CN112398460B - 多工器和通讯设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多工器（包括双工器）和通讯设备，有助于提高滤波器的通带插入损耗性能。对于多工器（包括双工器）中的高频滤波器，靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于其他并联支路的谐振器的该宽度，最好是选择为谐振器的并联谐振频点阻抗随该宽度变化的曲线上的第1或第2周期的极大点对应的宽度。这样有助于提高低频滤波器和高频滤波器的插入损耗性能。

Description

多工器和通讯设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种多工器和通讯设备。

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。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，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。

双工器一般都是由两个覆盖不同频段的体声波滤波器构成，一般来说，这些构成双工器的体声波滤波器一端互相连接然后接入天线端，另外一端分别再接发射设备或接收设备。多工器一般都是由N条覆盖不同频段的体声波滤波器构成，N≥2，一般来说，这些构成多工器的体声波滤波器一端互相连接然后接入天线端，另外一端再分别接发射设备或接收设备。为描述简便，以下的说明中，“多工器”也包含双工器。

由于这些滤波器互相连接，所以也导致其互相影响，如果高频滤波器的并联谐振器产生的寄生模式，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。当前，常用的解决办法是，谨慎选择高频滤波器的并联谐振器，一般选用寄生模式较小的谐振器作为其并联谐振器，但这样的选择有其弊端，也就是虽然其寄生模式较小但其并联谐振频点处的阻抗值Rp也会变小，必然导致高频滤波器的带内插损恶化，也就是说这种办法是以牺牲高频滤波器的通带插损换取低频段滤波器的通带内插损的提升的。

图1为根据现有技术中的双工器的配置的示意图，包括滤波器1和滤波器2，其中滤波器1覆盖的频率较低，称作低频滤波器，滤波器2覆盖的频率相对滤波器1而言较高，称作高频滤波器。滤波器1的一个端口和滤波器2的一个端口共接于节点11，并通过节点11连接天线，而滤波器1的另一端口12连接发射设备或者接收设备，相应地，滤波器2的另一端口13连接接收设备或发射设备，在天线端节点11处并联一个电感如L1调节匹配。滤波器1的拓扑结构为由体声波谐振器组成的梯型结构，因为本实施方式主要探讨高频滤波器2对低频滤波器1的影响，所以着重探讨滤波器2的拓扑结构，对滤波器1的拓扑结构不再描述。

图2是根据现有技术的一种高频滤波器的电路图。高频滤波器2的拓扑结构如图2所示，此拓扑结构为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)，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依次连接组成，串接于端口21和端口23之间，4个并联支路分别包含并联谐振器P11、P12、P13、P14，各并联谐振器一端接于相邻串联谐振器之间，另一端接地。

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滤波器2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滤波器2的中心频率附近。

通常为了提高体声波谐振器并联谐振频率fp处的阻抗值(Rp)或Q值(Qp)，一般会在谐振器有效区域边缘设置凸起来实现，如图3所示，图3是根据现有技术中的谐振器有效区域边缘的凸起的示意图。在图3中，在硅衬底31上面制作有底电极33，底电极材料为高声阻抗金属材料，可以是钼、铝、金等金属。在底电极33上制作有压电层34，压电层34材料是为氧化锌或氮化铝等压电晶体，厚度为几百纳米至几微米。在压电层34上方制作有顶电极35，顶电极35的材料和底电极33的材料一样。在底电极33下方制作有空气腔32。空气腔在硅衬底上表面上的横向尺寸定义为空气腔宽度。底电极33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35的宽度略小于底电极33以及空气腔宽度，顶电极35、底电极33和压电层34以及空气腔32交叠的部分称之为谐振器有效区域。有效区域边缘设置有凸起36，其材料和顶电极材料一样，都为钼、铝、金等金属，凸起36放置于顶电极35之上，并且其外边缘和顶电极35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)。

上述的阻抗值Rp会随凸起36的宽度周期变化，且随着周期增大，Rp在每个周期内的最大值逐渐增大。但同时，凸起结构会造成谐振器串联谐振频率fs处阻抗增大，fs以下频段内的寄生模式增强，在其阻抗曲线上表现为在串联谐振频率fs以下会有一些起伏的凸起，参考图4，图4为双工器中滤波器2对滤波器1的影响示意图。如图4所示的圆圈所画的41处，对于双工器而言，如果高频滤波器2的并联谐振器产生的寄生模起伏较大，并且所在位置刚好落到低频滤波器1的通带内，如图4所示，那么就会使得低频滤波器1的带内插损恶化，如图4所示的圆圈所画的42处，由此可见，谐振器寄生模对双工器的性能影响很大。目前，通常的做法是选择寄生模式较小的谐振器作为高频滤波器2的并联谐振器，以降低对低频滤波器1的影响，但是，寄生模式较小的谐振器其并联谐振频点的阻抗Rp也较小，所以这样的选择，必然会影响高频滤波器2的带内插损，也就是说，这样的做法是以牺牲高频滤波器2的通带插损换取低频段滤波器1的通带内插损的提升的。上述情况，在多工器中同样存在。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多工器和通讯设备，有助于提高滤波器的通带插入损耗性能。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种多工器。

本发明的多工器包含1个以上高频体声波滤波器和1个以上低频体声波滤波器，所述高频体声波滤波器的输入端和输出端之间有多个串联的串联谐振器，以及多个并联的并联支路，各并联支路上包含谐振器，对于所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器，其谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于所述高频体声波滤波器的其他并联支路的谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度。

可选地，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器，其谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于指定值。

可选地，所述宽度选择为谐振器的并联谐振频点阻抗随所述宽度变化的曲线上的周期极大点对应的宽度。

可选地，所述靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器的所述宽度选择为谐振器的并联谐振频点阻抗随所述宽度变化的曲线上的第1或第2周期的极大点对应的宽度。

可选地，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含1个谐振器。

可选地，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含2个或多个串联的谐振器。

可选地，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含2个或多个并联的谐振器。

可选地，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含多个混联的谐振器。

可选地，所述凸起位于谐振器的上电极之上，并且沿该上电极的边缘一周分布。

根据本发明的另一方面，提供了一种通信设备，其包含本发明所述的多工器。

根据本发明的技术方案，对于多工器(包括双工器)中的高频滤波器，靠近天线端的并联支路的谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于其他并联支路的谐振器的该宽度，最好是选择为谐振器的插入损耗随该宽度变化的曲线上的第1或第2周期的极大点对应的宽度。这样有助于提高低频滤波器和高频滤波器的插入损耗性能。

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为根据现有技术中的双工器的配置的示意图；

图2是根据现有技术的一种高频滤波器的电路图；

图3是根据现有技术中的谐振器有效区域边缘的凸起的示意图；

图4为双工器中滤波器2对滤波器1的影响示意图；

图5为体声波谐振器Rp随凸起宽度W变化的示意图；

图6是体声波谐振器阻抗曲线；

图7为图6的局部放大图；

图8是根据本发明实施方式的并联谐振器分组的示意图；

图9是根据本发明实施方式的实验一和实验二的低频滤波器1插损的对比示意图；

图10是根据本发明实施方式的实验二和实验三的低频滤波器1插损的对比示意图；

图11是根据本发明实施方式的实验二和实验三的高频滤波器1插损的对比示意图；

图12是根据本发明实施方式的多个谐振器的串联的示意图；

图13是与本发明实施方式有关的多工器的结构的示意图。

具体实施方式

本发明实施方式中，对于多工器(包括双工器)中的高频体声波滤波器，通过合适地选择其谐振器有效区域边缘的凸起的宽度，来改善多工器的插入损耗性能。

本发明实施方式中，首先考察体声波谐振器的阻抗特性和凸起36(参见图3)的宽度W的关系。图5为体声波谐振器Rp随凸起宽度W变化的示意图，如图5所示，体声波谐振器的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。

另一方面，凸起会造成谐振器串联谐振频率fs处阻抗增大，fs以下频段内的寄生模式增强，相应频段的Q值变差。且随着凸起结构的宽度增大，相应频段的Q值会呈现单调递减趋势，即性能越来越差。这是因为，该凸起相当于一个寄生的谐振器，其宽度越宽，该寄生的谐振器占整个谐振器的比例越大，影响也越大。图6是体声波谐振器阻抗曲线，其中横坐标为频率，纵坐标为谐振器阻抗。在这里，作为对比，我们分别选第一周期内Rp最大值对应的凸起宽度W＝2um(微米)和第二周期内Rp最大值对应的凸起宽度W＝5um，凸起宽度W从2um增大到5um时，其阻抗曲线发生了较大的变化，如图6，从图中的虚线变成了实线，在串联谐振频点fs以下的寄生分量的强度变大，也就是寄生模式发生了恶化，但同时其并联谐振频点fp处的阻抗变大，图7为图6的局部放大图，从图7可以看出，当凸起宽度W从2um增大到5um时，并联谐振频点fp处的阻抗从3000欧姆增大到了5000欧姆。

以下对于图1所示的双工器中的高频滤波器2的并联谐振器的性能对低频滤波器1通带插损的影响加以分析。在此，本实施方式提出把高频滤波器2的并联谐振器分成两组，如图8所示，图8是根据本发明实施方式的并联谐振器分组的示意图，其中左边方框为第一组，包括1个谐振器，即为最靠近天线端的第一个并联谐振器P11，右边方框为第二组，包括剩余的其他并联谐振器P12、P13和P14，并提出进行如下几个对比实验以考察双工器中高频滤波器的并联谐振器中的凸起宽度对于低频滤波器以及高频滤波器的插损的影响，实验数据列于表1：

表1

	P11凸起宽度(um)	P12、P13和P14凸起宽度(um)
			实验一	5	2
实验二	2	5
			实验三	2	2

根据表1，对于实验一，高频滤波器2中，第一组并联谐振器P11的凸起宽度W为5um，第二组并联谐振器P12、P13和P14的凸起宽度为2um。其他实验数据意义类似。图9是根据本发明实施方式的实验一和实验二的低频滤波器1插损的对比示意图。在图9中，实验一对应实线，实验二对应虚线。从图9中可以看出，实验二对应的曲线比实验一对应的曲线插损改善0.2dB左右，并且波纹较少。

图10是根据本发明实施方式的实验二和实验三的低频滤波器1插损的对比示意图。在图10中，虚线对应实验二，实线对应实验三。从图10可以看出，二者的结果非常接近。再结合实验一和实验二的对比，可以认为第一组并联谐振器P11，即高频滤波器2中的靠近天线端的并联谐振器的寄生模式对低频滤波器1的通带插损影响最大，而远离天线端的那些并联谐振器的寄生模式对低频滤波器1的通带插损影响很小，可以忽略不计。

从上面的实验可以看出，高频滤波器的靠近天线端的谐振器的寄生模式对低频滤波器的插损影响最大，所以靠近天线端的谐振器应当选择凸起宽度较小的谐振器。即选择实验二或实验三中的数据。在此基础上，进一步考察高频滤波器的插损情况，以确定最终选择实验二还是实验三中的数据。图11是根据本发明实施方式的实验二和实验三的高频滤波器2插损的对比示意图。其中第二个实验对应实线，第三个实验对应虚线。从图11可以看出，采用第二个实验的数据比第三个实验的数据能够将插损改善0.2dB左右。

综上所述，对于双工器中的高频滤波器的并联谐振器，靠近天线端的并联谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度首先应当小于其他并联谐振器的该宽度。前者最好是小于一个指定值以保证性能。考虑到Rp应当尽可能大，所以可选择图5所示曲线中的第1或第2周期的极大点对应的W值，其余剩下的远离天线端的并联支路的谐振器(例如参考图8，为谐振器P12、P13、P14)的凸起宽度所选周期异于靠近天线端的并联支路的谐振器(例如图8中的P11)所选周期，并且选择更高周期，另外该剩下的远离天线端的各并联支路谐振器凸起宽度所选周期，它们之间可以相同也可以不同。

在以上的说明中，靠近天线端的并联谐振器是单个谐振器，除此之外，上述的凸起的宽度的选择，也适用于靠近天线端的并联谐振器是多个谐振器的情形，即该多个谐振器都按上述方式进行凸起宽度选择。该多个谐振器的具体组合方式可参考图12，其可以是2个以上谐振器串联(如图12方框中的谐振器P11A和P11B)，也可以是2个以上谐振器并联或者3个以上谐振器混联。

此外，靠近天线端的并联谐振器是单个并联支路中的谐振器，也可以是多个并联支路中的谐振器，例如参考图8，选择谐振器P11和P12，其谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于P13和P14的该宽度。另外，这里的多个并联支路，数目也不宜太大，可根据实验进行合理选择。

以上是以双工器为例进行了说明，对于多工器同样适用。图13是与本发明实施方式有关的多工器的结构的示意图，如图13所示，该多工器由N条覆盖不同频段的体声波滤波器组成，这N条体声波滤波器一端互相连接于公共端1并接入天线端，另一端分别为2、3…N+1，其中滤波器1为覆盖频段最低的滤波器，其余滤波器覆盖频率稍高。具体凸起宽度的选择是针对多工器中的高频滤波器，其中的靠近天线端的并联谐振器以及其他并联谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度可根据上文说明的方式进行选择。

根据本发明实施方式的技术方案，对于多工器(包括双工器)中的高频滤波器，靠近天线端的并联支路的谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于其他并联支路的谐振器的该宽度，最好是选择为谐振器的并联谐振频点阻抗随该宽度变化的曲线上的第1或第2周期的极大点对应的宽度。这样有助于提高低频滤波器和高频滤波器的插入损耗性能。

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。

Claims (10)

1.一种多工器，所述多工器包含1个以上高频体声波滤波器和1个以上低频体声波滤波器，所述高频体声波滤波器的输入端和输出端之间有多个串联的串联谐振器，以及多个并联的并联支路，各并联支路上包含谐振器，其特征在于：

对于所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器，其谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于所述高频体声波滤波器的其他并联支路的谐振器的谐振器有效区域边缘的凸起的宽度。

2.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，

所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器，其谐振器有效区域边缘的凸起的宽度小于指定值。

3.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，

所述宽度选择为谐振器的并联谐振频点阻抗随所述宽度变化的曲线上的周期极大点对应的宽度。

4.根据权利要求3所述的多工器，其特征在于，所述靠近天线端的一条或几条并联支路的谐振器的所述宽度选择为谐振器的并联谐振频点阻抗随所述宽度变化的曲线上的第1或第2周期的极大点对应的宽度。

5.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含1个谐振器。

6.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含2个或多个串联的谐振器。

7.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含2个或多个并联的谐振器。

8.根据权利要求1所述的多工器，其特征在于，所述高频体声波滤波器的靠近天线端的一条或几条并联支路中的任一条并联支路，包含多个混联的谐振器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多工器，其特征在于，

所述凸起位于谐振器的上电极之上，并且沿该上电极的边缘一周分布。

10.一种通信设备，其特征在于，包含权利要求1至5中任一项所述的多工器。

Images