一种高隔离度的体声波双工器及其设计方法

技术领域

本发明属于双工器技术领域，具体涉及一种高隔离度的体声波双工器及其设计方法。

背景技术

随着无线通讯设备支持的频段的增加，使得无线通讯设备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，提高通信质量，势必对双工器等器件的性能提出更高的要求。对于双工器而言，隔离度是一项重要的指标，双工器收发端的隔离度决定了信号之间的干扰程度，尤其是发射端泄露至接收端的信号会对接收端的灵敏度产生很大的影响。通常，为了实现更高的隔离度，在一些技术中会通过提高Q值的声波谐振器，获得更高的阻抗比，从而得到更高的抑制。然而谐振器的Q值会受工艺限制，其提升相对困难。其次也有通过增加抑制谐振器或者电容元件，提供额外的零点，从而得到更高抑制的方法实现隔离度的提高，但是这种方法通常会导致器件尺寸增大，不利于其小型化。

因此在不对器件其他性能造成影响且不增加其尺寸的前提下，提高器件的隔离度仍是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高隔离度的体声波双工器及其设计方法解决了现有的体声波双工器难以同时兼顾芯片小型化和高隔离度的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高隔离度的体声波双工器，所述体声波双工器通过在设计过程中设置耦合电容，调整体声波双工器中体声波谐振器的布局；

所述耦合电容设置于靠近天线端的串联体声波谐振器与靠近输入/输出端的并联体声波谐振器支路之间，以及靠近天线端的并联体声波谐振器支路和靠近输入/输出端的串联体声波谐振器之间。

进一步地，所述体声波谐振器包括从下至上依次设置的衬底、底电极、压电层、顶电极以及保护层，所述衬底与底电极接触面上，内嵌设置有空气用于反射体声波能量的空气腔。

进一步地，所述衬底的材料为高阻硅，所述压电层的材料为氮化铝，所述底电极和顶电极的材料为钼，所述保护层的材料为氮化硅。

一种高隔离度的体声波双工器的设计方法，包括以下步骤：

S1、搭建初始体声波双工器的电路模型；

S2、在电路模型中引入耦合电容，并观察引入耦合电容后的隔离度变化情况；

S3、根据隔离度变化情况，调整体声波双工器中的体声波谐振器布局，直到其满足隔离度设计要求。

进一步地，所述步骤S1中，电路模型包括天线端口、发送端口以及接收端口；

所述天线端口与发送端口之间设置有发送滤波器，所述天线端口与接收端口之间设置有接收滤波器，所述发送滤波器和接收滤波器均包括若干体声波谐振器；

在所述发送滤波器中，靠近天线端的两个相邻并联体声波谐振器支路共同连接第一对地电感，靠近发送端的两个相邻并联体声波谐振器支路共同连接第二对地电感；

在所述接收滤波器中，靠近天线端的两个并联体声波谐振器支路分别单独连接第三对地电感和第四对地电感，靠近接收端的相邻两个并联体声波谐振器支路共同连接第五对地电感。

进一步地，所述步骤S2中，在接收滤波器及发送滤波器中，在靠近天线端的第一个串联体声波谐振器与靠近发送/接收端的最后一条并联支路中分别引入一个耦合电容；在靠近接收/发送端的最后一个串联体声波谐振器与靠近天线端的第一条并联支路中分别引入一个耦合电容。

进一步地，所述步骤S2具体为：

通过逐一引入以及逐步引入的方式引入耦合电容，并调整引入耦合电容的大小，在不同耦合电容引入方式及电容大小的情况下观察隔离度变化情况，包括隔离度优化以及隔离度恶化。

进一步地，所述步骤S3中，调整体声波谐振器布局的方法具体为：

当隔离度优化时，调整拉近引起隔离度优化的耦合电容两侧的体声波谐振器之间的距离，使其实现对应的耦合电容；

当隔离度恶化时，调整拉开引起隔离度恶化的耦合电容两侧的体声波谐振器之间的距离，使其避免产生对应的耦合电容；

根据距离调整后的体声波谐振器，对其他体声波谐振器的位置进行布局。

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的体声波双工器设计方法在优化双工器隔离度的同时，快速定位其谐振器的相对位置，实现性能以及设计速度的提升。

（2）本发明提供的体声波双工器在实现高隔离度时，不用增加抑制谐振器或者电容元件，在布局谐振器之前，在电路仿真中加入耦合电容，模拟出谐振器之间产生耦合对器件性能的影响，在优化双工器隔离度的同时，快速定位其谐振器的相对位置，通过版图布局快速实现电路仿真设计性能，在实现高隔离度性能的同时实现了芯片的小型化。

附图说明

图1为本发明实施例中的体声波谐振器结构示意图。

图2为本发明实施例中的体声波双工器设计流程图。

图3为本发明实施例中的现有双工器电路示意图。

图4为本发明实施例中的体声波双工器的电路模型示意图。

图5为本发明实施例中的引入耦合电容后的体声波双工器的电路模型示意图。

图6为本发明实施例中的引入耦合电容对双工器隔离度的影响示意图；(a) C1的引入对双工器隔离度的影响；(b) C2的引入对双工器隔离度的影响；(c) C3的引入对双工器隔离度的影响；(d) C4的引入对双工器隔离度的影响；(e) C2以及C1的引入对双工器隔离度的影响；(f) C3以及C1的引入对双工器隔离度的影响；(g) C4以及C1的引入对双工器隔离度的影响。

图7为本发明实施例中的初步定位谐振器位置示意图。

图8为本发明实施例中电路仿真与加入版图影响的仿真性能曲线对比示意图；(a)隔离度；(b) 传输曲线；(c)为带内插损。

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：

本发明实施例提供了一种高隔离度的体声波双工器，通过在双工器及其基板中，增强或者减弱各支路的耦合，提高双工器的隔离度；具体地，本实施例中体声波双工器通过在设计过程中设置耦合电容，调整体声波双工器中体声波谐振器的布局；

耦合电容设置于靠近天线端的串联体声波谐振器与靠近输入/输出端的并联体声波谐振器支路之间，以及靠近天线端的并联体声波谐振器支路和靠近输入/输出端的串联体声波谐振器之间。

在本实施例中，基于设置的耦合电容，通过调整该耦合产生的位置及大小，优化双工器的隔离度，且不会恶化滤波器的其他特性。后续通过调整双工器中谐振器的布局，调整产生耦合的两谐振器之间的相对位置，从而实现该耦合以及双工器的隔离度，且不会造成双工器器件尺寸的增加。具体地，若增大该耦合电容，双工器的隔离度减小，那么在布局双工器谐振器的时候，考虑该谐振器距离拉远，通过加入电容，模拟出谐振器之间产生耦合对器件性能的影响，在优化双工器隔离度的同时，快速定位其谐振器的相对位置，模拟出谐振器之间产生耦合对器件性能的影响，在优化双工器隔离度的同时，快速定位其谐振器的相对位置，实现性能以及设计速度的快速提升。

本发明实施例中的体声波谐振器为薄膜体声波谐振器结构，如图1所示，本实施例中的体声波谐振器包括从下至上依次设置的衬底、底电极、压电层、顶电极以及保护层，所述衬底与底电极接触面上，内嵌设置有空气用于反射体声波能量的空气腔。其中，顶电极上表面设置有保护层用于防止气体、液体等污染芯片，提高芯片的可靠度。

在本发明实施例中，体声波谐振器中的衬底的材料为高阻硅，压电层的材料为氮化铝，底电极和顶电极的材料为钼，保护层的材料为氮化硅。

实施例2：

本发明实施例提供了实施例1中的体声波谐振器的设计方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、搭建初始体声波双工器的电路模型；

S2、在电路模型中引入耦合电容，并观察引入耦合电容后的隔离度变化情况；

S3、根据隔离度变化情况，调整体声波双工器中的体声波谐振器布局，直到其满足隔离度设计要求。

在本发明实施例中，现有的一种双工器电路模型如图3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，发送滤波器的并联谐振器与地之间分别串联有电感TL1、TL2、TL3、TL4，其中接收滤波器的并联谐振器与地之间分别串联有电感RL1、RL2、RL3、RL4。

在本发明实施例的步骤S1中，对现有的双工器电路模型进行了改进，以4个串联谐振器和并联谐振器为例，与图3对应的，得到本实施例步骤S1中的电路模型如图4所示；基于此，本实施例中的双工器电路模型包括天线端口、发送端口以及接收端口；

所述天线端口与发送端口之间设置有发送滤波器，所述天线端口与接收端口之间设置有接收滤波器，所述发送滤波器和接收滤波器均包括若干体声波谐振器；

在所述发送滤波器中，靠近天线端的两个相邻并联体声波谐振器支路共同连接第一对地电感，靠近发送端的两个相邻并联体声波谐振器支路共同连接第二对地电感；

在所述接收滤波器中，靠近天线端的第一个并联体声波谐振器支路连接第三对地电感，靠近接收端的相邻两个并联体声波谐振器支路共同连接第四对地电感，剩余中间的并联体声波谐振器分别连接一个对地电感。

在本实施例中，基于上述对地电感的布置方式，以图4所示电路模型为例，在发送滤波器中，第一对地电感为TL1，第二对地电感为TL2，在图4中表现为，TP1及TP2在晶圆上通过同一个地PAD G1再与基板连接，TP3与TP4在晶圆上通过同一个地PAD G2再与基板连接，其中TL1和TL2均在基板中实现；在接收滤波器中，第三对地电感为RL1，第四对地电感为RL3，剩余中间支路连接的对地电感为RL2，即在图4中表现为RP1在晶圆上通过同一个地PADG1’与基板连接，RP2通过地PAD G2’与基板连接，RP3与RP4通过同一个地PAD G3’与基板连接，其中RL1，RL2以及RL3均在基板中通过绕线电感实现。本实施例中的地PAD是指在进行电路PCB设计时，晶圆与基板之间的焊接点且该焊接点接地，例如对于地PAD G1，其表示TP1和TP2在电路PCB设计时其在晶圆上通过了同一个焊接点G1。

在本发明实施例的步骤S2中，引入耦合电容的大小在0.015-0.025pF；如图5所示，在与图4对应的双工器中引入耦合电容时，引入方法具体为：

在接收滤波器及发送滤波器中，在靠近天线端的第一个串联体声波谐振器与靠近发送/接收端的最后一条并联支路中分别引入一个耦合电容（C1和C2）；在靠近接收/发送端的最后一个串联体声波谐振器与靠近天线端的第一条并联支路中分别引入一个耦合电容（C3和C4）。

本发明实施例的步骤S2具体为：

通过逐一引入以及逐步引入的方式引入耦合电容，并调整引入耦合电容的大小，在不同耦合电容引入方式及电容大小的情况下观察隔离度变化情况，包括隔离度优化以及隔离度恶化。

本实施例中的逐一引入耦合电容的方式是指，在确定的需要引入耦合电容的位置处，采用单个引入的方式引入耦合电容，观察单个耦合电容对隔离度的影响；逐步引入的方式是指，在引入单个耦合电容的基础上，逐步引入其他耦合电容，观察不同耦合电容组合下对隔离度的影响。

具体地，以图5的电路模型为例，引入电容C1后，其右侧隔离度得以优化，如图6(a)所示；通过引入C2，左侧隔离度恶化，如图6(b)所示；通过引入C3/C4，隔离度略有优化，但变化不明显，如同6(c)/(d)所示。其次在引入C1的前提下，继续引入C2、C3、C4，观察隔离度变化情况，如图(e)、(f)、(g)所示。确定出各耦合电容的引入对双工器隔离度的影响，在布局谐振器之初就明确好谐振器与谐振器之间的关系，在本发明实施例中，C1的引入对双工器隔离度有较大的提升，C2的引入会较大的恶化双工器的隔离度，C3以及C4的引入对双工器隔离度影响不明显。

本发明实施例的步骤S3中，调整体声波谐振器布局的方法具体为：

当隔离度优化时，调整拉近引起隔离度优化的耦合电容两侧的体声波谐振器之间的距离，使其实现对应的耦合电容；

当隔离度恶化时，调整拉开引起隔离度恶化的耦合电容两侧的体声波谐振器之间的距离，使其避免产生对应的耦合电容；

根据距离调整后的体声波谐振器，对其他体声波谐振器的位置进行布局，在布局时，使串联支路尽可能短，尽量使串联谐振器与串联谐振器直接连接而要避免串联谐振器通过并联谐振器跨接。

在本实施例中，以图5所示的电路模型为例，在确定好对地电感及有效耦合电容出现的位置后，设计谐振器摆放位置，即首先摆放明确好关系的谐振器，在图5的发送滤波器中，首先要将靠近天线端的第一个串联谐振器和靠近发送端的最后一级并联支路的距离拉近，实现耦合电容C1，确认好TS1、TP3以及TP4的位置；其次，尽量将靠近天线端的第一个并联支路和靠近发送 端的最后一个串联谐振器的距离拉近实现耦合电容C3，确认好TS4、TP1以及TP2的位置，如图7左图所示。在图5的接收滤波器中，首先要将靠近天线端的第一个串联谐振器和靠近接收端的最后一个并联支路的距离拉远，避免C2的产生，确认好RS1、RP3以及RP4的位置，其间采用RP2将两者隔离开来，尽量避免二者之间产生耦合电容；其次再布局靠近天线端的第一个并联支路和靠近接收端的最后一个串联谐振器，确认好RP1及RS4的位置，如图7右图所示。通过本实施例提出的设计流程，可以在仿真之初，就明确好谐振器与谐振器之间的相对位置，通过调整产生耦合的两谐振器之间的相对位置，从而实现能优化隔离度的耦合(如C1)避免恶化隔离度的耦合(如C2)的产生，以优化双工器的隔离度，缩短谐振器布局时间，且不会造成双工器器件尺寸的增加（图7中的TX对应发送滤波器，RX对应接收滤波器）。

实施例3：

本发明实施例提供了基于实施例2中的设计方法设计双工器的仿真对比示例：

电路仿真和加入版图影响的仿真性能曲线如图8所示，实线是电路仿真的性能曲线，虚线是加入版图影响后最终的性能曲线。通过比较电路仿真和最终的性能曲线，在布局谐振器之初，在电路仿真中加入电容，模拟出谐振器之间产生耦合对器件性能的影响，在优化双工器隔离度的同时，快速定位其谐振器的相对位置，通过版图布局快速实现电路仿真设计性能，实现性能以及设计速度的提升。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。