多工器的制作方法

本公开涉及电子电路技术领域，特别地，本公开涉及一种多工器。

背景技术

随着无线通信应用的发展，人们对于数据传输速率的要求越来越高，与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频系统的各种性能提出了严格的要求，在射频前端模块，多工器起着至关重要的作用。随着5G商用的增加，对B1、B2、B3、B5、B7、B8等多工器的需求量也越来越大。

目前，由于以声学谐振器为基础的多工器具有边缘滚降(roll-off)特性陡峭、选择性高、功率容量高、抗静电放电(ESD)能力强等优点而日益得到广泛的使用。

目前的多工器中的发射(Tx)滤波器和接收(Rx)滤波器中使用的声学谐振器通常采用相同类型的压电材料例如AlN或者掺杂有其他元素的AlN，使得这些声学谐振器具有相同或相近的机电耦合系数。然而，使用AlN作为压电材料的声学谐振器的机电耦合系数不足，无法满足多工器中的Tx滤波器(低频滤波器)的高插入损耗和对Rx频段的高隔离度的需求。此外，虽然使用掺杂AlN作为压电材料的声学谐振器的机电耦合系数得以提高，但是多工器中的Rx滤波器(高频滤波器)的并联谐振单元的串联谐振频率落入Tx频段(低频频段)，使得容易在Tx通带内产生凹陷。

为了解决上述问题，在现有技术中，通常增加阻抗匹配调谐单元以在保证高插入损耗的前提下提升隔离度，或者在与天线节点连接的串联谐振单元中并联连接电感器或电容器。然而，这些改进方案增加了设计难度，提升了集成难度，而且不易于多工器的小型化。

因此，在现有技术中仍需要一种能够在不增加额外的部件或者制造工艺步骤的前提下实现高插入损耗和高隔离度的多工器。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。但是，应当理解，此概述并非关于本公开的穷举性概述，也非意在确定本公开的关键性部分或重要部分，更非意在限定本公开的范围。此概述的目的仅在于以简化的形式给出关于本公开的某些发明构思，以此作为稍后给出的更详细的描述的前序。

本公开的目的在于提供一种能够在不增加额外的部件或者制造工艺步骤的前提下实现高插入损耗和高隔离度的多工器。

根据本公开的一个方面，提供了一种多工器，包括：至少一个发射滤波器，其输出节点耦接到天线节点，并且包括串联谐振单元和并联谐振单元；以及至少一个接收滤波器，其输入节点耦接到天线节点，并且包括串联谐振单元和并联谐振单元，其中发射滤波器的串联谐振单元和并联谐振单元具有基本上相同的第一机电耦合系数，并且接收滤波器的串联谐振单元和并联谐振单元具有基本上相同的第二机电耦合系数，其中第一机电耦合系数高于第二机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，第一机电耦合系数与第二机电耦合系数的差大于第一机电耦合系数的十分之一。

根据本公开的实施方式，第一机电耦合系数在7％至20％的范围内，并且第二机电耦合系数在5％至15％的范围内。优选地，第一机电耦合系数在7.5％至8.5％的范围内，并且第二机电耦合系数在5％至6.8％的范围内。

根据本公开的另一方面，提供了一种多工器，包括：至少一个发射滤波器，其输出节点耦接到天线节点，并且包括串联谐振单元和并联谐振单元；以及至少一个接收滤波器，其输入节点耦接到天线节点，并且包括串联谐振单元和并联谐振单元，其中，发射滤波器的至少一个串联谐振单元具有第三机电耦合系数，并且接收滤波器的串联谐振单元和并联谐振单元具有基本上相同的第四机电耦合系数，以及第三机电耦合系数高于第四机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，第三机电耦合系数与第四机电耦合系数的差大于第三机电耦合系数的十分之一。

根据本公开的实施方式，发射滤波器的具有第三机电耦合系数的至少一个串联谐振单元直接耦接到发射滤波器的输出节点。

根据本公开的实施方式，发射滤波器的除具有第三机电耦合系数的至少一个串联谐振单元之外的串联谐振单元和并联谐振单元具有基本上相同的第五机电耦合系数。

根据本公开的另一方面，提供了一种多工器，包括：至少一个发射滤波器，其输出节点耦接到天线节点，并且包括串联谐振单元和并联谐振单元；以及至少一个接收滤波器，其输入节点耦接到天线节点，并且包括串联谐振单元和并联谐振单元，其中，发射滤波器的至少一个串联谐振单元具有第六机电耦合系数，接收滤波器的串联谐振单元具有基本上相同的第七机电耦合系数，并且接收滤波器的并联谐振单元具有基本上相同的第八机电耦合系数，以及第六机电耦合系数和第八机电耦合系数高于第七机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，第六机电耦合系数与第七机电耦合系数的差大于第六机电耦合系数的十分之一，并且第八机电耦合系数与第七机电耦合系数的差大于第八机电耦合系数的十分之一。

根据本公开的实施方式，发射滤波器的具有第六机电耦合系数的至少一个串联谐振单元直接耦接到发射滤波器的输出节点。

根据本公开的实施方式，发射滤波器的除具有第六机电耦合系数的至少一个串联谐振单元之外的串联谐振单元和并联谐振单元具有基本上相同的第九机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，发射滤波器和/或接收滤波器的串联谐振单元和并联谐振单元连接成梯形配置。

根据本公开的实施方式，对于发射滤波器和接收滤波器中的每一个，串联谐振单元串联连接在相应的滤波器的输入节点和输出节点之间，以及并联谐振单元并联连接在连接节点和地节点之间，连接节点是串联谐振单元输入端和/或输出端处的节点。

根据本公开的实施方式，并联谐振单元包括串联连接在连接节点和地节点之间的谐振器和电感器。

根据本公开的实施方式，发射滤波器和/或接收滤波器的串联谐振单元和/或并联谐振单元包括谐振器，谐振器是表面声学谐振器、薄膜体声学谐振器、固态装配体声学谐振器或兰姆波谐振器。

根据本公开的实施方式，通过改变谐振器的压电材料或者调整谐振器的压电材料的掺杂元素、掺杂浓度和/或掺杂组合来调整机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，通过改变谐振器的类型来调整机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，发射滤波器和/或接收滤波器的串联谐振单元和/或并联谐振单元中的一部分包括由容性元件和感性元件构成的谐振单元。

附图说明

所包括的附图用于提供本公开的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本公开的原理。

图1示出了根据本公开的实施方式的双工器的等效电路图。

具体实施方式

在本说明书中，还将理解，当一个元件被称为相对于其他元件，诸如在其他元件“上”，“连接到”或“耦接到”其他元件时，该一个元件可以直接设置在该一个元件上，直接连接到或直接耦接到该一个元件，或者还可以存在居间的第三元件。相反，当在本说明书中元件被称为相对于其他元件，诸如“直接”在其他元件“上”，“直接连接到”或“直接耦接到”其他元件时，在它们之间没有设置居间的元件。

现将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的元件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个元件”的含义与“至少一个元件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的至少一个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合。

在下文中，将参照附图描述根据本公开的示例性实施方式。

图1示出了根据本公开的实施方式的双工器100的等效电路图。本领域技术人员应认识到，本文中所称的“多工器”包括双工器、三工器、四工器等多种类型的器件。因此，尽管图1中以双工器为例描述了本公开的多工器，但是基于图1所示的双工器，本领域技术人员可以容易地扩展为三工器、四工器等其他类型的多工器。鉴于这些扩展技术对于本领域技术人员是已知的，因此为简洁起见，本文不对其细节进行更详细的描述。

如图1所示，双工器100可以包括一个发射(Tx)滤波器110和一个接收(Rx)滤波器120。

如上文所述，通过添加更多的Tx滤波器和/或Rx滤波器，双工器100可以容易地扩展为三工器、四工器等其他类型的多工器，所有这些扩展方案均应涵盖于本公开的范围内。

如图1所示，Tx滤波器110的输出节点NTxout耦接到天线节点Nt，并且包括连接成梯形配置的串联谐振单元和并联谐振单元。如图1所示，天线节点Nt可以连接有作为阻抗匹配单元的电感器Lt。

本领域技术人员应认识到，尽管在图1中，Tx滤波器110是3阶梯形滤波器，其包括第一至第三串联谐振单元S1101至S1103和第一至第三并联谐振单元P1101至P1103，但是本公开不限于此。根据本公开的实施方式，Tx滤波器110可以是任意阶数的梯形滤波器或者具有其他拓扑结构的滤波器，并且可以包括任意数目的串联谐振单元和并联谐振单元，所有这些变型方案均应涵盖于本公开的范围内。

如图1所示，第一至第三串联谐振单元S1101至S1103依次串联连接在Tx滤波器110的输出节点NTxout和输入节点NTxin之间。此外，在输出节点NTxout与第一串联谐振单元S1101之间还可以串联和/或并联连接有输出阻抗匹配单元(未示出)，并且在第三串联谐振单元S1103与输入节点NTxin之间还可以串联和/或并联连接有输出阻抗匹配单元(未示出)。输入阻抗匹配单元和输出阻抗匹配单元可以包括例如电感器、电容器、谐振器等阻抗匹配元件或者由它们共同构成的匹配单元。

此外，如图1所示，第一至第三并联谐振单元P1101至P1103并联连接在连接节点N1101至N1103和地节点GND之间，连接节点N1101至N1103是第一至第三串联谐振单元S1101至S1103的输入端和/或输出端处的节点。

此外，如图1所示，Rx滤波器120的输入节点NRxin耦接到天线节点Nt，并且包括连接成梯形配置的串联谐振单元和并联谐振单元。

本领域技术人员应认识到，尽管在图1中，Rx滤波器120是3阶梯形滤波器，其包括第一至第三串联谐振单元S1201至S1203和第一至第三并联谐振单元P1201至P1203，但是本公开不限于此。根据本公开的实施方式，Rx滤波器120可以是任意阶数的梯形滤波器或者具有其他拓扑结构的滤波器，并且可以包括任意数目的串联谐振单元和并联谐振单元，所有这些变型方案均应涵盖于本公开的范围内。

此外，尽管在图1中，Rx滤波器120具有与Tx滤波器110相同的电路拓扑，即均为3阶梯形滤波器，但是本公开不限于此。根据本公开的实施方式，Rx滤波器120可以具有与Tx滤波器110不同的电路拓扑，即可以是不同于3阶的其他阶数的梯形滤波器或者具有其他电路拓扑的滤波器，所有这些变型方案均应涵盖于本公开的范围内。

如图1所示，第一至第三串联谐振单元S1201至S1203依次串联连接在Rx滤波器120的输入节点NRxin和输出节点NRxout之间。此外，在输入节点NRxin与第一串联谐振单元S1201之间还可以串联和/或并联连接有输入阻抗匹配单元(未示出)，并且在第三串联谐振单元S1203与输出节点NRxout之间还可以串联和/或并联连接有输出阻抗匹配单元(未示出)。输入阻抗匹配单元和输出阻抗匹配单元可以包括例如电感器、电容器、谐振器等阻抗匹配元件或者由它们共同构成的匹配单元。

此外，如图1所示，第一至第三并联谐振单元P1201至P1203并联连接在连接节点N1201至N1203和地节点GND之间，连接节点N1201至N1203是第一至第三串联谐振单元S1201至S1203的输入端和/或输出端处的节点。

此外，本领域技术人员应认识到，尽管本文以梯形滤波器为例描述了根据本公开的实施方式的Tx滤波器110和Rx滤波器120，但是本公开不限于此。根据本公开教导，本领域技术人员可以容易地设想将本公开的发明构思应用于基于除梯形滤波器以外的其他滤波器电路拓扑的多工器。

Tx滤波器110的第一至第三串联谐振单元S1101至S1103和第一至第三并联谐振单元P1101至P1103以及Rx滤波器120的第一至第三串联谐振单元S1201至S1203和第一至第三并联谐振单元P1201至P1203在本文中可被统称为“谐振单元”。本领域技术人员应认识到，本文所称的“谐振单元”可以由单个谐振器构成，也可以由谐振器与电感器和/或电容器的串联和/或并联电路构成。例如，Tx滤波器110的第一至第三并联谐振单元P1101至P1103和Rx滤波器120的第一至第三并联谐振单元P1201至P1203中的每一个可以由串联连接在连接节点和地节点之间的谐振器和电感器构成。此外，本领域技术人员应认识到，本文所称的“谐振单元”还可以包括由容性元件例如电容器和感性元件例如电感器构成的谐振单元。所有这些变型方案均应涵盖于本公开的范围内。

因此，本领域技术人员应理解，本文中记载的谐振单元的机电耦合系数可以被视为谐振单元所包括的谐振器的机电耦合系数。换言之，在本文中，“谐振单元的机电耦合系数”和“谐振器的机电耦合系数”具有相同的技术含义。

根据本公开的实施方式，构成Tx滤波器110和Rx滤波器120的各谐振单元的谐振器可以是声学谐振器，例如表面声学谐振器、薄膜体声学谐振器、固态装配体声学谐振器或兰姆波谐振器。声学谐振器通常具有制备在衬底上的下电极、压电层和上电极的三明治结构，其中压电层由具有机电转换能力的压电材料制造，例如AlN或掺杂AlN，用于实现声信号(声波)和电信号之间的转换。压电材料以及使用该压电材料的声学谐振器的优值FOM由机电耦合系数kt²和品质因数Q共同决定，即FOM＝kt²*Q，其中机电耦合系数表征了压电材料声能与电能之间的耦合和转换能力，其值与工作频段带宽成正比。鉴于声学谐振器对于本领域技术人员而言是已知的，因此为简洁起见，本文不对其细节进行更详细的描述。

本公开的发明构思在于通过调整多工器中的包括的Tx滤波器和Rx滤波器的各谐振单元的机电耦合系数来在不增加额外的部件或者制造工艺步骤的前提下，实现具有高插入损耗和高隔离度的多工器。

根据本公开的第一实施方式，Tx滤波器110的第一至第三串联谐振单元S1101至S1103和第一至第三并联谐振单元P1101至P1103具有基本上相同的第一机电耦合系数，并且Rx滤波器120的第一至第三串联谐振单元S1201至S1203和第一至第三并联谐振单元P1201至P1203具有基本上相同的第二机电耦合系数，其中第一机电耦合系数高于第二机电耦合系数。应注意，本文所称的“基本上相同”是指两者之间的数值差在合理的误差范围内，优选地相对误差在5％以内。

根据本公开的第一实施方式，第一机电耦合系数与第二机电耦合系数的差大于第一机电耦合系数的十分之一。

根据本公开的第一实施方式，第一机电耦合系数在7％至20％的范围内，并且第二机电耦合系数在5％至15％的范围内。优选地，第一机电耦合系数在7.5％至8.5％的范围内，并且第二机电耦合系数在5％至6.8％的范围内。

根据本公开的实施方式，较大的第一机电耦合系数可以提高Tx滤波器的插入损耗，并且可以降低并联谐振单元所需的串联电感器的电感值；同时，较小的第二机电耦合系数可以降低Rx滤波器的并联谐振单元对Tx滤波器的插入损耗的影响。因此，将第一机电耦合系数设置为高于第二机电耦合系数能够实现提高插入损耗和隔离度的技术效果。

根据本公开的第二实施方式，Tx滤波器110的第一至第三串联谐振单元S1101至S1103中的至少一个串联谐振单元具有第三机电耦合系数，并且Rx滤波器120的第一至第三串联谐振单元S1201至S1203和第一至第三并联谐振单元P1201至P1203具有基本上相同的第四机电耦合系数，其中第三机电耦合系数高于第四机电耦合系数。

根据本公开的第二实施方式，第三机电耦合系数与第四机电耦合系数的差大于第三机电耦合系数的十分之一。

此外，根据本公开的第二实施方式，具有第三机电耦合系数的Tx滤波器110的至少一个串联谐振单元是第一串联谐振单元S1101，即直接耦接到Tx滤波器110的输出节点NTxout的串联谐振单元。

根据本公开的第二实施方式，Tx滤波器110具有机电耦合系数较大的串联谐振单元(例如第一串联谐振单元S1101)可以有助于在Tx滤波器110和Rx滤波器120的高频处提高插入损耗。

此外，根据本公开的第二实施方式，Tx滤波器110的除至少一个串联谐振单元，即第一串联谐振单元S1101之外的第二和第三串联谐振单元S1102和S1103和第一至第三并联谐振单元P1101至P1103具有基本上相同的第五机电耦合系数。

根据本公开的第三实施方式，Tx滤波器110的第一至第三串联谐振单元S1101至S1103中的至少一个串联谐振单元具有第六机电耦合系数，Rx滤波器120的第一至第三串联谐振单元S1201至S1203具有基本上相同的第七机电耦合系数，并且Rx滤波器120的第一至第三并联谐振单元P1201至P1203具有基本上相同的第八机电耦合系数，其中第六机电耦合系数和第八机电耦合系数高于第七机电耦合系数。

根据本公开的第三实施方式，第六机电耦合系数与第七机电耦合系数的差大于第六机电耦合系数的十分之一，并且第八机电耦合系数与第七机电耦合系数的差大于第八机电耦合系数的十分之一。

此外，根据本公开的第三实施方式，具有第六机电耦合系数的Tx滤波器110的至少一个串联谐振单元是第一串联谐振单元S1101，即直接耦接到Tx滤波器110的输出节点NTxout的串联谐振单元。

根据本公开的第三实施方式，Tx滤波器110具有机电耦合系数较大的串联谐振单元(例如第一串联谐振单元S1101)可以有助于在Tx滤波器110和Rx滤波器120的高频处提高插入损耗。

此外，根据本公开的第三实施方式，Tx滤波器110的除至少一个串联谐振单元，即第一串联谐振单元S1101之外的第二和第三串联谐振单元S1102和S1103和第一至第三并联谐振单元P1101至P1103具有基本上相同的第九机电耦合系数。

根据本公开的以上实施方式，第一、第三、第六和第八机电耦合系数可以被视为高机电耦合系数，而第二、第四、第五、第七和第九机电耦合系数可以被视为低机电耦合系数。根据本公开的实施方式，高机电耦合系数在7％至20％的范围内，并且低机电耦合系数在5％至15％的范围内。优选地，高机电耦合系数在7.5％至8.5％的范围内，并且低机电耦合系数在5％至6.8％的范围内。

根据本公开的实施方式，Tx滤波器110和Rx滤波器120的谐振单元可以由谐振器构成。根据本公开的实施方式，通过改变谐振器的压电材料或者调整谐振器的压电材料的掺杂元素、掺杂浓度和/或掺杂组合来调整机电耦合系数。

根据本公开的实施方式，谐振器的压电材料可以包括但不限于：纤锌矿结构，例如AlN、ZnO；钙钛矿结构，例如BaTiO3、Pb(Ti,Zr)O3、Li(Nb,Ta)O3，或(K,Na)NbO3；以及有机压电材料，例如聚偏氟乙烯PVDF等。

根据本公开的实施方式，各谐振单元的谐振器可以具有不同类型的压电材料，通过改变谐振器的压电材料，可以实现对机电耦合系数的调整。例如，为了获得高机电耦合系数，可以使用Li(Nb,Ta)O3作为压电材料，并且为了获得低机电耦合系数，可以使用AlN作为压电材料。

替选地或组合地，根据本公开的实施方式，各谐振单元的谐振器也可以具有相同类型的压电材料。应注意，本文所称的“相同类型的压电材料”是指基质相同的压电材料，例如AlN或者掺杂有其他元素的AlN在本文中可被视为相同类型的压电材料。根据本公开的实施方式，通过调整谐振器的压电材料的掺杂元素、掺杂浓度和/或掺杂组合，可以实现对机电耦合系数的调整。

作为具体示例，如果期望获得具有低的机电耦合系数的谐振器，压电材料可以采用纯AlN、掺杂浓度低的AlN或者掺杂有用于降低机电耦合系数的元素的AlN。根据本公开的实施方式，用于降低机电耦合系数的掺杂元素包括但不限于B、Ga和In。

此外，作为具体示例，如果期望获得具有高的机电耦合系数的谐振器，压电材料可以采用掺杂浓度高的AlN、掺杂有用于提高机电耦合系数的元素的AlN或者具有掺杂浓度不同的多个掺杂AlN层的叠层。根据本公开的实施方式，用于提高机电耦合系数的掺杂元素包括但不限于Ti、Sc、Mg、Zr、Hf、Sb、Y、Sm、Eu、Er、Ta和Cr。

根据本公开的实施方式，还可以通过调整谐振器的类型来实现对机电耦合系数的调整。例如，为了获得高机电耦合系数，可以使用表面声学谐振器，并且为了获得低机电耦合系数，可以使用体声学谐振器。

根据本公开的实施方式，Tx滤波器110和Rx滤波器120的谐振单元中的一部分谐振单元还可以包括由容性元件例如电容器和感性元件例如电感器构成的谐振单元。根据本公开的实施方式，通过调整构成谐振单元的容性元件和感性元件的参数，也可以实现对机电耦合系数的调整。

根据本公开的上述实施方式，能够在不增加额外的部件或者制造工艺步骤的前提下，实现具有高插入损耗和高隔离度的多工器。

尽管参照本公开的示例性实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不偏离权利要求中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。