一種低插損壓電聲波帶通濾波器及實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種低插損壓電聲波帶通濾波器及實現方法，所述實現方法包括以下步驟：利用一個第一類壓電聲波諧振器構成一個串聯枝；利用一個第二類壓電聲波諧振器構成一個具有接地端的并聯枝；通過將所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接，形成一個聲波帶通濾波器單元；級聯多個所述聲波帶通濾波器單元；其中，所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值；所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。本發明能夠在不改變帶外抑制的情況下降低濾波器的通帶插入損耗。
【專利說明】一種低插損壓電聲波帶通濾波器及實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓電聲波帶通濾波器，特別涉及一種能夠使帶通濾波器通帶的插入損耗低于傳統結構帶通濾波器的電路結構及其相關的實現方法。
【背景技術】
[0002]手持移動通信產品正在迅速地往小型化和輕便化發展，而隨著這些產品尺寸的減小，價格也持續下降，但功能卻逐漸增強。在這微型化的發展浪潮中，作為無線通信系統的關鍵部件，高性能的射頻濾波器扮演著極重要的角色。濾波器廠商面臨著在不改變甚至提高濾波器性能的前提下進一步縮小濾波器體積的任務。而由于手持移動通信產品中各類耗能應用和器件的不斷增加，使得濾波器的低插入損耗對延長通話時間和電池壽命變得非常重要。
[0003]利用諧振器設計射頻濾波器電路的拓撲結構主要有梯形結構和網格狀結構，目前在高性能射頻濾波器的設計中，梯形結構的設計方法較為流行。體波BAW諧振器是一種壓電聲波諧振器，主要包括薄膜體聲波諧振器FBAR和固態裝配聲波諧振器SMR。體波諧振器因其高品質因數聞名，包含一個或多個體波諧振器的帶通濾波器已經成為傳統的基于聲表面波SAW諧振器和陶瓷Ceramic諧振器的濾波技術的有力競爭者。
[0004]圖1顯示了一個傳統梯形結構聲波帶通濾波器100，它由聲波帶通濾波器單元101，102，……，IOn級聯組成。聲波帶通濾波器單元101包括連接在串聯枝上的串聯諧振器101-1和連接在并聯 枝上的并聯諧振器101-2。聲波帶通濾波器單元102，103，……，IOn與聲波帶通濾波器單元101類似。圖1中構成聲波帶通濾波器單元101，102，……，IOn的串聯諧振器101-1，102-1，……，IOn-1與并聯諧振器101-2，102-2，……，10n-2可以是薄膜體聲波諧振器(FBAR)或者固態裝配諧振器(SMR)。
[0005]圖2顯示了是圖1中串聯諧振器101-1和并聯諧振器101-2的頻率響應曲線，其中，曲線210是圖1中串聯諧振器101-1的頻率響應曲線，曲線220是圖1中并聯諧振器101-2的頻率響應曲線。圖2中橫坐標表示頻率,縱坐標表示阻抗值。諧振器101-1在阻抗達到最小值時的頻率定義為串聯諧振頻率fslOl-Ι，在阻抗達到最大值時的頻率定義為并聯諧振頻率fplOl-Ι ;并聯諧振器101-2在阻抗達到最小值時的頻率定義為串聯諧振頻率fslOl-2，在阻抗達到最大值時的頻率定義為并聯諧振頻率fpl01-2。加工過程中，在并聯諧振器101-2中增加一層頻率調諧層，使得fsl01-2小于fsl01-l，fpl01-2小于fplOl-Ι，且fpl01-2等于或接近于fslOl-Ι。在設計聲波帶通濾波器時，如圖1所示的傳統梯形結構聲波帶通濾波器100，所有的串聯枝上的串聯諧振器的串聯諧振頻率和并聯諧振頻率相同，所有的并聯枝上的并聯諧振器的串聯諧振頻率和并聯諧振頻率相同。
[0006]聲波諧振器在串聯諧振頻率與并聯諧振頻率范圍之內諧振器等效為高品質因數電感，在串聯諧振頻率與并聯諧振頻率之外等效為高品質因數電容。
[0007]圖3所示曲線為是圖1中串聯諧振器101-1與并聯諧振器101-2組成的梯形結構壓電聲波帶通濾波器單元101的頻率響應曲線。通過設計諧振器層疊結構使得并聯諧振器101-2的并聯諧振頻率fpl01-2等于或接近于串聯諧振器101-1的串聯諧振頻率fsl01_l。當輸入信號頻率在fpl01-2附近時，串聯諧振器101-1處于串聯諧振狀態，阻抗值處于極小值附近，并聯諧振器101-2處于并聯諧振狀態，阻抗值處于極大值附近。輸入信號以最小的衰減通過諧振器101-1，而101-2阻抗值達到峰值，起到了最佳的對地隔離效果，所以信號會以最小的衰減通過壓電聲波帶通濾波器單元101。fpl01-2或者fslOl-Ι稱為壓電聲波帶通濾波器單元的通帶中心頻率。串聯諧振器101-1在fslOl-Ι附近極低的阻抗值和并聯諧振器101-2在fpl01-2附近極高的阻抗值共同保證了濾波器通帶311的性能。當輸入信號頻率小于fslOl-2或大于fpl01-l時，諧振器等效為電容，電容的大小由諧振器的面積和諧振器上下電極的距離決定。壓電聲波帶通濾波器的帶外抑制性能主要決定于并聯枝上的諧振器面積與串聯枝上的諧振器面積比值大小和級聯的聲波帶通濾波器單元的個數。
[0008]綜上，用體波諧振器構成的梯形結構射頻濾波器的通帶插入損耗性能主要由處于并聯枝上的并聯諧振器在其并聯諧振頻率附近的阻抗值和處于串聯枝的串聯諧振器在其串聯諧振頻率附近的阻抗值共同決定。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于提供一種低插損壓電聲波帶通濾波器及實現方法，能更好地解決壓電聲波帶通濾波器的通帶插入損耗問題。
[0010]根據本發明的一個方面，提供了一種低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，包括:
[0011]利用一個第一類壓電聲波諧振器構成一個串聯枝；
[0012]利用一個第二類壓電聲波諧振器構成一個具有接地端的并聯枝；
[0013]通過將所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接，形成一個聲波帶通濾波器單元；
[0014]級聯多個所述聲波帶通濾波器單元；
[0015]其中，所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值；
[0016]所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。
[0017]優選地，所述第一類壓電聲波諧振器的串聯諧振頻率等于或接近所述第二類壓電聲波諧振器的并聯諧振頻率。
[0018]優選地，所述第一類壓電聲波諧振器具有I型聲學色散特性，使得所述諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值達到極小。
[0019]優選地，所述第一類壓電聲波諧振器是薄膜體聲波諧振器或固態裝配諧振器。
[0020]優選地，所述第二類壓電聲波諧振器具有II型聲學色散特性，使得所述諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值達到極大。
[0021]優選地，所述第二類壓電聲波諧振器是薄膜體聲波諧振器或固態裝配諧振器。
[0022]優選地，所述第一類壓電聲波諧振器和第二類壓電聲波諧振器具有基本層疊結構，所述基本層疊結構包含下電極層、壓電層和上電極層。
[0023]優選地，所述下電極層和上電極層的材料是銅、鋁、鑰、鉬、金、鎢之一，所述壓電層的材料是氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛之一。
[0024]根據本發明的另一方面，提供了一種低插損壓電聲波帶通濾波器，包括級聯的多個聲波帶通濾波器單元；
[0025]所述聲波帶通濾波器單元包括:
[0026]利用一個第一類壓電聲波諧振器構成的一個串聯枝；
[0027]利用一個第二類壓電聲波諧振器構成的具有一個接地端的并聯枝；
[0028]其中，所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接；
[0029]所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值；
[0030]所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。
[0031]優選地，所述第一類壓電聲波諧振器的串聯諧振頻率等于或接近所述第二類壓電聲波諧振器的并聯諧振頻率。
[0032]與現有技術相比較，本發明的有益效果在于:
[0033]本發明能夠在不影響壓電聲波帶通濾波器帶外抑制的情況下，提高通帶性能，SP降低了通帶插入損耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是一個傳統的梯形結構帶通濾波器的方框圖；
[0035]圖2是圖1中串聯諧振器101-1和并聯諧振器101-2的頻率響應曲線圖；
[0036]圖3是圖1中壓電聲波帶通濾波器單元101的頻率響應曲線圖；
[0037]圖4是I型和II型體波諧振器的聲學色散曲線圖；
[0038]圖5是I型和II型體波諧振器的頻率響應曲線圖；
[0039]圖6是本發明提供的梯形結構的壓電聲波帶通濾波器的方框圖；
[0040]圖7是圖1中串聯諧振器101-1和并聯諧振器101-2以及圖6中串聯諧振器601-1和并聯諧振器601-2的頻率響應曲線圖；
[0041]圖8是圖1中壓電聲波帶通濾波器單元101和圖6中壓電聲波帶通濾波器單元601的頻率響應曲線圖。
【具體實施方式】
[0042]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明，應當理解，以下所說明的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0043]構成圖1所示聲波帶通濾波器單元的體聲波諧振器在聲學傳播模式上具有兩種聲學色散特性，分別為I型聲學色散特性和II型聲學色散特性。分別稱具有I型聲學色散特性的體聲波諧振器為I型體聲波諧振器，具有II型聲學色散特性的體聲波諧振器為II型體聲波諧振器。圖4分別顯示了 I型和II型體聲波諧振器的聲學色散曲線，其中縱坐標表示頻率，橫坐標表示傳播常數β。橫坐標與縱坐標的交點以左表示傳播常數為虛數，交點以右表示傳播常數為實數。色散曲線上的每個點表示聲波諧振器的每個工作頻率下對應的傳播常數，傳播常數為虛數對應瞬逝波，傳播常數為實數對應的是行波。只有當聲波在電極以外區域對應的傳播常數為虛數而在電極以內區域對應的傳播常數為實數時，能量才能被束縛在諧振器電極區域以內從而產生諧振。I型和II型體聲波諧振器的聲學色散曲線不同，I型體聲波諧振器的聲學色散曲線中TE模式在對應的TS模式的上方,II型體聲波諧振器的聲學色散曲線中TE模式在對應的TS模式的下方。I型和II型體聲波諧振器產生諧振時內部聲波的傳播模式也是不同的，對應在串聯諧振頻率和并聯諧振頻率附近的阻抗值也有所差別。
[0044]圖5顯示了諧振頻率相同的I型和II型體聲波諧振器的頻率響應曲線，圖中橫坐標表示頻率，縱坐標表示阻抗值。曲線520表示I型體聲波諧振器的頻率響應曲線，曲線510表示II型體聲波諧振器的頻率響應曲線。如圖4中所示在相同的諧振頻率下I型體聲波諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值小于II型體聲波諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值。II型體聲波諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值大于I型體聲波諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值。
[0045]圖6顯示了是本發明提供的一種梯形結構的壓電聲波帶通濾波器600，包括級聯的多個聲波帶通濾波器單元，所述聲波帶通濾波器單元包括:利用一個第一類壓電聲波諧振器構成的一個串聯枝和利用一個第二類壓電聲波諧振器構成的具有一個接地端的并聯枝，其中，所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接，所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值，所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。所述第一類壓電聲波諧振器和第二類壓電聲波諧振器具有不同的串聯諧振頻率和并聯諧振頻率，使得所述第一類壓電聲波諧振器的串聯諧振頻率等于或接近所述第二類壓電聲波諧振器的并聯諧振頻率。所述第一類壓電聲波諧振器和所述第二類壓電聲波諧振器可以是薄膜體聲波諧振器，也可以是固態裝配諧振器。
[0046]也就是說，本發明提供的壓電聲波帶通濾波器與傳統梯形結構的聲波帶通濾波器類似，由聲波帶通濾波器單元601，602，……，60n級聯組成。聲波帶通濾波器單元601包括連接在串聯枝上的串聯諧 振器601-1和連接在并聯枝上的并聯諧振器601-2。聲波帶通濾波器單元602，603，……，60n與聲波帶通濾波器單元601類似。圖6中構成聲波帶通濾波器單元601，602，……，60n的串聯諧振器601-1，602-1，……，60n_l與并聯諧振器601-2，602-2，……，60n-2可以是薄膜體聲波諧振器FBAR和固態裝配諧振器SMR中的一種。圖6中串聯枝上的串聯諧振器601-1,602-1，……，60n-l是第一類壓電聲波諧振器，具有I型聲學色散特性，為I型體聲波諧振器，所述諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值達到極小；并聯枝上的并聯諧振器601-2，602-2，……，60n-2是第二類壓電聲波諧振器，具有II型聲學色散特性，為II型體聲波諧振器，所述諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值達到極大。
[0047]上述低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法包括以下步驟:
[0048]利用一個第一類壓電聲波諧振器構成一個串聯枝；
[0049]利用一個第二類壓電聲波諧振器構成一個具有接地端的并聯枝；
[0050]通過將所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接，形成一個聲波帶通濾波器單元；
[0051 ] 級聯多個所述聲波帶通濾波器單元；
[0052]其中，所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值；
[0053]所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。
[0054]所述第一類壓電聲波諧振器的串聯諧振頻率等于或接近所述第二類壓電聲波諧振器的并聯諧振頻率。
[0055]所述第一類壓電聲波諧振器具有I型聲學色散特性，使得所述諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值達到極小。所述第二類壓電聲波諧振器具有II型聲學色散特性，使得所述諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值達到極大。所述第一類壓電聲波諧振器和所述第二類壓電聲波諧振器是薄膜體聲波諧振器或固態裝配諧振器。所述第一類壓電聲波諧振器和第二類壓電聲波諧振器具有基本層疊結構，所述基本層疊結構包含下電極層、壓電層和上電極層，其中，所述下電極層和上電極層的材料是銅、鋁、鑰、鉬、金、鎢之一，所述壓電層的材料是氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛之一。
[0056]圖7顯示了圖1中串聯諧振器101-1和并聯諧振器101-2以及圖6中串聯諧振器601-1和并聯諧振器601-2的頻率響應曲線圖，其中，以所述串聯諧振器101-1和并聯諧振器101-2全部是I型體聲波諧振器為例，與本發明的串聯諧振器601-1和并聯諧振器601-2的頻率響應進行對比。圖中橫坐標表示頻率，縱坐標表示阻抗。曲線710表示傳統梯形聲波帶通濾波器100并聯枝上并聯諧振器101-2的頻率響應曲線，曲線720表示傳統梯形聲波帶通濾波器100串聯枝上串聯諧振器101-1的頻率響應曲線。曲線730表示本發明梯形聲波帶通濾波器600并聯枝上并聯諧振器601-2的頻率響應曲線，曲線740表示本發明梯形聲波帶通濾波器600串聯枝上串聯諧振器601-1的頻率響應曲線。與傳統梯形聲波帶通濾波器的諧振器相比，串聯諧振器601-1在串聯諧振頻率附近的阻抗值與串聯諧振器101-1在串聯諧振頻率附近的阻抗值相當，而并聯諧振器601-2在并聯諧振頻率附近的阻抗值大于并聯諧振器101-2在并聯諧振頻率附近的阻抗值。
[0057]圖8顯示了圖1中壓電聲波帶通濾波器單元101和圖6中壓電聲波帶通濾波器單元601的頻率響應曲線圖，其中，以所述聲波帶通濾波器單元101的串聯諧振器101-1和并聯諧振器101-2全部是I型體聲波諧振器為例，與本發明的聲波帶通濾波器單元601的頻率響應進行對比。曲線810是全部由I型體聲波諧振器構成的傳統梯形壓電聲波帶通濾波器100中聲波帶通濾波器單元101的頻率響應曲線，曲線820是本發明的梯形聲波壓電帶通濾波器600中聲波帶通濾波器單元601的頻率響應曲線。圖中橫坐標表示頻率，縱坐標表示插入損耗幅值。如圖8所示，本發明的聲波帶通濾波器單元601與傳統聲波帶通濾波器單元101的帶外抑制性能基本一樣。同時，因為601-2在并聯諧振頻率附近的阻抗值大于諧振器101-2在并聯諧振頻率附近的阻抗值，所以聲波帶通濾波器單元601的通帶插入損耗性能優于傳統聲波帶通濾波器單元101。
[0058]圖7和圖8中所述傳統梯形壓電聲波帶通濾波器100中諧振器的聲學色散曲線并不只局限于I型，上述對比例僅為了說明本發明的聲波帶通濾波器結構能夠在不改變帶外抑制的情況下，通過使串聯諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值達到最小，使并聯諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值達到最大，獲得比傳統梯形壓電聲波帶通濾波器更好的插入損耗性能。
[0059]總體來說，本發明提供了一種由多個體聲波諧振器構成的梯形結構的壓電聲波帶通濾波器，其中處于串聯枝上的體聲波諧振器具有I型聲學色散特性，降低了諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值，處于并聯枝上的體聲波諧振器具有II型聲學色散特性，增加諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值。相比傳統梯形結構的壓電聲波帶通濾波器，從而在不改變帶外抑制性能的情況下獲得更好的插入損耗性能，即降低了濾波器的通帶插入損耗。
[0060]盡管上文對本發明進行了詳細說明，但是本發明不限于此，本【技術領域】技術人員可以根據本發明的原理進行各種修改。因此，凡按照本發明原理所作的修改，都應當理解為落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，包括以下步驟: 利用一個第一類壓電聲波諧振器構成一個串聯枝； 利用一個第二類壓電聲波諧振器構成一個具有接地端的并聯枝； 通過將所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接，形成一個聲波帶通濾波器單元； 級聯多個所述聲波帶通濾波器單元； 其中，所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值； 所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。
2.根據權利要求1所述的低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，所述第一類壓電聲波諧振器的串聯諧振頻率等于或接近所述第二類壓電聲波諧振器的并聯諧振頻率。
3.根據權利要求1所述的低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，所述第一類壓電聲波諧振器具有I型聲學色散特性，使得所述諧振器在串聯諧振頻率附近的阻抗值達到極小。
4.根據權利要求3所述的低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，所述第一類壓電聲波諧振器是薄膜體聲波諧振器或固態裝配諧振器。
5.根據權利要求1所述的低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，所述第二類壓電聲波諧振器具有II型聲學色散特性，使得所述諧振器在并聯諧振頻率附近的阻抗值達到極大。
6.根據權利要求5所述的低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，所述第二類壓電聲波諧振器是薄膜體聲波諧振器或固態裝配諧振器。
7.根據權利要求1-6任意一項所述的低插損壓電聲波帶通濾波器的實現方法，其特征在于，所述第一類壓電聲波諧振器和第二類壓電聲波諧振器具有基本層疊結構，所述基本層疊結構包含下電極層、壓電層和上電極層。
8.根據權利要求7所述的低插損壓電聲波帶通濾波器，其特征在于，所述下電極層和上電極層的材料是銅、鋁、鑰、鉬、金、鎢之一，所述壓電層的材料是氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛之一。
9.一種低插損壓電聲波帶通濾波器，其特征在于，包括:級聯的多個聲波帶通濾波器單元； 所述聲波帶通濾波器單元包括: 利用一個第一類壓電聲波諧振器構成的一個串聯枝； 利用一個第二類壓電聲波諧振器構成的具有一個接地端的并聯枝； 其中，所述串聯枝的任一端與所述并聯枝的非接地端連接； 所述第一類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器串聯諧振頻率處的阻抗值； 所述第一類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值小于所述第二類壓電聲波諧振器并聯諧振頻率處的阻抗值。
10.根據權利要求9所述的低插損壓電聲波帶通濾波器，其特征在于，所述第一類壓電聲波諧振器的串聯 諧振頻率等于或接近所述第二類壓電聲波諧振器的并聯諧振頻率。
【文檔編號】H03H9/54GK103929148SQ201310010233
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月11日 優先權日:2013年1月11日
【發明者】張 浩, 杜良楨, 龐慰, 魯勇, 祁明可, 梁光明 申請人:中興通訊股份有限公司, 天津大學