射频滤波器，高选择性三工器和通信设备的制作方法

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相关申请的交叉引用

本发明要求于2016年4月8日提交的，题为“sawtriplexer”的临时专利申请62/320,350的优先权。

本公开涉及使用表面声波(saw)谐振器的射频滤波器，尤其涉及用于通信设备的滤波器和双工器。

背景技术

射频(rf)滤波器是两端器件，其被配置为通过一些频率并且停止其它频率，其中“通过”意味着以相对低的插入损耗进行发送，而“阻止”意味着受阻或基本上衰减。滤波器通过的频率范围被称为滤波器的“通带”。由这种滤波器阻止的频率范围被称为滤波器的“阻带”。典型的rf滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以定义为滤波器的插入损耗小于诸如1db、2db或3db的定义值的频率范围。“阻带”可以定义为滤波器的插入损耗大于诸如20db、25db、40db或更大的定义值的频率范围，这取决于应用。

rf滤波器用于通过无线链路传输信息的通信系统中。例如，rf滤波器可见于基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、物联网(iot)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电收发机链路和其它通信系统的rf前端中。rf滤波器也用于雷达和电子和信息战系统。

rf滤波器通常需要许多设计权衡以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、拒绝、隔离、功率处理、线性、尺寸和成本之类的性能参数之间的最佳折衷。具体的设计和制造方法和增强可以同时使这些要求中的一个或几个受益。

无线系统中的rf滤波器的性能增强可对系统性能产生广泛影响。可以利用rf滤波器的改进来提供系统性能改进，例如更大的单元尺寸、更长的电池寿命、更高的数据速率、更大的网络容量、更低的成本、增强的安全性、更高的可靠性等。可以在无线系统的各个层面上单独或组合地实现这些改进，例如在rf模块、rf收发器、移动或固定子系统或网络层面实现这些性能。

表面声波(saw)谐振器用于各种rf滤波器，包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。双工器是一种射频滤波器装置，其允许使用公共天线同时在第一频带中发送和在第二频带(不同于第一频带)中接收。多路复用器是一种射频滤波器，具有多个通带的具有两个以上的输入或输出端口。三工器是具有三个通带的四端口多路复用器。

如图1所示，典型的saw谐振器100由薄膜导体图案形成，该薄膜导体图案在由诸如石英、铌酸锂、钽酸锂或镧镓硅酸盐的压电材料制成的基板105的表面上形成。基板105通常是压电材料的单晶板，或者是复合基板，该复合基板包含键合至硅、蓝宝石或石英等的另外的材料的压电材料的薄单晶片。复合基板通常用于提供与单独的单晶压电材料的热膨胀系数不同的热膨胀系数。第一叉指式换能器(idt)110包括多个并联的导体。经由输入端子in施加到第一idt110的射频或微波信号在基板105的表面上产生声波。如图1所示，表面声波将在左右方向上传播。第二idt120将声波转换回输出端out处的射频或微波信号。第二idt120的导体如图所示地与第一idt110的导体交错。在其它典型的saw谐振器配置(未示出)中，将形成第二idt的导体布置在基板105的表面上，基板105与形成第一idt的导体相邻或分开。而且，额外的指状物(通常称为“虚拟”指状物)有时形成为与idt指状物的端部相对并连接到第一idt110和第二idt120的in和out汇流条。栅状反射器130,135设置在基板上以将声波的大部分能量限制在由第一idt110和第二idt120所占的基板区域。栅状反射器130,135浮动或连接到in端子或out端子。通常，saw谐振器100是双向的，并且可以转置in和out端子名称。

第一idt110和第二idt120之间的电声耦合高度依赖于频率。通常使用如图2所示的butterworthvandyke(bvd)电路模型来描述声谐振器(saw、体声波、薄膜体声波等)的基本行为。bvd电路模型由动臂和静臂组成。动臂包括运动电感lm、运动电容cm和电阻rm。静臂包括静电电容co和电阻ro。虽然bvd模型没有完全描述声谐振器的行为，但它可以很好地对用于设计带通滤波器、双工器和多路复用器(多路复用器是带有多个通带的具有超过2个的输入或输出端口的滤波器)的两个主要谐振进行建模。

bvd模型的第一主要谐振是由运动电感lm和运动电容cm的串联组合引起的运动谐振。bvd模型的第二主要谐振是由运动电感lm、运动电容cm和静电电容c0的组合引起的反谐振。在无损谐振器(rm＝r0＝0)中，运动谐振的频率fr由下式表示

反谐振的频率fa由下式表示

其中γ＝c0/cm是基板的特性，基于该特性，制造saw谐振器。γ取决于基板晶轴的材料和基板晶轴的取向，以及idt的物理设计。

运动谐振和反谐振的频率主要由叉指式导体的间距和取向、基板材料的选择以及基板材料的晶体学的取向确定。

图2b是理论无损声谐振器的导纳的曲线图。导纳表现出运动谐振212，其中谐振器的导纳接近无穷大，以及反谐振214，其中谐振器的导纳接近零。在过度简化的术语中，无损声学谐振器可以被认为是在运动谐振212的频率处的短路和在反谐振214的频率处的开路。运动谐振212的频率和反谐振214的频率是代表性的示例，并且谐振器可以设计用于其它频率。

蜂窝电话在由工业或政府标准定义的各种频带中操作。例如，3gpplte(第三代合作伙伴计划长期演进)标准在约450mhz至大于5000mhz的频率范围内定义了48个不同的频带。这些频带中的每一个由用于蜂窝电话通信的频率范围或一对不相交的频率范围组成。例如，在美国和加拿大使用的频带12采用699mhz至716mhz的频率范围，用于从蜂窝设备到蜂窝网络的通信，以及采用729mhz至746mhz的频率范围，用于从网络到设备的通信。在亚洲几个国家使用的频段40采用2300mhz至2400mhz的频率范围，用于双向通信。由3gpplte标准定义的所有频带当前未被使用，并且在任何特定国家通常仅使用一个或几个频带。此外，在特定国家中的不同蜂窝服务提供商可以各自具有一个或多个频带内的频率分配。

载波聚合是一种通过将多个信号或载波发送到蜂窝电话来增加数据码流的技术。在服务提供商在多个频带中具有频率分布的情况下，多个信号可以在相同频带内或多个频带内。

为了允许国际漫游，期望蜂窝电话能够在尽可能多的频带中操作。此外，为了便于载波聚合，期望蜂窝电话能够在多个频带中同时操作。

附图说明

图1是saw谐振器的简化示意平面图。

图2a是saw谐振器的等效电路。

图2b是无损saw谐振器的导纳的曲线图。

图3是包括三工器的通信设备的方框图。

图4是用于图3的通信设备中的示例性三工器的方框图。

图5是混合lc/saw滤波器的方框图。

图6a是示例性混合lc/saw高通滤波器的示意图。

图6b是示出图6a的示例性混合lc/saw高通滤波器的s(2,1)的图表。

图7a是另一示例性混合lc/saw高通滤波器的示意图。

图7b是示出图7a的示例性混合lc/saw高通滤波器的s(2,1)的图表。

图8a是示例性混合lc/saw低通滤波器的示意图。

图8b是示出图8a的示例性混合lc/saw低通滤波器的s(2,1)的图表。

图9a是示例性混合lc/saw带通滤波器的示意图。

图9b是示出图9a的示例性混合lc/saw带通滤波器的s(2,1)的图表。

图10a是示例性混合lc/saw带阻滤波器的示意图。

图10b是示出图10a的示例性混合lc/saw带阻滤波器的s(2,1)的图表。

图11是适用于图3的通信设备的三工器的示意图。

图12是示出图11的三工器的s(2,1)、s(3,1)和s(4,1)的图表。

在整个说明书中，图中出现的元件被分配三位数的附图标记，其中最高有效位是首先示出元件的图号，而两个最低有效位是该元件特有的。可以假定未结合附图描述的元件具有与具有相同附图标记的先前描述的元件相同的特性和功能。

具体实施方式

装置的描述

图3是多频带通信设备300的方框图。通信设备300包括天线310、高选择性三工器320和三个无线电收发机。三工器320具有公共端口(com.)和三个分支端口(b1、b2、b3)。公共端口耦合到天线310。第一分支端口b1耦合到低频带无线电收发机330，其被配置为在450mhz和960mhz之间的频带(即频带5,8,12,13,17,20,28,31等)中操作。第二分支端口b2耦合到中频带无线电收发机340，其被配置为在1400mhz或1500mhz和2200mhz之间的频带(即，频带1,2,3,4,25,66等)中操作。第三分支端口b3耦合到高频带无线电收发机350，其被配置为在2300mhz和3500mhz或更高频率之间的频带(即频带7,30,38,40,41,42,43等)中操作。将频谱划分为“低频带”、“中频带”和“高频带”的部分原因是从960mhz到1420mhz和2200mhz到2300mhz的频率范围不被任何限定的蜂窝通信频带所使用。

三工器320用作三个滤波器-耦合在公共端口和第一分支端口之间的低频带滤波器322，耦合在公共端口和第二分支端口之间的中频带滤波器324，以及耦合在公共端口和第三分支端口之间的高频带滤波器。低频带滤波器322具有450mhz至960mhz的通带以及1400mhz至2200mhz和2300mhz至大于3500mhz的阻带。中频带滤波器324具有1400mhz至2200mhz的通带以及450mhz至960mhz和2300mhz至大于3500mhz的阻带。高频带滤波器326具有2300mhz至大于3500mhz的通带以及450mhz至960mhz和1400mhz至2200mhz的阻带。虽然三工器320的功能可被描述为三个带通滤波器，但是三工器的内部结构可以是带通滤波器、低通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器的组合。

三工器320可被描述为“高选择性”，因为高频带频率范围和中频带频率范围之间的过渡区域仅为100mhz，或小于这些频带边缘处的频率的5％。

低频带无线电收发机330、中频带无线电收发机340和高频带无线电收发机350中的每一个包括一个或多个发送器和一个或多个接收器，并且可以包括一个或多个滤波器、双工器、开关、处理器和允许无线电收发机通过相应频率范围内的一个或多个频带进行通信的其它组件。

图4是适用于图3的通信设备300中的三工器320的高选择性三工器400的方框图。公共端口连接到第一高通滤波器410和第一低通滤波器420。第一高通滤波器410被配置为以低插入损耗通过2300mhz以上的频率并且阻止或基本上衰减低于2200mhz的频率。第一高通滤波器410的典型规格可以包括在2300mhz和至少3500mhz之间的频率下小于3db的插入损耗，以及在低于2200mhz的频率下大于25db的插入损耗。相反，第一低通滤波器420被配置为以低插入损耗通过低于2200mhz的频率并且阻止高于2300mhz的频率。第一低通滤波器420的典型规格可包括在低于2200mhz的频率下小于3db的插入损耗，以及在2300mhz以上的频率下大于25db的插入损耗。

低通滤波器420的输出通过第二高通滤波器430和第二低通滤波器440进一步划分为中频范围和低频范围。第二高通滤波器430被配置为以低插入损耗通过在1400mhz和至少2200mhz之间的频率并且阻止或基本上衰减低于960mhz的频率。第二低通滤波器440被配置为以低插入损耗通过在450mhz至960mhz之间的频率并且阻止或基本上衰减在1400mhz至2200mhz之间的频率。

声学谐振器，例如先前描述的saw谐振器，能够以小的元件体积提供高谐振q值(品质因数)。这种谐振器通常用于高选择性窄带宽带通滤波器中和用于通信设备的双工器中。。然而，声学谐振器的谐振和反谐振之间的固有耦合限制了可实现的带宽。相反，诸如电容器、电感器、移相器和其它无源元件的无源无功元件可用于实现具有任意带宽和低选择性的滤波器，其中由于这些元件的q值有限而具有低选择性。这种滤波器在本文中称为lc滤波器(l和c分别是电子示意图中的电感器和电容器的传统标志符)。

图5是包括低q值的lc滤波器510和至少一个高q值的saw谐振器的混合lc/saw滤波器500的概念图。在这种情况下，术语“低q值”和“高q值”是相对的，表明saw谐振器的q值基本上高于lc滤波器的q值。lc滤波器510的q通常由滤波器内的电感器的q值决定，其可以例如为大约100。saw谐振器520/530/540的q值可以例如为大于1000。

saw谐振器可以是与lc滤波器510的全部或一部分并联连接的并联谐振器520。saw谐振器可以是与lc滤波器510串联连接的串联谐振器530。saw谐振器可以是连接地面和端口1、端口2、或者在lc滤波器510内的内部节点中的一个的分流谐振器540。并联谐振器520、串联谐振器530和分流谐振器540中的多个可存在于在一些混合lc/saw滤波器中。并联谐振器、串联谐振器或分流谐振器中的两个或更多个可存在于在一些混合lc/saw滤波器中。

lc滤波器510具有至少一个通带和至少一个阻带，以限定混合lc/saw滤波器500的功能(高通、低通、带通等)。相邻(频率上)通带和阻带由过渡频率区域分开。lc滤波器510和随后要讨论的其它lc滤波器可以使用分立的、印刷的或分散式的电容器和电感器及其组合来实现。可以使用薄膜导体和绝缘体、低温共烧陶瓷(ltcc)导体和绝缘体、或一些其它元件制造技术来形成印刷和分散式元件。

saw谐振器520/530/540被配置为通过锐化lc滤波器510的通带和阻带之间的过渡来改善整个混合lc/saw滤波器500的选择性。如图2b所示，saw谐振器在其谐振频率下具有非常高的导纳，在其反谐振频率下具有非常低的导纳。简言之，saw谐振器可以被认为是谐振频率下的短路和反谐振频率下的开路。

如果saw谐振器的谐振频率在lc滤波器的过渡区域内，则并联saw谐振器520可以改善lc滤波器510的选择性。在这种情况下，在没有saw谐振器的情况下仅部分地通过lc滤波器传输的谐振频率处的能量通过saw谐振器绕过lc滤波器。

如果saw谐振器的反谐振频率在lc滤波器的过渡区域内，则串联saw谐振器530可以改善lc滤波器510的选择性。在这种情况下，在没有saw谐振器的情况下将部分地通过lc滤波器传输的谐振频率处的能量被saw谐振器所阻挡。

如果saw谐振器的谐振频率在lc滤波器的过渡区域内，则分流saw谐振器540可以改善lc滤波器510的选择性。在这种情况下，在没有saw谐振器的情况下将部分地通过lc滤波器传输的谐振频率处的能量被saw谐振器短路接地。

实施例1

图6a是混合lc/saw高通滤波器600的示意图。混合lc/saw高通滤波器600包括使用四个电容器c1-c4、三个电感器l1-l3以及一个并联saw谐振器x1实现的lc高通滤波器。四个电容器c1-c4可以被描述为“串联”元件，因为它们串联耦合在滤波器600的两个端口之间。三个电感器l1-l3可以被描述为“分流”元件，因为它们耦合在串联元件和地面之间，用于将某些信号分流到地面。高通lc滤波器通常包括串联电容器和分流电感器。相反，低通lc滤波器通常包括串联电感器和分流电容器。

图6b是通过模拟图6a的电路得到的混合lc/saw高通滤波器600的s(2,1)的曲线图。s参数是用于描述线性电气网络性能的惯例。实线660是s(2,1)的曲线图，其是从电气网络的端口1到端口2的电压传递函数。s(2,1)通常以db表示，即20log10[s(2,1)]，并且基本上是器件的功率增益。然而，像滤波器这样的无源器件通常以滤波器的“插入损耗”为特征，在数值上与功率增益相同，但数字符号发生变化(例如s(2,1)＝-3db相当于插入损耗为3db)。在这种情况下，实线660绘制了滤波器600的输入-输出传递函数。混合lc/saw高通滤波器600在2300mhz以上的频率下提供小于3db的损耗，而在小于2190mhz的频率下提供大于25db的衰减。

实施例2

图7a是另一混合lc/saw高通滤波器700的示意图。混合lc/saw高通滤波器700包括使用两个串联电容器c1-c2、两个分流电感器l1-l2、一个并联saw谐振器x1和一个分流saw谐振器x2实现的lc高通滤波器。

图7b是通过模拟图7a的电路得到的混合lc/saw高通滤波器700的s(2,1)的曲线图。实线760是混合lc/saw高通滤波器700的输入-输出传递函数的曲线图。混合lc/saw高通滤波器700在高于2300mhz的频率下提供小于2db的损耗，而在小于2210mhz的频率下提供大于25db的衰减。

实施例3

混合lc/saw滤波器不仅限于高通滤波器。图8a是混合lc/saw低通滤波器800的示意图。电感器l3和电容器c3是lc低通滤波器部分，其与由电容器c4、电感器l4和l5、saw谐振器x3组成的“桥接-t”电路串联。电感器l4和l5以及分流saw谐振器x3构成“t”，电容器c4是“桥”。saw谐振器x3代替传统桥接t电路中的另一个电容器。saw谐振器x3通过将lc低通滤波器的过渡频率范围内的信号分流到地面，有效地改善了lc低通滤波器的选择性。

图8b是通过模拟图8的电路得到的混合lc/saw低通滤波器800的s(2,1)的曲线图。实线860是混合lc/saw低通滤波器800的输入-输出传递函数的曲线图。混合lc/saw高通滤波器800在低于2200mhz的频率下提供小于2db的损耗，而在高于2330mhz的频率下提供大于25db的衰减。

实施例4

图9a是混合lc/saw带通滤波器900的示意图。串联saw谐振器x1与两个lc带通滤波器部分串联连接。串联saw谐振器x1通过阻止谐振器的反谐振频率(约1785mhz)处的信号有效地改善了lc带通滤波器的选择性，其中反谐振频率的信号在lc滤波器带通的上侧上的过渡频率范围内。

图9b是通过模拟图9a的电路得到的混合lc/saw带通滤波器900的s(2,1)的曲线图。实线960是混合lc/saw低通滤波器900的输入-输出传递函数的曲线图。

实施例5

图10a是混合lc/saw带阻滤波器1000的示意图，其包括两个saw谐振器x1和x2并且与lc带阻滤波器的部分并联。lc带阻滤波器包括相移元件p1、p2、p3、p4，其可以例如通过传输线的长度来实现。

图10b是通过模拟图10a的电路得到的混合lc/saw带阻滤波器1000的s(2,1)的曲线图。实线1060是混合lc/saw低通滤波器1000的输入-输出传递函数的曲线图。

实施例6

图11是适用于图3的通信设备300中的三工器320的高选择性三工器1100的示意图。如先前在图7a和图8a中所示，第一端口(天线端口)分别连接到高通滤波器700和低通滤波器800。高通滤波器700被配置为以低插入损耗通过高于2300mhz的频率并且阻止或基本上衰减低于2200mhz的频率。低通滤波器800被配置为以低插入损耗通过低于2200mhz的频率并且阻止或基本上衰减高于2300mhz的频率。

低通滤波器800的输出通过第二高通滤波器1030和第二低通滤波器1040进一步划分为中频范围和低频范围。第二高通滤波器1030是lc滤波器，其被配置为以低插入损耗通过在1200mhz和至少2200mhz之间的频率并且阻止或基本上衰减低于960mhz的频率。第二低通滤波器1040是lc滤波器，其被配置为以低插入损耗通过在450mhz至960mhz之间的频率并且阻止或基本上衰减高于1500mhz的频率。

图12是通过模拟图11的电路得到的高选择性三工器1100的s(2,1)、s(3,1)和s(4,1)的曲线图。实线1210是从三工器1100的天线端口(端口1)到高频带无线电收发机端口(端口2)的输入-输出传递函数的曲线图。虚线1220是从三工器1100的天线端口(端口1)到中频带无线电收发机端口(端口3)的输入-输出传递函数的曲线。点划线1230是从三工器1100的天线端口(端口1)到低频带无线电收发机端口(端口4)的输入-输出传递函数的曲线。

结语

在整个说明书中，所示的实施例和示例应被视为示例，而不是对所公开或要求保护的装置和过程的限制。尽管本文给出的许多示例涉及方法行为或系统元件的特定组合，但是应该理解的是，那些行为和那些元件可以以其它方式组合以实现相同的目标。关于流程图，可以采取额外的和更少的步骤，并且可以组合或进一步细化所示的步骤以实现本文描述的方法。仅结合一个实施例讨论的行为、元件和特征不旨在排除在其它实施例中的类似角色外。

如本文所用，“多个”意指两个或更多个。如本文所用，项目的“集合”可以包括一个或多个这样的项目。如本文所用，无论在书面描述还是权利要求书中，“包含”，“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”等应理解为开放式的，即意味着包括但不限于。只有过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是关于权利要求的封闭或半封闭的过渡短语。在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等序数术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先权，优先顺序或顺序，或执行方法的时间顺序，而仅被用作标记以区分一个具有某一名称的权利要求要素与另一个具有相同名称的要素(但是使用序数词)以区分权利要求要素。如本文所用，“和/或”意指所列项目是替代方案，但替代方案还包括所列项目的任何组合。