CN1205746C - 具有改进对称性和增大反向衰减的双模表面波滤波器 - Google Patents

具有改进对称性和增大反向衰减的双模表面波滤波器 Download PDF

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Abstract

建议一种具有位于反射器结构之间且作为信号输入端和输出端的第一和第二叉指式换能器的DMS滤波器，其中至少一个声迹具有一个与传播方向的垂直线对称地被分成子换能器的中间换能器。DMS滤波器以对称的方式与具有连接片或连接头的机壳连接，以致给出了轴对称的连接线分布。

Description

具有改进对称性和增大反向衰减的双模表面波滤波器
技术领域
本发明涉及优选地有最高选择性的高频表面波滤波器，型式为双模表面波滤波器(DMS-OFW滤波器或也称DMS滤波器)。
背景技术
对此，所述的表面波滤波器通常也叫纵向波模谐振滤波器。这种DMS滤波器做带通滤波器用，优选用在无绳或蜂窝电话上。如果拿蜂窝电话作为例子，则DMS滤波器置于高频接收机部分或发射部分。例如，在接收机部分譬如DMS滤波器位于第一无噪声前置放大器(LNA)和连接的混频器之间，这样只有滤波过的信号变频到中频。
例如，DMS滤波器作为单声迹滤波器是已知的。为有较高的选择性也可建立和使用如下的滤波器，其中在基片上设有将2个这样的滤波器声迹合并串联成一个滤波器。例如，这种DMS滤波器可由EP-0836278A文献中知悉。图13给出了由2个彼此连接的单声迹DMS滤波器组成的已知的串联的双声迹滤波器。
涉及到各自的表面波声迹，这个实施方案各自在末端位置有谐振器/反射器结构，并且在这个结构之间均至少有一个叉指式换能器用于信号输入和输出。
图13给出了一个已知的串联的滤波器，该滤波器包括彼此连接的2个声迹或2个单声迹滤波器1300、1390。例如，在这个串联的滤波器上，设置换能器1310作为滤波器的选择性的非对称/对称输入端。在这个图中所表示的作为输出端使用的换能器1360的连接端是对称的(输出对称和输出对称)输出端。在此，如从图中所看到的，其它的换能器1321、1322、1371、1372是耦合换能器，用该换能器两个声迹1300和1390彼此进行电耦合。
如图13所给出的，这种输入换能器可对称或非对称地，或者用两端对称的信号输入(输入对称和输入对称)或者用一端接机壳(输入/接地)非对称地输入进行工作。应当指出，在这种滤波器中输入端和输出端可互换或也可互换地使用。
实际应用是，相对于垂直于表面波的传播方向x的中心面M，图13的换能器1310和1360始终镜像对称地执行工作，并且与此相对应的有奇数个交错连接的叉指。例如，在图中这个数均为换能器1310和1360的设置的5个叉指。
优选采用这种装置用于非阻抗变换的滤波器。在这种情况下，输入阻抗等于输出阻抗，Z输入＝Z输出。最常见的是使用阻抗Z输入＝Z输出＝50欧姆。
在先前作为例子提到的应用领域也采用具有较高阻抗(譬如200欧姆)的差分混频器。若前置放大器(LNA)输出端仍为50欧姆，则阻抗变换的滤波器提供了在匹配上采用很小数量元件的最佳方案。
如已知的，这种阻抗变换可按2种类型产生。
A)从G.Endoh、M.Ueda、O.Kawachi和Y.Fujiwara刊登在1997年10月IEEE Ultrasonics Symposium(IEEE超声波研讨会)杂志上的文章“高性能对称型SAW滤波器”已知，通过与其它声迹的孔径比较而缩小具有输出端的声迹的孔径，对此得到的结果是一个较高的阻抗Z输出。这个方案的缺点是由于声迹的内部失配导致增大插入损耗(与相同的孔径比)。
B)为了在由4个单声迹组成的DMS滤波器中，例如达到1∶4的阻抗变换，在输入端2个声迹彼此并行地和在输出端2个声迹彼此串行地连接。缺点是太大太复杂，并且由此还要解决很费事的(多条焊丝)的需要很大芯片面积的排列设计。
对于作为置放在对称混频器前面的作为阻抗变换的非对称/对称高频滤波器的实际使用，保持在带通滤波器的滤波通带内所需的对称是关键性的。如果要求两个输出信号a1和a2的幅度对称，可定义Δampl.＝ampl.(a1)-ampl.(a2)不大于±1.0dB：
Δampl.≤±1.0dB
同样，两个输出信号a1和a2的相位性对称必须被定义为Δφ-180°在滤波通带内低于10°，其中Δφ＝φ(a1)-φ(a2)：
Δφ-180°≤±10°
对称滤波器的另一个特征是高度的阻带抑制。在理想的情况下，在滤波通带外的两个对称信号在相位上和数值上完全相等。每次偏离该理想情况都导致信号消除被降低。不需要的剩余信号导致一种结果，即滤波器具有较小的阻带抑制(＝滤波带通外的选择)。
发明内容
本发明的任务是提供一种滤波器，该滤波器作为非对称/对称或对称/对称滤波器而改进了工作滤波通带中的对称特性，且无须提高电路费用或扩大所需要的芯片面积。
根据本发明的DMS滤波器类型的SAW滤波器，
-具有一个在压电基片上构成的声迹，它具有奇数个第一叉指式换能器作为信号输入端或者信号输出端，并且具有偶数个第二叉指式换能器作为信号输出端或者信号输入端，且所述第一叉指式换能器总位于两个第二叉指式换能器之间，所述第一和第二叉指式换能器位于至少2个限制声迹的反射器结构之间，
-其中所述的声迹具有一个与传播方向的垂直线对称地被分成子换能器的中间换能器，
-该SAW滤波器以与所说的垂直线对称的方式与具有连接片或连接头的机壳连接，以致有一个轴对称的连接线分布。
根据本发明的另一种DMS滤波器类型的SAW滤波器，
-具有至少2个在压电基片上构成的声迹，该声迹均具有奇数个第一叉指式换能器作为信号输入或者信号输出，并且具有偶数个第二叉指式换能器作为耦合换能器，并且所述第一叉指式换能器总位于两个第二叉指式换能器之间，所述第一和第二叉指式换能器位于至少2个限制声迹的反射器结构之间，
-其中所述声迹中的至少一个声迹具有一个与传播方向的垂直线对称地被分成子换能器的中间换能器，
-该SAW滤波器以对称的方式与具有连接片或连接头的机壳连接，以致有一个轴对称的连接线分布。
据此，本发明以DMS滤波器为基础，该滤波器具有至少一个声迹，在一个压电基片上具有奇数个第一叉指式换能器和偶数个第二叉指式换能器，这些叉指式换能器与滤波器的输入端或输出端相连，或者在多个声迹的情况下作用为耦合换能器。在此第一叉指式换能器位于所述第二叉指式换能器之间。该第一和第二叉指式换能器设置在至少两个限制声迹的反射器结构之间。在至少一个声迹时，中间换能器与表面波传播方向的垂直线对称地被分成子换能器，这导致这个中间换能器有偶数个电极叉指。此外，这种滤波器以对称的方式与机壳上的连接片或连接头连接，并且更确切的说给出了一个轴对称的引线布局。
首先，中间换能器的划分，也即在声迹的中间设置的奇数个第一换能器，那种划分允许按轴对称地连接到机壳的、也可轴对称地设置的连接线上。
通过在几何形状方面提高对称性，也可在滤波通带中对阻抗变换的非对称/对称滤波器、阻抗变换的对称/对称滤波器、非阻抗变换的对称/对称滤波器等3种情况改进滤波器传输特性的对称性。
另一个可能在于在至少2个声迹中将中间换能器对称地分成子换能器。由此，当子换能器的叉指数量可能分别是偶数或奇数时，位于一个声迹中的分开的子换能器的叉指数量的和是偶数。在串联的按照本发明所述的多声迹滤波器中，两个外部的与输入端或输出端相连的声迹优选具有分开的中间换能器。在一个对称/对称工作的滤波器情况下，这就会导致传输特性的进一步改进。
进而，当通过块形连接(Bumpverbingdung)而连接到机壳上时具有对称的传输特性的优点。由此避免了通过寄生的电容和电感产生的非对称性，这可能是由通常为不同长度的焊丝所造成的，它们在导线焊接时实际上是不可避免的。因此优选地用倒装法技术将滤波器装入机壳。块形连接可被更规则地制造和基本上产生小的寄生电容和电感。
当未划分的中间换能器或其它的叉指式换能器也具有一个偶数电极叉指时，将是有利的。
在滤波器非对称/对称工作方式时，非对称门(输入端或输出端)具有一条唯一的通信号的连接线和一条属于此的接地线。对称门有2条通信号的连接线。因此，优选一个理想对称的机壳具有5条连接线(其中有3条通信号的连接线)，其中通信号的连接线的连接片位于非对称门的对称轴上，并且成对连接线用的连接片位于对称门上，接地用的连接片位置均与对称轴对称。2条接地连接线的优点是可以从芯片接地连接到机壳，并且也可向外对称地构成。
在均具有成对连接线的滤波器的对称/对称工作方式中，具有6条连接线的理想对称的机壳是有利的，其中分别与对称轴对称地设置2个用于接地、输入端和输出端的连接片。
优选将接地用的连接片设置在输入端和输出端连接片之间。这就使更好的电容隔离成为可能，并且这样避免了输入端和输出端的不需要的耦合(直接交叉耦合干扰)。
在实施本发明中，用于接地的连接片可综合成一个共用的、与对称轴对称的片。
为适应电路环境，滤波器可以与阻抗匹配并且特别是阻抗为可变换的。以本身已知的方式在本发明所述的滤波器上可采取这些措施。优选阻抗变换系数为1∶4。在两个声迹(参见改进方案A)中使用不同的孔径时，采用改进的阻抗变换系数也是可能的，此时上述的插入衰减却增大了。
附图说明
下面将根据实施例和属于此例的14个图详细说明本发明。这些图以部分简图和不按正确比例的图示给出了：
图1为按非对称/对称工作方式的根据本发明所述的阻抗变换的滤波器，
图2为具有变化的电极叉指数量的图1的变型，
图3为按照图2的滤波器的幅度对称的测量曲线，
图4为按照图2的滤波器的相位对称的测量曲线，
图5为按对称/对称工作方式的阻抗变换的滤波器，
图6为按非对称/对称工作方式的非阻抗变换的滤波器，
图7为按对称/对称工作方式的非阻抗变换的滤波器，
图9为按非对称/对称工作方式且有一个DMS声迹的根据本发明所述的滤波器，
图8为具有对称连接序列的机壳，
图10为按本发明所述的机壳中滤波器幅度对称的测量曲线，
图11为相位对称的相应的测量曲线，
图12为具有对称连接序列的机壳，并且
图13为一个已知的2声迹DMS滤波器，
图14为按照本发明所述的滤波器的通带曲线。
具体实施方式
图9根据DMS声迹990以一个作为输出用的分成2个子换能器911、912的第一中间换能器910，和2个作为输入用的第二换能器971、972给出了本发明的原理。换能器在声迹中两侧受反射器931、932的限制。对称轴M垂直于表面波的传播方向X并且对称地将第一叉指式换能器的中间换能器910划分。所图示的结构已经作为滤波器用，但却优选与至少一个其它的DMS声迹串联。在此，第一或第二声迹的输出端可与第二或第一声迹的输入端相连。通常输入端和输出端也可互换，滤波器也可在其它方向工作。与单个或多个输入端或输出端串联地接通其它单元象例如谐振器也是可能的。这种优选使用的多声迹DMS滤波器用下面的实施例说明。
例1：在通带范围内具有改进对称性的阻抗变换的非对称/对称滤波器(图1和2)。
在图1中表示了按照形状命名的V形划分的原理。输出换能器160被分成2个子换能器161和162。这两个子换能器彼此这样进行电连接，以致针对滤波器输出端的连接线而形成子换能器的串联连接。由此得出阻抗增到4倍，因为不仅换能器的平分而且串接均可导致阻抗增加2倍。连接线的位置使对称连接或装入到对称的机壳成为可能。对称轴(未画出)位于与表面波传播方向X垂直，并且对称地分开两个中间换能器110和160。
在与图1方案相比的图2所示变型方案中，在非对称的一边对中间换能器210使用偶数个叉指数量。在输出声迹中，耦合换能器271围绕着在其中进行波传播的轴x进行折叠。这就是说所有4个耦合换能器(221、222、271、272)都同样地利用最接近于中间换能器的第一叉指而对准中间换能器210或260。在所示的例子中如此选择实施方案，即这个第一叉指连接在声迹之间的耦合片240和241上。
在耦合换能器(221、222、271、272)上的叉指数量可以是偶数或奇数。按照所给出的布置，在声迹之间的耦合是推挽式地进行的，也即在耦合片240和241中相位相反。在声迹290内分开的子换能器261和262中，叉指数量通常等于声迹200的中间换能器210的叉指数量的一半。输入换能器210的叉指数量为偶数。
耦合换能器221、222、271、272在外部的不与耦合片240、241连接的一侧可与地电位连接。但2个相邻的声迹的彼此相邻的耦合换能器在外侧彼此相连接也是可能的。
位于声迹上的反射器(231、232、281、282)可被浮动地构成或与地电位连接。
如图所示的，反射器连接在外部邻接的耦合换能器的连接线上也是可能的。与在图2中所示的不同，连接也可这样实现，以致反射器置于与最后的邻接的换能器叉指正好相反的电位上。
针对声迹的布置，输入端和输出端也可互换，这此外还适用于所有按照本发明所述的滤波器。
通过按图2的叉指布置，在通带范围内的对称与现今布置相比很明显地有了改进。在此，典型的幅度对称值减少到典型为±0.3dB，并且相位对称值减少到典型为±2°。这个滤波器的对称特性按照图3中的幅度对称和图4中的相位对称被表示出来。相对于频率f分别描绘了两个信号a1和a2的差值。
例2：阻抗变换的对称/对称滤波器(图5)
图5在布局布置方面与例1完全一致，包括输入声迹上的中间换能器510的、被绝缘地引出的第二连接线511。这种连接线与实施方案1相反不被置为地电位，而是作为低电阻的滤波器侧的对称信号的第二连接线。滤波通带中的对称性改进与实施方案1的结果是可相比拟的。
例3：非阻抗变换的非对称/对称滤波器(图6)
在这个实施方案中，划分两个声迹的中间换能器610和660并且将其串联连接，但却只按一个声迹对称地工作。在第二声迹中，两个子换能器的一个导通信号并且第二子换能器连在地电位上，也即该声迹是非对称地工作。
例4：非阻抗变换的对称/对称滤波器(图7)
在第4个实施方案中，划分在两个声迹中的中间换能器710和760并且将其串联连接。由此，在优选无阻抗变换作用的情况下，可实现选择性强的在两侧对称工作的滤波器。
通过两个声迹600/690或700/790孔径的不同，也可将例3和4变为阻抗变换的滤波器。
通过从输入端到输出端对理想情况来说接近完全一致的信号，特别对例1和4可达到很高的选择性。在滤波通带中恰好对称地控制分开的子换能器将导致所希望地改进幅度和相位对称：(见图3和4)。
幅度差：典型地＜±0.3dB
相位差：典型地＜±2°
对于阻带范围，实施方案1-4的声迹对称的改进还有一个优点：通过改进对称信号的消除而提高了阻带抑制，这可通过选择一个相应的对称的机壳得到支持。
下面对实施方案1+4来说明与此相协调的机壳和连接技术。
例5：阻抗变换的非对称/对称滤波器的机壳(图8)
按照图2所述的DMS滤波器由2个声迹200和290组成，其中输入声迹非对称地和输出声迹对称地连接。这两个声迹并行布置，并且对称轴位于与两个声迹传播方向x垂直的位置。输入声迹(输入和地电位)的两条连接线位于对称轴M上，输出声迹(输出对称)的两条对称的连接线与对称轴对称，只有通过按本发明所述的应用V形分开的换能器情况下，这才是可能的。为在输入信号和输出信号之间得到一个极良好的去耦合，在输入声迹上使输入换能器的接地片位于两个声迹之间，并且所述的输入信号(输入)的接片是面向外部。由此，在芯片尺寸方面，输入端和输出端的信号接片的间隔最大，并且声迹之间的接地面将产生信号的进一步去耦合。反射器的接地连接也可在声迹之间实现。
机壳G可得到一个相对应的布置(见图8)，也就是说输入焊片(输入)位于机壳一端的对称轴上，输出焊片(输出-和输出+)位于机壳另一端与对称轴M相对称的位置。在中间设置接地焊片。同样机壳内部的连接路径也构成绝对对称，以致可达到理想对称的总布置。由此，按照本发明增加了3个因素，这3个因素已从本身，当然首先是在滤波器中以其共同的作用而产生了良好的阻带抑制：
-芯片布置绝对对称，
-机壳布置绝对对称，
-通过位于其间的机壳不仅在芯片上而且在机壳内在输入端和输出端之间有最大的去耦合。
图14给出了在约1GHz时，在相应的机壳中实现的滤波器上已测出的传递函数。阻带抑制在滤波通带以上典型地为＞65dB。
滤波通带中的对称也可通过具有因块形连接大大减少的、在对称路径上均匀的和良好再生的电感的理想对称机壳而再次得到改进。用声音很纯地产生的对称信号在其芯片的路径上和通过机壳几乎不再因其对称性受到干扰。
图10和11给出了DMS滤波器在滤波通带内几乎不受干扰的对称性，该滤波器按照本发明在声迹中具有改进的对称，并且装入到上述5-管脚的机壳内。通过这些组合可达到典型的幅度对称(图10)
Δampl典型地＜±0.1dB
并且可达到典型的相位对称(图1)
Δφ-180°典型地＜±0.5°。
例6：非阻抗变换的对称/对称滤波器的机壳(图12)
DMS滤波器，例如按照图7所示的一个滤波器的两个声迹并行布置并且对称轴M与两个声迹的传播方向x垂直。输入声迹(输入对称)的两条对称连接线通过双重地使用V形分开而与对称轴呈对称，完全象输出声迹(输出对称)的两个对称连接线一样。为获得输入和输出信号之间的极良好的去耦合，反射器的接地连接线被置放于两个声迹之间，并且输入和输出信号的接片均面向外部。由此，在芯片尺寸方面输入和输出端的信号接片的间隔最大，并且声迹之间的接地面将产生信号的进一步去耦合。
此时机壳G可得到一个相应的布置，也就是说输入焊片(输入-和输入+)与对称轴M对称地被置于机壳的一端，并且输出焊片(输出-和输出+)与对称轴相对称地位于机壳的另一端。在中间设置接地焊片。同样，机壳内部的连接路径构成绝对对称，以致滤波器连同机壳都可得到具有相应良好结果的理想对称的总布置。
象焊丝(不同长度)几乎是不可避免的那样，非对称的另一原因在于电连接的制造杂散性。由于这种原因，在实施方案5和6的机壳上作为连接技术优选使用块形工艺技术。其电感很小，并且也具有良好的再生性。在此，芯片头朝上地利用所说的块或焊球与机壳焊接。以这种方式非对称性通过连接电感的变化减少到最小或忽略不计。
参考符号清单
“x” 适用于各个图：
 x10  中间换能器/输入端
 x60  中间换能器/输出端
 x11  x10的子换能器
 x12  x10的子换能器
 x61  x60的子换能器
 x62  x60的子换能器
 x21  耦合换能器/输入端声迹
 x22  耦合换能器/输入端声迹
 x71  耦合换能器/输出端声迹
 x72  耦合换能器/输出端声迹
 x31  反射器/输入端声迹
 x32  反射器/输入端声迹
 x81  反射器/输出端声迹
 x82  反射器/输出端声迹
 x00  声迹/输入端
 x90  声迹/输出端
 X    OFW传播方向
 M    对称轴/面
 G    机壳

Claims (20)

1、DMS滤波器类型的SAW滤波器，
-具有一个在压电基片上构成的声迹(190)，它具有奇数个第一叉指式换能器(910)作为信号输入端或者信号输出端，并且具有偶数个第二叉指式换能器(971、972)作为信号输出端或者信号输入端，且所述第一叉指式换能器(910)总位于两个第二叉指式换能器(971，972)之间，所述第一和第二叉指式换能器位于至少2个限制声迹的反射器结构(931、932)之间，
-其中所述的声迹(990)具有一个与传播方向(x)的垂直线(M)对称地被分成子换能器(911、912)的中间换能器(910)，
-该SAW滤波器以与所说的垂直线(M)对称的方式与具有连接片或连接头的机壳(G)连接，以致有一个轴对称的连接线分布。
2、DMS滤波器类型的SAW滤波器，
-具有至少2个在压电基片上构成的声迹(100，190，600，690)，该声迹均具有奇数个第一叉指式换能器(110、160)作为信号输入或者信号输出，并且具有偶数个第二叉指式换能器(121、122；171、172)作为耦合换能器，并且所述第一叉指式换能器(910)总位于两个第二叉指式换能器(971，972)之间，所述第一和第二叉指式换能器位于至少2个限制声迹的反射器结构(131、132)之间，
-其中所述声迹(100，190，600，690)中的至少一个声迹(190，690)具有一个与传播方向(x)的垂直线(M)对称地被分成子换能器(161、162)的中间换能器(160)，
-该SAW滤波器以对称的方式与具有连接片或连接头的机壳(G)连接，以致有一个轴对称的连接线分布。
3、按照权利要求2所述的SAW滤波器，
其中所述声迹中的至少2个声迹(600、690)具有一个与传播方向(x)的垂直线(M)对称地被分成子换能器(611、612、661、662)的中间换能器(610、660)，并且位于声迹(600、690)内的分开的子换能器的叉指数量的总和均为偶数，并且所述子换能器的叉指数量均为偶数或奇数。
4、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
其中至机壳(G)上的连接包括块形连接。
5、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
该滤波器通过倒装芯片技术安装在机壳(G)内。
6、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
其中第二叉指式换能器(210、510)具有一个偶数电极叉指。
7、按照权利要求2所述的SAW滤波器，
其中所述的至少一个声迹(190，690)恰好具有一个分成2个子换能器(161、162；661，662)的中间换能器(160、660)、2个耦合换能器(171、172)和至少一个位于末端的反射器结构(181、182)。
8、按照权利要求1所述的SAW滤波器，
该滤波器具有至少另一个具有未分开的中间换能器(210、510)的声迹，
其中该未分开的中间换能器(210、510)具有一个偶数电极叉指。
9、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
该滤波器安装在具有5条连接线的理想对称的机壳(G)中，其中输入端用的连接片位于对称轴(M)上，输出端和接地用的连接片均位于与对称轴对称的位置。
10、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
该滤波器安装在具有6条连接线的理想对称的机壳(G)中，其中接地用的连接片与对称轴(M)对称地被设置在输入端和输出端之间。
11、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
其中两个接地焊片被综合成一个公共的与对称轴对称的片。
12、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
其中两个机壳焊片设置在输入端片和输出端片之间。
13、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
其中整个滤波器尺寸小于或等于3.0×3.0mm2。
14、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
其中整个滤波器尺寸小于或等于2.5×2.5mm2。
15、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，
它具有阻抗变换。
16、按照权利要求15所述的SAW滤波器，
其中阻抗变换比为1∶4。
17、按照权利要求15所述的SAW滤波器，
设计的该滤波器阻抗变换为50/150欧姆或50/200欧姆。
18、按照权利要求15所述的SAW滤波器，
该滤波器用阻抗200/200欧姆端接。
19、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，其中所述的信号输入被安排成对称电门，所述的信号输出被安排成非对称电门，或者所述的信号输入被安排成非对称电门，所述的信号输出被安排成对称电门。
20、按照权利要求1-2之一所述的SAW滤波器，其中所述的信号输入和所述的信号输出被安排成对称电门。
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