多工器及提高其性能的方法、通信设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种多工器及提高其性能的方法、通信设备。

背景技术

现有的典型的梯形结构的滤波器的拓扑图如图1所示。该滤波器100中，输入端131和输出端132之间有电感121、122以及多个谐振器(通常称作串联谐振器)101～104组成的串联支路，各串联谐振器的连接点与接地端之间的多个支路(通常称作并联支路)上分别设置有谐振器111～113(通常称作并联谐振器)，以及电感123～125。各并联谐振器上添加有质量负载层，使并联谐振器的频率和串联谐振器的频率具有差异从而形成滤波器的通带。

近年来，为了满足射频前端滤波器逐渐增加的带宽需求，采用在梯形结构滤波器中并联支路谐振器串联大感值电感、在串联路径的某一个结构接大感值电感到地或在串联谐振器两端并联大感值电感等方式来实现宽带宽滤波器。这样的展带宽架构滤波器在实现带宽拓展的同时，会使其带外的反射系数变小，双工器中包含的两个滤波器的特性是相互影响的，例如其中一个滤波器天线端反射系数在另一个滤波器通带频段比较小时，会导致另一个滤波器的插损恶化。所以在设计包含展带宽架构滤波器的多工器(包括双工器)时，不仅要关注其带宽还要关注其天线端的反射系数，避免其对其他滤波器的插损产生较大影响。

因此，亟需提供的减少对其他滤波器插损影响小和较低制造成本的多工器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出能够克服现有技术的缺陷的混合掺杂的多工器以及通信设备。

本发明第一方面提出一种多工器，包括均为梯形结构的第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器包括展带宽单元，所述展带宽单元中电感的电感量大于预设值，所述第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器和所述第二滤波器中的所有谐振器为高掺杂谐振器；所述第一滤波器中其他谐振器为非掺杂谐振器或低掺杂谐振器。

可选地，所述低掺杂谐振器的掺杂浓度小于5％，所述高掺杂谐振器的掺杂浓度大于8％。

可选地，所述第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器的机电耦合系数大于所述第一滤波器中其他谐振器的机电耦合系数。

可选地，所述第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器组成的滤波器的工作带宽大于所述第一滤波器中其他谐振器组成的滤波器的工作带宽。

可选地，所述高掺杂谐振器设置在第一管芯，所述非掺杂谐振器或低掺杂谐振器设置在第二管芯。

可选地，所述第一滤波器靠近天线端的至少一级谐振器和整个所述第二滤波器中的所有谐振器的掺杂浓度相同。

可选地，所述预设值为0.8nH。

可选地，所述展带宽单元包括一个电感，该电感一端连接所述第一滤波器的某个并联支路的谐振器、另一端接地。

可选地，所述展带宽单元包括一个电感，该电感一端连接所述第一滤波器的串联路径中某一节点、另一端接地。

可选地，所述展带宽单元包括一个电感，该电感并联地设置在所述第一滤波器的串联路径中某个谐振器的两端。

可选地，所述谐振器中的压电薄膜层的材料为：单晶氮化铝、多晶氮化铝、氧化锌或者PZT或者掺杂稀土元素的上述材料。

本发明第二方面提出一种通信设备，包括本发明公开的任一项多工器。

本发明第三方面提出一种提高多工器性能的方法，该多工器包括均为梯形结构的第一滤波器和第二滤波器，所述第一发滤波器包括展带宽单元，所述展带宽单元中电感的电感量大于预设值，该方法包括：将所述第一滤波器靠近天线端的至少一级谐振器和整个所述第二滤波器中的所有谐振器设置为高掺杂谐振器；并且将所述第一滤波器中其他谐振器设置为非掺杂谐振器或低掺杂谐振器，以减少所述第一滤波器对其他滤波器的插损影响。

可选地，所述低掺杂谐振器的掺杂浓度小于5％，所述高掺杂谐振器的掺杂浓度大于8％。

可选地，所述高掺杂谐振器设置在第一管芯，所述非掺杂谐振器或低掺杂谐振器设置在第二管芯。

可选地，所述第一滤波器靠近天线端的至少一级谐振器和整个所述第二滤波器中的所有谐振器的掺杂浓度相同。

可选地，所述预设值为0.8nH。

根据本发明的技术方案，至少具有如下优点：

1.第一滤波器靠近天线端的至少一级由于采用高掺杂谐振器，其工作带宽大于后级电路的工作带宽，这样可以有效增大第一滤波器在天线端带外的反射系数，从而减小其对其他频段滤波器插损的影响；

2.由于第一滤波器靠近天线端的至少一级和整个第二滤波器采用高掺杂谐振器，由于高掺杂谐振器的50欧姆面积比较小，因此可以有效减小滤波器的尺寸，减少了制造成本。

附图说明

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：

图1为根据现有技术的梯形结构的滤波器的拓扑结构图；

图2为薄膜体声波谐振器结构的切面示意图；

图3A为声波谐振器的电学符号，图3B为声波谐振器的等效电学模型示意图；

图4为声波谐振器的阻抗频率特性示意图；

图5为谐振器归一化机电耦合系数与层叠stack厚度比的关系图；

图6为谐振器压电薄膜层掺杂浓度与其机电耦合系数、Qp的关系图；

图7为谐振器掺杂浓度与压电薄膜层厚度、50欧姆谐振器面积之间的关系图；

图8为简化的梯形结构的滤波器的架构示意图；

图9为图8所示电路等效电路示意图；

图10为本发明对比例双工器电路拓扑结构示意图；

图11为本发明第一实施例双工器电路拓扑结构示意图；

图12为本发明实施例第一滤波器中C1和C2在天线端的回波特性图；

图13为本发明第一实施例第一滤波器中C1和C2的插损频率特性图；

图14为本发明实施例和对比例第一滤波器在天线端的回波特性图；

图15为本发明第一实施例和对比例中第二滤波器插损频率特性图；

图16为本发明第二实施例双工器电路拓扑结构图；

图17为本发明第三实施例双工器电路拓扑结构图。

具体实施方式

本发明实施方式的多工器中，首先，针对于包含展带宽架构滤波器的双工器，通过合理设计以减小由于展带宽架构滤波器通带外天线端反射系数较小而引起的其他滤波器插损的恶化；其次，将双工器中的部分谐振器采用高掺杂谐振器，可以有效减小滤波器的尺寸，有助于降低制造成本。以下具体加以说明。

图2所示为现有的薄膜体声波谐振器结构的切面示意图。虚线框选区域为在厚度方向上空气腔35、顶电极34、底电极33和压电薄膜层32的重叠区域，该区域为谐振器的有效谐振区。

31：衬底，可选材料为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。

35：声学镜，此图示意为一空腔。声学镜也可采用布拉格反射层及其他等效形式。

33：底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。

32：压电薄膜层，可选单晶氮化铝，多晶氮化铝、氧化锌、PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。压电薄膜层的厚度一般小于10微米。例如，可以是掺钪氮化铝，对应的分子表达式为Al

34：顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等，顶电极包含质量负载层。

图3A为声波谐振器的电学符号，图3B为声波谐振器的等效电学模型示意图。图4为声波谐振器的阻抗频率特性示意图。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。

图5所示为谐振器归一化机电耦合系数与层叠stack厚度比的关系图。纵轴表示按照压电薄膜层材料的本征机电耦合系数进行归一化的有效机电耦合系数，横轴层叠stack厚度比表示在顶电极厚度等于底电极厚度条件下，顶电极/底电极厚度与压电薄膜层厚度的比值。由图可见，谐振器的有效机电耦合系数不仅与谐振器压电材料的本征机电耦合系数有关，而且还与层叠stack厚度比有关，且随着层叠stack厚度比的增加，谐振器的有效机电耦合系数先增大后减小，当压电材料一定时，随着层叠stack厚度比变化对应的最大机电耦合系数称为该谐振器的极限有效机电耦合系数。

如图6所示为谐振器压电材料的掺杂浓度与其机电耦合系数、Qp的关系图。通过在压电材料(如氮化铝)中掺杂稀土元素(如钪)可有效地提升压电材料的本征机电耦合系数，从而提升谐振器的有效机电耦合系数，掺钪氮化铝的分子表达式为Al

图7所示为谐振器掺杂浓度与压电薄膜层厚度、50欧姆谐振器面积(A_50)之间的关系图。50欧姆谐振器面积计算公式如下：

其中，T为压电薄膜层厚度，单位为米；fs为谐振器串联谐振频率，单位为赫兹；ε

图8所示为现有技术的简化的梯形结构滤波器架构示意图。该梯形结构滤波器由串联谐振器S1至S3和并联谐振器P1至P3组成，T1和T2分别为信号输入端子和信号输出端子，为了实现更好的匹配在信号输入端和/或信号输出端可能包含LC匹配电路。

图9所示电路为图8所示电路的等效电路示意图，将并联谐振器P1拆分为P1-1和P1-2，将串联谐振器S2拆分为S2-1和S2-2，将并联谐振器P2拆分为P2-1和P2-2，将串联谐振器S3拆分为S3-1和S3-2。所以将图8所示滤波器称为5级梯形结构滤波器，①为靠近信号输入端T1的第一级，……，⑤为靠近信号输入端T1的第五级。图8中滤波器的靠近信号输入端的第一级包括串联谐振器S1和并联谐振器P1，图8中滤波器的靠近信号输入端的前两级包括串联谐振器S1、S2和并联谐振器P1。

图10所示为本发明对比例双工器电路拓扑结构。第一滤波器(管芯D1)为由串联谐振器S11～S14、并联谐振器P11～P14组成的梯形结构滤波器，第二滤波器(管芯D2)为由串联谐振器S21～S24、并联谐振器P21～P24组成的梯形结构滤波器。第一滤波器中包括展带宽单元，也就是说该滤波器是一种展宽带架构滤波器。图10中各标记解释如下：

T1：第一滤波器信号输入端口。

T2：第二滤波器信号输出端口。

ANT：天线端口。

L1和L2：第一滤波器输出端电感和输入端电感。

L6和L7：第二滤波器输入端电感和输出端电感。

LM：天线端并联匹配电感。

L3、L4和L5：为第一滤波器并联支路接地电感。L3、L4和L5至少一个为具有较大电感值(大于0.8nH)的电感。该较大电感值的电感充当了第一滤波器中的展带宽单元。

L8和L9：为第二滤波器并联支路接地电感。

如图10所示的本发明对比例双工器中，第一滤波器为常规的展宽带架构滤波器，在实现展带宽的同时，由于其特殊的架构会导致第一滤波器天线端反射系数比较小，从而导致第二滤波器插损恶化。

图11所示为本发明第一实施例双工器电路拓扑结构。第一滤波器为由串联谐振器S11～S14、并联谐振器P11～P14组成的梯形结构滤波器，第二滤波器为由串联谐振器S21～S24、并联谐振器P21～P24组成的梯形结构滤波器。第一滤波器靠近天线端的前两级与整个第二滤波器设置在同一管芯D1(这里只是以第一滤波器靠近天线端的前两级为例进行说明，并非限定，可以是第一滤波器靠近天线端的一级或多级)，管芯D1中谐振器设置为高掺杂，第一滤波器中剩余谐振器设置在管芯D2，管芯D2中谐振器设置为非掺杂或低掺杂。其中，第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器的机电耦合系数大于第一滤波器中其他谐振器的机电耦合系数。第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器组成的滤波器的工作带宽大于第一滤波器中其他谐振器组成的滤波器的工作带宽。图11中各标记解释如下：

T1：第一滤波器信号输入端口。

T2：第二滤波器信号输出端口。

ANT：天线端口。

L1和L2：第一滤波器输出端电感和输入端电感。

L6和L7：第二滤波器输入端电感和输出端电感。

LM：天线端并联匹配电感。

L3、L4和L5：为第一滤波器并联支路接地电感。第一滤波器为展宽带架构滤波器，L4和L5至少一个为具有较大电感值(大于0.8nH)的电感，且定义具有较大电感值的电感所在并联支路为展带宽单元。

L8和L9：为第二滤波器并联支路接地电感。

图11所示的本发明第一实施例双工器中，第一滤波器靠近天线端前两级(电路C1)采用高掺杂谐振器，使其工作带宽大于电路C2的工作带宽。这样可以有效增大第一滤波器在天线端带外的反射系数，从而减小其对其他频段滤波器插损的影响，而且由于第一滤波器靠近天线端的前两级和整个第二滤波器采用高掺杂谐振器，可以有效减小滤波器的尺寸，在很大程度上减少了制造成本。

图12所示为本发明第一实施例双工器中，第一滤波器中C1和C2在天线端的回波特性。其中实线为第一滤波器中电路C1在天线端的回波，虚线为第一滤波器中电路C2在天线端的回波。由图可见，在第一滤波器通带外，电路C1的反射系数大于电路C2的反射系数。

图13所示为本发明第一实施例双工器中，第一滤波器中C1和C2的插损频率特性。其中实线为第一滤波器中电路C1的插损频率特性，虚线为第一滤波器中电路C2的插损频率特性。由图可见，电路C1的工作带宽大于电路C2的工作带宽。

图14所示为本发明第一实施例双工器和对比例双工器中，第一滤波器在天线端的回波特性对比。其中，实线为本发明第一实施例双工器中第一滤波器在天线端的回波特性，虚线为本发明对比例双工器中第一滤波器在天线端的回波特性。图14中标注Second-band所示的频率范围为第二滤波器通带所在频率范围，第二滤波器通带处第一实施例天线端回波与对比例天线端回波相差0.7dB。

如图15所示为本发明第一实施例双工器和对比例双工器中，第二滤波器插损频率特性对比。其中实线为本发明第一实施例双工器中第二滤波器的插损频率特性曲线，虚线为本发明对比例双工器中第二滤波器的插损频率特性曲线。在第二滤波器通带频段，由于第一实施例双工器中第一滤波器相对于对比例双工器中第一滤波器在天线端反射系数较大，所以第一实施例双工器中第一滤波器对第二滤波器的插损影响比较小，相对于对比例其插损改善了进0.35dB。

图16所示为本发明第二实施例双工器电路拓扑结构。第二实施例与第一实施例的差别在于第一滤波器中的展带宽单元(电路C2部分)的不同，在串联路径中某一节点加入电感LS到地(电感LS的电感量大于0.8nH)，定义由电感LS组成的并联支路为展带宽单元。

图17所示为本发明第三实施例双工器电路拓扑结构。第三实施例与第一实施例的差别在于第一滤波器中的展带宽单元(电路C2部分)的不同，在串联路径中某一谐振器两端并联加入电感LS(电感LS的电感量大于0.8nH)，定义由上述串联谐振器和与之并联的电感LS组成的并联体为展带宽单元。

需要说明的是，尽管图11、图16和图17列举的三个实施例均属于双工器的情形，但这仅是出于示例方便而非限制，该发明思路还可以应用于多工器。

本发明实施方式的通信设备，可以包括本文公开的任一实施方式的多工器。

本发明实施方式的提高多工器性能的方法，该多工器包括均为梯形结构的第一滤波器和第二滤波器，第一发滤波器包括展带宽单元，展带宽单元中电感的电感量大于预设值，该方法包括：将第一滤波器靠近天线端的至少一级谐振器和整个第二滤波器中的所有谐振器设置为高掺杂谐振器；并且将第一滤波器中其他谐振器设置为非掺杂谐振器或低掺杂谐振器，以减少第一滤波器对其他滤波器的插损影响。

其中，低掺杂谐振器的掺杂浓度可以小于5％，高掺杂谐振器的掺杂浓度可以大于8％。预设值可以为0.8nH。

第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器和第二滤波器中的所有谐振器的掺杂浓度可以相同也可以不同，可以放在同一个管芯上，也可以不放在同一个管芯上。优选地，第一滤波器的靠近天线端的至少一级谐振器和第二滤波器中的所有谐振器的掺杂浓度相同，并且高掺杂谐振器设置在第一管芯，非掺杂谐振器或低掺杂谐振器设置在第二管芯。将同等掺杂水平的谐振器设置在同一管芯内，有利于保证管芯内各个谐振器的均一性，提高产品性能，同时降低封装的复杂度，提高生产良率。

根据本发明实施方式的技术方案，至少具有如下优点：

1.第一滤波器靠近天线端的至少一级由于采用高掺杂谐振器，其工作带宽大于后级电路的工作带宽，这样可以有效增大第一滤波器在天线端带外的反射系数，从而减小其对其他频段滤波器插损的影响；

2.由于第一滤波器靠近天线端的至少一级和整个第二滤波器采用高掺杂谐振器，由于高掺杂谐振器的50欧姆面积比较小，因此可以有效减小滤波器的尺寸，减少了制造成本。

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。