。如图3A和图3B所示，以两路通道为例，公共端口1外接天线和匹配电感L1，公共端口1和发射端口2之间有串联谐振器S11至S15，以及并联谐振器P11至P14，公共端口1和接收端口3之间有串联谐振器S21至S25，以及并联谐振器P21至P25。在布置掺钪谐振器时，可以是如图3A所示，将最靠近天线端的谐振器作为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺钪谐振器，分别如图中方框301和方框302所示。图中是以最靠近天线端的谐振器为串联谐振器为例，另外如果最靠近天线端的是并联谐振器，则该并联谐振器为非掺杂谐振器。
多工器中的掺钪谐振器的分布也可以是如图3B所示，选择最靠近天线端的串联谐振器和并联谐振器为非掺杂谐振器，如图中方框401所示，其他谐振器，即方框402中的谐振器为掺钪谐振器。
对于本发明实施方式的技术方案的效果，可以由仿真来验证，以图3A所示的方案为例，对于掺钪浓度为0.2的情况，按图3A的方式和全部谐振器为掺钪谐振器的方式，滤波器的插损对比如图4A和图4B所示。图4A和图4B是根据本发明实施方式的双工器与现有技术的双工器的插损对比的示意图。图中实线对应本发明实施方式，虚线对应现有技术，从图中可以看出采用本发明实施方式能够使滤波器插损有0.15dB的改善。
在本发明中的多工器的制造方式中，将掺钪谐振器和非掺杂谐振器制造在不同的晶圆上，以双工器为例，如图5所示，图5是根据本发明实施方式的双工器的谐振器在不同晶圆分布的示意图。在图5中，501为封装基板，其为有机材料，多个晶圆502、503、504、505倒置焊接在基板501上，其中晶圆502上制造有发射滤波器中的多个掺钪谐振器，而晶圆503上制造有1个或2个发射滤波器中的非掺杂谐振器，晶圆502和晶圆503一起构成发射滤波器；同样，晶圆504上制造有接收滤波器中的多个掺钪谐振器，而晶圆505上制造有1个或2个接收滤波器中的非掺杂谐振器，晶圆504和晶圆505一起构成接收滤波器。
谐振器掺钪以后，有效机电耦合系数会变大，也就是说，如果同样的有效机电耦合系数，掺钪谐振器的压电层会更薄，所以面积会更小，可以缩小滤波器封装尺寸和节省成本。
一般来说，谐振器掺钪以后，其损耗项会变大，也就是Q值会下降，如果滤波器都用掺钪谐振器，其插损会变差，所以我们提出部分用非掺杂谐振器，其余的用掺钪谐振器，可以在节省成本、缩小尺寸和提升滤波器插损之间做平衡。
由于输出端谐振器的Q值对插损影响最大，所以具有较高Q值的非掺杂谐振器分配到输出端，其余谐振器为掺钪谐振器。
对于双工器而言，其发射和接收滤波器中最靠近天线端的谐振器为非掺杂谐振器，其余谐振器为掺钪谐振器。
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 (13)
1.一种包含掺杂谐振器的滤波器，所述掺杂谐振器中的压电材料中掺杂有杂质元素，使所述压电材料的机电耦合系数提升，其特征在于，该滤波器中：
最靠近输出端的谐振器为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器；或者，
所有串联谐振器中最靠近输出端者，以及所有并联谐振器中最靠近输出端者，为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述掺杂谐振器的掺杂的浓度使掺杂谐振器和非掺杂谐振器的有效机电耦合系数差值不大于0.5％。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述掺杂谐振器的掺杂的浓度在0.2至0.4之间，或者在0.05至0.2之间。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器中，掺杂谐振器的压电层厚度小于非掺杂谐振器的压电层厚度。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述压电材料为氮化铝。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述杂质元素为稀土元素。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于，所述稀土元素为钪。
8.一种包含掺杂谐振器的多工器，其特征在于，包含权利要求1至7中任一项所述的滤波器，并且该多工器的发射滤波器和接收滤波器中：
最靠近天线端的谐振器为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器；或者，
所有串联谐振器中最靠近天线端者，以及所有并联谐振器中最靠近天线端者，为非掺杂谐振器，其他谐振器为掺杂谐振器。
9.根据权利要求8所述的多工器，其特征在于，所述发射滤波器和接收滤波器中，掺杂谐振器的压电层厚度小于非掺杂谐振器的压电层厚度。
10.根据权利要求8或9所述的多工器，其特征在于，所述发射滤波器中，掺杂谐振器制作于一颗晶圆上，不掺杂谐振器制作于另一颗晶圆上。
11.根据权利要求8或9所述的多工器，其特征在于，所述接收滤波器中，掺杂谐振器制作于一颗晶圆上，不掺杂谐振器制作于另一颗晶圆上。
12.一种通信设备，其特征在于，包含权利要求1至7中任一项所述的滤波器。
13.一种通信设备，其特征在于，包含权利要求8至11中任一项所述的多工器。
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