CN115664370A - 一种多传输零点的板波滤波器及信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及器件制备技术领域，提供了一种多传输零点的板波滤波器及信号处理电路，多传输零点的板波滤波器包括依次级联的并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的板波模式的面内传输方向不同，串联谐振器的反谐振点与并联谐振器的谐振点构成多个零点位置；面内传输方向为谐振器中叉指电极的法线方向；谐振器自上而下依次包括电极组件、压电薄膜和支撑衬底；压电薄膜与支撑衬底之间具有用于将谐振器的板波模式的能量约束在板波滤波器内的悬空结构，并联谐振器和串联谐振器所激发的声波模式均相同。通过设置不同面内传输方向的谐振器，可以大幅度调整谐振器的机电耦合系数，进而更灵活地实现多传输零点的板波滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及器件制备技术领域，尤其涉及一种多传输零点的板波滤波器及信号处理电路。
背景技术
现有基于单一面内传输方向的谐振器机电耦合系数难以较大范围调整，在构成多零点滤波器时具有很大的局限性。并且，通过级联电感元件、电容元件来形成多传输零点的滤波器，电感元件、电容元件造成器件体积大、寄生效应严重，影响器件的小型化和高性能。
发明内容
为了解决现有滤波器性能低的问题，本申请实施例提供了一种多传输零点的板波滤波器及信号处理电路。
根据本申请的第一方面，提供了一种多传输零点的板波滤波器，包括：
并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器依次级联；
并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的板波模式的面内传输方向不同；面内传输方向为谐振器中叉指电极的法线方向；
谐振器自上而下依次包括电极组件、压电薄膜和支撑衬底；压电薄膜与支撑衬底之间具有悬空结构，悬空结构用于将谐振器的板波模式的能量约束在板波谐振器内；
并联谐振器和串联谐振器所激发的声波模式均相同。
进一步地，板波模式包括零阶板波和高阶板波；
零阶板波包括零阶反对称兰姆波、零阶对称兰姆波和零阶水平剪切波；
高阶板波包括高阶反对称兰姆波、高阶对称兰姆波和高阶水平剪切波。
进一步地，当谐振器的板波模式为零阶板波时，电极组件包括叉指电极组件和反射栅电极组件；
叉指电极组件中叉指电极的金属化率在区间[30％,65％]内；
压电薄膜的厚度与叉指电极组件的周期的比值在区间[10％,75％]内。
进一步地，当谐振器的板波模式为高阶板波时，电极组件包括叉指电极组件；
叉指电极组件中叉指电极的金属化率在区间[5％,45％]内；
压电薄膜的厚度与叉指电极组件的周期的比值在区间[2％,17.5％]内。
进一步地，谐振器还包括设置在电极组件上的介质层；
介质层的厚度与电极组件的周期的比值在区间[1％,20％]内。
进一步地，电极组件在支撑衬底上的对应位置与悬空结构在支撑衬底的位置重合；
悬空结构贯穿支撑衬底；或者；
支撑衬底的部分区域被刻蚀与压电薄膜形成密闭的悬空结构。
进一步地，串联谐振器和并联谐振器中谐振器的板波模式的面内传输方向均不同。
进一步地，串联谐振器和并联谐振器中存在至少两个谐振器的板波模式的面内传输方向相同。
进一步地，并联谐振器中存在至少一个谐振器的板波模式的面内传输方向与串联谐振器中谐振器的板波的面内传输方向相同。
根据本申请的第二方面，提供了一种信号处理电路，该信号处理电路包括上述多传输零点的板波滤波器。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例提供的一种多传输零点的板波滤波器及信号处理电路，多传输零点的板波滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器依次级联；并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的板波模式的面内传输方向不同；面内传输方向为谐振器中叉指电极的法线方向；谐振器自上而下依次包括电极组件、压电薄膜和支撑衬底；压电薄膜与支撑衬底之间具有悬空结构，悬空结构用于将谐振器的板波模式的能量约束在板波滤波器内，并联谐振器和串联谐振器所激发的声波模式均相同。基于本申请实施例，通过设置不同面内传输方向的谐振器，可以大幅度调整谐振器的机电耦合系数，进而更加灵活地实现多传输零点的板波滤波器。通过设置悬空结构可以利用与空气的巨大声阻抗失配可以将板波模式的能量更好地约束在器件区域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是现有传统双零点滤波器的响应示意图；
图2是一种板波滤波器中谐振器的工作频率和机电耦合系数随器件波长的变化曲线示意图；
图3是另一种板波滤波器中谐振器的工作频率和机电耦合系数随器件波长的变化曲线示意图；
图4是本申请实施例提供的一种多传输零点的板波滤波器的拓扑结构示意图；
图5是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的工作频率和机电耦合系数随面内传输方向的变化曲线示意图一；
图6是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器工作频率和机电耦合系数随面内传输方向的变化曲线示意图二；
图7是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的结构示意图一；
图8是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的结构示意图二；
图9是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的结构示意图三；
图10是本申请实施例提供的板波滤波器的结构示意图；
图11是本申请实施例提供的一种谐振器和滤波器的仿真曲线图；
图12是本申请实施例提供的一种信号处理电路的示意图；
图13是本申请实施例提供的另一种信号处理电路的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“具有”和“为”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1是现有传统双零点滤波器的响应示意图。现有基于4个串联和3个并联的谐振器所构建的传统双零点滤波器，串联谐振器的谐振频率与并联谐振器的反谐振频率接近，滤波器的零点位置，直接对应于串联谐振器的反谐振点和并联谐振器的谐振点。若采用多零点设计可以提高滤波器的综合电学性能，但滤波器的各个谐振器需要具有不同的谐振频率和机电耦合系数。
图2是一种板波滤波器中谐振器的工作频率和机电耦合系数随器件波长的变化曲线示意图。板波滤波器中每个谐振器包括厚度为100nm的铝Al电极、总厚度为600nm的X切型的铌酸锂LiNbO3压电薄膜和Si支撑衬底。器件的声波模式为零阶水平剪切波，面内传输方向θ＝25°。由图2可以看出，器件的工作频率与波长λ成反比，而机电耦合系数kt 2在λ∈[1.5μm,2.3μm]的范围内变化较小。图3是另一种板波滤波器中谐振器的工作频率和机电耦合系数随器件波长的变化曲线示意图。板波滤波器中每个谐振器包括厚度为100nm的铝Al电极、总厚度为600nm的Y128°切型的铌酸锂LiNbO3压电薄膜和Si支撑衬底。器件的声波模式为1阶反对称兰姆波模式，面内传输方向θ＝0°。由图3可以看出，器件的工作频率与波长λ成反比，而机电耦合系数kt 2在λ∈[13μm,18μm]的范围内变化较小。由图2和图3可知，不论是零阶模式还是高阶模式，基于同一面内传输方向的板波谐振器，在调整机电耦合系数方面灵活性不足，在构建多零点的板波滤波器上具有很大的局限性。
并且，对于传统的基于单一压电体单晶材料的SAW滤波器，不宜采用多个面内传输方向不同的谐振器，因为沿着不同的面内传输方向，其板波的传输损耗亦会出现大幅度变化，即沿着部分面内传输方向的SAW谐振器的Q值较低，无法满足应用需求。
下面介绍本申请一种多传输零点的板波滤波器具体实施例，图4是本申请实施例提供的一种多传输零点的板波滤波器的拓扑结构示意图。本说明书提供了如实施例或附图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的模块或组成。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
如图4所示，本申请实施例中，多传输零点的板波滤波器可以包括并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器可以依次级联。其中，并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的板波模式的面内传输方向不同，实现谐振器机电耦合系数的大幅度变化，使得实现多零点滤波器更加灵活。面内传输方向可以为谐振器中叉指电极的法线方向。谐振器自上而下依次可以包括电极组件、压电薄膜和支撑衬底；压电薄膜与支撑衬底之间具有悬空结构，悬空结构用于将谐振器的板波模式的能量约束在板波滤波器内，并联谐振器和串联谐振器所激发的声波模式均相同。通过设置不同面内传输方向的谐振器，可以大幅度调整谐振器的机电耦合系数，进而更灵活地实现多传输零点的板波滤波器。
本申请实施例中，板波模式可以包括零阶板波和高阶板波。零阶板波可以包括零阶反对称兰姆波、零阶对称兰姆波和零阶水平剪切波，高阶板波可以包括高阶反对称兰姆波、高阶对称兰姆波和高阶水平剪切波。
在一些可能的实施方式中，当谐振器的板波模式为零阶板波时，电极组件可以包括叉指电极组件和反射栅电极组件。即若激发的模式为零阶板波模式，左右两侧的反射栅是必须的。叉指电极组件中叉指电极的金属化率可以在区间[30％,65％]内，压电薄膜的厚度与叉指电极组件的周期的比值可以在区间[10％,75％]内。
在一些可能的实施方式中，当谐振器的板波模式为高阶板波时，电极组件包括叉指电极组件。即若激发的模式为高阶板波模式，则左右两侧的反射栅可以移除。叉指电极组件中叉指电极的金属化率可以在区间[5％,45％]内，压电薄膜的厚度与叉指电极组件的周期的比值可以在区间[2％,17.5％]内。
图5是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的工作频率和机电耦合系数随面内传输方向的变化曲线示意图一。谐振器包括厚度为100nm的铝Al电极、总厚度为600nm的X切型的铌酸锂LiNbO3压电薄膜和Si支撑衬底。器件的声波模式为零阶水平剪切波。由图5可以看出，谐振器的机电耦合系数在面内传输方向为12°时高达36％，在面内传输方向为60°、90°以及140°附近低至0，整体呈现大幅变化的现象。图6是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器工作频率和机电耦合系数随面内传输方向的变化曲线示意图二。谐振器包括厚度为100nm的铝Al电极、总厚度为600nm的Y128°切型的铌酸锂LiNbO3压电薄膜和Si支撑衬底。器件的声波模式为1阶反对称兰姆波模式。由图6可以看出，谐振器的机电耦合系数在面内传输方向为0°时高达65％，在面内传输方向为90°时接近0％，变化范围较大。由图5和图6可知，不论是零阶模式还是高阶模式，改变面内传输方向可以大范围调整机电耦合系数，利用这一特性，可更加灵活地实现多零点的板波滤波器。
不同的面内传输方向可以实现相同的机电耦合系数。由图5可知，面内传输方向为27°和175°均可以实现29％的机电耦合系数。因此，器件设计的角度可以根据版图排布、杂散模式抑制灵活选择。板波滤波器中各谐振器可以具有各不相同的面内传输方向，也可以具有部分相同的面内传输方向、部分不同的面内传输方向。
在一些可能的实施方式中，串联谐振器和并联谐振器中谐振器的板波模式的面内传输方向均不同。
图7是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的结构示意图一。其中，电极组件在支撑衬底上的对应位置与悬空结构在支撑衬底的位置可以重合，悬空结构可以贯穿支撑衬底。在制备过程中，可以通过背刻蚀使得压电薄膜的底部可以悬空，且保证表层压电薄膜的完整，利用与空气的巨大声阻抗失配可以将板波模式的能量更好地约束在器件区域。
图8是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的结构示意图二。其中，支撑衬底的部分区域可以被刻蚀与压电薄膜形成密闭的悬空结构。在制备过程中，可以在压电薄膜的表面通过光刻和刻蚀形成释放窗口，然后可以通过压电薄膜表面的释放窗口腐蚀支撑衬底，使得压电薄膜的部分区域得到释放。
图9是本申请实施例提供的板波滤波器中谐振器的结构示意图三。该谐振器中电极组件上设有介质层。该介质层的厚度与电极组件的周期的比值可以在区间[1％,20％]内。其中，电极组件的周期可以是指相邻电极的中心间距。
图10是本申请实施例提供的板波滤波器的结构示意图。该滤波器中谐振器的电极组件上设有不同厚度的介质层。在设置不同面内传输方向的谐振器的基础上，通过在电极组件上设置不同厚度的介质层可以进一步调整机电耦合系数。
在一些可能的实施方式中，支撑衬底的材料可以为硅Si、石英、碳化硅SiC、蓝宝石、金刚石中的任意一种。压电薄膜的材料可以为铌酸锂LiNbO3或者钽酸锂LiTaO3。压电薄膜的切型可以为X、Y、Z三种正切型，也可以为旋转Y切型。可选地，压电薄膜的厚度可以在区间[1.5μm，150nm]内。介质层的材料可以为氧化硅SiOx、氮化硅SiNx、氧化铝Al2O3等高电阻率材料。
本申请给出一个多零点band41板波滤波器实施例，板波滤波器的通带频段为2496～2690MHz，传输零点分别位于2435MHz、2455MHz、2715MHz、2760MHz处。多传输零点的板波滤波器可以包括7个谐振器。如图4所示，3个谐振器并联构成并联谐振器，4个谐振器串联构成串联谐振器。该7个谐振器中至少存在两个谐振器的板波的面内传输方向不同。为了便于理解，可以自左向右将7个谐振器依次编号为1-7，其中，串联谐振器自左向右依次编号为1、3、5、7，并联谐振器自左向右依次编号为2、4、6。
本申请实施例中，并联谐振器中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同，串联谐振器中也可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。
在一些可能的实施方式中，对于上文中编号的7个谐振器，串联谐振器1、3、5、7中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。并联谐振器2、4、6中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。
例如，谐振器1和谐振器3的板波的面内传输方向不同，谐振器3、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向相同。谐振器3和谐振器5的板波的面内传输方向不同，谐振器1、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向相同。谐振器1、谐振器3、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向均不同。谐振器2和谐振器4的板波的面内传输方向不同，谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向相同。谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向不同，谐振器2和谐振器4的板波的面内传输方向相同。谐振器2、谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向均不同。
本申请实施例中，并联谐振器中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同，串联谐振器中每个谐振器的板波的面内传输方向可以相同。
在一些可能的实施方式中，对于上文中编号的7个谐振器，串联谐振器1、3、5、7中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。并联谐振器2、4、6中每个谐振器的板波的面内传输方向均相同。
例如，谐振器1和谐振器3的板波的面内传输方向不同，谐振器3、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向相同。谐振器3和谐振器5的板波的面内传输方向不同，谐振器1、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向相同。谐振器1、谐振器3、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向均不同。谐振器2、谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向均相同。
本申请实施例中，并联谐振器中每个谐振器的板波的面内传输方向可以相同，串联谐振器中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。
在一些可能的实施方式中，对于上文中编号的7个谐振器，串联谐振器1、3、5、7中每个谐振器的板波的面内传输方向均相同。并联谐振器2、4、6中可以存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。
例如，谐振器1、谐振器3、谐振器5和谐振器7的板波的面内传输方向均相同。谐振器2和谐振器4的板波的面内传输方向不同，谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向相同。谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向不同，谐振器2和谐振器4的板波的面内传输方向相同。谐振器2、谐振器4和谐振器6的板波的面内传输方向均不同。
本申请实施例中，并联谐振器中可以存在至少一个谐振器的板波的面内传输方向与串联谐振器中谐振器的板波的面内传输方向相同。
在一些可能的实施方式中，可以采用对称设计，即谐振器1和谐振器7的板波的面内传输方向相同，谐振器2和谐振器6的板波的面内传输方向相同，谐振器3和谐振器5的板波的面内传输方向相同。
由上表可以看出，板波滤波器中的7个谐振器可以具有4个不同的谐振频率以及机电耦合系数，各个谐振器之间的机电耦合系数相差甚远，仅仅通过波长的变化是无法实现大范围的机电耦合系数的调整的，可以通过改变面内传输方向实现大范围的机电耦合系数的调整。
图11是本申请实施例提供的一种谐振器和滤波器的仿真曲线图。滤波器3dB带宽为2496MHz～2690MHz，分别在2435MHz、2455MHz、2715MHz、2760MHz处产生传输零点。该滤波器在保持高矩形度的同时实现了接近40dB的带外抑制，仿真结果验证了改变面内传输方向可以大幅度地改变谐振器的机电耦合系数，配合波长的变化可以实现谐振频率的变化，使得板波滤波器的设计具有较大的灵活性。
采用本申请实施例提供的多传输零点的板波滤波器，通过设置不同面内传输方向的谐振器，可以大幅度调整谐振器的机电耦合系数，进而更加灵活地实现多传输零点的板波滤波器。通过设置悬空结构可以利用与空气的巨大声阻抗失配可以将板波模式的能量更好地约束在器件区域。
下面介绍本申请一种信号处理电路具体实施例，图12是本申请实施例提供的一种信号处理电路的示意图，图13是本申请实施例提供的另一种信号处理电路的示意图。本说明书提供了如实施例或附图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的模块或组成。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
本申请实施例中，信号处理电路可以包括多个多传输零点的板波滤波器，每个多传输零点的板波滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，并联谐振器和串联谐振器可以依次级联。其中，并联谐振器和串联谐振器中存在至少两个谐振器的板波的面内传输方向不同。其中，面内传输方向可以为谐振器中叉指电极的法线方向。
在一些可能的实施方式中，多传输零点的板波滤波器可以用于双工器、多工器等射频信号处理电路。
需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多传输零点的板波滤波器，其特征在于，包括：
并联谐振器和串联谐振器，所述并联谐振器和所述串联谐振器依次级联；
所述并联谐振器和所述串联谐振器中存在至少两个所述谐振器的板波模式的面内传输方向不同；所述面内传输方向为所述谐振器中叉指电极的法线方向；
所述谐振器自上而下依次包括电极组件、压电薄膜和支撑衬底；所述压电薄膜与所述支撑衬底之间具有悬空结构，所述悬空结构用于将所述谐振器的板波模式的能量约束在所述板波谐振器内；
所述并联谐振器和所述串联谐振器所激发的声波模式均相同。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述板波模式包括零阶板波和高阶板波；
所述零阶板波包括零阶反对称兰姆波、零阶对称兰姆波和零阶水平剪切波；
所述高阶板波包括高阶反对称兰姆波、高阶对称兰姆波和高阶水平剪切波。
3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，当所述谐振器的所述板波模式为所述零阶板波时，所述电极组件包括叉指电极组件和反射栅电极组件；
所述叉指电极组件中叉指电极的金属化率在区间[30％,65％]内；
所述压电薄膜的厚度与所述叉指电极组件的周期的比值在区间[10％,75％]内。
4.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，当所述谐振器的所述板波模式为所述高阶板波时，所述电极组件包括叉指电极组件；
所述叉指电极组件中叉指电极的金属化率在区间[5％,45％]内；
所述压电薄膜的厚度与所述叉指电极组件的周期的比值在区间[2％,17.5％]内。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器还包括设置在所述电极组件上的介质层；
所述介质层的厚度与所述电极组件的周期的比值在区间[1％,20％]内。
6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述电极组件在所述支撑衬底上的对应位置与所述悬空结构在所述支撑衬底的位置重合；
所述悬空结构贯穿所述支撑衬底；或者；
所述支撑衬底的部分区域被刻蚀与所述压电薄膜形成密闭的所述悬空结构。
7.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述串联谐振器和所述并联谐振器中所述谐振器的所述板波模式的面内传输方向均不同。
8.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述串联谐振器和所述并联谐振器中存在至少两个所述谐振器的所述板波模式的面内传输方向相同。
9.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述并联谐振器中存在至少一个谐振器的板波模式的面内传输方向与所述串联谐振器中谐振器的板波模式的面内传输方向相同。
10.一种信号处理电路，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的多传输零点的板波滤波器。
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| WO2024077955A1 (zh) * | 2022-10-11 | 2024-04-18 | 上海馨欧集成微电有限公司 | 一种多传输零点的声表面波滤波器及信号处理电路 |
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- 2022-10-11 CN CN202211243754.0A patent/CN115664370A/zh active Pending
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