CN1383611A - 体声波滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种阶梯型滤波器包括串联和并联谐振器(2,4)。并联谐振器或每个并联谐振器(4)有比输入和输出串联谐振器(2i,2o)的静态电容大四倍的静态电容。这提供了增加的并联谐振器电容,该电容降低了通过串联－并联部分的有效耦合,从而能够使用更少量的串联－并联滤波器部分来获得良好的阻带拒绝,同时还提供通带中的良好性能。本发明以认识到滤波器带宽能够被交换以改善带外拒绝为基础。

Description

体声波滤波器
发明的领域
本发明涉及一种滤波器，尤其涉及一种使用体声波谐振器构成的滤波器。这样的滤波器可以用在通信设备上作为带通滤波器，这种滤波器能够选择在传输通道所处的频带并拒绝感兴趣的频带之外的频率。本发明也涉及包括这样的滤波器的通信设备(例如，射频接收机和/或发射机)。
发明的简述
高性能射频(RF)滤波器有代表性地使用高介电常数陶瓷谐振器或声表面波谐振器。以前的装置相当大，然而近来的装置更小型化，但具有更高的插入损耗(通常＞3dB)并通常阻带相当少。结果，不能为小型通信装置比如移动电话中信道频带选择提供理想的解决方案。这样应用的滤波器需要深的阻带来拒绝不想要的信号，并需要低的通带插入损耗(有代表性＜2dB)来获得足够的信噪比。因此，需要带有高Q系数(有代表性＜500)的很小型的谐振器。为了达到该目的，已经提出电势集成在硅片上的薄膜体声波(BAW)谐振器。这些装置适用于频率范围0.5到10GHz，因此适合于第三代移动电话标准，以及已经建立的无线电标准，比如GSM、W-CDMA、蓝牙、HomeRF、DECT和GPS。
对低插入损耗和高阻带衰减的需要不能通过单个谐振器获得。因此，图1中以简化的示意性的形式示出，滤波器典型地由一些谐振器组成，并且传统的薄膜BAW滤波器结构是阶梯结构。它有交替的串联部分2和并联部分4，其中每部分都可以是一个谐振器，或一个或多个谐振器在相同频率上串联连接或并联连接(在电学上是等效的)。并联单元的反谐振器频率被选择成串联单元的谐振频率，以提供在该频率上最小的插入损耗。
单独的谐振器有代表性地排列为所谓的稳固安装谐振器(SMR)，这种谐振器的一个例子如图2所示。所需要的电能和机械能之间的转换通过两个金属层12、14之间的压电材料层10(例如氧化锌、氮化铝、PZT、PLZT)获得，电极形成在金属层中。压电材料10在一个或更多声学失谐层16上，声学失谐层16安装在绝缘衬底18，例如玻璃上。声学失谐层反射声波，该声波由压电层10在谐振频率上的谐振产生。
在图2中，示出了多个高阻抗层16a和低阻抗层16b。多孔氧化硅(气凝胶)可以被用于低阻抗层16b，由于这种材料有非常低的声阻抗，单个层实际上就可适于获得足够高的Q值。高阻抗层16a可以包括钨。
在图2中，上部金属层12确定谐振器的两个端子12a、12b，并且更较低的金属层14有效地起两个串联谐振器之间的中间电极的作用。这避免了与较低的金属层14通过压电层10电连接的需要。一对串联连接的谐振器则起滤波器的构件的作用并可以看作是基础谐振器元件。图2也示出了一个平面图，与垫片20连接提供装置的输入和输出。
如图1所示阶梯形滤波器排列已经证明性能良好，例如小于2dB插入损耗和假信号响应非常低的电平。然而，如图3所示，从谐振器的近似的电学等效电路能够理解到，该电路也有一些缺点。
Co是谐振器的(不必要的)静态电容，然而Cm、Lm和Rm有机械谐振的特性。它们分别是谐振器的动态电容、动态电感和动态电阻。谐振器在从谐振离开的频率上表现为纯电容(除了其他有效机械谐振比如和声，它不被认为是该简单模式)。在公开日期的设计中，并联和串联谐振器有相同的面积，因此有相同的静态电容。在每个串联和并联部分之间被滤波器拒绝的频带(“阻带”)中，这只给出了大约6dB的衰减。这是每个谐振器静态电容造成的。包括两个串联连接的谐振器和中间并联谐振器的一个T形部分可以看作阶梯形滤波器的基本构件。单个谐振器元件2i、2o(图1)则在滤波器的输入6和输出8，并且中间串联谐振器元件2b每个包括两个串联连接的谐振器单元。
为了达到上述低通带插入损耗和高阻带插入损耗，每个单独的构件应当符合这两项要求。尽管增加加入阻带损耗(像需要的一样)部件的数量，但是这也增加了通带损耗(以及整个滤波器的尺寸)。有代表性的是，几个这样的构件要求一致的适度阻带拒绝。因此，不改善滤波器选择性，占用面积和通带插入损耗都增加了。
已经意识到，例如在US5471178中，阶梯型滤波器的阻带性能部分地由串联和并联谐振器之间的静态电容比决定，因为谐振器作为不在谐振频率的频率上的电容分压器。
按照本发明提供了一种阶梯型滤波器，包括多个体声波谐振器，谐振器包括多个串联在滤波器的输入端和输出端之间的谐振器和一个或多个并联谐振器，每个并联谐振器连接在两个串联谐振器和一个公用端子之间的连接点之间，串联谐振器包括连接到输入端的输入串联谐振器和连接到输出端的输出串联谐振器，其中并联谐振器或每个并联谐振器具有比输出或输出串联谐振器大四倍的静态电容。
本发明的阶梯型滤波器提供了增加的并联谐振器电容(与传统的串联和并联谐振器有基本相同面积的设计相比)。这降低了通过该部件的有效连接，从而使用更少数量的串联-并联滤波器部件就能获得良好的阻带拒绝，同时仍然提供通带中的良好性能。本发明的滤波器能够具有与滤波器的输入和输出阻抗相匹配的阻抗从而使通带插入损耗最小化。然而，增加的并联电容降低了滤波器带宽，并且本发明以认可滤波器带宽能够被交换为改进的带外拒绝为基础。
串联谐振器还可以包括一个或多个具有接近于输出或输出串联谐振器的静态电容的一半的静态电容的中间串联谐振器。以这种方式，阶梯型滤波器能够由相同的T-型构件组成。对相等的输入和输出阻抗，输入和输出串联谐振器最好有相同的静态电容。
每个体声波谐振器最好包括夹在两个金属层之间的压电材料层，电极形成在金属层中，压电材料提供在多个安装在绝缘衬底上的声音失谐层上。压电材料可以包括PZT。
阶梯型滤波器可以被用于确定具有带通区域中的中心频率的带通滤波器，其中串联和并联谐振器被调谐，从而串联谐振器有在中心频率最小的阻抗和并联谐振器有在中心频率最大的阻抗。这提供了在谐振频率上在输入和输出之间的最大耦合。
串联和并联谐振器可以被设计从而满足：
Cseries＝(√2ωshunt)/(ωserise 2Rom)
Cshunt＝(√2ωshuntm)/(ωserise 2Ro)
其中Cseries是输入和输出串联谐振器的静态电容，
Cshunt是并联谐振器或每个并联谐振器的静态电容，
ωshunt和ωserise是串联和并联谐振器各自的角谐振频率，
Ro是滤波器理想的输入和输出阻抗，以及
m是等于并联与串联静态电容的比的平方根的参数。
该设置使得滤波器与理想的输入和输出阻抗匹配以获得低通带损耗。m的值越大，由每个谐振器阶段获得的阻带中的拒绝越大。比值m的选择规定了串联和并联谐振器的电容，因此这些元件在基底上的面积能够被选择。然而，有m值应用的上限，m值依赖于压电薄膜的耦合因数K、谐振器品质因数Q和需要的带宽。按照本发明m值大于或等于2，并且可以取2和32之间的值。
本发明也提供一种射频带通滤波器，它包括本发明的阶梯型滤波器。射频接收机和/或发射机也可以使用这样的带通滤波器。
附图的简要说明
现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1是表示带有五个串联谐振器和四个并联谐振器的阶梯型滤波器的示意图；
图2示出了已知的稳定安装的体声波(BAW)谐振器的设计；
图3示出了单个(BAW)谐振器的等效电路；
图4示出了本发明的具有一个T型部分的第一串联阶梯型滤波器的实施例的频率响应；
图5示出了本发明的具有一个T型部分的第二串联阶梯型滤波器的实施例的频率响应；
图6和7示出了本发明的具有一个T型部分的第三串联阶梯型滤波器的实施例的频率响应；
图8示出了本发明使用多于一个T型部分的阶梯型滤波器的实施例的频率响应。
实施例的详细说明
本发明基于认识到通过调整衬底上串联和并联谐振器的相对面积能够获得改善的性能，从而能够选择静态电容值。尤其是，提供增加的并联谐振电容，以降低通过这部分的有效耦合，从而使用更少数量的串联-并联滤波器部件。
折衷方案是滤波器带宽则被减小。然而，如果很坚固的压电材料比如PZT被用来形成层10，可用带宽会大于在很多应用中所要求的带宽，因此额外的带宽能够被交换用于更深的阻带等级。
该关系被如下描述。在单个T型部分中的低通带插入损耗要求(a)高Q因数谐振器，和(b)与它的终端(滤波器终端或相邻的T型部分)良好的电匹配。高Q因数谐振器能够用适当的薄膜技术来实现。本发明采用两个条件，并且使阶梯型滤波器设计(如图1所示)的串联和并联部分中相关的静态电容值的能够选择，同时确保滤波器的电匹配，从而它们有理想的输入和输出阻抗。
“图像参数”理论的应用显示包括两个同样的串联谐振器和中间并联谐振器T型部分最好与取实值的终接阻抗Ro(典型的50Ω)匹配，如果：
Cseries＝(√2ωshunt)/(ωserise 2Rom)
Cshunt＝(√2ωshuntm)/(ωserise 2Ro)
其中Cseries是两个同样的串联谐振器中每一个的的静态电容，Cshunt是并联谐振器的静态电容，ωshunt和ωserise是串联和并联谐振器各自的(角)谐振频率，Ro是滤波器理想的输入和输出阻抗，以及m是等于并联与串联静态电容的比的平方根的参数。
上述的阻抗匹配条件给出了可能的最低通带损耗，并且满足所有的m值。然而，为了获得最低的阻带电平，m应该尽可能高。但是，有m应用中的上限，m依赖于压电薄膜的耦合因数K、谐振器品质因数Q和需要的带宽。增加m减少了通过该部分的有效耦合，因此也降低了滤波器带宽。对坚固的压电材料，本发明提供的适应性相当大。
实施例综述
按照本发明设计的滤波器的设计参数是m、Q、K和T型部分的数量N。这里给出实施例来说明这些数值之间的关系。这些实施例基于图3所示的谐振器等效电路。为了描述实施例的目的，假定理想的中心频率和端口阻抗级分别是1GHz和50Ω。等效电路中的元件值从而被如此选择，以上两个因素满足Ro＝50Ω，并且每个T型部分的串联和并联谐振器分别有它们的1GHz的谐振(阻抗最小值)和反谐振(阻抗最大值)频率。
在每个实施例中，插入损耗(离散参数S21的绝对值)按频率的函数绘制，图表以m＝0.25，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0和16.0给出。图4、5、6和7中箭头30显示了m值增加的效果。
实施例1
图4示出了具有N＝1(单个T型部分)和无穷大Q(即损耗小的谐振器)的谐振器设计的结果。假定K是0.6，这能够用PZT薄膜获得。对所有的m值来说，频带中心的阻抗匹配看起来最好(即零dB损耗)。阻带电平随m而增加，一直到大于60dB的值，单个T型部分m＝16。通带的带宽随着m的增加而减小，但是m＝16的情况仍然大于2％。
从深度零位32与m无关这一事实能够看出，带宽比能超出某一基础值。该最大带宽依赖于压电耦合系数K。
实施例2
图5与实施例等效设计的滤波器的带通区域的放大部分，但是假定Q＝500，这在实际中能够达到。Q无穷大的谐振器引入了一些损耗，对于最窄的带宽的情况(即在m＝16时的最大值m)，这在频带中心增加了大约1.5dB。带宽、插入损耗和阻带电平之间的折衷方案是清楚的。
实施例3
图6和7示出了K＝0.25的实施例的曲线，这是能够使用氮化铝(AlN)压电薄膜达到的值。再次假定品质因数为500，并且用于单个T型部分(N＝1)。在这种情况下，更低的耦合系数意味着最大可获得的带宽只是大约5％。因此，对其它设计参数有非常小的交换超出带宽的范围。因此本发明最适用于更坚固的压电材料比如PZT。
为了描述使用阶梯型滤波器设计中的T型部分的效果，图8描述了m＝8的两个级联的T型部分的频率响应。这里，假定PZT谐振器K＝0.6并且Q＝500。上述模式示出了大约1.3dB中心频带的插入损耗，＞15dB返回损耗(离散参数S11的绝对值)，大约5％的部分的带宽，以及＞80dB的极限组带。
本发明的滤波器应用到0.5GHz到10GHz的频率范围。一些最重要的无线标准包括在这一范围内，大部分在2GHz，这是对该技术来说很普通的频率。很多基于这些标准的应用要求很高选择性的损耗前端滤波器。
因为从以上的实施例和论述会很显然，本发明的阶梯型滤波器可以用各种谐振器设计和那些谐振器设计内的材料来实现。为了实现选择的静态电容比，在题目中谐振器的面积简单地需要被按照本发明来选择。这能够简单地通过对于图2所示的谐振器设计上部电极层12的适当模式来获得。然而，有改变静态电容的其他方式，这可以包含具有不同的提供能够获得的理想的谐振频率的压电层厚度。
如以上所述，串联和并联谐振器调谐到稍微不同的频率。这可以通过提供电极层上的另外一层，或再次通过交换厚度或不同类型谐振器的压电层的成分来获得。
稍微安装好的BAW已经在该申请中被详细地描述。然而，本发明可以同样应用于表面薄膜谐振器。
以上已经选择特殊的实施例来作简单地比较，并由于此原因所有的实施例都指向中心在1GHz的滤波器并有50欧姆理想的输出阻抗。这些参数将当然用心目中特殊的滤波器应用来选择。
各种其他修改对本领域技术人员来说将是明显的。

Claims (9)

1.一种阶梯型滤波器，包括多个体声波谐振器，谐振器包括多个串联在滤波器的输入端和输出端之间的串联谐振器和一个或多个并联谐振器，每个并联谐振器连接在两个串联谐振器之间的连接点和一个公用端子之间，串联谐振器包括连接到输入端的一个输入串联谐振器和连接到输出端的一个输出串联谐振器，其中并联谐振器或每个并联谐振器具有比输入或输出串联谐振器大四倍的静态电容。
2.如权利要求1要求的阶梯型滤波器，其中串联谐振器还包括一个或更多中间串联谐振器，串联谐振器具有近似输入或输出串联谐振器的静态电容一半的静态电容。
3.如权利要求2要求的阶梯型滤波器，其中输入和输出串联谐振器有相同的静态电容。
4.如前述的权利要求中任何一个要求的阶梯型滤波器，其中每个体声波谐振器包括一个加在两个金属层之间的压电材料层，电极形成在金属层中，压电材料提供在安装在绝缘衬底上的多个声音失谐层上。
5.如权利要求4要求的阶梯型滤波器，其中压电材料包括PZT。
6.如前述的权利要求中任何一个要求的阶梯型滤波器包括具有带通区域中的中心频率的带通滤波器，其中串联和并联谐振器被调谐，从而串联谐振器具有中心频率上的阻抗最小值，并且并联谐振器具有中心频率上的阻抗最大值。
7.如前述的权利要求中任何一个要求的阶梯型滤波器，其中串联和并联谐振器被设计以满足：
Cseries＝(√2ωshunt)/(ωserise 2Rom)
Cshunt＝(√2ωshuntm)/(ωserise 2Ro)
其中Cseries是输入和输出串联谐振器的静态电容，
Cshunt是并联谐振器或每个并联谐振器的静态电容，
ωshunt和ωserise是串联和并联谐振器各自的角谐振频率，
Ro是滤波器理想的输入和输出阻抗，以及
m是等于并联与串联静态电容的比的平方根的参数。
8.一种包括如前述权利要求中任何一个所要求的阶梯型滤波器的射频带通滤波器。
9.一种包括如权利要求8所要求的带通滤波器的射频接收机和/或接收机。
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