一种低插损压电声波带通滤波器及实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种低插损压电声波带通滤波器及实现方法，所述实现方法包括以下步骤：利用一个第一类压电声波谐振器构成一个串联枝；利用一个第二类压电声波谐振器构成一个具有接地端的并联枝；通过将所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接，形成一个声波带通滤波器单元；级联多个所述声波带通滤波器单元；其中，所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值；所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。本发明能够在不改变带外抑制的情况下降低滤波器的通带插入损耗。
【专利说明】一种低插损压电声波带通滤波器及实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压电声波带通滤波器，特别涉及一种能够使带通滤波器通带的插入损耗低于传统结构带通滤波器的电路结构及其相关的实现方法。
【背景技术】
[0002]手持移动通信产品正在迅速地往小型化和轻便化发展，而随着这些产品尺寸的减小，价格也持续下降，但功能却逐渐增强。在这微型化的发展浪潮中，作为无线通信系统的关键部件，高性能的射频滤波器扮演着极重要的角色。滤波器厂商面临着在不改变甚至提高滤波器性能的前提下进一步缩小滤波器体积的任务。而由于手持移动通信产品中各类耗能应用和器件的不断增加，使得滤波器的低插入损耗对延长通话时间和电池寿命变得非常重要。
[0003]利用谐振器设计射频滤波器电路的拓扑结构主要有梯形结构和网格状结构，目前在高性能射频滤波器的设计中，梯形结构的设计方法较为流行。体波BAW谐振器是一种压电声波谐振器，主要包括薄膜体声波谐振器FBAR和固态装配声波谐振器SMR。体波谐振器因其高品质因数闻名，包含一个或多个体波谐振器的带通滤波器已经成为传统的基于声表面波SAW谐振器和陶瓷Ceramic谐振器的滤波技术的有力竞争者。
[0004]图1显示了一个传统梯形结构声波带通滤波器100，它由声波带通滤波器单元101，102，……，IOn级联组成。声波带通滤波器单元101包括连接在串联枝上的串联谐振器101-1和连接在并联 枝上的并联谐振器101-2。声波带通滤波器单元102，103，……，IOn与声波带通滤波器单元101类似。图1中构成声波带通滤波器单元101，102，……，IOn的串联谐振器101-1，102-1，……，IOn-1与并联谐振器101-2，102-2，……，10n-2可以是薄膜体声波谐振器(FBAR)或者固态装配谐振器(SMR)。
[0005]图2显示了是图1中串联谐振器101-1和并联谐振器101-2的频率响应曲线，其中，曲线210是图1中串联谐振器101-1的频率响应曲线，曲线220是图1中并联谐振器101-2的频率响应曲线。图2中横坐标表示频率,纵坐标表示阻抗值。谐振器101-1在阻抗达到最小值时的频率定义为串联谐振频率fslOl-Ι，在阻抗达到最大值时的频率定义为并联谐振频率fplOl-Ι ;并联谐振器101-2在阻抗达到最小值时的频率定义为串联谐振频率fslOl-2，在阻抗达到最大值时的频率定义为并联谐振频率fpl01-2。加工过程中，在并联谐振器101-2中增加一层频率调谐层，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。在设计声波带通滤波器时，如图1所示的传统梯形结构声波带通滤波器100，所有的串联枝上的串联谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，所有的并联枝上的并联谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同。
[0006]声波谐振器在串联谐振频率与并联谐振频率范围之内谐振器等效为高品质因数电感，在串联谐振频率与并联谐振频率之外等效为高品质因数电容。
[0007]图3所示曲线为是图1中串联谐振器101-1与并联谐振器101-2组成的梯形结构压电声波带通滤波器单元101的频率响应曲线。通过设计谐振器层叠结构使得并联谐振器101-2的并联谐振频率fpl01-2等于或接近于串联谐振器101-1的串联谐振频率fsl01_l。当输入信号频率在fpl01-2附近时，串联谐振器101-1处于串联谐振状态，阻抗值处于极小值附近，并联谐振器101-2处于并联谐振状态，阻抗值处于极大值附近。输入信号以最小的衰减通过谐振器101-1，而101-2阻抗值达到峰值，起到了最佳的对地隔离效果，所以信号会以最小的衰减通过压电声波带通滤波器单元101。fpl01-2或者fslOl-Ι称为压电声波带通滤波器单元的通带中心频率。串联谐振器101-1在fslOl-Ι附近极低的阻抗值和并联谐振器101-2在fpl01-2附近极高的阻抗值共同保证了滤波器通带311的性能。当输入信号频率小于fslOl-2或大于fpl01-l时，谐振器等效为电容，电容的大小由谐振器的面积和谐振器上下电极的距离决定。压电声波带通滤波器的带外抑制性能主要决定于并联枝上的谐振器面积与串联枝上的谐振器面积比值大小和级联的声波带通滤波器单元的个数。
[0008]综上，用体波谐振器构成的梯形结构射频滤波器的通带插入损耗性能主要由处于并联枝上的并联谐振器在其并联谐振频率附近的阻抗值和处于串联枝的串联谐振器在其串联谐振频率附近的阻抗值共同决定。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种低插损压电声波带通滤波器及实现方法，能更好地解决压电声波带通滤波器的通带插入损耗问题。
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种低插损压电声波带通滤波器的实现方法，包括:
[0011]利用一个第一类压电声波谐振器构成一个串联枝；
[0012]利用一个第二类压电声波谐振器构成一个具有接地端的并联枝；
[0013]通过将所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接，形成一个声波带通滤波器单元；
[0014]级联多个所述声波带通滤波器单元；
[0015]其中，所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值；
[0016]所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。
[0017]优选地，所述第一类压电声波谐振器的串联谐振频率等于或接近所述第二类压电声波谐振器的并联谐振频率。
[0018]优选地，所述第一类压电声波谐振器具有I型声学色散特性，使得所述谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值达到极小。
[0019]优选地，所述第一类压电声波谐振器是薄膜体声波谐振器或固态装配谐振器。
[0020]优选地，所述第二类压电声波谐振器具有II型声学色散特性，使得所述谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值达到极大。
[0021]优选地，所述第二类压电声波谐振器是薄膜体声波谐振器或固态装配谐振器。
[0022]优选地，所述第一类压电声波谐振器和第二类压电声波谐振器具有基本层叠结构，所述基本层叠结构包含下电极层、压电层和上电极层。
[0023]优选地，所述下电极层和上电极层的材料是铜、铝、钥、钼、金、钨之一，所述压电层的材料是氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅之一。
[0024]根据本发明的另一方面，提供了一种低插损压电声波带通滤波器，包括级联的多个声波带通滤波器单元；
[0025]所述声波带通滤波器单元包括:
[0026]利用一个第一类压电声波谐振器构成的一个串联枝；
[0027]利用一个第二类压电声波谐振器构成的具有一个接地端的并联枝；
[0028]其中，所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接；
[0029]所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值；
[0030]所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。
[0031]优选地，所述第一类压电声波谐振器的串联谐振频率等于或接近所述第二类压电声波谐振器的并联谐振频率。
[0032]与现有技术相比较，本发明的有益效果在于:
[0033]本发明能够在不影响压电声波带通滤波器带外抑制的情况下，提高通带性能，SP降低了通带插入损耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是一个传统的梯形结构带通滤波器的方框图；
[0035]图2是图1中串联谐振器101-1和并联谐振器101-2的频率响应曲线图；
[0036]图3是图1中压电声波带通滤波器单元101的频率响应曲线图；
[0037]图4是I型和II型体波谐振器的声学色散曲线图；
[0038]图5是I型和II型体波谐振器的频率响应曲线图；
[0039]图6是本发明提供的梯形结构的压电声波带通滤波器的方框图；
[0040]图7是图1中串联谐振器101-1和并联谐振器101-2以及图6中串联谐振器601-1和并联谐振器601-2的频率响应曲线图；
[0041]图8是图1中压电声波带通滤波器单元101和图6中压电声波带通滤波器单元601的频率响应曲线图。
【具体实施方式】
[0042]以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]构成图1所示声波带通滤波器单元的体声波谐振器在声学传播模式上具有两种声学色散特性，分别为I型声学色散特性和II型声学色散特性。分别称具有I型声学色散特性的体声波谐振器为I型体声波谐振器，具有II型声学色散特性的体声波谐振器为II型体声波谐振器。图4分别显示了 I型和II型体声波谐振器的声学色散曲线，其中纵坐标表示频率，横坐标表示传播常数β。横坐标与纵坐标的交点以左表示传播常数为虚数，交点以右表示传播常数为实数。色散曲线上的每个点表示声波谐振器的每个工作频率下对应的传播常数，传播常数为虚数对应瞬逝波，传播常数为实数对应的是行波。只有当声波在电极以外区域对应的传播常数为虚数而在电极以内区域对应的传播常数为实数时，能量才能被束缚在谐振器电极区域以内从而产生谐振。I型和II型体声波谐振器的声学色散曲线不同，I型体声波谐振器的声学色散曲线中TE模式在对应的TS模式的上方,II型体声波谐振器的声学色散曲线中TE模式在对应的TS模式的下方。I型和II型体声波谐振器产生谐振时内部声波的传播模式也是不同的，对应在串联谐振频率和并联谐振频率附近的阻抗值也有所差别。
[0044]图5显示了谐振频率相同的I型和II型体声波谐振器的频率响应曲线，图中横坐标表示频率，纵坐标表示阻抗值。曲线520表示I型体声波谐振器的频率响应曲线，曲线510表示II型体声波谐振器的频率响应曲线。如图4中所示在相同的谐振频率下I型体声波谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值小于II型体声波谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值。II型体声波谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值大于I型体声波谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值。
[0045]图6显示了是本发明提供的一种梯形结构的压电声波带通滤波器600，包括级联的多个声波带通滤波器单元，所述声波带通滤波器单元包括:利用一个第一类压电声波谐振器构成的一个串联枝和利用一个第二类压电声波谐振器构成的具有一个接地端的并联枝，其中，所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接，所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值，所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。所述第一类压电声波谐振器和第二类压电声波谐振器具有不同的串联谐振频率和并联谐振频率，使得所述第一类压电声波谐振器的串联谐振频率等于或接近所述第二类压电声波谐振器的并联谐振频率。所述第一类压电声波谐振器和所述第二类压电声波谐振器可以是薄膜体声波谐振器，也可以是固态装配谐振器。
[0046]也就是说，本发明提供的压电声波带通滤波器与传统梯形结构的声波带通滤波器类似，由声波带通滤波器单元601，602，……，60n级联组成。声波带通滤波器单元601包括连接在串联枝上的串联谐 振器601-1和连接在并联枝上的并联谐振器601-2。声波带通滤波器单元602，603，……，60n与声波带通滤波器单元601类似。图6中构成声波带通滤波器单元601，602，……，60n的串联谐振器601-1，602-1，……，60n_l与并联谐振器601-2，602-2，……，60n-2可以是薄膜体声波谐振器FBAR和固态装配谐振器SMR中的一种。图6中串联枝上的串联谐振器601-1,602-1，……，60n-l是第一类压电声波谐振器，具有I型声学色散特性，为I型体声波谐振器，所述谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值达到极小；并联枝上的并联谐振器601-2，602-2，……，60n-2是第二类压电声波谐振器，具有II型声学色散特性，为II型体声波谐振器，所述谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值达到极大。
[0047]上述低插损压电声波带通滤波器的实现方法包括以下步骤:
[0048]利用一个第一类压电声波谐振器构成一个串联枝；
[0049]利用一个第二类压电声波谐振器构成一个具有接地端的并联枝；
[0050]通过将所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接，形成一个声波带通滤波器单元；
[0051 ] 级联多个所述声波带通滤波器单元；
[0052]其中，所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值；
[0053]所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。
[0054]所述第一类压电声波谐振器的串联谐振频率等于或接近所述第二类压电声波谐振器的并联谐振频率。
[0055]所述第一类压电声波谐振器具有I型声学色散特性，使得所述谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值达到极小。所述第二类压电声波谐振器具有II型声学色散特性，使得所述谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值达到极大。所述第一类压电声波谐振器和所述第二类压电声波谐振器是薄膜体声波谐振器或固态装配谐振器。所述第一类压电声波谐振器和第二类压电声波谐振器具有基本层叠结构，所述基本层叠结构包含下电极层、压电层和上电极层，其中，所述下电极层和上电极层的材料是铜、铝、钥、钼、金、钨之一，所述压电层的材料是氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅之一。
[0056]图7显示了图1中串联谐振器101-1和并联谐振器101-2以及图6中串联谐振器601-1和并联谐振器601-2的频率响应曲线图，其中，以所述串联谐振器101-1和并联谐振器101-2全部是I型体声波谐振器为例，与本发明的串联谐振器601-1和并联谐振器601-2的频率响应进行对比。图中横坐标表示频率，纵坐标表示阻抗。曲线710表示传统梯形声波带通滤波器100并联枝上并联谐振器101-2的频率响应曲线，曲线720表示传统梯形声波带通滤波器100串联枝上串联谐振器101-1的频率响应曲线。曲线730表示本发明梯形声波带通滤波器600并联枝上并联谐振器601-2的频率响应曲线，曲线740表示本发明梯形声波带通滤波器600串联枝上串联谐振器601-1的频率响应曲线。与传统梯形声波带通滤波器的谐振器相比，串联谐振器601-1在串联谐振频率附近的阻抗值与串联谐振器101-1在串联谐振频率附近的阻抗值相当，而并联谐振器601-2在并联谐振频率附近的阻抗值大于并联谐振器101-2在并联谐振频率附近的阻抗值。
[0057]图8显示了图1中压电声波带通滤波器单元101和图6中压电声波带通滤波器单元601的频率响应曲线图，其中，以所述声波带通滤波器单元101的串联谐振器101-1和并联谐振器101-2全部是I型体声波谐振器为例，与本发明的声波带通滤波器单元601的频率响应进行对比。曲线810是全部由I型体声波谐振器构成的传统梯形压电声波带通滤波器100中声波带通滤波器单元101的频率响应曲线，曲线820是本发明的梯形声波压电带通滤波器600中声波带通滤波器单元601的频率响应曲线。图中横坐标表示频率，纵坐标表示插入损耗幅值。如图8所示，本发明的声波带通滤波器单元601与传统声波带通滤波器单元101的带外抑制性能基本一样。同时，因为601-2在并联谐振频率附近的阻抗值大于谐振器101-2在并联谐振频率附近的阻抗值，所以声波带通滤波器单元601的通带插入损耗性能优于传统声波带通滤波器单元101。
[0058]图7和图8中所述传统梯形压电声波带通滤波器100中谐振器的声学色散曲线并不只局限于I型，上述对比例仅为了说明本发明的声波带通滤波器结构能够在不改变带外抑制的情况下，通过使串联谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值达到最小，使并联谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值达到最大，获得比传统梯形压电声波带通滤波器更好的插入损耗性能。
[0059]总体来说，本发明提供了一种由多个体声波谐振器构成的梯形结构的压电声波带通滤波器，其中处于串联枝上的体声波谐振器具有I型声学色散特性，降低了谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值，处于并联枝上的体声波谐振器具有II型声学色散特性，增加谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值。相比传统梯形结构的压电声波带通滤波器，从而在不改变带外抑制性能的情况下获得更好的插入损耗性能，即降低了滤波器的通带插入损耗。
[0060]尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本【技术领域】技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤: 利用一个第一类压电声波谐振器构成一个串联枝； 利用一个第二类压电声波谐振器构成一个具有接地端的并联枝； 通过将所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接，形成一个声波带通滤波器单元； 级联多个所述声波带通滤波器单元； 其中，所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值； 所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。
2.根据权利要求1所述的低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，所述第一类压电声波谐振器的串联谐振频率等于或接近所述第二类压电声波谐振器的并联谐振频率。
3.根据权利要求1所述的低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，所述第一类压电声波谐振器具有I型声学色散特性，使得所述谐振器在串联谐振频率附近的阻抗值达到极小。
4.根据权利要求3所述的低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，所述第一类压电声波谐振器是薄膜体声波谐振器或固态装配谐振器。
5.根据权利要求1所述的低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，所述第二类压电声波谐振器具有II型声学色散特性，使得所述谐振器在并联谐振频率附近的阻抗值达到极大。
6.根据权利要求5所述的低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，所述第二类压电声波谐振器是薄膜体声波谐振器或固态装配谐振器。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的低插损压电声波带通滤波器的实现方法，其特征在于，所述第一类压电声波谐振器和第二类压电声波谐振器具有基本层叠结构，所述基本层叠结构包含下电极层、压电层和上电极层。
8.根据权利要求7所述的低插损压电声波带通滤波器，其特征在于，所述下电极层和上电极层的材料是铜、铝、钥、钼、金、钨之一，所述压电层的材料是氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅之一。
9.一种低插损压电声波带通滤波器，其特征在于，包括:级联的多个声波带通滤波器单元； 所述声波带通滤波器单元包括: 利用一个第一类压电声波谐振器构成的一个串联枝； 利用一个第二类压电声波谐振器构成的具有一个接地端的并联枝； 其中，所述串联枝的任一端与所述并联枝的非接地端连接； 所述第一类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器串联谐振频率处的阻抗值； 所述第一类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值小于所述第二类压电声波谐振器并联谐振频率处的阻抗值。
10.根据权利要求9所述的低插损压电声波带通滤波器，其特征在于，所述第一类压电声波谐振器的串联 谐振频率等于或接近所述第二类压电声波谐振器的并联谐振频率。
【文档编号】H03H9/54GK103929148SQ201310010233
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】张 浩, 杜良桢, 庞慰, 鲁勇, 祁明可, 梁光明 申请人:中兴通讯股份有限公司, 天津大学