專(zhuān)利名稱(chēng)：體聲波濾波器的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種濾波器，尤其涉及一種使用體聲波諧振器構(gòu)成的濾波器。這樣的濾波器可以用在通信設(shè)備上作為帶通濾波器，這種濾波器能夠選擇在傳輸通道所處的頻帶并拒絕感興趣的頻帶之外的頻率。本發(fā)明也涉及包括這樣的濾波器的通信設(shè)備(例如，射頻接收機(jī)和/或發(fā)射機(jī))。
發(fā)明的簡(jiǎn)述高性能射頻(RF)濾波器有代表性地使用高介電常數(shù)陶瓷諧振器或聲表面波諧振器。以前的裝置相當(dāng)大，然而近來(lái)的裝置更小型化，但具有更高的插入損耗(通常＞3dB)并通常阻帶相當(dāng)少。結(jié)果，不能為小型通信裝置比如移動(dòng)電話(huà)中信道頻帶選擇提供理想的解決方案。這樣應(yīng)用的濾波器需要深的阻帶來(lái)拒絕不想要的信號(hào)，并需要低的通帶插入損耗(有代表性＜2dB)來(lái)獲得足夠的信噪比。因此，需要帶有高Q系數(shù)(有代表性＜500)的很小型的諧振器。為了達(dá)到該目的，已經(jīng)提出電勢(shì)集成在硅片上的薄膜體聲波(BAW)諧振器。這些裝置適用于頻率范圍0.5到10GHz，因此適合于第三代移動(dòng)電話(huà)標(biāo)準(zhǔn)，以及已經(jīng)建立的無(wú)線(xiàn)電標(biāo)準(zhǔn)，比如GSM、W-CDMA、藍(lán)牙、HomeRF、DECT和GPS。
對(duì)低插入損耗和高阻帶衰減的需要不能通過(guò)單個(gè)諧振器獲得。因此，

圖1中以簡(jiǎn)化的示意性的形式示出，濾波器典型地由一些諧振器組成，并且傳統(tǒng)的薄膜BAW濾波器結(jié)構(gòu)是階梯結(jié)構(gòu)。它有交替的串聯(lián)部分2和并聯(lián)部分4，其中每部分都可以是一個(gè)諧振器，或一個(gè)或多個(gè)諧振器在相同頻率上串聯(lián)連接或并聯(lián)連接(在電學(xué)上是等效的)。并聯(lián)單元的反諧振器頻率被選擇成串聯(lián)單元的諧振頻率，以提供在該頻率上最小的插入損耗。
單獨(dú)的諧振器有代表性地排列為所謂的穩(wěn)固安裝諧振器(SMR)，這種諧振器的一個(gè)例子如圖2所示。所需要的電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)兩個(gè)金屬層12、14之間的壓電材料層10(例如氧化鋅、氮化鋁、PZT、PLZT)獲得，電極形成在金屬層中。壓電材料10在一個(gè)或更多聲學(xué)失諧層16上，聲學(xué)失諧層16安裝在絕緣襯底18，例如玻璃上。聲學(xué)失諧層反射聲波，該聲波由壓電層10在諧振頻率上的諧振產(chǎn)生。
在圖2中，示出了多個(gè)高阻抗層16a和低阻抗層16b。多孔氧化硅(氣凝膠)可以被用于低阻抗層16b，由于這種材料有非常低的聲阻抗，單個(gè)層實(shí)際上就可適于獲得足夠高的Q值。高阻抗層16a可以包括鎢。
在圖2中，上部金屬層12確定諧振器的兩個(gè)端子12a、12b，并且更較低的金屬層14有效地起兩個(gè)串聯(lián)諧振器之間的中間電極的作用。這避免了與較低的金屬層14通過(guò)壓電層10電連接的需要。一對(duì)串聯(lián)連接的諧振器則起濾波器的構(gòu)件的作用并可以看作是基礎(chǔ)諧振器元件。圖2也示出了一個(gè)平面圖，與墊片20連接提供裝置的輸入和輸出。
如圖1所示階梯形濾波器排列已經(jīng)證明性能良好，例如小于2dB插入損耗和假信號(hào)響應(yīng)非常低的電平。然而，如圖3所示，從諧振器的近似的電學(xué)等效電路能夠理解到，該電路也有一些缺點(diǎn)。
Co是諧振器的(不必要的)靜態(tài)電容，然而Cm、Lm和Rm有機(jī)械諧振的特性。它們分別是諧振器的動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻。諧振器在從諧振離開(kāi)的頻率上表現(xiàn)為純電容(除了其他有效機(jī)械諧振比如和聲，它不被認(rèn)為是該簡(jiǎn)單模式)。在
公開(kāi)日期的設(shè)計(jì)中，并聯(lián)和串聯(lián)諧振器有相同的面積，因此有相同的靜態(tài)電容。在每個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)部分之間被濾波器拒絕的頻帶(“阻帶”)中，這只給出了大約6dB的衰減。這是每個(gè)諧振器靜態(tài)電容造成的。包括兩個(gè)串聯(lián)連接的諧振器和中間并聯(lián)諧振器的一個(gè)T形部分可以看作階梯形濾波器的基本構(gòu)件。單個(gè)諧振器元件2i、2o(圖1)則在濾波器的輸入6和輸出8，并且中間串聯(lián)諧振器元件2b每個(gè)包括兩個(gè)串聯(lián)連接的諧振器單元。
為了達(dá)到上述低通帶插入損耗和高阻帶插入損耗，每個(gè)單獨(dú)的構(gòu)件應(yīng)當(dāng)符合這兩項(xiàng)要求。盡管增加加入阻帶損耗(像需要的一樣)部件的數(shù)量，但是這也增加了通帶損耗(以及整個(gè)濾波器的尺寸)。有代表性的是，幾個(gè)這樣的構(gòu)件要求一致的適度阻帶拒絕。因此，不改善濾波器選擇性，占用面積和通帶插入損耗都增加了。
已經(jīng)意識(shí)到，例如在US5471178中，階梯型濾波器的阻帶性能部分地由串聯(lián)和并聯(lián)諧振器之間的靜態(tài)電容比決定，因?yàn)橹C振器作為不在諧振頻率的頻率上的電容分壓器。
按照本發(fā)明提供了一種階梯型濾波器，包括多個(gè)體聲波諧振器，諧振器包括多個(gè)串聯(lián)在濾波器的輸入端和輸出端之間的諧振器和一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)諧振器，每個(gè)并聯(lián)諧振器連接在兩個(gè)串聯(lián)諧振器和一個(gè)公用端子之間的連接點(diǎn)之間，串聯(lián)諧振器包括連接到輸入端的輸入串聯(lián)諧振器和連接到輸出端的輸出串聯(lián)諧振器，其中并聯(lián)諧振器或每個(gè)并聯(lián)諧振器具有比輸出或輸出串聯(lián)諧振器大四倍的靜態(tài)電容。
本發(fā)明的階梯型濾波器提供了增加的并聯(lián)諧振器電容(與傳統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)諧振器有基本相同面積的設(shè)計(jì)相比)。這降低了通過(guò)該部件的有效連接，從而使用更少數(shù)量的串聯(lián)-并聯(lián)濾波器部件就能獲得良好的阻帶拒絕，同時(shí)仍然提供通帶中的良好性能。本發(fā)明的濾波器能夠具有與濾波器的輸入和輸出阻抗相匹配的阻抗從而使通帶插入損耗最小化。然而，增加的并聯(lián)電容降低了濾波器帶寬，并且本發(fā)明以認(rèn)可濾波器帶寬能夠被交換為改進(jìn)的帶外拒絕為基礎(chǔ)。
串聯(lián)諧振器還可以包括一個(gè)或多個(gè)具有接近于輸出或輸出串聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容的一半的靜態(tài)電容的中間串聯(lián)諧振器。以這種方式，階梯型濾波器能夠由相同的T-型構(gòu)件組成。對(duì)相等的輸入和輸出阻抗，輸入和輸出串聯(lián)諧振器最好有相同的靜態(tài)電容。
每個(gè)體聲波諧振器最好包括夾在兩個(gè)金屬層之間的壓電材料層，電極形成在金屬層中，壓電材料提供在多個(gè)安裝在絕緣襯底上的聲音失諧層上。壓電材料可以包括PZT。
階梯型濾波器可以被用于確定具有帶通區(qū)域中的中心頻率的帶通濾波器，其中串聯(lián)和并聯(lián)諧振器被調(diào)諧，從而串聯(lián)諧振器有在中心頻率最小的阻抗和并聯(lián)諧振器有在中心頻率最大的阻抗。這提供了在諧振頻率上在輸入和輸出之間的最大耦合。
串聯(lián)和并聯(lián)諧振器可以被設(shè)計(jì)從而滿(mǎn)足Cseries＝(√2ωshunt)/(ωserise2Rom)Cshunt＝(√2ωshuntm)/(ωserise2Ro)其中Cseries是輸入和輸出串聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容，Cshunt是并聯(lián)諧振器或每個(gè)并聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容，ωshunt和ωserise是串聯(lián)和并聯(lián)諧振器各自的角諧振頻率，
Ro是濾波器理想的輸入和輸出阻抗，以及m是等于并聯(lián)與串聯(lián)靜態(tài)電容的比的平方根的參數(shù)。
該設(shè)置使得濾波器與理想的輸入和輸出阻抗匹配以獲得低通帶損耗。m的值越大，由每個(gè)諧振器階段獲得的阻帶中的拒絕越大。比值m的選擇規(guī)定了串聯(lián)和并聯(lián)諧振器的電容，因此這些元件在基底上的面積能夠被選擇。然而，有m值應(yīng)用的上限，m值依賴(lài)于壓電薄膜的耦合因數(shù)K、諧振器品質(zhì)因數(shù)Q和需要的帶寬。按照本發(fā)明m值大于或等于2，并且可以取2和32之間的值。
本發(fā)明也提供一種射頻帶通濾波器，它包括本發(fā)明的階梯型濾波器。射頻接收機(jī)和/或發(fā)射機(jī)也可以使用這樣的帶通濾波器。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是表示帶有五個(gè)串聯(lián)諧振器和四個(gè)并聯(lián)諧振器的階梯型濾波器的示意圖；圖2示出了已知的穩(wěn)定安裝的體聲波(BAW)諧振器的設(shè)計(jì)；圖3示出了單個(gè)(BAW)諧振器的等效電路；圖4示出了本發(fā)明的具有一個(gè)T型部分的第一串聯(lián)階梯型濾波器的實(shí)施例的頻率響應(yīng)；圖5示出了本發(fā)明的具有一個(gè)T型部分的第二串聯(lián)階梯型濾波器的實(shí)施例的頻率響應(yīng)；圖6和7示出了本發(fā)明的具有一個(gè)T型部分的第三串聯(lián)階梯型濾波器的實(shí)施例的頻率響應(yīng)；圖8示出了本發(fā)明使用多于一個(gè)T型部分的階梯型濾波器的實(shí)施例的頻率響應(yīng)。
實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明基于認(rèn)識(shí)到通過(guò)調(diào)整襯底上串聯(lián)和并聯(lián)諧振器的相對(duì)面積能夠獲得改善的性能，從而能夠選擇靜態(tài)電容值。尤其是，提供增加的并聯(lián)諧振電容，以降低通過(guò)這部分的有效耦合，從而使用更少數(shù)量的串聯(lián)-并聯(lián)濾波器部件。
折衷方案是濾波器帶寬則被減小。然而，如果很堅(jiān)固的壓電材料比如PZT被用來(lái)形成層10，可用帶寬會(huì)大于在很多應(yīng)用中所要求的帶寬，因此額外的帶寬能夠被交換用于更深的阻帶等級(jí)。
該關(guān)系被如下描述。在單個(gè)T型部分中的低通帶插入損耗要求(a)高Q因數(shù)諧振器，和(b)與它的終端(濾波器終端或相鄰的T型部分)良好的電匹配。高Q因數(shù)諧振器能夠用適當(dāng)?shù)谋∧ぜ夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用兩個(gè)條件，并且使階梯型濾波器設(shè)計(jì)(如圖1所示)的串聯(lián)和并聯(lián)部分中相關(guān)的靜態(tài)電容值的能夠選擇，同時(shí)確保濾波器的電匹配，從而它們有理想的輸入和輸出阻抗。
“圖像參數(shù)”理論的應(yīng)用顯示包括兩個(gè)同樣的串聯(lián)諧振器和中間并聯(lián)諧振器T型部分最好與取實(shí)值的終接阻抗Ro(典型的50Ω)匹配，如果Cseries＝(√2ωshunt)/(ωserise2Rom)Cshunt＝(√2ωshuntm)/(ωserise2Ro)其中Cseries是兩個(gè)同樣的串聯(lián)諧振器中每一個(gè)的的靜態(tài)電容，Cshunt是并聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容，ωshunt和ωserise是串聯(lián)和并聯(lián)諧振器各自的(角)諧振頻率，Ro是濾波器理想的輸入和輸出阻抗，以及m是等于并聯(lián)與串聯(lián)靜態(tài)電容的比的平方根的參數(shù)。
上述的阻抗匹配條件給出了可能的最低通帶損耗，并且滿(mǎn)足所有的m值。然而，為了獲得最低的阻帶電平，m應(yīng)該盡可能高。但是，有m應(yīng)用中的上限，m依賴(lài)于壓電薄膜的耦合因數(shù)K、諧振器品質(zhì)因數(shù)Q和需要的帶寬。增加m減少了通過(guò)該部分的有效耦合，因此也降低了濾波器帶寬。對(duì)堅(jiān)固的壓電材料，本發(fā)明提供的適應(yīng)性相當(dāng)大。
實(shí)施例綜述按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)是m、Q、K和T型部分的數(shù)量N。這里給出實(shí)施例來(lái)說(shuō)明這些數(shù)值之間的關(guān)系。這些實(shí)施例基于圖3所示的諧振器等效電路。為了描述實(shí)施例的目的，假定理想的中心頻率和端口阻抗級(jí)分別是1GHz和50Ω。等效電路中的元件值從而被如此選擇，以上兩個(gè)因素滿(mǎn)足Ro＝50Ω，并且每個(gè)T型部分的串聯(lián)和并聯(lián)諧振器分別有它們的1GHz的諧振(阻抗最小值)和反諧振(阻抗最大值)頻率。
在每個(gè)實(shí)施例中，插入損耗(離散參數(shù)S21的絕對(duì)值)按頻率的函數(shù)繪制，圖表以m＝0.25，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0和16.0給出。圖4、5、6和7中箭頭30顯示了m值增加的效果。
實(shí)施例1
圖4示出了具有N＝1(單個(gè)T型部分)和無(wú)窮大Q(即損耗小的諧振器)的諧振器設(shè)計(jì)的結(jié)果。假定K是0.6，這能夠用PZT薄膜獲得。對(duì)所有的m值來(lái)說(shuō)，頻帶中心的阻抗匹配看起來(lái)最好(即零dB損耗)。阻帶電平隨m而增加，一直到大于60dB的值，單個(gè)T型部分m＝16。通帶的帶寬隨著m的增加而減小，但是m＝16的情況仍然大于2％。
從深度零位32與m無(wú)關(guān)這一事實(shí)能夠看出，帶寬比能超出某一基礎(chǔ)值。該最大帶寬依賴(lài)于壓電耦合系數(shù)K。
實(shí)施例2圖5與實(shí)施例等效設(shè)計(jì)的濾波器的帶通區(qū)域的放大部分，但是假定Q＝500，這在實(shí)際中能夠達(dá)到。Q無(wú)窮大的諧振器引入了一些損耗，對(duì)于最窄的帶寬的情況(即在m＝16時(shí)的最大值m)，這在頻帶中心增加了大約1.5dB。帶寬、插入損耗和阻帶電平之間的折衷方案是清楚的。
實(shí)施例3圖6和7示出了K＝0.25的實(shí)施例的曲線(xiàn)，這是能夠使用氮化鋁(AlN)壓電薄膜達(dá)到的值。再次假定品質(zhì)因數(shù)為500，并且用于單個(gè)T型部分(N＝1)。在這種情況下，更低的耦合系數(shù)意味著最大可獲得的帶寬只是大約5％。因此，對(duì)其它設(shè)計(jì)參數(shù)有非常小的交換超出帶寬的范圍。因此本發(fā)明最適用于更堅(jiān)固的壓電材料比如PZT。
為了描述使用階梯型濾波器設(shè)計(jì)中的T型部分的效果，圖8描述了m＝8的兩個(gè)級(jí)聯(lián)的T型部分的頻率響應(yīng)。這里，假定PZT諧振器K＝0.6并且Q＝500。上述模式示出了大約1.3dB中心頻帶的插入損耗，＞15dB返回?fù)p耗(離散參數(shù)S11的絕對(duì)值)，大約5％的部分的帶寬，以及＞80dB的極限組帶。
本發(fā)明的濾波器應(yīng)用到0.5GHz到10GHz的頻率范圍。一些最重要的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)包括在這一范圍內(nèi)，大部分在2GHz，這是對(duì)該技術(shù)來(lái)說(shuō)很普通的頻率。很多基于這些標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用要求很高選擇性的損耗前端濾波器。
因?yàn)閺囊陨系膶?shí)施例和論述會(huì)很顯然，本發(fā)明的階梯型濾波器可以用各種諧振器設(shè)計(jì)和那些諧振器設(shè)計(jì)內(nèi)的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)選擇的靜態(tài)電容比，在題目中諧振器的面積簡(jiǎn)單地需要被按照本發(fā)明來(lái)選擇。這能夠簡(jiǎn)單地通過(guò)對(duì)于圖2所示的諧振器設(shè)計(jì)上部電極層12的適當(dāng)模式來(lái)獲得。然而，有改變靜態(tài)電容的其他方式，這可以包含具有不同的提供能夠獲得的理想的諧振頻率的壓電層厚度。
如以上所述，串聯(lián)和并聯(lián)諧振器調(diào)諧到稍微不同的頻率。這可以通過(guò)提供電極層上的另外一層，或再次通過(guò)交換厚度或不同類(lèi)型諧振器的壓電層的成分來(lái)獲得。
稍微安裝好的BAW已經(jīng)在該申請(qǐng)中被詳細(xì)地描述。然而，本發(fā)明可以同樣應(yīng)用于表面薄膜諧振器。
以上已經(jīng)選擇特殊的實(shí)施例來(lái)作簡(jiǎn)單地比較，并由于此原因所有的實(shí)施例都指向中心在1GHz的濾波器并有50歐姆理想的輸出阻抗。這些參數(shù)將當(dāng)然用心目中特殊的濾波器應(yīng)用來(lái)選擇。
各種其他修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種階梯型濾波器，包括多個(gè)體聲波諧振器，諧振器包括多個(gè)串聯(lián)在濾波器的輸入端和輸出端之間的串聯(lián)諧振器和一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)諧振器，每個(gè)并聯(lián)諧振器連接在兩個(gè)串聯(lián)諧振器之間的連接點(diǎn)和一個(gè)公用端子之間，串聯(lián)諧振器包括連接到輸入端的一個(gè)輸入串聯(lián)諧振器和連接到輸出端的一個(gè)輸出串聯(lián)諧振器，其中并聯(lián)諧振器或每個(gè)并聯(lián)諧振器具有比輸入或輸出串聯(lián)諧振器大四倍的靜態(tài)電容。
2.如權(quán)利要求1要求的階梯型濾波器，其中串聯(lián)諧振器還包括一個(gè)或更多中間串聯(lián)諧振器，串聯(lián)諧振器具有近似輸入或輸出串聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容一半的靜態(tài)電容。
3.如權(quán)利要求2要求的階梯型濾波器，其中輸入和輸出串聯(lián)諧振器有相同的靜態(tài)電容。
4.如前述的權(quán)利要求中任何一個(gè)要求的階梯型濾波器，其中每個(gè)體聲波諧振器包括一個(gè)加在兩個(gè)金屬層之間的壓電材料層，電極形成在金屬層中，壓電材料提供在安裝在絕緣襯底上的多個(gè)聲音失諧層上。
5.如權(quán)利要求4要求的階梯型濾波器，其中壓電材料包括PZT。
6.如前述的權(quán)利要求中任何一個(gè)要求的階梯型濾波器包括具有帶通區(qū)域中的中心頻率的帶通濾波器，其中串聯(lián)和并聯(lián)諧振器被調(diào)諧，從而串聯(lián)諧振器具有中心頻率上的阻抗最小值，并且并聯(lián)諧振器具有中心頻率上的阻抗最大值。
7.如前述的權(quán)利要求中任何一個(gè)要求的階梯型濾波器，其中串聯(lián)和并聯(lián)諧振器被設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足Cseries＝(√2ωshunt)/(ωserise2Rom)Cshunt＝(√2ωshuntm)/(ωserise2Ro)其中Cseries是輸入和輸出串聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容，Cshunt是并聯(lián)諧振器或每個(gè)并聯(lián)諧振器的靜態(tài)電容，ωshunt和ωserise是串聯(lián)和并聯(lián)諧振器各自的角諧振頻率，Ro是濾波器理想的輸入和輸出阻抗，以及m是等于并聯(lián)與串聯(lián)靜態(tài)電容的比的平方根的參數(shù)。
8.一種包括如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所要求的階梯型濾波器的射頻帶通濾波器。
9.一種包括如權(quán)利要求8所要求的帶通濾波器的射頻接收機(jī)和/或接收機(jī)。
全文摘要
一種階梯型濾波器包括串聯(lián)和并聯(lián)諧振器(2,4)。并聯(lián)諧振器或每個(gè)并聯(lián)諧振器(4)有比輸入和輸出串聯(lián)諧振器(2i,2o)的靜態(tài)電容大四倍的靜態(tài)電容。這提供了增加的并聯(lián)諧振器電容,該電容降低了通過(guò)串聯(lián)－并聯(lián)部分的有效耦合,從而能夠使用更少量的串聯(lián)－并聯(lián)濾波器部分來(lái)獲得良好的阻帶拒絕,同時(shí)還提供通帶中的良好性能。本發(fā)明以認(rèn)識(shí)到濾波器帶寬能夠被交換以改善帶外拒絕為基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1383611SQ01801691
公開(kāi)日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2001年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月16日
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