CN113541635B - 基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器 - Google Patents
基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，属于基本电气元件的技术领域。薄膜体声波滤波器由串联谐振器和并联谐振器级联而成，其基本结构均包括表面带有凹槽的衬底，位于衬底上的底电极层、位于底电极上的压电层、位于压电层的顶电极层，部分或全部串联谐振器还包括位于顶电极层上方或下方的相位扰动层。在不增加***元器件，也不改变滤波器原有各层结构位置、形状、布局的情况下，仅仅通过增加相位扰动层在滤波器右半通带对相位响应曲线引入扰动，在滤波器滚降不变、矩形系数不变的情况下大幅提升滤波器的线性相位度，且具有不增加滤波器设计难度以及不影响薄膜体声波滤波器小型化的优势。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器设计技术，特别是涉及基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
通信***的快速发展对滤波器的尺寸和性能提出了越来越高的要求。薄膜体声波滤波器因其具有体积小、插损低、矩形系数高的优势在各通信***中得到广泛应用。为了保证信号的无失真传输，一般要求信号在工作频带内具有平坦的幅度特性和线性的相位特性。因此，对于应用在通信***中的滤波器的带内平坦度和线性相位度有较高的要求。
目前，对于窄带、高矩形度滤波器(相对带宽小于10％，矩形度小于2.0)，例如声表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)滤波器、体声波(BAW，Bulk Acoustic Wave)滤波器，通常仅在距通带中心±0.7％的范围内具有较平坦的相位。以通信***中的典型需求为例，要求中心频率±4％频率处抑制度达到40dB，相对带宽±1.5％范围内的线性相位度优于25°，这种情况下不能单纯通过展宽滤波器的带宽来提升线性相位度，因为这样会牺牲滚降。因此，对于滚降、抑制度和线性相位度要求均较高的需求，设计极具挑战性。
申请号为CN201120015822.9的中国专利公开了一种线性相位滤波器，其主要原理是在谐振器之间引入交叉耦合，在复平面的实轴得到传输零点，通过改变传输零点的位置来提高滤波器的线性相位度，这种对复数传输零点位置控制的方法适合于传统的腔体滤波器、微带滤波器、以及介质滤波器等通过零、极点调控的滤波器。薄膜体声波滤波器属于声学滤波器，其工作原理不同于传统的滤波器，相邻谐振器之间不存在直接耦合或交叉耦合，其主要是利用压电材料的电能—机械能转换能力，由交变电场激励起体声波的谐振。
申请号为CN201911086686.X的中国专利公开了另一种基于负群时延电路的宽带线性相位滤波器，提出了一种在滤波器前级增加功分器、负群时延电路单元，后级增加负群时延电路单元、合路器的结构来减小群时延波动，提高滤波器的线性相位响应，这种结构增加了整个滤波单元的电路尺寸，不适用于目前小型化的需求。
目前，尚未在公开报道中看到关于既不使用外部元件，且不改变薄膜体声波滤波器拓扑结构，也不改变通带带宽，仅通过薄膜体声波谐振器器件自身设计得以提高薄膜体声波滤波器线性相位度的技术。本发明旨在通过一种在薄膜体声波滤波器右半通带对相位响应曲线引入扰动以实现对薄膜体声波滤波器线性相位度的提升。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，在至少一个串联谐振器的顶电极层上制备相位扰动层，通过在薄膜体声波滤波器右半通带对相位曲线引入扰动，在薄膜体声波滤波器通带带宽余量较小的情况下，既不改变拓扑结构又不使用外部元件实现提升薄膜体声波滤波器线性相位度的发明目的，解决现有滤波器线性相位度提升方案不适用于薄膜体声波滤波器以及需以增加电路尺寸为代价的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
薄膜体声波滤波器由具备调频层的谐振器和不具备调频层的谐振器级联而成，薄膜体声波滤波器拓扑包含阶梯型或网络型。通常，在阶梯型拓扑结构的滤波器中，将不具备调频层的谐振器置于串联路径，将具备调频层的谐振器置于并联路径。置于串联路径的谐振器为串联谐振器，置于并联路径的谐振器为并联谐振器。串联谐振器和并联谐振器结构均包括上表面带有凹槽的衬底、位于衬底上的底电极层、位于底电极层上的压电层、位于压电层上的顶电极层。调频层的设置方法，见专利US6483229(Method of ProvidingDifferential Frequency Adjusts In AThin Film Bulk Acoustic Resonator Filterand Apparatus Embodying The Method)和专利US6469597(Method of Mass Loading ofThin Film Bulk Acoustic Resonators For Creating Resonators of DifferentFrequencies and Apparatus Embodying The Method)。极少数情况下，将具备调频层的谐振器置于串联路径，将不具备调频层的谐振器置于并联路径。本发明以通常情况为例，提出一种相位线性度改善结构，在部分或所有的串联谐振器的顶电极上方或下方制备相位扰动层，也可以是在串联谐振器底电极层上方或下方施加相位扰动层。
线性相位度定义为滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值。
线性相位度改善的原理为：记f0为薄膜体声波滤波器中心频率，BW为通带带宽，通带的相位频率曲线表述为PHI(F)＝angle(S21(F))*180/π(其中，频率F的取值范围为(f0-BW/2)≤F≤(f0+BW/2))，则左边带、右边带的相位分别为PHI(f0-BW/2)、PHI(f0+BW/2)；根据线性相位度的定义，其可表述为：
其中，薄膜体声波滤波器为窄带滤波器，其相位差值在频率由f0延伸至f0±BW/2过程中，逐渐变大,且f0+BW/2处为相位曲线的最小值，f0-BW/2处为相位曲线的最大值，即则式(1)可以进一步简化为：
根据式(2)，线性相位度的值仅与和/>有关，且已知大于/>则要改善线性相位度，需减小/>或增大为了实现该目标，本发明提出一种相位扰动层结构，可以在(f0～f0+BW/2)之间对相位曲线引入扰动，增大/>来提升滤波器线性相位度。
一般地，相位扰动层施加于薄膜体声波滤波器的串联谐振器可以改善滤波器通带的线性相位度，施加在并联谐振器不会改变滤波器通带的线性相位度。特殊地，对于采用窄带技术的窄带滤波器，部分串联谐振器具备调频层，即串联谐振器的串联谐振频率Fs位于通带以外，对这类具备调频层的串联谐振器施加相位扰动层不会改变滤波器的线性相位度；部分并联谐振器不具备调频层，即并联谐振器的串联谐振频率Fs位于通带内，对这类不具备调频层的并联谐振器施加相位扰动层可以提升滤波器线性相位度。
相位扰动层的引入并不会改变单个薄膜体声波谐振器的Fs、Rs、Fp、Rp等，也不会加强或减弱寄生模式，即不改变史密斯圆图六点钟与九点钟方向之间的振荡模式。
相位扰动层的引入不会改变滤波器的传输系数(S21)最大值。
相位扰动层材料可以使用导电材料或介电材料。
相位扰动层的边界与顶电极层边界距离越小，对相位曲线的调控作用越强，但扰动太大会造成滤波器的插损和驻波恶化，因此相位扰动层边界距离顶电极层边界有0.5um～10um的距离。
相位扰动层厚度与滤波器相位曲线的扰动频率位置有关，其厚度一般在20A到400A之间。以中心频率为2GHz的滤波器为例，其相位扰动层的典型厚度为100～150A。
对相位曲线扰动的频率位置可以是1个、2个…，上限为串联谐振器的个数。相应地，相位扰动层的厚度数量对应的是1个、2个…，上限为串联谐振器的个数；相位扰动层厚度的数量取决于滤波器指标要求和工艺难度的综合考虑。
相位扰动层可以通过在顶电极层上方或下方沉积扰动层材料来实现，此时需要注意顶电极制备厚度应为原始设计厚度减去相位扰动层的厚度；也可以通过对顶电极边缘进行刻蚀加工，注意为了保持谐振器的电阻抗，需保证谐振器有效面积不因边缘刻蚀而缩小，顶电极的横截面宽度应提前留出刻蚀量，即应为原始设计宽度加上相位扰动层距离顶电极边界的距离。相位扰动层也可以施加在底电极层上方或下方。
基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，由串联谐振器和并联谐振器级联而成，串联谐振器和并联谐振器结构相同且均包括：衬底及沉积在衬底上的底电极层、压电层、顶电极层，至少一个串联谐振器的顶电极层的上方或下方制备有相位扰动层。
进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的结构。
进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，制备所述相位扰动层的材料为导电材料或介电材料。
进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，相位扰动层的厚度为20A～400A。
再进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的方块状结构。
再进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的环状结构，所述环形结构的中间开口尺寸为5um-10um。
再进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的”H”型结构。
再进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的双切角型结构。
基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器的设计方法，根据线性相位度在由f0延伸至f0+BW/2过程中的变化趋势选择扰动频率的位置，根据扰动频率确定相位扰动层的厚度，直至薄膜体声波滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值达到线性相位度指标，其中，f0为薄膜体声波滤波器中心频率，BW为通带带宽。
再进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器的设计方法，薄膜体声波滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值的计算公式为：DeltaPHI为滤波器线性相位度，为通带内频率点/>对应的相位，/>为通带内频率点/>对应的相位。
再进一步地，基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器的设计方法，根据线性相位度在由f0延伸至f0+BW/2过程中的变化趋势选择扰动频率的位置的具体方法为：保持不变，在(f0～f0+BW/2)之间对相位曲线进行扰动以增大/>f0为薄膜体声波滤波器中心频率，BW为通带带宽，/>为通带内频率点/>对应的相位，/>为通带内频率点/>对应的相位。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出的相位扰动层在不增加***元器件，也不改变滤波器原有各层结构位置、形状、布局的情况下，通过在至少一个串联谐振器顶电极层上方或下方制备相位扰动层实现对相位曲线的扰动，相位扰动层厚度与滤波器相位曲线改善的频率位置有关，其厚度一般在20A到400A之间，合理选择相位扰动层的厚度能够对薄膜体声波滤波器相位曲线在右半通带相应位置增加适度扰动，以达到对相位曲线调控的目的；相位扰动层厚度的数量取决于滤波器指标要求和工艺难度的综合考虑。本发明的方法可以在滤波器滚降不变、矩形系数不变的情况下大幅提升滤波器的线性相位度，且不增加设计难度以及不影响薄膜体声波滤波器小型化的优势。
附图说明
图1是本发明实施例中采用的薄膜体声波滤波器拓扑示意图。
图2A是在薄膜体声波滤波器串联谐振器顶电极上方或下方增加的相位扰动层结构一顶视角示意图；
图2B是在薄膜体声波滤波器串联谐振器顶电极上方或下方增加的相位扰动层结构一的A-A横截面示意图；
图2C是在薄膜体声波滤波器串联谐振器顶电极上方或下方增加的相位扰动层结构一的B-B横截面示意图。
图3是在薄膜体声波滤波器串联谐振器顶电极上方或下方增加的相位扰动层结构二顶视角示意图。
图4是在薄膜体声波滤波器串联谐振器顶电极上方或下方增加的相位扰动层结构三顶视角示意图。
图5是在薄膜体声波滤波器串联谐振器顶电极上方或下方增加的相位扰动层结构四顶视角示意图。
图6是不施加相位扰动层与施加相位扰动层对应的单个谐振器的阻抗圆图对比曲线。
图7A是滤波器线性相位度优化前的薄膜体声波滤波器幅度响应曲线(实线)和驻波曲线(虚线)；图7B是滤波器线性相位度优化前的薄膜体声波滤波器相位响应曲线。
图8A是所有串联谐振器施加图2所示相位扰动层结构后的薄膜体声波滤波器幅度响应曲线(实线)和驻波曲线(虚线)；图8B是所有串联谐振器施加图2所示相位扰动层结构后的薄膜体声波滤波器相位响应曲线。
图9A是所有串联谐振器施加图3所示相位扰动层结构后的薄膜体声波滤波器幅度响应曲线(实线)和驻波曲线(虚线)；图9B是所有串联谐振器施加图3所示相位扰动层结构后的薄膜体声波滤波器相位响应曲线。
图中标号说明：1、衬底；2、底电极层；3、压电层；4、顶电极层；5、相位扰动层；6、第一串联谐振器；7、第二串联谐振器；8、第三串联谐振器；9、第四串联谐振器；10、第一并联谐振器；11、第二并联谐振器；12、第三并联谐振器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提高薄膜体声波滤波器线性相位度的方法进行详细说明。
本发明所使用的变量符号并不限定于本发明之中所采用的符号。如果采用其它变量符号来替代本发明所述的提高薄膜体声波滤波器线性相位度的方法中所采用的变量符号，皆可认为在本发明的保护范围内。
下面以如图1所示经典π型结构级联拓扑的薄膜体声波滤波器为例说明本发明通过薄膜体声波滤波器自身结构提升线性相位度的具体实现方式。
如图1所示，薄膜体声波滤波器的拓扑为由第一串联谐振器6、第二串联谐振器7、第三串联谐振器8、第四串联谐振器9、第一并联谐振器10、第二并联谐振器11、第三并联谐振器12级联而成的经典π型结构。
如图2A、图2B所示，串联谐振器和并联谐振器结构相同，均包为上表面带有凹槽的衬底1、位于衬底上的底电极层2、位于底电极层上的压电层3、位于压电层上的顶电极层4时，滤波器的幅度响应曲线、驻波曲线、相位响应曲线如图7A和7B所示。滤波器中心频率f0＝3220MHz，带宽BW＝90MHz(通带频率为3175～3265MHz)。此时，滤波器的线性相位度为40.8°，远远不能满足实际***的应用需求。为了改善滤波器线性相位度，可以通过在滤波器串联谐振器顶电极层上方或下方增加相位扰动层来实现，主要原理可以通过单个谐振器增加相位扰动层之后的响应来分析。图6中虚线为不施加相位扰动层时单个谐振器的阻抗圆图，实线为施加相位扰动层之后单个谐振器的阻抗圆图。由图6可见，引入相位扰动层之后谐振器寄生模式的幅度、谐振器的关键参数Rs、Rp均未受影响，仅是在谐振器阻抗圆图九点钟跟十一点钟方向之间对阻抗引入了较小幅度的扰动，由于该频率处的阻抗发生变化，其相位响应也会改变，该频率定义为扰动频率。根据薄膜体声波滤波器串联谐振器和并联谐振器的特性，当该相位扰动层施加到串联谐振器时，对应的频率在即右半通带；当该相位扰动层施加到并联谐振器时，其所处的位置对应的频率在滤波器左侧滚降区(所谓滚降区是指滤波器通带左边带与左侧零点之间的过渡带)。因此，在滤波器串联谐振器上施加该相位扰动层可以改变滤波器在对应频率点处的阻抗响应曲线，从而改变其相位响应曲线，实现对滤波器线性相位度的优化。
下面在原始设计的基础上通过三个示例说明不同的相位扰动层施加方式对线性相位度的改善效果：
实施例1：滤波器通带频率为3175～3265MHz，这里选择增大PHI(3265MHz)的相位以改善滤波器线性相位度，选定对滤波器相位曲线进行调控的扰动频率为3.24GHz，在串联谐振器6、串联谐振器7、串联谐振器8、串联谐振器9的顶部增加厚度为50A，边界距顶电极边界5um的块状相位扰动层5，图2A、图2B和图2C分别为在串联谐振器顶电极层上方或下方增加相位扰动层的顶视角示意图、A-A横截面示意图和B-B横截面示意图。图8A为滤波器幅度响应曲线和驻波曲线；图8B为滤波器相位响应曲线，滤波器的线性相位度提升至24.6°，相比于原始设计线性相位度提升了39％。
实施例2：本发明提出的方法关键在改变滤波器在特定频率点处的相位响应曲线。图3所示为一种环形结构，但不仅限于方环，可以是与顶电极共型的任意环形结构，且环形结构中间开口尺寸为5um-10um；图4所示为一种”H”型结构，该结构也可以旋转180°施加到顶电极层上方或下方；图5所示为图2所示结构的一种切角变种，切角可以是一个角，也可以是所有角，图中仅为一种典型示例。图3、图4和图5所示的这三种结构均可以实现对特定频率点处阻抗响应曲线的扰动，且由于阻抗发生变化，其相应相位响应也会改变，从而实现对滤波器相位线性度的提高。以图3所示结构为例，这里仍然选择增大PHI(3265MHz)的相位以改善滤波器线性相位度，选定对滤波器相位曲线进行调控的扰动频率为3.24GHz，在串联谐振器6、串联谐振器7、串联谐振器8、串联谐振器9的顶电极上方或下方增加厚度为50A，扰动层边界距顶电极层边界5um，环形结构中间开口为5um的相位扰动层5。图9A为滤波器幅度响应曲线和驻波曲线；图9B为滤波器相位响应曲线，滤波器的线性相位度提升至24°，相比于原始设计线性相位度提升了41％。
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，在不脱离本发明的发明宗旨，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落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器由串联谐振器和并联谐振器级联而成，所述串联谐振器和并联谐振器结构相同且均包括：衬底及沉积在衬底上的底电极层、压电层、顶电极层，其特征在于，至少一个串联谐振器的顶电极层的上方或下方制备有相位扰动层，根据线性相位度在由f0延伸至f0+BW/2过程中的变化趋势选择扰动频率的位置，根据扰动频率确定相位扰动层的厚度，直至薄膜体声波滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值达到线性相位度指标，其中，f0为薄膜体声波滤波器中心频率，BW为通带带宽。
2.根据权利要求1所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的结构。
3.根据权利要求1所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，制备所述相位扰动层的材料为导电材料或介电材料。
4.根据权利要求1所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述相位扰动层的厚度为20A～400A。
5.根据权利要求2所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的方块状结构。
6.根据权利要求2所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的环状结构，所述环状结构的中间开口尺寸为5um-10um。
7.根据权利要求2所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的”H”型结构。
8.根据权利要求2所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述相位扰动层为距离串联谐振器顶电极层边界0.5um～10um的双切角型结构。
9.根据权利要求1所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器的设计方法，其特征在于，所述薄膜体声波滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值的计算公式为： DeltaPHI为滤波器线性相位度，/>为通带内频率点/>对应的相位，为通带内频率点/>对应的相位。
10.根据权利要求1所述的基于相位扰动层的高线性相位薄膜体声波滤波器的设计方法，其特征在于，根据线性相位度在由f0延伸至f0+BW/2过程中的变化趋势选择扰动频率的位置的具体方法为：保持不变，在(f0～f0+BW/2)之间对相位曲线进行扰动以增大/>f0为薄膜体声波滤波器中心频率，BW为通带带宽，/>为通带内频率点/>对应的相位，/>为通带内频率点/>对应的相位。
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