一种滤波器、双工器、高频前端电路及通信装置的制作方法

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器、双工器、高频前端电路及通信装置。

背景技术：

随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速率的要求越来越高，与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频系统的各种性能提出了严格的要求，在射频前端模块，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除，以满足射频系统和通信协议对于信噪比的要求。

射频滤波器主要应用于无线通信系统，例如，基站的射频前端，移动电话，电脑，卫星通讯，雷达，电子对抗系统等等。射频滤波器的主要性能指标为插损、带外抑制、功率容量、线性度、器件尺寸和成本。良好的滤波器性能可以在一定程度上提高通信系统的数据传输速率、寿命及可靠性。所以对于无线通信系统高性能、简单化滤波器的设计是至关重要的。目前，能够满足通讯终端使用的小尺寸滤波类器件主要是压电声波滤波器，构成此类声波滤波器的谐振器主要包括：fbar(filmbulkacousticresonator，薄膜体声波谐振器)，smr(solidlymountedresonator，固态装配谐振器)和saw(surfaceacousticwave，表面声波谐振器)。其中基于体声波原理fbar和smr制造的滤波器(统称为baw，体声波谐振器)，相比基于表面声波原理saw制造的滤波器，具有更低的插入损耗，更快的滚降特性等优势。

宽带滤波器一般使用lc滤波器来实现，低温共烧陶瓷(ltcc)材料由于其具有成本低、性能好、可靠性高等多种优点，被广泛应用于lc滤波器中。但是，由于ltcc的q值的限制，其在插损、带外抑制和滚降上性能一般；同时ltcc由于侧壁电感(lead-inductor)的存在，远带抑制特性比较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种滤波器、双工器、高频前端电路及通信装置，有助于改善滤波器滚降特性，减小谐振器串联谐振频点附近的插损特性，以及改善滤波器远带抑制特性。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种滤波器，包括位于该滤波器的输入端和输出端之间的第一串联支路以及多个并联支路；所述并联支路一端位于所述第一串联支路上，另一端接地，所述滤波器还包括至少一条位于该滤波器的输入端和输出端之间的第二串联支路，该第二串联支路中包含电感；并且对于所述第一串联支路和第二串联支路构成的整体，该整体中存在至少1个声波谐振器，该声波谐振器与其所在串联支路中的电感串联。

可选地，第一串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联电容；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联声波谐振器；并联支路包括两个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点和输出端串联支路节点连接，另一端分别连接电感，该两个电感的一端共同连接接地电感。

可选地，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联声波谐振器；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，三个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点、串联谐振单元连接节点以及输出端串联支路节点连接，另一端接地。

可选地，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联声波谐振器；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点和输出端串联支路节点连接，另一端分别连接电感，该两个电感的一端共同连接接地电感；另一个并联谐振单元的一端与串联谐振单元连接节点连接，另一端连接电感，该电感接地。

可选地，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联声波谐振器；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，三个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点、串联谐振单元连接节点以及输出端串联支路节点连接，另一端分别连接电感，该三个电感接地。

可选地，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联两个不同频率的声波谐振器，该两个声波谐振器并联；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点和输出端串联支路节点连接，另一端分别连接电感，该两个电感的一端共同连接接地电感；另一个并联谐振单元的一端与串联谐振单元连接节点连接，另一端连接电感，该电感接地。

可选地，第一串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联有两个不同频率的声波谐振器，该两个声波谐振器串联；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联电容；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点和输出端串联支路节点连接，另一端分别连接电感，该两个电感的一端共同连接接地电感；另一个并联谐振单元的一端与声波谐振器之间的连接节点连接，另一端连接电感，该电感接地。

可选地，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感；第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联声波谐振器；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的声波谐振器和电感，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点和输出端串联支路节点连接，另一端分别连接电感，该两个电感的一端共同连接接地电感；另一个并联谐振单元的一端与串联谐振单元连接节点连接，另一端连接电感，该电感接地。

第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感；

第二串联支路包括两个串联的电感，两个电感之间串联声波谐振器；

并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，三个并联谐振单元的一端分别连接在输入端串联支路节点、串联谐振单元连接节点和输出端串联支路节点上，另一端分别连接电感；其中，与串联谐振单元连接节点连接的并联谐振单元所连接的电感接地，另外两个并联谐振单元所连接的电感分别连接接地电感，且该两个电感与接地电感之间的节点通过第一电感连接。

可选地，与输入端串联支路节点和输出端串联支路节点连接的两个并联谐振单元所连接的两个电感之间互感形成耦合结构。

根据本发明另一个方面，提供了一种双工器，包括上述滤波器。

本发明又一个方面，提供一种高频前端电路，包括上述滤波器。

根据本发明再一个方面，提供了一种通信装置，包括上述滤波器。

本发明取得的有益效果为：

(1)在输入端串联支路节点与输出端串联支路节点之间的第一串联支路或第二串联支路上设置声波谐振器，利用声波谐振器的高q特性，保证fs和fp之间的区域用于形成滤波器的快速滚降沿，有效改善滤波器滚降特性；

(2)利用声波谐振器的串联谐振频率fs附近的低阻抗特性，最大程度上提升滤波器在谐振器fs附近的插损特性；

(3)在并联支路引入串联电感在远带处形成串联谐振，并且在引入的串联电感之间加入耦合，有效改善滤波器的远带抑制特性，在很大程度上增加了设计灵活性。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1a是压电声波谐振器的电学符号；

图1b是压电声波谐振器等效电学模型图；

图2是谐振器阻抗与fs和fp之间的关系；

图3是体声波谐振器结构的切面示意图；

图4是对比例的电路结构图；

图5是本实施方式提供的滤波器的拓扑结构示意图；

图6是本实施方式提供的第一实施例的拓扑结构示意图；

图7是本实施方式提供的第二实施例的拓扑结构示意图；

图8是对比例电路结构不考虑并联支路条件下串联支路的等效电路图；

图9是第一实施例电路结构在不考虑并联支路条件下的等效电路图；

图10是声波谐振器的阻抗频率特性及对比例串联支路400与第一实施例串联支路401的阻抗频率特性对比图；

图11是第一实施例与第二实施例的滚降特性对比；

图12是对比例的并联支路电路结构图；

图13是第二实施例并联支路电路结构图；

图14为第一实施例和第二实施例的远带抑制特性对比图；

图15是m＝0时，第二实施例中不同并联支路串联电感值对应的带外抑制特性；

图16是第三实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图；

图17是第四实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图；

图18是第五实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图；

图19是第六实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图；

图20是第七实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图；

图21是并联支路串联电感值等于0.15nh时，不同电感耦合m对应的带外抑制特性；

图22是第二实施例的三维电路模型。

具体实施方式

图1a是压电声波谐振器的电学符号，图1b是其等效电学模型图，在不考虑损耗项的情况下，电学模型简化为lm、cm和c0组成的谐振电路。根据谐振条件可知，该谐振电路存在两个谐振频点：一个是谐振电路阻抗值达到极小值时的fs，将fs定义为该谐振器的串联谐振频点；另一个是当谐振电路阻抗值达到极大值时的fp，将fp定义为该谐振器的并联谐振频点。其中，

并且，fs比fp要小；同时，定义了谐振器的有效机电耦合系数kt²eff(以下简记为kt²)，它可以用fs和fp来表示：

图2是谐振器阻抗与fs和fp之间的关系。在某一特定的频率下，有效机电耦合系数越大，则fs和fp的频率差越大，即两个谐振频点离得越远，大kt²谐振器可以满足宽带宽滤波器的设计需求。同时，将谐振器在fs处的阻抗幅值定义为rs，它是谐振器阻抗曲线中的极小值；将谐振器在fp处的阻抗幅值定义为rp，它是谐振器阻抗曲线中的极大值。rs和rp是描述谐振损耗特性的重要参数，当rs越小，rp越大时，谐振器的损耗越小，q值越高，此时滤波器的插入损耗特性也更好。

图3是薄膜体声波谐振器结构的切面示意图，61是半导体衬底材料，65是通过刻蚀得到的空气腔，薄膜体声波谐振器的底电极63淀积于半导体衬底61之上，62为压电薄膜材料，64为顶电极。虚线框选区域为65空气腔、64顶电极、63底电极和62压电层的重叠区域为有效谐振区。其中，顶电极和底电极的材料可以由金(au)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)、钌(ru)、铱(ir)、钛钨(tiw)、铝(al)、钛(ti)等类似金属形成；压电层的材料可以为氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、锆钛酸铅(pzt)、铌酸锂(linbo3)、石英(quartz)、铌酸钾(knbo3)或钽酸锂(litao3)等。压电薄膜的厚度一般小于10微米。氮化铝薄膜为多晶形态或者单晶形态，生长方式为薄膜溅射(sputtering)或者有机金属化学气相沉积法(mocvd)。

图4为现有的lc滤波器100的电路结构图(对比例)，如图4所示，输入端串联支路节点p1与输出端串联支路节点p2之间设有两个串联的电容，分别为c1和c2，输入端串联支路节点p1与输入端t1之间设有电感l1，输出端串联支路节点p2与输出端t2之间设有电感l2，输入端串联支路节点p1、电容c1和c2之间的线路上、以及输出端串联支路节点p2分别连接并联支路，并联支路包括如图所示的并联的电容c3和电感l3、并联的电容c4和电感l4、并联的电容c5和电感l5，三个并联支路的另一端接地。

现有的lc滤波器，由于ltcc的q值的限制，其插损、带外抑制和滚降等性能一般，同时ltcc由于侧壁电感(lead-inductor)的存在，远带抑制特性比较差。

针对上述对比例中的存在的缺陷，本实施例提出一种新的滤波器，其在现有滤波器的基础上增加一条串联支路，并在任一条串联支路上设置声波滤波器形成组合型的滤波器。

图5为本实施方式提供的滤波器的拓扑结构示意图，如图5所示，第一串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感l0之间串联电容c1；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感l0之间串联声波谐振器res1；并联支路包括两个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，图中的c2、c3、l3、l4，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1和输出端串联支路节点p2连接，另一端分别连接电感l5、l6，该两个电感l5、l6的一端共同(节点p3)连接接地电感lm。此结构中并联支路包括两个并联谐振单元，其中，滤波器还可包括三个并联谐振单元，图6为本实施方式提供的另一种结构的滤波器的拓扑结构示意图；图中，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感，图中的c2、c3及与其连接的l0；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感l0之间串联声波谐振器res1；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，如图中并联的c4和l3、c5和l4、c6和l5；三个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1、串联谐振单元连接节点以及输出端串联支路节点p2连接，另一端接地。

如图7所示，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感，分别为两个l0、c2和c3；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联声波谐振器res1；并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，分别为并联的c4和l3、c5和l4、以及c6和l5，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1和输出端串联支路节点p2连接，另一端分别连接电感l6和l8，该两个电感的一端共同连接接地电感lm；另一个并联谐振单元的一端与串联谐振单元连接节点连接，另一端连接电感l7，该电感接地。

如图8所示为对比例电路结构100不考虑并联支路条件下串联支路的等效电路图400，其中电感器le为串联支路的等效电感，电容器ce为串联支路的等效电容。以图6中公开的滤波器的拓扑结构为第一实施例(实施例1)，图9所示为第一实施例电路结构300在不考虑并联支路条件下的等效电路图401，其中电感le为串联支路的等效电感，电容ce为串联支路的等效电容，2l0代表输入输出端的串联电感。

如图10所示，其中实线为图9中谐振器res的阻抗频率特性曲线，dot虚线为图9所示等效电路的阻抗频率特性曲线，谐振器res串联等效电感后谐振器的串联谐振器频率fs向低频端移动，由于串联等效电感比较小，所以401等效电路的串联谐振频率fs几乎不变，谐振器res并联等效电容后谐振器的并联谐振器频率fp向低频段移动。综上，由于401所示等效电路中等效电感和等效电容的引入使得谐振器的等效kt²减小。dash虚线为图8所示等效电路的阻抗频率特性曲线，由于等效电感le比较小，所以串联谐振器点位于较高频处。

如图11所示，其中细实线为图9所示等效电路的阻抗频率特性曲线实线，粗实线为第一实施例的插损特性曲线，虚线为对比例的插损特性曲线，由于baw/saw谐振器(声波谐振器)的高q特性，保证fs和fp之间的区域用于形成滤波器的快速滚降沿，所以相对于对比例，实施例的通带边缘滚降特性得到明显改善；同时，如图11中虚线矩形框所示区域，由于第二串联支路跨接在输入端节点p1和输出端节点p2之间，baw/saw谐振器的串联谐振频率fs附近的低阻抗特性可以在最大程度上减小对应通带频带范围内的插损。

如图12所示为对比例的并联支路电路结构501，由电感器l和电容器c相互并联组成；以图7中公开的滤波器的拓扑结构为第二实施例，如图13所示为第二实施例(实施例2)并联支路电路结构502，由电感器l1和电容器c1相互并联再与一个电感器l2串联组成。

如图14所示，其中粗实现代表实施例2的插损特性曲线，细实线代表图13所示第二实施例中并联支路电路阻抗频率特性曲线；粗虚线为实施例1的插损特性曲线，细虚线为图12所示第一实施例的并联支路电路阻抗频率特性曲线。由于第二实施例并联支路电路中电感器l2引入串联谐振，在远带处产生一个抑制零点，有效改善了滤波器的远带抑制特性。

如图15所示，示出了随着并联支路中串联电感器l2电感量的变化，滤波器带外抑制特性的变化规律。随着电感器l2电感量的增大，远带处的抑制零点向低频端移动。

除上述第一实施例和第二实施例外，本实施例中有关滤波器的拓扑结构还包括如下实施方式。

图16为第三实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图，如图16所示，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感，分别为两个l0、c2和c3；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联声波谐振器res1。

并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，分别为c4和l3、c5和l4、c6和l5，三个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1、串联谐振单元连接节点以及输出端串联支路节点p2连接，另一端分别连接电感l6、l7和l8，该三个电感接地。

图17为第四实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图，如图17所示，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感，两个l0、c2和c3；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联两个不同频率的声波谐振器，该两个声波谐振器并联，为res1和res2；其中，谐振器res1和谐振器res2的频率彼此不同。

并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，分别为c4和l3、c5和l4、c6和l5，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1和输出端串联支路节点p2连接，另一端分别连接电感l6和l8，该两个电感的一端共同连接接地电感lm；另一个并联谐振单元的一端与串联谐振单元连接节点连接，另一端连接电感l7，该电感接地。

图18为第五实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图，如图18所示，第一串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联有两个不同频率的声波谐振器，res1和res2，该两个声波谐振器串联；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联电容c1；

并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，c4和l3、c5和l4、c6和l5，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1和输出端串联支路节点p2连接，另一端分别连接电感l6和l8，该两个电感的一端共同连接接地电感lm；另一个并联谐振单元的一端与声波谐振器之间的连接节点连接，另一端连接电感l7，该电感接地。本实施例中，第一串联支路串联单元中的电容由声波谐振器res1和谐振器res2替代，改善滤波器通带右侧的滚降特性。

图19为第六实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图，如图19所示，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感，两个l0、c2和c3；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联声波谐振器res1。

并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的声波谐振器和电感，分别为res2和l3、res3和l4、res4和l5，两个并联谐振单元分别与输入端串联支路节点p1和输出端串联支路节点p2连接，另一端分别连接电感l6和l8，该两个电感的一端共同连接接地电感lm；另一个并联谐振单元的一端与串联谐振单元连接节点连接，另一端连接电感l7，该电感接地。该实施例中，并联谐振单元中的电容由baw/saw谐振器替代，谐振器res2、谐振器res3和谐振器res4，这两个谐振器的谐振器频率彼此不同，用来改善滤波器通带左侧的滚降特性。

图20是第七实施例的提供的滤波器的拓扑结构示意图；如图20所示，第一串联支路包括两个串联的串联谐振单元，每个串联谐振单元包括串联的电容和电感，两个电感l0、c2和c3；第二串联支路包括两个串联的电感l0，两个电感之间串联声波谐振器res1。

并联支路包括三个并联谐振单元，每个并联谐振单元包括并联的电容和电感，分别为c4和l3、c5和l4、c6和l5，三个并联谐振单元的一端分别连接在输入端串联支路节点p1、串联谐振单元连接节点和输出端串联支路节点p2上，另一端分别连接电感l6、l7和l8；其中，与串联谐振单元连接节点连接的并联谐振单元所连接的电感l7接地，另外两个并联谐振单元所连接的电感l6和l8分别连接接地电感lm，且该两个电感l6和l8与接地电感lm之间的节点p3和p6通过第一电感l9连接。

本实施例中，输入端串联支路节点p1与输出端串联支路节点p2的并联支路上加入耦合结构，如图16中所示的电感耦合m，电感耦合m可以改善滤波器远带抑制特性。以第二实施例为例，输入端并联支路的串联电感l6与输出端并联支路的串联电感l8之间加入电感耦合m，电感耦合m的大小对应第二实施例的插损特性曲线，如图21所示，加入耦合后合并的抑制零点彼此分开成高低频的两个抑制零点，电感耦合量越大，这两个抑制零点相距越远。综上，通过改变电感器l2电感量以及输入端并联支路的串联电感l6与输出端并联支路的串联电感l8之间加入电感耦合量，可以满足不同频段带外抑制指标需求，在很大程度上增加了设计的灵活度。

在本实施例中，滤波器可以通过ltcc，分立器件，ipd或者其他形式实现，优选地，采用ltcc实现，ltcc具有成本低、性能好、可靠性高等优点。如图22所示，为第二实施例基于ltcc实现的三维结构示意图800，其中86为参考平面，80为第二串联支路的谐振器res1，83为ltcc介质材料，81为器件输入端子，82为器件的输出端子，p1对应第二实施例电路图中的节点p4，p2对应第二实施例电路图中的节点p5，节点p1与节点p2之间的距离s对应并联支路中的串联电感，s越大产生的远带抑制零点所在的位置频率越低，参数h对应第二实施例中的电感lm，h越大，代表输入端并联支路的串联电感l6与输出端并联支路的串联电感l8之间加入电感耦合m越大，此时这两个抑制零点相距越远。

本实施例还提供一种双工器、高频前端电路及通信装置，包括一个或多个上述实施例中的滤波器。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。