TWI625060B

TWI625060B - 具主動校準機制之聲波裝置

Info

Publication number: TWI625060B
Application number: TW105107944A
Authority: TW
Inventors: 林珩之; 楊金龍
Original assignee: 絡達科技股份有限公司
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2018-05-21
Also published as: TW201733364A

Abstract

具主動校準機制之聲波裝置包括至少一可調式聲波雙工器、一頻率鑑別器及一控制電路。可調式聲波雙工器包括一傳送濾波器、一接收濾波器、一第一迴路開關及一第二迴路開關。第一迴路開關用以接通傳送濾波器所形成一第一迴路。第二迴路開關用以接通接收濾波器所形成一第二迴路。頻率鑑別器透過第一迴路產生對應之一第一迴路校準訊號。控制電路再依據第一迴路校準訊號，調整傳送濾波器之操作頻寬。頻率鑑別器透過第二迴路產生對應之一第二迴路校準訊號。控制電路再依據第二迴路校準訊號，調整接收濾波器之操作頻寬。

Description

具主動校準機制之聲波裝置

本發明是有關於一種聲波裝置，且特別是有關於一種具主動校準機制之聲波裝置。

請參照第1圖，其繪示聲波裝置(acoustic-wave device)900之示意圖。聲波裝置900包括一壓電材料基板(piezoelectric substrate)910、一壓電薄膜層(piezo film layer)920及一指叉電容結構930。表面聲波在指叉電容結構930上傳播，並利用壓電薄膜層920，將電信號轉換成聲信號應用後再轉換為電信號。

隨著表面聲波技術的發展，聲波裝置900已在各方面有不同的應用。例如，聲波裝置900可作為行動電話的濾波器、振盪器、變壓器和傳感器。聲波裝置900亦可應用於無線電和電視方面，使無線電接收的操作頻寬很窄和準確。或者，聲波裝置900可利用表面聲波和聲波在地球表層傳播的性質，監測和預報地震。

然而，由於指叉電容結構930與壓電薄膜層920的熱膨脹係數不同，可能產生翹曲的現象。請參照第2A圖，其繪示聲波裝置900位於低溫狀態之示意圖。當聲波裝置900位於低溫狀態時，指叉電容結構930收縮程度大於壓電薄膜層920的收縮程度，而造成兩側向上翹曲的現象。在低溫時，指叉電容結構930的間距(pitch)縮小，而將使訊號朝向高頻偏移。

請參照第2B圖，其繪示聲波裝置900位於高溫狀態之示意圖。當聲波裝置900位於高溫狀態時，指叉電容結構930擴張程度大於壓電薄膜層920的擴張程度，而造成兩側向下翹曲的現象。在高溫時，指叉電容結構930的間距(pitch)拉大，而將使訊號朝向低頻偏移。

請參照第3A圖，其繪示聲波裝置900在不同溫度之插入損耗(Insertion loss)曲線圖。頻率響應曲線L11係為攝氏20度所量測之插入損耗曲線，頻率響應曲線L12係為攝氏50度所量測之插入損耗曲線，頻率響應曲線L13係為攝氏85度所量測之插入損耗曲線。由三條頻率響應曲線L11、L12、L13可知，隨著溫度的上升，插入損耗逐漸往低頻飄移。

請參照第3B圖，其繪示聲波裝置900在不同溫度之反射損耗(Return loss)曲線圖。頻率響應曲線L21係為攝氏20度所量測之反射損耗曲線，頻率響應曲線L22係為攝氏50度所量測之反射損耗曲線，頻率響應曲線L23係為攝氏85度所量測之反射損耗曲線。由三條頻率響應曲線L21、L22、L23可知，隨著溫度的上升，反射損耗逐漸往低頻飄移。

此外，除了溫度所產生的訊號變異以外，製程的偏差也會使聲波裝置900產生訊號變異。舉例來說，指叉電容結構930的間距過小時，將使訊號朝向高頻偏移。指叉電容結構930的間距過大時，將使訊號朝向低頻偏移。

如上所述，溫度與製程所造成的訊號變異一直是難以克服的技術瓶頸，研究人員均致力於改善這方面的情況。

本發明係有關於一種具主動校準機制之聲波裝置，其利用直接對可調式聲波雙工器進行測試的方式，來瞭解傳送共振腔與接收共振腔因溫度因素或製程因素所發生的訊號變異，進而執行主動校準的動作。

根據本發明之第一方面，提出一種具主動校準機制之聲波裝置(acoustic-wave device)。具主動校準機制之聲波裝置包括至少一可調式聲波雙工器(adjustable acoustic-wave duplexer)、一頻率鑑別器(frequency discriminator)及一控制電路。可調式聲波雙工器具有一第一端點、一第二端點及一第三端點。可調式聲波雙工器包括一傳送濾波器(TX filter)、一接收濾波器(RX filter)、一第一迴路開關及一第二迴路開關。傳送濾波器電性連接於第一端點及第二端點之間。接收濾波器電性連接於第一端點及第三端點之間。第一迴路開關電性連接於第一端點及第三端點之間。第一迴路開關用以接通第二端點、傳送濾波器、第一端點及第三端點依序所形成之一第一迴路。第二迴路開關電性連接於第一端點及第二端點之間。第二迴路開關用以接通第二端點、第一端點、接收濾波器及第三端點依序所形成一第二迴路。頻率鑑別器連接可調式聲波雙工器。控制電路連接可調式聲波雙工器及頻率鑑別器。頻率鑑別器透過第一迴路輸入一第一迴路測試訊號及接收一第一迴路反饋訊號，以依據第一迴路測試訊號與第一迴路反饋訊號之一第一頻偏程度，產生對應之一第一迴路校準訊號。控制電路再依據第一迴路校準訊號，調整傳送濾波器之操作頻寬。頻率鑑別器透過第二迴路輸入一第二迴路測試訊號及接收一第二迴路反饋訊號，以依據第二迴路測試訊號與第二迴路反饋訊號之一第二頻偏程度，產生對應之一第二迴路校準訊號。控制電路再依據第二迴路校準訊號，調整接收濾波器之操作頻寬。

根據本發明之第二方面，提出一種具主動校準機制之聲波裝置(acoustic-wave device)。具主動校準機制之聲波裝置包括至少一可調式聲波雙工器(adjustable acoustic-wave duplexer)、一鎖相迴路(phase-locked loop,PLL)及一控制電路。可調式聲波雙工器包括一傳送濾波器(TX filter)及一接收濾波器(RX filter)。鎖相迴路包括一壓控振盪器(voltage-controlled oscillator,VCO)。壓控振盪器包括一校準共振腔。傳送濾波器、接收濾波器及校準共振腔設置於同一壓電材料基板。鎖相迴路依據校準共振腔之一頻偏程度，產生對應之一迴路校準訊號。控制電路連接可調式聲波雙工器及鎖相迴路。控制電路再依據迴路校準訊號，調整傳送濾波器或接收濾波器之操作頻寬。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100、900‧‧‧具主動校準機制之聲波裝置

110‧‧‧可調式聲波雙工器

111‧‧‧傳送濾波器

112‧‧‧接收濾波器

113‧‧‧第一迴路開關

114‧‧‧第二迴路開關

115‧‧‧相位偏移器

130‧‧‧頻率鑑別器

140‧‧‧控制電路

180‧‧‧切換器

190、910‧‧‧壓電材料基板

920‧‧‧壓電薄膜層

930‧‧‧指叉電容結構

C1、C2‧‧‧可變電容

I1、I2‧‧‧可變電感

Ia‧‧‧切換型電感

Ib‧‧‧微機電型電感

Ic‧‧‧電壓器型電感

L11、L12、L13、L21、L22、L23、L31、L32、L33、L41、L42、L43‧‧‧頻率響應曲線

S11‧‧‧第一迴路測試訊號

S12‧‧‧第一迴路反饋訊號

S13‧‧‧第一迴路校準訊號

S21‧‧‧第二迴路測試訊號

S22‧‧‧第二迴路反饋訊號

S23‧‧‧第二迴路校準訊號

P1‧‧‧第一端點

P2‧‧‧第二端點

P3‧‧‧第三端點

U1‧‧‧傳送共振腔

U2‧‧‧接收共振腔

第1圖繪示聲波裝置(acoustic-wave device)之示意圖。

第2A圖繪示聲波裝置位於低溫狀態之示意圖。

第2B圖繪示聲波裝置位於高溫狀態之示意圖。

第3A圖繪示聲波裝置在不同溫度之插入損耗(Insertion loss)曲線圖。

第3B圖繪示聲波裝置在不同溫度之反射損耗(Return loss)曲線圖。

第4圖繪示一實施例之具主動校準機制之聲波裝置之示意圖。

第5圖繪示可調式聲波雙工器之示意圖。

第6A圖繪示可變電容設定於不同電容值之插入損耗曲線圖。

第6B圖繪示可變電感設定於不同電感值之插入損耗曲線圖。

第7A~7C圖繪示可變電感之不同設計的示意圖。

請參照第4圖，其繪示一實施例之具主動校準機制之聲波裝置(acoustic-wave device)100之示意圖。聲波裝置100包括至少一可調式聲波雙工器(adjustable acoustic-wave duplexer)110、一頻率鑑別器(frequency discriminator)130、一控制電路140及一壓電材料基板(piezoelectric substrate)190。可調式聲波雙工器110包括一傳送濾波器(TX filter)111、一接收濾波器(RX filter)112、一第一迴路開關113及一第二迴路開關114。傳送濾波器111用以傳送訊號，接收濾波器112用以接收訊號。在一實施例中，聲波裝置100可以包括多組可調式聲波雙工器110，以處理多組不同頻段之訊號。多組可調式聲波雙工器110可藉由切換器180來進行切換。

請參照第5圖，其繪示可調式聲波雙工器110之示意圖。接收濾波器112連接一相位偏移器(phase shifter)115。傳送濾波器111包括數個傳送共振腔U1、二個可變電容C1及一可變電感I1。接收濾波器112包括數個接收共振腔U2、二個可變電容C2及一可變電感I2。傳送共振腔U1及接收共振腔U2係為指叉結構，其容易受到溫度或製程等因素而造成間距(pitch)的改變。

請參照第6A圖，其繪示可變電容C1設定於不同電容值之插入損耗曲線圖。以傳送濾波器111為例，在可變電感I1固定為1.5nH之下，頻率響應曲線L31係為可變電容C1設定為 0.25pF之插入損耗曲線，頻率響應曲線L32係為可變電容C1設定為0.40pF之插入損耗曲線，頻率響應曲線L33係為可變電容C1設定為0.55pF之插入損耗曲線。由三條頻率響應曲線L31、L32、L33可知，透過可變電容C1的控制，能夠改變傳送濾波器111的操作頻寬。同樣地，透過可變電容C2的控制，也能夠改變接收濾波器112的操作頻寬。如此一來，如第4圖所示，控制電路140可以控制可變電容C1或可變電容C2，以調整傳送濾波器111或接收濾波器112之操作頻寬。

請參照第6B圖，其繪示可變電感I1設定於不同電感值之插入損耗曲線圖。以傳送濾波器111為例，在可變電容C1固定為0.25pF之下，頻率響應曲線L41係為可變電感I1設定為0.5nH之插入損耗曲線，頻率響應曲線L42係為可變電感I1設定為1.5nH之插入損耗曲線，頻率響應曲線L43係為可變電感I1設定為2.5nH之插入損耗曲線。由三條頻率響應曲線L41、L42、L43可知，透過可變電感I1的控制，能夠改變傳送濾波器111的操作頻寬。同樣地，透過可變電感I2的控制，也能夠改變接收濾波器112的操作頻寬。如此一來，如第4圖所示，控制電路140可以控制可變電感I1或可變電感I2，以調整傳送濾波器111或接收濾波器112之操作頻寬。

請參照第7A~7C圖，其繪示可變電感I1、I2之不同設計的示意圖。在各種實施例中，可變電感I1、I2可以採用各種不同的設計。舉例來說，如第7A圖所示，可變電感I1、I2可以是一切換型電感(switch-typed inductor)Ia。如第7B圖所示，可變電感I1、I2可以是一微機電型電感(MENS-typed inductor)Ib。如第7C圖所示，可變電感I1、I2可以是一電壓器型電感(transformer-typed inductor)Ic。

請再參照第4圖，傳送濾波器111電性連接於第一端點P1及第二端點P2之間。接收濾波器112電性連接於第一端點P1及第三端點P3之間。第一迴路開關113電性連接於第一端點P1及第三端點P3之間。第一迴路開關113用以接通第二端點P2、傳送濾波器111、第一端點P1及第三端點P3依序所形成之一第一迴路。第二迴路開關114電性連接於第一端點P1及第二端點P2之間。第二迴路開關114用以接通第二端點P2、第一端點P1、接收濾波器112及第三端點P3依序所形成之一第二迴路。透過第一迴路開關113與第二迴路開關114的控制，第一迴路與第二迴路不同時接通。

頻率鑑別器130連接可調式聲波雙工器110。控制電路140連接可調式聲波雙工器110及頻率鑑別器130。頻率鑑別器130透過第一迴路輸入一第一迴路測試訊號S11及接收一第一迴路反饋訊號S12，以依據第一迴路測試訊號S11與第一迴路反饋訊號S12之一第一頻偏程度，產生對應之一第一迴路校準訊號S13。控制電路140再依據第一迴路校準訊號S13，以程式數位之方式調整傳送濾波器111之操作頻寬。

頻率鑑別器130透過第二迴路輸入一第二迴路測試訊號S21及接收一第二迴路反饋訊號S22，以依據第二迴路測試訊號S21與第二迴路反饋訊號S22之一第二頻偏程度，產生對應之一第二迴路校準訊號S23，控制電路140再依據第二迴路校準訊號S23，以程式數位之方式調整接收濾波器112之操作頻寬。第一迴路開關113及第二迴路開關114在校準完畢之後皆為開路狀態，以避免影響可調式聲波雙工器110的性能。

如上所述，控制電路140可以上述可變電容C1、C2或可變電感I1、I2來調整傳送濾波器111或接收濾波器112之操作頻寬。

根據上述實施例，具主動校準機制之聲波裝置100可以透過直接對傳送濾波器111或接收濾波器112進行測試的方式，來瞭解傳送共振腔U1與接收共振腔U2因溫度因素或製程因素所發生的訊號變異，進而執行主動校準的動作。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種具主動校準機制之聲波裝置(acoustic-wave device)，包括：至少一可調式聲波雙工器(adjustable acoustic-wave duplexer)，具有一第一端點、一第二端點及一第三端點，該可調式聲波雙工器包括：一傳送濾波器(TX filter)，電性連接於該第一端點及該第二端點之間；一接收濾波器(RX filter)，電性連接於該第一端點及該第三端點之間；一第一迴路開關，電性連接於該第一端點及該第三端點之間，該第一迴路開關用以接通該第二端點、該傳送濾波器、該第一端點及該第三端點依序所形成之一第一反饋迴路；及一第二迴路開關，電性連接於該第一端點及該第二端點之間，該第二迴路開關用以接通該第二端點、該第一端點、該接收濾波器及該第三端點依序所形成之一第二反饋迴路；一頻率鑑別器(frequency discriminator)，連接該可調式聲波雙工器；以及一控制電路，連接該可調式聲波雙工器及該頻率鑑別器；其中該頻率鑑別器透過該第一反饋迴路輸入一第一迴路測試訊號及接收該傳送濾波器之一第一迴路反饋訊號，以依據該第一迴路測試訊號與該第一迴路反饋訊號之一第一頻偏程度，產生對應之一第一迴路校準訊號，該控制電路再依據該第一迴路校準訊號，調整該傳送濾波器之操作頻寬；該頻率鑑別器透過該第二反饋迴路輸入一第二迴路測試訊號及接收該接收濾波器之一第二迴路反饋訊號，以依據該第二迴路測試訊號與該第二迴路反饋訊號之一第二頻偏程度，產生對應之一第二迴路校準訊號，該控制電路再依據該第二迴路校準訊號，調整該接收濾波器之操作頻寬。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該控制電路係以程式數位之方式調整該傳送濾波器及該接收濾波器之操作頻寬。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該傳送濾波器包括至少一可變電容，該控制電路控制該可變電容，以調整該傳送濾波器之操作頻寬。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該傳送濾波器包括至少一可變電感，該控制電路控制該可變電感，以調整該傳送濾波器之操作頻寬。
如申請專利範圍第4項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該可變電感係為一切換型電感(switch-typed inductor)、一微機電型電感(MENS-typed inductor)或一電壓器型電感(transformer-typed inductor)。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該接收濾波器包括至少一可變電容，該控制電路控制該可變電容，以調整該傳送濾波器之操作頻寬。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該接收濾波器包括至少一可變電感，該控制電路控制該可變電感，以調整該傳送濾波器之操作頻寬。
如申請專利範圍第7項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該可變電感係為一切換型電感(switch-typed inductor)、一微機電型電感(MENS-typed inductor)或一電壓器型電感(transformer-typed inductor)。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該第一迴路開關及該第二迴路開關在校準完畢之後皆為開路狀態。
如申請專利範圍第1項所述之具主動校準機制之聲波裝置，其中該傳送濾波器、該接收濾波器設置於同一壓電材料基板上。