CN1307794C - 在晶格拓朴结构中使用声学谐振器的双通道带通滤波系统 - Google Patents

在晶格拓朴结构中使用声学谐振器的双通道带通滤波系统 Download PDF

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Abstract

一种双通道滤波系统具有第一、第二和第三平衡端口，用于分别连接第一发送接收机，天线和第二发送接收机。第一晶格型带通滤波器被连接在第一和第二端口之间，第二晶格型带通滤波器被连接在第二和第三端口之间。相移器被用于匹配第一和第二发送接收机和第二端口。平衡-不平衡转换可被用于每个端口，以便将平衡口转换成单端口，在每个带通滤波器中，两个串联谐振器被用于提供两个平衡端，两个并联谐振器被以交叉方式连到串联谐振器，以便构成差分的或平衡的拓朴结构。第一和第二带通滤波器具有不同的频率。

Description

在晶格拓朴结构中使用声学谐振器的 双通道带通滤波系统
技术领域
本发明一般涉及双工器，并且更具体而言，涉及使用含有薄膜声学谐振器(FBAR)的通带(passband)滤波器的双工器。
背景技术
已知体声波(BAW)设备一般由夹在起电极作用的两个导电层之间的压电层组成。当将射频(RF)信号施加到该设备上时，在该压电层中产生一种机械波。当该机械波的波长大约是压电层厚度的两倍时，发生基波谐振。当通过将薄膜层附着在无源的衬底材料上制造BAW设备时，可以将该谐振频率延伸到0.5-10GHz的范围。通常将这些类型的BAW设备称为薄膜体声波谐振器或FBAR。通常以组合形式将FBAR用于产生通带或带阻滤波器。一个串联的FBAR和一个并联或旁路的FBAR的组合组成所谓的梯形滤波器的一部分或一级。例如，在Ella(美国专利No.6,081,171)中可找到对梯形滤波器的描述。如Ella的图8f中所示，两个串联的BAW谐振器(由此往后称为串联谐振器)和两个并联(shunt-connected)的BAW谐振器(由此往后称为并联谐振器)被用于构成在梯形电路或拓朴结构中的两级带通滤波器。典型情况下，BAW梯形滤波器被设计成使串联谐振器在近似等于或接近滤波器所希望的中心频率上产生串联谐振，而并联谐振器在近似等于或接近滤波器所希望的中心频率上产生并联谐振。
在一种典型的电信设备，如移动电话中，天线既被耦合到接收机的输入，也被耦合到发射机的输出。在这样的一种装置里，将双工器用来提供天线和各个发送接收机之间必要的耦合。还将该双工器用于防止已调制的发送信号耦合到该接收机。在全双工蜂窝电话中双工器是关键部件之一。在CDMA(码分多址)和WCDMA(宽带CDMA)标准中，需要双工器。在现有技术中，使用表面声波(SAW)或BAW谐振器的晶格型滤波器已被加到双工器中。Bradley等人(EP 1058383 A2，在此往后称为Bradley)公开了一种由多个BAW谐振器组成的双工器。在Bradley中的FBAR双工器的实施方案之一被示于图1中。如图1中所示，双工器900包括连接在第一端口924和第二端口928之间的第一带通滤波器930，以及经过90°移相器934连接在第二端口928和第三端口926之间的第二带通滤波器932，90°移相器被用于在第二端口928上匹配第一带通滤波器930和第二带通滤波器932。两个带通滤波器930，932都是FBAR梯形设备。第一带通滤波器930是一个2级的梯形电路，由三个串联谐振器901，903，905和两个并联谐振器907，909组成。第二带通滤波器930是一个3级梯形电路，由三个串联谐振器911，913，915和四个并联谐振器921，923，925，927组成。对于梯形电路的一级是由一个串联谐振器和一个并联谐振器组成的基本结构单元。
目前蜂窝电话的前端设计是单端的。有朝向全平衡的前端发展的趋势。平衡滤波器提供比单端的滤波器更好的电性能。在平衡滤波器中，典型情况下，插入损耗比梯形滤波器小，阻带衰减比梯形滤波器中的大许多。典型情况下，梯形滤波器的阻带衰减是25dB。虽然梯形型滤波器和双工器的电性能是可接受的，然而提供带有改进的电性能的带通滤波器和双工器仍是所希望的和有利的。
而且，在两个通信信道使用两个靠近的频率的电信设备中，提供一种用于在这些频率中发送和接收信号的双通道是有利的和所希望的。
发明内容
依据本发明的第一方面，一种双通道带通滤波器设备，包括：
第一端口；
第二端口；和
第三端口，其中至少一个第一带通滤波器被连接在第一端口和第二端口之间，以及至少一个第二带通滤波器经由移相器被连接在第二端口和第三端口之间，以及其中第一和第二带通滤波器中的每一个包括：
第一滤波器末端(end)，具有第一端点和第二端点(terminal)；
第二滤波器末端，具有第三端点和第四端点；
至少两个串联部件，包括第一和第二串联部件；和
至少两个并联部件，包括第一和第二并联部件，
其中第一串联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端；
第二串联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；
第一并联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；和
第二并联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端，以及其中串联和并联部件中的每一个包括声学谐振器。
依据本发明，第一带通滤波器具有第一通带频率，而第二带通滤波器具有与第一通带频率不同的第二通带频率。具体地，第一和第二通带频率在频率域中是紧挨着的。
依据本发明，这些声学谐振器是桥型或镜型的体声波设备。具体地，这些声学谐振器是薄膜体声波谐振器。然而，这些声学谐振器也可以是表面声波设备。
依据本发明，该双通道带通滤波系统可以包括：连接到第二端口的平衡-不平衡转换器，用于接收单端的天线；连接到第一端口的平衡-不平衡转换器，用于提供单端口，用于与单端的发送接收机连用；和连接到第三端口的平衡-不平衡转换器，用于提供单端口，用于连同单端的发送接收机一起使用。
依据本发明的第二方面，在电信设备中使用的一种前端装置，包括：
天线端口，连接到天线系统；
第一端口，能够通过天线端口在连接到第一端口的第一发送接收机和天线系统之间传递信号；和
第二端口，能够通过天线端口在连接到第二端口的第二发送接收机和天线系统之间传送信号，其中至少一个第一带通滤波器被连接在第一端口和天线端口之间，用于过滤在第一发送接收机和天线系统之间传递的信号，和至少一个第二带通滤波器通过一个相移器被连接在第二端口和天线端口之间，用以过滤在第二发送接收机和天线系统之间传递的信号，其中第一和第二带通滤波器中的每一个包括：
第一滤波器末端，具有第一端点和第二端点；
第二滤波器末端，具有第三端点和第四端点；
至少两个串联部件，包括第一和第二串联部件；和
至少两个并联部件，包括第一和第二并联部件，
其中第一串联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端；
第二串联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；
第一并联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；和
第二并联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端，以及其中串联和并联部件中的每一个包括声学谐振器。
依据本发明，天线端口具有第一口端(port end)和第二口端是可能的，以及其中该天线系统具有连接到第一口端的第一天线和连接到第二口端的第二天线。然而，天线系统包括通过平衡-不平衡变换器连接到天线端口的天线也是可能的。
依据本发明，有可能：第一发送接收机是发射机，而第二发送接收机是接收机，或者第一发送接收机是接收机，而第二发送接收机是发射机。也可能是第一和第二发送接收机都是接收机。
依据本发明，有可能：第一发送接收机被通过平衡-不平衡变换器连接到第一端口，而第二发送接收机被通过平衡-不平衡变换器连接到第二端口。
依据本发明，第一带通滤波器具有第一通带频率，而第二带通滤波器具有与第一通带频率不同的第二通带频率。具体地，第一和第二通带频率在频率域中是靠近的。
依据本发明，该电信设备可以是移动电话，并且该设备一般可操作在码分多址模式中，并且特别地操作在宽带码分多址模式中。
依据本发明，第一发送接收机可以是接收机，并且第一带通滤波器具有实质上在1805MHz-1880MHz范围内的第一通带频率，而第二发送接收机可以是接收机，并且第二带通滤波器具有实质上在1930MHz-1990MHz范围内的第二通带频率。
依据本发明，第一发送接收机可以是发射机，并且第一带通滤波器具有实质上在1710MHz-1785MHz范围内的第一通带频率，而第二发送接收机可以是接收机，并且第二带通滤波器具有实质上在1805MHz-1880MHz范围内的第二通带频率。
依据本发明，第一发送接收机可以是发射机，并且第一带通滤波器具有实质上在1850MHz-1910MHz范围内的第一通带频率，而第二发送接收机可以是接收机，并且第二带通滤波器具有实质上在1930MHz-1990MHz范围内的第二通带频率。
通过结合图2-6阅读本说明书，将使本发明变得更清楚。
附图说明
图1示出一种在梯形拓朴结构中加入FBAR的现有技术双工器。
图2示出依据本发明的一种带通滤波器的基本结构单元。
图3示出依据本发明的一种基本双工器。
图4示出依据本发明的一种使用平衡天线和平衡输出的基本拓朴结构。
图5示出一种晶格(lattice)双工器，具有连接到天线端口的平衡-不平衡转换器，用以接收单端天线。
图6示出一种晶格双工器，带有平衡-不平衡转换器，用以将平衡端口变换成单端端口。
具体实施方式
图2示出一种依据本发明的带通滤波器的基本结构单元，该基本结构单元也被称为一级。在梯型滤波器中，由一个串联谐振器和一个并联谐振器组成一级。串联谐振器被提供在滤波器中的信号传输线(conduit)上，用以过滤信号，而并联谐振器被连接在串联谐振器的输出端和地之间。在一种格型滤波器中，由两个串联谐振器和两个并联谐振器组成一级。每个串联谐振器被提供在滤波器中的分立信号传输线上，而并联谐振器被以交叉方式连接在这些串联谐振器之间。如图2中所示，带通滤波器10具有第一滤波器末端12和第二滤波器末端14。第一滤波器末端具有两个端点121和122，而第二滤波器末端14具有两个端点141，142。串联谐振器22有两个末端221，222，被连接到端点121和141，而串联谐振器24有两个末端241，242，被连接到端点122和142。第一并联谐振器32有两个末端321，322，被连接在串联谐振器22的末端221和谐振器24的末端242之间。第二并联谐振器34有两个末端341，342，被连接在串联谐振器24的末端241和串联谐振器22的末端222之间。如图2中所示，基本结构单元对于串联和并联谐振器的连接是对称的。因此，如果滤波器末端12被用作带通滤波器10的输入端，则滤波器末端14是输出端，如果滤波器末端14被用作输入端，则滤波器末端12是输出端。
一种结构最简单的双工器是所有三个端口(天线，发射机和接收机)是平衡的。图3示出这样一种双工器，如图所示，双工器100有第一端口110、第二端口120和第三端口130，每个端口有两个口端。如图所示，第一带通滤波器10被连接在第一端口110和第二端口120之间，而第二带通滤波器10′经过一个相移器90被连接在第二端口120和第三端口130之间，相移器被连接到第二端口。在如图3所示的方案中，第二端口120被用于将天线连到双工器100。如果第一端口110被连到发射机，则第三端口130被连到接收机。如果第一端口110被连到接收机，则第三端口130被连到发射机。
如图3中所示，双工器100只有一个滤波器级用于过滤通过第一端口110传递的信号，以及一个滤波器级用于过滤通过第三端口130传递的信号。然而，两级或多级可按级联方式使用，以过滤通过第一端口110或第三端口130传递的信号。而且，相移器90典型情况下对到达或来自第三端口130传递的信号提供90°相移。然而，相移角可在40°和140°之间的任何值，相移器90在本领域中是已知的。它可以由传输线和各种电感和电容元件或它们的任何组合构成。而且，相移器90也可以是任何声学型的或其他的等。
图4示出依据本发明的一种使用平衡天线和平衡输出的双工器的基本拓朴结构。在此方案200中。如图所示，第一端口110被连到第一发送接收机52，而第三端口130被连接到第二发送接收机54。第二端口120有两个口端124和126，分别连接到第一天线62和第二天线64。如果第一发送接收机52被用作收射机，则第二发送接收机54被用作接收机，反过来也一样。
应该指出，当带通滤波系统100，如图3和4中所示，被用作如上所述的双工器时，则第一带通滤波器10和第二带通滤波器10′在频率上可以是紧挨着的。例如，为了在GSM1800中使用，用于发射机的带通滤波器是1710...1785MHz，而用于接收机的带通滤波器是1805...1880MHz。双工器100可遵循CDMA标准被用作全双工模式。然而，带通滤波系统100也可被用作双通道滤波设备，使得第一发送接收机52和第二发送接收机54(图4)工作在不同的频率并相互独立。在这种情况下，第一带通滤波器10和第二带通滤波器10′将具有不同的通带频率，与第一和第二发送接收机的工作频率相对应。特别是，滤波器10和10′的通带频率是紧靠着的，例如用于GSM1800和PCS1900的情况。因此，双工方案可被用作双工滤波器，以分离某种标准的发射机和接收机频段，如CDMA、GSM1800或PCS1900，但它也可用于分离在多频段电话中两种标准的两个不同的接收机频段。例如，滤波器10被用于1805-1880MHz(GSM1800)的接收机频段，而滤波器10′被用于1930-1990MHz(PCS1900)的接收机频段。
图5示出一种通过平衡-不平衡转换器连接到单端天线的晶格双工器。在方案210中，如图所示，双工器102的第二端口120′只有单端用于连接到单个天线66。在双工器102内从单端天线端口转换到平衡端口是由平衡-不平衡转换器70完成的。
图6示出一种在双工器内带有用于将单端端口转换成平衡端口的平衡-不平衡转换器的晶格双工器。在如图所示的方案210中，双工器104中的每个端口110′，120′和130′有单个末端，分别用参考数字115、125和135标记。从单端端口转换到平衡端口是由平衡-不平衡转换器70，72和74完成的。至于带通滤波系统100，如同结合图3和4所描述的那样，图5中的带通滤波系统102和图6中的带通滤波系统104也可以是双工器或双通道滤波设备。
如图2-6中所描述的晶格FBAR双工器100、102和104可以利用通常的FBAR工序来制造。在双工器中的不同滤波器可以制造在单个芯片上或多个芯片上。FBAR可以是一种刚性安装的谐振器(SMR)型BAW设备或者是桥接型BAW设备。刚性安装的谐振器型BAW设备也被称为镜型BAW设备，正如在本领域中已知的那样，在桥接型BAW设备中，在BAW设备的底电极和衬底之间提供一个空气隙。在镜型BAW设备中，在底电极下方提供一种声学镜像结构。典型情况下，镜像结构由几层高和低声学阻抗材料对组成，通常是1/4波厚。
虽然本发明已结合体声波(BAW)设备并且特别地结合薄膜体声波谐振器(FBAR)进行公开了，但是应该理解本发明也包括利用表面声波(SAW)设备或BAW和SAW设备的组合的带通滤波器和双工器。而且，相移器和平衡-不平衡转换器可以是随同声学谐振器制造的集成部件，或者是分立部件。
如图4中所示的发送接收机52和发送接收机54可以是发射机和接收机，但它们也可以都是接收机，它们都是发射机也是可能的。
因此，虽然已对于其优选实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，可以在形式和细节上进行上述的和各种其他的变化、省略和偏离，而并不偏离本发明的精神和范围。

Claims (32)

1.一种双通道带通滤波设备，包括：
第一端口；
第二端口；和
第三端口，其中至少一个第一带通滤波器被连接在第一端口和第二端口之间，并且至少一个第二带通滤波器通过一个相移器被连接在第二端口和第三端口之间，以及其中第一和第二带通滤波器之中的每一个包括：
第一滤波器末端，具有第一端点和第二端点；
第二滤波器末端，具有第三端点和第四端点；
至少两个串联部件，包括第一和第二串联部件；和
至少两个并联部件，包括第一和第二并联部件，
其中第一串联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端；
第二串联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；
第一并联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；和
第二并联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端，以及其中串联和并联部件之中的每一个包括声学谐振器。
2.如权利要求1的双通道带通滤波设备，其中第一带通滤波器具有第一通带频率，而第二带通滤波器具有与第一通带频率不同的第二通带频率。
3.如权利要求1的双通道带通滤波设备，其中第一带通滤波器具有第一通带频率，而第二带通滤波器具有第二通带频率，以及其中第一和第二通带频率在频率域中是靠近的。
4.如权利要求1的双通道带通滤波设备，其中声学谐振器是体声波设备。
5.如权利要求1的双通道带通滤波系统，其中至少一个声学谐振器是桥型体声波设备。
6.如权利要求1的双通道带通滤波系统，其中至少一个声学谐振器是镜型体声波设备。
7.如权利要求1的双通道带通滤波系统，其中声学谐振器是薄膜体声波谐振器。
8.如权利要求1的双通道带通滤波系统，其中声学谐振器是表面声波设备。
9.如权利要求1的双通道带通滤波系统，还包括平衡-不平衡转换器，连接到第二端口，用于接收单端天线。
10.如权利要求1的双通道带通滤波系统，还包括平衡-不平衡转换器，连接到第一端口，用于提供单端端口，以便与单端发送接收机连用。
11.如权利要求1的双通道带通滤波系统，还包括平衡-不平衡转换器，连接到第三端口，用于提供单端端口，以便与单端发送接收机连用。
12.一种在电信设备中使用的前端装置，包括：
天线端口，连接到天线系统；
第一端口，能够通过天线端口在连接到第一端口的第一发送接收机和天线系统之间传递信号；和
第二端口，能够通过天线端口在连接到第二端口的第二发送接收机和天线系统之间传递信号，其中至少一个第一带通滤波器被连接在第一端口和天线端口之间，用于过滤在第一发送接收机和天线系统之间传递的信号，和至少一个第二带通滤波器通过一个相移器被连接在第二端口和天线端口之间，用于过滤在第二发送接收机和天线系统之间传递的信号，以及其中第一和第二带通滤波器之中的每一个包括：
第一滤波器末端，具有第一端点和第二端点；
第二滤波器末端，具有第三端点和第四端点；
至少两个串联部件，包括第一和第二串联部件；和
至少两个并联部件，包括第一和第二并联部件，
其中第一串联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端；
第二串联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；
第一并联部件具有连接到第一端点的第一末端和连接到第四端点的第二末端；和
第二并联部件具有连接到第二端点的第一末端和连接到第三端点的第二末端，以及其中串联和并联部件之中的每一个包括声学谐振器。
13.如权利要求12的前端装置，其中天线端口具有第一口端和第二口端，以及其中天线系统具有连接到第一口端的第一天线和连接到第二口端的第二天线。
14.如权利要求12的前端装置，其中天线系统包括通过平衡-不平衡转换器连接到天线端口的天线。
15.如权利要求12的前端装置，其中第一发送接收机是发射机，而第二发送接收机是接收机。
16.如权利要求12的前端装置，其中第一发送接收机是接收机，而第二发送接收机是发射机。
17.如权利要求12的前端装置，其中第一和第二发送接收机都是接收机。
18.如权利要求12的前端装置，其中第一发送接收机通过平衡-不平衡转换器连接到第一端口。
19.如权利要求12的前端装置，其中第二发送接收机通过平衡-不平衡转换器连接到第二端口。
20.如权利要求12的前端装置，其中第一带通滤波器具有第一通带频率，而第二带通滤波器具有与第一通带频率不同的第二通带频率。
21.如权利要求12的前端装置，其中第一带通滤波器具有第一通带频率，而第二带通滤波器具有第二通带频率，以及其中第一和第二通带频率在频率域中是靠近的。
22.如权利要求12的前端装置，其中该电信设备是移动电话。
23.如权利要求12的前端装置，其中该电信设备操作在码分多址模式中。
24.如权利要求12的前端装置，其中该电信设备操作在宽带码分多址模式中。
25.如权利要求12的前端装置，其中第一发送接收机是接收机，并且第一带通滤波器具有实质上在1805MHz-1880MHz范围内的第一通带频率，以及其中第二发送接收机是接收机，并且第二带通滤波器具有实质上在1930MHz-1990MHz范围内的第二通带频率。
26.如权利要求12的前端装置，其中第一发送接收机是发射机，并且第一带通滤波器具有实质上在1710MHz-1785MHz范围内的第一通带频率，以及其中第二发送接收机是接收机，并且第二带通滤波器具有实质上在1805MHz-1880MHz范围内的第二通带频率。
27.如权利要求12的前端装置，其中第一发送接收机是发射机，并且第一带通滤波器具有实质上在1850MHz-1910MHz范围内的第一通带频率，以及其中第二发送接收机是接收机，并且第二带通滤波器具有实质上在1930MHz-1990MHz范围内的第二通带频率。
28.如权利要求12的前端装置，其中声学谐振器是体声波设备。
29.如权利要求12的前端装置，其中至少一个声学谐振器是桥型体声波设备。
30.如权利要求12的前端装置，其中至少一个声学谐振器是镜型体声波设备。
31.如权利要求12的前端装置，其中声学谐振器是薄膜体声波谐振器。
32.如权利要求12的前端装置，其中声学谐振器是表面声波设备。
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