CN113544972A - 具有增加带宽的rf滤波器以及滤波器部件 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有增加带宽的RF滤波器。该滤波器包括半格型拓扑结构和移相器(PS)，该移相器包括并联支路中的电感耦合电感元件，该并联支路与滤波器的第一端口(P1)和第二端口(P2)之间的信号路径(SP)的第一分段(S1)平行。

Description

具有增加带宽的RF滤波器以及滤波器部件

技术领域

本发明涉及具有增加带宽的RF滤波器，例如，用于移动通信设备，并且涉及对应滤波器部件。

背景技术

在移动通信系统的设备中，需要RF滤波器来将期望信号与不期望信号分开。这种滤波器可以是采用电声谐振器的带通滤波器。电声谐振器的使用实现了高隔离水平和陡峭的滤波器裙边。对应电声RF滤波器可以具有梯形滤波器拓扑结构，其中串联谐振器串联电性连接在输入端口与输出端口之间的信号路径中。并联路径中的并联谐振器将信号路径电性连接到接地。

然而，在梯形滤波器拓扑结构中，带宽基本由电声耦合系数κ2决定。然而，未来的规格可能需要更大的带宽。具体地，即将到来的5G频段可能需要的带宽比LTE频段所需的带宽大三倍到四倍。进一步地，还需要高带外抑制、陡峭裙边、通带内低插入损耗等。

发明内容

因此，期望一种具有增加带宽但不牺牲其他重要滤波器参数的RF滤波器。

为此，提供了根据独立权利要求1所述的滤波器。从属权利要求提供优选实施例。

提供了一种半格型滤波器，该半格型滤波器包括输入端口和输出端口。进一步地，滤波器在输入端口与输出端口之间具有信号路径。信号路径具有布置在输入端口与输出端口之间的第一分段。进一步地，滤波器具有并联支路，该并联支路并联电性连接到信号路径的第一分段。进一步地，半格型滤波器具有电性连接在第一分段中的第一电声谐振器和电性连接在并联支路中的阻抗元件。附加地，移相器在并联支路中串联电性连接到阻抗元件。移相器包括两个电感耦合的电感元件。

这种半格型滤波器建立了梯形电路拓扑结构的性能备选方案。当与梯形滤波器拓扑结构相比较时，半格型滤波器可以具有数目减少的电路元件。具体地，如上文所描述的半格型滤波器提供了显著增加带宽的可能性，而其他滤波器参数可以维持处于高水平。

经发现，移相器的质量对半格型滤波器的性能至关重要。因此，提供包括如上文所描述的耦合电感元件的移相器以同时增加带宽并且维持其他性能参数，诸如高带外抑制、陡峭裙边、紧凑布局、以及良好阻抗匹配。

半格型滤波器可以包括第一节点和第二节点。位于信号路径中的第一节点和第二节点的位置定义第一分段和并联支路的位置。因此，第一节点可能是并联支路和第一分段在滤波器的第一端口的一侧彼此电性连接的位置。第二节点的位置为第一分段与并联支路在半格型滤波器的第二端口的该侧电性连接的位置。

阻抗元件与移相器串联电性连接于第一节点与第二节点之间的并联支路中。从在半格型滤波器的第一端口与半格型滤波器的第二端口之间传播的RF信号的角度来看，阻抗元件可以布置在移相器前面。然而，移相器还可以布置在并联支路中的阻抗元件前面。

阻抗元件可以在其输入侧处具有第一端子而在其输出侧处具有第二端子。对应地，移相器可以在其输入侧处具有第一端子而在其输出侧处具有第二端子。当阻抗元件在移相器之前被布置时，阻抗元件的第二端子电性连接或耦合到移相器的第一端子。阻抗元件的第一端子可以直接电性连接或耦合到第一节点。移相器的第二端子可以直接电性连接或耦合到第二节点。

阻抗元件可以选自电容元件和电声谐振器。

具体地，阻抗元件可能由声学非激活电声谐振器所建立的电容元件表示。然而，阻抗元件还可能没有压电材料。

电声谐振器具有与压电材料组合的电极结构。由于压电效应，当RF信号被施加到谐振器时，谐振器在电磁RF信号与声学RF信号之间进行转换。

电声谐振器可以选自BAW谐振器(BAW＝体声波)、GBAW谐振器(GBAW＝引导体声波)、SAW谐振器(SAW＝表面声波)、SMR型BAW谐振器(SMR)＝牢固安装的谐振器)、FBAR型BAW谐振器(FBAR＝薄膜体声波谐振器)、TF-SAW谐振器(TF＝薄膜)、TC-SAW谐振器(TC＝温度补偿)、或类似谐振器。

在SAW谐振器中，梳状电极结构被布置在压电材料的表面处或上方。声波沿与梳状结构的电极指正交的纵向方向在压电材料的表面处传播。在BAW谐振器中，压电材料夹置于底部电极与顶部电极之间，并且纵波模式沿垂直方向建立驻波。

两个电感耦合的电感元件中的一个或另一个或两个电感元件的连接中的一个连接可以耦合到接地。因此，对应的一个或对应的两个电感元件在并联支路与接地之间建立连接。两个电感元件之间的耦合可以使得耦合因子为k＝1。此外，k＝-1的反向耦合也是可能的。耦合因子的符号基本决定了与对应电感元件相关联的磁场之间的相位差，其中对于耦合因子k＝-1，获得基本为180°的相位差。

移相器可以包括电性连接到移相器的第一端子和/或第二端子的第一电容元件。

具体地，第一电容元件可以将移相器的第一端子电性连接到接地或电性连接到移相器的第二端子。

移相器可能包括第二电容元件，该第二电容元件电性连接到移相器的第二端子。

然后，第二电容元件可以将移相器的第二端子电性连接到接地。

具体地，移相器的第一电容元件可以将移相器的第一端子电性连接到接地，并且移相器的第二电容元件可以将移相器的第二端子电性连接到接地。

移相器可以包括第三电容元件，该第三电容元件将电感耦合的电感元件电性连接到接地。

对应地，移相器可能包括节点。第一电感元件电性连接于第一端子与节点之间。第二电感元件电性连接于节点与第二端子之间。第三电容元件将节点电性连接到接地。

滤波器还可以包括第二电声谐振器。当根据从第一端口传播到第二端口的RF信号的角度来看时，第二电声谐振器可以被连接在第一电声谐振器与第二端口之间的信号路径中。

滤波器可能还包括第二电容元件，该第二电容元件电性连接在第一电容元件与第二端口之间的并联支路中。进一步地，滤波器可以包括第三电容元件，该第三电容元件电性连接在第二电容元件与第二端口之间的并联支路中。

因此，提供一种滤波器，其中并联支路包括三个电容元件，该三个电容元件串联电性连接在第一节点与第二节点之间。

在阻抗元件与第二电容元件之间的节点处，两个电感耦合的电感元件中的一个电感元件可以与一个端子连接，而另一相应端子连接到接地。对应地，对应耦合的第二电感元件的一个端子连接到第二电容元件与第三电容元件之间的节点，而第二电感元件的另一相应端子电性连接到接地。

进一步地，滤波器还可以包括第四电容元件，该第四电容元件电性连接在并联支路与接地之间。第四电容元件可以连接到并联支路，使得其将第二节点电性连接到接地。

滤波器可以包括一个或多个阻抗匹配电路。

对应地，滤波器可以包括第一阻抗匹配电路，该第一阻抗匹配电路电性连接在第一端口与第一电声谐振器之间的信号路径中。滤波器还可以包括第二阻抗匹配电路，该第二阻抗匹配电路电性连接在第一电声谐振器与第二端口之间的信号路径中。

具体地，第一阻抗匹配电路可以电性连接在第一端口与第一节点之间，而第二电声谐振器可以电性连接在第二节点与第二阻抗匹配电路之间。

包括移相器的滤波器的电容元件可以与声学封装中的电声谐振器组合。

声学封装包括滤波器的所有声学有源电路元件。滤波器的声学有源元件是机械结构，这些机械结构必须与环境的有害影响隔离，例如，与例如在制造期间干扰声波传播的外来物体或颗粒和与大气中的试剂(例如，水)隔离。对应地，声学封装可以包括一个或多个腔体，其中声学活性元件被集成并且与滤波器的环境气密密封。电声元件包括与压电材料组合以采用压电效应的电极结构。然而，可以在相同制造步骤中使用类似电极结构来生产电容元件的电极结构。例如，可以通过将压电材料的压电轴线定向为不与电极结构正交和/或不与对应电容元件的电场的方向平行来获得具有与声学有源电路元件基本相同结构的声学无源电容元件。然后，压电材料可以用作纯粹的介电材料以电绝缘电容元件的两个电极。

半格型滤波器可以是相对带宽Δf大于等于13％且小于等于24％的带通滤波器。

带通滤波器的相对带宽被定义为带宽除以通带的中心频率。

电感耦合的电感元件可以建立在多层载体衬底中。

具体地，电感耦合的电感元件可能被建立为金属化结构，例如，多层载体衬底中的金属化导体路径。

载体衬底可以选自LTCC衬底(LTCC＝低温共烧陶瓷)、HTCC衬底(HTCC＝高温共烧陶瓷)、层压板、以及集成无源设备(IPD)衬底。

声学封装可以利用一个或多个芯片来建立。声学封装的一个或几个芯片可以布置在载体衬底上，其中嵌入了电感耦合的电感元件的导体图案。

耦合的电感元件之间的电感耦合可以通过将电感元件中的一个电感元件的一个或几个导体分段布置在另一对应电感元件附近来获得。具体地，两个电感元件可能包括一个或几个绕组，该一个或几个绕组直接布置在彼此之上或当垂直堆叠时具有水平重叠。

滤波器可以在对应滤波器部件中实现，该对应滤波器部件包括建立所示的滤波器拓扑结构的滤波器元件所必需的物理元件。

对应地，滤波器部件可以具有选自BAW谐振器、SAW谐振器、GBAW谐振器、TF-SAW谐振器和TC-SAW谐振器的电声谐振器。

上文所描述的所建议的拓扑结构提供了所建议的移相器显著贡献的优异电特性。移相器优选地在跨越通带的宽带宽的相关频率范围内提供接近180°的相移。

与电感器并联电性连接的电容元件有助于重新校准180°相移以获得最佳匹配条件。

优选实施例的中心方面和细节在示意性附图中示出。

附图说明

在附图中：

图1示出了带通滤波器的基本构造；

图2示出了移相器的基本构造；

图3示出了具有第二电声谐振器的可能性；

图4示出了建立阻抗元件作为电容元件的可能性；

图5示出了移相器中每个电感元件一个并联电容元件；

图6示出了单个电容元件在移相器的第一端子与第二端子之间的使用；

图7图示了使用单个电容元件来分流两个电感元件的可能性；

图8图示了移相器和带通滤波器的其他电路元件的可能组合；

图9图示了将移相器的电路元件与带通滤波器的其他电路元件电组合的另一途径；

图10示出了多层滤波器部件的横截面；

图11示出了不同移相器拓扑结构的相位延迟；

图12示出了不同移相器拓扑结构的插入损耗；

图13示出了所提出的滤波器(曲线1)与传统滤波器(曲线3)之间的比较；

图14示出了图13所示的参数的宽带视图；以及

图15示出了所提出的滤波器和传统滤波器的右裙边性能。

具体实施方式

图1示出了带通滤波器BPF的基本电路元件。带通滤波器BPF包括第一端口P1和第二端口P2。可能但不必的，第一端口P1是带通滤波器BPF的输入端口，同时第二端口P2是带通滤波器BPF的输出端口。RF信号的传播方向可以是从第一端口P1到第二端口P2或从第二端口P2到第一端口P1。

信号路径SP被布置在第一端口P1与第二端口P2之间。信号路径包括第一分段S1。第一分段S1被布置在第一节点N1与第二节点N2之间。进一步地，并联支路PB并联于第一节点N1与第二节点N2之间的第一分段S1。在第一分段S1中，第一电声谐振器EAR1电性连接在第一端口P1与第二端口P2之间。在并联支路PB中，阻抗元件IE和移相器PS的串联连接被电性连接。阻抗元件IE可以电性连接于第一节点N1与移相器PS之间，而移相器PS可以电性连接于阻抗元件IE与第二端口P2或第二节点N2之间。

图2图示了移相器PS的基本实施例。移相器PS具有第一端子T1和第二端子T2以及接地连接。第一端子T1可以为输入端子，而第二端子T2可以为输出端子，反之亦然。移相器PS包括第一电感元件INE1和第二电感元件INE2。第一电感元件建立如箭头所示的电感耦合的电感元件。第一电感元件INE1将第一端子T1电性连接到接地。第二电感元件INE2将第二端子T2电性连接到接地。

电感元件之间的耦合可以是直接耦合(k＝1)或反向耦合(k)-1。

通过第一端子T1，移相器PS可以电性连接到或耦合到图1所示的阻抗元件。通过第二端子T2，图2所示的移相器PS可以电性连接到图1所示的第二节点N2。

包括图1所示的拓扑结构和图2所示的移相器PS的实施例的配置提供了显著增加的带宽，同时维持了优异的其他滤波器特性。

图3图示了在带通滤波器BPF中使用第二电声谐振器EAR2作为阻抗元件IE的可能性。

图4图示了其中阻抗元件IE由电容元件CE实现的备选途径。

图3和图4所示的拓扑结构之间的区别在于，图3所示的阻抗元件IE在声学上激活，而图4所示的阻抗元件IE在声学上非激活。

然而，除了声学活动之外，两个阻抗元件的基本构造可以基本相似。

图5示出了提供移相器PS的另一可能性。除了电感耦合的电感元件INE1、INE2之外，第一电容元件CE1电性连接在第一端子与接地之间。第二电容元件CE2电性连接在第二端子T2与接地之间。

图6示出了移相器PS的可能性，其中除了第一耦合电感元件INE1和第二耦合电感元件INE2之外，第一电容元件CE1连接在第一端子T1与第二端子T2之间。

与电感元件并联电性连接的两个电容元件可以选择性地存在于图6所示的移相器中。

图7示出了经由特定专用节点N和经由第三电容元件CE3将耦合的电感元件INE1、INE2的对应端子分流到接地的可能性。

图6所示的电容元件和图5所示的两个电容元件可以可选地存在于图7的移相器PS中。

图8示出了移相器的电路元件与带通滤波器BPF的其他电路元件的可能组合。

另外，还可以存在阻抗匹配电路。

图8所示的带通滤波器BPF的拓扑结构包括位于第二节点与第二端口P2之间的附加第二电声谐振器EAR2。第一阻抗匹配电路IMC1被电性布置在第一端口P1与第一节点之间。第二阻抗匹配电路IMC2被电性配置在第二电声谐振器EAR2与第二端口P2之间。在并联支路中，阻抗元件IE被实现为第一电容元件CE1。附加第二电容元件CE2被布置在第一电容元件CE1与第二节点之间。另一第三电容元件CE3被电性连接在第二电容元件CE2与第二节点之间。因此，三个电容元件CE1、CE2和CE3在并联支路PB中建立串联连接。

第一耦合电感元件INE1的一个端子连接到第一电容元件CE1与第二电容元件CE2之间的节点。电感元件INE1的另一相应端子连接到接地。对应地，第二耦合电感元件INE2的第一端子电性连接到第二电容元件CE2与第三电容元件CE3之间的节点。电感元件的另一相应端子连接到接地。

两个电声谐振器EAR1、EAR2以及三个电容元件CE1、CE2、CE3在声学封装AP中实现。例如，第一阻抗匹配电路IMC1和第二阻抗匹配电路IMC2的其他电路相应元件和电感元件建立在声学封装的外部，例如，在载体衬底的多层构造内。

第一阻抗匹配电路IMC1和第二阻抗匹配电路IMC2可以包括LC元件，该LC元件以Pi和Tee配置电配置，以匹配对应端口P1、P2处的带通滤波器BPF的外部电路环境。匹配阻抗可以为50欧、100欧、或200欧。

图9图示了并联支路PB经由第四电容元件CE4在第二节点处电性连接到接地的配置。第二电声谐振器EAR2电性连接在第二节点N2与第二端口P2之间。进一步地，第一阻抗匹配电路IMC1和第二阻抗匹配电路IMC2分别电性连接在第一端口P1与第一节点之间以及第二电声谐振器EAR2与第二端口P2之间。

虽然电感耦合电感元件在图8所示的拓扑结构中将并联支路PB电分流到接地，但是电感元件INE1、INE2在并联支路PB中串联电性连接，并且两个电感元件INE1、INE2之间的节点是电性连接到接地。

两个电声谐振器EAR1、EAR2和阻抗元件IE被实现为在声学封装AP中实现的第一电容元件CE1和第四电容元件CE4，而其他相应电路元件在声学封装AP外部(例如，在载体衬底的多层构造中)实现。

图10图示了可能的多层滤波器部件MLFC的横截面。多层滤波器部件包括具有多个层L的多层载体衬底。层L包括介电材料或由介电材料组成。被实现为层L之间的金属化图案的导电结构实现了诸如如电感元件IN和电容元件CE之类的阻抗元件之类的无源电路元件。声学封装AP被布置在多层载体衬底的顶侧处并且电性连接到衬底中的阻抗元件。连接可以经由凸块连接或经由引线键合连接进行。灵敏的MEMS结构(MEMS＝微机电系统)在气密密封环境HS中受到保护。

图11示出了三种不同移相器拓扑的比较。曲线1示出了三级高通移相器。曲线3示出了三级低通移相器。相比之下，曲线2示出了包括如上文所建议的两个耦合并联线圈的移相器。4.2GHz附近频率的相位误差(相位曲线的斜率)在曲线2中要小得多，即，在更宽的频率范围内实现了180°左右的相移。在该上下文中，应当指出，180°的相位差等于-180°的相位差。任意选取-180°和180°的垂直边界。因此，获得较宽的频率范围内的相对稳定的相位，例如，从3GHz到6GHz。

图12示出了图11的上下文中描述的移相器的对应插入损耗。曲线2表示具有两个耦合的电感元件的移相器的插入损耗。具有低插入损耗和约180°相移的宽频率范围被同时获得。

图13示出了图8所示的带通滤波器在没有耦合电感元件的情况下的通带性能(曲线1)以及根据图9的带有耦合电感元件的带通滤波器的对应通带性能(曲线3)。两个滤波器都满足带宽规范，下一段落中所提及的重点是可以同时实现通带带宽规范和高于通带的隔离水平两者。

图14图示了更宽频率范围内的图13所示的对应性能。

图15示出了没有电感线圈的耦合的图8所指示的拓扑结构的右裙边性能(曲线1)以及包括电感元件之间的耦合的图9所示的滤波器的右裙边性能(曲线3)，其示出了现在满足指定参数的高于通带的隔离水平显著提高。

上文所描述的带通滤波器在通带上方提供了明显更好的近距抑制，而其他重要的滤波器参数基本维持不变。

滤波器或滤波器部件不限于图中所示或上文所描述的具体细节。滤波器或滤波器部件可以包括其他电路元件，例如，用于阻抗匹配；以及其他结构元件，例如，用于在多层衬底中嵌入阻抗元件或保护灵敏MEMS结构(如谐振器)免受有害影响。

附图标记列表

AP：声学封装

BPF：带通滤波器

CE：电容元件

CE1、CE2、CE3、CE4：电容元件

EAR1、EAR2：第一电声谐振器、第二电声谐振器

HS：气密密封

IE：阻抗元件

IMC1、IMC2：第一阻抗匹配电路、第二阻抗匹配电路

IN：电感元件

INE1、INE2：第一电感耦合的电感元件、第二电感耦合的电感元件

L：层

MLFC：多层滤波器部件

N：节点

N1、N2：信号路径中的第一节点、第二节点

P1、P2：滤波器的第一端口、第二端口

PB：并行支路

PS：移相器

S1：信号路径的第一分段

SP：信号路径

T1、T2：移相器第一端子、第二端子

W：通过一个或多个层的导线连接

Claims (15)

1.半格型滤波器，包括：

-输入端口、输出端口、以及所述输入端口与所述输出端口之间的信号路径，

-所述信号路径中的第一分段，

-并联支路，与所述信号路径的所述第一分段并联电性连接；

-所述第一分段中的第一电声谐振器；

-所述并联支路中的阻抗元件；

-移相器，在所述并联支路中与所述阻抗元件串联电性连接，

其中

-所述移相器包括两个电感耦合的电感元件。

2.根据前述权利要求所述的滤波器，其中所述阻抗元件选自电容元件和电声谐振器。

3.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，其中所述两个电感耦合的电感元件中的每个电感元件具有耦合到接地的一个连接。

4.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，其中所述移相器包括第一电容元件，所述第一电容元件电性连接到所述移相器的第一端子和/或第二端子。

5.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，其中所述移相器包括第二电容元件，所述第二电容元件电性连接到所述移相器的第二端子。

6.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，其中所述移相器包括第三电容元件，所述第三电容元件将所述电感耦合的电感元件电性连接到接地。

7.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，还包括第二电声谐振器，所述第二电声谐振器在所述信号路径中电性连接在所述第一电声谐振器与所述第二端口之间。

8.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，还包括：

-第二电容元件，在所述并联支路中电性连接在所述第一电容元件与所述第二端口之间，以及

-第三电容元件，在所述并联支路中电性连接在所述第二电容元件与所述第二端口之间。

9.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，还包括第四电容元件，所述第四电容元件电性连接在所述并联支路与接地之间。

10.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，还包括：

-第一阻抗匹配电路，在所述信号路径中电性连接在所述第一端口与所述第一电声谐振器之间；和/或

-第二阻抗匹配电路，在所述信号路径中电性连接在所述第一电声谐振器与所述第二端口之间。

11.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，其中所述电容元件在声学封装中与所述电声谐振器组合。

12.根据前述权利要求中一项所述的滤波器，所述滤波器是具有13％<＝Δf<＝24％的相对带宽Δf的带通滤波器。

13.一种滤波器部件，包括根据前述权利要求中一项所述的滤波器，其中所述电感耦合的电感元件建立在多层载体衬底中。

14.根据前述权利要求所述的部件，其中所述载体衬底选自LTCC衬底、HTCC衬底、层压板、用于集成无源设备的衬底。

15.根据前述权利要求的部件，其中所述电声谐振器选自BAW谐振器、SAW谐振器、GBAW谐振器、TF-SAW谐振器、TC-SAW谐振器。

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