CN111211754B - 调整fbar寄生分量的方法和滤波器、多工器、通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种调整FBAR寄生分量的方法和滤波器、多工器、通信设备，改变寄生分量在频域出现的位置，从而改善通带性能。在该方法中，将电容与所述FBAR串联形成串联体，使该串联体的幅频曲线中，寄生分量的起始位置移动到串联谐振频点以下的频段。

Description

调整FBAR寄生分量的方法和滤波器、多工器、通信设备
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，具体涉及一种调整FBAR寄生分量的方法和滤波器、多工器、通信设备。
背景技术
在射频通信前端中，对滤波器和双工器以及多工器的性能有着越来越高的要求，其中通带性能尤为重要，如在5G时代对插损、波动、纹波、回波等通带指标的要求越来越严苛。
由于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR)在串联谐振频点以下频段存在寄生分量，即寄生分量的起始频点与FBAR谐振器的串联谐振频点基本重合，所以构成的滤波器、双工器以及多工器在通带也存在寄生分量，该寄生分量对滤波器和双工器以及多工器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带指标造成了不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种调整FBAR寄生分量的方法和滤波器、多工器、通信设备，改变寄生分量在频域出现的位置，从而改善通带性能。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种调整薄膜体声波谐振器FBAR寄生分量的方法。
本发明的调整薄膜体声波谐振器FBAR寄生分量的方法方法中，将电容与所述FBAR串联形成串联体，使该串联体的幅频曲线中，寄生分量的起始位置移动到串联谐振频点以下的频段，还包括：对所述FBAR的上电极、下电极、压电层中的一者或多者的厚度进行调整，并且/或者，对所述电容的电容值进行调整，使所述串联体的串联谐振频率和并联谐振频率，分别位于所述FBAR的串联谐振频率和并联谐振频率的预设宽度的邻域内。
可选地，还包括：所述上电极由电极材料与该电极材料上方的钝化层构成；所述上电极的厚度为所述电极材料的厚度与等效电极材料厚度之和，该等效电极材料的声阻抗等于所述钝化层的声阻抗。
可选地，还包括：对于使用所述FBAR构成滤波器，该滤波器中的部分或全部FBAR替换为所述串联体，使该滤波器的幅频曲线中，寄生分量位于通带之外。
可选地，所述滤波器中的所有串联FBAR替换为所述串联体。由于串联支路谐振器采用本专利发明的谐振器结构，寄生纹波的起始位置在Fs以下较远处，所以一阶滤波器不会受到串联支路谐振器的寄生纹波的影响，从而改善了一阶滤波器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能指标。
可选地，所述滤波器中的所有串联FBAR以及至少1个并联FBAR，替换为所述串联体。在关联FBAR也替换为上述串联体的情况下，有助于进一步减少过渡带的纹波。
根据本发明的另一方面，提供了一种滤波器，其包含薄膜体声波谐振器FBAR，所述滤波器的每个串联FBAR串联有电容；所述FBAR的上电极、下电极、压电层中的一者或多者的厚度和/或所述电容的电容值，使得所述串联体的串联谐振频率和并联谐振频率，分别位于所述FBAR的串联谐振频率和并联谐振频率的预设宽度的邻域内。
可选地，所述滤波器的一个或多个并联FBAR串联有电容。
根据本发明的又一方面，提供了一种多工器，其包含本发明所述的滤波器。
根据本发明的又一方面，提供了一种通信设备，其包含本发明所述的滤波器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的新的谐振单元结构是将电容与FBAR进行串联得到的，新的谐振单元中寄生分量的起始位置会移动到串联谐振频点以下的频段，在新谐振单元构成滤波器、双工器以及多工器时，寄生分量就会被移动到通带之外，从而改善了滤波器和双工器以及多工器的插损、波动、纹波、群时延波动等指标；
(2)本发明采用新的谐振单元组成的滤波器，不会受到串联支路谐振器的寄生纹波的影响，从而改善了滤波器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能，同理采用新的滤波器组成的双工器以及多工器，也不会受到串联支路谐振器的寄生纹波的影响，其插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能也得到改善。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是现有的FBAR谐振器的拓扑结构图；
图2是现有的FBAR谐振器的结构示意图；
图3是现有的FBAR谐振器的曲线图；
图4是实施例一涉及的新的谐振单元的拓扑结构图；
图5是实施例一涉及的新的谐振单元的曲线图；
图6是现有的一阶滤波器的拓扑结构图；
图7是现有的一阶滤波器的曲线图；
图8是实施例一涉及的新的谐振单元的频响曲线图；
图9是实施例二涉及的一阶滤波器的拓扑结构图；
图10是实施例二涉及的一阶滤波器的曲线图；
图11是现有的FBAR谐振器组成的带通滤波器的拓扑结构图；
图12和图13是现有的FBAR谐振器组成的带通滤波器的通带频响曲线图；
图14是实施例三涉及的带通滤波器的拓扑结构图；
图15和图16是由本发明实施例提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的通带频响曲线图；
图17是两种带通滤波器的曲线的对比图；
图18是实施例一涉及的新型谐振单元中电容器的结构图；
图19是叉指电容与现有的FBAR谐振器级联后形成的实施例一所提出的新型谐振单元的拓扑结构图；
图20是平板电容与现有的FBAR谐振器级联后形成的实施例一所提出的新型谐振单元的拓扑结构图；
图21是由实施例一提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的拓扑结构图一；
图22是由实施例一提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的拓扑结构图二；
图23是串联支路采用实施例一提出的新型谐振单元，在三个并联支路采用现有的FBAR谐振器的带通滤波器的拓扑结构图一；
图24是串联支路采用实施例一提出的新型谐振单元，在三个并联支路采用现有的FBAR谐振器的带通滤波器的拓扑结构图二；
图25和图26是图23所示的带通滤波器的频响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有的FBAR谐振器的拓扑结构图。如图1所示，FBAR谐振器11的一端与信号输入端口12连接，另一端接地。从信号输入端口12测量Z参数，得到FBAR谐振器11的Z参数幅度值与频率的对应关系曲线，如图3所示。图3中，纵轴代表Z参数的幅度值，横轴代表频率，Fs代表串联谐振频率，Fp代表并联谐振频率。由于FBAR谐振器固有的寄生效应的影响，Fs以下频率范围会出现寄生纹波(即寄生纹波的起始位置从Fs开始，Fs以下有寄生纹波，Fs以上没有)。
图2是现有的FBAR谐振器的结构示意图。图2中，所述典型的FBAR谐振器结构由下电极21、压电层22和上电极23这三个叠层组成，所述FBAR谐振器位于硅基24上，在硅基上开设有空气槽25，所述空气槽25用于通入空气，使得FBAR谐振器上电极的上方和下电极的下方是空气。通过调整下电极21、压电层22和上电极23的厚度，可以控制串联谐振频率Fs、并联谐振频率Fp的位置。需要说明的是，为了保护谐振器不受环境影响而发生氧化，通常在上电极上方，还会制作一层钝化层，它的材料可以是性能相对稳定的非金属材料，如二氧化硅，甚至也可以与压电层采用相同的材料，如氮化铝。这层材料与电极材料的声阻抗不同，但是可以换算为与上电极材料相同声阻抗的等厚度，叠加到上电极的厚度上，用这个叠加后的上电极厚度去等效上电极与钝化层的共同作用，为了简化，图中将钝化层略去，但是在通过调节谐振器各层厚度来调节寄生分量位置时，也应该考虑钝化层的厚度影响。
图4是本实施例一涉及的新的谐振单元的拓扑结构图。如图4所示，谐振单元4作为一个串联体，包括串联的电容42和FBAR谐振器41，串联的电容42和FBAR谐振器41的一端连接信号输入端口43，另一端接地。
从信号输入端口43测量Z参数，得到新的谐振单元4的Z参数幅度值与频率的对应关系曲线，如图5所示，纵轴代表Z参数的幅度值，横轴代表频率；Fs代表串联谐振频率，Fp代表并联谐振频率。
与传统的FBAR谐振器11相比，Fp的频率没有太大变化，Fs的频率向高频移动。而寄生纹波的起始位置没有太大变化，仍位于3650MHz附近。从图中可以看出，本实施例提出的新的谐振单元4可以将寄生纹波的起始位置与Fs的位置分离。
对于一个各层厚度固定的FBAR，在没加电容的时候，谐振器的寄生分量起始位置，即是串联谐振频率Fs。加了串联电容之后，谐振器的并联谐振频率Fp没有移动，寄生分量起始的位置也是Fs，没有移动。实际上移动的是串联体的Fs，相当于变成了一个Kt2更小的谐振器，但是这样kt2变小的谐振器，做出滤波器的带宽会变小，因此在需要的情况下，再采取相关的措施把kt2调整回原始设计需要的数值，并且谐振频率的位置也要符合滤波器设计的要求。
上述措施主要考虑：一方面，谐振器的谐振频率与组成谐振器的各层(钝化层，上电极，压电层，下电极)厚度相关，在其它层厚度不变的条件下，某层厚度越厚，谐振频率越低，厚度越薄，谐振频率越高。另一方面，而当谐振频率固定时，谐振器的Kt2与压电层厚度相关。增大压电层的厚度(为保持谐振频率基本不变，需要相应调小其它各层的厚度)，谐振器的Kt2变大。反之，减少压电层的厚度(为保持谐振频率基本不变，需要相应调大其它各层的厚度)，谐振器的Kt2变小。
本发明实施方式中，滤波器的一种优选的设计方法可按如下方式进行：按原始滤波器的频率和带宽进行初始设计，确定各谐振器的谐振频率和Kt2，然后向其中部分谐振器(主要是串联谐振器)添加串联电容(也可以理解为，将谐振器替换为前述的串联体)，根据上文的说明，此时串联体的Kt2变小，滤波器性能发生变化，在这种情况下，可进一步调节谐振器的各层厚度，以及电容值，使替换后串联体的谐振频率Fs以及Kt2与替换前的谐振器相同，此时寄生纹波已经位于Fs以下的位置，即位于通带外。这里的设计可采用相关的软件完成，因此上述的“调节谐振器的各层厚度，以及电容值”主要是指在计算机辅助设计时的参数调节，虽然也可采用试生产的方式制作样品。以下对上述方法举例加以说明。
图6是现有的一阶滤波器的拓扑结构图。如图6所示，该一阶滤波器6包括串联支路谐振器61和并联支路谐振器62，串联支路谐振器61的一端连接信号输入端口63，另一端连接信号输出端口64，信号输出端口64与接地端之间连接有所述并联支路谐振器62，并联支路谐振器的上电极厚度大于串联支路谐振器61的上电极厚度。
图7是滤波器6的曲线图。图7中，71是串联支路谐振器曲线，72是并联支路谐振器曲线，73是一阶滤波器曲线。从图7中可以看出，由于串联支路谐振器71受寄生效应的影响，串联支路谐振器71在Fs以下会产生寄生纹波，从而导致在组成一阶滤波器7时，一阶滤波器7的通带左侧产生纹波，导致一阶滤波器7的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能指标恶化，同理双工器以及多工器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能指标也会恶化。
为了改善寄生纹波对一阶滤波器6的影响，可以采用本实施例一提出的新的谐振单元4来组成一阶滤波器。为了得到与一阶滤波器6相同的性能，需要得到与图3中近似形状的谐振器的频响曲线。通过调节图4中新的谐振单元4的FBAR谐振器41的叠层厚度以及电容42的电容值，可以得到与图3中曲线相近的新的谐振单元4的频响曲线。从图8中可以看出，新的谐振单元4的Fs和Fp与图3中谐振器11的Fs和Fp相同，而新的谐振单元4的寄生纹波的起始位置从3580MHz开始，而图3中谐振器11的寄生纹波的起始位置从3650MHz开始。
图9是本实施例二涉及的一阶滤波器的拓扑结构图。如图9所示，一阶滤波器包括串联谐振单元95和并联谐振单元96，串联谐振单元95的一端连接信号输入端口97，另一端连接信号输出端口98，信号输出端口98与接地端之间并联有并联谐振单元96，
在本实施例中，串联谐振单元95的结构与实施例一提出的谐振单元4的拓扑结构和组成结构完全相同。串联谐振单元95包括串联的电容92和FBAR谐振器91，串联的电容92和FBAR谐振器91的一端连接信号输入端口97，另一端连接信号输出端口98。
并联谐振单元96的结构与实施例一提出的谐振单元4的拓扑结构相同。包括串联的电容94和FBAR谐振器93，串联的电容94和FBAR谐振器93的一端连接信号输出端口98，另一端接地。
在本实施例中，FBAR谐振器93的上电极厚度大于FBAR谐振器91的上电极厚度。
图10是本实施例二涉及的一阶滤波器的曲线图。由图10可以看出，由于串联支路谐振器采用本实施例一提出的谐振单元结构，寄生纹波的起始位置在Fs以下较远处，所以一阶滤波器不会受到串联支路谐振器的寄生纹波的影响，从而改善了一阶滤波器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能指标，同理双工器以及多工器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能指标也会得到改善。
本实施例的串联谐振单元95和并联谐振单元96分别采用本实施例一提出的新的谐振单元，过渡带(3590～3610MHz)无纹波，纹波会出现在阻带。
需要说明的是，如果新的谐振单元的寄生纹波对过渡带性能的影响是可以接受的，那么串联谐振单元95可采用本实施例一提出的新的谐振单元；并联谐振单元96可采用现有的并联支路谐振器，则过渡带有纹波。
图11是现有的FBAR谐振器组成的带通滤波器的拓扑结构图。如图11所示，带通滤波器包括：四个串联的FBAR谐振器111～114，连接在信号输入端口与信号输出端口之间；并联的FBAR谐振器115～117，连接在多个串联的FBAR谐振器的连接点与接地端的之间。每个并联的FBAR谐振器与接地端之间连接有电感。
图12和图13是现有的FBAR谐振器组成的带通滤波器的通带频响曲线。从图12和图13中，可以看出通带左侧出现明显的纹波。
图14是本实施例三涉及的带通滤波器的拓扑结构图。如图14所示，带通滤波器包括：四个串联的谐振单元141～144，连接在信号输入端口与信号输出端口之间；并联的谐振单元145～147，连接在多个串联的FBAR谐振器的连接点与接地端的之间。每个并联的谐振单元145～147与接地端之间连接有电感。
在本实施例中，串联的谐振单元141～144、并联的谐振单元145～147的结构与实施例一提出的谐振单元4的结构相同，不再赘述。
图15和图16是由本实施例提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的通带频响曲线。从图15和图16中可以看出，通带左侧曲线非常平滑，无纹波出现，且过渡带(3600MHz到3630MHz之间)内也无纹波出现，纹波在3580MHz附近出现。
图17是两种曲线的对比图。点状线是本实施例提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的通带频响曲线，实线是现有的FBAR谐振器组成的带通滤波器的通带频响曲线。从图17中可以看出，本实施例的曲线的通带左侧较为饱满平滑，没有纹波抖动，从而改善了插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能。
图18是本实施例一涉及的新型谐振单元中电容器的结构图。图18是电容器的一种，叫做叉指电容，其中182和183是金属电极，181和184是叉指电容的对外连接端。
图19是叉指电容与现有的FBAR谐振器级联后形成的实施例一所提出的新型谐振单元的拓扑结构图。该谐振单元包括串联的叉指电容192和FBAR谐振器193，串联的叉指电容192和FBAR谐振器193的一端连接信号输入端口191，另一端连接信号输出端口194。
电容器的另一种形式，叫做平板电容。图20是平板电容与现有的FBAR谐振器级联后形成的实施例一所提出的新型谐振单元的拓扑结构图。该谐振单元包括串联的平板电容202和FBAR谐振器203，串联的平板电容202和FBAR谐振器203的一端连接信号输入端口201，另一端连接信号输出端口204。
FBAR谐振器由上、下电极及中间的压电薄膜组成。FBAR谐振器上电极的上方和下电极的下方是空气。FBAR谐振器的下电极的下方如果没有空气槽，那么该FBAR谐振器就变成了一个平板电容器。平板电容202可由上述方式实现。调节该平板电容器的面积或压电薄膜的厚度，可以改变电容的容值。
图21是由本实施例提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的拓扑结构图。如图21所示，所述带通滤波器的串联支路和三个并联支路采用图19所示的新型谐振单元。
图22是由本实施例提出的新型谐振单元组成的带通滤波器的拓扑结构图。如图22所示，所述带通滤波器的串联支路和三个并联支路采用图20所示的新型谐振单元。
如图23所示，所述带通滤波器的串联支路采用图19所示的新型谐振单元，而三个并联支路谐振器采用的是现有FBAR谐振器；如图24所示，所述带通滤波器的串联支路采用图20所示的新型谐振单元，而三个并联支路谐振器采用的是现有FBAR谐振器。
图25和图26是采用图23设计结构所产生的带通滤波器频响曲线。在过渡带(3600MHz到3630MHz之间)区域会产生纹波，但是在通带之内没有纹波。
本发明实施方式中，采用新的带通滤波器组成多工器(包括双工器)，使得多工器不会受到串联支路谐振器的寄生纹波的影响，从而改善了多工器的插损、波动、纹波、群时延波动等通带性能指标。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.调整薄膜体声波谐振器FBAR寄生分量的方法，其特征在于，
将电容与所述FBAR串联形成串联体，使该串联体的幅频曲线中，寄生分量的起始位置移动到串联谐振频点以下的频段；
对所述FBAR的上电极、下电极、压电层中的一者或多者的厚度进行调整，并且/或者，对所述电容的电容值进行调整，使所述串联体的串联谐振频率和并联谐振频率，分别位于所述FBAR的串联谐振频率和并联谐振频率的预设宽度的邻域内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述上电极由电极材料与该电极材料上方的钝化层构成；
所述上电极的厚度为所述电极材料的厚度与等效电极材料厚度之和，该等效电极材料的声阻抗等于所述钝化层的声阻抗。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对于使用所述FBAR构成滤波器，该滤波器中的部分或全部FBAR替换为所述串联体，使该滤波器的幅频曲线中，寄生分量位于通带之外。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述滤波器中的所有串联FBAR替换为所述串联体。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述滤波器中的所有串联FBAR以及至少1个并联FBAR，替换为所述串联体。
6.一种滤波器，包含薄膜体声波谐振器FBAR，其特征在于，所述滤波器的每个串联FBAR串联有电容从而形成串联体；
所述FBAR的上电极、下电极、压电层中的一者或多者的厚度和/或所述电容的电容值，使得所述串联体的串联谐振频率和并联谐振频率，分别位于所述FBAR的串联谐振频率和并联谐振频率的预设宽度的邻域内。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器的一个或多个并联FBAR串联有电容。
8.一种多工器，其特征在于，包含权利要求6或7所述的滤波器。
9.一种通信设备，其特征在于，包含权利要求6或7所述的滤波器。
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