一种可调机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制作方法

1.本发明属于滤波器设计领域。


背景技术：

2.随着无线通信技术及智能手机的发展，射频前端对元器件性能指标、集成度的要求越来越高。基于薄膜体声波器件的射频前端滤波器、双工器、多工器因其具有小体积、插损低、快速滚降、低功耗等优点，已被广泛使用于智能手机、通信终端、以及通信基站中，并将于未来应用于车联网、工业控制等物联网终端的通信设备中。此外，随着需求的提高，大数据传输是未来发展的一个方向。由香农信道定理，信道信息传输速率的上限和信道信噪比及带宽有关。随着带宽的增加，传输速率上升，同时还可以实现减小功率，增加保密性，故超宽带滤波器的研制是极具应用价值的。同时，由于通信频段的增加，频谱资源越来越紧张，尤其是一些频率源应用环境，要求滤波器为超窄带(点频应用)，且矩形系数要求小于1.5，目前薄膜体声波滤波器是这类需求的最佳选择，因此研究超窄带高矩形系数滤波器也是非常有意义的。
3.传统的薄膜体声波谐振器采用的aln和zno压电材料，其材料机电耦合系数在6％～7％左右，实现的谐振器的器件机电耦合系数在8％以下，实现的滤波器3db相对带宽也将只能到8％，矩形系数大于1.5，并不能满足目前超宽带和超窄带高矩形系数的需求。


技术实现要素：

4.发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提拱了一种可调机电耦合系数的薄膜体声波滤波器。
5.技术方案：本发明提供了一种可调机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括薄膜体声波谐振器以及与薄膜体声波谐振器串联或并联的机电耦合系数调控电路，所述机电耦合系数调控电路为电容或者电感。
6.进一步的，所述薄膜体声波谐振器包括电容值为c0的静态电容，电感值为la的动态电感和电容值为ca动态电容；所述动态电感和动态电容串联后与静态电容并联。
7.进一步的，若机电耦合系数调控电路为电感且与薄膜体声波谐振器并联，则根据如下公式计算并联的电感值l
sh
：
[0008][0009]
其中，f
p
'为并联电感后薄膜体声波谐振器的并联谐振频率。
[0010]
进一步的，若机电耦合系数调控电路为电感且与薄膜体声波谐振器串联，则根据如下公式计算串联的电感值l
se
：
[0011]
[0012]
其中，fs'为串联电感后薄膜体声波谐振器的串联谐振频率。
[0013]
进一步的，若机电耦合系数调控电路为电容且与薄膜体声波谐振器并联，则根据如下公式计算并联的电容值c
sh
：
[0014][0015]
其中，f
p“为并联电容后薄膜体声波谐振器的并联谐振频率。
[0016]
进一步的，若机电耦合系数调控电路为电容且与薄膜体声波谐振器串联，则根据如下公式计算并联的电容值c
se
：
[0017][0018]
其中，f
s”为串联电容后薄膜体声波谐振器的串联谐振频率。
[0019]
进一步的，若所述机电耦合系数调控电路为电容，则通过焊接集总电容的方式实现机电耦合系数调控电路与薄膜体声波谐振器的串联或并联。
[0020]
进一步的，若所述机电耦合系数调控电路为电感，所述电感为集总电感或者分布式绕线电感。
[0021]
有益效果：本发明提出一种对薄膜体声波谐振器机电耦合系数灵活控制的方法，在保持薄膜体声波谐振器自身结构不变的前提下，仅通过在薄膜体声波谐振器外围串联或并联电容，实现薄膜体声波谐振器有效机电耦合系数在3％～7％范围内的调控，以满足目前超窄带(点频)滤波器的需求；同时，可以通过在薄膜体声波谐振器外围串联或并联电感，实现薄膜体声波谐振器有效机电耦合系数在6％～30％范围内的调控，以满足目前超宽带滤波器的需求。
附图说明
[0022]
图1是薄膜体声波谐振器机电耦合系数调控电路参数流程图；
[0023]
图2是薄膜体声波谐振器，其中(a)为薄膜体声波谐振器电路符号图，(a)为薄膜体声波谐振器等效bvd模型；
[0024]
图3是并联电感的电路示意图，其中(a)为薄膜体声波谐振器并联电感的电路示意图，(b)为薄膜体声波谐振器并联电感的等效bvd模型图；
[0025]
图4是对薄膜体声波谐振器施加并联电感后的阻抗曲线图；
[0026]
图5是串联电感的电路示意图，其中(a)为薄膜体声波谐振器串联电感的电路示意图，(b)为薄膜体声波谐振器串联电感的等效bvd模型图；
[0027]
图6是对薄膜体声波谐振器施加串联电感后的阻抗曲线图；
[0028]
图7是并联电容的电路示意图，其中(a)为薄膜体声波谐振器并联电容的电路示意图，(b)为薄膜体声波谐振器并联电容的等效bvd模型图；
[0029]
图8是对薄膜体声波谐振器施加并联电容后的阻抗曲线图；
[0030]
图9是串联电容的电路示意图，其中(a)为薄膜体声波谐振器串联电容的电路示意图，(b)为薄膜体声波谐振器串联电容的等效bvd模型图；
[0031]
图10是对薄膜体声波谐振器施加串联电容后的阻抗曲线图。
具体实施方式
[0032]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0033]
图1为本发明提出的对薄膜体声波谐振器机电耦合系数进行调控的流程框图，下面结合具体实施例对该过程进行说明。
[0034]
一般地，薄膜体声波谐振器采用的aln和zno压电材料，其材料机电耦合系数在6％～7％左右，实现的谐振器的器件机电耦合系数在5％～8％左右，实现的滤波器3db相对带宽也将只能覆盖点频到8％，矩形系数为1.5～3.0。因此，对于一些相对带宽大于8％的需求，基于传统的薄膜体声波谐振器是较难实现的；对于点频应用，矩形系数小于1.5的需求，基于传统的薄膜体声波谐振器也是较难实现的。本发明提出的对薄膜体声波谐振器机电耦合系数调控方法，可以有效的解决这两种问题。
[0035]
薄膜体声波谐振器具有两个谐振频率点，其中低阻抗谐振频率点称为串联谐振频率fs、高阻抗谐振频率点称为并联谐振频率f
p
。如图2中的(a)和(b)所示，薄膜体声波谐振器由bvd电路模型等效，所述的bvd模型由静态电容c0与和机械相关的动态电感la、动态电容ca组成的串联支路并联而成。fs，f
p
与bvd电路参数之间的关系为：
[0036][0037]
薄膜体声波谐振器的器件机电耦合系数与串、并联谐振频率之间的关系为：
[0038][0039]
因此，要想增大机电耦合系数kt，可以通过保持fs不变，增大f
p
实现；或者减小fs，保持f
p
不变来实现。要想减小机电耦合系数kt，可以通过保持fs不变，减小f
p
实现；或者增大fs，保持f
p
不变来实现。
[0040]
保持fs不变，增大f
p
以提高有效机电耦合系数kt
‘
到6％～30％的方法为:如图3中的(a)(b)所示，给薄膜体声波谐振器并联电感l
sh
，增大并联谐振频率f
p
，此时增大后的并
[0041]
联谐振频率f
p
'为：
[0042][0043]
确定并联电感l
sh
的具体方法为：明确目标薄膜体声波谐振器的频率点，从而确定其串联谐振频率fs；明确滤波器设计所需的有效机电耦合系数kt
‘
，从而反推并联谐振频率
[0044]fp
‘
，最后再根据公式3反推并联电感l
sh
值。并联电感后可以调控薄膜体声波谐振器的机电耦合系数6％～30％。
[0045]
以中心频率为2.77ghz，滤波器的3db相对带宽为12％为例，此时要想基于薄膜体声波谐振器来实现，其有效机电耦合系数需要达到12％左右。为了实现该有效机电耦合系数，当采用本发明提出的给薄膜体声波谐振器并联电感来实现时，根据kt
‘
＝12％，
[0046]
串联谐振频率fs＝2.77ghz，可反推得到f
p
‘
＝2.92ghz，进一步反推计算可得并联电感的感值l
sh
＝6nh。图4中实线为施加调控电路前薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，点画线
为施加并联电感后薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，对比两条曲线可知并联电感可有效增大薄膜体声波谐振器的机电耦合系数。
[0047]
如图5中的(a)和(b)所示保持f
p
不变,减小fs以提高有效机电耦合系数kt
‘
到6％～30％的方法为:给薄膜体声波谐振器串联电感l
se
，减小串联谐振频率fs，此时减小后的串联谐振频率f
s’为：
[0048][0049]
确定串联电感l
se
的具体方法为：明确目标薄膜体声波谐振器的频率点，从而确定其并联谐振频率f
p
；明确滤波器设计所需的有效机电耦合系数kt
‘
，从而反推串联谐振频率
[0050]fs
‘
，最后再根据公式4公式反推串联电感l
se
值。串联电感后可以调控薄膜体声波谐振器的机电耦合系数6％～30％。
[0051]
为了实现该有效机电耦合系数，当采用本发明提出的给薄膜体声波谐振器串联电感来实现时，根据kt
‘
＝12％，并联谐振频率f
p
＝2.85ghz，可反推得到fs‘
＝2.705ghz，进一步反推计算可得串联电感的感值l
se
＝1.44nh。图6中实线为施加调控电路前薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，点画线为施串联电感后薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，对比两条曲线可知串联电感可有效增大薄膜体声波谐振器的机电耦合系数。
[0052]
如图7中的(a)和(b)所示，保持fs不变，减小f
p
以减小有效机电耦合系数kt
‘
到3％～7％的方法为:给薄膜体声波谐振器并联电容c
sh
，减小并联谐振频率f
p
，此时减小后的并联谐振频率f
p“为：
[0053][0054]
确定并联电容c
sh
的具体方法为：明确目标薄膜体声波谐振器的频率点，从而确定其串联谐振频率fs；明确滤波器设计所需的有效机电耦合系数kt
‘
，从而反推并联谐振频率
[0055]fp
‘
，最后再根据公式5反推并联电容c
sh
值。并联电容后可以调控薄膜体声波谐振器的机电耦合系数为3％～7％。
[0056]
以中心频率为2.77ghz，点频应用，滤波器的矩形系数要求为1.2为例，此时要想基于薄膜体声波谐振器来实现，其有效机电耦合系数需要减小到4％左右。为了实现该有效机电耦合系数，当采用本发明提出的给薄膜体声波谐振器并联电容来实现时，根据kt
‘
＝4％，串联谐振频率fs＝2.77ghz，可反推得到f
p
‘
＝2.854ghz，进一步反推计算可得并联电容c
sh
＝0.95pf。图8中实线为施加调控电路前薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，点画线为施加并联电容后薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，对比两条曲线可知并联电容可有效减小薄膜体声波谐振器的机电耦合系数。
[0057]
如图9中的(a)和(b)所示保持f
p
不变，增大fs以减小有效机电耦合系数kt
‘
到3％～7％的方法为:给薄膜体声波谐振器串联电容c
se
，增大串联谐振频率f
s”，此时增大后的串联
[0058]
谐振频率f
s”为：
[0059][0060]
确定串联电容c
se
的具体方法为：明确目标薄膜体声波谐振器的频率点，从而确定其并联谐振频率f
p
；明确滤波器设计所需的有效机电耦合系数kt
‘
，从而反推串联谐振频率
[0061]fs
‘
，最后再根据公式6反推串联电容c
se
值。串联电容后可以调控薄膜体声波谐振器的机电耦合系数为3％～7％。
[0062]
为了实现该有效机电耦合系数，当采用本发明提出的给薄膜体声波谐振器串联电容来实现时，根据kt
‘
＝4％，并联谐振频率f
p
＝2.85ghz，可反推得到fs‘
＝2.809ghz，进一步反推计算可得串联电容c
se
＝1.29pf。图10中实线为施加调控电路前薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，点画线为施串联电容后薄膜体声波谐振器的阻抗曲线，对比两条曲线可知串联电容可有效减小薄膜体声波谐振器的机电耦合系数。
[0063]
串联或并联电感的实现方式可以是焊接集总电感，也可以通过在谐振器上直接串联或并联分布式绕线电感来实现。
[0064]
串联或并联电容的实现方式可以是焊接集总电容，也可以通过串联或并联一个厚度面积可控的薄膜体声波谐振器来实现。
[0065]
上述仅为本发明的优选实施例，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。