CN116527009B - 电学器件与声学器件混合的滤波器及射频前端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电学器件与声学器件混合的滤波器及射频前端，所述滤波器包括第一混合模块、电学模块和第二混合模块，第一混合模块的输入端为滤波器的输入端，第一混合模块的输出端与电学模块的输入端连接，电学模块的输出端与第二混合模块的输入端连接，第二混合模块的输出端为滤波器的输出端；电学模块用于实现所需的通带范围，第一混合模块和第二混合模块均用于在通带外形成一个或多个靠近通带的传输零点，以增强选择性和滚降。本发明将电学器件和声学器件进行电路协同设计，可以综合电学器件的宽带优势和声学器件的高选择性优势，在较宽的通带外引入靠近通带的传输零点，同时实现宽带、高选择性和低插入损耗的滤波效果。

Description

电学器件与声学器件混合的滤波器及射频前端
技术领域
本发明涉及一种滤波器，尤其是一种电学器件与声学器件混合的滤波器及射频前端，属于射频前端技术领域。
背景技术
对高数据速率和低延迟的需求正在推动5G的发展，使得射频前端面临新的更高频段和更大带宽的设计需求，也对设计滤波器以满足性能、尺寸和成本方面的多样化要求提出了巨大的挑战。一方面，采用LTCC、IPD和贴片电容电感等的纯电学滤波器适用于宽带应用，但难以实现高选择性；另一方面，SAW和BAW等声学滤波器是高选择性滤波的主要技术，但由于滤波器的机电耦合系数有限，很难实现宽带。因此，需要在保证小尺寸的情况下，设计出同时满足宽带、高选择性、低插入损耗等高性能的滤波器。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点与不足，提供了一种电学器件与声学器件混合的滤波器，该滤波器结合电学滤波器和声学滤波器的优点，在保证尺寸够小的情况下，具有低插入损耗、高带外抑制和高选择性的特点，从而来应对5G时代的发展。
本发明的另一目的在于提供一种射频前端。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种电学器件与声学器件混合的滤波器，包括第一混合模块、电学模块和第二混合模块，所述第一混合模块的输入端为滤波器的输入端，第一混合模块的输出端与电学模块的输入端连接，所述电学模块的输出端与第二混合模块的输入端连接，所述第二混合模块的输出端为滤波器的输出端；
所述电学模块用于实现所需的通带范围，所述第一混合模块和第二混合模块均用于在通带外形成一个或多个靠近通带的传输零点，以增强选择性和滚降。
进一步的，所述电学模块包括一条串联电路和若干条并联电路；
所述串联电路的一端与第一混合模块的输出端连接，串联电路的另一端与第二混合模块的输入端连接；
所述并联电路的一端为串联电路中的某一节点，并联电路另一端为地。
进一步的，所述电学模块包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第二电感、第三电感、第四电感和第五电感；
所述第一电容、第二电感、第五电感和第六电容依次串联连接，所述第二电容的一端并联在第一电容和第二电感之间，第二电容的另一端接地，所述第三电感的一端并联在第二电感和第五电感之间，第三电感的另一端与第三电容的一端串联连接，所述第三电容的另一端接地，所述第四电感的一端并联在第二电感和第五电感之间，第四电感的另一端与第四电容的一端串联连接，所述第四电容的另一端接地。
进一步的，所述第一混合模块包括至少一个谐振器单元，所述谐振器单元为串联主路和/或并联支路的形式，所述串联主路由单个声学谐振器和单个电感串联构成，所述并联支路由单个声学谐振器和单个电感并联构成。
进一步的，所述声学谐振器为薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器采用空气腔结构、体硅刻蚀型或者固态装配型结构。
进一步的，所述第一混合模块包括一个谐振器单元，所述谐振器单元并联在支路中，谐振器单元包括第一声学谐振器和第一电感，所述第一声学谐振器和第一电感并联，谐振器单元的一端同时作为第一混合模块的输入端和输出端，谐振器单元的另一端接地。
进一步的，所述第二混合模块包括至少一个谐振器单元，所述谐振器单元为串联主路和/或并联支路的形式，所述串联主路由单个声学谐振器和单个电感串联构成，所述并联支路由单个声学谐振器和单个电感并联构成。
进一步的，所述声学谐振器为薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器采用空气腔结构、体硅刻蚀型或者固态装配型结构。
进一步的，所述第二混合模块包括第一谐振器单元和第二谐振器单元；
所述第一谐振器单元并联在支路中，第一谐振器单元包括第二声学谐振器和第六电感，所述第二声学谐振器和第六电感并联，第一谐振器单元的一端与电学模块的输出端连接，第一谐振器单元的另一端接地；
所述第二谐振器单元串联在主路中，第二谐振器单元包括第三声学谐振器和第七电感，所述第三声学谐振器和第七电感串联，第二谐振器单元的一端与电学模块的输出端连接，第二谐振器单元的另一端为第二混合模块的输出端。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种射频前端，包括上述的滤波器。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明在原有的滤波基础上，通过采取声学器件和电学器件结合的拓扑方式，可以综合电学器件的宽带优势和声学器件的高选择性优势，在较宽的通带外引入靠近通带的传输零点，同时实现宽带、高选择性和低插入损耗的滤波器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器结构框图。
图2为本发明实施例的电学模块的电路示意图。
图3为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器电路示意图。
图4为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器S参数电磁仿真曲线图。
图5为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器通带S参数曲线细节图。
图6为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器在1GHz-3GHz频段部分的S参数曲线细节图。
图7为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器在4.4GHz-5.95GHz频段部分的S参数曲线细节图。
图8为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器在通带二次谐波频段的S参数曲线细节图。
图9为本发明实施例的电学器件与声学器件混合的滤波器在通带三次谐波频段的S参数曲线细节图。
其中，10-第一混合模块，20-电学模块，30-第二混合模块，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，C4-第四电容，C5-第五电容，C6-第六电容，L1-第一电感，L2-第二电感，L3-第三电感，L4-第四电感，L5-第五电感，L6-第六电感，L7-第七电感，R1-第一声学谐振器，R2-第二声学谐振器，R3-第三声学谐振器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种电学器件与声学器件混合的滤波器，该滤波器能够应用于射频前端芯片中，提供良好的滤波效果，其包括第一混合模块10、电学模块20和第二混合模块30，第一混合模块10的输入端为滤波器的输入端，第一混合模块10的输出端与电学模块的输入端连接，电学模块20的输出端与第二混合模块30的输入端连接，第二混合模块30的输出端为滤波器的输出端。
电学模块20用于实现所需的较宽的通带范围，其包括一条串联电路和若干条并联电路，串联电路的一端与第一混合模块的输出端连接，串联电路的另一端与第二混合模块的输入端连接，并联电路的一端为串联电路中的某一节点，并联电路另一端为地。
如图1~图3所示，本实施例的电学模块20包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4和第五电感L5，第一电容C1、第二电感L2、第五电感L5和第六电容C6依次串联连接，形成串联电路，具体地，第一电容C1的一端为电学模块20的输入端，第一电容C1的另一端与第二电感L2的一端串联连接，第二电感L2的另一端与第五电感L5的一端串联连接，第五电感L5的另一端与第六电容C6的一端串联连接，第六电容C6的另一端为电学模块20的输出端；第二电容C2的一端并联在第一电容C1和第二电感L2之间，第二电容C2的另一端接地，第三电感L3的一端并联在第二电感L2和第五电感L5之间，第三电感L3的另一端与第三电容C3的一端串联连接，第三电容C3的另一端接地，第四电感L4的一端并联在第二电感C2和第五电感L5之间，第四电感L4的另一端与第四电容C4的一端串联连接，第四电容C4的另一端接地，共同形成并联电路。
本实施例中，第一电容C1用于滤除低频信号，并与第二电感L2形成串联谐振，形成一个传输极点；第二电容C2用于滤除高频信号，并与第三电容C3、第三电感L3所在支路共同形成并联谐振，形成一个传输极点；且第二电容C2与第四电容C4、第四电感L4所在支路共同形成并联谐振，形成一个传输极点。
进一步地，第三电容C3与第三电感L3形成串联谐振，在低频阻带引入一个传输零点；第四电容C4与第四电感L4形成串联谐振，在高频阻带引入一个传输零点；第五电感L5、第五电容C5和第六电容C6与第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2镜像出现，调整匹配，形成通带内的三个传输极点，实现良好的带内回波效果。
本领域技术人员可以理解，电学模块20不局限于上述的连接形式，还可通过电容和电感其他的连接形式构成。
第一混合模块10用于在通带形成一个或多个靠近通带的传输零点，具体在阻带低频段形成一个或多个靠近通带的传输零点，以增强选择性和滚降。
如图1~图3所示，本实施例的第一混合模块10包括一个谐振器单元，谐振器单元并联在支路中，谐振器单元包括第一声学谐振器R1和第一电感L1，第一声学谐振器R1和第一电感L1并联，谐振器单元的一端同时作为第一混合模块10的输入端和输出端，谐振器单元的另一端接地。
第二混合模块30用于在通带形成一个或多个靠近通带的传输零点，具体在阻带高频段形成一个或多个靠近通带的传输零点，以增强选择性和滚降。
如图1~图3所示，第二混合模块30包括第一谐振器单元和第二谐振器单元；第一谐振器单元并联在支路中，第一谐振器单元包括第二声学谐振器R2和第六电感L6，第二声学谐振器R2和第六电感L6并联，第一谐振器单元的一端与电学模块20的输出端连接，第一谐振器单元的另一端接地；第二谐振器单元串联在主路中，第二谐振器单元包括第三声学谐振器R3和第七电感L7，第三声学谐振器R3和第七电感L7串联，第二谐振器单元的一端与电学模块20的输出端连接，第二谐振器单元的另一端为第二混合模块30的输出端。
本实施例的混合模块中声学谐振器和电感，两者串联或并联的连接形式，目的是增大谐振器的带宽，实现更好的滤波效果，声学谐振器为薄膜体声波谐振器（FBAR），如声表面波（SAW）谐振器或体声波（BAW）谐振器，薄膜体声波谐振器采用空气腔结构、体硅刻蚀型或者固态装配型结构。
如图4所示，为本实施例提供的电学器件与声学器件混合的滤波器S参数电磁仿真曲线图；仿真结果显示，滤波器通带范围为3.3GHz-4.2GHz，带内回波损耗整体优于-15dB，适用于第五代移动通信网络N77频段，通带两边的阻带内均各有两处传输零点，其中低阻带传输零点位于2.866GHz和3.1GHz，高阻带传输零点位于4.45GHz、 4.649GHz；可以观察到，低阻带和高阻带的传输零点与通带相靠很近，极大的增强了滤波器的选择性。
如图5所示，为本实施例滤波器的通带S参数曲线细节图，在3.3GHz-4.2GHz的频带范围内，滤波器的插入损耗浮动范围为1.414dB-2.226dB。
如图6所示，为本实施例滤波器在1GHz-3GHz频段部分的S参数曲线细节图，仿真结果显示，在1GHz-3GHz频段的抑制保持在-26dB以下，保证了滤波芯片与2-4G蜂窝网、WiFi-2.4G以及GNSS信号的良好隔离。
如图7所示，为本实施例滤波器在4.4GHz-5.95GHz频段部分的S参数曲线细节图，仿真结果显示，在4.4GHz-5GHz频段内的抑制保持在-15dB以下，在5.15GHz-5.95GHz频段内的抑制保持在-25dB以下，保证了滤波器芯片与N79频段以及WiFi-5G信号的较好隔离。
如图8和图9所示，为本申请实施例滤波器在通带二次谐波和三次谐波频段的S参数曲线细节图，仿真结果显示，在二次谐波频率范围内，滤波器衰减保持在-30dB以下， 在三次谐波范围内，滤波器衰减保持在-46dB以下。
综上所述，本发明将电学器件和声学器件进行电路协同设计，可以综合电学器件的宽带优势和声学器件的高选择性优势，在较宽的通带中引入靠近通带的传输零点，同时实现宽带、高选择性和低插入损耗的滤波效果。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种电学器件与声学器件混合的滤波器，其特征在于，包括第一混合模块、电学模块和第二混合模块，所述第一混合模块的输入端为滤波器的输入端，第一混合模块的输出端与电学模块的输入端连接，所述电学模块的输出端与第二混合模块的输入端连接，所述第二混合模块的输出端为滤波器的输出端；
所述电学模块用于实现所需的通带范围，所述第一混合模块和第二混合模块均具有声学谐振器和电感，用于在通带外形成一个或多个靠近通带的传输零点，以增强选择性和滚降；
所述电学模块包括一条串联电路和若干条并联电路；所述串联电路的一端与第一混合模块的输出端连接，串联电路的另一端与第二混合模块的输入端连接；所述并联电路的一端为串联电路中的某一节点，并联电路另一端为地；
所述电学模块包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第二电感、第三电感、第四电感和第五电感；第一电容用于滤除低频信号，并与第二电感形成串联谐振，形成一个传输极点；第二电容用于滤除高频信号，并与第三电容、第三电感所在支路共同形成并联谐振，形成一个传输极点；第二电容与第四电容、第四电感所在支路共同形成并联谐振，形成一个传输极点；第三电容与第三电感形成串联谐振，在低频阻带引入一个传输零点；第四电容与第四电感形成串联谐振，在高频阻带引入一个传输零点；第五电感、第五电容和第六电容与第二电感、第一电容和第二电容镜像出现，调整匹配，形成通带内的三个传输极点。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第一电容、第二电感、第五电感和第六电容依次串联连接，所述第二电容的一端并联在第一电容和第二电感之间，第二电容的另一端接地，所述第三电感的一端并联在第二电感和第五电感之间，第三电感的另一端与第三电容的一端串联连接，所述第三电容的另一端接地，所述第四电感的一端并联在第二电感和第五电感之间，第四电感的另一端与第四电容的一端串联连接，所述第四电容的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第一混合模块包括至少一个谐振器单元，所述谐振器单元为串联主路和/或并联支路的形式，所述串联主路由单个声学谐振器和单个电感串联构成，所述并联支路由单个声学谐振器和单个电感并联构成。
4.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，所述声学谐振器为薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器采用空气腔结构、体硅刻蚀型或者固态装配型结构。
5.根据权利要求3-4任一项所述的滤波器，其特征在于，所述第一混合模块包括一个谐振器单元，所述谐振器单元并联在支路中，谐振器单元包括第一声学谐振器和第一电感，所述第一声学谐振器和第一电感并联，谐振器单元的一端同时作为第一混合模块的输入端和输出端，谐振器单元的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第二混合模块包括至少一个谐振器单元，所述谐振器单元为串联主路和/或并联支路的形式，所述串联主路由单个声学谐振器和单个电感串联构成，所述并联支路由单个声学谐振器和单个电感并联构成。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于，所述声学谐振器为薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器采用空气腔结构、体硅刻蚀型或者固态装配型结构。
8.根据权利要求6-7任一项所述的滤波器，其特征在于，所述第二混合模块包括第一谐振器单元和第二谐振器单元；
所述第一谐振器单元并联在支路中，第一谐振器单元包括第二声学谐振器和第六电感，所述第二声学谐振器和第六电感并联，第一谐振器单元的一端与电学模块的输出端连接，第一谐振器单元的另一端接地；
所述第二谐振器单元串联在主路中，第二谐振器单元包括第三声学谐振器和第七电感，所述第三声学谐振器和第七电感串联，第二谐振器单元的一端与电学模块的输出端连接，第二谐振器单元的另一端为第二混合模块的输出端。
9.一种射频前端，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的滤波器。
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