一种体声波双工器及其优化方法

技术领域

本发明涉及滤波器器件技术领域，具体涉及一种体声波双工器及其优化方法。

背景技术

当前，通信系统向着多频段、多体制、多模式方向发展，使用的频段越来越密集，为了提高通信质量，减少各频段之间的干扰，势必对滤波器/双工器等频率选择性器件的相邻频带抑制水平提出更高的要求，既要提高临带抑制及隔离度，又不能造成插损恶化。为了提高其带外抑制特性，通常采用增加滤波器/ 双工器的级数，改变串联谐振器和并联谐振器的阻抗比，改变滤波器级联；或在并联支路上串联电感，但其会恶化带内插损，增加器件尺寸。因此在不恶化器件插损且不增加其尺寸的同时，具有较好的临带抑制及隔离度仍是亟待解决的问题。

通常体声波器件会在梯型结构并联支路中并联谐振器与地之间还设置有大的串联电感(通常设置在基板中)，通过改变谐振器的谐振频率来调整传输零点的位置，以获得更好的带外抑制性能。或者通过在某些谐振器上增加额外的电容或电感的方式来改善临带抑制。通常采用的方式为在基板中通过绕线的方式实现及在芯片外增加分立元件实现，由于绕线/分立元件的存在除了会增大损耗，也会增加芯片尺寸。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种体声波双工器及其优化方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提出了一种体声波双工器，包括：

封装基板；

发送滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，包括至少两个谐振器组成的发送滤波器；所述发送滤波器晶圆外围设置有与封装基板的参考地金属层电性连接的第一金属环，所述第一金属环分别与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器形成耦合电容，形成的耦合电容与第一金属环的自身电感构成第一耦合支路；

接收滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，且与所述发送滤波器晶圆共面，包括至少两个谐振器组成的发送滤波器；所述接收滤波器晶圆外围设置有与封装基板的参考地金属层电性连接的第二金属环，所述第二金属环分别与天线端口、接收端口及接收滤波器中的并联谐振器形成耦合电容，形成的耦合电容与第二金属环的自身电感构成第二耦合支路。

可选地，所述第一金属环与封装基板的参考地金属层电性连接具体为：

所述第一金属环与发送滤波器中的一个并联谐振器的接地PAD电性连接；

或所述第一金属环与发送滤波器中的多个并联谐振器的接地PAD电性连接。

可选地，所述第一金属环分别与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器形成耦合电容具体为：

所述第一金属环与天线端口之间形成一个耦合电容；

所述第一金属环与发送端口之间形成一个耦合电容；

所述第一金属环与发送滤波器中的其它各个并联谐振器之间分别形成一个耦合电容。

可选地，所述第二金属环与封装基板的参考地金属层电性连接具体为：

所述第二金属环与接收滤波器中的一个并联谐振器的接地PAD电性连接；或所述第二金属环与接收滤波器中的多个并联谐振器的接地PAD电性连接。

可选地，所述第二金属环分别与天线端口、接收端口及接收滤波器中的并联谐振器形成耦合电容具体为：

所述第二金属环与天线端口之间形成一个耦合电容；

所述第二金属环与发送端口之间形成一个耦合电容；

所述第二金属环与接收滤波器中的其它各个并联谐振器之间分别形成一个耦合电容。

可选地，所述发送滤波器晶圆具体包括：

由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的发送滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极、压电层和顶电极。

可选地，所述接收滤波器晶圆具体包括：

由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的接收滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极、压电层和顶电极。

第二方面，本发明提出了一种体声波双工器的优化方法，所述方法包括：

建立如上述的体声波双工器模型；

对建立的体声波双工器模型进行仿真，调整耦合电容和第一金属环、第二金属环的电感大小，以优化体声波双工器的零点落点位置；

根据优化后的耦合电容和第一金属环、第二金属环的电感大小，更新体声波双工器模型中第一金属环与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器之间距离、第二金属环与天线端口、接收端口及接收滤波器中的并联谐振器之间距离、以及第一金属环、第二金属环的线宽。

第三方面，本发明提出了一种体声波双工器的优化方法，所述方法包括：

建立如上述的体声波双工器模型；

对建立的体声波双工器模型进行仿真，调整第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接位置、和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接位置，以优化体声波双工器的零点落点位置；

根据优化后的第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接位置和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接位置，更新体声波双工器模型。

第四方面，本发明提出了一种体声波双工器的优化方法，所述方法包括：

建立如上述的体声波双工器模型；

对建立的体声波双工器模型进行仿真，调整第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置、和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置，以优化体声波双工器的零点落点位置；

根据优化后的第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置、和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置，更新体声波双工器模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明分别在发送滤波器和接收滤波器外围设置第一金属环和第二金属环，分别与封装基板的参考地金属层电性连接，即通过接地金属密封环，在晶圆上将发送滤波器和接收滤波器隔开，从而减弱发送滤波器与接收滤波器之间的耦合，改善双工器隔离度；并且通过金属环与发送滤波器和接收滤波器的输入输出端口以及并联谐振器接地PAD之间形成的耦合电容，从而在天线端与发送端口之间以及接收端口之间均产生额外的耦合支路，通过调整耦合支路电路结构，优化双工器中发送滤波器以及接收滤波器零点的落点位置，进而优化双工器的隔离度。

附图说明

图1为本发明实施例的一种体声波双工器的结构示意图；

图2为本发明试验例1、2的一种体声波双工器电路示意图；

图3为本发明实验例1、2的一种体声波双工器的俯视图；

图4为本发明实验例3的一种体声波双工器电路示意图；

图5为本发明实验例3的一种体声波双工器的俯视图；

图6为本发明试验例1、2提供的一种体声波双工器和对比例的隔离度曲线对比图。

图7为本发明试验例2、3提供的一种体声波双工器和对比例的性能曲线对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提出了一种体声波双工器，包括：

封装基板；

发送滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，包括至少两个谐振器组成的发送滤波器；所述发送滤波器晶圆外围设置有与封装基板的参考地金属层电性连接的第一金属环，所述第一金属环分别与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器形成耦合电容，形成的耦合电容与第一金属环的自身电感构成第一耦合支路；

接收滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，且与所述发送滤波器晶圆共面，包括至少两个谐振器组成的发送滤波器；所述接收滤波器晶圆外围设置有与封装基板的参考地金属层电性连接的第二金属环，所述第二金属环分别与天线端口、接收端口及接收滤波器中的并联谐振器形成耦合电容，形成的耦合电容与第二金属环的自身电感构成第二耦合支路。

在本领域中，现有双工器通常是采用金属密封环通过晶圆级封装(WLP)将滤波器晶圆和封装晶圆(Cap Wafer)金属键合到一起，金属密封环和滤波器晶圆上的谐振器FBAR通过封装晶圆的过孔以倒装焊的方式与封装基板的金属层上表面相对应的图案实现电气连接。

本发明通过采用去掉晶圆级封装(WLP)的封装方式，直接将滤波器晶圆通过焊球以倒装焊的方式焊接到封装基板的上表面，再通过封装基板中的通孔或者绕线电感连接到封装基板的下表面。本发明所采用的封装方式，由于去掉用于晶圆级封装的封装晶圆，能够减少封装环节，缩短研发周期，同时也大大降低了研发成本；其次由于减少封装晶圆，并且将发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆共面焊接到封装基板的上表面，使器件在高度上大大降低，缩小了芯片体积；最后由于直接将滤波器晶圆通过焊球以倒装焊的方式焊接到封装基板的上表面，去掉了封装晶圆上的金属过孔，使器件损耗得以优化。

并且，本发明分别在发送滤波器和接收滤波器外围设置第一金属环和第二金属环，分别与封装基板的参考地金属层电性连接，即通过接地金属密封环，在晶圆上将发送滤波器和接收滤波器隔开，从而减弱发送滤波器与接收滤波器之间的耦合，改善双工器隔离度；其次第一金属环和第二金属环分别与所在的发送滤波器以及接收滤波器的接地PAD之间有一定的距离，使得发送滤波器中的第一金属环会与天线端以及发送端之间形成耦合电容，接收滤波器中的第二金属环也会与天线端以及接收端之间形成耦合电容，从而在天线端与发送端口之间以及接收端口之间均产生额外的耦合支路，另外，第一金属环和第二金属环作为一段传输线，也具有电感元件的效应。因此通过调整耦合支路电路结构，优化双工器中发送滤波器以及接收滤波器零点的落点位置，进而优化双工器的隔离度。

实施例2

在实施例1描述的一种体声波双工器的基础上，上述发送滤波器晶圆具体包括：

由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的发送滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极、压电层和顶电极。

上述接收滤波器晶圆具体包括：

由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的接收滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极、压电层和顶电极。

如图2、3、4、5、6、7所示，其中端口1是天线端口，端口2是发送端口， 3是接收端口。位于端口1和端口2之间由4个串联谐振器TS1、TS2、TS3、 TS4以及四个并联谐振器TP1、TP2、TP3、TP4构成梯形结构的发送滤波器；位于端口1和端口3之间由4个串联谐振器RS1、RS2、RS3、RS4以及四个并联谐振器RP1、RP2、RP3、RP4构成梯形结构的接收滤波器。其中发送滤波器的各个并联谐振器与地之间分别串联有电感TL1、TL2、TL3、TL4，接收滤波器的各个并联谐振器与地之间分别串联有电感RL1、RL2、RL3、RL4。

实施例3

在实施例2描述的一种体声波双工器的基础上，本实施例中第一金属环与封装基板的参考地金属层电性连接具体为第一金属环与发送滤波器中的一个并联谐振器的接地PAD电性连接；第一金属环分别与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器形成耦合电容具体为第一金属环与天线端口之间形成一个耦合电容；第一金属环与发送端口之间形成一个耦合电容；第一金属环与发送滤波器中的其它各个并联谐振器之间分别形成一个耦合电容。

本发明在发送滤波器和接收滤波器外分别设置有金属环(Metal Ring,MR)，该金属环通过所属发送/接收滤波器中并联谐振器的接地PAD与封装基板的参考地平面连接，即金属环接地。如图2、3所示，发送/接收滤波器的金属环均采用与靠近天线端的第二个并联谐振器的接地PAD连接而接地的方式。需要说明的是，金属环接地不限于图2、3给出方式，同样可以采用与其他并联谐振器接地PAD连接或者与独立的接地PAD连接的方式。

如图2和图3所示，第一金属环分别与天线端口1、发送端口2之间形成耦合电容CTMR1、CTMR2，第一金属环与并联谐振器TP2的接地PAD连接而接地，第一金属环分别与其它并联谐振器TP1、TP3、TP4的接地PAD之间形成耦合电容CT；第二金属环分别与天线端口1、接收端口3之间形成耦合电容CRMR1、 CRMR2，第二金属环与并联谐振器RP2的接地PAD连接而接地，第二金属环分别与其它并联谐振器RP1、RP3、RP4的接地PAD之间形成耦合电容CR；同时金属环作为一段传输线自身带有电感LT、LR，因此耦合电容与金属环电感组成耦合支路，通过调整金属环与PAD之间的距离以及金属环宽度调整耦合支路电路中耦合电容和电感大小，优化TX滤波器和RX滤波器的零点落点位置，从而提高了双工器的隔离度。

实施例4

在实施例2描述的一种体声波双工器的基础上，本实施例中第一金属环与封装基板的参考地金属层电性连接具体为第一金属环与发送滤波器中的多个并联谐振器的接地PAD电性连接；第一金属环分别与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器形成耦合电容具体为第一金属环与天线端口之间形成一个耦合电容；第一金属环与发送端口之间形成一个耦合电容；第一金属环与发送滤波器中的其它各个并联谐振器之间分别形成一个耦合电容。

如图4和图5所示，第一金属环分别与天线端口1、发送端口2之间形成耦合电容CTMR1、CTMR2，第一金属环与并联谐振器TP2和TP3的接地PAD连接而接地，第一金属环分别与其它并联谐振器TP1和TP4的接地PAD之间形成耦合电容CT；第二金属环分别与天线端口1、接收端口3之间形成耦合电容 CRMR1、CRMR2，第二金属环与并联谐振器RP2的接地PAD连接而接地，第二金属环分别与其它并联谐振器RP1、RP3、RP4的接地PAD之间形成耦合电容CR；同时金属环作为一段传输线自身带有电感LT、LR，因此耦合电容与金属环电感组成耦合支路，通过优化与金属环相连的并联谐振器的位置和个数优化耦合支路电路结构，优化TX滤波器和RX滤波器的零点落点位置，从而提高了双工器的隔离度。

实施例5

本发明实施例基于实施例3所描述的体声波双工器，还提出了一种体声波双工器的优化方法，所述方法包括：

建立如实施例3所描述的体声波双工器模型；

对建立的体声波双工器模型进行仿真，调整耦合电容和第一金属环、第二金属环的电感大小以优化体声波双工器的零点落点位置；

根据优化后的耦合电容和第一金属环、第二金属环的电感大小，更新体声波双工器模型中第一金属环与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器之间距离、第二金属环与天线端口、接收端口及接收滤波器中的并联谐振器之间距离、以及第一金属环、第二金属环的线宽。

本实施例通过改变体声波双工器模型中第一金属环与天线端口、发送端口及发送滤波器中的并联谐振器之间距离、第二金属环与天线端口、接收端口及接收滤波器中的并联谐振器之间距离、以及第一金属环、第二金属环的线宽，改变耦合支路的耦合电容和电感值的大小，改变TX滤波器和RX滤波器的零点落点位置。当容值与感值比较合适，可以将TX滤波器和RX滤波器的零点移到合适的位置，从而提高了双工器的隔离度。

比较例和实验例的性能曲线如图6所示。点虚线是对比例的性能曲线，长虚线是实验例2的性能曲线，长实线是实验例1的性能曲线。对比例中，不管 TX滤波器还是RX滤波器，其外均不设置金属环；实验例中TX以及RX滤波器外均设置有通过靠近天线端的第二个并联谐振器的接地PAD接地的金属环。实验例1中金属环与PAD之间距离为20um，金属环线宽为32.5um；实验例2 中金属环与PAD之间距离为22.5um，金属环线宽为28.5um。通过比较对比例和两个实验例可以发现，在滤波器外加金属环，对左侧隔离度优化十分显著，右侧影响次之；而且金属环参数不恰当，甚至会恶化右侧隔离度。实验例2是参照实施例5描述的隔离度优化方法对实验例1的优化，对比实验例2和实验例1，发现金属环的参数对右侧隔离度影响比较明显(左侧影响较小)，在2.64 GHz-2.68GHz改善明显约5dB；相较对比例，对左侧隔离度优化更为明显，在 2.5GHz-2.53GHz改善最明约6dB，右侧稍有改善最大约4dB。

实施例6

本发明实施例基于实施例3所描述的体声波双工器，还提出了一种体声波双工器的优化方法，所述方法包括：

建立实施例3所描述的体声波双工器模型；

对建立的体声波双工器模型进行仿真，调整第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接位置、和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接位置，以优化体声波双工器的零点落点位置；

根据优化后的第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接位置和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接位置，更新体声波双工器模型。

本实施例通过改变与金属环连接的并联谐振器的位置，优化耦合支路电路结构，优化TX滤波器和RX滤波器的零点落点位置，从而提高了双工器的隔离度。

实施例7

本发明实施例基于实施例4所描述的体声波双工器，还提出了一种体声波双工器的优化方法，所述方法包括：

建立如实施例4所描述的体声波双工器模型；

对建立的体声波双工器模型进行仿真，调整第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置、和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置，以优化体声波双工器的零点落点位置；

根据优化后的第一金属环与发送滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置、和第二金属环与接收滤波器中的并联谐振器的连接数量及连接位置，更新体声波双工器模型。

本实施例通过改变与金属环连接的并联谐振器的数量和位置，优化耦合支路电路结构，优化TX滤波器和RX滤波器的零点落点位置，从而提高了双工器的隔离度。

实验例与对比例插入损耗对比如图7(a)以及(b)所示，隔离度对比如图7(c) 所示。对比例中，不管TX滤波器还是RX滤波器，其外均不设置金属环；实验例2中TX以及RX滤波器外均设置有通过靠近天线端的第二个并联谐振器的接地PAD接地的金属环，实验例3与实验例2不同之处在于，其TX滤波器外设置有通过靠近天线端的第二以及第三个并联谐振器的接地PAD一起接地的金属环。其中实验例2、3中金属环宽度与金属环与PAD间距均一致。通过比较对比例和实验例可以发现，在滤波器外加金属环，对左侧隔离度优化十分显著，右侧影响次之；其次，在滤波器外加金属环，对插入损耗整体略有优化，但主要集中在TX通带的左侧和RX通带的右侧，约0.2dB。对比实验例2和实验例3：通过调整与金属环连接的并联谐振器位置和数量，可以调整零点落点位置，从而在保证插入损耗不恶化的前提下调整隔离度，其中实验例2左侧整体优于实验例3，而实验例3右侧整体优于实验例2。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。