一种体声波谐振器、超窄带滤波器、双工器及多工器的制作方法

本发明涉及体声波滤波器技术领域，具体涉及一种体声波谐振器、超窄带滤波器、双工器及多工器。

背景技术：

随着无线通信技术的快速发展，许多射频器件在通信领域得到广泛应用，例如，在个人移动终端如手机上会有大量的滤波器、双工器等使用，主要用来滤除不需要的射频信号，改善发射通路或接收通路的性能。同时除了对滤波器、双工器性能上有较高的要求外，还对体积尺寸提出较高的要求，而体声波滤波器刚好可以满足其要求。体声波谐振器利用压电晶体的压电效应产生谐振。由于谐振由机械波产生，而非电磁波作为谐振来源，机械波的波长比电磁波波长短很多。因此，体声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。由于体声波滤波器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性，以此为核心的滤波器在通讯系统中得到了广泛的应用。

体声波谐振器的有效机电耦合系数一般在3％-15％之间，相对应的由其组成的滤波器其相对带宽也在1％-8％之间，如果超出这个范围，用体声波滤波器就比较难以实现。在某些特殊的应用场合，会对滤波器提出一些特殊的性能要求，除了要求滤波器尺寸小外，要求滤波器通信带宽非常窄，如带宽只有几百khz，其相对带宽只有万分之二左右，同时对临带抑制要求也很高，需要60db的带外抑制。这样的超窄带滤波器，其相对带宽只有万分之二，如果用常规的设计方法，需要体声波谐振器的有效大概为万分之五左右，这么小的有效是无法做出来的。

因此，如何用体声波谐振器技术，在保持滤波器尺寸较小的情况下，实现相对带宽只有万分之二的超窄带滤波器，仍是待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种体声波谐振器、超窄带滤波器、双工器及多工器，利用体声波谐振器特殊的谐振特性，实现超窄带滤波器，在一些实施方式中，可使滤波器的相对带宽为万分之二左右。

根据本发明的第一方面，提供了一种体声波谐振器。

本发明的体声波谐振器包括硅衬底、形成在所述硅衬底上的下电极、形成在所述下电极上的二氧化硅温补层、形成在所述二氧化硅温补层上的压电层以及形成在所述压电层上的上电极；该具有温补层的谐振器的有效机电耦合系数在0.6％到1％之间，其温漂系数为零。

可选地，所述硅衬底上还形成有位于所述体声波谐振器正下方的空气腔。

可选地，所述压电层为aln材料。

根据本发明的第二方面，提供了一种超窄带滤波器。

本发明的这种超窄带滤波器包括一个串联支路和多个并联支路，并且：所述串联支路包含至少四个上述的体声波谐振器，在输入端口与输出端口之间相互串联连接；每个所述并联支路包含至少一个上述的体声波谐振器，该体声波谐振器连接在所述至少四个位于串联支路上的体声波谐振器的连接节点的任一者与接地端之间。

可选地，所述并联支路上的体声波谐振器的并联谐振频点位于滤波器的通带内。

可选地，所述串联支路上的体声波谐振器的串联谐振频率大于所述并联支路上的体声波谐振器的并联谐振频率，且二者的差值大于30mhz；所述串联支路上的体声波谐振器的并联谐振频率小于所述并联支路上的体声波谐振器的串联谐振频率，且二者的差值大于20mhz。

根据本发明的第三方面，提供了另一种超窄带滤波器

本发明的这种超窄带滤波器包括一个串联支路和多个并联支路，并且：所述串联支路包含至少四个电容，在输入端口与输出端口之间相互串联连接；每个所述并联支路包含至少一个上述的体声波谐振器，被连接在所述至少四个电容的连接节点的任一者与接地端之间。

可选地，所述体声波谐振器的并联谐振频点位于滤波器的通带内。

根据本发明的第四方面，提供了一种双工器。该双工器包括：连接在天线端子与发送端子之间的上述的超窄带滤波器；和连接在天线端子与接收端子之间的上述的超窄带滤波器。

根据本发明的第五方面，提供了一种多工器。该多工器包括：多个连接在天线端子与发送端子之间的上述的超窄带滤波器；和多个连接在天线端子与接收端子之间的上述的超窄带滤波器。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是现有的窄带滤波器的拓扑结构图；

图2是本实施例一超窄带滤波器的拓扑结构图；

图3是本实施例一超窄带滤波器中体声波谐振器的结构图；

图4是本实施例一超窄带滤波器中并联谐振器的谐振阻抗曲线；

图5是本实施例一超窄带滤波器中第一种串联谐振器的阻抗曲线图；

图6是本实施例一超窄带滤波器中第二种串联谐振器的阻抗曲线图；

图7是本实施例一超窄带滤波器中仿真的传输函数曲线图；

图8是本实施例一超窄带滤波器中通带插损局部放大图；

图9是本实施例一超窄带滤波器中两个端口的回波损耗曲线图；

图10是本实施例二超窄带滤波器的拓扑结构图；

图11是本实施例二超窄带滤波器中仿真的传输函数曲线图；

图12是本实施例二超窄带滤波器中通带插损局部放大图；

图13是本实施例二超窄带滤波器中两个端口的回波损耗曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

目前，在某些特殊的应用场合，会对滤波器提出一些特殊的性能要求，例如除了要求滤波器尺寸小外，要求滤波器通信带宽只有几百khz，同时对临带抑制要求也很高，需要60db的带外抑制。例如某gps用户，对滤波器的指标要求为中心频率为1.5754ghz，通信带宽250khz，而且要求临带抑制60db。需要体声波谐振器的有效大概为万分之五左右，这么小的有效是无法实现的。

对于采用梯型拓扑结构的体声波滤波器而言，现有的实现窄带滤波器的方法是：在串联体声波谐振器上并联一个电容或在并联体声波谐振器上串联一个电容，以达到减小有效的目的，从而实现窄带滤波器，另外一种可替代的方法是把上述电容用谐振器代替，使用时，通过加载质量负载的办法让该谐振器工作于等效为电容的区域。

图1示出了采用上述现有的实现窄带滤波器的方法得到的滤波器的结构。如图1所示，该滤波器为梯形拓扑结构，该滤波器包括输入端口1、输出端口2、连接在输入端口1与输出端口2之间串联支路以及三条并联连接的并联支路。

串联支路包括体声波谐振器s11、s12、s13、s14，体声波谐振器s11、s12、s13、s14依次串联在输入端1与输出端2之间；串联谐振器s11、s12、s13、s14的串联谐振频率刚好位于滤波器通带内。

在串联谐振器s11和串联谐振器s14上分别并联有谐振器s21和s22，谐振器s21和s22都需要加载质量负载，使其工作于等效为电容的区域，从而可以减小串联谐振器的有效

三条并联支路分别为由串联的体声波谐振器p11和p21组成的第一并联支路、由串联的体声波谐振器p12和p22组成的第二并联支路以及由串联的体声波谐振器p13和p23组成的第三并联支路；串联的体声波谐振器p11和p21的一端与串联谐振器s11和s12的连接点连接，另一端接地；串联的体声波谐振器p12和p22的一端与串联谐振器s12和s13的连接点连接，另一端接地；串联的体声波谐振器p13和p23的一端与串联谐振器s13和s14的连接点连接，另一端接地。

并联谐振器p11、p12、p13的并联谐振频率刚好位于滤波器通带内，另外需要说明的是谐振器p21、p22、p23没有加载质量负载，相对于加载了质量负载的谐振器p11、p12、p13而言，其工作于等效为电容的区域，从而可以减小并联谐振器的有效从而实现窄带滤波器。

上述实现窄带滤波器的方法仍有局限性，该方法中的谐振器没有采用二氧化硅温补层，其有效仍然较大(一般会＞3％)，另外即使采用在原来的谐振器上串并联电容进一步减小有效但减小仍然有限，对于相对带宽只有万分之二的超窄带滤波器仍然无能为力。

为了解决现有技术存在不足，本实施例一提供一种新的超窄带滤波器。图2示出了本实施例一涉及的超窄带滤波器的结构。如图2所示，该滤波器梯型4—3结构，包括输入端口41、输出端口42、连接在输入端口41与输出端口42之间的串联支路以及三条并联连接的并联支路。

串联支路包括体声波谐振器s41、s42、s43、s44，体声波谐振器s41、s42、s43、s44依次串联在输入端口41和输出端口42之间。

三条并联支路分别为由体声波谐振器p41组成的第一并联支路、由体声波谐振器p42组成的第二并联支路以及由体声波谐振器p43组成的第三并联支路；体声波谐振器p41的一端与体声波谐振器s41和s42的连接点连接，另一端接地；体声波谐振器p42的一端与体声波谐振器s42和s43的连接点连接，另一端接地；体声波谐振器p43的一端与体声波谐振器s43和s44的连接点连接，另一端接地。

在本实施例中，基于二氧化硅温补层可以减小体声波谐振器有效的特性，使用具有二氧化硅温补层的体声波谐振器作为本实施例一提出的滤波器涉及的体声波谐振器s41、s42、s43、s44、p41、p42和p43，利用串联谐振器的非谐振区域，而并联谐振器利用其并联谐振区域，组成一个超窄带滤波器。

图3示出了具有二氧化硅温补层的体声波谐振器结构。本实施例一涉及的体声波谐振器包括硅衬底1、形成在所述硅衬底1上的下电极2、形成在下电极2上的二氧化硅温补层3、在所述二氧化硅温补层3上的压电层4以及形成在压电层4上的上电极5，其中，压电层4可采用a1n材料，硅衬底1上还制作有位于体声波谐振器正下方的空气腔6。

本实例提出的超窄带滤波器的所有谐振器都添加了二氧化硅温补层，可以使其有效为0.9％左右。通过叠层的调整使得并联谐振器的并联谐振频点刚好位于滤波器的通带内，而串联谐振器，通过叠层的调整使得串联谐振器的串联谐振频率远大于并联谐振器的并联谐振频率，例如串联谐振器的串联谐振频率比并联谐振器的并联谐振频率大30mhz以上，从而使得串联谐振器工作于其串联谐振频点左侧的电容区域，相当于一个电容使用；或者通过叠层的调整使得串联谐振器的并联谐振频率远小于并联谐振器的串联谐振频率，例如并联谐振器的串联谐振频率比并联谐振器的并联谐振频率大20mhz以上，从而使得串联谐振器工作于其并联谐振频点右侧的电容区域，相当于一个电容使用。

下面对本实施例一涉及的超窄带滤波器的效果进行验证。本实施例涉及的超窄带滤波器，其中心频率为f0＝1.5754ghz，通信带宽为250khz，临带抑制要求为：在f0±5mhz处抑制度大于60db，在f0±10mhz处抑制度大于70db。

本实施例采用具有二氧化硅温补层的谐振器作为超窄带滤波器的串联谐振器和并联谐振器，其有效为0.9％左右，通过叠层的调整使得并联谐振器的并联谐振频点位刚好位于中心频率为f0＝1.5754ghz附近，并联谐振器的谐振阻抗曲线如图4所示。图4中21为并联谐振器的串联谐振点，22为并联谐振器的并联谐振点，22对应的频率刚好在f0＝1.5754ghz附近。串联谐振器可以有两种选择，第一种串联谐振器的阻抗曲线如图5所示，其串联谐振点在1.605ghz附近，比并联谐振器的并联谐振频点还要高30mhz，在滤波器通带内，串联谐振器实际上工作在电容区域，如图5中的31处。第二种串联谐振器的阻抗曲线如图6所示，其并联谐振点在1.55ghz附近，比并联谐振器的串联谐振频点还要低20mhz，在滤波器通带内，串联谐振器实际上工作在电容区域，如图中的61处。图7为仿真的传输函数曲线，各项指标满足设计要求，实现了相对带宽只有万分之二的超窄带滤波器功能。图8为通带插损局部放大图，图9为两个端口的回波损耗曲线。

图10是本实施例二涉及的超窄带滤波器的拓扑结构。该超窄带滤波器为梯型4—3结构，包括输入端口51、输出端口52、连接在输入端口51和输出端口52之间的串联支路以及三条并联连接的并联支路。

所述串联支路包括电容c51、c52、c53和c54，电容c51、c52、c53和c54依次串联于输入端口51和输出端口52之间。

所述三条并联支路分别为由体声波谐振器p51组成的第一并联支路、由体声波谐振器p52组成的第二并联支路以及由体声波谐振器p53组成的第三并联支路，体声波谐振器p51的一端与电容c51和c52的连接点连接，另一端接地；体声波谐振器p52的一端与电容c52和c53的连接点连接，另一端接地；体声波谐振器p53的一端与电容c53和c54的连接点连接，另一端接地。

本实施例二涉及的超窄带滤波器中体声波谐振器p51、p52和p53分别采用具有二氧化硅温补层的体声波谐振器。如图3所示，该二氧化硅温补层的声波谐振器包括硅衬底1、形成在硅衬底1上的下电极2、形成在下电极2上的二氧化硅温补层3、形成在二氧化硅温补层3上的压电层4以及形成在压电层4上的上电极5，其中，压电层4为a1n材料，硅衬底1上还制作有位于体声波谐振器正下方的空气腔6。

可见，本实施例二涉及的超窄带滤波器的体声波谐振器p51、p52和p53都添加了二氧化硅温补层，可以使其有效为0.9％左右。通过叠层的调整使得并联谐振器的并联谐振频点刚好位于滤波器的通带内。

下面对本实施例二涉及的超窄带滤波器的效果进行验证。本实施例涉及的超窄带滤波器，其中心频率为f0＝1.5754ghz，通信带宽为250khz，临带抑制要求为：在f0±5mhz处抑制度大于60db，在f0±10mhz处抑制度大于70db。在设计时，采用具有二氧化硅温补层的谐振器作为基本设计单元，其有效为0.9％左右，通过叠层的调整使得并联谐振器的并联谐振频点位刚好位于中心频率为f0＝1.5754ghz附近，图11为仿真的传输函数曲线，各项指标满足设计要求，实现了相对带宽只有万分之二的超窄带滤波器功能。图12为通带插损局部放大图，图13为两个端口的回波损耗曲线，图11与图7相比，通带外右侧1.61ghz处的抑制变得更好。

本实施例还提供一种双工器，该双工器包括：连接在天线端子与发送端子之间的如上所述的超窄带滤波器；和连接在天线端子与接收端子之间的如上所述的超窄带滤波器。

本实施例还提供一种多工器，该多工器包括：多个连接在天线端子与发送端子之间的如上所述的超窄带滤波器；和多个连接在天线端子与接收端子之间的如上所述的超窄带滤波器。

本实施例采用新的超窄带滤波器组成双工器以及多工器，满足双工器以及多工器性能需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。