CN1812260B - 双工器 - Google Patents

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Abstract

双工器。一种双工器包括：具有彼此不同的频带中心频率的发送滤波器和接收滤波器；相位匹配电路，执行有关发送滤波器和接收滤波器的相位匹配；以及叠层封装，包括其上安装有发送滤波器、接收滤波器以及相位匹配电路的第一层。在该双工器中，第一层包括：第一接地线路图案，其连接到发送滤波器的接地；第二接地线路图案，其连接到接收滤波器的接地；第三接地线路图案，连接到相位匹配电路的接地；以及多个信号线路图案。该叠层封装还包括位于第一层下面的第二层，该第二层包括：位于信号线路图案之间的分隔接地线路图案、外部连接用信号脚焊盘以及接地脚焊盘。经由该接地脚焊盘将第一接地线路图案和第二接地线路图案连接到分隔接地线路图案。

Description

双工器
技术领域
本发明总体上涉及双工器，并且更具体地涉及一种采用诸如表面声波器件或者压电薄膜器件的声波器件的双工器。
背景技术
近年来，随着移动通信系统的发展，移动电话手持机和移动信息终端得以迅速普及，并且针对具有更高性能的更小终端，制造商之间仍然在相互竞争。而且，同时存在用于移动电话通信的模拟和数字系统，并且在移动通信系统中使用的频率在从800Mhz至1GHz频带到1.5GHz至2.0GHz频带的范围内变化。已经提出将采用表面声波滤波器的天线双工器器件作为用于移动通信的设备。
在移动电话手持机的近期发展中，随着系统的种类变得更广泛，已将终端的功能改进成具有“双模”(模拟与数字系统的组合，和数字TDMA(时分多址)与CDMA(码分多地址)的组合)或者“双频”(800MHz频带与1.9GHz频带的组合，或者900MHz频带与1.8GHz或者1.5GHz的组合)。同样对用于这些移动通信系统的组件(滤波器)进行改进以具有更高性能。
同时，除了具有更高性能的功能以外，还存在对更小的设备和更低的生产成本的要求。通常利用电介质或者具有至少一种电介质的表面声波滤波器的复合双工器，或者仅利用表面声波设备来形成高性能终端中的各天线双工器。
由于各电介质双工器的较大尺寸，所以很难利用电介质双工器获得更小或者更薄的移动终端。即使在采用表面声波器件的情况下，电介质器件的尺寸也使得很难获得更小或者更薄的移动终端。在采用表面声波滤波器的传统双工器器件中，存在各自具有独立安装在印刷电路板上的发送滤波器、接收滤波器以及匹配电路的模块型器件，和各自具有安装在多层陶瓷封装中的发送和接收滤波器芯片以及在封装中提供的匹配电路的集成型器件。这些器件的每一个的体积是电介质双工器的体积的1/3到1/5，并且高度是电介质双工器的高度的1/2到1/3。因此，能够获得更小和更薄的双工器器件。
接下来，描述传统双工器。图1是例示出传统双工器的结构的方框图。图2示出该双工器的频率特性。在图2的曲线中，横坐标轴指示频率(其向右变得更高)，纵坐标轴指示通过强度(其向上变得更高)。如图1所示，双工器10包括两个滤波器12和13、相位匹配电路11、公共端子14以及独立端子15和16。公共端子14连接用于通过天线发送和接收电波的外部端子。发送端子15连接到外部发送电路，并且通过该发送端子15输入具有期望中心频率的信号。接收端子连接到外部接收电路，并且通过该接收端子16输出具有期望中心频率的信号。将发送端子15、接收端子16以及另一端子接地到地电平(GND)。
通常，将表面声波滤波器12和13以及相位匹配电路11容纳在多层陶瓷封装中。滤波器12和13是表面声波滤波器，并且具有彼此不同的通带中心频率F1和F2(F2＞F1)。例如，滤波器12是发送用滤波器，而滤波器13是接收用滤波器(下文中，将滤波器12和13称为发送滤波器和接收滤波器)。例如，在1.9GHz频带的双工器中，F1与F2之间的频率差约为100MHz。
提供相位匹配电路11以便防止滤波器12和13降低彼此的滤波器特性。这里，用Z1表示在从公共端子14处观察滤波器12的情况下的特征阻抗，并且用Z2表示在从公共端子14处观察滤波器13的情况下的特征阻抗。借助相位匹配电路11的功效，在通过公共端子14输入的信号的频率是F1的情况下，在滤波器12侧的特征阻抗Z1与公共端子14的特征阻抗值相同，并且由于反射系数为1，在滤波器13侧的特征阻抗Z2为无穷大。在信号频率是F2的情况下，由于反射系数是1，在滤波器12侧的特征阻抗为无穷大，并且滤波器13的特征阻抗Z2与公共端子14的特征阻抗相同。
接下来，描述提出更小器件的现有技术。日本特开2004-328676号公报公开了一种双工器，其中将表面声波滤波器芯片面向下安装到封装的芯片连接层(die-attach layer))，并且将用于相位匹配的线路图案排布在两层上。日本特许第3487692号公报(日本特开平9-98046号公报)公开了一种在相位匹配电路中具有集总常数型电感和电容器的表面声波双工器。
然而，在日本特开2004-328676号公报中，因为将用于相位匹配的线路图案排布在两层上，所以封装尺寸的边长达5mm、高度达1.5mm。因此，在日本特开2004-328676号公报中公开的双工器具有过高的缺点。此外，由于在信号线下紧挨着设置有大面积的接地图案(垫接地)，所以信号线的寄生电容增大，导致了阻抗匹配的劣化。由于阻抗匹配恶化，所以插入损耗增大。
此外，在日本特许第3487692号公报中，将双工器设计为比使用电介质滤波器的器件更小。因此，估计的器件尺寸是8×5.1×2.5mm。此外，日本特许第3487692号公报不涉及在封装中安装芯片的技术，尤其是在信号之间获得更高隔离的技术和调节用于并联臂(parallel-arm)谐振器的接地的电感的技术。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种消除了上述缺点的双工器。
本发明的更具体的目的是提供一种双工器，其虽然具有小的设备尺寸，但能保持信号之间的高度隔离和稳定的特性。
根据本发明的一方面，提供一种双工器，其包括：具有彼此不同的频带中心频率的发送滤波器和接收滤波器；在发送滤波器和接收滤波器上执行相位匹配的相位匹配电路；以及叠层封装，其包括其上安装有发送滤波器、接收滤波器以及相位匹配电路的第一层，该第一层包括连接到发送滤波器的接地的第一接地线路图案、连接到接收滤波器的接地的第二接地线路图案、连接到相位匹配电路的接地的第三接地线路图案以及多个信号线路图案，该叠层封装还包括位于第一层下面的第二层，该第二层包括位于信号线路图案之间的分隔接地线路图案、外部连接用信号脚焊盘以及接地脚焊盘，经由该接地脚焊盘将第一接地线路图案和第二接地线路图案连接到分隔接地线路图案。
根据本发明的另一方面，提供了一种双工器，其包括：具有彼此不同的频带中心频率的发送滤波器和接收滤波器；执行有关发送滤波器和接收滤波器的相位匹配的相位匹配电路；以及叠层封装，其包括其上安装有发送滤波器、接收滤波器以及相位匹配电路的第一层，该第一层包括连接到发送滤波器的接地的第一接地线路图案、和连接到接收滤波器的接地的第二接地线路图案，将第一接地线路图案和第二接地线路图案布置成，使得流过第一接地线路图案的电流的方向基本上与流过第二接地线路图案的电流的方向相反。
因此，本发明能够提供一种双工器，其虽然具有小的设备尺寸，但能保持信号之间的高度隔离和稳定的特性。本发明还提供了一种采用该双工器的电子器件。
附图说明
本发明的其它目的、特征和优点将通过结合附图来阅读以下详细的说明而变得明了，其中：
图1是例示传统双工器的结构的方框图；
图2示出了图1所示的双工器的频率特性；
图3是根据本发明的第一实施例的双工器的剖面图；
图4是去除盖的根据第一实施例的双工器的平面图；
图5A至5E例示了构成根据第一实施例的双工器的叠层封装的多个层；
图6是根据第一实施例的双工器的电路图；
图7是示出根据第一实施例的双工器的接收滤波器的频率特性和不具有分隔线路图案的传统双工器的接收滤波器的频率特性的曲线图；
图8是示出根据第一实施例的双工器的发送滤波器的频率特性和不具有分隔线路图案的传统双工器的发送滤波器的频率特性的曲线图；
图9例示了作为比较示例的双工器的结构；
图10示出了图9所示的比较示例和第一实施例的发送滤波器的频率特性；
图11示出了图9所示的比较示例和第一实施例的接收滤波器的频率特性；
图12是示出在为接收滤波器的各接地提供接收接地线路图案，并且经由接地脚焊盘将接收接地线路图案与分隔接地线路图案相连接的情况下的接收滤波器的频率特性的曲线图；
图13是示出在经由接地脚焊盘将发送接地线路图案与接收接地线路图案相连接的情况下的接收滤波器的频率特性的曲线图；
图14示出了第一实施例的改进例；
图15是根据本发明的滤波器芯片的示例结构的电路图；
图16A是根据本发明的滤波器芯片的另一示例结构的电路图；
图16B是根据本发明的滤波器芯片的另一示例结构的剖面图；
图17是采用图16A和16B中示出的滤波器芯片的双工器的电路图；以及
图18A和图18B例示了根据本发明的第二实施例的双工器的组件。
具体实施例
以下参照附图详细描述本发明的实施例。
(第一实施例)
图3是根据本发明的第一实施例的双工器的剖面图。双工器100包括滤波器芯片110、相位匹配电路130以及叠层封装120。双工器100实现了图1例示出的电路结构。叠层封装120具有依次层叠的陶瓷层121至124。层121至124包括盖安装层121、空腔122、芯片连接层123以及线路图案/脚焊盘层124。盖安装层121和空腔122构成用于形成叠层封装120中的空腔的空腔形成层125。芯片连接层123和线路图案/脚焊盘层124构成叠层封装120的基层126。利用凸块128将空腔中的滤波器芯片110和相位匹配电路130面向下地与芯片连接层123的芯片连接表面相接合。在芯片连接表面上还形成有稍后描述的电路图案。在线路图案/脚焊盘层124的上表面上还形成有稍后描述的另一电路图案，并且在下层(其是叠层封装120的底面)上形成有脚焊盘129。使用盖127密封叠层封装120的空腔。将芯片连接层123和线路图案/脚焊盘层124定义为第一层和第二层。
图4是去除了盖127的双工器100的平面图。相位匹配电路130是芯片状组件，并且与滤波器芯片110相邻。滤波器芯片110是利用单个芯片形成的或者包括形成在独立压电基板111上的发送滤波器112和接收滤波器113。
图5A至5E例示出叠层封装120的多个层。图5A示出盖安装层121。图5B示出空腔层122。图5C示出了芯片连接层123。图5D和5E示出线路图案/脚焊盘层124的上表面和下表面。
如图5C所示，芯片连接层123包括发送接地线路图案141、接收接地线路图案142、相位匹配电路接地线路图案143、发送信号线路图案144、接收信号线路图案145以及公共端子信号线路图案146。这些线路图案形成图6示出的电路。如图6所示，各线路图案包含电感组件。5C和5D中示出的小圆孔是用于电连接各层的通孔。
如图5D所示，在线路图案/脚焊盘层124的上表面上形成有发送接地线路图案151、接收接地线路图案152、发送信号线路图案154、接收信号线路图案155、公共端子信号线路图案156以及分隔接地线路图案160。如图5E所示，在线路图案/脚焊盘层124的下表面上形成有接地脚焊盘161至163、发送脚焊盘164、接收脚焊盘165以及公共端子脚焊盘166。这些脚焊盘在图3中都用标号129表示。图5D和5E中示出的线路图案和脚焊盘形成图6例示出的电路。将分隔接地线路图案160布置在信号线路图案之间。更具体地，将分隔接地线路图案160布置在公共端子信号线路图案146与接收信号线路图案145之间、公共端子信号线路图案146与发送信号线路图案144之间以及发送信号线路图案144与接收信号线路图案145之间。同样地，将分隔接地线路图案160插入图5D中所示的线路图案层中的信号线路图案之间。
图7是示出根据第一实施例的双工器的接收滤波器的频率特性和不具有分隔接地线路图案160的传统双工器的接收滤波器的频率特性的曲线图。在此曲线图中，横坐标轴指示频率(MHz)，并且纵坐标轴指示插入损耗(dB)。实线指示根据第一实施例的双工器的接收滤波器113的频率特性，而虚线指示传统双工器的接收滤波器的频率特性。在第一实施例中，将分隔接地线路图案160插入在接收信号线路图案145与155之间和公共端子信号线路图案146与156之间。从而，能够降低这些线路图案之间的桥接电容，并且能够实现具有高抑制特性的更小的双工器。芯片连接层123可以具有分隔接地线路图案。然而，必须在芯片连接层123中形成大量线路图案。因此，需要增大芯片连接层123的尺寸以便容纳分隔接地线路图案。在第一实施例中，将分隔接地线路图案160形成在位于芯片连接层123的下面的线路图案/脚焊盘层124的上表面上。从而，能够实现具有高抑制特性的更小的双工器。
图8是示出根据第一实施例的双工器的发送滤波器的频率特性和不具有分隔接地线路图案160的传统双工器的发送滤波器的频率特性的曲线图。在该曲线图中，横坐标轴指示频率(MHz)，并且纵坐标轴指示插入损耗(dB)。实线指示根据第一实施例的双工器的发送滤波器112的频率特性，并且虚线指示传统双工器的发送滤波器的频率特性。在第一实施例中，将分隔接地线路图案160插入在发送信号线路图案144与154之间和公共端子信号线路图案146与156之间。从而，能够降低这些线路图案之间的桥接电容，并且能够实现具有高抑制特性的更小的双工器。
利用形成在芯片连接层123和线路图案/脚焊盘层124中的发送接地线路图案141和151形成发送滤波器112所必需的电感。同样地，利用形成在芯片连接层123和线路图案/脚焊盘层124中的接收接地线路图案142和152形成接收滤波器113所必需的电感。发送接地线路图案141和151将发送滤波器112的接地直接连接到接地脚焊盘161。同样地，接收接地线路图案142和152将接收滤波器113的接地直接连接到接地脚焊盘162和163。此外，相位匹配电路接地线路图案143将相位匹配电路130的接地直接连接到接地脚焊盘163。分隔接地线路图案160将接地脚焊盘161至163彼此连接。利用这种结构，能够获得必需的接地电感，并且能够容易地进行控制。此外，能够与双工器的安装状态无关地实现几乎不受外部噪声影响的稳定的滤波器特性。
将分隔接地线路图案160插入在发送信号线路图案154与接收脚焊盘165之间和发送信号线路图案154与公共端子脚焊盘166之间。还将分隔接地线路图案160插入在接收信号线路图案155与发送脚焊盘164之间以及接收信号线路图案155与公共端子脚焊盘166之间。此外将分隔接地线路图案160插入在公共端子信号线路图案156与发送脚焊盘164之间以及公共端子信号线路图案156与接收脚焊盘165之间。将分隔接地线路图案160布置为不与发送信号线路图案144和接收信号线路图案145相交叠。利用这种结构，能够进一步降低信号之间的桥接电容，并且能够实现高抑制滤波器特性。在叠层封装120的基层126是如0.1mm薄的情况下该结构是有效的。如果在如此薄的基层的情况下，信号线路图案与分隔接地线路图案160相交叠，则会使信号线路图案的寄生电容大增，导致阻抗匹配的劣化和更多的插入损耗。
图9例示出作为比较示例的双工器的结构。该比较示例是第一实施例的结构的改进例。更具体地，分隔接地线路图案160连接除接地脚焊盘161至163以外的组件。例如，在图5D所示的线路图案层上，分隔接地线路图案160连接或者结合发送接地线路图案141和151、接收接地线路图案142和152以及相位匹配电路接地线路图案143。
图10示出了比较示例和第一实施例的发送滤波器112的频率特性。图11示出了比较示例和第一实施例的接收滤波器113的频率特性。在这些曲线图的每一个中，实线指示第一实施例的特性，虚线指示比较示例的特性。图10示出了未将分隔接地线路图案160连接到接收接地线路图案142和152时获得的测量结果。图11示出未将分隔接地线路图案160连接到发送接地线路图案141和151时获得的测量结果。在比较示例中，分隔接地线路图案160的电感极大地反映在特性中，并且阻带抑制差。在另一方面，第一实施例中的阻带抑制的程度高。
在图5A至5E和图6中，将接收接地线路图案142和152连接或者结合到接收滤波器113的接地，并且利用分隔接地线路图案160经由接地脚焊盘162和163彼此连接。如图12中通过实线所示，使用该结构能够增加接收滤波器113的阻带抑制的程度。图12中虚线指示接收滤波器113的接地连接在叠层封装120的内层中的比较示例的特性。
如上所述，经由接地脚焊盘161至163连接发送接地线路图案141和151与接收接地线路图案142和152，以便如图13所示增大阻带抑制的程度。图13中的虚线指示在叠层封装120中未将发送接地线路图案141和151与接收接地线路图案142和152连接的比较示例的特性。
可以如图14所示连接接地脚焊盘161至163。因为接地脚焊盘169覆盖线路图案/脚焊盘层124的底面的大部分，所以能够降低外部噪声的不利影响。此外，能够在用于电连接各层的通孔的定位中允许更高的自由度。
在下文中，描述根据第一实施例的双工器的材料和尺寸的示例。叠层封装120是用具有约为9.5的相对介电常数的氧化铝或者玻璃陶瓷制造的。相位匹配电路130是包括形成在绝缘基板上的电感和电容器的集总常数电路。叠层封装120的外径尺寸约为2.5×2×0.6mm。传统双工器的封装尺寸约为5×5×1.5mm或者3.8×3.8×1.5mm。与此相比，本发明的双工器小很多。例如，滤波器芯片可以例如是42°Y-切割X-传播的LiTaO3的压电单晶基板，并且在该压电单晶基板上形成阶梯形滤波器(发送滤波器112)和多模滤波器(接收滤波器113)。图15例示出滤波器芯片的示例。尽管多模滤波器具有图15中例示出的结构中的单端口结构，但其可以具有对称输出的结构。
发送滤波器112和接收滤波器113也可以是压电薄膜谐振器。图16A和16B例示出利用压电薄膜谐振器(FBAR)形成的滤波器(FBAR滤波器)的示例。图17示出采用FBAR滤波器的双工器的示例电路结构。图16A是FBAR滤波器的平面图，而图16B是沿X-X截取的FBAR滤波器的剖面图。第一FBAR滤波器包括几个FBAR。各FBAR是具有上电极膜24、压电膜23以及下电极膜22的叠层结构的结构。在该结构中，基板21中形成的空腔27紧邻地位于与上电极膜24相对的下电极膜22的下面，由此密封了弹性能量。例如，下电极膜22可以具有两层结构。例如，暴露于空腔27的膜可以是铬(Cr)膜，并且布置在Cr膜上的膜可以例如是钉(Ru)膜。在上电极膜24上形成有用于调节FBRA滤波器的中心频率两个调节层25和26。FBAR滤波器包括四个串联臂谐振器S1至S4和四个并联臂谐振器P1至P4。将并联臂谐振器P1至P4连接到形成在压电膜23上的接地图案28。将上电极膜24的两端用作输入/输出端子。
通过使用两个各自具有上述结构的FBAR滤波器，形成了图17中例示出的双工器。所示双工器包括FBAR滤波器40和50(分别实现了发送滤波器112和接收滤波器113)。分别为FBAR滤器40和50提供相位匹配电路20和30。在接地与FBAR滤波器40的并联臂谐振器P1和P2之间插入有电感LP1，并且在接地与FBAR滤波器40的并联臂谐振器P3和P4之间插入有电感LP2。这些电感LP1和LP2通过上述发送接地线路图案141和151以及接收接地线路图案142和152来实现。以与FBAR滤波器40同样的方式形成FBAR滤波器50。FBAR滤波器50包括四个串联臂谐振器S1’至S4’、四个并联臂谐振器P1’至P4’以及电感LP1’和LP2’。
根据本发明的具有上述结构的双工器不仅具有小的尺寸，而且该双工器能够在保持信号之间的高度隔离的同时恒定地表现出高的滤波器特性。
(第二实施例)
图18A和18B示出了根据本发明的第二实施例的双工器。在该实施例中，如图18A所示，流过发送接地线路图案151的接地电流的方向基本上与流过接收接地线路图案152的接地电流的方向相反。从而，能够降低接地之间的互感。图18B示出了第二实施例的滤波器特性(用实线指示)和比较示例的滤波器特性(用虚线指示)。比较示例具有其中流过发送接地线路图案151的接地电流的方向基本上与流过接收接地线路图案152的接地电流的方向相同的结构。如图18B所示，根据第二实施例的双工器具有更高的阻带抑制程度。
尽管已经示出并且描述了本发明的几个优选实施例，但本领域的技术人员应该理解，可以在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例进行改变，而本发明的范围由其权利要求及其等同物来限定。

Claims (6)

1.一种双工器，其包括：
具有彼此不同的频带中心频率的发送滤波器和接收滤波器；
相位匹配电路，其执行有关所述发送滤波器与所述接收滤波器的相位匹配；
叠层封装，其包括第一层、第二层、用于外部连接的第一接地脚焊盘、用于外部连接的第二接地脚焊盘、发送信号脚焊盘和接收信号脚焊盘，
在所述第一层上安装有所述发送滤波器、所述接收滤波器以及所述相位匹配电路，
所述第一层包括：第一接地线路图案，其连接到所述发送滤波器的接地；第二接地线路图案，其连接到所述接收滤波器的接地；第三接地线路图案，其连接到所述相位匹配电路的接地；第一发送信号线路图案，以及第一接收信号线路图案，
所述第二层位于所述第一层下面，所述第二层包括：第二发送信号线路图案，其通过所述第一发送信号线路图案连接到所述发送滤波器，并连接到所述发送信号脚焊盘；第二接收信号线路图案，其通过所述第一接收信号线路图案连接到所述接收滤波器，并连接到所述接收信号脚焊盘；以及，位于所述第二层的相同表面上，并在所述第二发送信号线路图案和所述第二接收信号线路图案之间的分隔接地线路图案，该分隔接地线路图案位于所述第一发送信号线路图案和所述第一接收信号线路图案之间；
所述第一接地线路图案仅经由所述第一接地脚焊盘与所述分隔接地线路图案相连，
所述第二接地线路图案仅经由所述第二接地脚焊盘与所述分隔接地线路图案相连。
2.根据权利要求1所述的双工器，其中，在所述接地脚焊盘上连接所述第一接地线路图案与所述第二接地线路图案。
3.根据权利要求1所述的双工器，其中，所述第一接地线路图案不与所述第二接地线路图案相交叠。
4.根据权利要求1所述的双工器，其中，在至少一个芯片上形成所述发送滤波器和所述接收滤波器，并且将发送滤波器和所述接收滤波器面向下地安装到所述第一层。
5.根据权利要求1所述的双工器，其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器是表面声波滤波器。
6.根据权利要求1所述的双工器，其中，所述发送滤波器和所述接收滤波器是压电薄膜滤波器。
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