CN115459726A - 一种超宽带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带滤波器，包括：由三级声学机械波谐振器组成的滤波器，所述滤波器具有第一端口和第二端口；LC滤波器，包括高通滤波器和/或低通滤波器，所述高通滤波器和/或低通滤波器具有第三端口和第四端口；其中，所述第三端口和第四端口并联在所述第一端口和第二端口上。本发明保留了FBAR谐振器抑制陡降优势的同时，在靠近低频段抑制也通过滤波器将抑制压深，且并未形成原有的反翘，最终使集成的器件拥有原声学机械波器件的高矩形系数的同时，也突破了原来窄带的劣势。
Description
技术领域
本发明涉及射频无源滤波器技术领域，尤其涉及一种超宽带滤波器。
背景技术
LC滤波器是指利用电感电容组合设计，完成相应频段滤波作用的器件。滤波器根据功能不同，可分为低通\高通\带通\带阻滤波器。对于滤波器的重要指标为插损和抑制，插损越低越好，抑制越高越好。也就是矩形系数越好，则性能越好。考虑到工艺、性能、及成本限制等，一般实现LC滤波器的常用方式为通过PCB板焊接电感电容器件构成LC滤波器，也可以在LTCC(低温共烧陶瓷技术)工艺中实现，还可以在IPD(集成无源器件)工艺中实现，本专利的实现不拘于其中任何一种具体形式的实现方式，可根据需求灵活选取工艺。LC滤波器构成灵活，且带宽可以很宽，但Q值较声学机械波器件明显降低，所以整体插损和矩形系数较差。
声学机械波器件主要包括声表面波(SAW)器件与薄膜体声波(FBAR)器件。通过输入端电极施加交变电压使压电材料产生逆压电效应将电能转换为声能，在特定频率激励起声波传输到输出端，再利用压电效应将声能重新转换成电能输出。声学机械波器件拥有极高的Q值(品质因素)，使得滤波器可以拥有低插损、高矩形系数的性能。但受限于工艺特性，器件相对带宽较窄。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超宽带滤波器。
一种超宽带滤波器，包括：
由三级声学机械波谐振器组成的滤波器，所述滤波器具有第一端口和第二端口；
LC滤波器，包括高通滤波器和/或低通滤波器，所述高通滤波器和/或低通滤波器具有第三端口和第四端口；
其中，所述第三端口和第四端口并联在所述第一端口和第二端口上。
在其中一个实施例中，所述滤波器包括结构相同的第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元，所述第一级谐振器位于所述第一端口和第二端口之间，所述第二级谐振器的一端连接在所述第一端口和所述第一级谐振器之间，所述第三谐振单元的一端连接在所述第二端口和所述第一级谐振器之间。
在其中一个实施例中，所述滤波器包括结构相同的第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元，所述第一谐振单元、第二谐振单元相互串联后连接在所述第一端口和第二端口之间，所述第三谐振单元的一端连接在所述第一谐振单元和第二谐振单元之间，所述第三谐振单元的另一端接地。
在其中一个实施例中，所述高通滤波器包括第一至第二电容、第一至第三电感，所述第一电容和第二电容相互串联连接在所述第三端口和第四端口之间，所述第一电感的一端连接在所述第三端口和第一电容之间，所述第二电感的一端连接在所述第一电容和第二电容之间，所述第三电感的一端连接在所述第二电容和第四端口之间。
在其中一个实施例中，所述第一电感和第三电感上串联有均第六电容，且所述第一电感和第三电感的另一端接地。
在其中一个实施例中，所述三级FBAR谐振器和高通滤波器的数量为多个，多个所述三级FBAR谐振器相互串联，多个所述高通滤波器相互串联。
在其中一个实施例中，所述低通滤波器包括第十一至第十三电容、第十一至第十三电感，所述第十一至第十三电感相互串联后连接在所述第三端口和第四端口之间，所述第十一电容的一端接地，其另一端连接在所述第十一电感和第十二电感之间，所述第十三电容的一端接地，其另一端连接在所述第十二电感和第十三电感之间，所述第十二电容并联在所述第十二电感上。
上述超宽带滤波器，通过将三级FBAR谐振器和滤波器通过并联方式组合，通过参数优化可得到一个通带从5.15GHz开始到大于8GHz的超宽带滤波器，其保留了FBAR谐振器抑制陡降优势的同时，在靠近低频段抑制也通过滤波器将抑制压深，且并未形成原有的反翘，最终使集成的器件拥有原声学机械波器件的高矩形系数的同时，也突破了原来窄带的劣势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的三级FBAR谐振器的结构示意图；
图2是本发明的一级FBAR谐振器的MBVD等效模型示意图；
图3是本发明三级FBAR谐振器构成滤波器的S参数波形示意图；
图4是本发明的LC高通滤波器的结构示意图；
图5是本发明的LC高通滤波器的S参数波形图；
图6是本发明的第一种高通滤波器的结构示意图；
图7是本发明的第一种高通滤波器的S参数波形图；
图8是本发明的第一种高通滤波器的等效原理图；
图9是本发明的第一种高通滤波器的第一效果图；
图10是本发明的第一种高通滤波器的第二效果图；
图11是本发明的第二种高通滤波器的结构示意图；
图12是本发明的第二种高通滤波器的S参数波形图；
图13是本发明的第三种高通滤波器的结构示意图；
图14是本发明的第三种高通滤波器的S参数波形图；
图15是本发明的低通滤波器的结构示意图；
图16是本发明的低通滤波器的S参数波形图；
图17是本发明的带通滤波器的结构示意图；
图18是本发明的带通滤波器的S参数波形图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1-18所示，本发明一实施例提供一种超宽带滤波器，包括：
由三级声学机械波谐振器组成的滤波器1，所述滤波器1具有第一端口11和第二端口12；
LC滤波器2，包括高通滤波器和/或低通滤波器，所述高通滤波器和/或低通滤波器具有第三端口21和第四端口22；
其中，所述第三端口21和第四端口22并联在所述第一端口11和第二端口12上。
上述超宽带滤波器，通过将滤波器1和滤波器2通过并联方式组合，通过参数优化可得到一个通带从5.15GHz开始到大于8GHz的超宽带滤波器，其保留了FBAR谐振器抑制陡降优势的同时，在靠近低频段抑制也通过滤波器将抑制压深，且并未形成原有的反翘，最终使集成的器件拥有原声学机械波器件的高矩形系数的同时，也突破了原来窄带的劣势。
在本发明一实施例中，所述滤波器1包括结构相同的第一谐振单元13、第二谐振单元14和第三谐振单元15，所述第一级谐振器13位于所述第一端口11和第二端口12之间，所述第二级谐振器14的一端连接在所述第一端口11和所述第一级谐振器13之间，所述第三谐振单元15的一端连接在所述第二端口12和所述第一级谐振器13之间。
在本发明一实施例中，所述第一谐振单元13、第二谐振单元14或第三谐振单元15包括：第四电容131、第五电容132和第四电感133，所述第四电容131和第四电感133相互串联后与所述第五电容132并联在所述第一端口11和第二端口12之间。
本实施例中，第一谐振单元13、第二谐振单元14和第三谐振单元15在电学性能上可等效为MBVD(Modified BVD)模型，两端口谐振器的导纳参数对比如下，几乎完全拟合上。其中，电感电容为无耗的理想模型。可进一步拟合用带Q值的电感电容替换MBVD模型，下文所出现的电感电容都是根据其自身工艺带上合理Q值之后的模型。
在本发明一实施例中，所述第一谐振单元13、第二谐振单元14或第三谐振单元15还包括电极损耗134、机械损耗135和介质损耗136。本实施例中，电极损耗134、机械损耗135和介质损耗136只影响滤波器的损耗，对波形并无影响。
在本发明一实施例中，所述高通滤波器包括第一至第二电容(23、24)、第一至第三电感(25-27)，所述第一电容23和第二电容24相互串联连接在所述第三端口21和第四端口22之间，所述第一电感25的一端连接在所述第三端口21和第一电容23之间，所述第二电感26的一端连接在所述第一电容23和第二电容24之间，所述第三电感27的一端连接在所述第二电容24和第四端口22之间。本实施例中，高通滤波器的特点如上所介绍，抑制下降慢，矩形系数差，但是通带宽。
需要说明的是，本发明将滤波器1与高通滤波器通过并联方式组合，通过参数优化可得到一个通带从5.15GHz开始到大于8GHz的超宽带滤波器。保留了FABR抑制陡降的优势的同时，在靠近低频段抑制也通过LC滤波器将抑制压深，且并未形成原有的反翘。
具体地，根据MBVD模型，可等效为图8所示的原理图(电阻只影响损耗，并不会影响整体性能)。可将原理图拆分为三部分串联，此原理图中第一与第三级功能类似。
参阅图9所示，第一/三级并联电感前后对应效果如下，实线为原并联下地的一级Fabr器件，虚线为并联电感后的效果。低频处从原来的基本没有抑制，变为越靠近低频抑制越高。高频处并联电感引入了新的极点，起到调节阻抗作用。Fbar本身的抑制点频率未变。
参阅图10所示，第二级并联电感电容前后对应效果如下，实线为原串联的一级Fbar器件，虚线为并联电感电容后的效果。原串联Fbar谐振器抑制点在通带右边且只有一个，变为现在左边两个抑制点。其中一个主要为串联电路的LC高阻抗形成的抑制点，另一个主要为并联下地电路的LC低阻抗形成的抑制点。
参阅图7所示，将三级电路串联得到的效果，其中第一级与第三级抑制点重合，所以原理图中出现了三个抑制点的效果。
参阅图11-12所示，在本发明一实施例中，所述第一电感25和第三电感27上串联有均第六电容28，且所述第一电感25和第三电感27的另一端接地。
本实施例中，在高通滤波器的头尾两个下地端串联第六电容28，与原来并联的电感形成新的谐振，可获得两个可调的抑制点，在原有波形的基础上可获得重要频段如B1+B3频段(1.71GHz附近)，B41频段(2.69GHz附近)更深的抑制。此时，2GHz左右的抑制深度已经达到-55dB左右。
参阅图13-14所示，在本发明一实施例中，所述滤波器1和高通滤波器的数量为多个，多个所述滤波器1相互串联，多个所述高通滤波器相互串联。如此，进行简单串联可获得更深抑制的波形。此时，5G的抑制可到-36dB，比之前的抑制更深，往低频处也是如此，抑制更深。
在本发明另一实施例中，可以将上述集成声学机械波器件和LC高通滤波器的原理引用到低通滤波器中。
参阅图15-16所示，所述滤波器1包括结构相同的第一谐振单元13、第二谐振单元14和第三谐振单元15，所述第一谐振单元13、第二谐振单元14相互串联后连接在所述第一端口11和第二端口12之间，所述第三谐振单元15的一端连接在所述第一谐振单元13和第二谐振单元14之间，所述第三级谐振15器的另一端接地。
在本发明一实施例中，所述低通滤波器包括第十一至第十三电容(203-205)、第十一至第十三电感(206-208)，所述第十一至第十三电感(206-208)相互串联后连接在所述第三端口21和第四端口22之间，所述第十一电容203的一端接地，其另一端连接在所述第十一电感206和第十二电感207之间，所述第十三电容205的一端接地，其另一端连接在所述第十二电感207和第十三电感208之间，所述第十二电容204并联在所述第十二电感207上。
参阅图17-18所示，在本发明一实施例中，所述第三谐振单元15的另一端与地之间还串联有第五电感209。本实施例中，有低通滤波器和高通滤波器原型之后，还可以继续优化原理图组合成带通带阻滤波器双功器等无源器件，可拓展性很高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种超宽带滤波器，其特征在于，包括：
由三级声学机械波谐振器组成的滤波器，所述滤波器具有第一端口和第二端口；
LC滤波器，包括高通滤波器和/或低通滤波器，所述高通滤波器和/或低通滤波器具有第三端口和第四端口；
其中，所述第三端口和第四端口并联在所述第一端口和第二端口上。
2.如权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述滤波器包括结构相同的第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元，所述第一级谐振器位于所述第一端口和第二端口之间，所述第二级谐振器的一端连接在所述第一端口和所述第一级谐振器之间，所述第三谐振单元的一端连接在所述第二端口和所述第一级谐振器之间。
3.如权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述滤波器包括结构相同的第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元，所述第一谐振单元、第二谐振单元相互串联后连接在所述第一端口和第二端口之间，所述第三谐振单元的一端连接在所述第一谐振单元和第二谐振单元之间，所述第三谐振单元的另一端接地。
4.如权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述高通滤波器包括第一至第二电容、第一至第三电感，所述第一电容和第二电容相互串联连接在所述第三端口和第四端口之间，所述第一电感的一端连接在所述第三端口和第一电容之间，所述第二电感的一端连接在所述第一电容和第二电容之间，所述第三电感的一端连接在所述第二电容和第四端口之间。
5.如权利要求4所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述第一电感和第三电感上串联有均第六电容，且所述第一电感和第三电感的另一端接地。
6.如权利要求5所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述三级FBAR谐振器和高通滤波器的数量为多个，多个所述三级FBAR谐振器相互串联，多个所述高通滤波器相互串联。
7.如权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述低通滤波器包括第十一至第十三电容、第十一至第十三电感，所述第十一至第十三电感相互串联后连接在所述第三端口和第四端口之间，所述第十一电容的一端接地，其另一端连接在所述第十一电感和第十二电感之间，所述第十三电容的一端接地，其另一端连接在所述第十二电感和第十三电感之间，所述第十二电容并联在所述第十二电感上。
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