CN1722614A - 一种声表面波双工器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于集群通信系统手持终端的声表面波双工器，它包含一个发射端第一声表面波滤波器和一个接收端声表面波滤波器，还包含一个设置在功率放大器前级的发射端第二声表面波滤波器；发射端第二声表面波滤波器输出端接发射电路末级功率放大器的输入端后再接发射端第一声表面波滤波器的输入端，另一端通过电极接发射电路中末级功率放大器前级的部分；所述的发射端第二声表面波滤波器是由梯形声表面波滤波器和声表面波带阻滤波器串联组成，其中声表面波带阻滤波器由单端对声表面波谐振器与外接电感按Π形连接而成。本发明具有高收发隔离度、低插入损耗、体积小等优点。

Description

一种声表面波双工器

技术领域

本发明涉及一种声表面波双工器，特别是涉及一种用于集群通信系统手持终端的声表面波双工器。

背景技术

双工器普遍应用于频分双工方式的无线通讯系统中。它是一个三端网络，其中一个端口接天线，一个端口接发射电路，一个端口接接收电路；双工器的作用是保证发射回路过来的信号通过天线辐射出去，而不流入接收回路；天线接收到的信号通过双工器后送入接收回路，而不流入发射回路。因此，双工器的基本要求是：低插入损耗，高收发隔离度。

现有技术中，有一种腔体式双工器，其收发隔离度较好，但体积太大，一般为几百cm³到几千cm³。无法将其用于集群通信系统手持终端中。因此，期待发展一种高收发隔离度、小体积的双工器。

在双工器中利用声表面波滤波器(SAW滤波器)，可大大减小其体积。声表面波(SAW)滤波器可实现很高的阻带抑制，用它来作双工器可实现很高的收发隔离度。但传统的声表面波滤波器的缺点是插入损耗较大。因此，利用传统的SAW滤波器制做的双工器也存在插入损耗较大的问题。

Yoshio Satoh等人提出了一种梯形声表面波滤波器，可实现很低的插入损耗(见International Journal of High Speed Electronics and Systems，Vol.10，No.3(2000)PP825-865)，它的基本结构如图2所示。梯形声表面波滤波器8由第一压电基片7和制作在第一压电基片7上的串联单端对SAW谐振器15和并联单端对SAW谐振器14构成。单端对SAW谐振器结构如图3所示，它有一个叉指换能器22，沿声波传播方向置于第一压电基片7的上表面，反射栅阵20和21放置于叉指换能器22的两端。在梯形声表面波滤波器8中，如图2，由于在SAW谐振器14和15中的叉指换能器的两端放置反射栅阵，形成谐振腔，声波被限制在谐振腔中，因此梯形声表面波滤波器8可以获得很低的插入损耗。其近端阻带抑制较好，但其远端阻带抑制很差。采用多级滤波器级连可以提高阻带抑制，但插入损耗也相应地增加，而且芯片尺寸也相应增大，成本较高。

由Morita等人提出的纵向耦合谐振滤波器可实现很低的插入损耗(见IEEE1992 Ultrasonics Symposium Proceedings PP95-104)，其基本结构如图4所示。纵向耦合谐振滤波器13有两个叉指换能器16和17，沿声波传播方向置于第二压电基片24的上表面，反射栅阵18和19放置于叉指换能器16和17的两端。在纵向耦合谐振SAW滤波器13中，由于在换能器的两端放置反射栅阵，形成谐振腔，声波被限制在谐振腔中，因此可以获得很低的插入损耗。但是，在纵向耦合谐振SAW滤波器13中，阻带抑制较差，采用多级滤波器级连可以提高阻带抑制，但插入损耗也相应地增加，不能用做发射端。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，降低双工器的插入损耗和提高双工器的收发隔离度，并且减小双工器的体积和成本，从而提供一种既能提高通带附近的阻带抑制而又不增加插入损耗的声表面波双工器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的声表面波双工器，如图1和图5所示，包含一个发射端声表面波滤波器4、一个接收端声表面波滤波器5和一个外接移相器6，所述接收端声表面波滤波器5的输入端串联移相器6后和发射端声表面波滤波器4的输出端并联通过电极1接天线，接收端声表面波滤波器5的另一端通过电极3与接收电路电连接，发射端声表面波滤波器4的另一端接发射电路末级功率放大器25的输出端；其特征在于，所述声表面波双工器还包含一个设置在功率放大器前级的发射端第二声表面波滤波器4′，该发射端第二声表面波滤波器4′输出端接发射电路末级功率放大器25的输入端，另一端通过电极2接发射电路中功率放大器前级的部分；所述的发射端第二声表面波滤波器4′是由梯形声表面波滤波器和声表面波带阻滤波器串联组成，其中梯形声表面波滤波器由串联单端对声表面波谐振器和并联单端对声表面波谐振器组成，并联谐振器的反谐振频率是串联谐振器的谐振频率的0.95-1.05倍，声表面波带阻滤波器由单端对声表面波谐振器与外接电感按∏形连接而成。

所述的发射端声表面波滤波器4由梯形声表面波滤波器组成，其中梯形声表面波滤波器由串联单端对SAW谐振器和并联单端对SAW谐振器组成，并联谐振器的反谐振频率是串联谐振器的谐振频率的0.95-1.05倍。所述的接收端声表面波滤波器可以是由两个或多个级连的纵向耦合谐振滤波器组成，或也可以是由梯型滤波器和两个或多个级连的纵向耦合谐振滤波器串联组成；所述的梯形声表面波滤波器由串联单端对SAW振器和并联单端对SAW谐振器组成，并联谐振器的反谐振频率是串联谐振器的谐振频率的0.95-1.05倍；所述的纵向耦合谐振滤波器，如图4所示，由两个叉指换能器16、17及在其两端的反射栅阵18、19组成，叉指换能器16、17均不加权，金属反射栅阵18、19采用短路栅条，叉指换能器的同步频率是反射栅阵同步频率的1-1.05倍。

所述的移相器是由LC低通网络，或LC高通网络构成。

所述的发射端声表面波滤波器4、接收端声表面波滤波器5和发射端第二声表面波滤波器4′均制做在压电基片上；所述压电基片采用旋转128°Y切割X传播铌酸锂，或Y切割Z传播铌酸锂，或旋转36°Y切割X传播钽酸锂，或旋转64°Y切割X传播铌酸锂，或旋转41°Y切割X传播铌酸锂。

所述的单端对声表面波谐振器由叉指换能器及在其两端的反射栅阵组成；所述的叉指换能器不加权，所述的反射栅阵采用金属短路反射栅阵，或采用金属开路反射栅阵，或反射沟槽，或金属正负反射栅阵；叉指换能器的同步频率是反射栅阵同步频率的1-1.05倍。

本发明的优点：

为了满足双工器低插入损耗，高收发隔离度的要求，本发明将发射端分为两级，将发射端第二声表面波滤波器放在发射电路末级功率放大器之前，发射端第一声表面波滤波器放在最前端与天线相接。发射端第一声表面波滤波器采用声表面波梯形结构，这样最前端的发射端可以实现极低的插入损耗(0.6dB)；发射端第二声表面波滤波器采用梯形声表面波滤波器与带阻声表面波滤波器相结合，可实现通带低插损而对特定频段的高抑制(对接收频段382MHz-386MHz的抑制在60dB以上)，且因为其放于发射电路术级功率放大器之前故不增加发射端的插入损耗。比较本实施例和普通的现有技术，本发明的声表面波双工器既可以实现发射与接收的高收发隔离度，又可实现极低的插入损耗(发射滤波器插入损耗为0.6dB，接受滤波器插入损耗为3.3dB)，还可以减小体积和成本。它的体积一般为几百mm³，与现有腔体式双工器相比，体积大大减小(一般为为腔体式双工器的几百分之一)。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明实施例中的一个梯形声表面波滤波器的平面略图；

图3是本发明实施例中的一个单端对SAW谐振器的平面略图；

图4是本发明实施例中的一个常规SAW纵向耦合谐振滤波器的平面略图；

图5是本发明实施例声表面波双工器的结构图；

图6是本发明实施例双工器的发射端声表面波滤波器的频率响应曲线；

图7是本发明实施例声表面波双工器的发射端第二声表面波滤波器的频率响应曲线；

图8是本发明实施例声表面波双工器的接收端声表面波滤波器的频率响应曲线。

具体实施方式

现在以手机为例，结合附图和实施例对本发明的工作原理详细叙述如下：

制做一个声表面波滤波器，参考图1和图5，在本实施例中，双工器的压电基片7、23和24采用矩形42°YX-LiTaO₃压电基片，在压电基片7、23和24的上表面分别镀覆金属铝，然后分别光刻出如图5所示的发射端声表面波滤波器4、发射端第二声表面波滤波器4′和接收端声表面波滤波器5，接收端声表面波滤波器5的输入端串联移相器6后和发射端声表面波滤波器4通过电极1并联，接收端声表面波滤波器5的输出端接电极3，发射端声表面波滤波器4通过发射电路中的末级功率放大器25和发射端第二声表面波滤波器4′串联，最后接电极2。在应用中，电极1用于与手机天线电连接，电极2用于与手机发射电路(该发射电路指的是一般发射电路中末级功率放大器前级的部分)电连接，电极3用于与手机接收电路电连接。

在本发明实施例中，发射端声表面波滤波器4是采用梯形声表面波滤波器的结构，梯形声表面波滤波器8的结构如图2所示，它由第一压电基片7和制作在第一压电基片7上的串联单端对SAW谐振器15和并联单端对SAW谐振器14组成。其中的单端对SAW谐振器如图3所示，单端对SAW谐振器15由第一压电基片7和制作在第一压电基片7上的叉指换能器22及在其两端的金属反射栅阵20和21组成。叉指换能器22不加权，其叉指电极的宽度和间隔均为0.25波长。金属反射栅阵20和21采用短路栅条，其栅条宽度和间隔均为0.25波长。根据需要，叉指换能器22和反射栅20、21的同步频率略有不同，叉指换能器22的同步频率是反射栅阵20、21同步频率的1-1.05倍。在本发明实施例中，串联单端对SAW谐振器15采取叉指换能器22的同步频率是反射栅阵20、21同步频率的1.01倍；并联单端对SAW谐振器14采取其叉指换能器的同步频率是其反射栅阵同步频率的1倍。发射端声表面波滤波器4的中心频率为374MHz，因梯形声表面波滤波器8采用SAW谐振器构成，故可实现低插入损耗，满足双工器发射端低插入损耗(小于2dB)的要求。

发射第二声表面波滤波器4′是采用梯形声表面波滤波器串联声表面波带阻滤波器的结构，如图5所示，其中心频率为374MHz，因梯形声表面波滤波器和声表面波带阻滤波器均采用SAW谐振器构成，故可实现低插入损耗。而声表面波带阻滤波器12可实现对接收频段的高抑制，满足双工器发射端低插入损耗以及对接收频段的高抑制(大于60dB)的要求，其中声表面波带阻滤波器12由两个并联单端对声表面波谐振器通过电极10、11与一个外接串联电感9按∏形连接而成。在本实施例中，采取了4级梯形声表面波滤波器串联1级声表面波带阻滤波器的结构，以提高对382MHz-386MHz频带的抑制，即双工器的收发隔离度。

在本发明实施例中，接收端声表面波滤波器5由两个级连的纵向耦合谐振滤波器组成，其中心频率为384MHz。纵向耦合谐振滤波器13的结构如图4所示，它由第二压电基片24和制作在第二压电基片24上的两个叉指换能器16，17及在其两端的金属反射栅阵18，19组成。叉指换能器16、17不加权，其叉指电极的宽度和间隔均为0.25波长。金属反射栅阵18、19采用短路栅条，其栅条宽度和间隔均为0.25波长。在本实施例中，叉指换能器16、17的同步频率是反射栅阵18、19同步频率的1.01倍，采取了二级级连，以提高带外的抑制，即双工器的收发隔离度。

在本发明实施例中，移相器6由两个串联电容与一个并联电感按T形连接而成(LC高通网络)。

如图6、图7、图8所示，其中，图6是采用图5中所示的发射端声表面波滤波器4的芯片结构、基片材料采用36°YX-LiTaO3时的幅频相应曲线，从图6中可以看出，中心频率372.45MHz，1dB带宽为8.5MHz(覆盖了发射频段372MHz～376MHz)，插入损耗为0.6dB，满足发射端低插入损耗的要求；图7是采用图5中所示的发射第二声表面波滤波器4′的芯片结构、基片材料采用42°YX-LiTaO3时的幅频相应曲线，从图7中可以看出，中心频率372.53MHz，带宽为6.6MHz(基本覆盖了发射频段372MHz～376MHz)，插入损耗为2.1dB，对接收频段(382MHz～386MHz)的抑制大于60dB，满足发射端在发射频段低插入损耗、对接收频段高抑制的要求；图8是采用图5中所示的接收端表面波滤波器5的芯片结构、基片材料采用42°YX-LiTaO3时的幅频相应曲线，从图8中可以看出，中心频率384.7MHz，带宽5.4MHz(覆盖了接收频段382MHz～386MHz)，插入损耗为3.3dB，对发射频段(372MHz～376MHz)的抑制大于50dB，满足接收端较低插入损耗且对发射频段高抑制的要求。

本发明实施例的声表面波双工器的工作原理叙述如下。在发射工作状态，发射信号由手机发射电路经电极2输入，通过发射端第二声表面波滤波器4′，由图7可知，发射端第二声表面波滤波器4′对接收频段(382MHz～386MHz)的抑制大于60dB，再经过功率放大器放大后，通过发射端声表面波滤波器4，其插入损耗仅为0.6dB，对接收频段(382MHz～386MHz)的抑制大于15dB，最后通过电极1进入手机天线并向外辐射。此时发射端出来的信号中在接收频段(382MHz～386MHz)的信号已经被抑制得很弱了，在接收端中，发射信号通过移相器6进入接收端声表面波滤波器5，由图8可知，接收端声表面波滤波器5对发射频段(372MHz～376MHz)的抑制大于50dB，因此发射信号无法通过接收端声表面波滤波器5进入手机接收电路。

在接收工作状态，接收信号由手机天线接收经电极1输入移相器6，再通过接收端声表面波滤波器5由电极3输入手机接收电路。此时，虽然接收信号还会经电极1进入发射端，但由于进入发射电路的信号一般来说对通话质量无多大影响，因此不必考虑。

比较本实施例和普通的现有技术，本发明的声表面波双工器既可以实现发射与接收的高收发隔离度，又可实现极低的插入损耗(发射滤波器插入损耗为0.6dB，接受滤波器插入损耗为3.3dB)，还可以实现小的体积。本实施例中，在把双工器做成成品时，将发射端第一声表面波滤波器4和接收端声表面波滤波器5封装在一起，将发射端第二声表面波滤波器4′单独封装，而移相器由外接系统提供，其两个封装体体积分别为336mm³和85.5mm³，与现有腔体式双工器相比，体积大大减小(一般为为腔体式双工器的几百分之一)。

Claims (6)

1.一种声表面波双工器，含有一个发射端声表面波滤波器(4)、一个接收端声表面波滤波器(5)和一个外接移相器(6)，所述接收端声表面波滤波器(5)的输入端串联移相器后(6)和发射端声表面波滤波器(4)的输出端并联通过电极(1)接天线，接收端声表面波滤波器(5)的另一端通过电极(3)与接收电路电连接，发射端声表面波滤波器(4)的另一端接发射电路末级功率放大器(25)的输出端；其特征在于，所述声表面波双工器还包含一个设置在末级功率放大器(25)前级的发射端第二声表面波滤波器(4′)，该发射端第二声表面波滤波器(4′)输出端接末级功率放大器(25)的输入端，另一端通过电极(2)接发射电路中末级功率放大器(25)前级的部分，所述的发射端第二声表面波滤波器(4′)是由梯形声表面波滤波器和声表面波带阻滤波器串联组成，其中梯形声表面波滤波器由串联单端对声表面波谐振器和并联单端对声表面波谐振器组成，并联谐振器的反谐振频率是串联谐振器的谐振频率的0.95-1.05倍，声表面波带阻滤波器由单端对声表面波谐振器与外接电感按∏形连接而成。

2.根据权利要求1所述的声表面波双工器，其特征是：所述的发射端声表面波滤波器(4)由梯形声表面波滤波器组成，其中梯形声表面波滤波器由串联单端对声表面波谐振器和并联单端对声表面波谐振器组成，并联谐振器的反谐振频率是串联谐振器的谐振频率的0.95-1.05倍。

3.根据权利要求1所述的声表面波双工器，其特征是：所述的接收端声表面波滤波器(5)是由两个或多个级连的纵向耦合谐振滤波器组成，或由梯型滤波器和两个或多个级连的纵向耦合谐振滤波器串联组成；所述的梯形声表面波滤波器由串联单端对声表面波振器和并联单端对声表面波谐振器组成，并联谐振器的反谐振频率是串联谐振器的谐振频率的0.95-1.05倍；所述的纵向耦合谐振滤波器，由第一叉指换能器(16)、第二叉指换能器(17)及在其两端的第一反射栅阵(18)、第二反射栅阵(19)组成，第一叉指换能器(16)、第二叉指换能器(17)均不加权，第一反射栅阵(18)、第二反射栅阵(19)均采用短路栅条，叉指换能器的同步频率是反射栅阵同步频率的1-1.05倍。

4.根据权利要求1所述的声表面波双工器，其特征是：所述的移相器，该移相器由LC低通网络，或LC高通网络构成。

5.根据权利要求1所述的声表面波双工器，特征是：所述的发射端声表面波滤波器(4)、接收端声表面波滤波器(5)和发射端第二声表面波滤波器(4′)均制做在压电基片上；所述压电基片采用旋转128°Y切割X传播铌酸锂，或Y切割Z传播铌酸锂，或旋转36°Y切割X传播钽酸锂，或旋转64°Y切割X传播铌酸锂，或旋转41°Y切割X传播铌酸锂。

6.根据权利要求1所述的声表面波双工器，其特征是：所述的单端对声表面波谐振器由叉指换能器及在其两端的反射栅阵组成；所述的叉指换能器不加权，所述的反射栅阵采用金属短路反射栅阵，或采用金属开路反射栅阵，或反射沟槽，或金属正负反射栅阵；所述的叉指换能器的同步频率是反射栅阵同步频率的1-1.05倍。

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