双工器、提高双工器隔离度的方法以及电子设备与流程

1.本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种双工器、提高双工器隔离度的方法以及电子设备。


背景技术：

2.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、双工器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除掉以满足射频系统和通信协议对于信噪比的要求。因此对滤波器、双工器性能的持续的改善有着非常迫切的需求。
3.射频滤波器、双工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、双工器的主要性能指标为插损、带外抑制、功率容量、线性度、隔离度、器件尺寸和成本。良好的滤波器、双工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滤波器、双工器的设计是至关重要的。
4.现有的双工器中第一滤波器和第二滤波器之间避免不了地存在电磁耦合，所述电磁耦合的存在可能会使得双工器的隔离度产生恶化。所以对不同耦合对双工器性能的影响进行研究，并对其进行合理设置来提升双工器的隔离度特性为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出双工器、提高双工器隔离度的方法以及电子设备，以实现提升双工器的隔离度特性的发明目的。
6.本发明第一方面提供一种双工器，具有天线端、第一端口、第二端口，并且所述双工器包括均为梯形结构的第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器设置在天线端和第一端口之间，所述第二滤波器设置在天线端和第二端口之间，所述第一滤波器的靠近所述第一端口的并联支路接地电感为第一电感，所述第一滤波器的靠近所述第一端口的串联或/和并联匹配电感为第二电感，所述第二滤波器的靠近所述第二端口的并联支路接地电感为第三电感，其中：所述第一电感与所述第三电感之间的距离大于所述第二电感与所述第三电感之间的距离；或者/并且，所述双工器还包括地隔离层，所述第一电感位于所述地隔离层的一侧，所述第二电感和所述第三电感位于所述地隔离层的另一侧。
7.可选地，所述第一电感、所述第二电感以及所述第三电感全部或部分地位于封装基板中。
8.可选地，所述第二电感与所述第三电感位于所述封装基板的同一金属层中。
9.可选地，所述第一电感到第三电感之间的信号路径为第一信号路径，所述第二电感到第三电感之间的信号路径为第二信号路径，所述第一信号路径与第二信号路径的相位差为150
°
至210
°
。
10.可选地，所述第一滤波器和第二滤波器为声波滤波器。
11.本发明第二方面提供一种提高双工器隔离度的方法，所述双工器具有天线端、第一端口、第二端口，并且所述双工器包括均为梯形结构的第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器设置在天线端和第一端口之间，所述第二滤波器设置在天线端和第二端口之间，所述第一滤波器的靠近所述第一端口的并联支路接地电感为第一电感，所述第一滤波器的靠近所述第一端口的串联或/和并联匹配电感为第二电感，所述第二滤波器的靠近所述第二端口的并联支路接地电感为第三电感，该方法包括如下步骤：设置所述第一电感与所述第三电感之间的距离大于所述第二电感与所述第三电感之间的距离；或者/并且，在所述双工器中设置地隔离层，将所述第一电感设置在所述地隔离层的一侧，将所述第二电感和所述第三电感设置在所述地隔离层的另一侧。
12.可选地，还包括：将所述第一电感、所述第二电感以及所述第三电感全部或部分地设置在封装基板中。
13.可选地，还包括：所述第二电感与所述第三电感设置在所述封装基板的同一金属层中。
14.可选地，所述双工器中所述第一电感到第三电感之间的信号路径为第一信号路径，所述第二电感到第三电感之间的信号路径为第二信号路径，所述方法还包括：设置所述第一信号路径与所述第二信号路径的相位差为150
°
至210
°
。
15.可选地，所述第一滤波器和第二滤波器为声波滤波器。
16.本发明第三方面提出一种电子设备，包括本发明的双工器。
17.本发明的技术方案，针对双工器中的第一电感、第二电感和第三电感进行相关设计，减小对双工器不利的耦合，并增加有益的耦合，从而实现双工器隔离度的提升；通过耦合的设置改变双工器隔离度特性，在一定程度上增加了设计灵活度，具有简单易行等优点。
附图说明
18.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：
19.图1a为声波谐振器的电学符号，图1b为声波谐振器的等效电学模型；
20.图2为声波谐振器的阻抗频率特性图；
21.图3为现有技术双工器的封装结构的剖面示意图；
22.图4为现有技术双工器的电路架构的示意图；
23.图5为现有技术双工器的电路架构中的两个信号路径的示意图；
24.图6为现有技术双工器中所述两个信号路径的相位频率特性图；
25.图7为本发明第一实施例的双工器电路架构的示意图；
26.图8为本发明实施方式双工器与现有技术双工器隔离度特性对比图；
27.图9为本发明第二实施例的双工器电路架构的示意图；
28.图10为本发明实施方式双工器的第一种封装方式的立体示意图；
29.图11为本发明实施方式双工器的第二种封装方式的立体示意图。
具体实施方式
30.如背景技术所描述的，双工器的第一滤波器和第二滤波器之间避免不了地存在电磁耦合，该耦合的存在可能会使得双工器的隔离度产生恶化，特别是靠近第二滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感与靠近第一滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感之间的耦合对双工器隔离度的影响比较大。本技术通过分析双工器中不同路径之间的相位关系，找出与上述耦合节点之间电路路径相位相反的电路路径，并在此电路路径节点之间设置耦合，从而抵消上述对双工器隔离度的影响比较大的耦合，最终实现双工器隔离度特性的提升。双工器可以是双发射模式，也可以是双接收模式，还可以是高频滤波器为发射滤波器低频滤波器为接收滤波器(一般用于基站)或者高频滤波器为接收滤波器低频滤波器为发射滤波器(一般用于智能终端)，第一滤波器和第二滤波器的通带彼此之间无重叠，可根据需要在二者之中确定频率的高低以及确定接收、发射滤波器。下面结合附图作进一步说明。
31.图1a为声波谐振器的电学符号，图1b为声波谐振器的等效电学模型。声波谐振器具体可以包括薄膜体声波谐振fbar、表面声波谐振器saw及固态装配型谐振器smr。图2为声波谐振器的阻抗频率特性。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，fs处谐振器的q值定义为qs；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，fp处谐振器的q值定义为qp。
32.图3为现有技术双工器的封装结构的剖面示意图。其中53为第一滤波器f1，52为第二滤波器f2，51为双工器封装基板，54为用于第一滤波器f1和第二滤波器f2与封装基板进行的电连接的金属柱，55为双工器的信号焊盘，50为双工器的塑封体，该塑封体材料一般为环氧树脂、聚氨酯和有机硅弹性体等高分子材料。在该双工器结构中，第一滤波器f1和第二滤波器f2之间避免不了地存在电磁耦合，该电磁耦合包括空间耦合c1和由于两个滤波器共用封装基板而产生的走线耦合c2，上述两种耦合的存在可能会使得双工器的隔离度产生恶化，需进行合理设计尽量减小对双工器隔离度影响较大的耦合，或者通过其他耦合抵消对双工器隔离度影响较大的耦合。双工器中的第一滤波器(第二滤波器)可以是高频滤波器，也可以是低频滤波器，可用于发射信号也可用于接收信号。
33.图4为现有技术双工器的电路架构的示意图。该双工器由第一滤波器f1和第二滤波器f2组成，第一滤波器为串联谐振器s11至s14和并联谐振器p12至p14组成的梯型结构滤波器，第二滤波器为串联谐振器s21至s24和并联谐振器p21至p24组成的梯型结构滤波器。第一滤波器和第二滤波器具有固定的工作频率和带宽，且第一滤波器和第二滤波器的通带彼此之间无重叠。图中相关标号含义如下：
34.lm：天线端匹配电感。
35.t1：第一滤波器信号输入/输出端口。
36.t2：第二滤波器信号输入/输出端口。
37.l1和l2：第一滤波器天线端串联电感和t1端口串联电感。
38.l6和l7：第二滤波器天线端串联电感和t2端口串联电感。
39.l3、l4和l5：第一滤波器并联支路接地电感。
40.l8和l9：第二滤波器并联支路接地电感。
41.m1：电感l9与电感l5之间的耦合。
42.在以下描述中，为示意清晰，第一滤波器的靠近第一端口的并联支路接地电感为第一电感，第一滤波器的靠近第一端口的串联或/和并联匹配电感为第二电感，第二滤波器的靠近第二端口的并联支路接地电感为第三电感。因此图4中，第一滤波器f1的靠近第一端口t1的并联支路接地电感是l5，记为第一电感l5；第一滤波器f1的靠近第一端口t1的串联匹配电感是l2，记为第二电感l2；第二滤波器f2的靠近第二端口t2的并联支路接地电感是l9，记为第三电感l9。
43.图4中，耦合m1为靠近第二滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感与靠近第一滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感之间的耦合，且随着耦合m1的增大，双工器的隔离度特性恶化越严重。
44.图5为现有技术双工器的电路架构中的两个信号路径的示意图。其中第一信号路径p-1为靠近第二滤波器信号输入/输出端口t2的并联支路中串联电感l9先后经第二滤波器、第一滤波器到靠近第一滤波器信号输入/输出端口t1的并联支路中串联电感l5；第二信号路径p-2为靠近第二滤波器信号输入/输出端口t2的并联支路中串联电感l9先后经第二滤波器、第一滤波器到第一滤波器信号输入/输出端口t1的串联匹配电感l2。
45.图6为图5中所示的两个信号路径的相位频率特性。这里以band-1(第一滤波器通带1920mhz至1980mhz，第二滤波器通带2110mhz至2170mhz)为例进行说明，由图可见在第一滤波器通带内1930mhz至1980mhz频段，第一信号路径p-1和第二信号路径p-2的相位近似相差180
°
，即在此频段两个信号路径是反相位的。所以电感l9与电感l5之间的耦合(包括电感耦合和电容耦合)和电感l9与电感l2之间的耦合对双工器特性的影响是相反的，所以通过增加电感l9与电感l2之间的耦合可以提升双工器的隔离度特性。
46.图7为本发明第一实施例的双工器电路架构的示意图。该双工器由第一滤波器f1和第二滤波器f2组成，第一滤波器为串联谐振器s11至s14和并联谐振器p12至p14组成的梯型结构滤波器，第二滤波器为串联谐振器s21至s24和并联谐振器p21至p24组成的梯型结构滤波器。第一滤波器和第二滤波器具有固定的工作频率和带宽，且第一滤波器和第二滤波器的通带彼此之间无重叠。双工器中的第一滤波器(第二滤波器)可以是高频滤波器，也可以是低频滤波器，可用于发射信号也可用于接收信号。
47.图中相关标号含义如下：
48.lm：天线端匹配电感。
49.t1：第一滤波器信号输入/输出端口。
50.t2：第二滤波器信号输入/输出端口。
51.l1和l2：第一滤波器天线端串联电感和t1端口串联电感。
52.l6和l7：第二滤波器天线端串联电感和t2端口串联电感。
53.l3、l4和l5：第一滤波器并联支路接地电感。
54.l8和l9：第二滤波器并联支路接地电感。
55.m1：电感l9与电感l5之间的耦合。
56.m2：电感l9与电感l2之间的耦合。
57.图7中，第一滤波器f1的靠近第一端口t1的并联支路接地电感是l5，记为第一电感
l5；第一滤波器f1的靠近第一端口t1的串联匹配电感是l2，记为第二电感l2；第二滤波器f2的靠近第二端口t2的并联支路接地电感是l9，记为第三电感l9。
58.本发明实施例对两个滤波器的级数及具体并联支路的接地方式不做限定，耦合m1为靠近第二滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感与靠近第一滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感之间的耦合，耦合m2为靠近第二滤波器信号输入/输出端口的并联支路接地电感与第一滤波器信号输入/输出端口的串联电感之间的耦合。增加耦合m2可以抵消耦合m1对双工器隔离度特性的影响，从而提升双工器的隔离度特性。
59.图8为本发明实施方式双工器与现有技术双工器隔离度特性对比图。
60.其中实线为本发明第一实施例所示双工器的隔离度特性，虚线为现有技术双工器的隔离度特性。由图可见在第一滤波器通带内第一信号路径p-1和第二信号路径p-2反相位的频段(1930mhz至1980mhz)，第一实施例双工器的隔离度特性比现有技术双工器的隔离度特性好5至10db。
61.图9为本发明第二实施例的双工器电路架构的示意图。该双工器由第一滤波器f1和第二滤波器f2组成，第一滤波器为串联谐振器s11至s14和并联谐振器p12至p14组成的梯型结构滤波器，第二滤波器为串联谐振器s21至s24和并联谐振器p21至p24组成的梯型结构滤波器。第一滤波器和第二滤波器具有固定的工作频率和带宽，且第一滤波器和第二滤波器的通带彼此之间无重叠。双工器中的第一滤波器(第二滤波器)可以是高频滤波器，也可以是低频滤波器，可用于发射信号也可用于接收信号。
62.图中相关标号含义如下：
63.lm：天线端匹配电感。
64.t1：第一滤波器信号输入/输出端口。
65.t2：第二滤波器信号输入/输出端口。
66.l1和l2：第一滤波器天线端串联电感和t1端口并联电感。
67.l6和l7：第二滤波器天线端串联电感和t2端口串联电感。
68.l3、l4和l5：第一滤波器并联支路接地电感。
69.l8和l9：第二滤波器并联支路接地电感。
70.m1：电感l9与电感l5之间的耦合。
71.m2：电感l9与电感l2之间的耦合。
72.图9中，第一滤波器f1的靠近第一端口t1的并联支路接地电感是l5，记为第一电感l5；第一滤波器f1的靠近第一端口t1的并联匹配电感是l2，记为第二电感l2；第二滤波器f2的靠近第二端口t2的并联支路接地电感是l9，记为第三电感l9。
73.本发明第二实施例双工器与第一实施例双工器的主要区别在于：耦合m2为靠近第二滤波器信号输入/输出端口的并联支路中串联电感与第一滤波器信号输入/输出端口的并联匹配电感之间的耦合。本发明中耦合m2不仅限于第一实施例和第二实施例描述的情况，也可以为第一实施例中的耦合m2和第二实施例中的耦合m2同时存在。
74.另外，图7和图9中，若将第一滤波器和第二滤波器的指代关系对调，则图7和图9的l5、l7、l9相当于第一电感、第二电感和第三电感，也满足类似条件，并具有类似效果。
75.图10为本发明实施方式双工器的第一种封装方式的立体示意图。图10中是以三层介质四层金属的封装基板为例进行说明，但本发明对封装基板层数及各膜层厚度不做限
定。其中60为用于第一滤波器f1和第二滤波器f2与封装基板进行的电连接的金属柱，封装基板由65至71组成，65为第一金属层，67为第二金属层，69为第三金属层，71为第四金属层，66为第一介质层，68为第二介质层，70为第三介质层，第一介质层66位于第一金属层65和第二金属层67之间，第二介质层68位于第二金属层67和第三金属层69之间，第三介质层70位于第三金属层69和第四金属层71之间。61为双工器天线端焊盘，62为双工器第一滤波器f1信号输入/输出焊盘，63为双工器第二滤波器f2信号输入/输出焊盘，64为双工器gnd焊盘，61-64均设置在第四金属层71。第一电感、第二电感以及第三电感全部位于封装基板中，或者部分地位于封装基板中(该情况是芯片外设置分立器件的情况，此时只有部分电感在封装基板当中)。本发明中只对设置在封装基板中的电感进行限定。
76.在该实施例中，第一电感l5、第二电感l2和第三电感l9均设置在第一金属层65，且第一电感l5与第三电感l9之间的距离d1大于第二电感l2与第三电感l9的距离d2。但是本发明实施方式不限于三个电感设置在同一金属层，也可以设置在不同金属层，只要满足d1大于d2即可。该实施方式中，第一电感与第三电感之间的距离大于第二电感与第三电感之间的距离，使得耦合m2大于耦合m1，从而提升双工器的隔离度特性。
77.图11为本发明实施方式双工器的第二种封装方式的立体示意图。第二种封装方式与第一种封装方式不同之处在于第三电感l9和第二电感l2设置在同一金属层65中，第一电感l5设置在另一金属层69，且在第三金属层67上设置金属的地隔离层将第三电感l9、第二l2与第一电感l5进行隔离。但是本发明实施方式不限于第三电感l9和第二电感l2设置在同一金属层，也可以设置在不同金属层。只要保证电感第三电感l9、第二电感l2，与第一电感l5之间具有隔离层即可。该实施方式中，第一电感位于地隔离层的一侧，第二电感和第三电感位于地隔离层的另一侧，使得耦合m2大于耦合m1，从而提升双工器的隔离度特性。
78.本发明实施方式的提高双工器隔离度的方法，双工器具有天线端、第一端口、第二端口，并且双工器包括均为梯形结构的第一滤波器和第二滤波器，第一滤波器设置在天线端和第一端口之间，第二滤波器设置在天线端和第二端口之间，第一滤波器的靠近第一端口的并联支路接地电感为第一电感，第一滤波器的靠近第一端口的串联或/和并联匹配电感为第二电感，第二滤波器的靠近第二端口的并联支路接地电感为第三电感，该方法包括如下步骤：设置第一电感与第三电感之间的距离大于第二电感与第三电感之间的距离；或者/并且，在双工器中设置地隔离层，将第一电感设置在地隔离层的一侧，将第二电感和第三电感设置在地隔离层的另一侧。该方法通过设置特定电感间距满足条件，或者设置特定电感被隔离层隔开，使得耦合m2大于耦合m1，从而提升双工器的隔离度特性。
79.本发明实施方式的电子设备，包括本发明公开的双工器。
80.根据本发明的技术方案，针对双工器中的第一电感、第二电感和第三电感进行相关设计，减小对双工器不利的耦合，并增加有益的耦合，从而实现双工器隔离度的提升；通过耦合的设置改变双工器隔离度特性，在一定程度上增加了设计灵活度，具有简单易行等优点。
81.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。